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에어플로우 센서
에어플로우 센서(AFS, Air Flow Sensor)는 '공기유량센서'로 공기의 흐름을 감지하는 센서이다. 에어플로우 센서는 흡기장치에 들어가는 공기량을 측정하기 위해 사용되는 센서 장치이다. 스로틀바디에 설치되어 에어클리너로 흡입되는 공기량을 계측하여 숫자를 디지털신호로 변환시켜 ECU로 보낸다. 이 센서가 고장나면 엔진부조 (진동과떨림)현상이 나타나고 가속 및 출력저하, 매연이 심해지며 엔진체크등이 점등된다.
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목차
개요
엔진에 흡입되는 공기량은 스로틀 밸브의 열림량과, 흡기관 내의 압력과 엔진 회전수에 따라 대략 결정되므로 각각의 값을 검출하기 위한 센서를 총칭해서 에어플로우 센서(AFS)라고 한다.
가솔린차량과 디젤차량의 AFS는 조금 다른 역할을 한다. 기본원리는 같다.
가솔린 기관은 스로틀 밸브로 공기의 양을 조절하여 출력을 조절하고 디젤 기관은 공기는 항상 최대로 들어가도록 스로틀 밸브가 설치되지 않고 연료양을 가감하여 출력을 조절하고 있다. 가솔린 기관의 스로틀 밸브 개방 정도에 따라 흡입되는 공기의 양이 정해지고 이 때 흐르는 공기의 양을 AFS에서 감지하여 이 감지된 공기의 양의 정도에 따라 ECU에서 인젝터 개변시간을 조절하여 연료를 적게 넣어주거나 많게 넣어준다. 이러면서 엔진의 출력이 변하는 것이다. 물론 스로틀밸브 개방정도, 엔진 냉각수 온도, 엔진 회전속도 등도 종속 변수로서 연료 증감에 영향을 주는 요소이기는 하다.
디젤 기관은 스로틀밸브가 없으므로 공기는 항상 최대치로 들어가 늘 16~160:1의 희박연소가 이루어져 가솔린 기관의 14.7:1의 비율과는 비교할 바가 되지 못한다. 흡입되는 공기의 양을 계측하여 연료 분사량을 가감하는 것이 아니라 공기는 제한없이 흡입되도록 하고 여기에다 가속페달 밟는 정도에 따라 인젝션펌프에서 압송되는 연료의 양이 증대되어 출력도 증대되는 것이다. 따라서 디젤기관의 AFS는 EGR의 피드백 제어에 주로 이용된다. EGR율이 높아지면 흡입되는 공기의 양이 줄고 EGR율이 낮아지면 흡입되는 공기의 양이 늘어나는데 이 공기의 양을 감지해서 EGR밸브의 개방정도를 결정하는 것이다.
디젤기관에도 스로틀 밸브가 설치되어 있는데 이것은 가솔린 기관의 스로틀 밸브와는 그 기능이 사뭇 달라 디젤링 현상을 방지하거나 EGR율을 높이는데 사용한다.
가솔린 AFS는 완전연소를 위해서 연료의 양을 조절하기 위한 것이고 디젤기관의 AFS는 EGR 피드백 컨트롤에 이용된다.
종류
베인, 메저링 플레이트식
베인, 메저링 플레이트 센서(Vane or Measuring Plate Type)는 에어클리너와 스로틀밸브 사이에 설치되어 흡입공기량을 직접 계측한다. 이 계측된 값을 전기신호로 변환시킨 후, ECU로 신호를 보내고 ECU는 연료 분사량을 결정한다. 베인, 메저링 플레이트를 '플랩'이라고 부르기도 하여 플랩식이라 표현하기도 한다. 결국 베인식, 메저링 플레이트식은 같은 말이다. 직접 공기량을 계측한다고 하여 AFM(Air Folw Meter)이라고 부르기도 한다.
베인식 공기량 센서는 미국의 자동차부품 회사인 Bendix에서 개발한 전자제어 시스템에서 기본 공기량 센서로 사용되다가 독일 Bosch에서 인수하여 자사의 전자제어 연료분사 시스템인 L-Jetronic 시스템의 표준 공기량 센서로 발전시켰다.
에어클리너를 통과한 흡입공기가 센서 내 장착된 메저링 플레이트를 밀게 된다. 메저링 플레이트의 다른 축에는 리턴 스프링이 장착되어 있어 공기가 미는 힘에 대한 반력이 발생한다. 공기가 메저링 플레이트를 미는 힘과 리턴 스프링의 반력에 의해 정지되는 위치로 공기유량을 측정한다.
