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전자제어장치
전자제어장치(ECU; Electronic Control Unit)란 자동차 등에 설치된 여러 센서에서 데이터를 받아 연산을 한 뒤 다양한 액추에이터를 제어하는 전자장치이다. 영어 약자로 ECU(이씨유)라고 한다. 전자제어장치는 전자신호를 받아 현재 자동차의 특이점을 파악하여 문제가 있는지 확인하는 역할을 수행하며, 이를 통하여 엔진과 변속기 등의 모든 기기적 제어를 하는 역할도 한다.
개요
전자제어장치는 각종 센서 및 스위치가 자동차 주행상태에 따른 대기 온도, 대기압, 차량속도, 운전자의 악셀레이터 밞음정도, 기관냉각수 온도, 배출가스량, 기관작동상태등을 컴퓨터로 입력시켜 컴퓨터에서 점화시기 제어, 공전속도조정, 연료제어 분사하여, 연비, 엔진효율, 주행성능을 향상시키고 유해배출 가스를 줄어주기 위해 사용한다.[1] ECU란 이전에는 Engine Control Unit의 약자로 엔진제어장치라 불리었지만, 최근에는 전자 기술의 발달로 자동차에 각종 전자 장치가 장착되면서 Electronic Control Unit 전자제어장치로 사용되고 있다. 자동차의 자동차의 두뇌로 불리며, 엔진과 관련된 각종 센서에서 수집된 정보를 토대로 최적 연소를 통해 엔진 효율을 높이고, 운전자의 의도대로 엔진을 최적 제어해 주기 위해 엔진을 제어하는 컴퓨터이다. 엔진의 회전수, 변속 시기, 제동장치, 안전장치 등 차량의 모든 부분을 제어하고 있다.ECU(Electronic Control Unit) 전자제어장치는 위와 같이 차량 곳곳에 있는 다양한 센서에서 데이터를 받아서 연산을 한다. 이러한 연산을 통해 액추에이터(점화기, 피스톤 등)를 제어하여 차량을 운행할 때 최적화 및 안정된 출력과 연비를 만들어준다.[2]
종류
· ABS(Anti-lock Breaking System) ABS는 Anti-lock Braking System의 약자로 자동차 브레이크가 잠기지 않게 해주는 기능을 말한다. 브레이크가 잠기지 않게 한다는 것을 풀이하면 자동차의 제동력을 높이기 위해서는 브레이크를 길고 강하게 밟는 것이 아니라 짧게 여러 번 밟는 것이 좋다. 하지만 급제동이 필요한 시점에는 여러 번 브레이크를 밟을 정신이 없는 경우가 많다. 브레이크 제동력이 너무 강하면 타이어는 정지했는데 차는 주행 방향을 따라 노면 위를 미끄러져 가는 현상이 생긴다. 특히 눈, 비로 인해 수막이 생긴 노면에서는 타이어의 접지력이 더 떨어져 미끄러지기 쉽기 때문에 절대 급브레이크를 잡지 말라는 주의사항을 여기저기서 보게 된다. 이 때문에 자동차에 들어간 기능이 ABS다. ABS는 바퀴의 잠김 상태를 감지하여 타이어가 정지하면 자동으로 브레이크를 풀었다 걸었다 하며 타이어에 회전력을 주면서 제동력을 높여준다. 브레이크를 밟아 타이어가 잠기면 조향이 불가능해지는데, ABS 기능이 있는 차량은 급제동을 해도 조향장치(핸들)을 움직일 수 있다. 따라서 눈앞에 장애물이 있는 경우 일반 브레이크를 밟으면 핸들이 잠겨 피해 갈 수 없지만 ABS가 장착되어 있다면 핸들을 움직여 장애물을 피할 수 있게 된다. 우선 브레이크가 작동하는 원리에 대해 먼저 알아보면 발로 브레이크 페달을 밟으면 진공 부스터를 통해 페달을 밟은 힘이 증폭되게 된다. 이 힘은 마스터 실린더를 눌러 브레이크 오일을 각각의 바퀴와 연결된 브레이크 피스톤으로 밀어 넣게 된다. 브레이크 피스톤은 밀려나면서 브레이크 패드를 디스크에 닿게 하고, 여기서 발생한 마찰력으로 자동차가 감속을 하게 된다. ABS는 기본적인 브레이크 구조에서 마스터 실린더와 브레이크 피스톤 사이에 유압 제어 장치를 부착한 형태이다. ABS의 작동 핵심은 ECU(전자 제어 장치)와 유압 제어 장치에 있다. 