전자제어 엔진(1)

저자 소개
김민복 교수는 현대전자(주) 자동차 전장품 생산기술 과장을 거쳐 현대자동차 자동차 품질조사 고객지원 팀장을 역임했다. 그후 현대자동차 정비기술지원 하이테크팀에서 근무했으며, 현재 신흥대학교 자동차과 겸임 교수 겸 e-자동차 전기 연구원으로 활동하고 있다. 주요 저서로는 ‘최신 자동차 전기, 전자 제어 엔진’ 외 다수가 있다.
 

연재순서 1. 자동차의 전장품 분류  2. 시동장치 3. 충전장치  4. 점화장치 5. 등화장치  6. 계기장치 7. 자동차용 전선, 커넥터  8. 전자 제어 엔진(1) 9. 전자 제어 엔진(2)  10. 전자 제어 섀시(1) 11. 전자 제어 섀시(2)  12. 전자 제어 전기

전자제어 엔진의 도입 배경

탄화수소(HC)의 화합물인 화석연료를 이용해 동력을 발생시키는 기관들은 연소의 산화작용으로 인해 다양한 배출가스를 대기로 내보내게 된다. 이때 필연적으로 HC와 O₂에 의한 부산물이 배출되는데, 가솔린엔진에서는 연소 환경과 과정에 따라 CO₂와 CO, H₂O와 HC, 질소산화물(NOx)과 N₂ 등이 발생한다. 디젤엔진은 CO, HC, NOx와 입자상물질(Particulate Matter, PM) 등의 화합물을 배출한다. 배출되는 유해 배출가스의 성분은 연료와 산소의 혼합비, 연소 환경, 연소 조건에 따라 큰 차이를 나타낸다.

현재 자동차 제조사들은 엄격한 배기가스 규제에 만족하는 차량 제조에 나서야만 한다. 지구온난화 규제 및 방지 국제협약인 기후변화 협약의 구체적 이행서인 교토의정서가 1997년 12월 채택됨에 따라 선진국(의무 이행 대상국)들은 CO₂ 배출량을 2008~2012년까지 1990년대 당시 수준 대비 평균 5.2% 감축해야 하는 현실에 놓여 있다. 최근에는 유가가 급상승하며 저연비 차량 개발 요구는 더욱 거세지고 있다.

이같은 이유로 자동차의 엔진 성능 향상에서 전자제어를 통한 효율 극대화 노력이 갈수록 강화되고 있다. 기본적으로 화석연료를 사용하는 엔진은 도로의 조건이나 운전 조건에 따라 공연비를 결정하고 점화해 연소하는 과정을 거쳐 엔진 출력과 토크를 얻는다. 다양한 주행 조건에 대응되는 공기와 연료의 적정 혼합비를 결정하고 점화시기를 제어해 효율성을 높여야 되는데, 이같은 시스템 구현은 복잡한 기계적 구조 개선만으로는 한계가 있다. 또 엔진의 정숙성, 진동, 안전성 등의 다양한 성능개선이 요구되고 있어 컴퓨터를 도입한 전자제어 엔진이 필연적이 되고 있다. 자동차의 전자제어 엔진 발전은 마이크로컴퓨터의 개발시기와 맥을 같이하며 1980년 초부터 본격적인 진화에 들어갔다.

전자제어 엔진의 분류

초기의 연료분사 방식은 액체 연료를 공기와 혼합해 무화시키는 카브레터(carbureator: 기화기)를 이용한 기계식 방식이 주류였다. 카브레터 방식은 연료 기화 문제로 항공기와 같이 360˚ 선회 주행하는 것이 불가능했고, 엔진 부하에 따라 연료분사량을 정밀하게 제어하는 데에 기계적 한계가 있었다. 이에 따라 항공기와 같이 인젝터(injector) 노즐을 통해 연료를 분사하는 자동차 연료분사 시스템이 1957년 미국의 벤딕스 사에 의해 처음 개발됐다. 당시 연료분사 시스템은 분사 노즐 압력이 일정압 이상 되면 밸브가 열려 분사하는 기계적 방식(K-Jetronic)이었다. 그러나 1972년 인텔이 8-bit 마이크로컴퓨터를 개발하며 전자제어 연료분사 시스템이 적용되기 시작했다.