메저링 플레이트 축에는 포텐시오미터(가변저항)라는 것이 연결되어 있는데, 이 포텐시오미터가 메저링 플레이트 위치의 저항값을 전압으로 바꾸어 ECU로 보내준다. 즉, 포텐시오미터가 유량계 역할을 하는 것이다.
베인식 공기량센서는 기아자동차(프라이드, 캐피탈, 세피아, 콩코드, 포텐샤), 대우자동차(프린스)에서 사용되었으나 여러가지 단점에 의하여 사용이 중단되고 간접 측정방식인 맵센서,1981년 개발된 핫 와이어 공기량 센서가 사용되었다.
★ 장점
- ① 공기량을 직접 검출하여 정확한 데이터를 산출할 수 있다.
- ② 엔진에 공급되는 공기량을 전부 검출할 수 있어 엔진의 전자제어를 가능하게 한다.
★ 단점
- ① 메저링 플레이트의 무게만큼 기동저항이 있어 낮은 회전수에서 정밀한 측정이 어렵다.
- ② 메저링 플레이트가 공기저항의 원인으로 작용한다.
- ③ 내구성이 약하다.
- ④ 역화에 대한 대책이 없다.
- ⑤ 아날로그 전압으로만 출력된다.
- ⑥ 반응속도가 느리다.
열선식
핫와이어 에어 플로우 센서(Hot wire air mass flow sensor)라고도 한다.
핫와이어 타입의 경우 흡기의 온도, 압력, 밀도와는 상관없이 엔진에 유입된 흡기질량을 직접 계측한다. 따라서 외부의 온도나 고도 등에 영향을 받지않는 특성이 있다. 따라서 대기압 센서나 흡기온 센서를 생략할 수 있는 장점이 있지만 최근에 는 강화된 배출가스 규제로 인하여 이들 센서를 사용하여 정밀도를 높이고 있다.
장착위치는 에어클리너와 스로틀바디 사이이며 열선과 저항들은 위 사진의 원통 내부에 설치된다. 사진에서 보이는 보이는 미세한 철망은 이물질로 인한 열선의 기계적 파손을 방지하는 역할도 한다. 아래 사진에서 가운데 뾰족하게 튀어나온 부분이 온도보상 저항이고, 아주 가는 실선이 열선이다. 재질은 온도변화에 따른 저항값의 변화가 일정하고 고온에서 산화가 되지 않는 백금이 주로 사용된다.
열선은 항상 100℃를 유지하도록 전기적으로 가열된다. 열선을 통과하는 공기가 많을수록 열선은 더 많이 냉각되므로 열선의 온도를 일정하게 유지하기 위해서는 전류를 더 많이 공급해야 한다. 전류의 증가는 열선의 온도가 원래의 설정 온도로 될 때까지 계속된다. 따라서 공급한 전류의 값이 흡입 공기량을 측정하는 기준이 된다. 열선은 자체 질량이 아주 작기 때문에 아주 급속히 일정한 온도로 가열된다. 보통 1초에 1,000회 정도 반복해서 측정이 가능하며 이와 같이 반응시간이 짧다는 장점이 있다.
열선이 흡기 통로에 설치되어 있기 때문에 열선에 오염물질이 잘 퇴적된다. 오염물질이 퇴적될 경우 측정결과에 오차가 생기게 되므로 이를 방지하기 위해서 엔진이 정지되면 열선을 약 1,000℃ 정도로 가열하여 순간적으로 퇴적물을 연소, 제거시킨다. 이것을 클린 버닝(Clean burning)이라고 한다.
열선을 아래 그림과 같이 바이패스 통로에 설치한 방식도 있다. 이 방식의 경우 바이패스 통로에서는 공기유동속도가 높고, 열선이 유리코팅되어 있어서 열선의 오염을 피할 수 있다. 따라서 클린 버닝을 할 필요가 없다.
★ 장점
- ① 핫와이어 타입 센서는 공기의 질량을 검출하기 때문에 대기압이나 공기 온도 보정이 필요 없을 정도로 엔진에 공급된 실제 공기량과 거의 차이가 없어 정확한 계측이 가능하다.
- ② 공기량 변화에 따른 응답속도가 빨라 정밀한 엔진제어가 가능하다.
- ③ 측정범위가 넓다.
- ④ 기본회로의 구조가 간단하여 점검 및 정비가 쉽다.
- ⑤ 내구성이 좋다.
★ 단점
- ① 고가의 백금 와이어를 사용하므로 제작 단가가 상승한다.
- ② 흡기맥동에 대한 대책 등의 설계가 어렵다.
