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 Ignition Control (5) --- 노킹 마진(Knocking Margin)
  
  가솔린 엔진에서 점화시기(Spark Timing)를 진각(Advance)시키면 엔진 출력이 증가합니다. 그래서 높은 출력을 얻기 위해서는 점화시기를 진각시킵니다. 그러나, 어느 범위 이상으로 점화시기를 진각시키면 비정상적인 연소현상인 노킹이 발생하게 됩니다. 보통 일과적으로 발생하는 약한 노킹(mild knocking)은 허용하는 편이지만, 계속적으로 발생하는 노킹은 엔진을 파손시키므로, 강한 노킹이 연속적이고 반복적으로 발생하는 상황은 피하고 있습니다. 자동차 제작사에서 엔진제어장치에 점화시기를 기억시킬 때, 노킹이 발생하지 않는 점화시기로 설정하여 기억시킵니다. 흡입공기량과 엔진회전수를 기본변수로 하여 해당 흡입공기량과 엔진회전수에 대하여 특정의 점화시기를 기억시키는 것입니다.
  그런데, 엔진의 작동조건(흡입공기량, 엔진회전수)이 동일하다고 하더라도 다른 조건이 달라지면 노킹이 발생되는 점화시기가 달라집니다. 노킹을 발생시키는 데에 영향을 미치는 조건들로는 흡입공기 온도, 냉각수 온도, 연료의 옥탄가, 연소실 내부의 카본 축적 정도 등을 들 수 있습니다. 흡입공기 온도는 계절에 따라 달라질 수 있습니다. 연료의 옥탄가는 나라별로 달라질 수 있습니다. 연소실 내부의 카본 축적 정도는 차량의 운행거리에 따라 달라집니다. 그러므로, 자동차 제작사에서는 계절별 변화 요인, 지역적 연료 특성, 차량의 주행거리 등의 차이에 따른 노킹 발생을 예방해야 할 필요가 있습니다. 우리나라의 경우, 지역별로 연료의 옥탄가 차이는 없지만, 계절별 온도 차이는 있기 때문에 여름과 겨울의 기온 차이를 점화시기에 반영할 필요가 있습니다. 즉, 어떤 열악한 조건下에서도 노킹의 발생을 피해야 하며, 그렇게 하기 위해서는 엔진제어장치에 기억되는 점화시기에 미리 변동요인을 고려한 값을 기억시켜야 합니다. 바로 이 변동 요인을 고려한 점화시기의 차이를 노킹마진(Knocking Margin)이라고 합니다.
  아래 그림에 노킹마진을 나타냅니다. 그림에서 왼쪽 상단의 빨간색 점들이 찍힌 영역은 노킹이 발생하는 점화시기를 표현하는 것입니다. 이 영역을 피하기 위하여 엔진제어장치에 기억시키는 점화시기는 최고출력의 점화시기 보다 약간 지연된 점화시기로 설정합니다. 대개 저rpm영역에서는 2~3 크랭크각(CA)의 노킹마진을 설정하고, 고rpm영역에서는 4~6 크랭크각의 노킹마진을 설정합니다. 이렇게 미리 설정한 노킹마진 덕분에 지역별 연료 차이, 계절별 온도 차이, 주행거리에 따른 내노크성 차이 등에 관계없이, 세계 어디에서나 노킹의 발생없이 운전될 수 있는 엔진으로 기능할 수 있는 것입니다.
             

Ignition Control (4) --- 점화시기와 연소 압력
  
  엔진으로 공급된 연료를 연소시키는 과정은 점화로부터 시작됩니다. 그러나, 점화는 연료를 태우는 과정의 출발점이라는 의미만 가지고 있지는 않습니다. 점화를 시키되 어떻게 하면 가장 효율적으로 연료가 가지고 있는 에너지를 기계적 에너지로 변환시킬 것인가가 중요한 포인트입니다.
  흡입공기가 실린더 내부로 연료와 같이 유입되고, 그렇게 유입된 공기와 연료의 혼합기는 피스톤의 상향 운동으로 압축되며, 점화플럭를 통하여 고전압이 방전됨으로써 점화됩니다. 고전압의 방전으로 형성된 점화핵이 점차 화염의 형태로 성장하고, 혼합기 전체가 연소하여 최대압력에 도달할 때까지는 어느 정도의 시간이 경과해야 합니다. 이 경과 시간 동안에도 피스톤은 계속 움직이고 있으므로, 연료의 연소 경과와 피스톤의 운동이 합해져서 실린더의 연소 압력은 시간에 따라 달라집니다. 이것은 점화를 언제 하느냐에 따라 동일한 연료로 서로 다른 연소 압력을 얻게 된다는 것을 의미합니다. 바로 이런 이유로 점화시기(Spark Timing)가 중요한 제어 포인트가 되는 것입니다.
  일반적으로 특정의 엔진회전수와 흡입 공기량의 조건에서 최대 출력을 내는 점화시기는 혼합기의 연소에 의한 최대압력이 상사점 후 약 10~20도 전,후에서 발생하도록 하는 것이라고 알려져 있습니다. 이 최대 압력에 도달할 때까지 화염이 실린더 내부를 전파하는 연소속도는 엔진의 운전 상태에 따라 달라지므로, 연소속도가 늦는 조건에서는 점화시기를 빠르게 해야 하며, 반대로 연소속도가 빠를 때에는 점화시기를 늦춰야 합니다. 점화시기를 빠르게 하는 것을 진각(Advance)라고 하고, 점화시기를 늦추는 것을 지각(Delay)라고 합니다.
  아래 그림은 점화시기와 실린더 내 압력과의 관계를 나타낸 것입니다.
       
