공기-연료비계

Air–fuel ratio meter

공기 연료비 측정기는 내연기관의 공기-연료비를 감시한다. 공기-연료비 게이지, 공기-연료계 또는 공기-연료계 게이지라고도 하며 산소 센서의 전압 출력을 읽으며, 때로는 AFR 센서 또는 람다 센서라고도 한다.

원래의 협대역 산소 센서는 1970년대 말과 1980년대 초에 공장설치 표준이 되었다. 최근 몇 년 동안 더 비싸긴 하지만 훨씬 더 새롭고 더 정확한 광대역 센서를 사용할 수 있게 되었다.

대부분의 독립형 협대역 미터는 10개의 LED를 가지고 있고 일부는 더 많은 LED를 가지고 있다. 또한 표준 장착이 있는 원형 하우징에서 공통적이고 좁은 밴드 미터 52mm와 67mm(2+1⁄16 및 2+5⁄8 인치) 직경은 다른 종류의 자동차 ' ''와 같다. 이것들은 보통 10개 또는 20개의 LED를 가지고 있다. 아날로그 '니들' 스타일 게이지도 이용할 수 있다.

위에서 설명한 것처럼, 독립적으로 서 있거나 하우징에 탑재되는 광대역 미터가 있다. 광대역 센서가 훨씬 더 정확한 판독값을 제공하기 때문에 이 거의 모든 것이 숫자 디스플레이에서 공기-연료 비율을 보여준다. 광대역 센서가 더 정확한 전자제품을 사용하기 때문에 이 미터기는 더 비싸다.

공기-연료비 측정의 이점

  • 산소 센서의 상태 결정: 산소 센서가 오작동하면 변화하는 엔진 조건에 더 느리게 반응하는 공기-연료 비율이 발생한다. 센서가 손상되거나 결함이 있을 경우 연료 소비량이 증가하고 오염물질 배출이 증가할 뿐만 아니라 전력 및 스로틀 반응도 감소할 수 있다. 대부분의 엔진 관리 시스템은 결함이 있는 산소 센서를 감지할 것이다.
  • 배출량 감소: (휘발유 엔진의 경우) 공기-연료 혼합물을 14.7:1의 확률비 가까이 유지하면 촉매변환기가 최대 효율로 작동할 수 있다.
  • 연비: 공기-연료 혼합물이 계량비보다 희박하면 연료 주행거리가 거의 최적화되어 주행 거리당 비용이 적게 들고 CO2 배출량이 가장 적다. 단, 공장에서 나온 자동차는 촉매변환기의 효율과 수명을 최대화하기 위해 (가속성이 가능한 한 기울어지지 않고) 스토오치메트릭 비(가속성이 떨어지는 상태에서)로 작동하도록 설계되어 있다. 계량비보다 혼합물 희박하게 작동하는 것이 가능할 수 있지만, 제조업체는 미국 EPA 규제로 인해 더 높은 우선순위로 배출물과 특히 촉매변환기 수명(현재 신차에서는[citation needed] 16만 km (10만 mi)이 되어야 함)에 초점을 맞춰야 한다.
  • 엔진 성능: rpm 및 매니폴드 압력 범위에서 공기-연료 비율을 주의 깊게 매핑하면 폭발 위험을 줄일 뿐만 아니라 출력도 최대화할 수 있다.

희박한 혼합물은 연비를 개선하지만 또한 질소산화물(NOX)의 양이 급격히 증가하게 한다. 혼합물이 너무 희박해지면 엔진에 불이 붙지 않아 실화가 발생하고 연소되지 않은 탄화수소(HC) 배출량이 크게 증가할 수 있다. 희박한 혼합물은 더 뜨겁게 연소되며 거친 공회전, 딱딱한 시동 및 정지 현상을 일으킬 수 있으며, 촉매변환기 또는 엔진의 연소 밸브까지 손상시킬 수 있다. 엔진 부하가 걸린 상태에서 스파크 노크/엔진 노킹(디토닝)의 위험도 증가한다.