- 핫와이어 타입 센서는 반응이 빨라 엔진회전수가 낮을 때, 밸브 오버랩 구간의 흡기맥동도 감지함으로 흡기맥동에 의한 센서 오작동을 방지하기 위하여 엔진설계시 흡기계의 구조나 센서바디 구조에 대한 해석이 필요하다.
- ③ 백금 와이어의 오염에 대한 대책이 필요하다.
- 엔진으로 공급되는 공기 중 이물질 등이 흡기계 카본으로 형성되고 흡기계 카본이 백금 와이어에 붙게 되면 카본이 백금 와이어와 공기의 직접적인 접촉을 방해하고 보온효과를 발생시켜 정확한 공기량 검출을 방해한다.
- ④ 일부 영역에서 정밀도가 저하된다.
- 백금 와이어가 가열되면 열관성이 발생하는 특징이 있어 이에 대한 대책이 필요하다.
열막식
핫필름 에어 플로우 센서(Hot film air mass flow sensor)라고도 한다.
1987년에 독일 보쉬(Bosch)사에서 핫와이어를 대체할 목적으로 개발한 센서이다. 핫와이어 방식은 백금열선, 온도센서, 정밀저항 등으로 구성되어 있어서 생산비용이 높은 편이었다. 핫필름 방식은 이 세가지 부품을 세라믹 기판에 박막층저항으로 집적시켰다. 또 열막 센서(Hot film resistor)가 공기의 유동방향과 일치하여 설치되므로 열선식에 비해 오염에 덜 민감하다. 따라서 클린 버닝을 할 필요가 없고 생산비가 저렴하며 응답성도 좋은 장점을 지닌다. 아래 사진 중 그물망에 가까운 것이 열막 센서, 그 뒤쪽이 서미스터(흡기온센서)이다. 센서를 둘러싼 하우징 즉 외형은 핫와이어와 거의 유사하다.
핫필름은 일종의 서멀(thermal) 센서이며, 구조는 아래와 같다. 센서 측정셀(Sensor element)의 중심부에 가열영역(Heating zone)을 온도를 일정하게 유지하면 가열영역의 양쪽 바깥부분(T1/T2)의 온도는 다소 낮아진다. 온도 의존형 가변저항 T1은 공기가 들어오는 입구 쪽에 T2는 가열영역 뒤 쪽으로 배치되어 온도분포를 감지한
공기가 센서를 통과하지 않을 때는 온도 프로필(Temperature pofile) - 위 그림의 그래프에서 회색 실선 - 이 양쪽이 동일하다. . 따라서 T1 = T2 이다. 공기가 측정셀로 유입되면 온도 프로필 - 그래프의 파란색 점선 - 이 찌그러지게 된다. 공기가 유입되는 쪽의 온도 곡선은 급경사를 이루게 되는데 이것은 통과하는 공기에 의해 이 영역이 냉각되기 때문이다. 반대쪽의 온도 곡선은 물결모양으로 변화 된다. 따라서 측정점 T1과 T2 사이에 온도차가 발생한다. 즉 ΔT = T2 - T1 의 관계가 된다.
공기에 전달된 열 그리고 이 열에 의해 센서의 측정셀에서의 온도 변화는 측정셀을 통과하는 공기량, 더 정확히는 공기의 질량에 좌우된다. 여기서 중요한 것은 온도차는 통과하는 공기의 절대온도와는 상관이 없다는 것이며, 통과 공기의 질량을 측정하는 척도가 된다는 것이다. 그렇다고 흡기온 센서가 없는 것은 아니다. 위의 사진에서도 흡기온 센서가 열막 센서와 나란히 설치되어 있는 것이 보인다. 흡기온 센서는 열막 센서보다 전방에 설치되며 공기질량을 결정하는 데는 사용되지 않고, 다만 운전조건에 따른 보조적인 연산을 위해서만 사용된다.
센서에 집적되어 있는 제어 일렉트로닉은 측정점 T1, T2에서의 저항값의 차이를 ECU에서 사용하기에 적합한 전압신호(0~5V)로 변환시킨다. ECU는 이 전압신호와 내부 저장된 센서의 특성곡선을 이용하여 흡입공기의 질량유량으로 환산하여 연료의 기본분사량을 결정한다.
★ 장점
- ① 경제적이고 내구성이 우수하다.
- ② 엔진에 공급되는 총 공기량을 측정할 수 있다.
- ③ 비용이 저렴하다.
- ④ 엔진에 공급되는 일부분의 공기량을 검출하여 전체 공기량을 측정할 수 있어 센서부의 크기를 작게 만들 수 있어 공기통로의 구조를 흡기맥동이 센서부에 영향을 주지 않는 구조로 설계가 가능하다.
