자동차공학)가솔린 엔진의 전자제어 (엔진제어)

엔진제에의 기본 항목으로서는 연료분사제어(분사시기, 분사량), 공회전 속도제어, 점화시기 제어, 증발가스제어 및 페일 세이프(fail safe) 등 고장발생 시 간단한 고장 진달을 하는 몇 개의 자기 진단 테스트 등이 있다. 엔진제어에 대하여 알아보자

1. 연료분사제어

2. 공회전 속도제어

3. 점화시기제어

4. 자기 진단기능

 

1. 연료분사제어

ECU는 흡입 공기량과 엔진 회전수에 대하여 맵핑된 값에 의해 연료량과 기본 분사기간을 결정하고 여기에 각종 보정을 행한다. 연료분사를 실시하는 액추에이터가 인덕터이다. 연료 분사량은 공기유량 센서(AFS)에 의해 1회 흡입행정으로 실린더 내로 충전되는 흡입 공기량을 계측하여 평가한다. 분사기간은 인젝터 솔레노이드 코일의 통전시간에 비례한다. 따라서 ECU는 엔진의 동력 성능, 응답성, 배기가스 특성, 연료의 경제성 등을 고려하여 1회에 필요한 최적의 분사기간을 결정하여 인젝터에 지시한다. 엔진의 최적 연료 분사량은 기본 분사량에 각 센서로부터 입력된 신호에 의해 연료보정 상황(냉시동 시, 워웝시, 고온 시동 시, 공회전시, 과도 운전 시, 전부하 시, 공연비 보정신호, 연료차단, 연료증발가스 제어 등)이면 보정계수에 따라 연료를 보정하여 최종 연료 분사기간을 다음과 같이 결정한다.

 

연료분사기간 = 기본 분사기간 X 보정계수 + 무효 분사기간

 

엔진 시동 시(cranking) 보정 : 엔진의 회전수가 낮고 부하가 없는 상태(스로틀 밸브가 닫힌 상태)이며 일반적으로 고온 재시동 시를 제외하면 냉가수의 온도가 낮다. 이때는 연료 분사량을 증가시키고 있고, 웜업(warm up)이 완료될 때까지 연료 증가량을 서서히 감소시키고 있다.

 

고온 시 보정 : 여름철이나 고속주행 후 수십 분이 지난 후의 엔진 시동 시에도 연료분사량을 증가시키고 있다. 이것은 연료계가 고온이 되어 연료에서 발생하는 베이퍼록(vapour lock)에 의해 연소실에 공급되는 연료량이 부족하기 때문이다. 제어는 시동 시의 냉각수 온도 또는 냉각수 온도와 흡기 온도에 의해 연료 증가량의 초기치를 결정한다. 시동 후에는 연료 증가량을 서서히 감소시킨다.

 

과도 운전 시 보정 : 가속상태에서는 흡기관 압력이 높아 연료의 증발속도가 저하되어 연소실내 혼합기는 희박 상태가 된다. 반대로 감속상태에서는 반대로 흡기관 압력이 낮게 되어 연료의 증발속도가 상승하여 혼합기는 농후한 상태가 된다. 따라서 흡기관 압력의 변화에 따라 연료량을 증가 또는 감소시킨다.

 

고 부하 시 보정 : 고부하 주행 시에는 토크가 최대가 되도록 공연비를 출력 공연비(12~13)로 설정한다. 더욱이 고부하 주행이 계속되어 배기계 부품(배기관, 배기센서, 촉매 등)이 허용온도를 초과할 경우에는 더욱 농후하게 제어하여 배기계 부품을 보호하는 경우도 있다.

 

공연비 보정 : 배출가스 정화 때문에 일반적으로는 3원 촉매가 사용되고 있지만 3원 촉매는 이론공연비 부근에서 작용하게 되어 있다. 그러나 3원 촉매의 각 성분(CO, HC, NOx)의 정화능력은 공연비가 희박한 경우면 NOx가 배출된다. 따라서 배출 가스 정화를 목적으로 정밀하게 이론 공연비를 유지하기 위하여 O2센서를 사용한 피드백 제어를 하고 있다. 더욱이 피드백 정밀도를 향상하기 위하여 이론공연비에서 벗어난 양을 산출하여 이 벗어난 양을 학습제어치로서 기억시켜 고 연료분사량에 반영하고 있다.