스토이치메트릭보다 농후한 혼합물은 혼합물이 완벽하게 균일화된 상태에 도달하지 못하여 기화된 액체 연료를 사용할 때 최대 엔진 출력을 낼 수 있으므로 모든 산소가 연소되도록 하기 위해 추가 연료를 첨가하여 최대 출력을 생성한다. 이러한 유형의 작동에서 이상적인 혼합물은 개별 엔진에 따라 달라진다. 예를 들어 터보차저와 슈퍼차저와 같은 강제 유도를 사용하는 엔진은 일반적으로 자연 흡기 엔진보다 스로틀이 열린 상태에서 더 풍부한 혼합물을 필요로 한다. 강제 유도 엔진은 너무 오래 너무 희박하게 연소되어 심각한 손상을 입을 수 있다. 공기-연료 혼합물이 희박할수록 실린더 내부의 연소 온도가 높아진다. 온도가 너무 높으면 엔진이 파괴되어 피스톤과 밸브가 녹는다. 이는 헤드 및/또는 매니폴드를 포팅하거나 더 큰 인젝터를 설치하거나 연료 압력을 충분한 수준으로 증가시켜 보상하지 않고 부스트를 증가시키는 경우에 발생할 수 있다. 반대로 엔진으로의 공기 흐름을 증가시키지 않고 연료 공급을 증가시킴으로써 엔진 성능을 저하시킬 수 있다. 더구나 배기 가스 온도가 떨어지기 시작할 정도로 엔진을 기울이면 실린더 헤드 온도도 떨어진다. 이는 순항 구성에서만 권장되며, 가속도가 높은 경우 절대 권장되지 않지만, 적절한 엔진 모니터링 게이지를 장착하고 연료 공기 혼합물을 수동으로 조정할 수 있는 항공 분야에서 점점 더 인기를 끌고 있다.[1]

또한 콜드 엔진은 일반적으로 더 많은 연료와 더 풍부한 혼합물을 필요로 한다(콜드 스타트 인젝터 참조). 왜냐하면 콜드 스타트 연료는 콜드 스타트 연료도 마찬가지로 기화되지 않기 때문에 공기를 적절히 "포화"하기 위해 더 많은 연료를 필요로 하기 때문이다. 풍부한 혼합물은 또한 더 빨리 연소하고 엔진 부하가 있을 때 스파크 노크/엔진 노킹(디토닝)의 위험을 감소시킨다. 그러나 풍부한 혼합물은 일산화탄소(CO) 배출량을 급격히 증가시킨다.

센서 종류

지르코니아 산소 센서

산소 센서의 초기 도입은 1970년대 후반에 시작되었다. 그 이후로 지르코니아는 그것의 건설에 있어서 선택의 재료가 되었다. 지르코니아 O2 센서는 자체 전압을 생산해 발전기의 일종으로 만든다. 다양한 전압은 폐쇄 루프 컨트롤에서 사인파와 다소 유사한 파형으로 스코프에 표시된다. 발생되는 실제 전압은 센서 팁에 존재하는 CO와 HC의 연소를 완료하는 데 필요한 산소의 측정값이다. 가솔린 엔진의 이론적 공기-연료 비율 혼합비는 모든 연료가 사용 가능한 모든 산소와 반응하여 완전한 연소를 유발하는 이론적 공기-연료 비율이다. 이 비율 또는 그 근방에서 연소 과정은 전력과 낮은 배출량 사이에서 최적의 균형을 만들어 낸다. 계량기압비에서 생성된 O 센서2 전압은 약 450mV이다. 엔진 컨트롤 모듈(ECM)은 450mV 수준 이상의 농후한 상태와 그 아래의 희박한 상태를 인식하지만 농후한 상태나 희박함의 정도는 감지하지 못한다. 지르코니아 O2 센서를 '나선 밴드' O2 센서라고 부르는 것도 이 때문이다.

티타늄 산소 센서

티타늄 O2 센서는 1980년대 후반과 1990년대 초반에 제한적으로 사용되었다. 이 센서의 반도체 구조는 지르코니아 O2 센서와 작동 방식이 다르다. 자체 전압을 생성하는 대신, 티타늄 O2 센서의 전기 저항은 배기 산소 함량에 따라 변화한다. 공기/연료비가 농후할 때 센서의 저항은 약 950옴이며 혼합물이 희박할 때 21킬로옴 이상이다. 지르코니아 센서와 마찬가지로 티타늄 O2 센서도 협대역 O 센서로2 간주된다.

