출력특성 평가에 관한 연구 ③ size="2" color="#363C38">-1 color="#363C38">”
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‘산소센서의 작동 전 특성’과 ‘산소센서 작동 때의 특성’으로 나누어
서술하고 있다. 기사내용 중에 독자들을 오도할 염려가 있는 부분을
몇 군데 지적하고자 한다.(고맙게도 어떤 분이 일부 수정을 제안하셔서,
그 분의 제안에 대한 대답을 겸하여, 본 내용에 대한 오해의 소지를
줄이고자 ,일부 내용을 보충합니다.)
보면, 이 연구 논문은 ‘비가열식 산소센서(Unheated type Oxygen Sensor)’의
특성을 소개하고 있는데, 이에 대한 언급이 없어, 독자들이 모든 산소센서의
특성이 논문내용과 동일할 것으로 여기게끔 하고 있다. 하지만 이와
같은 비가열식 산소센서는 현재 별로 사용되고 있지 않고, 현재 판매되고
있는 대부분의 자동차에는 ‘가열식
산소센서(Heated type Oxygen Sensor)’ color="#363C38">가 사용되고 있다.
산소센서의 역할은
엔진에 공급되는 연료의 양이 농후한지 또는 희박한지를 검출하는 것이다.
센서가 활성화되면, 연료가
농후할 경우, 0.5V~1.0V사이의
전압을 출력하고,연료가
희박할 경우, 0~0.5V사이의
전압을 출력한다. 비가열식 산소센서가 배기가스의 열로 인해 센서부의
온도가 높아져서 센서가 활성화되는 것에 반하여, 가열식 산소센서에는
센서부에 히터가 장착되어 있어 센서가 빨리 활성화 될 수 있도록 하고
있다. 따라서, 가열식 산소센서를 사용하는 경우에는, 일정 시간이 경과하면
센서가 활성화된 것으로 보아도 된다.(물론 외기온에 따라 다소의 시간차는
있을 수 있다.)
배기가스규제가 강화되면서
산소센서의 작동 전 특성에서 강조되고 있는 것은 ‘얼마나 빨리 센서가
활성화 되는 것인가?’이다. 센서가 활성화 되어야 공기와 연료의 혼합비를
조절하는 피이드백 제어(feed-back Control)가 가능하기 때문이다. 그러므로,
현재 운전되고 있는 대부분의 자동차를 고려한다면,기사내용에서
사용한 것은 적절하지 못했다
고 생각한다. 참고로, 공연비 피이드백 제어를 시작하기 위한 조건으로는
냉각수온, 산소센서의 출력 등이 있다.
신호파형이 매끄럽게 변화하는 것이 좋다. 공회전 상태에서도 냉각팬의
작동이나 에어컨의 작동에 관계없이 매끄럽게 연결되는 것이 좋다. 그러나,
이와 같은 작동 때의 신호 형태는 산소센서의 특성(배출가스내의 산소농도를
검출하는 산소센서의 소자특성을 포함하는)만으로 결정되는 것이 아니고
산소센서의 장착위치에 따라서도 많은 영향을 받는다. 따라서, 논문에
게재되어 있는 산소센서 신호파형이 농후(RICH)와 희박(LEAN)상태를
검출하고는 있지만 최적화된 산소센서 신호가 아닐 수도 있다는 점을
밝혔어야 한다.
그리고 기사내용에 소개된 ‘정상적인
조건에서의 산소센서 출력파형’도 기술적으로 말하면 좋은 파형이 아니다.
통상 DOHC엔진의 경우, 농후한 영역을 나타내는 신호에 고주파성분이
실리는 경우가 있지만, 기사내용의 신호파형은 공회전 상태에서 매끄럽지
못하고 또한 농후,희박의 변화가 통상의 경우보다 느리다.(이것은 산소센서의
검출부는 상당히 민감한 반면, 연료제어는 다소 느린 것으로 추정된다.)
엔진회전수가 작을 때에 비하여 일정시간동안에 더 많은 횟수의 연소가
일어나므로,엔진의 연료량 제어도 비례하여 빨라지기 때문에, 산소센서의
변화 주파수도 당연히 커진다. 즉, 기사내용처럼 엔진회전수가 증가함에
따라 피드백주파수가 같이 증가하는 경향을 보이는 것이 아니라, 엔진의
연료량 제어 특성상(오해의 소지가 있지만 위의 설명을 이렇게 요약한다)
증가하게끔 되어 있고 이는 당연한 것이다.
이 부분에
대해서 좀 더 자세히 설명하면 다음과 같다. 연료량 제어의 변화가 산소센서에
검출되기까지는 약간의 시간차가 있다. 우선, 변화된 연료량의 혼합기가
연소되어 배기관을 지나 산소센서에 도달하기까지의 기계적인 시간차가
있고, 거기에 더하여, 산소센서에서도 희박에서 농후로 또는 농후에서
희박으로 신호가 변화할 때 센서자체의 시간차가 있다. 이 센서자체의
시간차는 검출부의 온도가 높을수록 짧아지지만, 그 짧아지는 정도는
센서활성화 최저온도인 350도에서와 센서 허용최대온도인 800도에서의
차이가 신호 1사이클당 100msec 정도이다.
공회전시
산소센서신호가 농후에서 희박으로 그리고 다시 희박에서 농후로 변화하는
데에 1.5sec~2sec걸리는 것이 일반적이므로, 이 정도의 시간차는 큰
영향을 주지 못한다. 엔진회전수가 증가하면, 센서자체의 시간차도 줄지만,
기계적 시간차도 줄게 되고 또한 회전수에 비례하여 연료제어가 빈번해지기
때문에 산소센서의 변화주파수가 커진다.
잊지
말아야 할 것은 산소센서의 신호는 스스로가 변화하는 것이 아니라 실제로
접하게 되는 배출가스의 조성에 의해 결정된다는 것이다. 즉, 산소센서의
변화주파수가 크다는 것은 그만큼 배출가스의 조성이 빠르게 변화하고
있다는 말이다.
출력파형 그림들을 보면, 2500RPM까지 신호가 고르지 않아, 엔진제어
측면에서 결코 좋은 신호형태가 아니다. 이런 그림들이 인용되면, 이런
신호파형에 익숙하지 않은 독자들은 인용된 그림들이 대표성을 가지는
것으로 생각할 것이다. 따라서 기사내용의 원래의 취지에 입각하여 생각해
보면, 인용된 그림들은 잘못 선정된 것이다.
가지지 못한 시험 결과를 제시함으로써, 보편성을 가지는 결론도출에는
미흡한 내용이다. 향후 다른 기사를 다룰 경우에도, 자료를 선정하거나
시험샘플의 시험결과를 보일 때에는 반드시 대표성을 가진 것을 바탕으로
해야 한다는 점을 명심해야 할 것이다.
