자동차공학)가솔린 엔진의 전자제어 (전자 제어의 입력 신호)

자동차 엔진의 전자제어 중 전자 제어의 입력 신호에 대하여 알아보자.

1. 공기유량 센서

2. 흡기관 절대 압력 센서(MAP센서, intake manifold absolute pressure sensor)

3. 온도 센서

4. 크랭크 각도 센서

5. 1번 실린더 TDC 센서

6. O2센서

7. 노크 센서

8. 스로틀 포지션 센서

9. 연료탱크 압력센서

10. 차속 센서

 

1. 공기유량 센서

가솔린 엔진의 공연비를 정밀하게 정하기 위하여 흡입 공기량을 정밀하게 계측한다. 여기에는 공기유량 센서(AFS, air flow sensor)에 의해 직접 공기 유량을 계측하는 매스플로 방식(mass flow type)과 흡기관 내의 압력과 스로틀밸브 개도, 엔진회전속도로부터 간접적으로 구하는 스피드 덴시티 방식(speed density type)이 있다. 매스플로 방식에는 베인형, 칼만 와류형, 열선형, 열막형이 있고, 시피드 덴시티 방식은 피에조(piezo) 반도체를 사용한 MAP 센서를 사용한다. 공기유량 센서에는 주로 열식, 베인식, 칼만 와류식이 많이 사용되고 있다.

 

베인형(vane type) : 엔진이 정지되어 있으면 베인(vane)이 리턴 스프링의 장력에 의해 닫혀 있으나 엔진이 작동되면 흡입공기에 의해 베인이 열리게 된다. 이 때 열림 정도를 포텐시오미터(potentiometer)에 의해 전압비율로 검출하여 흡입공기량을 평가한다. 포텐시오미터는 플로트 위치로 연료량을 검출하는 연료게이지로도 사용되고 있다.

 

칼만 와류형(karman vortex type) : 공기 흐름속에  삼각장애물(와류발생기 등)을 설치해 두면, 공기속도에 비례하여 삼각주 하류에 비대칭의 규칙적인 와류가 발생한다. 이 와류의 밀도(발생 수)를 초음파에 의해 검출하든가 또는 와류 발생 압력의 차이를 압력 센서로 검출하여 흡입공기의 질량을 측정하는 방식이다.

 

열선형(hot wire type), 열막형(hot film type) : 공기 유동부분에 백금선(Pt wire) 또는 백금필름 (Pt film)을 설치하여 전기를 통해 가열하면, 이것들은 흡입공기의 양에 따라 냉각량이 달라지는데 이 냉각력의 변화를 전류의 변화로 검출하여 공기유량을 계측하는 방식이다. 이 식은 공기밀도의 변화와 관계없이 정확한 계측을 할 수 있으나 먼지나 이물질의 부착에 의해 오차 발생의 염려가 있다. 열막형은 흐름 방향의 측면에 설치하여 내구성의 향상 및 발생오차를 줄인 것이다.

 

2. 흡기관 절대 압력 센서(MAP센서, intake manifold absolute pressure sensor)

흡기관의 절대압력(p), 흡기온도(T), 엔진 회전수(흡기 체적)를 측정하여 이상기체 상태식으로부터 밀도(ρ)를 계싼하고 흡기 체적을 곱하여 질량유량을 계산하는 방식이다. 이 방식은 가격이 저렴하고 흡입 계통에 압력손실이 없으며, 설치위치가 자유로운 특징이 있다. 부스트 센서(boost sensor)라고도 한다.

 

 

 

3. 온도 센서

흡기 온도 센서와 냉각수 온도 센서가 있다. 이것들은 모두 온도에 따라 저항값이 현저하게 변하는 서미스트(thermistor)를 사용하며, 기본 구조와 ECU에 대한 접속방법은 같다. 공기는 온도에 따라 밀도가 변화하기 때문에 정확한 공기유량을 계측하기 위해서 온도에 따른 보정이 필요하여 흡기 온도 센서가 사용된다. 일반적으로 에어 클리너 케이스 내부의 에어 플로우 센서와 함께 내장되어 있지만 서지 탱크에 단독으로 설치된 경우도 있다. 냉각수 온도 센서는 엔진의 냉각수 출구 부근에 설치되나, 최근에는 실린더 헤드 측면이나 실린더 블록 쪽에 설치하거나 또는 한 개의 엔진에 2개 설치한 것도 있다.

