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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
전자제어 장치는 각종 센서 및 스위치가 자동차 주행상태에 따른 대기 온도, 대기압, 차량 속도, 운전자의 악셀레이터 밞음정도, 기관냉각수 온도, 배출가스양, 기관작동상태 등을 컴퓨터로 입력 시켜 컴퓨터에서 점화 시기 제어, 공전 속도조정, 연료제어 분사하여, 연비, 엔진 효율, 주행성능을 향상하고 유해배출 가스를 줄여 주기 위해 사용한다.[1] ECU란 이전에는 Engine Control Unit의 약자로 엔진제어장치 라 불리었지만, 최근에는 전자 기술의 발달로 자동차에 각종 전자 장치가 장착되면서 전자제어장치(Electronic Control Unit)로 사용되고 있다. 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. 전자제어 장치는 위와 같이 차량 곳곳에 있는 다양한 센서에서 데이터를 받아서 연산한다. 이러한 연산을 통해 액추에이터(점화기, 피스톤 등)를 제어하여 차량을 운행할 때 최적화 및 안정된 출력과 연비를 만들어준다.[2]
전자제어장치 유형에는 다음이 포함된다. 엔진제어모듈(ECM), 파워트레인 제어모듈(PCM), 변속기 제어모듈(TCM), 브레이크 제어모듈(BCM 또는 EBCM), 중앙제어모듈(CCM), 중앙 타이밍 모듈(CTM), 일반 전자 모듈(GEM), 차체 제어 모듈(BCM), 서스펜션 제어 모듈(SCM), 제어장치 또는 제어모듈. 종합하면 이러한 시스템을 "자동차의 컴퓨터"라고도 한다.[3]
종류
- 잠김 방지 제동장치(Anti-lock Breaking System) : 잠김방지제동장치는 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 잠김방지제동장치다. 잠김방지제동장치는 바퀴의 잠김 상태를 감지하여 타이어가 정지하면 자동으로 브레이크를 풀었다 걸었다 하며 타이어에 회전력을 주면서 제동력을 높여준다. 브레이크를 밟아 타이어가 잠기면 조향이 불가능해지는데, 잠김 방지 제동장치 기능이 있는 차량은 급제동해도 조향장치(핸들)를 움직일 수 있다. 따라서 눈앞에 장애물이 있는 경우 일반 브레이크를 밟으면 핸들이 잠겨 피해 갈 수 없지만 잠김 방지 제동장치가 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 감속하게 된다. 잠김방지제동장치는 기본적인 브레이크 구조에서 마스터 실린더와 브레이크 피스톤 사이에 유압 제어 장치를 부착한 형태이다. 잠김방지제동장치의 작동 핵심은 전자 제어 장치(ECU)와 유압 제어 장치에 있다. 자동차의 바퀴 4개에는 각각 속도 센서가 부착되어 있다. 여기서 측정한 속도는 전자제어장치에 입력되고, 전자제어장치는 이 정보를 바탕으로 유압 제어 장치를 이용해 브레이크 유압을 조절하게 된다. 즉 브레이크를 밟았을 때 잠김 방지 제동장치가 동작하면 브레이크가 밟힌 상태로 유지되는 것이 아니라 압력이 늘었다 줄었다 하면서 여러 번 브레이크 페달을 나누어 밟는 효과를 볼 수 있게 되는 것이다.[4]