전자제어 연료분사 방식의 구분은 인젝터의 분사 위치와 분사 수에 따라 SPI(Single Point Injection), MPI(Multi Point Injection), GDI(Gasoline Direct Injection) 방식으로 구분한다. SPI 방식은 흡기 포트 가까이의 인젝터 노즐 하나를 통해 분사하는 방식으로 구조가 간단하고 제어하기 쉬운 이점이 있으나, 각 실린더(cylinder)에 연료를 균일하게 분사할 수 없는 결점으로 현재는 거의 사용되지 않고 있다. MPI 방식은 각 실린더 별로 인젝터 노즐이 설치돼 연료를 분사하는 방식으로 연료의 균질 분사가 가능해 현재 주종을 이루고 있다. GDI 방식은 연료의 혼합 효율을 향상시키기 위해 연료를 실린더에 직접 분사해 연소실에 혼합비를 조절하는 방식이다.

일반적으로 인젝터를 이용해 연료를 분사하는 방식 분류는 표 1과 같이 크게 기계식과 전자제어식으로 구분한다. 기계식 연료분사 방식은 전자제어식과 달리 유해 배출가스 억제를 위한 제어 기능이 제한적이다.

기계식 분사 방식 중 D-Jetronic은 Druk Menge Messer System의 약어로 보쉬가 가솔린엔진 초기에 채택한 방식이다. 이 방식은 엔진 회전수와 흡기관 압력을 이용해 공연비를 제어하는 방식을 채택해 오다, 이후 개량된 기계식 간접 분사방식인 K-Jetronic을 개발해 적용했다.
L-Jetronic은 Luft Menge Messer System의 약어로 흡입공기량을 직접 계측해 연료를 분사하는 방식이다. 공기 유량을 간접 계측해 연료를 분사하는 D-Jetronic 시스템에 비해 연료의 정밀 분사가 가능하다. 그러나 이들 기계식 연료분사 방식은 정확한 공기 유량 검출과 공연비 피드백 기능 등을 지니지 못해 엄격한 배기가스 규제 정책에 대응하는 데에는 한계가 있다.

현재와 같은 자동차 엔진들의 연료 혼합비 제어방식은 컴퓨터를 이용한 전자제어식 연료분사 방식이 아니면 불가능하다. 전자제어식은 연료 혼합비를 제어하기 위해 엔진 회전수와 공기 유량 검출을 통해 연료분사를 결정하는데, 이때 공기 유량 검출 방식에 따라 그림 1의 D-Jetronic 방식과 그림 3의 L-Jetronic 방식으로 구분한다.

D-Jetronic 방식은 흡기관 내의 압력이 엔진 1회전 당 실린더 내에 흡입되는 공기와 비례하는 것을 토대로 흡기관 압력을 검출하는 방식이다. 흡기관의 부압과 엔진 회전수에 따라 연료의 기본 분사량이 결정된다. 이에 반해 L-Jetronic 방식은 그림 2와 그림 3과 같이 흡기관을 통해 흐르는 공기 유량을 직접 검출하는 방식으로 흡입공기의 유량과 엔진 회전수에 따라 연료의 기본 분사량을 결정한다.

D-Jetronic 방식은 스로틀 밸브(throttle valve) 후단에 흡기관 압력을 검출하는 압력센서를 설치해 흡기관 압력을 검출하는 방식으로 흡기 효율이 뛰어나다. 반면 L-Jetronic 방식은 스로틀 밸브 전단에 공기 유량을 검출하는 센서를 설치하기 때문에 흡기 효율이 떨어진다.

D-Jetronic 방식은 스로틀 밸브 전개 시 흡기관 압력은 대기압과 같이 상승하고, 스로틀 밸브 전폐(全閉) 시 흡기관 압력은 부압이 크게 걸린 상태가 되어 크게 낮아진다. 흡기관 압력이 낮아지면 실린더로 1회 흡입되는 공기량도 줄어들어 실제 흡입되는 공기량과 흡기관 내 압력과의 관계는 엔진 회전수에 따라 차이가 발생한다. D-Jetronic 방식은 이와 같은 차이를 감소시키기 위해 별도의 보정을 필요로 한다.

이에 반해 L-Jetronic 방식은 흡입공기 유량을 직접 검출하는 방식으로 공기 유량 검출에는 정확성을 갖고 있지만 흡입 효율이 떨어지는 단점이 있다. 초기에는 그림 2와 같이 베인형(vane type)을 사용한 플래퍼(flapper) 방식으로 흡입공기 유량에 따라 베인이 좌우로 회전해 회전축을 통해 공기 유량을 검출했으나, 부피가 크고 기계적 내구성이 떨어지는 등의 문제로 현재는 거의 사용되지 않고 있다.