자동차의 바퀴 4개에는 각각 속도 센서가 부착되어 있다. 여기서 측정한 속도는 ECU에 입력되고, ECU는 이 정보를 바탕으로 유압 제어 장치를 이용해 브레이크 유압을 조절하게 된다. 즉 브레이크를 밟았을 때 ABS가 동작하면 브레이크가 밟힌 상태로 유지되는 것이 아니라 압력이 늘었다 줄었다 하면서 여러 번 브레이크 페달을 나누어 밟는 효과를 볼 수 있게 되는 것이다.[3] · TCS(Traction Control System) 트랙션 컨드롤 시스템이라고 불리는 TCS는 가속 상황에 필요한 장치이다. 일반 ABS의 기능은 브레이크를 밟으면 느낄 수 있는 기능이지만 TCS 트랙션 컨트롤 시스템은 가속페달을 밟을 때 느낄 수 있는 부가기능이다. ABS와 마찬가지로 엔진 출력이 너무 강하거나 길이 얼어서 타이어가 미끄러지면 제대로 된 가속성능을 낼 수 없기 때문에 적절히 엔진 출력을 줄이거나 미끄러지는 타이어를 브레이크를 잡아 미끄러짐을 줄이도록 도와주는 장치이다. 디퍼런셜의 문제점은 저항이 없는 바퀴로 동력을 집중시킨다는 게 문제점입니다. TCS도 그런 디퍼런셜 때문에 나온 전자 시스템이다. 슬립하고 있는 바퀴의 제동력은 ABS처럼 주었다 풀었다를 반복하며 접지력이 조금이라도 발생하는 바퀴 쪽으로 동력을 집중 시키지만 조향 방향에 맞게 제어가 들어가 운전자가 핸들링으로 미끄러운 노면을 탈출할 수 있게 도와주는 겨울철 꼭 필요한 기능입니다. 그렇지만 TCS도 어려운 노면이 있긴하다. 바로 양쪽이 모두 미끄러운 노면에 있다면 원활한 성능을 뽑아내지 못할 수는 있다 그러나 엔진 회전수를 조절해 TCS가 없는 차량보다 탈출할 수 있는 능력은 조금 더 있기는 하다. 요즘 기본 사양으로 VDC, ESP, ESC 가 장착되어 있다면 TCS는 당연히 따라오는 기능이라고 보면 좋다. 예를 들어 TCS가 없는 차량으로 미끄러운 노면에서 출발을 시도하려고 엔진 회전수를 늘려 탈출을 하면 핸들 조향도 어렵겠지만 빠른 속도로 회전하는 바퀴가 갑자기 접지력이 생긴다면 자동차는 갑자기 뛰어나 나가는 급발진과 같은 느낌을 받을 수 있지만 TCS가 장착된 차량이면 엔진 토크를 일정하게 제어해 최상의 접지력을 확보해 예기치 못한 상황에서 탈출을 도와주고 탈출 후에도 안전하게 조향을 할 수 있게 만든 안전장치라고 보면 된다. 그리고 계기판에서 TCS의 작동을 확인할 수 있다. TCS가 작동하면 램프가 깜빡이는데 이 램프는 바로 자동차 그림에 물결 모양 2줄로 되어 있는 바로 ESP, VDC, ESC 버튼과 동일한 모양이다. 램프가 깜빡깜빡하며 약간에 진동이 발생하면 바로 TCS가 작동하고 있다는 것이다 램프가 점등되었다 없어졌다고 고장났다고 판단을 하면 안된다. 그렇지만 평상시 계속 점등되었다면 그건 문제가 있는 거니 꼭 방문해 점검을 받으시는 게 좋다. 드리프트를 하기 위해서는 TCS 기능을 꺼야한다. TCS가 작동하는 상황에서는 드리프트를 할 수 없게 설계되어있다. TCS가 제어를 시작하는 가장 큰 이유는 타이어의 슬립을 제어하기 때문이죠 그렇기 때문에 드리프트 차량인데 TCS를 켜고 절대 불가능합니다. 엔진의 출력을 다운시키고 브레이크 제어가 들어가기 때문에 타이어 슬립이 발생할 수 없다. 다양한 부가기능들이 있지만 느낄 수 없게 운전하는 사람도 있고 차량의 한계를 시험하는 모험적인 운전자도 있다. 어떤 돌발 상황이 발생해도 당황하지 않고 안전하게 자동차와 운전자를 보호하는 장치들이 있다는 거 기억하셨으면 좋겠습니다. 디퍼런셜의 단점을 보안하기 위해 만들어진 TCS는 기계장치가 아닌 전자식 제어장치라고 보시면 좋겠고 브레이크 장치로 장치를 부가기능으로 파생시켜 개발되었으며 복잡한 장치가 아닌 소프트웨어로 제어를 한다는 거 기억하셨으면 좋겠습니다.[4]