- 트랙션 컨드롤 시스템(Traction Control System) : TCS라고 불리는 트랙션 컨트롤 시스템은 가속 상황에 필요한 장치이다. 일반 잠김방지제동장치의 기능은 브레이크를 밟으면 느낄 수 있는 기능이지만 트랙션 컨트롤 시스템은 가속페달을 밟을 때 느낄 수 있는 부가기능이다. 잠김방지제동장치와 마찬가지로 엔진 출력이 너무 강하거나 길이 얼어서 타이어가 미끄러지면 제대로 된 가속 성능을 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. 트랙션 컨트롤 시스템도 그런 디퍼런셜 때문에 나온 전자 시스템이다. 슬립하고 있는 바퀴의 제동력은 잠김 방지 제동장치처럼 주었다 풀기를 반복하며 접지력이 조금이라도 발생하는 바퀴 쪽으로 동력을 집중시키지만 조향 방향에 맞게 제어가 들어가 운전자가 핸들링으로 미끄러운 노면을 탈출할 수 있게 도와주는 겨울철 꼭 필요한 기능입니다. 그렇지만 트랙션 컨트롤 시스템도 어려운 노면이 있긴 하다. 바로 양쪽이 모두 미끄러운 노면에 있다면 원활한 성능을 뽑아내지 못할 수는 있다. 그러나 엔진 회전수를 조절해 트랙션 컨드롤 시스템이 없는 차량보다 탈출할 수 있는 능력은 조금 더 있기는 하다. 요즘 기본 사양으로 차체자세제어장치가 장착되어 있다면 트랙션 컨드롤 시스템은 당연히 따라오는 기능이라고 보면 좋다. 예를 들어 트랙션컨트롤시스템이 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 트랙션컨트롤시스템이 장착된 차량이면 엔진 토크를 일정하게 제어해 최상의 접지력을 확보해 예기치 못한 상황에서 탈출을 도와주고 탈출 후에도 안전하게 방향을 바꿀 수 있게 만든 안전장치라고 보면 된다. 그리고 계기판에서 트랙션컨트롤시스템의 작동을 확인할 수 있다. 트랙션컨트롤시스템이 작동하면 램프가 깜빡이는데 이 램프는 바로 자동차 그림에 물결 모양 2줄로 되어 있는 바로 차체자세제어장치 버튼과 동일한 모양이다. 램프가 깜빡깜빡하며 약간에 진동이 발생하면 바로 트랙션컨트롤시스템이 작동하고 있다는 것이다. 램프가 점등되었다. 없어졌다고 고장 났다고 판단을 하면 안 된다. 그렇지만 평상시 계속 점등되었다면 그건 문제가 있는 거니 꼭 방문해 점검을 받는 것이 좋다. 드리프트를 하기 위해서는 트렉션컨트롤시스템 기능을 꺼야 한다. 트랙션컨트롤시스템이 작동하는 상황에서는 드리프트를 할 수 없게 설계되어있다. 트랙션컨트롤시스템이 제어를 시작하는 가장 큰 이유는 타이어의 슬립을 제어하기 때문이다. 그렇기 때문에 드리프트 차량인데 트렉션컨트롤시스템을 켜고 절대 불가능하다. 엔진의 출력을 다운시키고 브레이크 제어가 들어가기 때문에 타이어 슬립이 발생할 수 없다.[5]
- 차체 자세 제어장치(Vehicle Dynamic Control) : 차체 자세 제어장치는 Vehicle dynamic control의 약자로 우리나라 말로 해석하면 자동차의 자세제어로 해석할 수 있다. 차체 자세 제어장치가 장착되면 잠김방지제동장치와 트랙션 컨트롤 시스템 제어를 포함하는데 차체 자세 제어장치는 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 전자식 제어 서스펜션은 차량의 롤링(ROLLING)과 피칭(PITCHING)과 바운싱(BOUNCEING) 제어를 통해 차량의 주행 중 발생하는 진동을 억제하여 차량의 안전을 확보했는데 차량의 코너링(CORNERING) 시 발생하는 언더/오버 스티어에 대한 제어는 할 수 없었다. 차체 자세 제어장치는 차량의 요 모멘트 제어를 통해 언더/오버 스티어를 제어함으로써 차량의 한계 스핀을 억제하여 더욱 안정된 차량의 주행성능을 확보할 수 있는 안전한 시스템이다. 즉 차체 자세 제어장치란 차량의 미끄러짐을 감지하여 운전자가 제동을 가하지 않아도 자동으로 각 차륜의 브레이크 압력과 엔진 출력을 제어함으로써 차량의 안전성을 확보하는 장치이다. 차체 자세 제어장치는 전자제어 제동력 분배 시스템 제어, 잠김 방지 제동장치 제어, 트랙션 컨트롤 시스템 제어기능을 포함하고 있으며 요 모멘트 제어와 자동 감속 제어를 같이 수행한다. 