 

연료차단(fuel cut) : 연료소모율 저감 및 배기가스 정화를 목적으로 하는 감속 시 연료차단과 고회전에 의한 엔진의 손상을 방지하기 위한 고속 시의 연료 차단이 있다. 감속 시에는 엔진 토크(회전력)를 발생시킬 필요가 없기 때문에 연료 공급을 일시적으로 차단한다. 가속요규가 있는 경우 혹은 아이들 회전수를 유지할 경우에는 연료 공급으로 재개한다.

 

2. 공회전 속도제어

공회전 속도제어(idle speed control)는 공기량제어라기도 하며, 기본적으로는 엔진 공전상태일 때 부하에 따라 안정된 공전속도를 유지하도록 하는 장치이다. 가솔린 엔진의 경우 액추에이터로서 스로틀 밸브를 바이패스하여 필요한 공기를 고급하는 바이패스 에어방식과 스로틀 밸브를 직접 모터로 구동하는 방식이 있다. 일반적으로는 스로틀 보디에 공회전 속도를 모터로서 제어하는 ISC 서보(idle speed controller) 시스템이 많이 사용되고 있다. 모터는 DC모터에 의한 것과 스텝모터에 의한 것이 있다. ISC서보 시스템은 컴퓨터(ECU)에 먼저 냉각수 온도, 에어컨의 상태, 시프트 레버의 위치(A/T)에 따른 최적의 공회전 속도(이것을 목표 회전속도라고 한다)를 기억시켜 두고, 각 센서의 정보를 근거로 컴퓨터가 소형 DC모터(공회전 스피드 컨트롤 액추에이터)를 제어하여 플런저가 신축하여 ISC레버를 통해 스로틀 밸브를 개폐하고 자동적으로 목표 회전속도를 유지하는 시스템이다. 전기부하, 파워 스티어링 부하 등에 의한 회전 저하를 컴퓨터에 의해 자동적으로 보정하기 때문에 쾌적한 공회전 상태를 얻을 수 있고, ISC서보의 플런저 위치를 검출하는 모터 위치센서(MPS, motor position sensor)를 내장하여 응답성을 향상한 차량도 있다. 아이들 회전수 제어는 연료소비량, 냉간시의 촉매난기성에 의한 배기가스 정화성능 등에도 영향을 미쳐 최근 매우 중요시하고 있다.

 

3. 점화시기제어

엔진의 운전 조건에 따라 기준이 되는 점화시기(기본 점화시기)를 미리 컴퓨터의 메모리에 기억시켜 두고, 각 센서로부터의 신호에 의해 엔진의 상태(엔진 회전속도, 부하, 웜업 상태 등)를 컴퓨터가 연산하여 점화시기를 보정하여 최적의 점화시기를 결정한다.

 

기본점화시기 : 점화시기는 엔진 토크나 배출가스 특성에 큰 영향을 미치고, 또 엔진 회전수나 엔진의 부하에 따라 최적의 점화시기가 다르다. 따라서 엔진의 운전 조건에 따라 최적의 점화시기를 미리 결정하여 컴퓨터 메모리에 기억시켜 놓고 있다.

 

가속 시 보정 : 가속 시에 급격한 토크의 상승에 의해 충격 등의 운전성능의 악화를 초래하는 경우가 있다. 이에 대한 대책으로는 급격한 공기량의 증가를 검출하여 이 증가량에 따라 일시적으로 점화시기를 지연시켜 급격한 토크 상승을 방지하고 있다.

 

노크제어 : 가솔린 엔진의 노킹은 점화시기와 밀접한 관계가 있어 환경조건, 주행조건 등에 따라 최적의 점화시기를 설정함으로써 노킹을 방지할 수 있다. 노크센서에 의해 노킹을 감지하면 목표로 하는 노크 레벨로 되돌아가도록 점화시기를 제어한다.

 

4. 자기 진단기능

엔진 ECU의 신호계통의 고장 또는 열화를 검출, 진단하는 기능(diagnosis)이다. 기본적으로는 신호계통의 이상이 발생하기 전에 검출하여 MIL(malfunction indicator light, 고장표시램프)을 점등하여 운전자에게 수리를 촉구하는 것이다. 센서가 불량이면 컴퓨터는 그 코드를 기억장치에 기억시켜 둔다. 메시지는 서비스코드 혹은 고장코드라 부르고, KAM(Keep Alive Memory)에 저장되며, 정비할 때 이 코드를 검색하여 정비하게 된다. 검출대상항목은 배출가스에 영향을 미치는 모든 것이지만, 주요한 것으로는 촉매, 배기 센서, 실화검출, 연료공급계, EGR 밸브 등이다.