엔진제어장치

엔진제어장치(ECU; Engine Control Unit)는 엔진의 내부적인 동작을 다양하게 제어하는 임베디드 전자장치이다. 영문 약자로 ECU라고 한다. 엔진제어장치는 내연기관의 액추에이터(actuators)를 제어하여 적정한 엔진 성능을 확보하는 전자기기이다. 엔진제어장치는 전자제어장치(ECU; Electronic Control Unit) 중의 한 가지 방식으로서, 엔진제어모듈(ECM; Engine Control Module) 또는 엔진제어유닛이라고도 부른다.

개요

엔진제어장치(ECU)는 엔진부 각 모듈의 동작을 제어하는 전자장치이다. 가장 간단한 ECU는 엔진 사이클의 주유량만 제어하지만 현대 자동차에 탑재된 고급 ECU는 점화시간, 가변 밸브 타이밍(VVT: variable valve timing), 터보차저(turbocharger)가 유지하는 추진 수준 및 기타 주변 기기를 제어한다.

엔진제어장치(ECU)는 엔진부의 여러 센서들에서 오는 신호를 접수하고 다차원 성능 맵(multidimensional performance maps)을 이용하여 데이터를 해독한 뒤 엔진 액츄에이터를 조정하는 방식으로 적정한 엔진 성능을 나타낸다. 다차원 성능 맵은 순람표(lookup tables)라고도 한다.

엔진제어장치가 나오기 전에 기체-연로 혼합물(air–fuel mixture), 점화 시간(ignition timing)과 무부하속도(idle speed, 완속, 공회전 속도)는 기계학적으로 설정되고 기계 및 공압 수단으로 동적 제어되었다.

엔진제어장치가 연료 라인을 제어하는 경우를 가리켜 전자엔진관리시스템(EEMS: electronic engine management system)이라고 하며 엔진 연료 공급 제어의 주요 역할은 연료 분사 시스템이 맡고 센서와 액추에이터 스택이 EEMS 전부 메커니즘을 제어한다.

역사

초기 디자인

1939년에 BMW에서 코만도게레트(Kommandogerät)라는 통합 엔진 제어 장치를 개발하여 801 14-실린더 항공 레이디얼 엔진(aviation radial engine)에 적용시켰다. 이는 가장 처음으로 여러 엔진 제어 기능을 동시에 관리하는 통합 자동화 장치중의 하나였다. 코만도게레트를 탑재한 801 시리즈 항공기에서 이는 하나의 제어 장치로 급가속을 시작하는데 필요한 6개 제어 장치를 대체하였다. 단, 엔진에 서지를 발생시키면서 독일 전투기 Fw 190(Focke-Wulf Fw 190 Wurger)의 근접 편대 비행을 어렵게 만들었던 문제들이 있었다.

1970년대에 IC와 마이크로프로세서가 개발되면서 경제적인 방법으로 엔진 제어가 가능하게 되었으며 그 때 일본 전자산업은 일본자동차를 대상으로 관련된 IC와 마이크로컨트롤러를 생산하였다. 1975년에 포드 EEC(Electronic Engine Control, 전자 엔진 제어)시스템은 도시바의 TLCS-12 마이크로프로세서를 활용하여 양산을 추진하였다.

하이브리드 디지털 디자인

하이브리드 디지털 또는 아날로그 디자인은 1980년대에 보편화되었으며 아날로그 기술로 엔진에서 오는 변수를 측정하고 처리한 뒤 디지털 ROM 칩에 저장된 순람표(lookup table)를 사용하여 미리 계산된 출력값을 생성하였다. 후에 출시된 시스템은 동적으로 이러한 출력을 계산하였다. 시스템을 잘 파악하고 있으면 시스템의 ROM 타입 조정도 가능하였으며 시스템의 단점이라면 미리 계산된 값이 이상적으로 되어 있는 새 엔진에만 적합하다는데 있었고 다른 디자인 대비 엔진 마모에 따른 보상처리가 어려웠다.

현대 디자인

현대의 ECU는 마이크로프로세서를 사용하여 실시간으로 엔진 센서에서 오는 신호를 처리한다. 전자 제어 유니트(electronic control unit)는 하드웨어와 소프트웨어(펌웨어)로 구성되며 세라믹 기판이나 얇은 라미네이트 기판의 PCB에 전자부품을 탑재하여 하드웨어를 구성한다. PCB 전자회로 중의 주요 부품은 마이크로컨트롤러 칩(microcontroller chip: ECU)이며 소프트웨어는 마이크로컨트롤러나 기타 칩, 일반적으로 EPROM 또는 플래시 메모리에 저장한다. 따라서 업데이트 된 코드를 업로딩 하거나 칩을 교체하는 방식으로 CPU의 프로그래밍을 다시 추진할 수 있다. 이를 가리켜 전자방식 엔진 관리 시스템 즉 EMS(Engine Management System)라 한다.