정리해 보면 차체 자세 제어장치는 스핀 또는 언더 스티어링 등의 발생을 억제하여 이로 인한 사고를 미연에 방지하는 장치로 자동차에 스핀이나 언더, 오버 스티어링이 발생하면 이를 감지하여 자동으로 안쪽 바퀴나 바깥쪽 바퀴에 제동을 가하여 자동차의 자세를 제어함으로써 안정된 상태를 유지하며 스핀 한계 직전에서 자동 감속하며 이미 발생한 경우에는 바퀴별로 제동력을 제어하여 스핀이나 언더 오버 스티어링의 발생을 미연에 방지하여 안정된 운행을 하도록 도와주는 시스템이다.[6]
- 타이어 공기압 경보장치(Tire Pressure Monitoring System) : 지난 2015년부터 국내에 출시되는 모든 승용차에 타이어 공기압 모니터링 시스템(TPMS)이 의무적으로 장착되어 있다. 차체 자세 제어장치는 자동차의 각 휠에 내장된 공기압력 센서가 타이어 내부공기압을 측정해 펑크 등의 이유로 타이어 공기압이 부족한 경우 운전자에게 알려줌으로써 만일의 사고에 대비할 수 있도록 해 주는 안전장치이다. 그런데 새벽 기온이 영하로 뚝 떨어지는 최근 이른 아침 시동을 걸 때 계기판에 타이어 공기압 경고등이 점등될 경우 혹시나 타이어 펑크가 나지 않았는지 또는 육안상 이상이 없어 보이는데도 경고등이 들어온 채로 사무실까지 무사히 주행할 수 있는지 걱정돼 아주 난감한 경우를 겪는 운전자들을 자주 접하게 된다. 이러면 타이어 펑크인 경우보다는 공기압 부족이 원인인 경우가 대부분이며, 기온이 오르는 오후나 일정 시간 주행을 통해 타이어 내부 공기 온도가 상승할 경우 정상으로 돌아오는 경우가 대부분이다. 일반적으로 차체 자세 제어장치의 공기압력 센서는 센서 ID(타이어 위치), 타이어 압력, 센서 배터리 수준 등을 리모트 키 모듈(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 고장코드(DTC)로 알려주기도 한다. 센서는 정지상태일 때 30초마다 타이어 압력을 샘플링하고 40km/h 이상의 속도로 주행하면 10초에 한 번씩 타이어 압력과 타이어 내부온도를 감지해 60초마다 차량 컴퓨터로 전송한다. 타이어 압력 경고등은 시동을 걸면 점등되었다가 바로 꺼지지만 하나 이상의 타이어에 이상 공기압이 감지되면 계속 켜져 있는다. 특히 타이어 압력이 1.25psi(약 8.3kPa) 이상 변화할 경우 즉시 신호를 전송한다. 이 경우는 타이어 압력이 펑크 등으로 급격히 감소하는 경우라 할 수 있다. 타이어 압력 경고등은 대부분은 규정 공기압력을 기준으로 25% 이상 압력변화가 생길 때 점등된다. 사실 타이어 공기압이 25% 이상 감소하더라도 육안상으로 차이를 구별하기는 거의 어려운 것이 사실이다. 그래서 차체 자세 제어장치가 필요한 이유이기도 하다. 적정공기압(최대하중에서 권장 냉 간 공기압)은 앞 좌석 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 공기압 경고등이 점등한다. 그런데 적정공기압을 주입했는데도 이른 아침 타이어 공기압 경고등이 뜨는 이유는 공기는 기온이 낮을수록 부피가 줄어들고 이에 따라 압력도 줄어들기 때문이다. 기온이 급강하는 겨울철 이른 아침엔 타이어 내부의 공기 온도도 낮아지므로 타이어 공기압이 낮아질 수밖에 없다. 이른 아침 타이어 압력이 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 신경 쓰지 않아도 된다. 또한 차체 자세 제어장치가 초기화 및 정상 작동되는 40km/h 이상으로 주행한 후 경고등이 없어진다면 일시적인 공기압 저하로 보면 된다. 물론 주행 후 다시 시동을 걸었는데도 계속 경고등이 점등된다면 정비업소에 가셔서 공기압을 보충하거나 점검을 받아야 한다. 참고로 정비업소나 자동차 제원상 공기압 기준 단위는 프사이(psi)를 사용하지만, 차체 자세 제어장치의 경우 SI 유도단위(공학 및 과학 기준단위)인 파스칼 단위인 킬로 파스칼(kPa)을 사용한다. (1psi는 약 6.89kPa이다). 아래 표는 실제 타이어 주입공기량과 타이어 압력 경고등 점등조건(기준압력 25% 이하)을 정리한 것이다.[7]
