5. 분석 방법

5.1 마그네틱 타입

1) 크랭크 앵글 센서는 타깃트 휠 (플라이 휠 원주 방향에 이발이 있는 링) 이 마그네틱 센서로 된 크랭크 앵글 센서를 지나칠 대 센서에서 나오는 전자력을 차단하면서 전압이 발생하게 되는데 이 센서가 타깃트 휠 과의 거리 (Air gap) 가 작을수록/회전수가 높을수록 전압이 높게 나오고 거리 (Air 갭) 가 클수록/회전수가 낮을수록 낮게 나온다.

2) 크랭크 앵글 센서는 시그널의 높이 (피크) 를 보고 판정하는 것이 아니고 시그널이 낮은 데서 높은 곳으로 올라가는 가 (Rising edge) 와 높은 데서 낮은 값으로 내려가는 가 (Falling edge) 를 판정을 한다. 즉 마그네틱 센서의 경우 시그널이 약 20mV 이상이 되면 ON으로 판정하고 약 -5∼-10mV이면 OFF으로 판정하여 ON/OFF되는 한 주기를 크랭크 각 한 개의 시그널로 판정한다.

<참고> 시그널을 판정하는 경계값(Threshold)를 이렇게 작게 한 것은 -30℃에서 시동걸 때 낮은 회전수(약 40rpm)에서도 시그널을 인식하기 위해서다.

3) 크랭크 앵글 시그널에 노이즈가 발생하여 그 노이즈가 실제 시그널 처럼 받아 들이면, 롱투스를 판정하지 못하거나 롱투스 사이의 숏 투스의 개수가 증가하여 ECU는 연료 분사/점화를 중단하게 된다. 그러므로 노이즈 발생 시 연료 분사가 있는지를 같이 본다.

< 참고 > 스캐너를 통해 엔진회전수가 나오고 인젝터와 점화시기가 정상적이면 일단은 크랭크 앵글 센서 시그널은 정상으로 판정해야 한다.

4) 크랭크 앵글 센서에서 롱투스 전에 캠 시그널의 변화 (Edge 발생: 높은 데서 낮게/낮은 데서 높게) 생겨야 하는데, 최소한 2개 이전에 발생하여야 한다. 만약 롱투스 사이에 또는 롱 투스 전 한 개 사이에 캠 시그널의 변화(Edge 발생)가 생기면 반드시 풀리(상사점)의 위치를 확인하여 롱투스 2개 이전에 발생시켜야 한다.

< 참고 > 캠 앵글 시그널이 나오는 시점(Syncronisation)은 EMS메이커 별로 다르게 되며, 그 기준은 소프트웨어 스팩에 정해져 있으며, 아이다스에서는 "크랭크 앵글 센서 시그널 / 캠 앵글 시그널 정상값 확인"에서 직접 결과를 입력 시켜 놓았다.

5.2 홀 타입

1) 홀 타입 센서로 센서 안에 회로가 있어, 여기에 12볼트가 공급되게 되어 있다. 그러면 1.0±0.5mm 이내의 간극으로 어떤 금속 체가 센서 감지부를 지나치면 센서내부에서 회로에 의해 5볼트 (일부는 12볼트)가 나오게 끔 되어 있다.

< 참고 > 홀 타입의 크랭크 앵글 센서가 장착된 경우에는 별도의 릴레이가 필요하다. 그 이유는 처음 엔진 시동을 걸 때, 크랭크 앵글 센서에 12볼트(밧데리)전원을 공급해야 하기 때문이다.

2) 크랭크 앵글 센서는 시그널의 높이 (피크) 를 보고 판정하는 것이 아니고 시그널이 낮은 데서 높은 곳으로 올라가는 가 (Rising edge) 와 높은 데서 낮은 값으로 내려가는 가 (Falling edge) 를 판정을 한다. 즉 마그네틱 센서의 경우 시그널이 약 200mV∼2.5V 이상이 되면 ON으로 판정하고 약 100mV∼1.5V이면 OFF으로 판정하여 ON/OFF되는 한 주기를 크랭크 각 한 개의 시그널로 판정한다.

3) 크랭크 앵글 시그널에 노이즈가 발생하여 그 노이즈가 실제 시그널 처럼 받아 들이면, 롱투스를 판정하지 못하거나 롱투스 사이의 숏 투스의 개수가 증가하여 ECU는 연료 분사/점화를 중단하게 된다. 그러므로 노이즈 발생 시 연료 분사가 있는지를 같이 본다.


< 참고 > 통상 외부의 전기적인 영향(특히 점화 계통)에 의하여 크랭크 앵글 시그널이 높게 나올 때(즉 ON되는 동안)에는 시그널에 노이즈를 발생시켜 시그널 파형이 깨져 있으나, 시그널의 판정 경계값(Threshold)에 크게 미치지 못해 영향을 받지 않는다.



< 참고 > 통상 외부의 전기적인 영향(특히 점화 계통)은 크랭크 앵글 시그널이 낮게 나올 때(즉 OFF되는 동안)에는 시그널에 노이즈를 발생시키지 못해(즉 접지에 의해 대부분 흡수), 시그널 파형이 영향을 받지 않아 ECU에서 시그널을 잘못 받아 오류를 일으키는 경우가 적다.


< 참고 > 크랭크 앵글 시그널이 ON되는 순간 또는 OFF되는 순간에 외부(특히 점화 계통의 전기적인 영향)에 의하여 노이즈가 발생되고 그 노이즈의 크기(높이)가 경계값(Threshold)보다 높게 되는 경우, ECU는 투스 개수로 인식을 하여 오류를 일으키게 된다.
< 오류 내용 > ECU가 크랭크 앵글 시그널이 잘못 되었다고 인식하는 경우 : 인젝션/점화를 중단 ECU가 크랭크 앵글 시그널이 잘못 되었음을 인식 못하는 경우 : 연료 분사/점화시기가 매우 비정상이 되기도 하며, 정상인 부품을 고장으로 인식하거나, 없는 부품에 대해서 고장을 인식하기도 한다.

