자동차공학

1. 자동차공학 건국대학교 기계공학과 박 정 규 엔진제어

2. 엔진제어 1. 가솔린 분사장치의 역사 ■가솔린 분사장치 적용 예 1930년대 : 이태리(Italy)의 모토구찌(Moto-Guzzi)사 - 4행정 경주용 모터사이클(Motor cycle) 적용 1940년대 말 : 경주용 자동차에 적용 [ 배기량 제한에 따른 출력을 증가시키기 위해 적용 ] 1940년대 말 ∼ 1950년대 초 : 직접분사방식의 가솔린 분사장치를 일반 차량에 적용 1957년 : 전자제어식 가솔린 분사장치 개발 [ 미국 벤딕스사 (Bendix) ] 1966년 : D-Jetronic 이라고 명명된 전자제어 가솔린 분사장치 실차 적용 [폭스바겐 (Volkswagen) 1600E에 장착 - 간접분사방식 채택]  D-Jetronic : 기관 회전수와 흡기다기관의 압력을 이용하여 공연비 제어[공기량을 간접계량] 1973년 : K-Jetronic 개발 [Bosch 사] - 포르쉐(Porsche 911T)에 적용 , 기계식 간접분사방식 (전자부품의 신뢰성과 가격문제) 1974년 : L-Jetronic 개발 [오펠사(Opel)] - 만타(Manta GTE)에 적용 , Air flow meter를 이용하여 흡입공기 의 체적유량을 직접 계량하는 방식으로 간접계량방식 에 비해 공연비를 보다 빠르고 정확하게 제어할 수 있게 되었다. 1976년 : GM의 점화시기 전자제어 시스템 개발 (MISAR) 1980년 : 일본 미쓰비시(Mitsubishi) - 칼만와류(Karmann Vortex)률 이용한 질량유량(mass flow)을 직접 계량하는 방식을 적용 1982년 : Bosch사 - 열선식(Hot wire)의 질량유량 계량방식 적용 1980년대 후반부터 집중제어시스템 [ Bosch사의 모토로닉(Motronic) 시스템 - 연료분사제어, 점화시기제어, 공전속도제어, 노크(Knock)제어, 공연비제어(λ-control) ]이 전차종에 적용된다.

3. ■가솔린 전자제어 분사장치 개발 이유 1970년대 이후에는 배기가스규제법이 시행되어 배기가스규제가 날로 강화되고 전자제어기술의 진보로 전자제어 분사장치가 빠른 속도로 파급된 시기이며, SPI (Single point injection), GM의 TBI (Throttle body injection), Ford의 CFI (Central fuel injection), Bosch의 Mono-Jetronic 등이 많이 사용되었다. 1970년대 : 배기가스 규제법 시행, 2차례의 석유파동 - 사회적 요구 : 유해배출가스가 적고, 연비가 좋은 차를 선호 - 3원촉매 개발 : 3원촉매의 정화효율 향상을 위해서는 이론공연비 연소가 필수적, 따라서 이론 공연비연소를 위해서는 흡입공기량 측정 및 연료분사량 제어가 불가피 함.

5. ■Motronic system 개발 이유 (1) 연료분사시기 제어의 필요성 (2) 점화시기 제어의 필요성 MBT 설정을 위해서는 rpm, 부하 등의 운전조건에 따라 점화시기를 정확히 제어 최고의 점화성능을 위해서는 점화코일에 공급되는 전류의 통전시간을 제어 (rpm이 증가할수록 점화성능이 악화되기 때문)  (3) ISCV(공전속도) 제어의 필요성 : 공전시 기관의 부조를 방지      예) 에어컨 작동, 파워스티어링 작동, 전기적인 부하 작동시, 저온시 등의 엔진조건에 따라 공회전 상승의 필요성 때문 (4) EGR 제어의 필요성 NOx 저감 측면 : 배기가스를 연소실 내에 재 유입시키면 연소생성물의 비열 증가에 따라 연소실내의 온도감소를 통해 NOx가 저감됨. 연비향상 : pumping loss 및 EGR 양만큼 신기가 공급이 안되므로 공급연료량 감소 , 엔진의 운전조건에 따라 EGR 양의 제어가 필요 (5) 연료증발가스 제어의 필요성 : HC 발생을 저감      캐니스터 용기에 저장된 연료증기를 엔진의 적절한 상태에 공급(가속시)하기 위해서는 제어가 필요