- ⑤ 전기소모량이 작다.
- ⑥ 핫와이어 타입에 비해 열손실이 적기 떄문에 오염정도가 낮다.
★ 단점
- ① 사용시간이 오래되면 센싱부위인 필름표면이 오염되어 측정정밀도가 저하되므로 핫와이어식처럼은 아니지만 정기적인 크리닝이 필요하다.
칼만와류식
헝가리 출신 물리학자이자 항공 엔지니어인 테오도르 폰 카르만이 발견한 유체역학에 관한 현상을 카르만 효과라고 부른다. 보통 카르만 소용돌이 효과, 카르만 와류 효과라고 부른다. 축구공과 같은 둥근 물체가 회전 없이 날아갈 때 마주 오던 공기가 뒤로 흐르면서 공의 뒷면에 공기의 소용돌이가 규칙적으로 발생하게 되어 움직임이 불규칙해지는 현상을 말한다. 축구경기에서 무회전 슛이 칼만 와류 효과의 대표적인 예라고 할 수 있다.
와류를 발생시키는 기둥을 공기가 유동하는 관로내에 설치하면 기둥뒷편에 와류(칼만와류)가 발생한다. 와류가 생성되면 초음파가 발생되고, 와류에 의해 분산되어진다. 와류의 양만큼 밀집되거나 분산된 초음파를 수신기가 수신한다. 이후 증폭기에 의해 디지털 펄스 신호로 변환되어 ECU에 보내진다.
1980년 일본 자동차회사 미쯔비시가 Karman Voltex의 원리를 이용해 AFS를 개발했다. 미쯔비시의 기술을 도입한 현대자동차가 1.5L 뉴오리온엔진(뉴엑셀/엘란트라)과 2.0L 시리우스 엔진(소나타/그랜저)에 적용하였다.
★장점
- ① 내구성 및 정밀도가 높다.
- ② 구조가 간단하여 유지보수가 쉽다.
- ③ 센서값이 디지털로 출력되어 엔진제어 시스템 모듈에서 직접 사용할 수 있다.
- ④ 흡기저항이 적다.
★ 단점
- ① 검출량에 한계가 있다.
- 일정속도 이상에서는 공기량 검출에 필요한 와류외에 흐름이 불규칙한 난류가 발생되는 특징이 있어 최대 유속에 한계가 있다.
- ② 고속에서 정밀도가 부족하다.
- 자동차용 엔진에서는 회전수가 낮을 때, 흡기계에 맥동이 발생되는데 이 흡기 맥동이 카르만 볼텍스 타입 공기량 센서를 통과하는 공기의 흐름을 방해하므로 바이패스 통로를 설치한다. 이 바이패스 통로로 통과하는 공기량은 측정을 할 수가 없는데 고속으로 회전할수록 바이패스 통로를 통과하는 공기량은 많아지기 때문에 고속주행 시 정밀도가 떨어진다.
- ③ 진동에 약하다.
- ④ 가격이 비싸다.
맵센서
맵센서(MAPS, Manifold Absolute Pressure Sensor)는 반도체식 압력센서의 한 종류로 가솔린 엔진의 크랭크축이 회전하여 피스톤이 상사점에서 하사점으로 내려갈 때 공기가 유입되는 입구가 스로틀밸브로 막혀있기 때문에 흡기다기관 내부가 진공(부압)상태가 된다.이 크기를 전기적 신호로 ECU에서 전달하는 기능을 한다.는 반도체식 압력센서의 한 종류로 가솔린 엔진의 크랭크축이 회전하여 피스톤이 상사점에서 하사점으로 내려갈 때 공기가 유입되는 입구가 스로틀밸브로 막혀있기 때문에 흡기다기관 내부가 진공(부압)상태가 된다.이 크기를 전기적 신호로 ECU에서 전달하는 기능을 한다.
흡기다기관의 진공변동에 따른 흡입 공기량을 간접적으로 검출하여 ECU에 전달하면, 엔진의 부하에 따른 연료의 분사량과 점화시기를 조절한다. 3개의 단자와 하우징, 실리콘 칩으로 구성되었고 진공실과 흡기다기관 사이의 압력차이가 코팅에 걸리는 힘에 의하여 피에조 엘리먼트의 저항으로 변화되어 생긴 펄스 신호를 ECU에 전달한다.
