자동차공학)LPI 엔진의 전자제어 시스템 센서부

가솔린 엔진, 디젤 엔진과 마찬가지로 보다 정밀한 공연비 등을 제어하기 위해 각종 센서를 설치하여 엔진의 상태 및 운전 조건을 파악하고 있다.

1. 공기량 측정 센서

2. 맵(MAP) 센서

3. 흡기 온도센서

4. 냉각수온 센서

5. 캠샤프트 포지션 센서

6. 크랭크샤프트 포지션 센서

7. 산소센서

8. 노크 센서

9. 엑셀페달 위치 센서

10. LPI 가스 압력 센서

11. LPI 가스 온도 센서

 

1. 공기량 측정 센서

공기량 측정 센서(MAFS, Mass Air Flow Sensro)는 핫 필름(hot film) 형식으로서 에어클리너와 스로틀 바디 사이에 위치하며 엔진 내로 유입되는 흡입공기 유량을 측정하는 센서이다. 이 센서는 튜브, 센서 어셈블리 및 벌집형의 하니셀(honey cell)로 구성되어 있다. 이것은 핫 필름에 공기가 흐르면 대류에 의한 열 손실이 발생하고 이 에너지 손실량을 이용하여 흡입 공기유량을 측정한다.

PCM(powertrain control module, 혹은 ECM)은 이것을 주파수 형태로 받아 이 정보를 이용하여 정확한 공기량을 평가하여 연료의 분사량, 점화시기 등을 결정한다. 엔진으로 유입되는 공기량은 아이들 상태에서는 MAFS를 사용하고 가속 시에는 맵(MAP) 센서가 사용된다.

 

2. 맵(MAP) 센서

맵 센서(MAPS, Manifold Absolute Pressure Sensro)는 흡기관 내의 압력을 계측하여 흡입 공기량을 간접적으로 산출하는 간접계측방식이며 스피드-덴시티(speed-density)라고도 한다. MAPS는 흡기관 내의 절대압력에 비례하는 아날로그 출력신호를 PCM으로 전달하고, PCM은 이 신호를 이용하여 엔진 회전수와 함께 흡입 공기량을 산출한다. 맵 센서는 서지 탱크에 장착되어 있으며, 압력변환소자(piezo-electric element)와 압전소자의 출력 신호를 증폭하는 하이브리드 IC로 구성된다. 압력변환소자는 반도체의 압전 저항 효과를 이용한 실리콘 다이어프램 형식이며, 실리콘 다이어프램의 한쪽은 100% 진공실이고 다른 한쪽은 흡기관의 압력이 작용되는 구조로 되어 있다. 즉 흡기관의 압력변화에 따른 실리콘 변화에 따라 출력을 얻게 된다.

 

3. 흡기 온도센서

흡기 온도센서(IATS, Intake Air Temperature Sensor)는 공기량 측정 센서(MAFS) 내부에 장착되어 있으며, PCM이 흡기온도를 검출하는데 사용된다. 공기는 온도에 따라 밀도가 변하므로 정확한 공기의 질량을 측정하기 위해서는 흡기온도에 따른 밀도 변화량을 보정하여야 한다. PCM은 공기량 측정 센서와 흡기 온도 센서를 이용하여 정확한 흡입 공기량을 계산할 수 있다. 흡기 온도 센서(thermistor)는 공기 중에 노출되어 있으며 온도가 올라가면 저항이 내려가는 부저항 온도계수(NTC, Negative Temperature Coefficient) 특성을 가지고 있다.

흡기 온도 센서나 냉각수온 센서가 고장 시에는 PCM은 흡기온도나 냉각수온을 모두 20도로 인식한다.

 

4. 냉각수온 센서

냉각수온 센서(ECTS, Engine Coolant Temperature Sensor)는 실린더 냉각수 통로에 장착되어 있는 써미스터(thermistor)이다. PCM은 냉각수온 센서로 엔진의 온도를 감지하고, 그 온도에 적합한 연료혼합을 공급할 수 있도록 각 장치들을 제어해 준다. PCM은 냉각 수온의 정보를 통해 연료 분사량과 점화시기를 보정한다.

 

5. 캠샤프트 포지션 센서

캠 샤프트 포지션 센서(CMPS, CMPS, Camshaft Position Sensor)는 홀 센서(Hall sensor)라고도 하며, 홀 소자를 이용하여 캠 샤프트의 위치를 검출하는 센서로 크랭크 샤프트 포지션센서와 동일 기준점으로 하여 크랭크 샤프트 포지션 센서에서 확인이 불가능한 개별 피스톤의 위치를 확인할 수 있게 한다. 이 경우 각 실린더 별로 독립적으로 순차 연료분사(sequential injection)가 가능하게 된다.