6. 2. 가솔린 분사장치 종류 2.1 기화기식과 비교할 때 가솔린 분사장치 장착 차량의 장·단점 (1) 장 점    ① 흡입공기의 관성 과급효과를 충분히 이용할 수 있도록 흡기 통로를 설계할 수 있다.     ② 각 실린더에 동일한 양의 연료를 공급할 수 있기 때문에 전 회전 영역에 걸쳐서 실린더간에 균일한 혼합기 조성이 가능하다.(MPI)     ③ 저속에서 회전력이 증대되었다. (기화기식은 중속과 고속위주로 설계)     ④ 행정체적 출력이 증대되었다.     ⑤ 가속성능과 감속특성이 증대되었다. (기화기식에 비해 분사장치의 응답성이 양호)     ⑥ 연비향상 및 유해배출가스저감 효과가 크다. (공연비 제어가 우수하기 때문) (2) 단 점     ① 값이 비싸다.     ② 흡기관 통로중의 접속부에서 AFS에서 계측되지 않은 공기 유입시 엔진의 부조현상이 심하다.     ③ 고온시동성(Hot start)이 냉시동성(Cold start)보다 불량하다.        (고온시 연료의 비등으로 인한 연료분사량의 불균일 초래 또는 Vapor lock발생 가능성)

7. 2.2 직접분사식 (실린더 내 분사) 가솔린기관에서도 디젤기관과 같이 분사노즐을 실린더 헤드나 실린더 측면에 설치하여 연소실 내에 직접분사하는 방법이(기계식) 1940년∼1950년대부터 항공기용 엔진이나 자동차용 엔진(경주용에 적용되었으나(흡기다기관 분사방식에 비해 훨씬 큰 행정체적 출력을 얻을 수 있기 때문), 그 당시 분사계의 신뢰성, 가격문제 등이 해결되지 못해 자동차용으로 널리 보급하는데 까지는 미치지 못했다. 그러나 최근 연비 및 유해배출가스 규제를 극복하기 위한 한 방법으로 희박연소(Lean burn) 실현을 위해 직접분사 가솔린엔진(GDI : Gasoline direct injection)이 다시 개발되고 차세대 엔진으로 주목을 받고 있다.

8. [그림 1] GDI 엔진 및 희박연소 원리 [그림 1]은 직접분사엔진(GDI)과 초희박연소의 원리를 나타낸다. 분사압력이 6∼10㎫의 고압스월인젝터를 이용하여 연소실 중앙쪽에 연료를 분사하면 기화된 연료가 확산되지 않으면서 점화플러그 주변에 모여 초희박연소가 실현한다. 또 부하조건에 따라 연료분사시기를 경부하에서는 압축상사점 부근에서, 전부하 영역에서는 압축행정 초기에 분사하여 부하를 제어한다. 이와 같은 결과로부터 공연비가 40∼50정도로(이론혼합비 14.7:1) 디젤기관 정도가 되어 연비가 통상 엔진의 30∼35% 향상되며, 또한 압축비를 12정도로 올려 중고속 영역에서 10%의 토크 및 출력향상을 달성하였다.