스로틀 밸브가 적게 열리면 흡기다기관의 진공이 높아지므로 MAPS의 출력 전압이 낮게 발생하여 연료 분사량을 감소시키고, 스로틀 밸브가 많이 열리면 진공이 낮아져 MAPS의 출력 전압이 높게 발생되어 연료 분사량을 증대시킨다.
★ 장점
- ① 고온에 의한 영향이 적다.
- ② 진동과 압력변화가 심한 곳에서도 사용이 가능하다.
- ③ 직진성이 우수하다.
- ④ 주파수 범위의 제한이 없다.
- ⑤ 내구성이 좋다.
- ⑥ 가격이 저렴하다.
★ 단점
- ① 정밀도가 낮다.
- : 엔진에 흡입된 실제공기량을 측정하는 것이 아니고 스로틀 밸브와 흡기밸브 사이의 흡기계얍력(부압)을 측정하여 공기량을 계산하는 간접식이므로 정밀도가 낮은 편이다.
고장 증상
- ① 엔진의 부조 또는 시동꺼짐.
- ② 가속(응답성)이 불량하거나 출력이 떨어짐.
- ③ 연료소비율 및 매연이 증가함.
- ④ 엔진 경고등이 점등됨.
고장 요인
전자제어 시스템에서 실린더로 공급되는 연료량을 결정하는 공기량 센서는 엔진에서 절대적인 역할을 하고 있다. 에어플로우 센서가 고장나게 되면 엔진은 공급되는 연료량을 정확하게 제어하지 못하기 때문에 시동이 꺼지는 현상이 발생되거나 시동이 걸린 상태에서 엔진의 진동이 매우 심하게 흔들리며 재시동시에 시동이 불가능하는 경우가 발생하게 된다.
에어플로센서(AFS)가 손상되는 이유는 다음과 같다.
대기 중에 있는 이물질이나 작은 입자가 흡입 공기에 혼입되어 이 작은 입자는 고부하나 과부하가 걸린 상태에서 에어클리너를 통과하여 AFS의 내부 소자에 충격을 주게 된다. 이 충격으로 인하여 유입되는 공기량을 직접 측정하는 소자의 파손으로 인하여 정상적인 측정이 불가능하게 된다.
참고적으로 에어플로센서는 정교하고 섬세한 소자로 제작되는 부품이므로 작은 충격이나 진동을 주게 되면 측정하는 소자가 손상될 수 있으므로 충격을 주지 않도록 주의해야 하며 각종 이물질이 유입되지 않도록 체크해야 한다.
- 이물질의 유입 경로
- 에어크리너(공기휠터) 케이스 및 에어 덕트 주변에 잔존하는 이 물질 및 작은 입자가 흡입공기와 혼합하여 유입되는 경우
- 에어크리너(공기휠터) 장기간 교환하지 않아 심하게 오염이 된 경우
- 에어크리너(공기휠터)의 불량이나 급가속시 관성에 의하여 손상이 된 경우
- 에어크리너(공기휠터)를 고정하는 에어크리너 케이스 손상이 발생한 경우
- 흡입공기가 유입되는 에어 호스의 장착이 불량하거나 호스를 연결하는 부분의 체결이 불량하거나 손상된 경우
수리시 유의사항
- 에어크리너(공기휠터) 교환 작업을 하는 경우 에어 라인에 이 물질이 유입되지 않도록 조심하며 오랜 시간동안 분리해 놓을 경우 별도로 보관한다.
- 에어크리너 교환을 할 경우 AFS 센서 에어 호스를 탈거 후에는 호스 입구 부분을 깨끗한 걸레를 사용하여 이물질이 들어가지 않도록 하고 에어 크리너 내부를 깨끗하게 청소한다.
- 수시로 에어크리너 케이스 및 에어 호스의 손상 여부를 확인하며 손상시에는 즉시 수리하거나 교환한다.
- 에어크리너(공기휠터)를 정기적으로 교환하여 에어크리너 오염을 방지한다.
- 에어크리너 및 에어덕트 장착 전에 이 물질이 있는지 확인하고 조립한다.
동영상
참고자료
- 사실요것만고치면돼요, 〈에어플로우센서 / 흡입공기량센서 - Mass air flow sensor (MAFS/AFS)〉, 《네이버 블로그》, 2013-04-04
- roddance, 〈[엔진 AFS(Air Flow Sensor) 공기유량센서]〉, 《네이버 블로그》, 2020-06-02
- 어니스트카, 〈공기유량센서=에어플로센서(AFS)〉, 《네이버 블로그》, 2016-02-23
- 류전희, 〈공기량센서(Air Flow Sensor :AFS) 정비방법〉, 《다음카페》, 2010-06-15
같이 보기
