맵 센서에 관한 성의 가득한 썰

공기량 센서 (Air Flow Sensor) 
MAPS(Manifold Absolute Pressure Sensor)
매니폴드 앱솔루트 프레셔 센서

 

 

MAPS 일반
자동차 엔진에서 사용되는 MAPS(Manifold Absolute Pressure Sensor/맵센서)는

반도체식 압력센서의 한 종류로 가솔린 엔진의 크랭크 축이 회전하면서

피스톤이 상사점에서 하사점으로 내려갈 때 공기가 유입되는 입구가

스로틀 밸브로 막혀있기 때문에 흡기다기관 내부에는 진공(부압)상태가 되며

그 크기를 전기적인 신호(전압)로 ECM에 전달하는 기능을 가지고 있다.

 

전기식 압력센서에는 다이아프램을 이용한 정전 용량식과 압저항식이 주로 사용되고 있으며

1967년 독일 보쉬에서 발표한 D-jetronic 시스템에서 사용한 압력센서는

정전용량식 압력센서이며 최근에 사용되고 있는 압력센서는 압저항식 반도체 압력센서이다.

 

 

 

 

 

그림 정전압 압력센서 - D jetronic(bosch)

 

압저항이란 어떤 종류의 결정판에 압력을 가하면

압력의 크기에 따라 전압이 발생하는 원리로 압전효과라고 부르며

압전효과를 이용하여 실리콘을 이용한 반도체 소자의 저항값을 변화시키는 것이

압저항식 반도체 압력센서(압전센서)이다.

 

반도체 압력센서는 최근 실용화가 가속되고 있는 센서로

실리콘을 이용한 압력센서는 1961년 처음 시제품 완성되었으며

1983년 미국 하니웰사에 의해 상용화되었으며 1988년 웨이퍼 접합기술을 이용한

일괄처리공정개발로 대량생산(노바센서/1985년 설립)에 의하여

낮아진 비용으로 자동차용 압력센서(MAPS)로 사용되었으며

우리나라에서는 2002년 일본에서 압전소자를 수입하여

자동차용 MAPS(케피코)가 생산되었다.

 

전자제어 엔진시스템의 기본 연료분사량은

연소실에 공급된 흡입공기량의 14.7:1 을 기준으로 하기 때문에

MAPS는 엔진의 제어시스템에서 가장 중요한 역할을 한다.

 

이 방식은 별도의 대기압을 측정할 필요가 없고 구조가 간단하여 가격이 저렴하나

특성상 정밀도가 떨어지고 점화시기등 외부요인에 따라 변화가 심하다는 단점과

간접측정방식의 한계로 정밀제어가 어려워 OBD-II 이전에는 경제적인 이유로 많이 사용하였으나

OBD-II 이후에는 배출가스의 규제가 강화됨에 따라 흡입공기량을 질량으로 계측하는

LH-jetronic(핫와이어, 핫필름) 형식을 많이 사용한다.

 

MAPS는 흡기 매니폴드의 압력변화(흡기맥동)를 전기적 신호(0~5V)로

변화시키는 기능을 하므로 엔진의 기계적인 상태를 간접적으로 진단하는데 이용하기도 한다.

 

 

MAPS 원리
자동차 엔진의 실린더 체적과 연소실 체적, 흡기계의 체적은

이미 결정되어 있기 때문에 총 흡기계의 체적과 엔진회전수,

각 엔진회전수에 따른 흡기효율 그리고 대기온도에 따른 공기밀도를 알면

현재 실린더에 공급된 공기량을 계산할 수 있다.

 

그리고 자동차가 위치한 지역의 대기압으로 보정하면

엔진에서 사용하고 있는 공기량을 계산할 수 있어 공기량에 맞는 이론공연비에 따른

연료량을 분사한 후 산소센서 시그널을 이용하여

현재의 공연비를 알아 추가로 연료량을 가감하게 된다.

 

 

MAPS 작동
엔진 제어 시스템은 MAPS에 5V 기준전압을 공급하고

엔진의 내부압력에 따라 변화된 전압이 ECM으로 전달되어

공기량을 계산하는 기초 신호로 사용된다.

 

MAPS는 보통 3개의 단자로 이루어지며

ECM에서 공급되는 전원 공급단자와 ECM으로 보내는 출력(시그널)단자,

접지단자로 이루어지며 접지단자는 ECM의 접지단자나

엔진접지, 차체접지에 연결된다.

