캠축 위치 센서는 동기 신호 센서라고도 불리는 감지 장치로, 실린더 식별 위치 감지 장치이며, 캠축 위치 신호를 ECU에 입력하여 점화 제어 신호를 전달합니다.
1. 기능 및 종류: 캠축 위치 센서(CPS)는 캠축의 이동 각도 신호를 수집하여 전자 제어 장치(ECU)에 입력함으로써 점화 시점과 연료 분사 시점을 결정하는 기능을 합니다. 캠축 위치 센서(CPS)는 크랭크축 위치 센서(CPS)와 구별하기 위해 실린더 식별 센서(CIS)라고도 하며, 일반적으로 CIS로 표기합니다. 캠축 위치 센서는 가스 분배 캠축의 위치 신호를 수집하여 ECU에 입력함으로써 ECU가 1번 실린더의 압축 상사점을 식별하고, 이를 바탕으로 순차적인 연료 분사 제어, 점화 시점 제어 및 제동 제어를 수행할 수 있도록 합니다. 또한, 캠축 위치 신호는 엔진 시동 시 최초 점화 시점을 식별하는 데에도 사용됩니다. 캠축 위치 센서는 어느 실린더의 피스톤이 상사점(TDC)에 도달하려는지 식별할 수 있기 때문에 실린더 인식 센서라고도 합니다. 닛산에서 생산하는 광전식 크랭크축 및 캠축 위치 센서의 구조적 특징은 기존 배전기를 개선한 것으로, 주로 신호판(신호 로터), 신호 발생기, 배전 장치, 센서 하우징 및 배선 플러그가 개선되었습니다. 신호판은 센서의 신호 로터로, 센서 축에 압착되어 있습니다. 신호판 가장자리 부근에는 일정한 간격(반경)으로 내외부에 두 개의 원형 광구멍이 있습니다. 외륜에는 360개의 투명한 구멍(간격)이 있으며, 간격은 1반경입니다(투명 구멍 0.5, 음영 구멍 0.5). 이 구멍들은 크랭크축 회전 및 속도 신호를 생성하는 데 사용됩니다. 내륜에는 6개의 투명한 구멍(직사각형 L자형)이 있으며, 간격은 60반경입니다. 각 실린더의 TDC 신호를 생성하는 데 사용되며, 그중 실린더 1의 TDC 신호를 생성하기 위해 넓은 변이 약간 더 긴 직사각형 영역이 있습니다. 신호 발생기는 센서 하우징에 고정되어 있으며, Ne 신호(속도 및 각도 신호) 발생기, G 신호(상사점 신호) 발생기 및 신호 처리 회로로 구성됩니다. Ne 신호 및 G 신호 발생기는 발광 다이오드(LED)와 감광 트랜지스터(또는 포토다이오드)로 구성되며, 두 개의 LED가 각각 두 개의 감광 트랜지스터를 직접 마주 보고 있습니다. 신호 디스크는 발광 다이오드(LED)와 감광 트랜지스터(또는 포토다이오드) 사이에 장착되어 있습니다. 신호 디스크의 광투과 구멍이 LED와 감광 트랜지스터 사이에서 회전하면 LED에서 방출된 빛이 감광 트랜지스터를 비추게 되고, 이때 감광 트랜지스터가 켜지면서 컬렉터 출력은 낮은 레벨(0.1~0.3V)이 됩니다. 신호판의 차광 부분이 LED와 감광 트랜지스터 사이에서 회전하면 LED에서 방출된 빛이 감광 트랜지스터를 비추지 못하게 되어 감광 트랜지스터가 차단되고 컬렉터 출력은 높은 레벨(4.8~5.2V)이 됩니다. 신호판이 계속 회전하면 투과 구멍과 차광 부분이 LED를 투과시키거나 차광하는 과정을 반복하며, 감광 트랜지스터의 컬렉터 출력도 높은 레벨과 낮은 레벨로 번갈아 전환됩니다. 센서 축이 크랭크축과 캠축과 함께 회전하면, 신호판의 신호 구멍과 LED와 감광 트랜지스터 사이의 차광 부분이 회전하면서 투과 및 차광 효과를 통해 감광 트랜지스터의 신호 발생기에 빛이 번갈아 조사되어 센서 신호가 발생하고, 크랭크축과 캠축의 위치에 따라 펄스 신호가 생성됩니다. 