적절한 연료-산소 비율을 얻기 위한 전략

보다 엄격한 배출가스 기준을 충족하기 위해, 설계자는 적절한 연료-산소 비율을 얻기 위해 새로운 전략을 구사하고 있다. 이 글은 감시기와 워치독 타이머(WDT) IC가 이 프로세스에서 어떻게 도움이 되는지 살펴본다. 


자동차의 연료-산소 비율은 배기가스 독성뿐만 아니라 성능을 결정하기 때문에, 연료-산소비 조합을 제대로 구성하고 시간이 지나도 유지하는 일은 차량 설계자들에게 매우 중요하다. 적절한 조합을 위해서는 2개의 산소 센서와 연료 압력, 온도, 크랭크 속도(crank speed) 같은 기타 물리적 파라미터의 측정값이 필요하다. 이런 측정값은 지속적인 연료분사기의 듀티 사이클(duty cycle) 생성을 지원한다[그림 1].

[그림 1] PCM(파워트레인 제어 모듈)은 적절한 센서 및 시스템 데이터를 수집해 연료 분사기의 듀티 사이클을 제어한다.


특히, 연료-산소 조합을 올바르게 구성하기 위해 연료분사 시스템은 2개의 산소 센서가 필요하고, 각 센서는 엔진의 촉매 변환기 입출력 배기 산소 농도를 감지하게 된다. 차량 PCM은 다른 센서 데이터와 함께 산소 센서와 엔진으로부터 입력을 받아 엔진의 연료-산소비를 계산하고 동적으로 조정한다.

PCM 내부 마이크로컨트롤러와 파워트레인 센서 장치는 파워 레일과 실행 타이밍을 면밀히 모니터링하여 차량 상태를 점검하는 일종의 보험이 필요하다. 본 설계 솔루션을 통해 감시(supervisory), 워치독 타이머(Watchdog Timer, WDT) IC를 평가하고, 자동차 엔진이 안전하고 안정적이며 원활하게 동작하도록 돕는 엔지니어링 보조로서 이 IC의 기능을 설명한다.

적절한 연료-산소 조합이 필요한 이유

배출 규제가 강화됨에 따라 다양한 배출 제어 기술과 기법이 제시되고 있다. 배출 기준 충족에 도움이 되는 중요한 부품은 촉매정화장치(catalytic converter)다. 촉매정화장치는 내연기관의 유독가스와 오염물질을 독성이 적은 폐기물로 변환시킨다. 많은 변수 가운데 엔진 연소실의 연료-산소비는 차량 독성 제거력을 제어할 때 고려해야 할 가장 중요한 요소이다. 자동차 연소의 광화학 반응은 눈과 코를 자극하고 시야를 방해하는 많은 2차 오염물질을 발생시킨다.

부족한 연료-산소 조합은 운전자에게 거친 공회전, 엔진 출력 감소, 연료 효율 저하 등으로 나타날 수 있다. 반면, 조합이 지나치면 연비 감소, 느린 가속, 점화 플러그나 머플러 후면 파이프에 그을음이 생겨서 검게 되고, 차량이 공회전할 때 심한 휘발유 냄새가 날 수 있다. 연료-산소 조합이 아예 없다면 촉매정화장치의 오작동 가능성이 있고, 그 결과 차량의 일산화탄소(CO)와 휘발성유기화합물(VOC) 오염물질의 배출이 증가할 수 있다.

비중측정법(stoichiometry?화학량론)을 이용해 연소실의 연료-산소 비율을 수량화할 수 있다. 비중측정법은 물리적 변화나 화학적 반응을 겪는 두 개 이상의 물질 간 비율이나 정량적 관계를 연구한다. 자동차의 경우, 화학량적 공연비(air-fuel ratio, AFR)나 목표 범위(그림 2에서 파란선)는 화학적으로 완전한 연소 상태(0% 연료, 0% 산소, 최소 오염물질)와 가능한 가까운 정확한 연료량과 공기량을 가지고 있다.

가솔린 엔진의 화학량적 AFR는 14.7:1이다. 즉 연료가 1이면 공기가 14.7이라는 뜻이다. 알코올과 디젤 연료 엔진의 경우 화학량적 AFR는 각각 6.4:1, 14.5:1이다.
연료가 부족한 상황에서 자동차는 최상의 연비(그림 2에서 녹색선)로 동작하지만 배기관을 통해 배출되는 질소산화물(NOx)의 수치가 높다. 연료가 풍부한 경우, 자동차는 가장 높은 출력(그림 2에서 주황색 영역)으로 동작한다. 이처럼 출력이 증가하면 CO 및 VOC 오염물질 배출량이 증가한다.

완전한 연료분사

연료분사기, PCM, 점화 플러그, 2개의 산소 센서 및 촉매정화장치를 포함한 연료분사 시스템은 연소 과정 내내 연료-산소 조합을 감시 및 제어한다.

연료 분사 피드백 루프는 연료 분사 상황에 대한 펄스폭 알고리즘을 제어한다. 디지털 신호가 높으면 연료분사기는 연소실에 연료 전달을 시작한다. 디지털 신호가 낮으면 연료 분사기 전원이 꺼진다. 연료분사 시스템은 연료 효율 순항, 공회전 엔진, 급가속, 오르막 주행이나 트레일러 견인, 엔진이 차가울 때 연료 추가 등 충족해야 많은 조건이 있다. 

이처럼 다양한 조건에도 불구하고 안정적이고 최적의 엔진 가동을 유지하기 위해서는 엔진에서 100개 이상의 감지된 이벤트와 파라미터가 연료 분사 PCM 알고리즘에 기여해야 한다.