협대역 센서

협대역 O2 산소 센서 전압 대 가스 엔진의 AFR

앞에서 언급한 바와 같이, 협대역2 O 센서의 주요 문제는 ECM이 혼합물이 스토이히메트릭 비보다 약간 더 풍부하거나 희박하다는 것만 감지한다는 것이다. ECM은 스토이히메트릭 범위를 벗어나는 작동 공기-연료비를 측정하지 않는다. 실제로 혼합물이 스토이치측정법보다 풍부하거나 희박하다는 것만 감지한다. 450mV보다 낮은 O2 센서 전압은 인젝터 펄스의 폭을 넓히고 그 반대의 경우도 마찬가지 입니다. 결과적으로 변화하거나 순환하는 연료 제어(폐쇄 루프) O 신호는2 정비사가 O 센서2 신호 와이어에서 프로빙할 때 스코프에서 볼 수 있는 신호다.

광대역 센서

새로운 "광대역" O2 센서는 이전 지르코니아 센서의 좁은 감지 문제를 해결한다. 이러한 센서는 흔히 연속 람다 센서(공기 연료비를 나타내는 람다), AFR(공기 연료비 센서), LAF(경기 연료 센서), 광대역2 O 센서와 같은 다른 이름으로 불린다. 명칭에 관계없이 원칙은 동일하며, 이는 ECM을 공기/연료 혼합물을 제어하기 위한 더 나은 위치에 놓는 것이다. 실제로 광대역 O2 센서는 완벽한 공기/연료 비율보다 훨씬 낮거나 높은 배기 가스 O 함량을2 감지할 수 있다. 이러한 제어는 배출량이 극히 낮은 새로운 희박 연소 엔진에 필요하다. 더 엄격한 배출 규제와 더 나은 연비에 대한 요구가 이 새로운 연료 제어 기술을 이끌고 있다.

시공 및 운영

광대역 O2 센서는 일반 지르코니아 O2 센서와 외관이 유사하다. 그러나 내부 구조와 운영은 전혀 다르다. 광대역 O2 센서는 기준 셀과 펌프 셀이라고 불리는 두 개의 내부 층으로 구성되어 있다. ECM의 AFR 센서 회로는 항상 전류를 제어하는 방식으로 특수 모니터링 챔버(디퓨전 챔버 또는 펌프 셀 회로) 내에서 완벽한 공기/연료 비율을 유지하려고 시도한다. AFR 센서는 전용 전자 회로를 사용하여 센서의 펌프 셀에 펌핑 전류를 설정한다. 즉, 공기/연료 혼합물이 희박할 경우 펌프 셀 회로 전압이 순간적으로 낮아지고 ECM은 확산 챔버 내부의 설정 전압 값 또는 계량비를 유지하기 위해 이를 통과하는 전류를 즉시 조절한다. 그러면 펌프 셀은 펌프 셀 회로에서 생성된 전류를 이용하여 확산 갭을 통해 과잉 산소를 배출한다. ECM은 전류를 감지하고 그에 따라 인젝터 맥동을 넓혀 연료를 보충한다.

반면에 공기/연료 혼합물이 풍부해지면 펌프 셀 회로 전압이 빠르게 상승하고 ECM은 즉시 전류 극성을 역전시켜 펌프 셀 회로 전압을 설정된 안정값으로 재조정한다. 그런 다음 펌프 셀은 ECM의 AFR 펌프 셀 회로에서 역류를 통해 산소를 모니터링 챔버로 펌프한다. ECM은 역류를 감지하고 인젝터 맥동 감소 명령을 실행하여 혼합물을 희박하게 되돌린다. 펌프 셀 회로의 전류도 산소 농도나 배기의 결핍에 비례하기 때문에 공기/연료비의 지표 역할을 한다. ECM은 항상 설정된 전압으로 유지하려고 하는 펌프 셀 전류 회로를 지속적으로 모니터링하고 있다. 이 때문에 일반 지르코니아 O2 센서를 테스트하고 진단하는 데 사용되는 기법은 광대역 AFR 센서를 테스트하는 데 사용할 수 없다. 이 센서는 전류 구동 장치로서 사이클 전압 파형이 없다. 나중에 논의될 시험 절차는 구형 O 센서와는2 사뭇 다르다.