크랭크축이 두 번 회전하면 센서 축은 한 번 회전하므로 G 신호 센서는 6개의 펄스를 생성하고, Ne 신호 센서는 360개의 펄스 신호를 생성합니다. G 신호의 광 전송 구멍의 라디안 간격이 60이고 크랭크축이 1회전할 때 120이 발생하기 때문에 임펄스 신호가 생성됩니다. 따라서 G 신호를 일반적으로 120 신호라고 부릅니다. 설계 및 설치 시 120 신호가 보장됩니다. TDC(상사점) 70 전에 신호가 발생합니다. (BTDC70., 그리고 직사각형 폭이 약간 더 긴 투명 구멍에서 생성된 신호는 엔진 실린더 1의 상사점 70도에 해당합니다. 따라서 ECU는 분사 진각과 점화 진각을 제어할 수 있습니다. Ne 신호 투과 구멍 간격 라디안은 1이므로(투명 구멍 0.5, 음영 구멍 0.5), 각 펄스 주기에서 고레벨과 저레벨은 각각 1을 차지합니다. 크랭크축 회전에서 360 신호는 크랭크축 회전 720도를 나타냅니다. 크랭크축이 1회전할 때마다 G 신호 센서는 하나의 신호를 생성하고, Ne 신호 센서는 60개의 신호를 생성합니다. 자기 유도형 위치 센서는 홀형과 자기전기형으로 나눌 수 있습니다. 전자는 그림 1과 같이 홀 효과를 이용하여 고정된 진폭의 위치 신호를 생성합니다. 후자는 자기 유도 원리를 이용하여 주파수에 따라 진폭이 변하는 위치 신호를 생성합니다. 그 진폭은 수백 밀리볼트에서 속도에 따라 변합니다. 수백 볼트에 달하는 전압이 발생하며, 진폭은 매우 다양합니다. 다음은 센서의 작동 원리에 대한 자세한 설명입니다. 자기력선이 통과하는 경로는 영구 자석 N극과 회전자 사이의 공극, 회전자 돌기, 회전자 돌기와 고정자 자석 헤드 사이의 공극, 자석 헤드, 자기 가이드 플레이트 및 영구 자석 S극입니다. 신호 회전자가 회전하면 자기 회로의 공극이 주기적으로 변하고, 자기 회로의 자기 저항과 신호 코일 헤드를 통과하는 자속이 주기적으로 변합니다. 전자기 유도 원리에 따라 감지 코일에 교류 기전력이 유도됩니다. 신호 회전자가 시계 방향으로 회전하면 회전자 돌기와 자석 헤드 사이의 공극이 감소하고, 자기 회로의 자기 저항이 감소하며, 자속 φ가 증가하고, 자속 변화율이 증가(dφ/dt>0)하여 유도 기전력 E가 양수(E>0)가 됩니다. 회전자 돌기가 자석 헤드의 가장자리에 가까워지면 자기력이 감소합니다. 자속 φ가 급격히 증가하고 자속 변화율이 최대가 되며[Dφ/dt=(dφ/dt)Max], 유도 기전력 E도 최대가 됩니다(E=Emax). 회전자가 B점을 중심으로 회전한 후에도 자속 φ는 계속 증가하지만 자속 변화율이 감소하므로 유도 기전력 E는 감소합니다. 회전자가 볼록 치의 중심선과 자성 헤드의 중심선에 도달하면 회전자 볼록 치와 자성 헤드 사이의 공극이 가장 작아지고 자기 회로의 자기 저항이 가장 작아지며 자속 φ가 최대가 되지만, 자속이 더 이상 증가할 수 없으므로 자속 변화율이 0이 되어 유도 기전력 E는 0이 됩니다. 회전자가 시계 방향으로 계속 회전하여 볼록 치와 자성 헤드가 멀어지면 볼록 치와 자성 헤드 사이의 공극이 증가하고 자기 회로의 자기 저항이 증가하여 자속이 감소합니다. (dφ/dt < 0)이므로 유도 기전력 E는 음수입니다. 