이에 반해 칼만 와류(Karman vortax)를 이용한 AFS(Air Flow Sensor)는 흡입되는 공기 통로에 와류 발생 기둥을 세워 유속에 따라 규칙적으로 발생되는 와류를 검출한다. 베인을 이용한 플래퍼 방식에 비해 흡입공기 저항이 낮고 부피가 작다. 그러나 흡기 온도 변화에 따른 공기 밀도 변화에 대해서는 별도 보완책이 필요하다. 이에 따라 온도에 따른 흡입공기 밀도를 감안해 흡입공기 유량을 직접 검출하는 핫-와이어(hot wire), AFS 및 핫-필름(hot film) AFS가 이용되고 있다.

시스템 구성

전자제어 엔진 시스템은 기본적으로 그림 4와 같이 연료장치와 점화장치, 흡기장치와 제어장치로 구성된다. 연료장치에는 연료를 공급하는 연료펌프에서부터 연료를 분사하는 인젝터에 이르는 주변장치와 증발가스를 흡착하기 위한 퍼지가 있다. 점화장치는 공급된 연료와 흡입된 혼합 가스를 점화하기 위한 고압 회로로 구성되어 있다. 흡기장치는 에어 클리너(air cleaner)에서부터 AFS, 스로틀 밸브, 그리고 서지 탱크를 거쳐 흡기 포트에 이르는 주변장치로 구성된다. 제어장치에는 이들 구성장치들에 전원을 공급하기 위한 전원공급 장치와 각각의 구성장치들의 목표 설정치를 제어하는 ECU로 구성된다.

연료장치
연료장치의 구성 중 연료공급 장치는 그림 5와 같이 연료 탱크로부터 인젝터 노즐까지 인데, 일반적으로 연료 탱크, 연료 펌프, 연료 필터, 연료 압력 레귤레이터 및 인젝터로 구성된다. 엔진 회전 시 공급된 연료 펌프 모터의 전원은 펌프 모터를 공급하고, 연료 펌프 모터로부터 토출된 연료는 약 4 kg/cm2 정도의 가압된 압력으로 연료 라인을 통해 연료 필터를 거쳐 수분과 슬러지(sludge)를 걸러 연료 압력 레귤레이터로 보내진다. 이렇게 보내진 연료는 연료 라인 내에 설치된 압력 레귤레이터를 통해 규정압이 유지되도록 조절된다.

연료 압력 레귤레이터 내부에는 토출된 압력을 흡수할 수 있는 다이어프램(diaphragm)과 스프링(spring)이 내장돼 있어 연료 라인 내 맥동을 흡수하고 일정압을 유지할 수 있게 한다. 연료 라인에 압력차에 의해 연료분사량이 변화하는 것을 방지하기 위해 스프링 정수와 흡기관의 차압을 이용해, 인젝터로 공급되는 라인 내 압력을 약 3.0 kg/cm² 정도로 유지할 수 있도록 하고 있다. 이렇게 유지된 연료 압력에 따라 인젝터를 통해 목표 연료분사량을 분사하게 된다.

인젝터 구조는 그림 6과 같이 공급 전압에 의해 플런저(plunger)가 상하로 이동하는 솔레노이드 밸브와 플런저의 이동에 따른 니들 밸브(niddle valve) 개폐 기구로 되어 있다. 공급 전압, 즉 분사 펄스 시간분 만큼 전류가 흐르면 플런저는 니들 밸브를 열고, 니들 밸브가 열린 만큼 가압되어 있던 연료가 분사된다.

연료장치 중 퍼지 컨트롤 제어장치는 실린더 케이스 내에 증발 가스의 외부 유출을 방지하는 퍼지 솔레노이드 밸브(Purge Solenoid Valve)와 차콜 캐니스터(Charcoal Canisters)로 구성된다. 이 장치는 연료 탱크로부터 증발된 가스가 방출되지 않도록 차콜 캐니스터로부터 포집하고 있다가 엔진이 퍼지 조건이 되면 퍼지 솔레노이드 밸브를 작동시켜 흡기관을 통해 재연소되도록 한다. 이밖에 연료장치에는 유사 시 화재사고를 예방하기 위한 연료 차단 장치 등이 포함된다. <끝>

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