요즘 화두가 되는 듯한 센서에 대해 공부해 봅시다.

[♨자라32♨]

1.공기량 센서(Air Flow Sensor/Air Flow Meter)

이 센서 신호는 가솔린 MPI ECU가 인젝터의 연료 분사제어를 위한 기본 신호로 활용되며 흡입공기량을 측정하여 엔진에 공급되는 연료량을 제어한다.

에어 클리너를 통하여 엔진에 공급되는 흡입 공기량은 공기량 센서를 거치면서 이에 대응되는 전기신호로 변환된다. 현재 사용되는 공기량 측정 방식은 MAP(Manifold Absolute Pressure/매니폴드 절대압), 칼만 보텍스(Karman Vortex), 베인(Vane) 및 열선(Hot Wire)방식이 사용되고 있다.

1) MAP(매니폴드 절대압) 방식

이 방식은 흡기 매니폴드 내의 압력(진공도) 신호 및 엔진 회전수(또는 스로틀 밸브 개도)의 2가지 데이터 조합하고 다른 센서로 부터의 입력 데이터를 참조하여 ECU에서 공기량을 간접적으로 계산하는 것으로 스피드 덴서티(Speed Density/속도 밀도) 방식 이라고도 한다.

공기량 측정 시 정밀도는 떨어지나 가격이 다른 방식의 공기량 센서보다 저렴하기 때문에 현재 소형차에 많이 적용되고 있다.

일반적으로 저항체에 압력을 가하면 저항값이 변화하는 피에조-저항(Piezo-Resistive) 효과를 활용한 얇은 다이어프램(Diaphragm) 구조의 실리콘 반도체 압력센서가 사용되며, 내장된 온도 보상 및 전압 증폭기를 거쳐 전압 출력 신호를 발생시킨다.(그림 1-1 참조)

그림 1-1 MAP센서 구조 및 출력

구형 MAP센서와 같이 호스를 연결하지 않고 엔진에 직접 장착되는신형 MAP센서인 경우, 차량에서 역화(Backfire) 현상 발생 시 높은 압력에 의해 MAP센서 내부의 다이어프램이 쉽게 파손 될 수 있다.

참조 : 모토로라 MPX4105 MAP센서의 출력전압은 아래와 같다.(1kiloPascal = 10 millibar)

출력전압(Vdc) = Vs(P*0.01-0.09)+/- (압력 오차* 온도계수*0.01*Vs)

- Vs : 5.1 +/-0.25Vdc

- P(압력) : 15-105kPa

예) 진공상태인 엔진 부압 100kPa(760mmHg)@섭씨25도 에서의 MPX4105의 출력전압은

5*(100*0.01-0.09)+0 = 4.55Vdc 임

2) 칼만 보텍스(Karman Vortex) 방식

원통형 구조물 안의 공기 통로에 작은 기둥(Pillar)이나 진동 미러(Mirror)를 설치하여 흡입 공기가 여기에 부딪히면 작은 공기 소용돌이가 발생된다. 이 소용돌이의 빈도수가 공기흐름의 속도(공기량) 에 비례한다는 원리를 활용한 것이다. 측정 정밀도가 우수하나 가격이 비싸다.

작은 기둥을 활용한 방식은 공기통로 양편에 초음파(Ultra Sonic) 센서의 송신부와 수신부를 각각 설치하여 공기 흐름 속도가 빠르면(즉,공기량이 많으면) 소용돌이가 많이 발생하여 간섭에 의해 초음파 전달 속도(약 340m/초 기준)가 떨어지고, 공기 흐름속도가 느리면 전달속도가 증가한다는 원리를 활용한다. 센서 회로에 입력된 전달속도에 대응되는 시간(Time) 신호는 주파수 출력 신호로 변환되어 ECU에 보내진다.

진동 미러(Mirror)를 활용한 방식은 광소자(Opto Device)를 사용하며 소용돌이에 의해 발생되는 진동 미러의 진동수가 주파수 출력 신호로 변환되어 ECU에 보내지며 초음파센서를 사용한 방식보다 구조가 간단하다.(그림 1-2 참조)

그림 1-2 칼만 보텍스 센서 구조 및 출력 특성

3) 베인(Vane) 방식

원통형 구조물 안에 리턴 스프링(Return Spring)이 장착된 회전하는 베인(Vane)을 설치하여 흡입 공기량에 비례하여 베인이 회전하고 베인에 연결된 가변 저항은 스로틀 포지션 센서(TPS)와 같이 작동하여 베인의 개도에 따라서 전압 출력 신호로 변환되어 ECU에 보내진다. (그림 1-3 참조)

기계식 방식이므로 내구성 및 측정 정밀도가 전자식 공기량 센서에 비해 떨어진다.