 

4개의 단자로 된 MAPS도 있는데

기존 MAPS의 3개 단자에 흡기온 단자가 추가되는데

이렇게 4핀으로 된 MAPS를 T(Temperature)MAPS라 호칭하는데

전용 MAPS는 대부분 엔진룸에 설치되어 흡기 매니폴드와 호스로 연결되지만

T-MAPS는 흡기온도를 검출하기 때문에

흡기 매니폴드에 직접 설치되어 있다.

 

MAPS 시그널특성
일반적으로 가솔린 엔진이 작동할 때 흡기 매니폴드 내부에는

피스톤의 하강하는 흡기행정에서 공기를 빨아 들이지만

공기가 공급되는 흡기 매니폴드 입구쪽에는 스로틀 밸브로 막혀있어

부분적으로 부압(마이너스 압력/진공)이 작용한다.

 

이 부압은 전용통로로 연결되어 있는 MAPS의 다이어프램을 움직이고

다이어프램에 설치된 가변저항에 의해 ECU에서 공급된 기준전압이 변화되어

다시 ECU로 전달되며 엔진 제어 시스템은 이미 입력된 계산값에 의하여

현재 공기량으로 환산하여 연료분사량을 결정한다.

 

부압은 엔진회전수가 낮을수록 낮아지고

엔진회전수가 높아지면 부압이 높아져

대기압과 거의 비슷하게 되기 때문에 엔진정지중의 MAPS 시그널 전압은

자동차가 위치한 지역의 대기압을 나타내고

엔진시동후 아이들 상태에서 낮은 부압을 나타내며

주행중 급감속시 순간적으로 가장 낮은 부압을 나타낸다.

 

공기량 센서로 사용되는 가솔린 엔진의 MAPS는 0 ~ 1 기압 범위를 사용하며

0 기압쪽을 나타낼수록 0 V 에 가깝고 1 기압(대기압)쪽으로 움직일수록

전압이 높아져 센서 공급전압인 5 V까지를 나타내게 되며

슈파차저나 터보차저를 사용한 시스템에서는

주공기량 센서로 공기질량식 센서를 사용하고

MAPS는 보조 공기량 센서나

흡기 시스템 압력을 검출하는데 사용하고 있다.

 

엔진 제어 시스템 설계자들은 MAPS 전압출력 범위를 정할 때

해당 엔진에서 가장 낮게 나타나는 압력(부압)과

높은 압력(대기압과 가까운)을 확인하여

약 0.5 V ~ 4.5 가 선형적으로 나타나도록 설계하고

입력전압이 0.5 V 이하나 4.5 V 이상이면

회로의 고장으로 판단하는 기준으로 삼기도 한다.  

 

흡기 매니폴드에 형성된 진공은 바이패스통로(아이들통로)와

스로틀 밸브의 열림량에 따라 변하고

유입된 공기의 양(밀도)은 기압의 차이가 없어

대기압을 측정하는 센서가 불필요하지만

정확한 연료분사량을 확인하기 위하여

대기압센서를 사용하거나

MAPS 시그널을 이용하여 대기압을 검출한다.

 

그러나 이 형식에서는 공기량을 직접 측정하는 것이 아니라

압력의 차이에 의해 흡기 매니폴드에 유입된 공기량을 환산하는 간접적인 방식이기에

정밀도가 떨어지고 급가속시에 생기는 시간지연,

엔진의 기계적인 이상에 의한 진공도의 차이,

점화시기의 변화에 따른 진공도의 차이등 오차가 생기거나

오차가 생길 수 있는 요인이 너무 많아 정확한 공기량을 측정하는데 문제가 있어

최신 엔진제어 시스템에서는

핫 와이어나 핫 필름타입의 공기량 센서를 많이 사용한다.

 

반도체식 압력센서의 장점
고온에 의한 영향이 작다.
진동과 압력변화가 심한 곳에서 사용가능하다.
직진성이 우수하다.
주파수범위의 제한이 없다.
히스테리시스가 없다.
소형경량이다.
내구성이 좋다.
가격이 저렴하다.

 

단점
정밀도가 낮다.
엔진에 흡입된 실제공기량을 측정하는 것이 아니고

스로틀 밸브와 흡기밸브 사이의 흡기계압력(부압)을 측정하여

공기량을 계산하는 간접식이므로 정밀도가 낮은 편이다.