EMS는 소스에서 오는 신호를 접수하여 엔진부의 다른 부분을 제어하며 가변 밸브 타이밍 시스템이 전자방식으로 제어되고 터보차저의 웨이스트 게이트도 관리되는 등을 사례로 들 수 있다. 변속기 제어 장치와 통신하거나 직접적으로 인터페이스를 이용하여 전자적으로 제어되는 자동변속기, 트랙션 제어 시스템 등과 통신을 진행할 수 있다. 이러한 장치들간의 통신에 컨트로러 영역 네트워크(Controller Area Network) 또는 CAN 버스 자동차 네트워크가 경상적으로 사용된다.

현대 ECU는 어떤 경우에 크루즈 컨트롤, 변속기 제어, 안티스키드 제동제어(anti-skid brake control), 도난 방지 제어 등의 특징도 포함한다.

GM은 1979년에 처음DMFH 파일럿 프로그램(pilot program)의 차원에서 하이브리드 디지털 ECU의 소형 애플리케이션을 개발하였으며 1980년에 마이크로프로세서 기반의 시스템으로 전부의 운영 프로그램을 변경하였다. 1981년부터 집행하는 청정 공기법 요구사항으로 ECU의 생산은 대량으로 늘어났으며 GM은 신속하게 연료 분사 시스템으로 카뷰레터 시스템을 대체하여 연료공급의 우선 방안으로 적용하였다. 1980년에 카딜락 엔진에 연료 분사 시스템을 적용하고 이어서 폰티악 2.5L I4 "Iron Duke"와 쉐보레 5.7L V8 "Cross-Fire"엔진에 적용하여 1982년에 쉐보레 콜벳(Chevrolet Corvette) 의 동력으로 적용하였다. 올즈모빌(Oldsmobile) 5.0L V8 LV2 엔진을 적용한 1990 캐딜락 브로엄(Cadillac Brougham)이 북미시장을 대상으로 판매했던 마지막 카뷰레터 차종이었으며 1991년에 GM은 미국과 일본에서 마지막으로 승용차 카뷰레이션 제조방식을 포기한 주요 제조사로 되었다. 1988년에 델코(Delco - GM의 전장 사업부)의 ECU 일생산량은 28,000개를 초과하였으며 그 시기 온보드 디지털 컨트롤 컴퓨터의 최대 제조업자로 되었다.

작동 원리

공연비 제어(空燃比制御, Control of air–fuel ratio)

최신 엔진은 일종의 연료 분사(燃料噴射) 방식으로 실린더에 연료를 공급한다. ECU는 많은 센서들에서 출력되는 신호를 기반으로 분사하는 연료의 양을 확정한다. 산소 센서(Oxygen sensors)는 이상적인 조건(화학량적인, stoichiometric)을 가지고 엔진이 풍부하게 작동하는지(연료과다, 산소과소), 희박하게 작동하는지(연료과소, 산소과다)를 대비하여 ECU에 정보를 전달한다. 스로톨 포지션 센서(throttle position sensor, 节气门位置传感器)는 액셀러레이터를 밟았을 때 스로틀 플레이터가 열린 거리를 ECU에 전달하고 공기 유량 센서(air flow sensor)는 스로톨 플레이터를 경유하여 엔진에 흡입된 공기 유량을 ECU에 전달한다. 엔진 냉각수 온도 센서(engine coolant temperature sensor)는 엔진 온도를 측정하여 ECU에 전달하며 온도가 낮을 경우에는 연료를 추가 분사한다.

컴퓨터 방식으로 기체-연료 혼합물을 제어하는 카뷰레터는 유사한 원리로 설계되었으며 혼합물을 제어하는 솔레노이드(solenoid, 원통 코일)나 스태퍼 모터(stepper motor)가 카뷰레터 플로트 체임버(float chamber, float bowl, 뜨개 볼)안에 들어 있다.

무부하 속도 제어(Control of idle speed)

대부분 엔진 시스템은 ECU에 무부하 속도 제어 기능을 구축해 넣는다. 엔진 RPM은 크랭크샤프트 위치 센서(crankshaft position sensor)로 감지하며 이는 연료분사, 점화 및 밸브 타이밍과 관련된 엔진 타이밍 기능에서 주요한 역할을 한다. 무부하 속도는 프로그래밍이 가능한 스로톨 스톱(programmable throttle stop)과 공회전 에어 바이패스 컨트롤(idle air bypass control) 스태퍼 모터에서 제어한다. 초기 카뷰레터 기반 시스템은 프로그래밍이 가능한 스로톨 스톱을 사용하였으며 양방향 직류 모터로 구동하였다. 초기 TBI(throttle body injection)시스템은 공회전 에어 제어 스태퍼 모터를 사용하였다. 효과적인 공회전 속도 제어는 공회전 시의 엔진 부하를 예상해야 한다.

