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공회전 속도조절 장치
공회전 속도조절 장치(Idle Speed Actuator, ISA/Idle Speed controller, ISC)는 엔진의 스로틀밸브가 닫혀있을 때 냉각수 온도, 에어컨의 작동여부, 자동변속기의 변속위치 등에 따라 엔진회전속도를 목표한 규정값 범위로 제어하는 장치이다.
개요
공회전 속도조절 장치는 엔진의 공회전 수를 최적의 상태로 유지할 수 있도록 목표 회전수를 정해 놓고 ECU에서 스텝 모터나 ISC 모터를 작동시켜 엔진의 보조 공기량을 제어함으로써 일정한 회전수를 유지하게 하는 시스템이다.
자동차가 움직이기 위해서는 운전자가 액셀러레이터 페달을 밟아야 하고 액셀러레이터 페달을 밟게 되면 스로틀 바디의 메인 밸브가 열려 흡입 공기량을 증대시킨다. ECU는 이에 따른 연료량과 점화시기를 제어함으로써 운전자의 동력 특성을 만족시켜준다. 공회전 조절장치(ISA)는 보조 공기 통로를 이용하여 무부하 시 또는 에어컨이나 전기 부하 등 운전 모드의 부하 시 급격한 rpm 변화를 방지하기 위하여 보조 공기량을 증감하여 최적의 rpm으로 조절하는 것이다.
여기서 강조하고 싶은 점은 공회전 조절 장치 또한 개발 목적이 운전자로 하여금 진동이나 떨림 등 불쾌감을 줄 수 있는 요인을 최대로 줄이는 한편 급격한 rpm 쇼크를 방지하기 위하여 설계되었다는 점이다. 자동차 정비업이 여러 가지 측면에서 도태되는 이유 중의 하나도 기술이 아닌 기능적 측면에서 발달되었기 때문이다. 기계의 기본적인 원리와 설계 목적을 잘 활용해 상담 기술은 물론 마케팅에까지도 충분히 접목시킬 수 있어야 한다.
작동 원리
공회전 조절장치 중 ISC 타입부터 정리해보면 ISC 밸브는 주로 시멘스, 보쉬, 캐피코 시스템에 적용되었고 기계적 원리나 제어 프로그램은 유사하다고 생각하면 큰 착오는 없을 것이다. ISC 밸브는 보조 공기통로에서 약 15% 정도의 보조 공기량을 ECU에서 특정 주파수의 듀티 제어방식으로 작동시키고 있다.
듀티 제어방식에서 듀티값은 밸브의 열림 양과 닫힘 양을 총량으로 백분율 한 것이다. 즉, 마이너스 작동 구간이 ISC 밸브의 열림 양이고 나머지가 닫힘 양이다. 쉽게 설명하면 마이너스 작동 구간이 30%면 나머지 구간은 자동으로 70%가 되는 것이다.
이때 30%가 보조 공기를 제어하는 열림 양인 것이다. 보조 공기라는 것은 운전자가 진동이나 떨림 rpm의 급격한 변화를 방지하거나 유지하게 함으로써 최적의 운전 상태를 제공하는 것을 주목적으로 한다.
통상적으로 스캔 툴에 나타나는 공회전 듀티 값은 마이너스 작동 구간인 열림 양을 표출하게 되는데 서비스 데이터에서 약 28~32%까지가 가장 이상적인 공회전 듀티 값으로 알려져 있다. 이는 정상적인 차에서 약간 노후한 차량까지를 측정하였을 때 고장이라고 느낄 수 있는 징후가 미미한 상태를 기준으로 한 것이다.
공회전 조절장치는 ECU에서 기본 학습 값에 rpm 변동에 따른 '±' 보정 학습을 통하여 수정 학습을 하기 때문에 28~32%까지의 영역에서는 정상적이라 판단하고 기본 데이터로 활용되는 것이다.
서비스 데이터 분석이란 것은 정상적인 데이터를 벗어났을 때 기계적인 증상을 기본으로 하여 고장 원인을 출원케 하는 데이터이다.
