[펀글] 현대 자동차 전자제어 엔진의 출력요소

현대 자동차 전자제어 엔진의 출력요소

1. 인젝터
인젝터(Injector)란 연료를 분사하는 장치라는 것은 여러분들도 잘 알고 있을 것이다. 연료 분사량은 흡입된 공기량과 엔진의 운전 조건에 따라 ECU에서 미리 산정된 인젝터의 구동시간에 의해 결정되며 연료 탱크로부터 필터를 경유하여 엔진까지 지속적으로 연료를 공급하는 전기 연료 펌프를 필요로 한다. 이 연료 펌프는 주로 연료 탱크에 내장되어 연료에 의해 냉각되도록 되어 있다. 인젝터는 흡기 매니폴드의 딜리버리 파이프에 장착되어 있으며 인젝터의 연료 분사압력을 일정하게 유지하기 위해 압력 조절 밸브가 장착되어 있다. 연료 라인은 전체적인 압력을 일정하게 조정하기 위해서 압력 조절 밸브에 진공호스를 장착하는 경우도 있으며 리턴레스 연료 시스템의 경우에는 연료 압력 조절 밸브가 연료 탱크내에 장착되어 있어 연료 리턴 라인이 없이 생략되기도 한다.

이 시스템은 흡입 부압 보정을 위해 입력되는 MAP센서나 TPS에 의해서 부압 보정을 하는 방식이다. ECU는 여러 가지 센서를 이용하여 엔진 작동조건을 지속적으로 측정하여 ECU에서 미리 결정되어진 방법에 의해 적절한 연료량을 계산하여 엔진에 최적량의 연료를 공급함으로써 엔진의 출력 및 엔진 토크, 배기가스, 연비 및 주행성에 관련하여 엔진 설계자의 요구에 맞도록 하는 것이다. 이러한 전자 제어 장치는 1980년대 후반까지 사용하던 기화 방식과 비교해 보면 여러 가지의 장점을 가지고 있다.

◎ 전자제어 장치의 장점

① 모든 안전된 상태와 일시적 조건 아래서의 정밀한 연료 계량

② 흡기관내에 연료 이동에 대해 고려되는 시간이나 내벽에 연료의 부착이 적음

③ 전 부하 상태에서 정밀한 연료 분배

④ 흡기매니폴드의 설계에 대한 자유성

⑤ 림다(λ)제어가 효과적임

⑥ 적은 배출 가스

⑦ 고장 진단 수리가 용의함.

이러한 많은 장점으로 인해 현재에는 모든 자동차 메이커들이 전자제어 엔진을 선보이고 있기도 하다.

1) 인젝터의 구조 및 작동 원리
인젝터는 많은 부품들로 이루어져 있다. 연료는 연료 흡입구에 설치된 필터부를 거쳐 인젝터의 연료계량 부분으로 흐르며 연료의 계량은 스프레이 홀과 인접한 밸브시트부에 의하여 이루어진다. 코일에 신호가 가해지지 않는 동안 즉, 전원이 공급되지 않으면 스프링과 시스템 압력으로 니들(Needle)을 밸브 시트부로 눌러 인젝터로부터 연료 분사가 이루어지지 않게 하며 또한 누설을 방지하기도 한다. 코일에 신호가 가해지면 코일에 형성된 자력의 힘은 밸브 시트부로부터 니들을 당겨 밸브 시트와 니들 사이에 연료를 지나갈 수 있는 공간을 확보하게 되며 연료는 이 확보된 공간을 지나 스프레이 홀을 통해 외부로 연료를 분사한다. 코일로부터 신호가 사라지면 니들은 원래의 위치로 스프링에 의하여 되돌아오게 된다. 하지만 인젝터는 미소량의 연료뿐만 아니라 상당한 양의 연료가 공급되도록 설계되어야 하는데 인젝터의 성능을 나타내는 중요한 인자로 정적유량과 동적유량이 있다. 정적 유량은 밸브가 지속적으로 열린 상태에서 분사된 연료의 량을 의미하며 동적 유량은 밸브가 반복적으로 열리고 닫히는 상태에서 분사된 연료의 양을 말한다. 정적 유량이 주로 인젝터의 스프레이 홀 직경과 연료 압력에 영향을 받는 반면 동적 유량이 주로 인젝터의 니들이 열리고 닫히는 시간에 영향을 받는다.