　

그림 1-3 베인 공기량 미터의 구조

4) 열선(Hot Wire) 방식

원통형 구조물 안에 백금(Pt)으로 만든 가는 열선(Wire)을 설치하고 열선 브리지 회로에 일정한 전류를 공급하면 열선은 일정 온도로 가열되고 온도가 평형상태를 유지하면 저항값의 변화가 없으므로 흐르는 전류도 일정하게 된다. 그러나 공기가 흡입되면 공기량에 따라 열선의 온도가 변화하며 이에 따라 저항값 및 전류가 변화한다.

흡입 공기량이 많으면 열선이 평상시보다 많이 냉각되어 저항값이 감소하게되고 더 많은 전류가 흘러 온도를 일정하게 유지하게 된다.

ECU는 공기량에 따라서 변화하는 전류를 전압으로 변환하여 흡입공기량을 측정한다.(그림 1-4 참조)

그림 1-4 열선 공기량 미터 구조 및 출력 특성

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2. 스로틀 포지션 센서(TPS : Throttle Position Sensor)

이 센서는 스로틀 바디에 위치된 스로틀 밸브와 연결되어 있는 가변저항형 센서이며 5V의 전압이 공급되어 저항값 변화에 의한 전압 신호로 변환되어 ECU에 공급된다.(그림 2-1 참조)

스로틀 밸브의 개도 신호는 아이들 속도제어와 자동 변속기의 변속시기를 판정하는데 중요한 역할을 한다. 또한 감속 시 스로틀 밸브 개도의 변화량을 감지하여 배기가스 배출을 억제하기 위해 연료차단(Fuel Cut)을 하거나 엔진 고부하(WOT: Wide Open Throttle/스로틀 밸브 전개) 상태에서 연료 공급을 증량시켜 차량 가속성을 향상 시키기 위해 사용된다.

일반적으로 스로틀 밸브 개도에 비례하여 발생 전압이 증가하는 Positive방식이 사용되나 발생전압이 감소하는 Negative방식도 사용된다. 아래식은 Positive 및 Negative 방식 TPS에 대한 출력 전압의 예를 나타낸 것이며 제조 회사에 따라 차이가 있다.

Positive 방식 : TPS 전압(Vdc)= 5*[{(3.1*TPS 개도)+35}/350]

Negative 방식 : TPS 전압(Vdc)= 5*[1-{(TPS 개도+11)/100}]

　그림 2-1 스로틀 포지션 센서 구조 및 내부 회로

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3. 엔진 냉각 수온 센서(Coolant Temperature Sensor)

이 센서는 엔진 냉각 수온을 감지하여 ECU에 보내며 보통 온도가 상승하면 저항값이 지수함수에 의해 감소하는 NTC(Negative Temperature Coefficient/부 저항계수) 서미스터(Thermistor)를 사용한다. 이 센서 신호에 의해 ECU가 엔진냉간 시(겨울철 시동 직후) 엔진 Warm-Up을 위한 연료 증량제어, 배기가스 저감을 위한 공연비 피드백(Feedback) 제어 시기 판정 및 엔진이 뜨거워 질 때 라디에이터 냉각 팬을 작동하게 한다.(그림 3-1 참조)

　그림 3-1 냉각 수온 센서 구조 및 특성

일반적으로 자동차에 사용되는 온도에 따른 저항 변환식은 아래와 같다. (0.32Kohm@80도, 1.14Kohm@40도)

Rw(Kohm) = Ro* EXP[B*[{1/(273+T)}-1/293]] ---> Ro : 2Kohm@섭씨 25도, B : 3560K, T : 온도(섭씨)

그러나 서미스터 저항값이 지수함수에 의해 어떤 온도 구간에서 급격히 변화하므로 ECU 프로그램의 인식단계를 확장하기 위해 아래 그림 3-2에서 표시된 서미스터 저항 선형화 공식을 활용하여 병렬 저항을 서미스터에 연결한다.

　그림 3-2 서미스터 선형화 병렬 저항 특성 곡선 및 공식

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4. 흡기 온도 센서(Air Temperature Sensor)

이 센서는 흡입공기의 온도를 감지하며 대부분 공기량 센서(Air Flow Sensor) 안에 설치되어 있다.특성은 엔진 냉각 수온 센서와 같거나 비슷한 NTC 서미스터가 사용된다. 흡입 공기량의 온도에 따른 공기 밀도 변화량을 ECU가 계산하여 흡입공기량을 보정하게 한다. (공기온도가 차가우면 밀도는 증가한다.)

그림4-1 흡기 온도 센서용 서미스터 선형화 병렬 저항 특성 곡선 및 공식

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5. 산소 센서(Oxygen Sensor/Lambda Sensor)

산소센서 또는 O2 센서는 배기관에 설치되어 있으며 이 센서는 배기가스 내의 산소의 양을 측정하여 전압이나 저항값으로 변환시켜 엔진제어 ECU에 보내며 ECU가 피드백(Feedback) 연료제어를 위한 기본신호로 사용한다.