볼록한 톱니가 자기 헤드를 떠나는 가장자리로 회전할 때 자속 φ는 급격히 감소하고 자속 변화율은 음의 최대값[Dφ/df = -(dφ/dt)Max]에 도달하며, 유도 기전력 E 또한 음의 최대값(E = -emax)에 도달합니다. 따라서 신호 로터가 볼록한 톱니를 한 바퀴 돌 때마다 센서 코일은 주기적인 교류 기전력을 발생시키며, 즉 기전력은 최대값과 최소값을 나타내고 센서 코일은 이에 상응하는 교류 전압 신호를 출력합니다. 자계 유도 센서의 가장 큰 장점은 외부 전원 공급이 필요 없다는 것입니다. 영구 자석이 기계 에너지를 전기 에너지로 변환하는 역할을 하며, 자기 에너지 손실이 없습니다. 엔진 속도가 변하면 로터 볼록 톱니의 회전 속도가 변하고 코어의 자속 변화율도 변합니다. 속도가 높을수록 자속 변화율이 커지므로, 센서 코일의 유도 기전력이 높아집니다. 로터 볼록 톱니와 자석 헤드 사이의 공극은 자기 회로의 자기 저항과 센서 코일의 출력 전압에 직접적인 영향을 미치므로 사용 중에 임의로 변경할 수 없습니다. 공극이 변경될 경우 규정에 따라 조정해야 합니다. 공극은 일반적으로 0.2~0.4mm 범위 내에서 설계됩니다. 2) 제타, 산타나 차량용 자기 유도 크랭크축 위치 센서 1) 크랭크축 위치 센서의 구조적 특징: 제타 AT, GTX 및 산타나 2000GSi의 자기 유도 크랭크축 위치 센서는 크랭크케이스의 클러치 근처 실린더 블록에 설치되며, 주로 신호 발생기와 신호 로터로 구성됩니다. 신호 발생기는 엔진 블록에 볼트로 고정되며 영구 자석, 감지 코일 및 배선 하니스 플러그로 구성됩니다. 감지 코일은 신호 코일이라고도 하며, 자석 헤드가 영구 자석에 부착되어 있습니다. 자기 헤드는 크랭크축에 설치된 톱니형 디스크 신호 로터와 직접 마주보고 있으며, 자기 요크(자기 가이드 플레이트)와 연결되어 자기 가이드 루프를 형성합니다. 신호 로터는 톱니형 디스크로, 원주를 따라 58개의 볼록한 톱니, 57개의 작은 톱니, 그리고 1개의 큰 톱니가 균등하게 배치되어 있습니다. 큰 톱니에는 출력 기준 신호가 없으며, 이는 엔진 1번 실린더 또는 4번 실린더의 압축 상사점(TDC)이 특정 각도 이전임을 나타냅니다. 큰 톱니의 라디안은 두 개의 볼록한 톱니와 세 개의 작은 톱니의 라디안과 같습니다. 신호 로터는 크랭크축과 함께 회전하며, 크랭크축이 1회전(360도)하면 신호 로터도 1회전(360도)합니다. 따라서 신호 로터 원주상의 볼록한 이빨과 이빨 결함이 차지하는 크랭크축 회전 각도는 360°입니다. 각 볼록한 이빨과 작은 이빨의 크랭크축 회전 각도는 3°입니다(58° x 3° + 57° x 3° = 34°). 주요 이빨 결함이 차지하는 크랭크축 회전 각도는 15°입니다(2° x 3° + 3° x 3° = 15°). 2) 크랭크축 위치 센서의 작동 조건: 크랭크축 위치 센서가 크랭크축과 함께 회전할 때, 자기 유도 센서의 작동 원리에 따라 로터가 각 볼록한 이빨을 회전시키면 감지 코일에 주기적인 교류 기전력(최대 및 최소 기전력)이 발생하고, 코일은 이에 따라 교류 전압 신호를 출력합니다. 신호 로터에는 기준 신호를 생성하기 위한 큰 톱니가 있기 때문에, 이 큰 톱니가 자석 헤드를 회전시키면 신호 전압이 오랜 시간에 걸쳐 출력됩니다. 