- 에어 플로우 센서(Air Flow Sensor) : 흡입 공기량 측정 장치는 연소실 내로 흡입되는 공기량을 측정하는 장치로써 실린더 내로 흡입되는 공기량을 전자제어 장치가 인식할 수 있도록 흡입 공기량 신호를 전기적 신호로 변환하여 전자제어 장치로 입력시키는 장치이다. 전자제어 장치는 흡입 공기량 측정 장치로부터 입력되는 흡입 공기량과 기관 회전 신호를 근거로 기본 연료 분사량을 결정한다. 엔진 내 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 첫 글자로써 공기량을 측정하여 엔진 내 연료를 공급한다는 뜻을 가지고 있다. 공기량 측정 방법은 엔진의 공기 통로에 공기량 측정 센서를 설치 후 엔진이 작동 시 엔진 내 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 열 식 에어 플로 센서 그리고 칼만 와류 방식의 에어 플로 센서가 주로 사용되고 있다. D-Jetronic의 D는 드루크(Druck:압력, 기압의 뜻)의 첫 글자로써 엔진 내 진공을 측정하여 연료를 분사한다 는 뜻을 지니고 있다. 엔진 상태에 따른 흡기 다기관 내의 진공도 변화를 측정하여 측정된 진공도를 전기적 신호로 변환하여 전자제어 장치로 입력함으로써 전자제어 장치는 간접적으로 엔진 내로 흡입되는 공기량을 측정하는 방식이다. 주로 흡기 다기관 내의 압력을 측정하기 위하여 M.A.P(Manifold Absolute Pressure) 센서가 널리 사용되고 있다. 어떤 방식으로 실린더 내로 흡입되는 공기량을 측정하느냐에 따라 차량의 공연비 제어나 배기가스 저감 등의 특성이 구분될 정도로 흡입 공기량 측정 장치는 중요하다.[8]
- 스로틀 포지션 센서(Throttle Position Sensor) : 스로틀 포지션 센서는 TPS라고 불리며, 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 지속해서 측정 되며 대기 온도, 엔진의 RPM과 공기 질량 흐름과 같은 데이터들과 다 같이 지속해서 결합하여 데이터를 제공하여 엔진에 분사되는 연료의 양과 점화 타이밍을 결정하는 데 사용된다. 스로틀 포지션 센서와 연계된 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 고장 나는 방식에는 여러 가지가 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.[9]
- 냉각수 온도 센서(Water Temperature Sensor) : 이 센서는 전자 제어식 연료 분사 장치의 냉각수 온도 검출에 주로 사용되는 센서이다. 이 냉각 수온 센서는 온도의 변화를 저항값의 변화로써 검출하는 것으로 저항값이 온도에 따라 크게 변하게 된다. 수온이 낮을 때는 저항값이 커지고 수온이 올라가면서 저항값이 작아진다. 이를 부특성 서미스터라 한다. 전자제어식 연료 분사 장치에서 냉각 수온 센서의 기능은 엔진이 예열되지 않은 상태에서 냉각수 온도가 낮을 때 공연비를 짙게 해서 엔진의 연소가 안정적으로 되도록 해준다. 만약 엔진이 예열되지 않았을 때 엔진 온도가 낮다는 신호를 보내지 않으면 공연비가 너무 옅어지게 되어 엔진이 불안정하게 된다. 