흡입 공기량 센서와 비교

AFR 센서 작동은 핫 와이어 흡입 공기량 센서(MAF)와 유사하다고 생각할 수 있다. 그러나, MAF 핫 와이어 대신에 ECM은 펌프 셀 회로 전류를 변화시킴으로써 모니터링 챔버 내부의 완벽한 정지계 공기/연료 비율을 유지하려고 시도한다. 센서 끝에 있는 감지 부품은 항상 일정한 전압으로 유지된다(제조업체에 따라 다름). 혼합물이 농후해지면 ECM은 감지 팁 또는 펌프 셀 회로를 통과하는 전류를 일정 작동 전압 레벨에 도달할 때까지 조정한다. 전압 변화는 매우 빠르게 일어난다. 또한 펌프 회로를 통한 전류는 산소 원자를 따라 확산 챔버(모니터링 챔버)로 밀어 넣어 모니터링 챔버의 공기/연료 비율을 스토이치 측정으로 복원한다. ECM은 전류를 변화시키지만 펌프 회로를 일정한 전압 전위로 유지하려고 시도한다.

테스트

ECM이 변화하는 전류를 모니터링할 때 특수 회로(PCM 또는 파워트레인 컨트롤 모듈 내부)는 전류를 전압 값으로 변환하여 OBD-II PID로 직렬 데이터 스트림에 전달한다(PID 컨트롤러와 혼동되지 않음). 그렇기 때문에 AFR 센서의 신호를 테스트하는 가장 좋은 방법은 ECM이 AFR 전압 PID로 보내는 전압 변환 회로를 모니터링하는 것이다. 실제 AFR 센서의 가변 전류 모니터링은 가능하지만, 변화량이 매우 작으며(저밀리암페어 범위에서) 모니터링이 어렵다. 수동 AFR 전류 테스트의 두 번째 단점은 전류계를 펌프 회로와 직렬로 연결하려면 신호 와이어를 절단하거나 끊어야 한다는 것이다. 오늘날의 평균 클램프-온 전류계는 그렇게 작은 규모로는 정확하지 않다. 이러한 이유로, AFR 센서를 테스트하는 가장 쉬운 방법은 스캐너와 함께 하는 것이다.

스캐너를 사용하여 ECM과 통신하면 AFR 센서 활동을 볼 수 있다. 이 데이터는 일반적으로 WRAF(Wide Range Air Fuel), A/F 또는 AFR 센서 전압으로 표시된다. 그러나 일부 차량과 스캐너에서는 "램다" 또는 "등가비"로 나타날 것이다. PID에 전압 판독값이 표시되면 공기/연료 혼합물이 이상적일 때 센서의 기준 전압과 같아야 한다. 기준 전압은 자동차마다 다르지만 3.3V 또는 2.6V인 경우가 많다. 연료 혼합물이 풍부해지면(급속하고 빠른 가속으로), 전압은 감소해야 한다. 희박 조건(감속 등)에서는 전압이 증가해야 한다.

스캐너 PID에 "램다" 또는 "등가비"가 표시되는 경우 측정값은 정지계 조건에서 1.0이어야 한다. 1.0 이상의 숫자는 희박 상태를 나타내고 1.0 미만의 숫자는 풍부한 혼합물을 나타낸다. ECM은 센서의 정보를 사용하여 엔진으로 분사되는 연료의 양을 조정하므로 단기 연료 트림 PID의 해당 변화도 확인해야 한다. AFR 센서의 희박 혼합물 측정값은 ECM에 연료를 추가하라는 메시지를 표시하며, 이는 양(또는 더 양)의 단기 연료 트림 비율로 나타난다.

일부 기술자는 질량 기류 센서에서 하류로 진공 누출을 일으켜 엔진을 기울이도록 강제한 후 스캐너 PID를 통해 응답을 감시한다. 엔진은 유입되는 기류에 계량된 양의 프로판을 첨가함으로써 부(富)를 강요할 수 있다. 어느 경우든 센서가 반응하지 않으면 문제가 있을 가능성이 크다. 그러나 이러한 테스트는 다른 회로 문제나 ECM 문제를 배제하지 않는다. 철저하고 체계적인 진단이 권장된다.