9. ※ 희박연소(Lean burn) 가솔린기관의 연비가 디젤기관보다 악화되는 것은 부분부하에서 스로틀 밸브의 교축손실 및 예혼합연소(이론공연비 조건에서 운전)로 인해 공기과잉률이 높은 조건에서는 운전할 수 없기 때문에 그 결과 연소온도가 높고 비열이 증가하는 한편 냉각손실이 증대하게 되기 때문이다. 따라서 이러한 결점을 개선하기 위해 공연비를 25 이상으로 연소시키는 것을 희박연소라 한다. 설명한 GDI도 희박연소에 포함된다. [그림 1.2]는 1970년대 초의 석유파동 이후 1970년 중반에 일본에서 연비향상을 목적으로 제작한 CVCC (Compound voltex controlled combustion)기관을 나타낸다. 부실에는 농후한 혼합기(착화가능한 공연비)를, 주실에는 희박한 혼합기를 공급하며, 부실에서 점화하여 연락공을 통해 주실로 화염을 분출시켜 희박혼합기를 연소시키는 방식이다. [그림2] CVCC 엔진의 희박연소 방식

10. [그림 3] 텀블을 이용한 희박연소 방식 [그림 3]은 1990년대 중반에 발표된 것으로 텀블과 흡기포트의 칸막이를 이용하여 중심부에 농후한 혼합기를 형성시켜 희박연소시키는 방식이다. [그림 4] 역시 1990년대 중반에 발표된 것으로 스월을 이용하여 희박연소를 시키는 방식으로 스월을 제어하기 위해 흡기관에 스월제어밸브(SCV)를 부착한 경우(아반테 린번 [그림 5])와 흡기 2개의 밸브 중에 한쪽의 밸브 양정을 낮게 하여 강한 와류를 만드는 방식 2가지가 제안되고 있다.

11. [그림 4] 스월을 이용한 희박연소 방식 [그림 5] 현대 린번 시스템 2.3 간접분사방식 (흡기다기관 분사방식) 분사노즐을 흡기다기관(SPI) 또는 흡입밸브 전방의 실린더 헤드나 스로틀보디(MPI)에 설치한다. 직접분사방식에 비해 분사압력을 낮게 할 수 있으므로 설치 및 제어가 쉽고 가격이 싸다는 장점이 있다.

12. 3. 가솔린 분사장치의 종류 3.1 분사제어 메카니즘에 따른 분류 (1) 기계식 : 분사기구가 모두 기계식으로 구성된 경우 (예) 기계식 직접분사장치와 K-Jetronic  (2) 전자식 : 분사기구가 전자장치에 의해 제어되는 경우 (예) L-Jetronic, 미쓰비시의 ECI 등 3.2 분사밸브의 설치위치에 따른 분류 (1) 직접분사방식(Direct Injection) : 인젝터를 연소실내에 설치 (예) 초창기 사용된 기계식 직접분사방식, 최근 일본의 GDI  (2) 간접분사방식(Indirect Injection) : 인젝터를 흡기다기관 또는 흡입통로에 설치한 방식 (예) 오늘날 거의 대부분이 이 방식에 속한다. K-Jetronic, L-Jetronic 3.3 분사밸브의 수에 따른 분류 (1) SPI (Single point injection) : 인젝터가 1개인 경우 (예) TBI, CFI, Mono-Jetronic 등 (2) MPI (Multi point injection) : 인젝터가 2개이상인 경우 (예) K-Jetronic, L-Jetronic

13. 3.4 연료분사방식에 따른 분류 가. SPI 엔진 (1) 연속분사 : 기관 기동후 계속적으로 분사하는 방식 (예) K-Jetronic, KE-Jetronic  (2) 간헐분사 : 일정시간 간격으로 분사하는 경우 (예) L-Jetronic 나. MPI 엔진 (1) 동시분사 : 1사이클당 2회분사. 흡입, 압축 등의 행정에 무관하게 각 기통 모두에게 동시에 분사 (예) No.1실린더의 흡입과 폭발행정에서 각각 분사할 때 나머지 실린더에도 동시에 분사되는 형태 [그림 6] 동시분사 시스템

14. (2) 그룹분사 : 각 기통을 그룹별로 구분하여 흡입행정 근처에서 분사. 가속시 응답성 향상 (예) No.1-No.4는 흡입행정 때 1회분사, No.2-No.3는 배기행정 때 1회 분사 [그림7] 그룹분사 시스템