지르코니아(Zirconia) 산소센서인 경우 산소의 양에 따라 약 0.1-1.0V 전압이 발생하며 전압이 0.45V에 접근하면 이론공연비(가솔린 연료인 경우 : 14.7:1)에 가까워진다. 전압이 0.45V보다 높으면 산소량이 적어 공연비는 농후(Rich)하게되고 전압이 0.45V보다 낮으면 희박(Lean)하게된다.(참조: 발생 전압은 네른스트(Nernst) 방정식에 의해 계산 할 수 있다.) 이 변화전압에 따라 ECU는 연료/공기 혼합비가 농후할 때는 연료를 적게 희박할 때는 연료를 많이 공급하여 평균적으로 촉매변환 장치의 효율을 극대화 할 수 있는 이론공연비 부근에서 연료량을 제어하게 된다.

산소센서는 섭씨 300-800도 의 뜨거운 온도에서 정상 작동하며 보통 배기가스의 온도에 의해 가열되어 겨울철에는 예열되어 활성화되는데 3-5분 정도 걸렸으나 현재는 산소센서와 예열 히터(Heater)가 내장된 예열형 산소 센서를 적용하고 있어 엔진 시동 후 짧은 시간안에 피드백 제어가 가능하게 되었다.(OBD II 규정에 따른 배기가스 저감)

산소센서 중 가장 대표적인 것은 안정화 지르코니아를 사용하는 산소센서이다. 안정화 지르코니아(ZrO2-Y2O3)는 산화지르코늄(ZrO2)에 산화칼슘(CaO), 산화마그네슘(MgO), Y2O3(산화이트륨)등을 혼합시켜 만들며 대표적인 산소이온 전도체로 알려져 있다.(그림 5-1 참조)

그림 5-1 지르코니아 산소센서 구조 및 특성

티타니아(Titania) 세라믹을 사용한 산소센서는 배기가스와 대기 중의 산소 분압비에 의해 저항값이 변화하는 N형 반도체 구조를 갖고있으며 ECU의 내부의 저항과 연결된 전압 분배회로에 의해 배기가스 중의 산소 농도의 희박/농후한 정도에 따라 저항값이 변화되며 약 0.5-4.8V의 전압을 ECU에 보낸다.(그림 5-2 참조)

그림 5-2 티타니아 산소센서 구조 및 특성

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6. 연료 게이지 (Fuel Gauge)

연료 게이지는 자동차 연료 탱크내의 연료 잔량을 코일의 자기장을 활용한 아나로그 방식 또는 마이크로 컴퓨터를 활용한 디지털 방식의 바 그래프(Bar Graph) 연료 레벨 표시계 (유량계)를 통해 표시할 수 있게 신호를 발생시키는 장치이다.

연료 신호 전달 게이지는 그림 6-1에서와 같이 연료량 높이에 따라 플로트(Float)가 위 아래로 움직이며 플로트 한쪽 끝에 연결된 가변저항이 연결된 구조로 되어 있다. 연료량에 따라 저항값이 변화하며 이를 전압으로 변환하여 계기판 내의 아나로그 연료 레벨 표시계 지침을 움직이게 된다. 연료 탱크내의 연료가 항상 수평을 유지하고 있는 것이 아니고 차량 주행 상태에 따라 흔들리거나 또는 경사진 도로에서는 연료가 기울어져 있기 있기 때문에 바로 표시계 지침이 움직이지 않고 같은 연료량의 신호가 수십 초이상 연속적으로 입력될 때 지침이 움직이게 시간지연 회로가 연결되어 있다.

그림 6-1 연료 게이지 구조

마이크로 컴퓨터를 활용한 디지털 바 그래프(Bar Graph) 표시 방식은 자동차 전압(12Vdc/승용차 기준)을 5Vdc로 변환하여 연료게이지 가변저항에 공급한다. 마이크로 컴퓨터는 연료 레벨에 따라 변화되는 전압 신호를 A/D(아나로그/디지털) 변환기를 통해 디지털 신호로 변환, Bar Graph의 세그먼트(Segment)를 구동시키며 세그먼트의 점등 개수에 따라 연료량을 표시하게 된다. 연료량 표시 시간지연 기능은 마이크로 컴퓨터의 프로그램으로 처리된다 .(그림 6-2 참조)

그림 6-2 디지털 연료 레벨 표시

[논산꼴통47]

자라 너는 너무 많은것을 알고있어...그래서 죽어줘야겠다...땅땅땅...^^*

[ㅂi쥬26]

앗 내가 너무 시러 하는 공부다 ㅠㅠ 너무 어려워여

[종이학35]

행님두...ㅋㅋ 쎈서에 대해서 대충은 알겠는데 엔터의 엔진계통의 쎈써들의 상태는 우째점검 해야 하는지..

[개똥아빠~~28]

다 읽었는데도 잘 모르겠습니다.....ㅎㅎ 형님은 정말 대단하십니다....

[차도리28]

솔직히 한글자 읽다가 바로밑으로 내려씁니다 ㅎㅎ;;