· VDC(Vehicle Dynamic Control) VDC는 Vehicle dynamic control의 약자로 우리나라 말로 해석하면 자동차의 자세제어로 해석할 수 있다. VDC가 장착되면 ABC와 TCS제어를 포함하는데 VDC는 요 모멘트 제어와 자동감속기능을 포함해서 기존 시스템과는 달리 차량의 자세를 제어할 수 있는 것이 특징이다. 기존의 시스템에서는 요잉(YAWING)제어를 할 수 있는 시스템이 설치되어 있지 않았다. 차량의 자세제어를 제어하는데 기여한 ECS는 차량의 롤링(ROLLING)과 피칭(PITCHING)과 바운싱(BOUNCEING) 제어를 통해 차량의 주행 중 발생되는 진동을 억제하여 차량의 안전을 확보했는데 차량의 코너링(CORNERING) 시 발생되는 언더/오버 스티어에 대한 제어는 할 수 없었다. VDC는 차량의 요 모멘트 제어를 통해 언더/오버 스티어를 제어함으로써 차량의 한계 스핀을 억제하여 보다 안정된 차량의 주행성능을 확보할 수 있는 안전한 시스템이다. 즉 VDC란 차량의 미끄러짐을 감지하여 운전자가 제동을 가하지 않아도 자동으로 각 차륜의 브레이크 압력과 엔진 출력을 제어함으로써 차량의 안전성을 확보하는 장치이다. VDC는 EBD 제어, ABS 제어, TCS 제어기능을 포함하고 있으며 요 모멘트 제어와 자동감속제어를 같이 수행한다. 정리해 보면 VDC는 스핀 또는 언더 스티어링 등의 발생을 억제하여 이로 인한 사고를 미연에 방지하는 장치로 차동차에 스핀이나 언더,오버 스티어링이 발생하면 이를 감지하여 자동적으로 안쪽 바퀴나 바깥쪽 바퀴에 제동을 가하여 자동차의 자세를 제어함으로써 안정된 상태를 유지하며 스핀 한계직전에서 자동 감속하며 이미 발생한 경우에는 각 바퀴별로 제동력을 제어하여 스핀이나 언더 오버 스티어링의 발생을 미연에 방지하여 안정된 운행을 하도록 도와 주는 시스템이다.[5]
· TPMS(Tire Pressure Monitoring System) 지난 2015년부터 국내에 출시되는 모든 승용차에 타이어공기압 모니터링 시스템(TPMS)이 의무적으로 장착되어 있다. TPMS는 자동차의 각 휠에 내장된 공기압력센서가 타이어 내부공기압을 측정해 펑크 등의 이유로 타이어공기압이 부족한 경우 운전자에게 알려줌으로써 만일의 사고에 대비할 수 있도록해 주는 안전장치이다.
그런데 새벽 기온이 영하로 뚝 떨어지는 최근 이른 아침 시동을 걸 때 계기판에 타이어공기압 경고등이 점등될 경우 혹시나 타이어 펑크가 나지 않았는지 또는 육안 상 이상이 없어 보이는데도 경고등이 들어온 채로 사무실까지 무사히 주행할 수 있는지 걱정돼 대략 난감한 경우를 겪는 운전자들을 자주 접하게 된다.
이러한 경우 타이어 펑크인 경우보다는 공기압 부족이 원인인 경우가 대부분이며, 기온이 오르는 오후나 일정시간 주행을 통해 타이어 내부 공기온도가 상승할 경우 정상으로 돌아오는 경우가 대부분이다. 일반적으로 TPMS의 공기압력 센서는 센서ID(타이어위치), 타이어압력, 센서배터리 수준 등을 리모트키모듈(RFA, Remote Function Actuator)에 전송하고 이 값은 보디컨트롤모듈(BCM)을 통해 계기판(클러스터 또는 IPC)에 정보가 표시된다.
계기판에 4바퀴의 현재 공기압을 직접 보여주거나 평소엔 보이지 않다가 이상이 생길 경우 계기판에 해당 타이어의 위치와 압력을 DTC(고장코드)로 알려주기도 한다. 센서는 정지상태일 때 30초마다 타이어압력을 샘플링하고 40km/h 이상의 속도로 주행하면 10초에 한 번씩 타이어압력과 타이어 내부온도를 감지해 60초마다 RFA로 전송한다.