예를 들어 공회전 듀티값이 34%인 차량이 고장이라고 할 수 있는 증상이 나타나도 운전자 성격에 따라서 고장이라고 느낄 수도 있는 사람이 있는 반면에 느끼지 못하는 사람도 있다. 성격이 예민한 사람이라면 분명 다음과 같은 증상 즉, 에어컨을 켜거나 냉각 팬이 작동되면 엔진의 공회전수가 약간 불안정 한 후에 안정을 되찾으며 주행 중 감속 때 또한 불안정한 증상을 느낄 수 있을 것이다.
그 이유는 차종별로 ECU에 'D'레인지, 에어컨, 냉각 팬, 파워스티어링 등의 신호가 입력될 때 그 부하에 따른 적절한 추가 듀티 보정량이 프로그램 되어 있기 때문이다. 물론 실시간 학습 제어를 통하여 기본 듀티값을 학습하게 하지만 학습할 수 있는 한계량은 정해져 있다.
필자의 경우는 통상적으로 ISC모터 타입에서 기본 듀티값이 무부하 공회전 시 약 32%가 넘으면 엔진의 카본 제거 및 기준 공회전의 조정을 원칙으로 생각하고 있다. 물론 35%가 된다 할지라도 고장이라고 할 수 있는 징후를 못 느껴 정비를 하지 않는다 하여도 누가 뭐라 할 사람은 없을 것이다. 공회전 듀티가 32%를 넘었다는 이야기는 엔진 기계장치의 노화가 시작되었다는 뜻이다.
단지 ECU에서 기계의 노화량을 학습하여 엔진 rpm 변동을 최소화시켜 고장 징후를 못 느끼게 할 뿐 사실은 고장으로 판단해야 한다.
자동차를 정비하는 전문 기술자라면 공회전 듀티 값이 32%를 넘어 선 차량의 배출 가스를 측정해 보면 일산화탄소와 탄화수소의 양이 많이 증가해 있는 것을 알 수 있다.
즉, 공회전 조절 장치는 카본의 누적 및 플러그 오염, 밸브 스프링 이완, 타이밍 밸트 장력의 이완 등 기계장치의 노화에 의한 불완전 연소로 발생하는 공회전 rpm의 편차를 줄이기 위하여 공회전 듀티 보정 및 분사시간, 점화시기 보정 등을 통하여 운전자가 고장이라고 느끼지 못하게 하는 장치라는 것을 명심하여야 한다.
듀티 값을 보는 목적은 전문가라면 실제 나타나고 있는 고장 형태보다는 앞으로 나타날 고장 형태를 운전자에게 쉽게 설명하고 이해시켜서 예방 정비를 할 수 있는 동기를 만들어야 한다.
대략적인 ISC 듀티 값을 정리해 보면 다음과 같다.
-정상 : 약 29~32% -배선 단선 : 약 50% 이상
-노화 : 약 32~35% -ECU 고장 : 약 0%
위와 같이 무 부하 공회전 상태일 때 약 28~32% 정도면 공회전 조절장치는 거의 정상적인 상태로 작동되고 있다고 판단할 수 있으며 정상 수치보다 약간 큰 듀티 값은 자동변속기의 경우 ‘D’ 레인지에 있거나 냉각 팬의 작동 등 외부 부하가 있다면 그것은 부하에 따른 듀티 보정량이다.
만약, 부하가 없는 상태라면 스로틀 보디 및 연소실의 카본 누적, 스파크 플러그의 오염 및 소손, 점화시기의 이탈 또는 타이밍 벨트의 이완 등 엔진 각부의 오염 및 소모품의 노화로 판단하고 정비한다.
이 때 배출가스를 측정해 대부분 일산화탄소와 탄화수소 값이 높게 배출될 수밖에 없는 이유를 고객들에게 설명하고 배출가스 측정기를 통하여 그 수치를 보여주면 운전자 역시 공감대가 형성될 것이다. 그리고 정비 후 예상되는 배출가스 저감량을 미리 설명함으로써 깊은 신뢰를 부여하게 되는 것이다.