15.  (3) 독립분사: 1사이클당 1회 분사. 각 기통별로 엔진 흡입행정직전에 분사.      (예) No.1-3-4-2 순으로 흡입행정 직전에 순차적으로 분사 (공연비 제어성, 엔진 반응성 양호) [그림 8] 독립분사 시스템

16. 3.5 흡입공기량 계측방법에 따른 분류 (1) 직접계측방식 : 흡입공기체적 또는 공기질량을 직접 계량하는 방식 (예) L-Jetronic, LH-Jetronic      - 체적유량 계측 방식 - 흡입공기의 온도나 압력에 의존 (예) 칼만와류 방식 [대기압센서, 흡기온센서 장착]      - 질량유량 계측 방식 - 흡입공기의 온도나 압력에 관계없이 공기유량을 계측할 수 있다. (예) Hot-wire 방식 (2) 간접계측방식     흡입공기량을 직접 계측하지 않고 흡기다기관의 절대압력, 또는 스로틀 밸브의 개도와 기관의 회전속도로부터 공기량을 간접 계량하는 방식 [ MAP Sensor ] (예) D-Jetronic, Mono-Jetronic, TBI(GM)      - MAP-n 제어방식 : 흡기다기관의 절대압력과 기관회전수로부터 흡입공기량 간접 계측 - α-n 제어방식 : 스로틀밸브개도와 기관회전수로부터 흡입공기유량을 간접 계측

17. 4. 흡입공기량 계측 방식의 종류 (1) 고정벤튜리(fixed venturi)와 가변벤튜리(variable venturi) 원 리 : 베르누이 정리에 의하면 벤튜리부에서의 압력차(ΔP)는 통과하는 유량의 제곱(Q2)에 비례한다. mf  : 연료의 질량유동률 Af : 노즐의 단면적 Cf : 노즐의 유량계수 , ρf : 연료의 밀도 ΔP : 플로트실 유면의 압력과 노즐압력과의 차압 (=Pa - P) ma : 공기의 질량유동률At : 벤튜리목의 단면적 Cv : 벤튜리유량계수 ρa : 입구공기의 밀도ΔP : 입구와 벤튜리목 사이의 압력강하 (=Pa - P)k : 공기의 비열비Pa : 입구공기의 압력r = 1 - P/Pa 고정벤튜리는 어느 특정 속도범위 예를 들면, 중부하 고속에서는 가장 알맞는 혼합비를 형성할 수 있으나 저속 또는 전부하 고속에서는 지나치게 희박하거나 농후한 혼합기를 형성하도록 설계할 수밖에 없다. 따라서 가변 벤튜리식 기화기는 벤튜리부의 압력차(ΔP)가 항상 일정하므로 통과 공기량은 그림의 벤튜리직경(X)에 비례하므로 고정벤튜리부에 비해 탄력성이 크고 혼합기의 제어정도가 높다.

18. [그림9] 전자제어 기화기(FBC : feed back carburetor)

19. (2) MAP-n 제어방식(흡입다기관의 절대압력과 기관회전수) Bosch사의 D-Jetronic은 흡기다기관의 절대압력(MAP: Manifold Absolute Pressure)과 기관의 회전속도(n)로부터 1사이클당 흡입공기량을 추정하는 방식으로 속도-밀도(speed density)방식 이라고도 한다. [그림 1.10] MAP-n 제어방식               [그림 1.11] MAP 센서 및 회로도   흡기다기관의 압력변화, 즉 엔진의 부하변동을 전기적 신호로 바꾸어 ECU에 보낸다. 압력변동은 압전소자(Piezo sensor)를 이용하여 측정한다. 흡입다기관내의 공기밀도를 ρ라하면 1회의 흡입행정에서 충진된 공기의 질량 G는