즉, 출력 신호는 넓은 펄스 신호이며, 이는 1번 또는 4번 실린더의 압축 상사점(TDC) 직전의 특정 각도에 해당합니다. 전자 제어 장치(ECU)는 이 넓은 펄스 신호를 수신하면 1번 또는 4번 실린더의 TDC 위치가 가까워지고 있음을 알 수 있습니다. 1번 또는 4번 실린더의 TDC 위치는 캠축 위치 센서의 입력 신호를 통해 판단해야 합니다. 신호 로터에는 58개의 볼록한 톱니가 있으므로, 센서 코일은 신호 로터가 한 바퀴 회전할 때마다(엔진 크랭크축이 한 바퀴 회전할 때마다) 58개의 교류 전압 신호를 생성합니다. 신호 로터가 엔진 크랭크축을 따라 한 바퀴 회전할 때마다 센서 코일은 58개의 펄스를 ECU로 전달합니다. 따라서 크랭크축 위치 센서가 58개의 신호를 수신할 때마다 ECU는 엔진 크랭크축이 한 바퀴 회전했음을 알게 됩니다. ECU가 1분 동안 크랭크축 위치 센서로부터 116,000개의 신호를 수신하면 크랭크축 회전 속도 n을 2000r/min(n=116000/58=2000)r/min으로 계산할 수 있습니다. 만약 ECU가 크랭크축 위치 센서로부터 분당 290,000개의 신호를 수신하면 크랭크축 회전 속도를 5000r/min(n=29000/58=5000)r/min으로 계산합니다. 이처럼 ECU는 크랭크축 위치 센서로부터 분당 수신되는 펄스 신호의 수를 기반으로 크랭크축 회전 속도를 계산할 수 있습니다. 엔진 회전수 신호와 부하 신호는 전자 제어 시스템의 가장 중요하고 기본적인 제어 신호이며, ECU는 이 두 신호를 기반으로 기본 분사 진각(시간), 기본 점화 진각(시간) 및 점화 전도각(점화 코일 1차 전류 온 시간)의 세 가지 기본 제어 매개변수를 계산할 수 있습니다. Jetta AT 및 GTx, Santana 2000GSi 차량의 자기 유도식 크랭크축 위치 센서는 로터에서 생성된 신호를 기준 신호로 사용하며, ECU는 이 신호를 기반으로 연료 분사 시간과 점화 시간을 제어합니다. ECU가 큰 치형 결함에서 생성된 신호를 수신하면 작은 치형 결함 신호에 따라 점화 시간, 연료 분사 시간 및 점화 코일의 1차 전류 스위칭 시간(즉, 전도각)을 제어합니다. 3) Toyota 차량의 TCCS 자기 유도식 크랭크축 및 캠축 위치 센서: Toyota 컴퓨터 제어 시스템(TCCS)은 배전기에서 개조한 상부 및 하부 부품으로 구성된 자기 유도식 크랭크축 및 캠축 위치 센서를 사용합니다. 상부에는 크랭크축 위치 기준 신호(실린더 식별 및 TDC 신호, G 신호) 발생기와 크랭크축 속도 및 각도 신호(Ne 신호) 발생기가 각각 설치되어 있습니다. 1) Ne 신호 발생기의 구조적 특징: Ne 신호 발생기는 G 신호 발생기 아래에 설치되며, 주로 2번 신호 로터, Ne 센서 코일 및 자성 헤드로 구성됩니다. 신호 로터는 센서 샤프트에 고정되어 있으며, 센서 샤프트는 가스 분배 캠축에 의해 구동됩니다. 샤프트 상단에는 로터 끝에 볼록한 톱니가 있으며, 로터에는 24개의 볼록한 톱니가 있습니다. 센서 코일과 자성 헤드는 센서 하우징에 고정되어 있으며, 자성 헤드는 센서 코일에 고정됩니다. 