4) 크랭크 앵글 센서에서 롱투스 전에 캠 시그널의 변화 (Edge 발생: 높은 데서 낮게/낮은 데서 높게) 생겨야 하는데, 최소한 2개 이전에 발생하여야 한다. 만약 롱투스 사이에 또는 롱 투스 전 한 개 사이에 캠 시그널의 변화(Edge 발생)가 생기면 반드시 풀리(상사점)의 위치를 확인하여 롱투스 2개 이전에 발생시켜야 한다.

5.3 옵틱 컬 타입

1) 옵틱컬 센서로 구멍이 원주방향으로 여러 개 뚫린 원판(타겟트 휠이라고 함)이 캠 축과 같이 회전하면서 타겟트 휠에 빛을 쏜다. 그 빛이 타겟트 휠의 구멍을 통과하면 전압이 나오는데 그 전압을 이용한 것으로 발광 다이오드에서 빛을 보내주기 위해 전원 공급이 필요하다.

2) 크랭크 앵글 센서는 시그널의 높이 (피크) 를 보고 판정하는 것이 아니고 시그널이 낮은 데서 높은 곳으로 올라가는 가 (Rising edge) 와 높은 데서 낮은 값으로 내려가는 가 (Falling edge) 를 판정을 한다. 즉 마그네틱 센서의 경우 시그널이 약 200mV∼2.5V 이상이 되면 ON으로 판정하고 약 100mV∼1.5V이면 OFF으로 판정하여 ON/OFF되는 한 주기를 크랭크 각 한 개의 시그널로 판정한다.

3) 크랭크 앵글 시그널에 노이즈가 발생하여 그 노이즈가 실제 시그널 처럼 받아 들이면, 롱투스를 판정하지 못하거나 롱투스 사이의 숏 투스의 개수가 증가하여 ECU는 연료 분사/점화를 중단하게 된다. 그러므로 노이즈 발생 시 연료 분사가 있는지를 같이 본다.

4) 크랭크 앵글 센서에서 롱투스 전에 캠 시그널의 변화 (Edge 발생: 높은 데서 낮게/낮은 데서 높게) 생겨야 하는데, 최소한 2개 이전에 발생하여야 한다.
만약 롱투스 사이에 또는 롱 투스 전 한 개 사이에 캠 시그널의 변화(Edge 발생)가 생기면 반드시 풀리(상사점)의 위치를 확인하여 롱투스 2개 이전에 발생시켜야 한다.

< 참고 > 캠 앵글 시그널이 나오는 시점(Syncronisation)은 EMS메이커 별로 다르게 되며, 그 기준은 소프트웨어 스팩에 정해져 있으며, 아이다스에서는 "크랭크 앵글 센서 시그널 / 캠 앵글 시그널 정상값 확인"에서 직접 결과를 입력 시켜 놓았다.

6. 일반 소개

엔진이 회전하는 동안 연료 분사와 점화시기를 판정하기 위해서는 피스톤의 위치를 알아야 하는데, 그것을 알기 위해 크랭크 앵글 센서를 사용한다. 즉 엔진의 회전에 따라 직접 크랭크 샤프트 축과 연결되어 돌아가는 회전판 주위에 톱니 모양의 사가 형태의 돌기물(Tooth)이 나와 있어 이것이 센서 끝 부분을 지나칠 때 투스시그널(Tooth sognal: 사가 모양의 시그널)을 발생시켜, 이 투스의 개수가 몇 개가 지났는지 세어 피스톤의 위치를 알게 되는데, 그 간극이 모두 같으면 어디가 시작이고 끝인지를 알 수 없으므로 엔진의 한 바퀴 돌 때마다 톱니 모양의 시그널(투스 시그널:Tooth signal)의 폭을 약 3배 넓은 것이 한 개 나온다. 이것을 롱투스(Long tooth)라고 하는데 이 롱투스로부터 몇 개의 투스가 지나면 상사점이라고 판단을 하게끔 ECU에 기억 시켜 놓는다 (통상 4기통의 경우 롱 투스로부터 19번째가 상사점이다). 그리고 몇 번째 기통인지를 구별하기 위해 캠 샤프트에 직열 연결된 회전판에서 시그널을 발생시켜 이 시그널이 나온 다음에 나오는 상사점을 1번 상사점이라고 한다.


각 기통의 상사점을 알아낸 후 연료 분사시기와 점화시기를 정하게 된다. 즉 ECU에서 연료 량(시간)과 점화시기를 읽거나 계산하여 연료 분사와 점화 하는 시기를 크랭크 앵글센서 시그널을 보고 하게 된다.

그리고 ECU에서는 크랭크 앵글 시그널을 받아 시그널의 높이에 관계없이 단순히 시그널이 높아지고 있다 (Rising edge 판정)와 낮아지고 있다(Falling edge 판정)만을 알고 몇 번 높았다 낮았다 하는가를 보고 "몇 개의 투스가 있는가"을 알게 된다.

즉 시그널이 OFF(Falling edge)가 몇번 되었느가 또는 시그널이 ON(Rising edge)이 몇 번 되었는가를 세는 것으로 시그널의 높이는 ON(Rising edge)되는 경계값(Threshold) 높게 나오거나 또는 OFF(falling edge)되는 경계값보다 낮게 나오면 시그널로 인식되게 된다.
이 중에서 폭이 넓은 롱 투스와 롱 투스 사이의 시간을 갖고 엔진 회전수를 판정하는 것이다.