반대로 엔진이 예열되었을 때 엔진 온도가 낮다는 신호를 보내게 되면 공연비가 너무 짙어지므로 이때도 엔진이 불안정해진다. 그러므로 냉각 수온 센서는 엔진의 상태에 따라 냉각수 온도를 검출해서 최적의 공연비가 되도록 제어해주는 중요한 센서가 되겠습니다. 위에서 말씀드린 기본적인 기능 이외에도 시동 시 연료 분사량 보정, 점화 시기 보정 등의 기능을 하며 차량에 따라 EGR 솔레노이드 밸브와 퍼지 컨트롤 솔레노이드 밸브를 제어하는 역할을 하기도 한다.[10]
- 흡기온도센서(Air Temperature Sensor) : 엔진에 흡입되는 공기의 질량은 온도 및 대기압력에 따라 변하므로 체적유량을 계측하는 AFM (베인식. 칼만와류식 등)에서는 이들 온도 및 압력에 대한 공기의 질량 보정이 요구된다. 따라서 흡기온도 센서는 AFM 내 또는 MAP 센서 내에 장착되거나 에어클리너 부근에 별도로 장착되어 흡입되는 공기 온도를 검출하는 것으로 부특성 서미스터 ( NTC : thermister) 로 되어있으며 ECU는 ATS로부터 출력전압을 기초로 하여 흡입 공기 온도에 대한 분사량의 보정을 행한다. 부특성 서미스터의 출력 특성은 그림에서 나타낸 바처럼 온도가 증가함에 따라 저항값이 감소하는 경향을 나타내며. 서미스터를 구성하는 물질에 따라 측정 가능한 온도 범위와 특성이 변화한다. 흡기온도 센서 S를 장착하는 목적은 흡입되는 공기의 온도를 감지하여 공기의 실제 무게 ( 공기분자수) 를 정확히 알기 위함이다. ATS의 출력전압은 공기온도가 변화함에 따라 센서 저항값이 변화하며 0.1V~5V 사이이다. 흡기 온도 센서에의 한 분사량 영향은 그다지 크지 않음으로 엔진의 부조나 출력에는 큰 영향을 주지 않는다.[11]
- 노크 센서 (Knock Sensor) : 흡입/압축/폭발/배기행정을 가진 자동차용 4행정 내연기관은 폭발행정이 정상적으로 이루어지면서 연소실의 온도와 압력이 상승했다. 배기행정에서 실린더 압력이 낮아지는 과정이 반복되면서 일정한 패턴의 엔진 진동이 발생하지만 연료의 품질이나 엔진의 온도, 점화 시기(분사시기/디젤엔진) 등 어떤 원인에 의하여 비정상적인 연소가 발생하면 연소온도가 급격하게 증가하면서 압력파에 의한 소음이나 피스톤 스커트 부위와 실린더가 접촉되면서 소음(슬랩음)이 발생하는데 이런 현상을 노크(또는 노킹)라 하고 이때 발생하는 소음을 노킹음이라고 한다. 소음의 원인은 연소실에서 연료가 점화되어 최고로 압력이 상승하는 시점이 피스톤이 상사점을 약간 지난 지점(ATDC 5도 전후)일 때 가장 이상적이므로 엔진 제어 시스템은 이 부근에서 최대압력을 얻을 수 있도록 점화 시기를 조절하는데 어떤 원인에 의하여 조기 점화가 발생하면 피스톤이 상사점에 이르기 전(BTDC) 아직 크랭크축이 상승하는 중에 최고연소압력에 도달하게 되어 폭발압력과 피스톤이 상승하는 두 개의 힘이 부딪히면서 연소압력이 불규칙해지고 연소온도도 급격하게 상승하면서 발생하는 높은 주파수의 압력파나 압력파에 의해 피스톤이 실린더 벽을 빠르게 두드리면서 특유의 금속성 소음이 발생하게 되는 것이다. 노크가 발생하면 소음 외에도 출력 저하가 발생하며 엔진의 온도가 비정상적으로 높아지며 배출가스가 급격히 증가하게 되고 심하면 피스톤과 실린더의 유막이 파괴되면서 마찰이 발생하여 엔진이 파손되기도 한다. 노크는 연소실에서 최고폭발압력이 형성되는데 가장 큰 영향을 주는 점화 시기(분사시기)가 가장 중요한 원인으로 작용하고 있으며 엔진의 온도도 중요한 발생 원인 중 하나이다. 