작동온도

광대역 AFR 센서와 지르코니아 O 센서의2 또 다른 주요 차이점은 작동 온도가 약 750 °C(1,380 °F)라는 점이다.[2] 이러한 장치에서는 온도가 매우 중요하며 이러한 이유로 히터 온도를 정밀하게 제어하기 위해 특수 펄스 폭 제어 히터 회로를 사용한다. ECM은 히터 회로를 제어한다.

이점

넓은 작동 범위와 AFR 센서의 고유한 빠른 작동 작동은 시스템을 항상 정지계측으로 설정하여 많은 양의 방출량을 감소시킨다. 이러한 유형의 연료 제어에서 공기/연료 비율은 항상 14.7:1에 근접한다. 혼합물이 약간 농후해지면 ECM은 설정된 작동 전압을 유지하기 위해 펌프 회로의 전류를 조정한다. 이 전류는 ECM의 감지 회로에 의해 감지되며, 인젝터 맥동 감소 명령의 결과가 발표된다. 인젝터 맥동 감소로 인해 공기 연료 혼합물이 스토이치측정법으로 다시 변경되는 즉시 ECM은 각각 전류를 조정한다. 최종 결과는 14.7:1의 공기-연료비에서 전류(0.00암페어)가 아니다. 이 경우 측정값이 거의 즉시 0.00으로 돌아오는 전류계에 가벼운 음의 혹이 나타난다. 연료교정은 매우 빨리 일어난다.

운용의 실용성

협대역 센서는 비선형 출력을 가지며 범위는 0.10v에서 1.0v까지이며, 450.450은 이상적이다. 협대역 센서는 온도에 따라 다르다. 배기 가스가 따뜻해지면 희박 영역의 출력 전압이 상승하고, 농후한 지역의 출력 전압이 낮아진다. 결과적으로, 사전 가열 없이 센서는 낮은 희박 출력과 높은 농후 출력을 가지며, 1V를 초과할 수 있다. 온도의 전압 영향은 리치 모드보다 린 모드에서 더 작다.

"콜드" 엔진은 컴퓨터가 연료 공기비를 바꾸도록 하여 o2 센서의 출력 전압이 약 100 ~ 850/900mV로 전환되고 잠시 후 센서가 터보차지 자동차의 경우 약 200 ~ 700/750mV 사이의 스위치 전압을 출력할 수 있다.

"폐쇄 루프"에서 작동할 때 엔진 컨트롤 유닛(ECU)은 산소 제로(즉, 기압 밸런스)를 유지하는 경향이 있으며, 여기서 공기-연료 혼합물은 가솔린 연료 대 공기량의 약 14.7배이다. 이 비율은 "중립적인" 엔진 성능(연료 소비는 낮지만 엔진 출력은 양호하고 오염은 최소화)을 유지한다.

센서의 평균 레벨은 450mV에 가깝다. 촉매변환기는 산소 센서가 고정 전압을 유지할 수 없는 주기 a/f 비율이 필요하므로 ECU는 인젝터에 대한 신호 시간을 단축(또는 길게)하여 희박(및 농후) 사이의 혼합물을 충분히 빠른 속도로 제공하여 엔진을 제어하므로 평균 레벨은 약 450mV가 된다.

반면 광대역 센서는 매우 선형 출력인 0~5V를 가지며 훨씬 더 뜨거운 작동 온도를 필요로 한다.

사용할 공기-연료 비율 측정기의 유형

공기-연료비 측정기의 목적이 일반적인 혼합물과 성능을 점검하는 위의 센서에 대한 기존 또는 가능한 문제를 감지하는 것이라면 좁은 대역의 공기-연료비 측정기로 충분하다.

고성능 튜닝 애플리케이션에서는 광대역 시스템이 바람직하다.

참고 항목

참조

  1. ^ "Understanding LOP Operations - A Summary of John Deakin's Knowledge - VAF Forums". www.vansairforce.com.
  2. ^ LSU 4.7 / LSU 4.2 Planar Wide Band 람다 센서 기술 고객 정보, Y 258 K01 005-000e, 1999-01-25, Robert Bosch, 2015-03-26 액세스

외부 링크