그러므로 만약 스캐너에서 엔진회전수를 볼 수 있다면 "ECU에서 크랭크 앵글 센서 시그널을 받아 들여 정상적으로 처리하고 있다" 라고 판정할 수 있다.
이 크랭크 앵글 시그널을 보고, ECU는 일(처리하는 내용)의 우선순위를 결정하게 되는데, 통상 8단계(또는 16단계)가 있다. 이 단계는 매 사이클(엔진 2회전으로 롱 투스가가 2번 나오는 것)마다 반복되어 진행되는 것으로 가장 우선 순위가 높은 것이 연료량 계산과 점화시기 계산으로서 만약 연료량(분사시간)이 한 사이클 동안 보다 길어 연료 분사시기를 맞출 수 없으면, ECU는 분사시기를 무시하고 연료량(분사시간)을 맞추게 한다. 이렇게 우선 순위를 하는데 가장 느린 부분이 외부에 고장 코드와 ECU내부 연산 데이터(일명 Current data 또는 Junior mode 등)를 보내는 것인데, 그래서 약 4500rpm이상에서 스캐너에 데이터가 나오지 않는 것은 매 사이클마다 여러 인자를 계산하는데 스캐너로 읽도록 데이터를 보내는 것이 우선 순위가 늦어 계산하지 않고 그냥 지나치기 때문에 나오지 않는 것이다. 특히 크랭크 앵글 시그널에 이상이 있는 경우, 그리고 ECU가 이상이 있다는 것을 인식하지 못하면 일의 우선순위가 뒤 바뀌는 경우가 있다. 이는 계산 또는 확인하는 순서가 바뀌어 예를 들면 EGR를 작동 시키지도 않고 고장인지 아닌지를 확인하는 경우 EGR은 작동을 하지 않기 때문에 고장으로 인식하며, 종종 없는 부품에 대해서 고장 코드를 보내는 경우 크랭크 앵글 센서 시그널을 ECU에서 잘못 받아 들이고 있으며, ECU는 이를 인식하지 못하고 있다고 이해하면 된다.

이러한 크랭크 샤프트에 연결된 회전판에서 톱니 모양의 시그널을 발생시키는 방법이 크게 세 가지가 있는데,

(1) 옵틱컬 타입 :
옵틱컬 센서로 구멍이 원주방향으로 여러 개 뚫린 원판(타겟트 휠이라고 함)이 캠 축과 같이 회전하면서 발광 다이오드와 광센서 사이를 회전하게 된다. 그리고 이 타깃 휠의 한쪽 면에서 발광 다이오드를 통해 빛을 쏜다. 그 빛이 타겟트 휠의 구멍을 통과하여 관 센서에 비치게 되면 이 관센서에서 전압이 나오는데 그 전압을 이용한 것으로 발광 다이오드에서 빛을 보내주기 위해 전원 공급이 필요하다. 통상 디스트리뷰터에 내장을 시키고 있으며 캠 축과 일체가 되어 회전하도록 되어 있다. 빛을 받아 전압을 발생시키는 광 센서가 열 및 습기에 약하여 자주 문제를 일으킨다. 타겟트 휠의 구멍이 외주에 촘촘하게 있는데 이 것이 크랭크 앵글 센서 시그널이 되도록 빛이 통과하는 구멍이 되며, 내부에 한 개의 구멍이 있는데 이 것은 캠 앵글 시그널이 만들어 지도록 빛이 통과하는 구멍이 된다. 외주에 촘촘히 있는 구멍에서 각 한 개가 한 개(사이클)의 크랭크 앵글 투스 신호를 만들어 내는데, 이 투스로 엔진의 크랭크 회전하는 각도를 계산하여 연료의 분사시기와 점화시기를 판단하게 한다. 숏 투스(Short tooth :구멍간 간격이 작은 것 )가 N개라고 할 때 (구멍간 간격이 넓은 것 : 롱 투스는 숏 투스 3개로 계산한다 ), 한 투스 간의 크랭크 각도는 엔진이 한 회전 하는데 캠은 2회전 하므로 아래 참고와 같이 계산한다.

< 참고 >
4기통의 경우 투스 한 개당 크랭크 각도는 = 720 / N [도] 가 된다. 예 (기아 차량의 시멘스 시스템 : 프라이드, 아벨라, 뉴 세피아): 각 간격이 좁은 구멍의 개수가 76개, 폭이 넓은 것이 4개가 있다. 그러므로 총 개수(N)는 88개(76 + 3*4)가 된다. 한 개 투스의 각도 8.18도 = 720도 / 88개




(2) 마그네틱 타입 :
마그네틱 센서로 센서에서 센서 끝 부분에서 자력선을 방출하며 플라이 휠 외각에 있는 톱니 모양의 사각파의 잇빨(Target wheel : 타깃 휠)이 이 자력선을 자르고 지나면 시그널 전압이 발생하는 원리를 이용한 것으로 전원 공급이 필요 없이 시그널이 발생되게 되어 있다. 그래서 센서 시그널이 통상 "시그널과 접지"로 되어 있지 않고 "플러스(+)시그널과 마이너스(-) 시그널"로 되어 있어 플러스 시그널은 0이상의 시그널이 나오고 마이너스 시그널은 0이하의 시그널이 나와 결국 한 개의 시그널로 ECU에서 받을 때는 플러스와 마이너스가 반복되는 사인파 모양의 시그널이 나오게 되며 ECU에서는 사각파로 만들어 사용을 하게 된다.