가솔린 엔진의 점화 시기는 연소실에서 최초 점화가 이루어진 후 각 조건에 따른 최고압력에 이르는 시간(지연시간)을 고려하여 결정되며 해당 엔진에서 최고의 성능이 나타나는 점화 시기는 노크가 발생하기 직전이며 이 최적 타이밍을 기관의 최대 토크를 얻는 최소 점화 시기(Minimum spark advance for Best Torque) 라고 한다. 점화 시기가 빠르면(진각되면) 연소실의 온도가 높아지면서 엔진 회전수가 증가하며 엔진의 출력이 향상되지만, 너무 빠르면 노킹이 발생하며 점화 시기가 늦어지면(지각되면) 빠른 상태와 반대의 현상이 발생하므로 점화 시기는 노크가 발생하기 직전의 상태가 가장 좋다. 이렇게 엔진에 나쁜 영향을 주는 노크 현상을 엔진의 진동으로 검출하는 센서가 노크 센서이다. 노크 센서의 종류를 보면 엔진에서 노크를 검출하는 방법에는 여러 가지가 있지만, 압전소자를 이용하여 노크 발생 시 나타나는 진동의 크기(주파수)를 이용하는 형식의 노크 센서를 많이 사용한다. 진동검출형 노크 센서에는 공진형과 비공진형이 있는데 공진형에는 고주파식과 광대역 식이 있고 비공진형에는 진동식과 압력식이 있다. 공진형 노크 센서는 축에 얇은 금속판에 고정하고 압전소자를 붙이면 외부 진동에 의해 금속판이 진동되면서 압전소자가 작용하므로 발생 전압이 높은 특징이 있는데 고주파식은 반응이 빨라 성능이 우수하고 전기적 노이즈에도 안정적이지만 엔진에서 발생하는 노킹 주파수와 센서의 공진주파수를 맞춰야 하는 단점이 있다. 고주파식 공진형 노크 센서의 빠른 진동을 감소시키기 위하여 금속판과 압전소자 주위에 진동을 흡수하는 물질로 적당히 채운 공진형 광대역 식은 고주파식보다 반응은 느리지만, 노킹을 검출하는 성능은 우수하다. 비공진형 노크 센서의 진동식은 금속추가 진동하는 것에 따라 압전소자가 작용하는 형식으로 구조가 간단하고 발생 주파수가 빠르고 범위가 넓지만 발생 전압이 낮아 필터 회로와 증폭회로가 필요하지만 모든 엔진에 적용이 가능한 장점이 있으며 압력식은 압전소자를 점화플러그와 실린더 헤드 사이에 가스겟 형태의 센서로 만든 형식이다. 공진형 노크 센서에서는 광대역 식이 주로 사용되고(도요타 등) 비공진형 노크 센서에서는 진동식 노크 센서(현대 등)가 많이 사용되고 있다. 노크 센서의 구조 중 공진형 노크 센서의 구조는 위 그림과 같고 비공진형 진동식 노크 센서는 그림과 같이 금속파이프에 아랫부분에는 압전소자를 윗부분에는 금속추를 조립하고 압전소자 윗면과 아랫면에 전극을 설치한 형태로 되어 있으며 센서가 엔진에 조립되는 중앙의 파이프 부분을 제외한 센서 전체는 강화 플라스틱으로 쌓여 있고 엔진과 접촉되는 부분은 엔진의 진동을 확실하게 전달받기 위하여 플랜지 형태로 넓게 되어있다. 비공진형 진동식 같은 경우 노크 센서 상단의 금속추는 일정한 무게를 가지고 있어 엔진이 작동하면서 발생하는 모든 진동에 의해 연속적으로 흔들리면서 하단의 압전소자에 충격을 주어 압전소자에서 전압이 발생하도록 한다. 압전소자는 상단의 금속추에 의한 충격이 발생할 때마다 전압이 발생했다 멈추기를 반복하면서 전압이 변화되는데 발생 전압은 최저 수십 MV에서 수백 MV로 낮고 속도는 5kHz 에서 최대 20kHz에 이른다. 노크 센서의 출력은 엔진 형식이나 배기량에 따라 다르게 나타나는데 연소실에서 점화되어 혼합기가 폭발하는 순간에 전압이 상승하면서 진동이 증가하게 되며 전압과 진동의 크기는 엔진이 정상적으로 작동하고 있을 때는 규칙적인 패턴을 보이다 노킹과 같은 이상연소가 발생하게 되면 불규칙한 패턴으로 변화고 진동의 크기에 따라 출력전압과 주파수의 크기도 비례적으로 변하게 된다. 