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크랭크각 센서

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크랭크각 센서(crank-shaft position sensor)
크랭크각 센서 위치
크랭크각 센서 타입

크랭크각 센서(crank-shaft position sensor)는 차량 엔진의 회전수를 중앙제어장치에 전달해 시동 상태를 유지하는 센서이다. 차량의 상태에 따라 신호를 보내고 엔진 점화 시기를 결정한다. 시동 불량이나 시동 지연, 시동 꺼짐 시에 스캐너를 물려도 아무것도 나오지 않는 경우 이 크랭크각 센서가 고장일 가능성이 크다.

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이 그림에 대한 정보
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개요

크랭크각 센서는 엔진의 크랭크축 회전각도 혹은 회전위치를 검출하는 센서. 크랭크 각은 엔진의 점화시기를 결정하기 위해서 중요한 파라미터이다. 크랭크축의 회전각을 직접 검출하는 방식과 디스트리뷰터의 회전위치에서 추정하는 방식이 있다. 전기계통에 접속되어 있는 디스트리뷰터에서 신호를 취하는 방식은 간편하기는 하지만, 정밀도가 떨어진다. 최근에는 전자의 크랭크가 직접 검출방식으로 사용되고 있다. 센서의 원리는 기본적으로, 회전센서에 응용되는 것과 같다. 전자 픽업식, 홀 소자식, 리드스위치식, 위건드 소자식, 광학식, 자기저항 소자식, 자기 FET소자식 등 여러 가지 방식이 있다.

종류, 기능 및 구조

크랭크각 센서는 크랭크앵글(Crankshaft angle)센서, 크랭크포지션(Crankshaft postion)센서라고도 하며, 약어로는 CPS, CAS, CKPS 등을 사용한다. 크랭크각 센서는 엔진의 회전속도를 검출하는 기능 외에 피스톤의 상사점을 인식하고, 크랭크의 회전각도에 따른 피스톤의 위치를 파악하는데 사용한다. 검출된 엔진의 회전속도는 연료의 기본분사량을 결정하는데 사용하고, 피스톤의 위치는 연료분사시기와 점화시기를 결정하는데 사용된다.

크랭크각 센서의 종류로는 발광소자와 수광소자를 이용한 옵티칼(Optical) 방식, 자석을 이용한 인덕티브(Inductive) 방식, 홀소자(Hall IC)를 이용한 홀센서 방식 등이 있으나 옵티칼 방식은 더이상 사용되지 않으므로 인덕티브 방식과 홀센서 방식에 관해서만 설명하도록 하겠다.

인덕티브 방식

마그네틱 타입이라고도 한다. 구조는 아래 그림과 같이 영구자석과 구리코일이 감긴 철심으로 구성되어 있으며 크랭크축에는 철-자성체의 센서 휠이 고정되어 있다.

인덕티브 방식 크랭크각 센서의 구조
센서 휠의 설치 위치

크랭크축과 함께 센서 휠이 회전하면 센서 코일의 자속이 변화하고 이로 인하여 교류전압이 유도된다. 센서 휠은 제어 시스템에 따라 돌기가 20~60개 정도로 구성되며, 일반적으로 피스톤의 상사점을 표시하기 위해 돌기 중 1~2개를 생략한다. 이와 같이 돌기가 생략된 부분을 미싱투스(Missing tooth)라고 하고 센서 휠의 회전 중 미싱투스를 만나게 되면 인덕티브 센서에서 유도되는 전압 파형이 아래 그림과 같이 왜곡된다.

인덕티브 센서에서 유도되는 전압 파형.png

센서 휠의 간극이 큰 부분이 인덕티브 센서 앞을 지나갈 때는 간극이 작은 부분에 비해 자속의 변화가 크기 때문에 큰 펄스(전압)가 유도된다. 이 큰 펄스의 전압신호는 회전속도 계측을 위한 신호에 비해 주파수는 적다. 이 큰 펄스 신호가 크랭크축의 특정 위치(예 : BTDC 15°)를 나타내는 신호로서 ECU에서 연료분사시기 및 점화시기를 결정하는 데 사용된다.

센서 휠과 인덕티브 센스의 설치 예

그리고, 엔진의 회전속도가 느릴 때는 발생전압도 작고, 주파수도 적은 전압 파형이 유도되고, 회전속도가 빠를 때는 발생전압과 주파수 모두 큰 전압 파형이 유도되는 특징이 있다.

크랭크각 센서 파형- 고RPM

홀센서 방식

홀(Hall)센서는 홀 효과를 이용한 전자 스위치로서 펄스발생기로 이용된다. 이 센서의 장점은 인덕티브 센서에서와는 다르게 신호전압의 크기가 엔진의 회전속도와 관계없이 일정하기 때문에 아주 낮은 회전속도도 감지할 수 있다. 또, 전압 파형이 디지털 타입이므로 ECU에서 별도의 신호처리(AC-DC 컨버팅)를 할 필요가 없다. 센서 휠의 구조 및 설치 위치는 인덕티브 방식과 동일하며, 구조도 유사하다.

홀센서 구조.png

홀센서는 홀전압 발생기, 영구자석, 평가회로 등으로 구성되어 있다. 평가회로는 2개의 홀전압발생기(Hall effect element)의 홀전압을 평가하고 센서전압을 증폭시키는 기능을 한다. 센서 휠이 홀센서 앞을 지나가면 센서 휠의 위치에 따라 자장이 변화한다. 따라서 홀전압 발생기에 영향을 미치는 자장이 변화하고, 그렇게 되면 홀전압이 변화하게 된다. 아래 그림은 'CYGTS101-DC-S' 홀센서의 회로 구성 및 파형 예이다.

홀센서의 회로 구성 및 파형 예.png

고장 증상

① 크랭킹은 되나 시동이 걸리지 않음.
② 운행 중 시동이 꺼짐.
③ 엔진 경고등 점등.

정비 어드바이스

① 크랭크앵글센서는 연료분사량 및 분사시기 그리고 점화시기를 결정하는 엔진 제어에서 가장 중요한 역할을 하는 센서이다. 따라서 이 센서가 고장이 나면 엔진 작동에 기본적인 데이터값을 받아 올 수 없으므로 시동이 꺼지고, 재시동 시 시동이 걸리지 않게 된다.
② 크랭크앵글센서의 교환 시 관련 커넥터와 배선의 이상 유무도 함께 점검하여야 하며 센서의 연결이 불량하여도 상기와 동일한 고장 증상을 나타낼 수 있다.

동영상

참고자료

같이 보기


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