시그널의 크기는 자력선을 자르는 속도와 간격에 의한 영향이 커서 그 간극은 1.0±0.5mm 이내의 간극으로 조정하도록 되어 있다. 그리고 저온 (최저 -30℃까지)에서 시동을 걸 때도 투스 시그널이 나올 수 있어야 한다. 그러나 이러한 저온에서의 시동 시의 엔진 회전수는 약 40∼70rpm정도로 시그널의 높이는 매우 낮아(약 ±60mV정도) 이러한 낮은 시그널을 ECU에서 인식해야 하므로 통상 약 20mV이상으로 시그널이 나오게 되면 ON(Rising edge)으로 판정을 하고 -5mV이하로 나오면 OFF(Falling edge)로 판정을 하게 한다.
그래서 약간의 이상한 노이즈 등에 의해 이러한 경계값을 지나치는 전압이 나오면 ECU는 투스 시그널로 인식을 하여 개수가 맞지 않거나 각 투스간의 폭이 갑자기 변하여 롱 투스를 잘못 판정하는 오류를 하게 된다. 이러한 마그네틱 타입의 크랭크 앵글 센서는 크랭크 축에 직열 연결되어 회전하는 플라이 휠의 외각(통상 밋션 케이스)에 설치되어 있어 플라이 휠 한 회전에 크랭크 각도 360도 회전이므로 각 투스 간의 각도는 360도/N(투스 개수)가 된다.

참고 : 일부 차종은 마그네틱 타입에서 한 개의 작동 선만 잇는 경우가 있다.

(3) 홀 타입 :
외형은 마그네틱 타입과 구별이 안되나, 컨넥터 부에 전원 공급선이 별도로 있으며 이곳에서는 시그널선/접지선 등이 구별된다. 센서 내부에 회로가 있어, 여기에 12볼트가 공급되면 전자석이 형성이 되면서 전 자석 사이에 전자를 방출하는데 이 전자를 방출하는 부위(센서 감지부)를 1.0±0.5mm 이내의 간극으로 어떤 금속 체가 지나치면 센서내부에서 회로에 의해 5볼트 (일부는 12볼트가 나오기도 한다)가 나오게 끔 되어 있다. 이 원리를 이용하여 엔진의 크랭크 샤프트와 직렬 연결되어 회전하는 플라이 휠 의 외곽에 사각형의 톱니 모양(투스)을 한 휠(이를 타깃 휠 이라 함)을 끼우고 엔진이 회전할 때마다 이 사각형의 투스가 센서 감지부를 지나치면서 사각 파의 파형이 반복되어 나온다.



홀 타입의 센서는 사인파 모양의 시그널을 발생시키는 마그네틱 타입의 센서에 비해 ECU에 들어가는 시그널의 형태가 사각 모양의 균일한 시그널을 발생시키어 열과 노이즈에 약한 옵틱컬 타입이나, 시그널의 판정에 기준을 정확히 하여야 하는 마그네틱 타입에 비해 노이즈 면이나 시그널 판단에 용이하여 최근에 많이 사용하는 경향이다.
다만 센서부를 지나는 타깃 휠에 비해 사각파의 시그널이 나오는 시점이 감지부를 지나는 속도와 간극(Air gap)에 따라 약간의 위상(최고 투스 한 주기의 0.25개 정도)이 생기어 시그널을 측정한 다음에 정확히 위치를 파악하는데 어려움이 있다.
아직까지 홀 타입에서 노이즈나 기타 다른 요인에 의해 ECU에서 크랭크 앵글 시그널을 잘못 인식하여 문제를 일으킨 예를 발견하지 못하였으며, 부품 메이커에서는 상당히 신뢰에 자신감을 보이고 있다.

7. 원리(알고리즘) 소개

ECU에 처음 엔진이 돌고 있다는 것을 알리는 것이 크랭크 앵글 센서 시그널이다. 즉 크랭크 앵글 센서 시그널이 나오면 엔진이 돌고 있다. 또는 시동 키를 ON위치에 있지만 엔진은 정지하고 있다라고 판정을 한다.
우선 이렇게 엔진이 돌고 있다. 또는 시동 키를 ON위치에 있지만 엔진은 정지 중에 있다라고 판정을 하도록 한 이유는 "화재 방지를 위한 연료 펌프 작동 중지"를 위한 것이다. 즉 엔진이 돌고 있지 않은데, 연료 펌프를 계속 돌리고 있다면 연료 공급 계통의 연료 압력이 높아 만약 전복이나 충돌 등의 사고등에 의해 새는 곳이 발생한 경우 치명적인 화재 위험이 높기 때문이다. 일부(특히 유럽/미국 수출 용)에서는 화재에 대한 안전기준이 매우 엄격하게 정밀 관리를 하며 규정에 차량 전복이 발생한 경우 연료 공급을 차단하는 장치(밸브)를 적용하도록 하고 있다.
그리고 전자제어 응용상에 일단은 크랭크 앵글 센서 시그널로부터 시그널이 나오면(L_CRK=ON) 엔진이 돌고 있다(L_ENG = ON) 또는 나오지 않으면 (L_CRK=OFF) 정지되어 있다(L_ENG = OFF)를 감지하고, 그 다음에 크랭크 앵글 센서 시그널의 롱 투스를 판정한 다음에 개수를 세어 상사점의 위치를 파악하며 캠 앵글 센서 시그널을 통해 인식한 각 상사점이 어느 기통의 상사점인 지를 판정하게 한다. 그리고 롱 투스와 롱 투스 사이의 시간을 통하여 엔진 회전수를 계산하며 이 회전수를 기준으로 하여 다음에 적용해야 하는 연료 분사시간과 시기를 계산하여 "몇 번째 투스부터 연료를 분사하여야 한다"는 것을 알게 된다. 그래서 연료 분사량과 분사시기의 계산은 2사이클 전에 계산을 끝내야 한다.


