노크센서(knock sensor)는 자동차 엔진의 노킹을 검출하는 센서이다. 노크센서는 엔진 내부의 실린더 블록에 설치되며, 노킹을 감지하여 ECU로 신호를 보내어 점화 시기를 제어하며 노킹을 억제시키는 역할을 하는 부품이다.
노크센서를 장착한 엔진에서는 노킹이 일어나면 노크 센서에서 그것을 감지하고 이 신호를 받아서 배전기의 지각 제어를 함으로써 노킹을 피해 간다. 노크센서는 압전 소자를 사용하고, 엔진 진동의 크기를 전기 신호(전압)로 변환하는 것이다. 과급기(터보차저, 슈퍼차저) 부착 엔진 및 무연 프리미엄 가솔린 사양의 엔진에 장착되어 있다.
검출 특성으로서는 노킹 주파수에 센서 자신이 공진 특성을 갖는 공진형과 주파수에 대해서 평탄한 검출 감도를 보이는 비공진형이 있다.
강자성체(强磁性體, 니켈과 철의 합금)의 코어와 코일 및 영구 자석에 의해서 구성되어 진동을 받으면 그림의 부에 진동이 전해지고 휘어지는 데 따라 사이에 끼어 있는 코어에 힘이 가해지기 때문에 내부 비틀림을 받게 되어 자속이 변화해서 미리 노킹 발생 시의 진동 주파수에 맞추어 놓은 공진점에서 급격한 전압이 발생한다. 엔진은 끊임없이 진동하고 있지만, 노킹 발생 시의 진동 주파수는 6∼8kHz이기 때문에 센서에는 약 7kHz의 공진점이 주어져 있다.
노킹센서라고도 한다.
작동원리[편집]
노크센서는 압전소자를 이용한 센서로 진동에 의해 전압이 발생하는 원리를 이용한 것이다. 엔진의 내부에서 노킹, 조기 점화와 같은 이상연소가 발생할 때 전압이 심하게 변하는 원리를 이용한 것이다.
노크센서는 보통 직렬형 엔진의 경우 1개가 있고 V형 엔진에서는 각 뱅크당 1개씩 2개가 사용된다. 장착되는 위치는 진동을 가장 잘 감지할 수 있는 엔진 블록의 중앙부에 설치가 되고 있다.
노킹의 발생 시 높은 신호가 나오는 구간이 크랭크 각 신호의 몇 번째에 해당하는 가를 보고 어떤 기통에서 노크가 발생했는지를 판별하게 된다. 만약 여러 진동에 의해서 노크센서의 신호 전압이 복합적으로 변하게 되면 이를 방지 해야 하는데 이때는 노킹 발생시의 주파수인 8~16킬로 헤르쯔만을 받아 들여 분석을 한다.
센서의 감지[편집]
노크센서는 진동이 생길때 그 진동의 크기에 따라 전압이 나타나는데 노킹에 의한 진동의 변화가 매우 빠르기 때문에 실제 나오는 전압도 심하게 높았다 낮았다 한다. 그래서 ECU는 이런 신호를 자세히 알기 위해 최대한 빠른 속도로 신호를 검출해야 하므로 노킹에 해당하는 주파수만 받아들이도록 되어 있다.
센서의 장착[편집]
센서부에서 진동을 확실하게 감지하기 위해서는 반드시 규정된 토크로 장착을 해야 한다. 장착할 때의 조임 토크가 변하면 센서부의 감지 신호가 달라질 수 있다. 보통 2kg,m 로 조여준다. 또한 센서와 센서가 장착되는 부위에는 완충이 되는 이 물질이 들어가지 않게 조심해야 한다.
노크제어[편집]
엔진의 노크경향은 연소실의 형상, 연소실의 퇴적물, 혼합기의 구성, 흡기매니폴드의 형상, 연료의 품질, 공기밀도, 엔진의 온도 등에 따라 변화한다. 하지만 엔진의 노크는 무엇보다도 점화시기와 밀접한 관계를 가지고 있다. 그리고 엔진의 최대토크를 발생시키는 점화시기는 노크가 발생되기 시작하는 점화시기 근처에 있다. 이것을 노크한계(Knock limit)라고 말한다.