MAPS 활용
공기량 센서로서의 기능
자연흡기 가솔린 엔진에서는 직접적으로 공기량을 측정하지 않고

MAPS로 흡기다기관의 진공도(부압)를 측정하여

엔진에 흡입된 공기량을 간접적으로 계산하는 주 공기량 센서로 사용되기도 하며

과급(터보나 슈퍼차저) 가솔린 엔진에서 주 공기량 센서로는

공기 질량 센서(MAFS/Mass Air Flow Sensor)를 사용하고

MAPS는 흡기다기관의 압력을 측정하여

오버 부스트가 되지 않도록 사용한다.

 

자연흡기 디젤엔진에서는 사용되지 않지만

과급(주로 터보)엔진에서는 과급 가솔린 엔진처럼 부스트 압력을 확인하기 위하여 사용되는데

인터쿨러를 사용하는 경우에는 인터쿨러 전후에 각각 하나씩

모두 두개의 MAPS를 사용하기도 한다.

 

대기압 센서로서의 활용
엔진이 정지되어 있는 상태에서는 엔진내부의 압력이나

자동차 주위의 대기 압력과 동일하므로

운전자가 시동키를 돌려 엔진 제어시스템에 전원이 공급된 시점과

스타터가 회전하기 전까지의 시간동안

MAPS 전압을 읽어 대기압력을 확인하기도 한다.

 

크랭킹 확인 신호로서의 활용
운전자가 시동키를 돌려 엔진이 회전하게 되면

흡기관의 압력도 변화되어 MAPS 출력 전압도 변화되므로

엔진제어 시스템은 엔진이 회전하고 있다는 것을 알 수 있어

CKPS나 CMPS의 고장을 최종적으로

판정하는데 사용하기도 한다. 

 

각종 압력센서로서의 사용
최근의 자동차 전자제어 시스템에서는 반도체용 압력센서를 다양한 용도로 사용되는데

연료탱크 계통의 증발가스를 감시하기 위하여 연료탱크 압력센서로 사용되기도 하며

안전시스템의 하나인 타이어 공기압 모니터링 시스템(TPMS)에서는

각 타이어의 압력을 측정하는데 사용하는등

각 시스템에서 압력을 검출하는데

필요한 압력센서로 많이 사용되고 있다.

 

PCV 시스템의 고장진단
PCV(Positive Crankcase Ventilation)는 크랭크 케이스의 블로우 바이 가스를 연소실로 재순환시키는

시스템인데 통로가 상시로 차단/오픈되면 엔진컨트롤에 이상이 발생하게

되므로 MAPS와 TPS, ISCA가 정상이고 PCV시스템이 정상일 때

특정조건(휴엘컷 구간등)에서의 샘플링 MAPS값과 실제의 MAPS 값을 비교하여

PCV시스템의 고장을 판정하기도 한다.

 

MAPS 진단 및 정비
MAPS의 진단은 오실로 스코프를 이용한 파형으로

TPS(스로틀 포지션 센서)와 같이 측정하는 것이 좋은데

엔진회전수는 흡입공기량과 같이 비례/상승하고

흡입공기량은 스로틀 열림량과 비례/상승하므로

TPS 와 MAPS 시그널은 같은 방향으로 움직이기 때문이다.

 

ECU에서 공급되는 기준전압이 정상인지 확인을 하고

아이들상태의 평균전압과 가속시의 전압을 비교하고

스로틀의 열림과 같이 실시간으로 움직이는지를 비교한다.

 

MAPS의 고장은 정상적인 동일엔진 자동차에서 정상적인 데이터

(아이들, 급가속시 최대값, 급감속시 최저값, 정속주행시 평균값등)를

수집한 후 어떤 이상을 느낄 때의 데이터를

비교하는 것이 가장 간단한 확인방법이다.

 

대부분 MAPS 단품의 고장은 거의 없으며

커넥터의 접촉불량이나 엔진의 진동에 의한 배선의 단선,

접촉불량을 확인하고 MAPS 와 진공소스와의 조립상태,

엔진의 진공상태에 영향을 줄 수 있는

기계적인 요소를 확인한다.

 

실화가 발생하면 순간적으로 맵센서의 시그널이 급격하게 변화되는 현상이 발생한다.