참고 : 만약 2사이클 전에 계산을 하지 않게 되면 연료 분사시간과 분사시기를 계산하고 연료를 분사하려는 순간 벌써 분사하는 시기가 지나칠 수 있기 때문이다.

점화에 대해서는 크랭크 앵글 시그널로부터 시간을 계산하는 것이 아니고 별도의 시간 계산으로 밧데리 전압 별로 통전시간(Dwell time)을 계산하고 점화시기도 크랭크 앵글 시그널 투스가 롱 투스로부터 몇 번째인가만을 알아내어 해당 투스가 오면 점화를 시켜준다. 이렇게 하여 한 사이클 동안의 시간을 알게 되어 엔진 회전수를 비롯하여 피스톤의 위치 등를 파악하여 연료 분사시간과 분사시기 점화시기를 계산하여 출력하게 하며, 각 우선 순위 별로 여러 연산처리를 하게 된다. 그리고 시동을 끄면, ECU내부의 기억해야 할 각 값(학습값 등)을 연산하는데 그 시간은 통상 0.5초내지 5초 정도 걸린다.

이렇게 ECU에서 각 시그널과 출력에 대해서 연산하는 과정을 크랭크 앵글 시그널을 받아 들이면서 시작점(통상 각 사이클이 끝나고 롱 투스가 시작하는 시점)에서 계산을 시작하다가 다시 끝점(마찬 가지로 통상 각 사이클이 끝나고 롱 투스가 시작하는 시점)에서 연산을 중단하고 다시 연산을 시작하는데, 중간에 인터럽트(Interrupt)라는 신호가 오면 다른 연산 처리를 한다.

< 예 >
연료 차단, 산소센서 피이드 백 시작, 출력 영역, 에어컨 작동 등과 같은 비 정기적인 연산. 그래서 크랭크 앵글 센서는 한번 문제가 생겼다 하면 자동차 엔진의 전자제어에 치명적인 문제를 일으킨다. 일부는 ECU에서 크랭크 앵글 센서 시그널에 대한 고장 판단(즉 자기 진단)을 하는데, 통상 크랭크 앵글 센서에 대한 ECU에서 고장을 판정하는 것은 엔진 회전수가 2회전 하는 동안 시그널이 나오지 않으면 고장으로 판정하는 것이 고작이며, 요즈음 ECU에서는 크랭크 앵글 센서의 투스 개수가 맞지 않으면 고장으로 판정하는 로직(알고리즘)을 추가하였다


< 참고 > 위의 고장판단 조건과 내용은 전자제어 개발자가 임의로 바꿀 수 있어 대략 이렇다라는 방향으로 이해해야지 꼭 이렇다라고 이해하면 약간씩 틀린 경우를 접하게 된다. 예를 들어 위의 로직에 캠 샤프트 센서의 개수가 2개 이상 틀리면 고장으로 인식하게끔 하였다면 그 것도 가능하게 된다. 크랭크 앵글 센서의 시그널이 이상하면 ECU는 전혀 엉뚱한 작동을 하는데, 예를 들면 정신이상자가 예측치 못한 돌발 행동을 하는 것과 매우 유사하다.
이유는 ECU는 매 한 사이클마다 롱 투스를 기준으로 하여 순서대로 연산처리(시그널 값을 읽어 계산하고 액튜에이터 작동시킴)를 하는데, 크랭크 앵글 시그널이 잘못 들어와서 상사점(또는 롱 투스의 시점)이 맞지 않으면 순서가 맞지 않아 엉뚱한 값을 읽고 계산하기 때문에 그 결과도 전혀 다르게 된다.

< 예 > 정상적으로 ECU는 EGR이 있는가 없는가를 확인하고 "EGR이 없음"을 인식하면 EGR작동을 시키지 않고 지나친다. 그런데 "있고 없음"을 판단하지 않고 바로 EGR 작동에 들어가면 작동을EGR이 없는 경우에는 , EGR을 작동시키고 작동이 안되니까 EGR이 고장이라고 판정하게 되는데... 정비사로서는 황당한 경우를 당하게 된다.
그래서 크랭크 앵글 센서의 고장이 판정되고 다른 부품도 여러 개 동시에 고장이 인식되어 있으면 우선 크랭크앵글 센서만 수리하고 다시 다른 부품도 고장인가 확인해야 한다. 그리고 나서 그 때 나온 고장 내용들만 수리하면 된다.
잘못 되었을 때 이렇게 ECU로 하여금 천방지축 엉뚱하게 만드는 크랭크 앵글 센서에 대한 고장확인 및 그 대응 방법을 설명하고자 한다.
미리 방향을 얘기한다면 이 부분의 수리는 아래의 "1과 2"를 제외하고 완전한 수리를 하기위해서는 쉽지않다. 크랭크 앵글 센서를 판정하는데 있어 캠 앵글 센서의 정상 유무가 중요하다.
그래서 캠 앵글 센서의 상태에 따라 구분하여 설명하고자 한다.

1. 크랭크 앵글 시그널이 정상 작동의 경우
ECU는 크랭크 앵글 시그널이 처음 몇(4-15) 개 이상 나오면 엔진이 회전하고 있다고 판정하여 지금까지 나온 크랭크 앵글 센서 시그널의 개수로 상사점을 알아낸다. 그 상사점을 기준으로 하여 점화시기, 연료 분사시기와 여러 시그널을 일고 액튜에이터를 작동하는 등 엔진을 작동시키게 된다.