노크 센서는 항상 작동하지만, 엔진이 회전하는 동안 노킹이 발생하는 구간은 점화 시점 전후이므로 엔진의 진동이 노킹에 의한 것임을 알기 위하여 각 실린더의 점화 시점 전후의 일정 구간에서만 노킹판정 유효구간을 설정하기 때문에 엔진제어 시스템은 노킹이 발생한 실린더의 위치를 알 수 있다. 노크 센서의 회로는 센서 내부에서 시그널 선과 센서 접지선 2선이 외부로 나와 시그널선은 엔진 제어 모듈로 연결되고 센서 접지선은 엔진이나 차체 접지, 또는 엔진제어 모듈 내부에 접지시킨다. 센서 외부에는 센서에서 출력되는 시그널에 외부 노이즈가 침투하지 못하도록 시그널 선과 접지선을 실드 선으로 감아 접지(엔진/차체/ECM)시키게 된다. 비공진형 진공식 노크 센서의 출력주파수가 높고(고주파) 출력전압은 낮아(1V 이하) 시스템 모듈 내부에 필터 회로와 증폭회로를 사용한다.[12]
- 크랭크 각 센서(Crank Angle Sensor) : 크랭크 샤프트 위치 센서(CPS) 또는 크랭크 각 센서(CAS)는 엔진 속도와 크랭크 위치를 검출하는 센서인데 이 센서는 발생한 신호를 전자제어 장치에 입력한다. 발생한 신호가 전자제어 장치에 입력되면 ECU는 분사 순서와 점화 타이밍을 결정한다. 검출하는 방식은 크게 나누어 자기 센서 방식, 홀 효과 센서 방식, 광센서 방식 등 3가지 방식이 있다. 크랭크 샤프트 위치 센서(CPS) 또는 크랭크 각 센서(CAS)는 엔진 속도와 크랭크 위치를 검출하는 센서인데 이 센서는 발생한 신호를 엔진제어유닛에 입력한다. 발생한 신호가 엔진제어유닛에 입력되면 엔진제어유닛은 분사 순서와 점화 타이밍을 결정한다. 만약 크랭크 각 센서 신호 즉 엔진 rpm 신호가 엔진제어유닛에 입력되지 않으면 연료 분사도 안 이루어지고 방식에 따라 다르지만, 점화도 이루어지지 않는다.[13]
- 공회전속도조절 장치(Idle Speed Controller) : 공회전 조절 장치(ISA 또는 ISC)는 엔진의 공회전 수를 최적의 상태로 유지할 수 있도록 목표 회전수를 정해 놓고 엔진제어유닛에서 스텝 모터나 공회전속도조절 장치 모터를 작동 시켜 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. 엔진제어유닛은 이에 따른 연료량과 점화 시기를 제어함으로써 운전자의 동력 특성을 만족시켜준다. 공회전 조절 장치(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 운전자가 진동이나 떨림 등 불쾌감을 줄 수 있는 요인을 최대로 줄이는 한편 급격한 rpm 쇼크를 방지하기 위하여 설계되었다는 점이다. 우리 정비업이 여러 가지 측면에서 도태되는 이유 중의 하나도 기술이 아닌 기능적 측면에서 발달하였기 때문이다. 기계의 기본적인 원리와 설계 목적을 잘 활용해 상담 기술은 물론 마케팅까지도 충분히 접목할 수 있어야 한다.[14]
전망
전 세계 자동차 전자제어장치 시장은 2017년 604억 5,000만 달러에서 연평균 성장률 6.01%로 증가하여, 2022년에는 963억 9,000만 달러에 이를 것으로 전망된다. 제품별 시장 규모를 살펴보면 첨단 운전자 보조 및 안전은 2017년 237억 7,630만 달러에서 연평균 성장률 7.04%로 증가하여, 2025년에는 409억 8,640만 달러에 이를 것으로 전망돠고 바디 컨트롤 및 컴포트 시스템은 2017년 161억 4,640만 달러에서 연평균 성 장률 5.51%로 증가하여, 2025년에는 248억 120만 달러에 이를 것으로 전망되고 인포테인먼트 및 통신 시스템은 2017년 93억 8,440만 달러에서 연평균 성장률 5.33%로 증가하여, 2025년에는 142억 1,540만 달러에 이를 것으로 전망됨 파워트레인 