 

4. 크랭크 각도 센서

크랭크 샤프트(즉, 피스톤)가 압축 상사점(TDC)에 대해 어느 위치에 있는가를 감지하는 센서이다. ECU는 이 신호를 근거로 점화시기, 연료분사시기, 연료분사량을 결정한다. 여기에는 전자식, 광학식, 홀 IC등이 있으며, 측정 시에는 크랭크 각도 1도마다 혹은 10도마다 검출하는 방식과 180도(4기통)나 160도(6기통)를 검출하여 종합적으로 판단하는 방식도 있다. 전자 픽업식은 타이밍 로터와 픽업코일의 거리변화로 발생하는 기전력을 검출하는 방식이고, 광학신은 크랭크 축상에 구멍이 가공된 원판을 설치하여 구멍을 통과하는 광(발광다이오드)을 포토다이오드로 검출하는 방식이며, 홀 IC 식은 홀 효과를 이용하여 축의 각도를 검출하는 방식이다. 종래에는 캠축에서 캠 각도 센서로 크랭크의 위치를 검출하는 경우가 많았으나 현재는 검출 정밀도를 높이기 위해 크랭크 부분에서 광학식으로 직접 측정하는 방식이 많아지고 있다.

 

5. 1번 실린더 TDC 센서

1번 실린더의 압축 상사점 위치를 감지하는 것으로서, 연료의 분사 시기와 점화 실린더를 결정하는 신호로 사용된다. 구조는 크랭크 각도 센서와 동일하다. 차종에 따라서는 이 센서의 역할을 크랭크각 센서가 겸하기도 한다.

 

6. O2센서

배기가스 중의 산소 유무를 기전력으로 바꾸어 검출한다. 산소(O2) 센선ㄴ 산화지르코늄(ZrO2)에 소량의 이트륨(Y2O3)이 포함된 지르코니아 소자를 시험관 형태로 만들어, 그 내외 표면에 다공질의 백금전극 피막으로 코이한 것이다. 지르코니아는 온도가 높아지면 산소이온에 이동하기 쉬운 성질을 갖고 있어 대기와 배기를 접촉시켜 두면 양 측의 산소농도 차이에 의해 산소농도가 높은 쪽에서 낮은 쪽으로 산소이온이 흘러서 다음식과 같은 기전력이 발생된다.

 

E  = RT / 2nF = log P' O2 / P'' O2 = log (대기 중의 산소 분압) / (배출가스 중의 산소 분압)

 

여기서 R : 가스정수, T : 온도 [K], N : 전하수, F : 패레이더 상수이다. 이 기전력의 변화로 산소농도의 유무를 판단한다. 산소 센서는 400도 이상의 온도에서 백금의 촉매작용에 의해 이론공연비 부근을 경계로 출력전압이 급변하는 특성을 가지고 있다. ECU는 산소센서의 신호로부터 혼합기가 이론경연비보다 희박한가 농후한가를 판단하고 분사기의 열림 시간을 제어하여 혼합기를 이론공연비 부근으로 조절한다.

 

7. 노크 센서

엔진에서 노킹이 발생하면 음이나 진동을 노크 센서에 의해 감지하고, 이 신호를 받은 ECU는 점화지연을 지시함으로써 노킹을 해소한다. 노크 센서는 일반적으로 압전소자를 사용하고 엔진 진동의 크기를 전기신호(전압)로 변환하는 것이다.

 

8. 스로틀 포지션 센서

TPS(throttle position sensor)는 스로틀 밸브 개도의 변화를 저항 값 변화로서 검출하는 가변저항기이다. 이 신호에 의해 ECU는 가속 시의 연료 보정을 지시한다.

 

9. 연료탱크 압력센서

FTPS(Fuel Tank Pressure Sensor)는 증발가스 제어시스템의 구성요소로서, 연료탱크 또는 연료펌프 등에 장착되어 있다. 퍼지콘트롤 솔레노이드 밸브(PCSV) 작동상태와 작동사이클 동안의 연료탱크 압력과 진공레벨을 모니터링하여 증발가스 제어시스템의 누기여부를 점검한다.

 

10. 차속 센서

변속기나 각 바퀴에 장착하여 자동차의 속도를 검출하는 센서이다. 장착 위치에 따라 다음 2종류가 있다.

 

변속기 장착형 : 변속기의 속도계 구동 기어부에 장착된다. 이 센서에는 마근트와 IC가 내장되어 있다. 출력 측 기어 회전은 회전축을 통하여 마그네트로 전달되고 마그네트의 회전은 자계의 변화를 일으킨다. 이것을 IC로 감지하여 차속을 검출한다. 작동 신뢰성을 확보하기 위해 메인과 서브의 2계통으로 되어 있다.

 

바퀴 장착형 : 각 바퀴에 장착되어 각 바퀴의 속도차를 검지하고, ABS나 트랙션 콘트롤(TC, traction control)를 위해 주로 사용된다. 이 센서는 영구자석과 코일로 되어 있다. 바퀴에 장착된 로터는 48 잇날의 세레이션이 절삭되어 있으며 차속 센서의 요크(선단부)가 홈 부분에 접근되어 있다. 바퀴가 회전하면 홈부에 의해 영구 자석의 자속이 변화하여 교류전압이 발생하고, 이 교류전압의 주파스로부터 바퀴의 속도를 검출한다.