(1) 상사점을 찾는 방법
크랭크 앵글 시그널 중에는 폭이 넓은 것과 좁은 것이 있다. 이 중에서 폭이 넓은 것을 롱투스(Long tooth)라고 하는데 이 롱 투스후에 폭이 작은 투스(숏 투스 : Shot tooth)가 19개 나오는 곳이 상사점이 된다.
<참 조>
한국에서 생산되는 차는 전자제어 개발 업체/자동차 메이커 마다 그 기준이 다르다. 그래서 19번째라고 하는 것은 현재 가장 많이 사용하는 기준을 말한다.
(2) 1번 상사점을 찾는 방법
ECU는 위의 "(1)"에서 상사점이 몇 번 째 인지를 알 수 없다. 그래서 캠 앵글 시그널이 나온 다음에 인식된 상사점을 1번 상사점이라고 알게 된다.

2. 크랭크 앵글 시그널이 전혀 안 들어 오거나 일정한 값이 들어오는 경우.
그리고 캠 앵글 시그널은 정상인 경우

< 참고 >
캠 앵글 센서를 일명 TDC센서 또는 페이스 센서라고 하는데 TDC센서라고 하면 전자제어 개발자에게는 ECU내부에서 만들어지는 TDC(= 상사점) 시그널로 오해하게 된다 이런 경우에는 두 가지 경우로 작동을 한다.
기본적으로 ECU는 엔진이 회전하고 있다고 크랭크 앵글 센서 시그널을 통해 인식하고 있어 연료 펌프 릴레이나 메인 릴레이를 붙여 주게 되며, 다만 캠 센서 타입에 따라 엔진 작동을 다르게 한다.

(1) 캠 앵글 센서가 핀 또는 홀 타입인 경우 ( A, B ) 인젝터의 작동을 중단하거나, 연료와 점화를 중단시킨다. 그래서 시동이 걸리지 않는다. 이 때의 대책은 크랭크 앵글 센서의 시그널 선이 끊어 졌거나, 어디에 쇼트된 것이므로 이를 수정하면 된다.
(2) 캠 앵글 센서가 반달 타입인 경우 ( C 경우) 캠 앵글 센서 시그널을 받아서 대략 상사점을 계산해서 연료 분사시기와 점화시기를 결정해서 엔진을 작동 시킨다.
< 참조 >
전자제어 개발자가 캠 앵글센서로 엔진 작동이 되도록ECU내부에 데이타 입력을 잘 해 놓았으면 가능하지만, 그렇지 않으면 시동이 걸리지 않을 수 있다. 예로 모 메이커의 제품은 캠 앵글이 반달 타입인데 크랭크 앵글 센서가 고장일 때 시동이 전혀 걸리지 않는 것을 보았는데 본인으로서는 이해가 가지 않았지만 실제로 있기 때문에 참고로 설명했음.
이런 경우, 점화시기와 인젝터의 열림 시기(Injection Phase)가 크랭크 앵글 센서의 투스 개수로 판정하지 않고 캠 앵글 센서로 판정하기 때문에 정확하지 않아 운전 시에 나타나는 이상 현상은 가속 시에 울컥거림(Shock & Jerk)이나 가속 초기 회전수가 머뭇 거리면서 올라가는 현상을 보인다. 발생되거나 배기가스가 약간 많이 나올 수 있다.

< 참고> 인젝터의 열림 시기(Injection Phase) : (1)공회전 영역(공회전의 정숙성), (2)일반 영역(배기가스 배출량이 적게), (3)출력영역(출력을 높게)과 같이 대체로 세 가지로 구분하여 그 시기를 정하는 주 키 포인트는 흡기 밸브가 어느 위치에 있을 때 무화가 잘되어 연소를 잘 시킬 수 있는가를 시험을 통해 입력한다.
< 원 인> 크랭크 앵글 센서 시그널 선이 끊어져서 전혀 시그널 전압이 안 들어 오거나 그라운드에 접지되어 항상 일정하게 낮은 시그널 전압을 보이는 경우이다.
물론 레퍼런스 전압(5V)이나 전원부(12V)에 쇼트되어 항상 높게 나오는 경우도 마찬가지이다.
< 대 책 >이정도의 문제는 일반 정비사도 금새 수리할 것으로 믿으며, ECU에서도 고장으로 판단하므로 스캐너를 통하여 문제를 알 수 있다.

2. 크랭크 앵글 시그널이 전혀 안 들어 오거나 일정한 값이 들어오면서 그리고 캠 앵글 시그널도 안 나오는 경우

이 때는 ECU는 시동 키를 "ON"위치에 놓고 시동을 걸지않아 엔진이 정지되어 있는 것으로 인식하여 잠깐(약 1초 정도로 냉각수온에 따라 약간 다름)동안 연료펌프를 작동시키다가 멈춘다 (연료 펌프 릴레이가 메인 릴레이와 같이 쓰는 경우)
이 때는 위의 "1"과 동일한 원인으로 선이 끊어져 있거나 특히 컨넥터의 연결이 제대로 안되어 발생한다.