운전자가 증상을 호소하는 공회전 시 핸들의 떨림이 심하다든지 에어컨이나 냉각팬이 작동할 때 급작스런 rpm 쇼크 등이 발생하는 경우 공회전 조절장치를 의심하고 점검하여야 한다. 스텝 모터 타입의 공회전 조절 시스템에서 이와 같은 증상이 발생되었을 때에는 여러 가지 서비스 데이터를 종합 비교 분석하는 방법도 요령이겠지만 필자는 기본원리를 이용하여 쉽게 접근하는 방법을 강조하고 싶다.
최근 국내에서 적용되고 있는 스텝 모터 타입의 공회전 조절 시스템은 두 가지 타입으로 멜코 타입과 델파이 타입이다. 우선 멜코 타입의 시스템부터 설명하기로 하자. 멜코 시스템은 소나타, 뉴그랜저, SM5 등에 적용되어 사용되고 있다. 단, 차종별로 스텝 모터의 종류가 여러 가지이므로 교환 시 주의해야 한다.
스텝 모터 타입 역시 ISC 모터 타입과 작동원리가 같다고 생각하면 된다. 다른 것이 있다면 ECU에서 0∼120스텝 변위로 1 스텝당 15도 각도로 작동되는 것이다. 스텝 모터의 구동방법은 배터리 본선이 두 단자로 입력되어 4가닥의 단자로 ECU, 파워TR, 콜렉터에 연결되어 있고 드라이브 단에 의하여 A, B, C, D 각단의 코일을 순차적으로 접지시켜 보조 공기량을 조정해 엔진의 공회전 영역을 유지하는 시스템이다.
서비스데이터를 이용한 분석방법
일단 서비스 데이터를 이용한 분석방법에 대하여 쉽게 접근해 보도록 하자. 우선, 스캔 툴의 서비스 데이터는 수치로 표출되므로 스텝에 대한 기본 개념부터 설명한다. 위에서 설명한 바와 같이 0∼120스텝까지가 총 작동영역이다. 여기에서 참고해야 할 것은 냉간시 페스트 아이들 영역은 스텝 모터가 작동되어 보정하는 것이 아니라 서모 왁스 밸브에 의하여 작동되고 스텝 모터는 엔진의 아이들 업 시 부하와 데시포트 작동시 최적의 공회전 유지를 하게 하는 것이다.
정상적인 자동차에서 스캔 툴을 연결하여 스텝수를 보게 되면 통상 정비지침에는 7∼14 스텝이라 정해 놓고 있지만 이는 ECU에 EST 단자 접지 후의 스텝수를 이야기하는 것이다. 쉽게 설명하면 초기 아이들 조정시 ECU EST단자를 접지시키면 ECU는 점화시기와 공회전 스텝수를 고정시킴으로써 초기 아이들을 조정하는 것이 기본 원리이다. 이것은 ECU는 규정 공회전수 약 750±50rpm 즉, 700∼800rpm 사이를 공회전 영역으로 정해 놓는다는 의미이다. 만약, 이 회전수보다 낮으면 스텝수를 늘림으로써 규정 회전수 범위 내로 공회전을 조정하기 위해 ECU가 대응할 것이고 공회전 최고영역보다 높은 rpm이 유지되면 ECU는 스텝 모터의 스텝수를 줄임으로써 공회전 영역을 유지하기 위한 피드백 제어를 실행할 것이다.
좀 더 쉽게 설명하면 스텝 모터 타입 역시도 한 스텝 당 15도씩 보조공기량을 조정하여 최적의 공회전 영역을 유지하고 제어하는 것이다. 스캔 툴을 연결하여 안정된 공회전 영역을 유지하고 있는 자동차의 스텝수를 보면 약 7∼30 스텝 정도로 일정한 범위를 두고 스텝수가 변하는 것을 쉽게 알 수 있을 것이다. ECU는 연속적으로 스텝수를 제어함으로써 rpm의 급격한 변화를 운전자가 느끼지 못하도록 한다. 또한 엔진의 노화에 의한 출력감소 또는 에어컨이나 전기부하 작동 및 급감속 시의 엔진 부조를 방지하여 회전 밸런스가 무너지지 않도록 실시간으로 빠르게 스텝을 조정 유지하기 위한 학습을 하기 때문에 엔진이 작동중일 때 스텝수의 범위는 다소 차이가 날 수 있다.
