자동차공학)디젤 엔진의 전자제어 시스템 입력 신호

디젤 엔진의 전자제어 시스템은 유니트 인젝션 시스템과 커먼레일 전자제어 시스템이 있다. 디젤 엔진의 전자제어는 가솔린 엔진과 유사하게 엔진의 운전상태를 흡입공기량, 엑셀페달 포지션 센서, 냉각수 온도, 흡기관 압력, 차속등의 각종 입력신호를 컴퓨터(ECM)가 종합적으로 연산, 비교, 판단하고 그것에 따라서 연료분사량, 분사시기, EGR밸브개도, VGR밸브개도 등을 최적으로 제어한다. 이 외에 센서 및 액추에이터 계통의 자기 진단, 자기 수정기능 등도 가지고 있다. 여기서는 입력 신호에 대하여 알아보자.

1. 입력 신호

디젤 엔진의 입력센서는 흡입공기 유량센서를 비롯하여 10여종이 있다.  이들 센서들은 동일한 목적의 가솔린엔진에 사용된 센서와 동일한 것도 있지만 디젤 엔진의 제어는 가솔린 엔진의  제와와 다르므로 가솔린에 사용되지 않는 센서도 많이 있다.

입력신호	제어	출력신호와 액추에이터
흡입공기 유량센서(MAFS)	ECM(컴퓨터)	연료 분사 제어
흡기온도 센서(IATS)	자기진단	연료압력조절밸브(FPRV)
냉각수 온도 센서(ECTS)	고장경고등(MIL)	레일압력조절밸브(RPRV)
엑셀페달 위치 센서(APS)		전자식 EGR 솔레노이드 밸브
O2센서(HOS2)		VGT 컨트롤 솔레노이드 밸브
부스트 압력 센서(BPS)		연료압력조절 밸브(FPRV)
연료 온도 센서(FTS)		스로틀 플랩 액추에이터
크랭츠 축 포지션 센서(CKPS)		가변 스월 액추에이터
커먼 레일 압력 센서(RPS)
연료 수분 감지 센서
차량 속도 센서

 

- 흡입공기 유량 센서(MAFS) : MAFS(Mass Air Flow Sensor)는 흡기라인에 장착되어 있으며 핫 필름(hot film) 형식으로 신호 주파수(Hz)로 출력한다. 디젤 엔진의 전자제어 유니트 (ECM)는 흡입 공기량이 많은 경우에는 가속상태이거나 혹은 고부하 상태로 판단하고 반대로 흡입 공기량이 적을 경우에는 감속상태나  공회전 상태로 판단한다. 디젤 엔진에서 공기량 측정은 EGR제어를 위해 행하고 있다. 즉 ECM은 흡입 공기량정보를 이용하여 연소실로 유입되는 전체 공기량 중 배기가스가 차지하는 비율을 확인하여 EGR시스템을 피드백 제어한다.

 

- 흡기온도 센서(IATS) : IATS(Intake Air Temperature Sensro)는 공기량 측정 센서(MAFS)와 부스트 압력 센서(BPS)에 각 1개씩 내장되어 있으며, 온도와 저항에 반비례하는 부저항 온도계수(NTC, Negative Temperature Coefficient) 특성을 가진 써미스터 형식의 센서이다. 이와 같이 2개의 흡기온도 센서를 사용하는 것은 EURO 4 디젤 엔진에서 흡입공기량 센서의 역할인 정확한 EGR 피드백 제어를 위해 공기온도에 따른 밀도 계산이 매우 중요하기 때문이다. 이를 위해 터보차저의 입구(흡입공기량 측정 센서에 내장)와 출구의 흡기온도(부스트 압력센서에 내장)를 측정하여 보다 정확한 흡기온도를 감지하고 있다. ECM은 이 정보를 이용하여 EGR량 보정은 물론 연료 분사량 보정을 보다 정밀하게 제어하고 있다.

 

- 냉각수 온도 센서(ECTS) : ECTS(Engine Coolant Temperature Sensor)는 NTC 특성의 써미스터 형식의 센서로서 실린더 헤드의 냉각수 라인에 설치되어 엔진 냉각수 온도를 감지한다. 냉간 시동시, 엔진의 시동 꺼짐 혹은 엔진 부조를 방지하기 위하여 ECM은 냉각수 온도의 정보를 이용하여 연료 분사량과 분사시기의 보정을 비롯하여 냉각팬 제어, 예열장치 작동 시간 제어를 수행한다. 특히 냉간시 연료 보정에 절대적인 역하을 하므로 냉각수 온도 센서 고장 시에는 냉각수 온도를 80도로 간주하여 연료량을 제어하며 크랭킹시는 -10도로 간주하여 연료량을 제어한다.

 

- 엑셀 페달 위치 센서(APS) : APS(Accelerator Pedal Position Sensor)는 가솔린 엔진의 스로틀 포지션센서에 대응하며, 동일한 원리의 포션셔미터(potentiometer) 형식이다. ECM은 엑셀 페달 위치를 감지하여 운전자의 가속의지를 판단하므로 현재 가속상태에 따른 연료량을 결정하는데 가장 중요한 센서이다. 따라서 2개의 독립된 회로(전원, 접지 및 신호)의 엑셀 페달 센서로 신뢰성을 확보하고 있다. ECM은 센서 1과 센서 2 신호를 비교하여 센서의 이상유무도 판단한다.

