산소센서 Oxygen Sensor

산소센서들


산소센서는 일정한 구역에서 산소의 존재여부를 검출하는 센서로 각종 기체의 존재여부를 나타내는 가스센서의 한 종류인데 주로 의료기기나 각종 테스트 장비용, 열기관의 연소상태를 확인하기 위하여 사용되는데 자동차에서도 엔진에 공급된 연료와 공기(산소)가 완전히 연소되었는지 확인하기 위하여 사용된다.
실린더안에 유입된 공기는 엔진제어 시스템에서 이론공연비와 엔진의 조건에 따른 적절한 양의 연료와 혼합되어 폭발행정에서 연소되는데 공급된 연료량이 부족하거나 많은지를 연소후 배기가스중에 산소의 존재여부로 판단하거나(일반산소센서) 많으면 얼마나 많은지, 부족하면 얼마나 부족한지를 확인(광역산소센서)하기 위하여 산소센서를 사용한다.
기계적 상태가 정상인 엔진에서는 전자제어 시스템에서 공기량 센서를 통하여 연소실에 유입된 공기량을 알아내서 현재 엔진의 조건에 따라 이론공연비에 맞게 계산된 연료량을 분사하여 100% 완전연소가 되었거나 어떤 원인에 의하여 공기량보다 연료량이 많다면 배기가스중에는 산소가 없게 되고 반대로 연료량보다 공기량이 많다면 배기가스중에 산소가 남게된다.
엔진제어 시스템은 배기가스중에 산소가 있다는 신호를 받으면 자신이 계산한 연료량이 작다고 인식하여 연료량을 증가시키고 배기가스중에 산소가 없다면 자신이 계산한 연료량이 너무 많다고 판단하여 연료량을 감소시키게 되는 것이다.
이렇게 엔진의 연소상태나 공기연료비를 알아 엔진의 성능을 높이고 배출가스를 감소시키기 위하여 배기가스중 산소의 존재여부를 확인하는 산소센서를 사용하여 인젝터 작동시간을 조절하여 연료량을 연속적으로 변화시키는 시스템을 폐회로 제어(Closed-Loop Control) 또는 피드백 시스템(Feed-back System)이라고 한다.
산소센서는 산소가 있거나 없는 경계상태에서 산소가 조금만 있어도 급격한 변화(전압이나 저항)가 발생하는 희귀금속과 백금의 성질을 이용하는데 사용되는 희귀금속으로는 지르코늄과 티타…(생략)

늄이 있다.
산화 지르코늄(지르코니아)을 이용한 지르코니아 산소센서는 대기중 산소와 배기가스중 산소의 농도차이를 0~1V 전압으로 나타내고 산화 티타늄(티타니아)을 이용한 티타니아 산소센서는 배기가스중 산소량에 따라 변화되는 저항값의 차이로 산소농도를 검출한다.
티타니아 산소센서는 직접적으로 전압을 발생시키는 것이 아니고 저항이 변화되기 때문에 일종의 가변저항으로 볼 수 있으며 일정한 전압을 공급하고 저항이 변화됨에 따라 전압이 변화되는 것으로 산소농도를 검출하는 것이다.
산소센서를 람다센서(Lambda Sensor)라고 부르기도 한다.
산소센서에는 연료성분에 따른 최적의 이론공연비 부근에서만 희박/농후를 확인하는 일반(Narrow Band) 산소센서와 일반 산소센서보다 넓은 영역의 혼합비 구성을 검출할 수 있는 전영역(Wide Band) 산소센서(광역산소센서)가 있으며 전영역 산소센서는 람다 0.7 ~ 1.9까지의 혼합비 구성을 나타낼 수 있다.
일반(Narrow Band) 산소센서는 EGO(Exhaust Gas Oxygen)센서나 LS(Lambda Sensor), HEGO(Heated Exhaust Gas Oxygen)센서나 LSH(Lambda Sensor Heated), LSF(Lambda Sensor Flat)라고 부르기도 하며 광역(Wide Band) 산소센서는 UEGO(Universal Exhaust Gas Oxygen)센서나 LSU(Lambda Sensor Universal)라고 부른다.
산소센서는 지르코니아 타입이나 티타니아 타입을 막론하고 상온에서 작동하는 것이 아니고 일정 온도 이상에서만 작동하는 특성(활성화, Light-off)이 있으므로 배기가스 온도에 의해 활성화 온도까지 상승되는 일반 산소센서와 활성화 온도에 이르는 시간을 단축시키기 위하여 산소센서에 전기식 히팅 기능을 추가한 히티드 산소센서도 있으며 일반 산소센서에는 1선 타입과 2선 타입이 있으며 히티드 산소센서에는 3선 타입과 4선 타입이 있다.