공회전 속도에 영향을 미치는 요소
- ① 냉각수 온도. (엔진의 작동 온도)
- ② 전기장치에 걸리는 부하. 예) 열선, 전조등
- ③ 에어컨 작동 여부.
- ④ 자동변속기의 'D'레인지 절환.
- ⑤ 파워스티어링에 최대부하가 걸렸을 때. (주차 등을 위해 스티어링휠을 최대로 돌리는 경우)
위와 같은 조건이 변화하게 되면 ECU는 ISA를 구동시켜 공회전 속도를 엔진의 작동상태에 적합하게 제어한다. 대부분의 경우에는 연비를 개선하고 유해배기가스를 저감시키기 위해 공회전 속도를 가능한 낮게 유지하는 것을 목표로 한다.
자동변속기가 장착된 차량의 경우, 변속기어가 P나 N위치를 제외한 다른 위치에 있을 때에는 자동차가 서서히 발진하는 것을 방지하기 위해 대부분 공회전 속도를 낮추어 제어한다. 에어컨이 작동되는 경우에는 충분한 냉방성능을 확보하기 위해 공회전 속도를 다소 높인다.
이외에도 ISA는 여러 조건에 따라 실린더로 흡입되는 공기량을 보정하게 된다.
- ① 시동 후 보정 - 시동 시에는 엑셀을 거의 밟지 않기 때문에 흡입되는 공기량이 적어 목표하는 회전수에 도달하지 못하거나 시동이 꺼질 수 있다. 따라서 시동 후 엔진의 회전속도를 2000~3000RPM 정도 올렸다가 떨어트리게 되는데 이 역할을 ISA가 담당한다.
- ② 대쉬포트(Das hpot) 보정 - 주행 중 감속할 경우 스로틀밸브가 급격히 닫힌다. 이때 흡입공기량이 급격하게 감소하면 엔진이 정지하게 되므로 ISA를 열었다 서서히 닫아서 흡입공기량을 단계적으로 감소시키는 기능을 한다.
- ③ 피드백(Feedback) 보정 - 엔진 상황에 따라 목표 회전수가 정해지면 이를 맞추기 위해 현재의 엔진 회전수를 기준으로 목표 회전수와의 편차를 구하고 이 편차가 '0'이 되는 방향으로 ISA의 듀티를 제어하는 기능을 한다.
고장 증상
- ① 시동이 잘 안걸리며, 걸려도 바로 꺼짐.
- ② 시동 후 엔진회전수가 1000~1500RPM 또는 그 이상에서 고정됨.
- ③ 주행 중 정차 시 시동꺼짐.
- ④ 전조등, 에어컨 등 전기 장치를 가동 시 시동꺼짐.
- ⑤ 자동변속기 변속기어를 N에서 R 또는 D로 변속하면 시동꺼짐.
정비 어드바이스
- ① 배선의 연결 상태가 불량한지 먼저 점검하고 스캐너를 통해 고장코드를 확인한다.
- ② 열림코일 측 코일 손상이나 배선의 단선/단락이 발생하면 ISA 밸브가 열리지 않게 된다. 따라서 추가적인 공기가 유입되지 못하여 시동이 꺼지거나 아이들이 불안정하게 된다. 반대로 닫힘코일 측 코일 손상이나 배선의 단선/단락이 발생할 경우 ISA가 열린채 고정되어 엔진회전수가 과도하게 높아지게 된다.
- ③ ISA 공기 통로에 카본 등 이물질이 누적되어 핀틀의 움직임을 방해할 경우에도 시동꺼짐이나 아이들의 불안정을 가져올 수 있다. 이 경우는 ISA를 스로틀바디에서 탈착 후 크리너(세척제)로 ISA를 깨끗하게 청소 후 다시 장착해서 사용하면 된다.
- ④ 아주 드문 경우이지만 ISA는 양호한 상태임에도 ECU에서 정확한 제어를 하지 못하는 경우도 있다. 이 때에는 진단 후 ECU를 교체해야 한다.
동영상
참고자료
- kt9411, 〈ISA(Idle speed actuator) / ISC(Idle speed controller) - 공회전속도조절장치〉, 《네이버 블로그》, 2013-04-23
- 유민, 〈공회전 조절장치〉, 《네이버 블로그》, 2010-10-04
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