노크제어를 하지 않을 경우에는 이 여유를 확보하기 위해서 최대토크를 발생시키는 점화시기보다 훨씬 늦은 점화시기를 선택해야만 한다. 그러면 엔진에서 생성되는 토크는 그만큼 낮아지게 된다. 노크한계를 노크센서로 검출하여 노크한계 직전까지 점화시기를 최대로 진각시키면 엔진의 출력은 증대되고 동시에 노크에 의한 손상을 방지할 수도 있다.
아래 그림은 점화시기에 따른 실린더 압력을 나타낸 그래프이다. 점화시기를 너무 진각(Advance)시킬 경우 노크가 발생하고, 너무 지각(Reatard)시키면 폭발압력(출력)이 낮아짐을 알 수 있다.
노크센서의 구조 및 기능[편집]
노크센서는 일종의 압전소자이며, 실린더 내의 노크를 감지할 수 있는 위치 즉, 실린더와 실린더 사이의 외벽에 설치된다. 4기통 엔진에서 1개만 설치할 때는 2번과 3번 실린더 사이에, 2개를 설치할 경우에는 1번과 2번, 3번과 4번 사이에 각각 설치한다.
노크센서의 구조는 아래와 같다.
노크연소가 발생하면 실린더블록(7)은 특정 주파수 범위(5~16㎑)로 진동하게 된다. 이 진동에 의해 피에조 세라믹 소자(3)에는 충격적인 압력이 작용한다. 이로 인하여 노크센서는 전압을 발생시키고 이 전압은 ECU로 전송된다. ECU는 이 전압이 일정 수준을 초과하면 노크연소로 판정하게 되는 것이다.
노크센서는 아래 그림과 같이 실린더 내에서의 압력 변동(a)을 전압신호(c)로 변환시킨다. 이 전압신호(c)는 다시 노크연소와 상관없는 진동에 대한 신호를 필터링하여 다시 파형(b)의 형태로 ECU에 전달된다.
노크연소가 발생되면 제어회로는 점화시기를 일정 수준 지각시킨다. 그래도 계속해서 노크가 발생하면 다시 일정 수준을 더 지각시킨다. 이 과정은 노크가 더 이상 발생하지 않을 때까지 계속 반복된다. 노크연소가 더 이상 발생되지 않으면 점화시기를 단계적으로 조금씩 진각시켜 원래의 고유 점화시기 특성도로 되돌아간다. 다시 노크연소가 발생하면 위의 과정을 반복하여 제어하게 된다.
노크연소가 항상 반복되는 것으로 판정될 경우 ECU에 내장된 제2의 점화시기 특성도로 절환하여 제어하는 형식도 있다. 예를들어 점화특성도가 고급 무연휘발유를 기준으로 작성된 경우에 보통 무연휘발유를 사용할 경우에는 노크제어 기능이 정상적으로 작동해도 노크가 발생할수 있다. 이 경우, 노크 빈도가 규정값을 초과하면 자동적으로 제2의 점화시기 특성도가 사용되게 된다. 그러나 이렇게 절환되어 제어 할 경우 연료소비율이 증가하고 출력은 저하된다. 또, 시스템의 고장이 감지되면 비상운전특성으로 절환되어 점화시기는 어떠한 경우에도 노크를 발생시키지 않을 정도로 지각된다.
전자제어 점화장치가 도입되면서 노크연소가 발생하는 특정 실린더의 점화시기만을 선택적으로 지각시킬 수 있게 되었다. 노크센서의 노크신호와 캠앵글센서의 상사점신호를 통해 각 실린더의 점화시기를 확인할 수 있는 것은 물론 선택적으로 점화시기의 제어가 가능하게 된 것이다. 따라서 일괄적으로 점화화시기를 지각시키므로서 발생했던 엔진의 출력 손실을 어느 정도 방지할 수 있게 되었다.
동영상[편집]
참고자료[편집]
같이 보기[편집]
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