자동차 공기 유량계란 무엇인가요?
공기 유량 센서(공기 유량계라고도 함)는 전자식 연료 분사 엔진에서 중요한 센서 중 하나입니다. 흡입된 공기 흐름을 전기 신호로 변환하여 전자 제어 장치(ECU)로 전송하는데, 이 신호는 연료 분사량을 결정하는 기본 신호 중 하나이며, 엔진으로 흡입되는 공기 흐름을 측정하는 센서 역할도 합니다.
전자 제어식 연료 분사 장치에서 엔진으로 흡입되는 공기량을 측정하는 센서, 즉 공기 유량 센서는 시스템의 제어 정확도를 결정하는 중요한 구성 요소 중 하나입니다. 엔진으로 흡입되는 공기와 연료 혼합물의 공기-연료비(A/F) 제어 정확도가 ±1.0으로 규정될 때, 시스템의 허용 오차는 ±6%~7%입니다. 이 허용 오차를 시스템의 각 구성 요소에 분산시키면 공기 유량 센서의 허용 오차는 ±2%~3%가 됩니다.
가솔린 엔진의 최대 흡기 유량 대 최소 흡기 유량 비율(max/min)은 자연흡기 시스템에서 40~50, 터보차저 시스템에서 60~70입니다. 이 범위 내에서 공기 유량 센서는 ±2~3%의 측정 정확도를 유지할 수 있어야 합니다. 전자 제어식 연료 분사 장치에 사용되는 공기 유량 센서는 넓은 측정 범위에서 측정 정확도를 유지할 뿐만 아니라, 우수한 측정 응답성을 갖추고, 맥동하는 공기 유량도 측정할 수 있어야 하며, 출력 신호 처리가 간단해야 합니다.
공기 유량 센서의 특성에 따라 연료 제어 시스템은 흡기량을 직접 측정하는 L형 제어와 흡기량 측정 방식에 따라 간접적으로 측정하는 D형 제어로 분류됩니다. 흡기량은 흡기 매니폴드의 부압과 엔진 회전수를 이용하여 간접적으로 측정합니다. D형 제어 모드에서는 마이크로컴퓨터 ROM에 엔진 회전수와 흡기 파이프 내압을 매개변수로 하여 다양한 작동 상태에서의 흡기량을 미리 저장합니다. 각 작동 상태에서 측정된 흡기 압력과 회전수, 그리고 ROM에 저장된 흡기량을 참조하여 마이크로컴퓨터는 연료 소비량을 계산할 수 있습니다. L형 제어에 사용되는 공기 유량계는 기본적으로 일반 산업용 유량 센서와 동일합니다. 하지만 자동차의 가혹한 환경에 적응할 수 있을 뿐만 아니라, 가속 페달을 밟을 때 발생하는 급격한 유량 변화에 대응하고 센서 전후의 흡기 매니폴드 형상으로 인해 발생하는 불규칙한 공기 흐름을 고정밀로 감지해야 하는 요구 사항을 충족해야 합니다.
초기의 전자식 연료 분사 제어 시스템은 마이크로컴퓨터를 사용하지 않았습니다. 대신 아날로그 회로를 사용했습니다. 당시에는 밸브식 공기 흐름 센서가 사용되었지만, 연료 분사 제어에 마이크로컴퓨터가 적용되면서 여러 종류의 공기 흐름 센서가 등장했습니다.
밸브형 공기 유량 센서의 구조.
밸브형 공기 유량 센서는 가솔린 엔진의 에어 필터와 스로틀 밸브 사이에 설치됩니다. 이 센서는 엔진으로 흡입되는 공기량을 감지하고, 감지 결과를 전기 신호로 변환하여 마이크로컴퓨터에 입력하는 역할을 합니다. 이 센서는 공기 유량계와 전위차계 두 부분으로 구성됩니다.
