지난 회의 제어방식에 대한 설명에서 Open-Loop제어와 Closed-Loop 제어에 대해서 일반적인 설명을 하였습니다. 현재 가솔린 승용차에 장착되어 있는 엔진제어장치에서 중요한 역할을 하고 있는 제어방식이 Closed-Loop제어방식입니다. 그 대표적인 예가 연료량 제어입니다.
차량을 운전하기 위해서 시동을 걸면, 엔진은 먼저 엔진제어장치에 기억되어 있는 데이터를 기반으로 하는 Open-Loop 제어방식에 의해 운전됩니다. 그 후에 Closed-Loop제어로 제어방식이 변경되기 위한 조건들이 만족되면,제어방식은 Closed-Loop방식으로 변환됩니다. 만족되어야 하는 조건들에는 냉각수온,산소센서의 신호 등이 있습니다.
임의의 운전 조건(엔진회전수,흡입공기량)일 때, 엔진에 연료를 분사하는 인젝터는 ECU가 보내오는 신호에 의해 공연비(공기와 연료의 혼합비)에 맞는 연료를 분사하고,엔진에서 이 연료가 연소된 후,연소된 가스는 엔진 밖으로 배출됩니다. 배기계에 장착된 산소센서는 이 배출가스 중의 산소농도에 따른 전기적 신호를 ECU로 보냅니다. 이렇게 보내진 산소센서의 신호에 의해, ECU는 현재 엔진에 공급되고 있는 연료량의 많고 적음을 판단하여,연료량이 많다고 판단될 때에는 연료량을 줄이고,반대로 연료량이 적다고 판단되면 연료량을 증가 시키는 신호를 인젝터로 보내서, 엔진에 공급되는 혼합기가 정해진 공연비를 유지할 수 있도록 연료량을 조절합니다. 이 방법이 Closed-Loop연료제어 방식입니다. 이것을 간단하게 도식화한 그림은 아래와 같습니다.
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Closed-Loop연료제어로 연료량을 조절할 때 목표로 하는 공연비는 가솔린의 이론공연비(공기:연료=14.7:1)입니다. 실제로는 공연비가 항상 14.7:1로 유지되지는 않고, 목표 공연비를 중심으로 일정한 변동폭을 가지고 Lean,Rich를 반복하게 됩니다. 공연비에 약간의 변동이 있더라도 시간평균 공연비(Time Average Air-Fuel ratio)는 이론공연비인14.7:1입니다. 이는 Closed-Loop제어방식의 특성이며, 이런 공연비의 변동은, 연료량제어에 Closed-Loop제어방식을 도입한 목적에 부합되게 배출가스의 정화에 매우 도움이 됩니다. 배출가스의 정화수단인 삼원촉매는 그 특성상 공연비에 약간의 변동이 있어야 더 좋은 정화효율을 보입니다. 그러므로 자동차 제작사에서는 보다 좋은 촉매의 정화효율을 얻기 위해서 각 차량의 공연비 변동의 크기나 변동 주파수를 그 차량의 촉매특성에 맞게 조정합니다.
위의 그림에서도 알 수 있듯이 Closed-Loop연료제어에 있어서 중요한 부품은 산소센서입니다. 산소센서는 배출가스 중에 남아 있는 산소의 양에 따라(이 표현은 정확한 표현이 아니지만 큰 무리없이 받아들여지고 있습니다.) 0Volt~1Volt사이의 전압을 발생시킵니다. 이론공연비보다 연료의 양이 많으면 배출가스 중에 산소의 양이 적고 이때 산소센서는 1Volt에 가까운 전압을 발생시킵니다. 반대로 연료가 적으면,산소센서는 0Volt에 가까운 전압을 발생시킵니다. 따라서 ECU는 정해진 특정전압을 기준으로 연료의 많고 적음을 판단할 수 있는 것입니다. 일반적으로 산소센서의 신호에 의해 ECU가 연료의 분사량을 변경하고 부터, 그 변화된 분사량에 의한 산소센서 신호의 변화까지에는 시간지연이 있습니다. 이 시간지연은 엔진회전수의 영향을 많이 받습니다만 보통 0.1~0.2초 정도입니다.