3. 크랭크 앵글 시그널이 가끔 시그널이 깨져서(일부가 안 나옴) 나오는 경우

위의 경우는 시동걸 때 종종 생기는 현상이며, 특히 옵 티컬 센서의 경우는 자주 발생한다

이러한 현상이 발생하면 ECU는 크랭크 앵글 시그널을 제대로 인식하지 못해 엉뚱한 시기에 연료를 분사하고 점화를 하던지, 아니면 정상적으로 크랭크 앵글 시그널이 정상으로 나올 때 까지 연료분사를 중지한다. (경우 4와 동일)
이러한 경우, 시동 시에 엔진이 울컥거리면서 걸렸다 올라가거나 마치 셀프 모터 기어와 플라이휠에 있는 기어가 끼여서 잘 안 돌아가는 것 처럼 느껴지면, LPG의 경우에는 "펑" 깜짝 놀라게 하는 역화현상(백 파이어)이 나타나게 된다.
< 원 인 > 크랭크 앵글로 가는 전원이 매우 짧은 순간 차단되는 현상에 기인한다. 특히 스티어링 칼럼에 있는 키 박스(일명 키 뭉치)에 전선이 복잡하면서 연결부의 상태가 좋지 않아 크랭크 앵글 센서로 가는 전원에 마이크로 카트 오프(Micro cut-off : 약 6 -40usec동안 전원 차단 현상)가 발생하는 경우로 예측되나 상당부분 원인이 밝혀지지 않고 있다. 완전히 밝혀진 내용 중에 한 가지로 시동을 걸고 나서 키를 놓는 순간에 미세하게 진동(바운싱)이 생기면서 마이크로 카트 오프가 발생하였는데, 일부 차종은 아직도 이런 문제를 갖고 있다.
< 대 책 > 자동차메이커에서 이를 근본적으로 개선하기 위해 무던히 애를 썼으나, 현실적으로 완전하게 해결 못하고 있는 그냥 출고를 시켰는데 필드에서 가끔 이런 문제를 본다. 일반 필드의 정비사로서 이를 수리한다면 시동키 박스의 시동키에서 셀프모터까지 전원의 연결하는 단자 없이 직렬로 연결시키는 방법이 있다.

4. 크랭크 앵글 센서에 노이즈가 있어 이를 크랭크 앵글 센서의 시그널로 처리하여 투수의 개수가 맞지 않은 경우.

ECU는 프로세서의 처리 속도가 충분치 않아(물론 하드웨어 적으로 재기는 하나 프로세서 처리에 활용은 어려움) 크랭크 앵글 시그널의 각 폭을 재기는 힘들다. 다만 시그널이 어느 기준 이상으로 높은가 낮은가만 비교해서 투스를 세게 되는데, 만약 노이즈가 나타나면 그 폭이 좁다 해도 ECU는 투스로서 판정해서 세게 된다.



그러면 롱 투스(또는 한 사이클) 사이의 개수가 맞지 않으면 전자제어 메이커마다 약간씩(일본:그냥 진행)은 다르지만 크랭크 앵글 시그널이 정상으로 오게 될 때까지 연료분사와 점화를 중단하게 된다
< 원인 > 옵티컬(빛이 통과하면 시그널이 나오는 것으로 디스트리뷰터의 내장 타입이 많다) 타입의 경우, 노이즈의 영향이 쉽게 받는다. 그 중에서 시그널이 떨어지는(Falling) 순간이나 올라가는(Rising) 순간에 이그닛션의 노이즈가 나오면 이 노이즈는 투스로 판정되어 문제(일시적 연료분사 중지)를 일으킨다.

< 대 책 > 크랭크앵글 센서 시그널에 노이즈가 발생하는 것은 대부분 전자제어 개발에 있어 예상할 수 있는 문제로서 대책을 하고자 최대한 노력을 하는데, 점화 계통에서 오는 전기적인 노이즈는 근본적인 차단이 힘들어 완전하게 노이즈를 방지 못하고 있다. 그래서 크랭크 앵글 센서의 시그널 선에 실드를 하여 노이즈를 흡수하게 하면서 별도로 이그닛션 계통에도 실드를 하여 노이즈 발생을 줄이도록 하기도 한다.
필드에서 가능한 방법은 가능한 ECU에 가까이 (통상 3cm 이내)까지 이그니션 코일선과 크랭크 앵글 시그널 선을 실드하도록 하며, 중간에 가까이 접근되지 않게 한다.

< 참 고 >
필드에서 아무 이상이 없는데 가끔 시동이 꺼진다고 호소하는 차량은 이러한 문제로 가정해도 좋을 정도로 발생 빈도가 높다. 왜냐하면 노이즈가 생기는 순간에 한 싸이클 동안 점화와 인젝션이 중단되기 때문이다. 그러나 실제 크랭크 시그널의 현상을 보려면 ECU내부에서 인식한 것을 보아야 하기 때문에 필드에서 이를 확인하기는 쉽지 않다.
그리고 이런 형태의 문제를 많이 보이는 차량에 대해서 공회전시의 점화시기가 크랭크 앵글 센서가 ON되는 시점(Rising)과 OFF되는 시점(Falling)에 이루어지지 않도록 홀 수로 이루어지게 한 경우가 많았다.

5. 크랭크 앵글 시그널의 롱 투스를 잘 못 판정하여 발생하는 문제

운전 조건과 엔진의 작동 상태에 의해 간헐적으로 발생하는 현상인데 지금까지 전자제어 개발을 하면서 밝혀진 내용을 소개하고자 한다.

(1) (1) 마그네틱 타입 크랭크 앵글 센서에서 플러스(+)와 마이너스(-) 단자가 서로 바뀌는 경우 자주 발생하고, 그 외엔 이따금 발생하는 것으로 오르막 길 등과 같은 구동력이 많이 필요한 조건에서 높은 기어(4단 또는 5단)에서 낮은 속도로 주행하면서 힘이 부족해서 엔진이 울컥거린다. 이 때 순간적으로 피스톤의 속도가 순간 낮은 속도로 떨어지면 투스의 폭이 급격히 넓어지는데, 이 경우 롱(Long) 투스와 숏(Short) 투스의 간격이 불 규칙해지면서 롱 투스를 엉뚱한 놈(숏 투스에서 폭이 넓은 것)으로 판정해서 나오는 경우이다.
이 경우에는ECU는 잠시 먹통이 되듯이 점화시기를 약 20도 이상 지각되는 현상을 보였는데 예측불허의 현상이 나온다고 보면 된다.
다만 운전자 입장에서 차가 무척 힘이 없이 느껴지거나 갑자기 시동이 꺼지는 현상으로 나타난다. 특히 LPG차량은 "펑 !!!!"하는 역화 현상(Back fire)를 발생시킨다.