20. C : 정수 (= VC / (g·R) 여기서, VC : 연소실 체적(㎥), g : 중력가속도, R : 가스정수)P : 흡기다기관내 압력(㎪), T : 흡기관내 공기온도(K), ηV : 체적효율   위 식에서 체적효율을 알면 흡입다기관 내의 공기의 압력(MAP)과 온도(ATS)에 의해 흡입공기 질량을 알수 있다. 압전소자(Piezo sensor) :압전소자(티탄산바륨 등)에 인장이나 압축력을 가하면 그 응력에 비례하는 양만큼의 전위차가 발생하는 반도체이며 자동차에 사용하는 압전소자는 일정전압을 인가해 놓고(ECU +5V) 압전소자에 걸리는 압력이 변화하면 압전소자의 저항값이 변화하여 출력전압이 변화하게되는 형태로 구성되어 있다. [면적 3㎟, 두께 250㎛의 실리콘 칩에 몰딩되어져 있다]

21. (3) 칼만와류(Karmann Vortex)방식- 질량유량 계측방식(초음파방식) 흡입되는 공기 유동부의 중간에 와류를 발생시키는 삼각기둥(prisma)을 놓이면 기둥 뒷편에는 와류가 발생되며, 이때 발생되는 와류수는 공기유속에 비례한다. 와류수의 계측에는 발신기에서 발신된 초음파가 칼만 와류에 의해 잘려질 때 칼만 와류수 만큼 밀집되거나 분산된 후에 수신기에 전달된다. 수신기에서 수신된 초음파는 변조기에 의해 전기적 디지털 신호로 변환되어 ECU에 입력된다. 따라서 흡입공기량(Q)는 와류수(=ECU에 입력된 전압)를 계측하면 흡입공기량(Q=A·V)를 알 수 있다. 적용 예는 미쓰비시의 ECI 엔진에 사용되었으며 국내에서는 아반테에 적용된다. 유량만 가지고는 흡입공기량을 정확히 알 수 없으므로 대기압이나 흡입공기온도에 대한 보정이 필요하다. 따라서 칼만와류형에서는 흡기온센서와 대기압센서가 함께 장착된다. f : 와류수 / s, St : Strouhal 수 (실제유동에서 Re수의 특정범위에서는 일정하다 = 0.2)  V : 유속 (m/s), D : 저항체 지름 (㎝)

22. [그림 12] 칼만와류(Karmann Vortex)방식 [그림 13] 출력파형과 회전수

23. (4) 열식질량유량 계측방식 - 질량유량 계측방식(Hot-wire type, Hot-film type) 유동하는 공기중에 발열체를 놓으면 발열체는 공기에 열을 빼앗겨 냉각된다. 발열체 주위를 통과하는 공기량이 많을수록 발열체의 방열량도 함께 증가하게 된다. 열선식(혹은 열막식)은 발열체로 백금선이 사용되며(직경 0.07㎜) 이 백금선을 전기적으로 가열한다.(가열전류 500∼1200㎃) 흡입공기의 질량유량이 많을수록 열선을 가열하는데 더 많은 전류를 필요로 한다. 따라서 흡입공기의 질량유량(m)은 전류(I)에 비례하게 된다. [그림 14] Hot-wire type의 출력 특성 JH : 열선에 흐르는 전류 (A) α, β : 상수 , m : 단위 시간당 공기 질량유량(㎏/s) 출력신호는 열선전류에 비례하는 전압의 형태로 출력되며, 공기의 밀도변화에 직접 대응하므로 공기의 온도와 압력변화에 따른 보정을 할 필요가 없다. 적용 예는 Bosch사의 LH-Jetronic에 사용되었으며 Hot-wire type과, Hot-film type이 있다.