2) 인젝터의 기본 요건
인젝터는 모든 작동 조건하에서 기본적으로 가지고 있어야 할 특성들이 있는데 여기에는 유량 특성뿐만 아니라 내구 특성까지 포함되어 있다. 참고로 아래의 항목에서 ⑥만이 내구 특성이다.

① 양호한 소유량 선형성과 광범위한 동적 변위

② 분무 특성

③ 기밀 유지

④ 저 소음

⑤ 긴 수명

2. 아이들 스피드 액추에이터
아이들 스피드 액추에이터는 일명 ISA라고 불리기도 하는데 엔진의 스로틀 보디에 설치되어 ECU의 신호에 따라 엔진으로 유입되는 공기량을 조절하여 아이들 RPM을 제어하는 액추에이터이다. 공회전을 조절하는 입력 요소로는 엔진 회전수, 냉각수의 온도, 에어컨과 히터의 신호 등이 있으며 이러한 여러 가지의 정돋가 ECU에 의하여 최적의 공회전 조절을 위한 ISA의 제어 신호로 변환되는 것이다.

ISA는 일반적으로 사용되는 액추에어터의 종류에 따라 여러 가지로 나뉘며 그 종류는 다음과 같다.

① 로터리 솔레토이드 밸브

② 선형적인 솔레노이드 밸브(원 코일과 스프링으로 구성)

③ 스텝 모터

④ 직류 모터(ISC 모터)

ISA의 종류에는 여럭 자지가 있으나 기능은 모두 동일한 기능을 취하는데 그 기능을 살펴보면 약 6가지로 나눌 수 있다.

① 아이들시 최적의 연비 및 정숙성 유지

② 시동시 제어

③ 페스트 아이들

④ 아이들 업 제어

⑤ 대쉬 포트 제어

⑥ 페일 세이프 기능

3. EGR 제어 장치
EGR 밸브는 EGR밸브의 부압실에 걸리는 부압을 제어하는 방식에 따라 부압 제어 방식, 배압 제어 방식, 전자 제어 방식으로 분류를 할 수 있다. 일반적으로 EGR율을 5~15%로 소량 제어하는 경우 기계적인 방법을 사용하고 EGR율 15% 이상의 대량 제어의 경우는 전자 제어식을 사용한다. 자동차의 배출가스 성분중 NOx는 인체의 중추 신경 및 점막에 유해한 물질일 뿐만 아니라 광화학 스모그의 주 원인으로 세계 각국에서는 HC(탄화수소), CO(일산화탄소)와 더불어 규제를 더욱 강화되어 있다. HC와 CO는 불안전 연소시에 생성되는데 반해 NOx는 엔진의 출력 성능을 향상시키기 위해 연소 효율을 향상시키면 연소온도가 증가함과 동시에 다량으로 생성되는데 특히, 일반적으로 배기가스의 온도가 약 2000도 이상 일 때 급격히 증가하는 경향을 보인다. NOx를 감소시키기 위해서는 연소 최고 온도를 낮추어야 하는데 온도를 낮추는 방법으로 배기가스를 재 순환시켜 연소실내에 불활성 가스(CO2)을 유입시킴으로써 온도를 낮춘다.

EGR율(%) = (EGR가스량/(흡입공기량*EGR가스량))*100

1) 구조와 작동 원리
진공호스와 니플을 통해 진공 챔버에 진공이 전달되면 부압실의 다이어프램에 의해 니들 밸브가 들어올려져 그 틈새로 배기가스가 흡기 매니포드로 유입된다. 즉 EGR밸브의 부압실에 걸리는 부압에 따라 니들 밸브의 행정이 변하고 그 결과 배기가스의 통로 면적이 달라지면 배기가스(EGR 가스)의 유입량이 달라지게 된다. EGR밸브는 엔진의 운전 조건을 고려하여 EGR밸브의 부압실에 걸리는 부압을 적정하게 제어하면 최적의 EGR율을 수행할 수 있다.