2) 속도 및 각도 신호 발생 원리 및 제어 과정: 엔진 크랭크축, 밸브 캠축 센서가 신호를 보내면 로터가 회전하고, 로터의 돌출된 톱니와 자성 헤드 사이의 공극이 교대로 변하며, 센서 코일의 자속이 교대로 변합니다. 자성 유도 센서의 작동 원리에 따라 센서 코일에는 교류 유도 기전력이 발생합니다. 신호 로터에 24개의 볼록한 톱니가 있기 때문에, 센서 코일은 로터가 한 바퀴 회전할 때 24개의 교류 신호를 생성합니다. 센서 샤프트가 한 바퀴 회전할 때(360°), 이는 엔진 크랭크축이 두 바퀴 회전할 때(720°)와 같습니다. 따라서 교류 신호(즉, 신호 주기)는 크랭크축이 30바퀴 회전하는 것과 같습니다(720° × 24 = 30). 이는 점화 헤드가 15바퀴 회전하는 것과 같습니다(30° × 2 = 15). ECU가 Ne 신호 발생기에서 24개의 신호를 수신하면 크랭크축이 두 바퀴 회전하고 점화 헤드가 한 바퀴 회전하는 것을 알 수 있습니다. ECU 내부 프로그램은 각 Ne 신호 주기의 시간에 따라 엔진 크랭크축 회전 속도와 점화 헤드 회전 속도를 계산하고 결정할 수 있습니다. 점화 진각과 연료 분사 진각을 정확하게 제어하기 위해, 각 신호 주기(30°)가 차지하는 크랭크축 각도는 더 작습니다. 마이크로컴퓨터를 사용하면 이 작업을 매우 편리하게 수행할 수 있으며, 주파수 분배기는 각 Ne(크랭크축 각도 30°)를 30개의 펄스 신호로 균등하게 나누고, 각 펄스 신호는 크랭크축 각도 1에 해당합니다(30° = 1). 만약 각 Ne 신호를 60개의 펄스 신호로 균등하게 나누면, 각 펄스 신호는 크랭크축 각도 0.5에 해당합니다(30° ÷ 60° = 0.5). 구체적인 설정은 각도 정밀도 요구 사항과 프로그램 설계에 따라 결정됩니다. 3) G 신호 발생기의 구조적 특징: G 신호 발생기는 피스톤 상사점(TDC) 위치를 감지하고, 어떤 실린더가 TDC 위치에 도달하려는지 등을 식별하는 데 사용되는 기준 신호입니다. 따라서 G 신호 발생기는 실린더 인식 및 상사점 신호 발생기 또는 기준 신호 발생기라고도 합니다. G 신호 발생기는 1번 신호 로터, 감지 코일 G1, G2 및 마그네틱 헤드 등. 신호 로터는 두 개의 플랜지를 가지고 있으며 센서 샤프트에 고정됩니다. 센서 코일 G1과 G2는 180도 떨어져 있습니다. 장착 시, G1 코일은 엔진 6번 실린더 압축 상사점(TDC)에 해당하는 신호를 생성합니다. G2 코일에서 생성되는 신호는 엔진 1번 실린더 압축 상사점 10초 전에 해당합니다. 4) 실린더 식별 및 상사점 신호 생성 원리 및 제어 과정: G 신호 발생기의 작동 원리는 Ne 신호 발생기와 동일합니다. 엔진 캠축이 센서 샤프트를 회전시키면 G 신호 로터(1번 신호 로터)의 플랜지가 감지 코일의 마그네틱 헤드를 교대로 통과하고, 로터 플랜지와 마그네틱 헤드 사이의 공극이 교대로 변하면서 교류 기전력 신호가 감지 코일 G1과 G2에 유도됩니다. G 신호 로터의 플랜지 부분이 감지 코일 G1의 자성 헤드에 가까워지면, 플랜지와 자성 헤드 사이의 공극이 줄어들어 자속이 증가하고 자속 변화율이 양수가 되므로 감지 코일 G1에 양의 펄스 신호(G1 신호)가 발생합니다. G 신호 로터의 플랜지 부분이 감지 코일 G2에 가까워지면, 플랜지와 자성 헤드 사이의 공극이 줄어들고 자속이 증가합니다.
