엔진 크랭크각 센서의 자속 밀도(B) 변화가 ECU 입력 신호 지터(Jitter)에 미치는 영향
엔진 크랭크각 센서의 자속 밀도(B)가 변화할 경우, ECU 입력 신호에 발생하는 지터(Jitter)가 어떤 방식으로 증가하는지에 대한 관심이 업계에서 꾸준히 이어지고 있다.
크랭크각 센서는 엔진 회전 정보를 가장 먼저, 가장 직접적으로 ECU에 전달하는 핵심 센서로, 점화 시기와 연료 분사 타이밍을 결정하는 기준 신호 역할을 수행한다.
최근 엔진 경량화 및 고회전화가 진행되면서 센서의 자속 밀도 변화가 신호 품질에 미치는 영향은 더욱 민감한 이슈로 떠오르고 있으며, 실제 차량 제어 안정성에도 직결되는 문제로 평가된다.
목차
- 크랭크각 센서의 기본 구조와 자속 밀도 특성
- 자속 밀도 감소 시 나타나는 신호 왜곡 현상
- 지터(Jitter) 증가와 ECU 제어 불안정 메커니즘
- 고회전 환경에서 두드러지는 지터 확대 패턴
- 제조 및 설계 단계에서의 대응 방안
크랭크각 센서의 기본 구조와 자속 밀도 특성
크랭크각 센서는 주로 할(Hall) 센서 또는 자기유도 방식으로 제작되며,
크랭크샤프트에 부착된 톤휠(Tone Wheel)의 치와 간극을 감지하여 위치 신호를 생성한다.
이 과정에서 자속 밀도(B)는 센서 출력 신호의 기초가 되는 핵심 물리량으로,
자속 밀도가 충분히 확보되지 않으면 센서가 크랭크 회전의 미세한 변화를 정확히 추종하기 어렵다.
자속 밀도는 센서 자석 세기, 간극(Air Gap), 톤휠 재질, 회전 속도 등 다양한 요인에 의해 달라지며,
특히 엔진 진동이나 열 팽창 환경에서는 간극 변화로 인해 자속 밀도가 실시간으로 변동하는 경우가 많다.
자속 밀도 감소 시 나타나는 신호 왜곡 현상
자속 밀도가 기준 이하로 내려가면 센서 출력 신호의 파형 품질이 먼저 악화된다.
신호 진폭이 낮아지고, 톤휠 치·홈에 따른 펄스 차이가 흐릿해지며,
특히 치 끝부분에서 급격히 변화해야 할 신호의 상승·하강 시간이 지연되는 현상이 발생한다.
이러한 변화는 ECU가 기준 회전각을 계산하는데 필요한 파형 구분을 어렵게 만들고,
결과적으로 ‘정확한 크랭크 위치를 판단하기 위한 기준점’이 불분명해지기 때문에
시간축 기준의 미세한 오차가 누적되기 시작한다.
지터(Jitter) 증가와 ECU 제어 불안정 메커니즘
지터(Jitter)는 신호가 들어오는 시점이 기대값에서 벗어나는 시간적 변동을 의미한다.
자속 밀도의 변화는 펄스 시간축 불규칙을 직접적으로 만들며,
센서 출력 신호가 ECU에 도달하는 시점이 일정하지 않게 되는 것이 지터 증가의 핵심 원인이다.
크랭크각 센서에서 지터 발생 시 나타나는 주요 제어 문제는 다음과 같다.
- 점화 타이밍 변동 확대
- 연료 분사 시점의 미세한 흔들림
- 고회전 환경에서 노킹 감지 능력 저하
- 아이들링 시 회전 안정성 악화
이러한 변동은 ECU가 정상적인 맵 기반 제어를 수행하더라도 입력 신호의 불안정으로 인해
엔진 전체가 ‘부정확한 기준’을 바탕으로 동작하게 되는 문제로 이어진다.
고회전 환경에서 두드러지는 지터 확대 패턴
고회전 환경에서는 동일한 자속 변화라도 지터가 훨씬 크게 확대된다.
회전각이 같은 시간 안에 급격히 변하기 때문에,
센서 신호가 수 μs 단위로만 흔들려도 ECU가 인식하는 회전각 오차는 크게 증가한다.
또한 고회전 시에는 톤휠 치가 빠르게 지나가면서
- 신호 파형의 빈틈
- 상승·하강 시간 지연
- 진폭 저하
등의 문제가 누적적으로 나타나 지터가 기하급수적으로 커지는 패턴을 보인다.
실차 테스트에서도 고회전 5,000rpm 이상 구간부터 지터 증가가 뚜렷해지는 경향이 관측되었다.
제조 및 설계 단계에서의 대응 방안
크랭크각 센서 지터 문제를 최소화하기 위해 제조사와 연구기관은 다음과 같은 설계 방안을 적용하고 있다.
- 자속 밀도 유지형 자석 재질 적용
고온에서도 자속 감소가 적은 희토류 기반 자석 사용이 증가하고 있다. - 센서·톤휠 간 공차(간극) 관리 강화
간극 균일성을 높이면 자속 밀도 편차를 최소화할 수 있다. - 신호 필터링 알고리즘 향상
ECU 내부에서 신호 처리 필터를 개선하여 지터 영향 최소화 - 톤휠 형상 최적화
치 끝단 각도, 홈 깊이 등을 조정해 안정적인 펄스 폭 확보 - 저잡음 전원공급 설계
센서 신호의 미세 노이즈를 줄여 지터를 더 정확히 제어할 수 있다.
마무리
크랭크각 센서의 자속 밀도 변화는 ECU 입력 신호 지터에 직접적인 영향을 주며,
이는 엔진 점화·분사 제어의 기반이 흔들릴 수 있는 중요한 요인으로 평가된다.
고회전 엔진이 증가하는 현대 차량 환경에서는 자속 밀도 유지와 공차 관리,
그리고 ECU의 정교한 신호처리 알고리즘이 필수 요소로 자리 잡고 있다.
결국 자속 밀도의 미세한 변화도 엔진 제어 안정성에 큰 차이를 만들 수 있다는 점에서
향후 관련 기술의 중요성은 더욱 커질 것으로 보인다.