산소센서(oxygen sensor, O₂센서)
산소센서(oxygen sensor, O₂센서)는 엔진에서 연료가 분사할 때 산소의 농도를 측정하여 분사하는 양을 제어해주는 센서이다. 자동차 엔진은 연료가 포함된 혼합가스를 연소실에서 흡입, 압축, 폭발, 배기라는 총 4단계를 거쳐 동력을 발생시키는데, 산소센서는 연소실에서 배출되는 배기가스 중의 산소 농도를 측정하여 엔진에 공급되는 연료량을 조절한다.
쉽게 말해서,배기가스 중의 산소량이 적으면 공급연료를 줄이고 너무 많다 싶으면 다시 연료를 늘려 최적의 공연비를 실현하는역할을하는 것이 바로 산소센서이다. 즉,이러한 산소센서가 고장날 경우 최적의 공연비를 실현하는데 문제가 발생할 수 밖에 없고 이로인해 연비가 나빠지는 등 여러가지 문제가 발생하게 된다.
개요
산소센서(oxygen sensor) 또는 람다센서(lambda sensor)는 기체나 액체속의 산소(O₂)의 분압을 측정하는 전자 소자이다. 그것은 1960년대 후반 로베르트 보슈 GmbH에 의해 개발되었느데 귄터 바우만이 관리 감독하였다. 원래의 검출 요소는 백금의 박막을 지닌 기준 측과 소진 측 모두에 쇠고리(thimble) 형태의 지르코니아 세라믹이 코팅되어 만들어졌다. 그리고 가열되거나 가열되지 않은 형태이다. 평판 형태의 센서는 1998년 시장에 출시되었고 세라믹 검출 요소와 세라믹 구조내의 내장 히터의 질량을 매우 줄였다. 이것은 켠후 빠르게 작동하고 응답속도가 빠른 센서를 주었다. 가장 공통적인 응용은 자동차와 다른 운송 수단의 내부 연소 엔진의 소모 가스 농도를 측정하는 것이다. 스쿠버 다이버 역시 흡사한 소자를 사용하여 호흡용 가스의 산소 분압을 측정한다.
과학자들은 산소 센서를 사용하여 호흡작용(Respiration) 또는 산소 생산을 측정하며 다른 접근 방법을 사용한다. 산소 센서는 산소 분석기에서 사용되는데 그것은 마취 모니터, 호흡기와 산소 농축기와 같은 의학 응용에서 많이 활용된다.
산소를 측정하는 많은 방법이 있으며 지르코니아, 기전 (또는 갈바닉), 적외선, 초음파 그리고 최근에는 레이저를 사용한다.
원리
산소센서는 배기 매니폴드에 장착되어 있다. 이는 연소된 배기가스 내의 산소 농도와 대기 중 산소 농도차로부터 비교를 통해 공연비 제어를 하도록 돕는 센서인데 비교한 값을 엔진 ECU가 판단해 연료 분사시간을 제어하는 원리이다.
방식
산소센서는 크게 나누어 농담(濃淡) 전지식과 자기식이 있다.
농담 전지식은 안정화 지르코니아를 사용하는 고체 전해질 방식과 전해액(KOH 등)을 사용하는 습식(濕式) 전지 방식(갈바니 전지 방식)이 있다. 고체 전해질 방식은 수명도 길고, 사용하는 참조용 가스의 산소 농도에 따라 수 ppm∼수 10%까지의 넓은 범위의 측정을 할 수 있다. 센서 온도를 500∼800℃로 하여 사용할 필요가 있기 때문에 연도(煙道) 가스 중의 산소 농도 분석이나 자동차 엔진의 연소 제어, 그 밖의 분석 기기에 사용된다.
습식 전지 방식은 피검지 가스와 격막 내를 확산하여 셀 내에 녹아드는 산소의 환원 전류를 측정한다. 실내 온도에서 작동하며, 수 ppm∼수천 ppm의 산소를 검출할 수 있기 때문에 이동식 산소 측정기에 사용된다.
자기식은 산소가 다른 대부분의 가스와 달리 상자성(常磁性)을 갖는 것을 이용한다. 휘트스톤 브리지 속에서 두 개의 저항을 백금 온도 측정 저항체로 하고, 그중 한쪽의 온도 측정 저항체를 자기장 속에 놓으면 산소의 상자성으로 인해서 기류가 생기고, 온도 측정 저항체의 온도가 변화하는 것을 이용한다. 검출 감도는 0∼수%이지만, 반복 재현성이 풍부해서 공업 프로세스 계기에 사용된다.
종류
리니어 람다센서와 바이너리 지르코니아 센서 두가지가 있다.
지르코니아란 산소차이에 의해 기전력을 발생시키는 물질이다. 배기 매니폴드 안에는 삼원 촉매가 있는데 이 앞단과 뒷단 즉, 환원된 연소가스 내의 산소농도의 차이로 기전력을 발생시키는 원리를 이용한다. 기전력을 분석해 농후 상태인지 희박한 상태인지 인식하며 농후하다면 가솔린 분사를 줄이고, 희박하면 가솔린 분사를 늘리면서 이론 공연비에 다가가도록 돕는다.
그림 좌를 보면 산소가 부족하고 연료가 상대적으로 더 많은 상태를 볼 수 있다. 이는 농후한 상태로 연료분사를 줄이고, 우 사진은 산소가 많으므로 연료 분사량을 늘리는 활동을 하게 된다.
지르코니아 센서의 단점은 급격하게 출력이 변화하는 특성 때문에 공연비 검출하는데 한계가 있다. 이를 보완할 수 있는 센서가 리니어 산소센서이다. 이는 전류 흐름의 반대로 산소이온이 이동하는 원리를 접목해 만든 센서이다. 차종에 따라 촉매전단에 리니어 타입이 들어가고 촉매후단에 바이너리 타입이 들어가기도 하고 촉
매전단에도 바이너리 타입을 사용, 촉매후단에도 바이너리 타입을 사용하기도 한다.
지르코니아 산소센서에서 리니어 산소센서가 개발된 계기는 쉽게 말해서 엔진의 발전 속도에 맞추어 이론공연비를 떠나 넓은 공연비 폭에서 공연비 보정과 학습을 하도록 개선한 것이다.
고장 증상
1. 연비 저하 : 연료를 필요한 양을 초과하여 과다하게 공급하기 때문에 연비가 급격히 저하된다.
2. 출력 감소 : 급가속 시 평소와는 다르게 출력이 저하되었다는 것을 느낄 수 있다.
3. 매연 증가 : 불완전연소, 이론공연비 불균형으로 인해 매연이 기준치 이상으로 발생한다.
4. 엔진 부조 및 신호 꺼짐 : 차량에 따라서 엔진이 과하게 흔들리고 시동이 아예 꺼질 수 있다.
산소센서가 고장나면 배기가스가 증가하고 불완전연소가 일어나며 차량효율과 연비가 떨어지게 되는데 이것을 엔진문제라고 판단하여 엔진경고등이 켜지는 이유가 되기도 한다. 실제로 엔진경고등에 불이 들어와 카센터에 방문하시는 분들 중 많은 분들의 차를 살펴보면 이러한 산소센서 문제인 경우가 많다. 꼭 엔진경고등에 불이 들어오지 않더라도 연비가 급격히 나빠졌다면 산소센서가 노후되었을 가능성이 있기 때문에 정비소에 방문해 점검해보는 것이 좋다.
동영상
참고자료
같이 보기
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