24. [그림 15] Hot-wire type 회로도

25. 5. 연료분사 제어시스템(Fuel injection control system) 가솔린 기관의 경우 3원촉매의 정화효율을 최대로 하기 위해서는 이론공연비상의 연소가 불가피하다. 이를 실현하기 위해서는 정확한 흡입공기량 계측과 그에 따른 정확한 연료분사가 수행되어져야 한다.  구성부품 : 인젝터, 연료펌프, 연료압력조정기 [그림 16] 공연비와 3원촉매 정화효율

26. 연료탱크 ⇒ 연료필터 ⇒ 연료펌프 ⇒ 인젝터 [ECU 통전시간으로 연료분사량 제어] 흡입공기량 감지(ATS, WTS, AFS) ⇒ ECU 판단 ⇒ 연료분사 [속도 (rpm)와 부하(TPS)] [그림 17] 기존 엔진의 전자제어 연료분사 시스템

27. ■연료분사량 : 기본분사량 + 보정분사량 - 기본분사량 : 흡입공기량과 기관회전수 - 보정분사량 : 기관상태에 따른 각종센서 정보 - 분사시기결정 : 크랭크앵글센서로부터 출력되는 신호를 기준 [그림18] 연료분사 및 연료계통

28. 5.1 인젝터(Injector) 인젝터의 솔레노이드 코일에 ECU의 분사신호가 전달되면 코일은 자화되어 플러저와 연동하는 니들밸브를 0.1mm 정도 흡인하며, 3기압 정도의 연료압력으로 차있던 연료가 정확히 분사된다. 분사밸브가 열려있는 시간은 Idle시 약 2ms 정도이다. [그림 19] 인덕턴스 특성

29. (1)인젝터 구동방식 (가) 전압제어식(현재 가장 많이 사용)  ①저저항인젝터: 인젝터 솔레노이드 코일의 응답성 및 내구성을 향상시키고, 코일의 인덕턴스를 작게 하기 위해서 코일의 권수를 적게 하면 코일의 저항이 적어져 인젝터 작동시 과도한 전류가 흘러 코일의 발열량이 증가되고 내구성이 저하된다. 이를 위해 솔레노이드 코일과 저항체인 레지스터를 직렬로 연결하여 전류를 제한.   ② 고저항인젝터 : 인젝터 내부의 솔레노이드 코일의 저항을 크게 하여 코일에 흐르는 전류를 제한한다. [그림 20] 저저항 인젝터 및 구동파형

30. [그림 21] 고저항 인젝터 및 파형

31. (나) 전류제어식(인젝터에 공급되는 전류의 크기를 변화) 인젝터의 플런저 흡인작용을 원활히 하기 위해 초기에 큰 전류(peak current : 약 2A)를 공급하고, 플런저 유지시에는 초기보다 작은 작동유지전류(hold current : 약 0.5A)가 흐르도록 제어하는 방식 - 분사응답성 향상, 무효분사시간을 단축. [그림 22] 전류제어식 인젝터 ■무효분사기간   인젝터의 솔레노이드 코일에서 발생하는 인덕턴스(inductance)와 인젝터의 니들밸브의 작동지연으로 인해 인젝터가 실제로 분사하기까지는 약 0.7ms의 시간이 소요된다. 따라서 ECU에서 분사신호 개시 후 실제 연료가 분사될 때까지의 기간을 말한다. 실 차량에서는 ECU가 미리 이러한 무효분사기간을 고려하여 인젝터로 신호를 보낸다.

32. 5.2 인젝터 파형분석 (1) 서지전압(surge voltage) 측정 - 보통 서지전압은 70V 정도, 역기전력 V = L ·dI/dt 과 같다. (여기서 L =자기인덕턴스, I = 전류)  - 서지전압이 낮을 경우 : L, I 적다. ,     - 서지전압이 높을 경우 : L, I 크다.  (2) 연료분사시간 측정 - Idle과 가속시 연료분사시간을 확인하여 기준값과 비교 , 급 감속시 연료차단(fuel cut) 확인 - 가속 후, 급 감속시 흡입매니폴드 내는 일시적 진공이 되어 공기량이 적어진다. 따라서 일시적으로 연료차단을 행한다. [그림 23] 인젝터 파형 분석