< 대책 >
우선 크랭크 앵글 센서가 홀 타입인 경우, 플러스(+)와 마이너스(-)이 바뀌었는가를 확인한다. 정비하는데 시간적인 여유가 있다면 반대로 연결하고 시험을 해 보는 것도 괜찮을 듯 싶다. 그 외에 근본적인 해결방법은 "운전자보고 너무 높은 기어단수로 운전하지 마십시요"하고 주문하여 그렇게 운전하지 않으면 되는데.... 아마 " 멍xxx" 소리를 듣겠지요. 경험상 낮은 회전수에서 토오크가 낮거나 압축비가 높은 엔진에서 많이 나오는 것 같다. 이것이 사실이라면 점화계통을 좋게 해 놓아 제 출력이 나오게 하면 효과가 있을 듯 싶다.

(2) 엔진이 냉각된 상태에서 시동을 걸 때, 연료가 너무 농후 하다던가 또는 점화시기가 너무 빨라 피스톤이 상사점을 지나기 전에 폭팔하는 경우 (일명 벅킹:Bucking이라고 함), 피스톤의 속도는 급격히 저하되면서 투스간의 폭이 비 정상적으로 넓어지면서 "(2)"와 같이 롱 투스를 잘못 판정하게 되는데 통상 시동이 꺼지는 현상을 보인다.

< 대 책 >
늦 가을이나 이른 봄에 겨울용 휘발유(일명 RVP : Relative Vapor Pressure가 높은 것)을 사용하면 빈도가 높아진다. 또한 점화계통에서 플러그의 상태가 좋지 않거나 열가가 높은 것(냉형)을 사용하면 역시 빈도가 높아진다. 이것을 고려하여 점화계통의 수리를 하도록 한다.

참고 : RVP(Relative Vapor Pressure)로서 증발압력이라 할 수 잇는 것으로 증발 가스의 압력이 어느정도인 가를 나타내는 것으로 이 RVP가 높다는 것은 그 만큼 증발이 잘 된다는 것을 의미하는 것으로 국내 연료는 통상 겨울용(0.88∼0.92Kg/츠²)과 여름용(0.64∼0.72kg/cm²)으로 구분되어 주유소에 공급하고 있으며, RVP가 높으면 연료의 증발이 잘 되어 겨울철 시동성이 좋아지나 열간 시에는 연료 공급 계통에 증기 기포를 발생시켜 연료 공급이 저해 (일명 Vapor lock이라함)하므로 여름철에는 증발압이 낮은 것을 사용하는 것이다.

(3) 시동걸 때 엔진이 연소되는 힘에 의해 충분히 돌지않고 있는 상태에서 너무 빨리 시동 키를 놓는 경우 셀프모터를 돌려주다가 셀프 모터가 빠지면서 엔진의 회전이 급격히 저하되어 이 순간의 투스 간극이 넓어지면서 롱 투스를 잘못 판정하거나 심한 경우 역회전 되면서 투스의 개수가 증가하여 투스 개수가 많아지어 문제를 일으키는 경우가 있다.
통상 시동거는 사람에게 느껴지는 것은 "끄륵"하면서 셀프모터가 제대로 안 물려서 돌아가는 느낌을 주던가 또는 엔진이 한번 울컥 거린 다음 시동이 걸리는 것 처럼 느껴진다. 물론 심한 경우 시동이 꺼지는 것은 당연하다.

< 대 책 >
압축비가 낮은 엔진은 빈도가 많이 낮은 것 같다. 그리고 셀프 모터의 기어와 플라이 휠의 기어의 백 래쉬(기어가 서로 물리고 나서 생기는 간극)가 큰 것일 수록 현상이 부드러웠다. 필드에서 완전히 수리하는 방법은 쉽지 않으나 조금 낫게 개선하려면 엔진에서 연소가 충분히 일어나면 비록 셀프모터에서 돌려주지 않아도 회전력이 유지 될 수 있으므로 점화계통을 좋게 하면 될 듯 싶다.

(4) 마그네틱 크랭크 앵글 센서에서 자주 나오는 것으로 처음 시동걸 때 플라이 휠의 기어가 셀프모터에 물릴 때 약간 진동이 생긴다. ECU는 이 때 나오는 시그널을 투스로 판정해서 실제 정상 시그널이 나오면 그 것을 롱 투스로 판정하여 문제를 일으킨다. 이런 경우는 운전자가 느끼는 것은 시동이 걸리다가 울컥하고 멈췄다가 다시 걸려서 시동시에 셀프모터에 플라이 휠이 껴서 안 움직이는 듯한 느낌을 주고 특히 LPG차량의 경우 100% "꽝 !!!"하는 아주 심한 역화현상(Back fire)를 일으키게 된다.

< 대 책 >
모 메이커 AS에서는 수리를 한다고 애매한 셀프모터만 여러 개 갖다 놓고 바꾸어 가면서 현상이 없으면 고쳤다고 보내는 것을 보았다. 그러다가 고객이 나가자 마자 또 돌아와서 "똑 같다"고 하면서 다시 수리를 요구하는 것을 보았는데, 원인은 ECU가 정상 시그널을 잘못 인식하여 생기는 것으로 나중에 메이커에서는 ECU내부에서 첫번 째 크랭크 앵글 시그널(투스)가 나오면 약 40 - 60msec동안 크랭크앵글 시그널을 무시한 다음 그 다음부터 정상으로 받아드리도록 하였는데, 필드에서의 대책은 크랭크 앵글 시그널이 시동을 거는 순간 시그널이 들어가지 않도록 하면 되는데, 이 때는 전자적인 기술자의 도움을 받으면 쉽게 할 수 있다


이전페이지

목록보기