여기에는 공기 온도, 엔진 냉각수 온도, 기압, 스로틀 포지션(throttle position), 공기 흐름, 엔진 부하가 포함되어 있다. 그러나 이런 시스템에서 필수적인 정보는 산소 센서에서 나온다.

산소 센서의 프로브(probe)는 일반적으로 매니폴드(manifold)의 나사형 구멍 안에 고정되어 있다. 구형 차량의 경우 나사형 구멍은 촉매정화장치의 전단(업스트림)에 위치한다. 미국 규정을 준수하는 신형 차량은 촉매정화장치 전후에 산소 센서가 있다.

PCM의 펄스폭 신호에 따라 연료분사기의 가압 연료가 연소실로 분사된다. 연소실과 촉매정화장치 사이에 위치한 전단 산소 센서는 배기가스의 산소 농도를 처음으로 측정한다. 그리고 나서 이 배기가스는 많은 오염물질을 걸러내는 촉매정화장치를 통해 이동한다. 그런 다음 두 번째 산소 센서가 다시 산소 농도를 측정한다.
    
엔진제어장치(ECU)는 많은 룩업 테이블(lookup table)과 공식을 이용해 특정 가동 상황에 대한 펄스폭을 결정한다. 아래 방정식은 대부분 룩업 테이블에서 가져온 일련의 많은 인수를 서로 곱하는 식을 나타낸다. 아래 방정식 예는 3개의 인수를 사용하고 있지만, 실제 제어 시스템은 인수가 100개 이상일 수 있다.

펄스 폭 = (B_PW) x (A) x (B) x (C) --------------------- 방정식 1
여기서 B_PW = 기본 펄스폭
            A = 인수 A
            B = 인수 B
            C = 인수 C

이런 인수는 연료분사 시스템의 적절한 동작을 위해 중요하다. 하지만 연료분사 시스템의 적절한 기능 수행을 보증하기 위해 적용할 수 있는 보험이 있다. 상태 점검은 동력 수준이 적절한지, 마이크로컨트롤러의 계산된 값과 지시가 정확한 지를 검증한다. 전압 감시기와 WDT 조합은 차량의 수명 주기에 걸쳐 동력과 마이크로컨트롤러의 연산을 모니터링하고 확인함으로써 바로 이 보험과 같은 역할을 한다.

PCM 안정화 기법

자동차 시스템은 아날로그 및 디지털 회로에 전원을 공급하기 위해 여러 다양한 전압 레일이 요구된다. 몇몇 표준 레일 값은 1.2V, 1.8V, 2.5V, 3V이다. 예를 들어 MAX6746, MAX6747, MAX6748, MAX6749, MAX6750, MAX6751, MAX6752, MAX6753은 1.575V~5.0V 범위 내에서 약 100mV 단위로 증가하도록 공장에서 설정한 ±2%의 리셋 문턱 전압(threshold voltages)과 외부 저항을 사용해 조정 가능한 리셋 문턱 전압을 갖는다.

MAX6746–MAX6753의 저전압 마이크로프로세서(μP) 감시기 회로는 단일/이중 시스템 공급 전압을 모니터링하고 리셋과 감시 기능을 위해 외부 커패시터(콘덴서)의 조정 기능 타임아웃을 제공한다[그림 3].  
[그림 3]에서 RESET IN이 리셋 임계 값(공장 설정) 이하로 떨어지면, RESET 출력 핀이 접지로 내려가(접지가 되어) 전원 공급이 안전한 동작 값보다 낮음을 나타낸다. 이처럼 전원 공급 임계 값 이하로 하락하면 붙어있는 IC가 오작동을 일으킬 수 있다.

RESET 출력은 RESET IN이 리셋 임계 값 이상으로 상승한 이후 리셋 타임아웃 시간 동안 어서트(assert) 상태를 유지한다. 리셋 기능은 컨트롤러에 이러한 저전력 상황을 알린다[그림 4].
마이크로컨트롤러의 오작동이나 이탈(runaway)을 방지하기 위해 WDT는 특정 시간대에 마이크로컨트롤러부터 주기적 신호를 기대한다. 마이크로컨트롤러의 응답이 계속된다는 것은 컨트롤러가 정상 동작하고 있음을 의미한다[그림 5].
 [그림 5]에서 접지 SWT 핀의 커패시터 값은 WDI 핀에 대해 마이크로컨트롤러 펄스 간 최대 타임아웃 시간(t_WD)을 결정한다. 마이크로컨트롤러가 펄스를 놓치면 WDT 알고리즘이 리셋 통보를 한다. 누락된 마이크로컨트롤러 펄스는 마이크로컨트롤러의 오작동을 나타낸다. 접지 SRT 핀의 커패시터는 리셋 타임아웃 시간(t_RP)을 결정한다. RESET 핀은 마이크로컨트롤러가 WDI 핀에 유효 전이(transition)를 전송할 때까지 통보 상태를 유지한다.


전압과 실행 모니터링은 연료분사 프로세스를 포함해 모든 자동차 전자장치에 대한 기능안전 측면에서 중요한 역할을 담당한다. 차량의 연료분사 피드백 루프에서 산소 센서 측정값 및 100개 이상의 다른 데이터 양을 PCM 계산에 조합해 최적의 배출 조건을 실행한다. 모든 자동차 시스템 상에서 감시기와 WDT를 포함시켜 이용하는 보험은 회로의 신뢰성과 안정성을 보호하고, 이에 따라 자동차가 계속 도로를 달릴 수 있게 한다. □

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