타이어압력 경고등은 시동을 걸면 점등되었다가 바로 꺼지지만 하나 이상의 타이어에 이상 공기압이 감지되면 계속 켜져 있는다. 특히 타이어압력이 1.25psi(약 8.3kPa) 이상 변화할 경우 즉시 신호를 전송한다. 이 경우는 타이어압력이 펑크 등으로 급격히 감소하는 경우라 할 수 있다. 타이어압력 경고등은 대부분의 경우 규정 공기압력을 기준으로 25% 이상 압력변화가 생길 때 점등된다.
사실 타이어공기압이 25% 이상 감소하더라도 육안상으로 차이를 구별하기는 거의 어려운 것이 사실이다. 그래서 TPMS가 필요한 이유이기도 하다. 적정공기압(최대하중에서 권장 냉간공기압)은 앞좌석 도어를 열면 좌측 또는 우측 하단에 표시되어 있다. 적정공기압은 차종별(타이어 사이즈별)로 다르지만 일반적으로 약 30~35psi(약 207~241kPa) 내외이다.
기준 공기압력이 35psi(241kPa)이라면 공기압이 25% 정도 감소할 경우 약 180kPa(26psi)이하일 때 공기압경고등이 점등한다. 그런데 적정공기압을 주입했는데도 이른 아침 타이어공기압 경고등이 뜨는 이유는
공기는 기온이 낮을수록 부피가 줄어들고 이에 따라 압력도 줄어들기 때문이다. 기온이 급강하는 겨울철 이른 아침엔 타이어 내부의 공기온도도 낮아지므로 타이어공기압이 낮아질 수밖에 없다.
이른 아침 타이어압력이 낮아진 경우 약 190~240kPa(약 27.5~34psi) 정도에서도 경고등이 점등되는데 이른 기준 공기압보다 공기압이 높은 경우에 자주 나타나는 현상이며, 210kPa 이상이라면 공기압을 보충하지 않더라도 주행이 가능한 수치이므로 신경쓰지 않아도 된다.
또한 TPMS가 초기화 및 정상 작동되는 40km/h 이상으로 주행한 후 경고등이 없어진다면 일시적인 공기압저하로 보시면 될 것 같습니다. 물론 주행 후 다시 시동을 걸었는데도 계속 경고등이 점등된다면 정비업소에 가셔셔 공기압을 보충하거나 점검을 받아야 한다.
참고로 정비업소나 자동차 제원상 공기압 기준 단위는 프사이(psi)를 사용하지만 TPMS의 경우 SI 유도단위(공학 및 과학 기준단위)인 파스칼 단위인 킬로파스칼(kPa)을 사용한다.(1psi는 약 6.89kPa입니다). 아래 표는 실제 타이어 주입공기량과 타이어압력 경고등 점등조건(기준압력 25% 이하)을 정리한 것이다.[6] · AFS(Air Flow Sensor) 흡입 공기량 측정 장치는 연소실 내로 흡입되는 공기량을 측정하는 장치로써 실린더 내로 흡입되는 공기량을 ECU가 인식할 수 있도록 흡입 공기량 신호를 전기적 신호로 변환하여 ECU로 입력시키는 장치이다. ECU는 흡입 공기량 측정 장치로부터 입력되는 흡입 공기량과 기관 회전 신호를 근거로 기본 연료 분사량을 결정한다. 엔진내 흡입되는 공기량을 어떤 방식으로 측정하여 연료 분사량을 결정하느냐에 따라 전자 제어 연료 분사 방식은 K-Jetronic, L-Jetronic, D-Jetronic 등으로 구분한다. K-Jetronic에서 제트로닉(Jetronic)은 영어의 인젝션과 같은 "분사하다"의 뜻을 가지고 있으며 K는 독일어의 컨티뉴리치(Kontinuierlich)의 머리글로써 "연속적인"이란 뜻을 지니고 있으며 현재까지 국내 차량에는 채택되지 않는다. L-Jetronic의 L은 루프트(Luft:공기 대기의 뜻)의 첫글자로써 공기량을 측정하여 엔진내 연료를 공급한다 는 뜻을 가지고 있다. 공기량 측정 방법은 엔진의 공기 통로에 공기량 측정 센서를 설치 후 엔진이 작동시 엔진내 흡입되는 모든 공기가 센서를 통과하는 모든 공기량을 직접 측정하여 그 양을 전기적 신호로 변환하여 ECU로 입력시키는 장치로써 현재 국내에서 가장 널리 사용되고 있다. 