자동차 메카트로닉스-2

2) 집중제어장치

 자동차의 단독 및 집중제어의 적용 과정은 1960~1970년대에 사용된 아날로그 회로 방식의 ECU로는 시스템을 한 개의 ECU에서 집중적으로 제어하는 문제가 간단하지 않았다. 그것은 아날로그 회로에서는 한 개의 제어 기능을 추가하게 되면 그 기능을 수행하는 제어 논리회로에 대응하는 전자회로를 반드시 추가해야만 하기 때문이다. 둘 이상의 제어 기능을 통합하면 ECU가 커지고 따라서 설치 공간이 한정되어 있는 자동차에는 비현실적이 된다. 이러한 이유에서 초기의 전자제어 시스템은 각 기능마다 단독으로 제어하는 방식 즉, 단독 제어 방식을 사용하였다. 예를 들면 분사장치와 점화장치를 제어하기 위해서는 각기 별도의 ECU와 별도의 센서를 필요로 하였다.

 그러나 1970년대 후반부터 자동차 전자제어 분야에 마이크로 컴퓨터가 응용되면서 디지털 회로로 각 시스템을 제어하게 되었다. 따라서 한개의 ECU로 연료분사장치와 점화장치, 그리고 다른 기능을 모두 동시에 집중적으로 제어할 수 있게 되었다. 그리고 단독 제어 시스템에서는 같은 회전 속도 센서라도 각 제어 기능 별로 따로 서치 하여야 하였으나 ICS에서는 그럴 필요가 없기 때문에 여러 개의 센서가 생략되게 되었다.

 오늘날 사용되는 집중제어 시스템은 연료분사제어와 점화 제어를 주축으로 하여 여러 제어 기능을 동시에 수행하도록 되어 있다. 이후 보시 사의 집중제어 시스템인 모트로닉을 중심으로 하여 설명하되 연료 분사 제어나 배기재 순환 제어, 공기비 제어를 제외한 다른 제어 기능에 대해서만 설명하기로 한다. 보시 사의 모트로닉 시스템의 ECU는 한 개뿐이며 ㅎ연료분사장치는 L-Jetronic 시스템이 사용되고, 배전기는 고전압 분배 기능만 하고 있음을 알 수 있다. 상용되는 차량의 제어장치에서 개발이 되어 있는 부속장치로는 점화장치, 노크 제어, 공전속도 제어, 변속기 제어, 조향 및 현가 제어 등이 있다.

3) 부속장치

(1) 점화제어 : 스파크 점화 엔진에서 점화시기는 엔진의 출력과 연료 소모율에 큰 영향을 미칠 뿐만 아니라 엔진의 노크 경향, 배기가스 조성에도 영향을 미친다. 일반적으로 시동 시에는 상사점 부근에서, 고속에서는 상사점 훨씬 전에서 점화가 이루어지는 것이 좋다.

 종래의 진공 및 원심식 진각장치로는 엔진의 회전 속도와 흡기 다기관 부압에 의해서 결정되는 간단한 진각곡선에 따라 점화시기를 평면적으로 제어하였다. 그러나 전자제어 점화장치에서는 ECU가 기관의 부하, 회전 속도, 온도 그리고 스로틀 밸브 개도에 따라 점화시기와 드웰각을 3차원적으로 제어한다. 따라서 기관의 운전상태 및 운전 조건에 따라 가장 알맞은 점화시기를 결정할 수 있게 되었다. 점화 제어 시스템은 배전기와 점화코일, 스파크 플러그, 고압 케이블, 회전 속도 센서, 상사점 센서 그리고 ECU 등으로 구성된다. 

 최근에는 배전기가 고압을 분배하는 고전압 배기 역할만 하도록 하거나 또는 배전지 자체를 생략하고 각 스파크 플러그에 점화코일을 한 개씩, 또는 2기 통에 점화코일 한 개씩 설치한 형식이 사용되고 있다. 배전기는 고전압 분배 기능만을 하고 1차 전류 단속기능은 인덕턴스 센서의 신호를 ECU가 처리하여 수행한다.

(2) 공전속도 제어

 스파크점화엔진은 운전자가 가속페달로 스로틀 밸브의 개도를 조작하여 기관에 흡입되는 공기량을 조절하는 방법으로 출력을 제어한다. 공전 시에는 스로틀 밸브가 거의 닫혀 있다. 따라서 스로틀 보디와 스로틀 밸브 간의 스로틀 밸브를 바이패스, 즉 공기통로를 통해서 공급되는 공기에 의해 공전속도가 결정된다.

 그러므로 공전속도는 가능한 한 낮을수록 좋다. 그러나 공전속도는 기관이 어떠한 상태일지라도 일정속도가 유지되어 기관이 원활하게 작동되도록 제어되어야 한다. 예를 들면 발전기에 최대 부하가 걸리거나, 카 에어컨이 작동하거나, 자동변속기의 변환 레버가 주행위치에 들어있거나, 또는 동력 조향장치가 최대 출력 상태일 때 라도 무부하 상태일 때와 마찬가지로 공전속도는 일정 속도가 유지되어야 한다. 이와 같이 엔진의 운전 조건이 변화하더라도 공전속도를 일정 범위로 제어하는 기능을 공전속도 제어라 한다.