 

6. 크랭크샤프트 포지션 센서

크랭크샤프트 포지션 센서(CKPS, Crankshaft Position Sensor)는 엔진 회전수를 검출하는 센서이다. 엔진 회전수는 전자제어 엔진에서 가장 중요한 변수이며 엔진 회전 신호가 PCM에 입력되지 않으면 연료 공급이 되지 않고 메인 릴레이가 작동하지 않는다. 크랭크 샤프트 포지션 센서는 변속기 하우징에 장착되어 있으며, 타겟 휠(target wheel)에 의해 현재의 피스톤 위치가 어느 행정에 있는지 판단하며, 타겟 휠과 센서사이에 발생하는 자기장(magnetic flux field)에 의해 교류 전압을 발생시켜 회전수를 얻고 있다.

 

7. 산소센서

산소센서(HO2S heated oxygen sensor)는 지르코니아(zirconia)와 알루미나(alumina)로 이루어진 박막적층형 타입의 센서로서, 배기파이프의 MCC(manifold Catalystic Converter) 전단과 후단에 각각 장착되어 배기가스 속의 산소 농도에 따라 발생되는 전압을 PCM에 전달하게 된다. 이 센서는 기준이 되는 공기 속의 산소농도와 배기가스 속의 산소 농도와의 차이를 비교하여 공연비가 농후하면 약 1V의 전압이 발생하고, 희박하면 0V에 가까운 전압을 발생한다. 또한 산소 농도가 정상적으로 작동하기 위해서는 센서 팁 부분의 온도가 통상 370도 이상으로 유지되어야 한다.

산소센서 내부에는 듀티 제어 형식의 히터가 내장되어 있으며, 이는 배기가스의 온도가 일정 온도 이하인 경우, 산소센서가 정상적으로 작동하도록 센서 팁 부분의 온도를 일정 온도로 유지하는 역할을 한다.

 

8. 노크 센서

노크 센서(KS, Knock sensor)는 엔진 V-밸리 내부에 2개의 센서로 장착되어 있으며, 노킹 발생 시 진동을 감지하여 PCM으로 전달한다. 이 센서는 압전 세라믹을 응용하여, 외부에서 진동이나 압력이 세라믹 소자에 가해지면 기준 전압보다 높은 전압을 발생시켜 PCM에 전달한다.

노킹 발생 시 노크센서는 이 신호를 감지하여 PCM에 전달한다. 이때 PCM은 점화시기를 지각시키고, 지각 후 노킹 발생이 없으면 다시 지각시키는 연속적인 제어를 통하여 토크, 출력 및 연비가 항상 최적이 되도록 점화시기를 제어한다.

 

9. 액셀페달 위치 센서

엑셀페달 위치  센서(APS, Accelerator Position Sensor)는 엑셀 페달 모듈에 장착되어 있다. 이 센서는 스로틀 포지션 센서와 동일한 원리로 운전자의 가속의지를 PCM에 전달해 현재 가속상태에 따른 연료량을 결정하는 가장 중요한 센서이다. 엑셀페달 센서는 신뢰도가 중요해 센서 1과 센서 2로 구성되어 각각 독립된 전원과 접지로 구성되어 있으며, 센서 2는 센서 1 출력의 1/2 출력을 발생하여 센서 1과 센서 2의 전압비율이 일정 이상 벗어날 경우 에러로 판정된다.

ECM은 엑셀페달 위치 센서의 신호와 엔진 회전수(RPM)를 데이터로 엔진 운전모드를 판정하여 연료량을 보정한다. 또한 엑셀페달 위치 센서의 변화를 계산하여 가감속상태를 검출한다.

 

10. LPI 가스 압력 센서

LPI 가스 압력 센서(GPS)는 LPG 액상 연료의 압력을 측정하여 해당 압력에 대한 출력 전아블 IFB로 전달하는 역할을 하며, 이때 IFB는 ECM이 연료 압력에 따른 인젝터 분사량을 계산하도록 이 신호를 ECM에 전달한다.

 

11. LPI 가스 온도 센서

LPI 가스 온도 센서(GTS)는 연료 압력 레귤레이터 유닛에 장착되어 있으며, 써미스터 소자의 원리를 이용하여 연료 온도를 측정하고 ECM은 이 온도를 이용하여 시스템 내의 연료 특성을 파악하여 분사시기를 결정한다.