흡입되는 공기량의 측정 밀도가 높아 공연비 제어가 우수하여 배기가스 제어에 효과가 좋다. L-제트로닉 차량의 공기량을 감지하는 센서로는 베인 방식의 에어 플로 센서와 열식 에어 플로 센서 그리고 칼만 와류 방식의 에어 플로 센서가 주로 사용되고 있다. D-Jetronic의 D는 드루크(Druck:압력, 기압의 뜻)의 첫글자로써 엔진내 진공을 측정하여 연료를 분사한다 는 뜻을 지니고 있다. 엔진 상태에 따른 흡기 다기관 내의 진공도 변화를 측정하여 측정된 진공도를 전기적 신호로 변환하여 ECU로 입력함으로써 ECU는 간접적으로 엔진내로 흡입되는 공기량을 측정하는 방식이다. 주로 흡기 다기관 내의 압력을 측정하기 위하여 M.A.P(Manifold Absolute Pressure) 센서가 널리 사용되고 있다. 이상과 같이 어떤 방식으로 실린더 내로 흡입되는 공기량을 측정하느냐에 따라 차량의 공연비 제어나 배기 가스 저감 등의 특성이 구분될 정도로 흡입 공기량 측정 장치는 중요하다.[7]
· TPS(Throttle Position Sensor) 스로틀 포지션센터는 TPS라고 불리우며, 그로틀 밸브의 위치, 즉 개방 각도를 측정하여 개방 각도에 따라서 연료량을 조절하는 역할을 한다. 스로틀 포지션 센서는 엔진에서 필요로 하는 연료량에 직접 개입하여 신호를 제공한다. 스로틀 포지션 센서의 신호는 지속적으로 측정 되어지며 대기 온도, 엔진의 RPM과 공기 질량 흐름과 같은 데이터들과 다 같이 지속적으로 결합되어 데이터를 제공하여 엔진에 분사되는 연료의 양과 점화 타이밍을 결정하는데 사용된다. 스로틀 포지션 센서와 연계되어 있는 다른 센서들과 정상 작동을 하게 되면 최상의 연비를 유지하면서 원활한 주행과 효율적인 가속이 가능하게 한다. 스로틀 포지션 센서가 정상 작동하지 않으면 엔진 제어 모듈에 필요한 정확한 연료의 양과 점화 타이밍을 측정하지 못하여 필요한 부드러운 주행과 적절한 가속도가 발생할 수 없다. 스로틀 포지션 센서는 고장나는 방식에는 여러가지가 존재하며, 사소하게는 연비가 저하되지만 심각하게는 자동차의 성능이 극단적으로 제한되며 심각한 안전상의 위험 발생 요소가 될 수 있다. 스로틀 포지션 센서가 조금이라도 문제가 발생하여 정상 작동하지 않기 시작한다면 즉시 교체를 해주어야 한다.[8] · ECTS(Engine Cooling water Temperature Sensor), WTS(Water Temperature Sensor)
· ATS(Air Temperature Sensor) 흡기온도센서
· 노크센서 (Knock Sensor) . · CAS(Crank Angle Sensor) 크랭크 각 센서
· ISC(Idle Speed Controller) 공회전속도조절장치
· 공회전 스위치 센서 (Idle Switch Sensor)
각주
- ↑ 〈전자제어 장치의 개요〉, 《강주원 자동차》
- ↑ 주식회사 카버샵, 〈자동차 전자제어장치 ECU〉, 《네이버 블로그》, 2018-09-28
- ↑ 바름정비, 〈[https://m.post.naver.com/viewer/postView.nhn?volumeNo=11473171&memberNo=30135833 ABS 시스템, 그것이 궁금하다! ]〉, 《네이버 포스트》, 2017-12-22
- ↑ 저스트H, 〈TCS(Traction Control System) 작동원리〉, 《네이버 블로그》, 2017-09-28
- ↑ 김성호, 〈VEHICLE DYNAMIC CONTROL SYSTEM (VDC)〉, 《다음 블로그》, 2010-05-14
- ↑ 글쓴이, 〈펑크 아니면 공기압, TPMS 제대로 알기〉, 《오토헤럴드》, 2016-12-19
- ↑ 고목나무 희성, 〈흡입 공기량 측정장치(AFS)〉, 《다음 카페》, 2005-04-08
- ↑ 웅스웅스, 〈자동차 전문 이야기 - 스로틀 포지션 센서〉, 《티스토리》, 2021-01-22
같이 보기