시스템은 2017년 111억 4,060만 달러에서 연평균 성장률 4.94%로 증가하여, 2022년에는 163억 8,940만 달러에 이를 것으로 전망된다. 16비트는 2017년 32억 5,320만 달러에서 연평균 성장률 1.52%로 감소하여, 2025년에는 시장에서 사라질 것으로 전망된다. 32비트는 2017년 508억 2,560만 달러에서 연평균 성장률 4.51%로 증가하여, 2025년에는 723억 3,040만 달러에 이를 것으로 전망되고 64비트는 2017년 63억 6,890만 달러에서 연평균 성장률 18.08%로 증가하여, 2025년에는 240억 6,200만 달러에 이를 것으로 전망된다. 지역별 시장규모를 보면 아시아-태평양 지역은 2017년 289억 1,820만 달러에서 연평균 성장률 6.28%로 증가하여, 2025년에는 470억 8,700만 달러에 이를 것으로 전망된다 유럽 지역은 2017년 145억 7,400만 달러에서 연평균 성장률 5.87%로 증가하여, 2025년에는 230억 160만 달러에 이를 것으로 전망되고 북미 지역은 2017년 145억 5,170만 달러에서 연평균 성장률 5.69%로 증가하여, 2025년에는 226억 5,970만 달러에 이를 것으로 전망됨 기타 지역은 2017년 24억 390만 달러에서 연평균 성장률 5.34%로 증가하여, 2025년에는 36억 4,410만 달러에 이를 것으로 전망된다.[15]
각주
- ↑ 〈전자제어 장치의 개요〉, 《강주원 자동차》
- ↑ 주식회사 카버샵, 〈자동차 전자제어장치 ECU〉, 《네이버 블로그》, 2018-09-28
- ↑ 〈전자 제어 장치 - Electronic control unit〉, 《위키백과》
- ↑ 바름정비, 〈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
- ↑ 사실 요것만 고치면 돼요,〈수온센서(냉각수온도센서)-WTS, ECTS〉, 《네이버 블로그》, 2013-04-25
- ↑ 나원참, 〈흡입공기온도 센서 (ATS : air temperature sensor)〉, 《다음카페》, 2009-09-24
- ↑ 멋진 일상들, 〈자동차용 센서 - 노크센서 20090403〉, 《네이버 블로그》, 2009-04-03
- ↑ 박상길, 〈자기센서 방식 크랭크각 센서의 작동원리〉, 《다음카페》, 2004-05-05
- ↑ 유민, 〈공회전 조절장치〉, 《네이버 블로그》, 2010-10-04
- ↑ 연구개발특구진흥재단, 〈자동차 전자제어장치 시장〉, 《연구개발특구진흥재단》, 2018-11
참고자료
- 〈전자 제어 장치 - Electronic control unit〉, 《위키백과》
- 〈전자제어 장치의 개요〉, 《강주원 자동차》
- 주식회사 카버샵, 〈자동차 전자제어장치 ECU〉, 《네이버 블로그》, 2018-09-28
- 바름정비, 〈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
- 사실 요것만 고치면 돼요,〈수온센서(냉각수온도센서)-WTS, ECTS〉, 《네이버 블로그》, 2013-04-25
- 나원참, 〈흡입공기온도 센서 (ATS : air temperature sensor)〉, 《다음카페》, 2009-09-24
- 멋진 일상들, 〈자동차용 센서 - 노크센서 20090403〉, 《네이버 블로그》, 2009-04-03
- 박상길, 〈자기센서 방식 크랭크각 센서의 작동원리〉, 《다음카페》, 2004-05-05
- 유민, 〈공회전 조절장치〉, 《네이버 블로그》, 2010-10-04
- 연구개발특구진흥재단, 〈자동차 전자제어장치 시장〉, 《연구개발특구진흥재단》, 2018-11
같이 보기