먼저, 공기 유량 센서의 작동 원리를 살펴보겠습니다. 에어 필터를 통해 흡입된 공기는 밸브 쪽으로 흐릅니다. 밸브는 흡입량과 복귀 스프링의 장력이 균형을 이루는 위치에서 멈춥니다. 즉, 밸브의 개방 정도는 흡입량에 비례합니다. 밸브의 회전축에는 가변저항기가 설치되어 있습니다. 가변저항기의 슬라이딩 암은 밸브의 회전과 동기적으로 회전합니다. 슬라이딩 저항에 의한 전압 강하를 이용하여 측정판의 개방 정도를 전기 신호로 변환하고, 이 신호를 제어 회로에 입력합니다.
카만 와류 공기 흐름 센서
밸브형 유량 센서의 단점, 즉 측정 정확도를 유지하면서 측정 범위를 확장하고 슬라이딩 접점을 제거하기 위해 소형 경량 유량 센서인 카르만 와류 유량 센서가 개발되었습니다. 카르만 와류는 물리적 현상이며, 와류 검출 방식이나 전자 제어 회로는 검출 정확도에 전혀 영향을 미치지 않습니다. 검출 정확도는 공기 통로의 면적과 와류 발생 기둥의 크기 변화에 의해 결정됩니다. 또한, 이 센서의 출력은 전자 신호(주파수)이므로 시스템 제어 회로에 신호를 입력할 때 AD 변환기를 생략할 수 있습니다. 따라서 카르만 와류 유량 센서는 본질적으로 마이크로컴퓨터 처리에 적합한 신호를 출력합니다. 이 센서는 높은 측정 정확도, 선형 신호 출력 능력, 간단한 신호 처리라는 세 가지 장점을 가지고 있으며, 장기간 사용 후에도 성능 변화가 없습니다. 체적 유량을 검출하는 센서이므로 온도 및 대기압 보정이 필요하지 않습니다.
카르만 와류가 발생하면 속도와 압력 변화에 따라 형태가 변합니다. 유량 감지의 기본 원리는 이러한 와류 내부의 속도 변화를 이용하는 것입니다. 신호는 사각파 형태의 디지털 신호입니다. 흡입량이 많을수록 카르만 와류의 주파수가 높아지고, 공기 유량 센서의 출력 신호 주파수도 높아집니다.
온도 및 압력 보상형 공기 유량 센서는 가스, 액체, 증기 등 산업용 파이프라인에서 다양한 유체의 유량 측정에 주로 사용됩니다. 낮은 압력 손실, 넓은 측정 범위, 높은 정밀도 등의 특징을 가지며, 작동 조건에서 유체 밀도, 압력, 온도, 점도 등의 변수에 거의 영향을 받지 않고 체적 유량을 측정합니다. 움직이는 기계 부품이 없어 신뢰성이 높고 유지 보수가 거의 필요하지 않습니다. 또한, 계측기 매개변수는 장기간 안정적으로 유지됩니다. 이 센서는 신뢰성이 높은 압전 응력 센서를 채택하여 -10℃ ~ +300℃의 작동 온도 범위에서 작동 가능합니다. 아날로그 표준 신호와 디지털 펄스 신호 출력을 모두 제공하여 컴퓨터 등의 디지털 시스템과의 연동이 용이합니다. 비교적 발전된 이상적인 유량 측정 장비입니다.
공기 유량 센서의 가장 큰 장점은 측정 대상 매체의 물리적 특성에 영향을 받지 않는 계측 계수를 가지며, 하나의 대표적인 매체에서 다른 매체로 적용 범위를 확장할 수 있다는 점입니다. 그러나 액체와 기체의 유량 범위가 크게 다르기 때문에 주파수 범위 또한 매우 다양합니다. 와류열 신호 처리를 위한 증폭기 회로에서 필터의 통과 대역이 다르고, 회로 파라미터 또한 다릅니다. 따라서 동일한 회로 파라미터를 사용하여 서로 다른 계면을 측정할 수 없습니다.
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