 

- 부스트 압력 센서(BPS) : BPS(Boost Pressure Sensor)는 피에조 압전 소자 검출 방식으로 인터쿨러 어셈블리에 장착되어 있으며 터보차저에서 과급된 흡입공기의 압력을 측정한다. ECM은 이 신호와 흡입공기량, 흡입온도 정보를 사용하여  정밀한 공기량을 계측하여 EGR 작동량을 보정하고, 가변터보차저(VGT) 액추에이터 작동량을 결정한다. 또한 ECM은 터보차저 고장으로 발생할 수 있는 지나치게 높은 과급압력으로 흡기다기관의 압력이 너무 높게 검출되면 엔진 손상을 방지하기 위하여 엔진 출력을 제한한다.

 

- 연료 온도 센서(FTS) : FTS(Fuel Temperature Sensor)는 연료 필터와 고압 연료펌프 사이에 장착되어 연료의 온도를 검출한다. ECM은 이 값을 이용하여 연료량 보정 및 과도한 온도 상승(120도)을 방지하기 위한 연료 분사량을 제한하여 엔진 출력을 조절한다. 이는 연료 온도 상승으로 인한 연료 라인의 베이퍼 록(vapor lock) 현상과 연료 유막(점도) 파괴로 인한 윤활 성능의 급격한 저하로 고압펌프 및 인젝터 등 연료계통의 손상을 방지하기 위함이다.

 

- 크랭크 샤프트 포지션 센서(CKPS) : CKPS(Crank Shaft Position Sensor)는 마스네틱 인덕티브 센서 방식으로 변속기 하우징에 장착되어 크랭크 축의 위치를 검출한다. ECM은 이 센서신호를 이용하여 돌기 58개와 참조점 2개로 구성된 플라이 휠, 톤 휠을 이용하여 크랭크 위치를 검출한다. 즉 크랭크 1회전(360도)을 60등분(돌기와 참조점 개수의 합)하여 돌기 한개당 6도 회전한 것으로 인식한다. CKPS는 엔진회전수와 크랭크 각도를 계산하여 엑셀 페달센서와 함께 기본 연료 분사량과 연료 분사사기를 결정하는 중요한 센서로 엔진 시동에 절대적인 상관관계를 가지고 있다.

 

- 캠 샤프트 포지션 센서(CMPS) : CMPS(CaMshaft Position Sensor)는 실린더 헤드 커버에 장착되어 있으며 홀 센서라고도 한다. 이 센서에는 홀 이펙터(hall effect) IC가 내장되어 있으며 IC에 전류가 흐르는 상태에서 자계를 인가하면 전압이 변하는 구조로 되어 있다. 이 센서는 캠 샤프트를 끝단에 설치된 돌기를 검출하여 캠축의 회전을 감지한다. CMPS는 CKPS와 동일 기준점으로 하여 CKPS로 확인 불가능한 개별 피스톤의 위치를 알 수 있다. 이것은 크랭크 샤프트가 2 회전할 때 캠 샤프트 1 회전하므로 크랭크 샤프트 포지션 센서의 참조점이 2번 발생할 때 캠 샤프트 포지션 센서 신호는 1회 발생되기 때문이다. ECM은 이 신호를 입력받아 엔진 기통을 판별하고, 크랭크각을 연산하여 각 실린더의 정확한 위치(행정)를 알 수 있어 인젝터의 분사순서와 분사시기를 결정한다.

 

- 레일 압력 센서(RPS) : RPS(Rail Pressure Sensor)는 피에조 압전 소자 검출방식으로 커먼 레일 내부의 압력을 감지한다. ECM은 이 신호 값으로 최적의 연료분사량 및 분사시기를 결정한다. 또한 센서 출력신호로 계산된 실제 레일 압력과 목표 레일 압려기 다를 경우 피드백 신호를 이용하여 레일 압력 조절 밸브로 레일 압력을 조절한다.

 

- 연료 수분 감지 센서 : 연료 필터 하단부에 장착되어 있으며 연료에 포함된 수분을 감지하는 역할을 한다. 수분 감지 센서는 정전용량 방식의 센서로 접지(earth)되어 있어 연료 필터 내부에 축적된 수분이 적정량 이상이 되면 센서전극을 통해 ECM에 수분감지 신호가 전달되며, 적정량 이하가 되면 신호를 전달하지 않는다. 연료에 수분이 포함되면 연료 장치에 윤활불량이나 부식을 발생시켜 고압펌프나 인젝터 등 정밀한 제어를 요하는 부품을 손상시킨다.

 

- 대기압 센서(BPS) : BPS(Barometric Pressure Sensor)는 ECM 내부에 내장되어 현재 차량이 위치해 있는 장소의 대기압력을 검출하는 센서이다. 대기압 센서는 공기밀도(산소량)를 계산하여 흡입 공기량 센서, 흡기온도 센서와 함께 정밀한 공기량 검출에 사용된다. 이는 고지대 운행시 공기밀도(산소량) 차이에 의한 연료량 보정 및 EGR 제어에 중요한 역할을 한다. fail 시 900 HPa로 제어된다.