4. 퍼지 콘트롤 솔레노이드 밸브
자동차에서 증발 가스는 연료 탱크 등 연료 계통에서 발생하며 주요 성분은 탄화수소(HC)이다. 연료 탱크는 연료의 온도 상승에 따른 체적 팽창으로 인한 연료 탱크내의 압력 상승과 연료 탱크내의 압력 상승과 연료 탱크내에 부압이 형성되지 않도록 대기와의 환기장치가 필요하다. 또한 연료의 증발가스가 대기중으로 방출되는 것을 방지하기 위해 증발가스 제어 장치가 필요하다. 증발 가스 제어 방식은 크랭크 케이스 저장 방식과 활성탄 저장 방식 등이 있으며 가장 많이 쓰이는 방식은 활성탄 저장 방식이다. 활성탄은 연료 증기를 잘 흡착하고 공기를 흐르게 하면 다시 연료 증기를 이탈시키는 특성이 있다. 따라서 엔진을 정지시킨 경우에는 증발 연료를 활성탄을 채운 용기(일명 캐니스터)에 포집하고 운전시에 캐니스터의 외부에서 새로운 공기를 도입하여 활성탄에 흡착된 연료를 이탈시켜 흡기계로 흡입시킨다.

1) 구조 및 작동 원리
퍼지 콘트롤 솔레노이드 밸브는 캐니스터와 흡기계를 연결하는 양단의 호스 커넥터와 ECU단자 그리고 내부의 솔레노이드와 스프링 등으로 이루어져 있다. 퍼지 컨트롤 솔레노이드 밸브는 ECU에 의하여 듀티 제어하는 방식과 흡기관의 부압과 ECU에 의하여 ON-OFF 제어만 하는 방식이 있다. 이 밸브는 냉각수 온도가 낮거나 공회전시에는 닫히고 엔진이 정상온도로 작동시에는 밸브를 열어 증발가스를 흡기 매니폴드 쪽으로 보낸다. 일반적으로 흡기관의 부압, 냉각수온 센서 등에 따라 제어하며 듀티 0%일 때는 닫히고 듀티 100%일 때는 완전히 열린다. 퍼지 컨트롤 제어는 아래의 조건에 따라 작동 시킨다.

① 냉각수 온도가 약 80℃ 이상

② 공회전 이외의 운전 상태

③ 공연비 학습을 하지 않을 때

5. 연료펌프
전자제어 연료 분사 시스템에서 연료 펌프의 역할은 모든 운전조건하에서 연료 탱크의 연료를 가압하여 인젝터에 공급하는 장치이다.

1) 구조 및 작동 원리
연료 펌프는 임펠러 방식의 연료 펌프를 주로 많이 적용하며 연료탱크내에 설치하여 작동 소음 및 연료의 토출 맥동을 적게하고 모터 부분은 저토크 고회전 형으로 소형 경량화가 가능하다. 또한 베이퍼 록 현상과 연료 누설 방지 등의 우수한 특성을 가지고 있으며 연료에 의해 냉각이 되기 때문에 내구성 또한 우수하다. 펌프의 구조는 직류 모터 부분과 터빈 펌프로 구성되어 있고 모터로 구동되는 임펠러 및 펌프 챔버를 형성하는 펌프 케이스, 커버, 릴리프 밸브 및 첵 밸브 등으로 조립되어 있다. 모터에 전원을 공급하게 되면 모터의 회전력이 전달되어지며 임펠러 바깥 둘레에 있는 홈에 전후에서 생기는 유체의 마찰 작용에 의해 압력차가 발생한다. 모터의 회전에 따라 이 동작이 반복되며 펌프 내부에서 와류를 일으키는 연료는 모터를 통과한 후 압력이 증가하게 되어 연료의 압력에 의해 첵 밸브가 열리면서 출구로 공급된다.

▶ 릴리프 밸브

연료 펌프는 DC모터에 의해 일정하게 회전하기 때문에 엔진이 고속 및 저속으로 회전하여도 엔진의 회전속도에 관계없이 연료펌프에서 송출되는 연료의 압력은 항상 일정하다. 하지만 연료의 송출 압력은 엔진의 고속회전을 기준으로 설정된 압력이기 때문에 엔진이 저속회전을 하며 연료의 소비가 적으져 송출 압력은 비정상적으로 높아지게 된다. 이와 같이 비 정상적으로 연료 압력이 증가하게 되면 릴리프 밸브는 압력을 낮추기 위해 열리게 되고 연료 라인에서 규정 압력보다 비정상적으로 올라가는 연료 압력을 일정하게 제어하는 역할을 한다.

▶ 체크 밸브

연료 펌프가 작동을 정지하면 첵 밸브 스프링에 의해 자동적으로 출구를 막아 연료 라인에 잔압을 유지시켜 하절기나 엔진 정지후의 고온에 의한 연료 계통의 베이룩 현상을 방지하고 엔진의 재시동성을 항상시킨다. 또한 엔진 작동시 연료라인의 과대 압력으로 인한 연료의 역류를 방지한다.

- 월간 카포스 10월호 -