전체 권한 스로톨 컨트롤 시스템(full authority throttle control system)은 공회전 속도 제어에 사용이 가능하며 크루즈 속도 기능과 최고 속도 한계를 제공한다. 신뢰성 차원에서 ECU 섹션의 모니터링도 추진한다.

가변 밸브 타이밍 제어(Control of variable valve timing)

일부 엔진은 가변 밸브 타이밍(VVT)이 된다. 이런 엔진에서 ECU는 밸브가 열리는 엔진 사이클 타임을 제어한다. 밸브는 일반적으로 고속에서 저속보다 더 빨리 열리며 실린더로 흡입되는 공기의 양을 증가시켜 출력을 올리고 연비 경제성을 향상시킨다.

전자 밸브 제어(Electronic valve control)

캠샤프트가 없지만 흡기/배기 밸브의 개폐와 밸브 오프닝(valve opening) 구역을 전자 제어 방식으로 완전히 제어하는 실험용 엔진이 제조되고 테스트가 되어 있다. 정밀 시간 점화와 연료 분사 장치가 장착된 특정 멀티 실린더 엔진은 스타터 모터가 없이도 시동과 작동이 된다. 정적-시동 엔진(static-start engine)은 과대한 스타터 모터의 비용과 복잡성이 없이 유연한 하이브리드-전기 구동(MHED, mild hybrid-electric drive)의 효율성을 향상시키고 오염을 줄이는 효과를 제공한다.

이러한 엔진은 이탈리아의 자동차 제조사 피아트에서 2002년에 발명하고 2009년에 소개하였다. 이들의 멀티에어 엔진은 전자 밸브 제어를 사용하여 15%의 연료 소모를 줄이면서 희극적으로 토크와 마력을 향상시켰다. 기본적으로 밸브는 ECU가 제어하는 유압 펌프로 제어하였으며 엔진 부하에 비춰 흡입 행정당 여러 번 열리면서 적정한 연소에 필요한 연료 분사량을 맞추었다.

연속부하 조건에 밸브가 열리면 연료가 분사되고 그 뒤 밸브가 닫긴다. 스로톨이 갑자기 커질 때 밸브는 동일한 흡기 행정에서 열려지며 따라서 더 많은 연료 분사기 이루어진다. 이는 급가속이 가능하게 한다. 그 다음 행정에서 ECU는 더 높은 RPM 조건에서 다시 엔진 부하를 계산하며 밸브의 개폐타임과 열리는 정도를 결정한다. 적정한 개폐가 이루어지면서 연소는 가급적 정밀하게 된다. 물론 이는 전부의 흡기 기간에 밸브가 열려 있고 항상 최대로 들어 올리는 일반 캠샤프트 방식으로는 불가능하다.

캠, 리프터(lifters), 로커(rockers) 및 타이밍 세트의 제거는 무게와 부피는 물론 마찰도 감소한다. 엔진이 실제로 발생한 동력의 상당한 부분은 밸브 트레인의 구동에 소모되며 분당 수천번씩 밸브 스프링을 압축한다.

전자 밸브 제어방식이 완전히 개발되며 더 많은 이득이 발생한다. 실린더 비활성화를 사례로 들면 흡기 밸브가 흡기 행정마다 열리고 배기 밸브가 배기 행정마다 비활성화 밸브에서 열리면 연료의 효율성을 훨씬 향상시킬 수 있다. 다른 하나의 중요한 발전은 전통 방식의 스로톨 제거이다. 자동차 부분 스로톨로 작동하면 공기 흐름의 중단으로 과진공이 발생하며 엔진이 진공 펌프의 역할을 하는 귀중한 에너지를 소모한다. BMW는 V-10 엔진을 탑재한 M5 승용차 개발에서 이를 피할려고 실린더 별로 흡기 밸브 앞에 나비 스로톨을 설치하였다. 전자 밸브의 작동에 따라 밸브 리프트를 제어하여 엔진 속도의 제어가 가능해졌으며 에어와 연료가 약간 필요할 때 밸브를 좀 들어 올렸다. 가속 페달을 밟았을 때 최대 스로톨이 이루어지고 ECU에 전자신호가 전송되며 ECU는 각 밸브의 리프트를 제어하여 밸브를 끝까지 들어 올린다.

참고자료

• "Engine control unit", Wikipedia

같이 보기

• 엔진
• 전자제어장치
• ECU

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