 ECU는 엔진의 냉각수 온도, 공전접점의 개폐 여부, 카 에어컨의 부하, 자동변속기의 부하, 전원 부하 등의 상태를 고려하여 목표 공전속도를 결정하고 이를 실제 기관의 공전속도와 비교하여 제어량을 결정한다. 제어량에 의해 공전 작동기가 작동된다. 

(3) 전자제어 변속

 집중제어 시스템에 변속기 제어 기능이 들어있을 경우, 연료소모율이 감소하고 변속이 유연하고, 전달 가능한 출력의 증대 및 변속기의 내구성도 증대된다. 

A. 구성

 집중제어시스템의 ECU에 입력되는 정보는 회전속도센서, 공기량 계량기, 스로틀 밸브 위치 센서와 같은 공용 센서, 킥 다운 스위치, 주행속도 센서, 선택 레버 위치 센서, 프로그램 선택 스위치로부터 공급된다.

 ECU는 이들 입력정보를 처리하여 자동변속기의 유압회로 절환밸브를 작동시키게 된다. 그리고 출력 신호는 동시에 점화시기 제어 및 분사 제어와 관련되어 계산되며 이 장치의 구성은 모트로닉의 경우이다.

B. 기능

ECU에는 수동변속 프로그램, 가속 성능에 중점을 둔 출력 프로그램과 연비 저감에 목적을 둔 경제 연비 프로그램이 입력되어 있다. 따라서 운전자는 주행 조건에 따라 자유로이 변속 특성 프로그램을 선택 위치로 선택할 수 있도록 되어 있다.

 전자적으로 변속시점을 선택함으로써 엔진은 경제 연비 영역에서 운전된다. 또 한 가지 장점은 변속 시에 점화시기를 지각시켜 엔진의 회전모멘트를 제어할 수 있다. 전부하 변속시에 이 기능이 작동되면 부분부하 변속 시와 마찬가지로 변속이 매끄럽게 이루어진다. 변속 후에는 집중제어 시스템의 제어 명령에 따라 점화시기는 다시 원래의 규정값으로 진각 된다.

(4) 전자제어 조향장치

 상용되는 조향장치는 차량속도가 고속이 될수록 조향력이 가벼워진다. 따라서 배력이 일정한 파워 스티어링은 고속시 스티어링 휠이 너무 가볍게 되어 위험하다. 이를 방지하기 위하여 엔진 회전수에 따라 조향력을 변화시키는 회전수 감응식과 차속에 따라 변화시키는 차속 감응식이 있다. 조향 성능의 고도화, 운전자 기호의 다양화, 전자기술의 발달 등으로 여러 가지 정보를 마이크로 컴퓨터에 입력시켜 조향력을 변화시키는 전자제어 파워 스티어링이 실용화되고 있다.

 배력식 조향장치의 조향력은 파워 실린더에 걸리는 압력에 의하여 결정되며 이 압력을 변화시키는 수단으로 유량제어 방식과 반력 제어 방식이 있다. 전자방식은 밸브 등에 의하여 파워 스티어링의 유압회로를 통과하는 오일을 제한 또는 바이패스 시켜 파워 실린더에 걸리는 압력을 제어하는 방식이다. 이 방식은 시스템이 간단하며 조향력 변화의 폭도 그다지 크지 않다. 

 후자 방식은 컨트롤 밸브의 개도를 직접 제어하는 방식이다. 파워 실린더에 걸리는 압력은 컨트롤 밸브의 개도를 결정하기 때문에 조향력의 변화의 폭을 크게 할 수 있다. 그 반면 반력 플런저 등의 기구가 별도로 필요하게 되어 시스템이 복잡하게 된다. 

(5) 전자제어 현가장치

 현가장치는 차체와 차축 사이에서 노면으로부터의 진동이나 충격을 완화하여 승차감을 향상하며 자동차의 자세 변화를 최소화하여 조종 안정성을 향상하는 등의 기능이 있으며 스프링, 쇽 업소버, 스테빌라이져 등으로 구성되어 있다.

 일반적으로 승차감과 조종 안정성은 상반된 요구로, 예를 들면 노면이 미세한 진동까지 흡수하기 위해서는 스프링을 유연하게 하면 승차감은 좋으나 선회사 롤링이 심하며 제동 시에는 다이브 현상의 심화 등 조정 안정성이 불안하게 된다. 반대로 스프링 상수가 클수록(스프링의 강성이 클수록) 조정 안정성은 노면의 미세한 진동도 차체에 전달되어 승차감이 나쁘게 된다. 

 현가장치 설계 시 차량의 성격에 따라 기구적으로 양자를 적절하게 하고 있지만, 특히 전자기술을 이용하여 주행 상태에 따라 현가장치 특성을 제어하여 양자를 만족시키는 것이 전자제어 서스펜션(ECS)이다. 전자제어의 기능과 구성으로는 일반적으로 스프링 상수, 댐핑력, 또는 차고 조정을 제어하도록 되어 이으며, 주요 구성품은 컴프레서 릴레이, 프런트 스트럿, 차속 센서, 에어 액추에이터, 스테핑 모터 및 컨트럴 유닛 등을 작동이 된다.