그림에서 M은 연료 분사가 없이 엔진의 회전만 있는 경우를 나타낸 것으로, 이것을 Motoring 상태라고 합니다. 연료의 분사가 없기 때문에 실린더 내 압력은 피스톤의 이동에 따른 압축과 팽창을 나타내고 있어서 상사점을 중심으로 좌,우 대칭의 형태를 보이는 것입니다. 그림에서 A는 점화시기(ⓐ)가 너무 지각되어 최대 압력이 낮은 경우이고, B는 가장 적절한 점화시기(ⓑ)일 때의 압력 변화입니다. C는 점화시기(ⓒ)가 너무 진각되어서 노킹이 발생하는 경우를 나타냅니다.

 Ignition Control (3) --- 요구 전압  
  점화플러그의 전극 사이에서 불꽃(Spark)가 발생한다는 것은 그 전극 사이의 전기적 절연이 파괴되었다는 것을 의미합니다. 즉, 전극 사이를 채우고 있는 혼합기 층의 전기적 절연을 깨뜨릴 만한 전압차가 전극 사이에 유지되어야 한다는 것입니다. 바로 이런 이유로 점화를 위해서는 2차코일측에 고전압(High Voltage)이 유도되어야 하는 것입니다.
  점화플러그의 전극 사이에서 방전되는 전압의 시간적 경과를 보통 아래 그림과 같이 나타냅니다. 점화플러그 전극 사이의 절연이 파괴되는 순간, 전극 사이로 고전류가 흘러가게 되고 따라서 순간적으로 고전류, 고전압이 흐르게 됩니다. 이렇게 일단 전자의 흐름 통로가 마련되면, 후속되는 전자들은 바로 그 통로를 따라서 흘러가게 됩니다. 전극 사이의 절연이 파괴되는 순간을 보통 Break-down이라고 말하며, 그 후에 지속되는 상대적으로 낮은 전압의 통전기간을 glow discharge기간이라고 합니다.
       
  여기에서 중요한 점은 점화플러그 전극 사이로 전류가 흘러가는 과정이 발생하려면 우선적으로 전극 사이의 절연을 파괴시킬 수 있는 전위차가 전극간에 존재해야 한다는 것입니다. 전극 사이의 전기적 절연을 파괴하여 전기 불꽃을 생성시킬 수 있는 전극 간의 전위차를 요구 전압(Ignition Voltage Requirement)이라고 합니다.
  이 요구전압은 여러 가지 인자들에 의해 영향을 받습니다. 전극 간극, 전극의 모양, 전극의 온도, 전극의 재질 등과 같은 전극에 관한 요인뿐 만 아니라, 공기-연료 혼합비, 혼합기의 유속, 혼합기의 난류성분, 압력 등 연소 조건에 의해서도 요구 전압이 달라집니다. 따라서, 요구전압은 엔진이 작동하는 조건에 따라서 달라집니다. 그래서 차량에 탑재할 점화시스템을 설계할 때에는 엔진의 작동조건이 달라지더라도 안정적으로 점화가 일어날 수 있도록 충분한 여유마진을 가지는 점화시스템으로 설계합니다. 예를 들어, 점화플러그의 전극 간극 변동에 대한 고려, 엔진의 회전수 변동에 대한 고려, 사용 연료에 대한 고려 등이 필요합니다.
  엔진을 계속 사용하다보면 점화플러그의 전극 간극이 넓어지게 됩니다. 전극 간극이 넓어지면 spark에 의해서 형성되는 고온의 화염핵이 그만큼 커지기 때문에 연소에 유리합니다만, 전극 간극이 넓어지는 만큼 더 큰 요구전압이 요구되는 불리한 점도 있습니다. 또, 가속할 때가 정속 주행을 할 때 보다 요구전압이 더 높습니다.
  그래서 엔진에 따라 차이가 있지만, 대개 25KV ~ 30KV 의 전압이 발생하도록 점화시스템을 설계합니다. 엔진의 사용 기간이 길어짐에 따라 시스템의 성능이 저하되어 방전전압이 떨어지고, 또 점화플러그의 전극 간극이 넓어져서, 나중에는 점화가 불꽃 방전이 일어나지 않을 수 있습니다. 이런 이유로 점화시스템(점화코일, 점화플러그, 하이텐션 코드 등)의 구성 부품들을 교환해야 하는 것입니다.

 가솔린 엔진은 혼합기를 피스톤으로 압축시키고 혼합기를 전기불꽃으로 점화시켜, 혼합기를 연소시킴으로써 출력을 얻습니다. 혼합기의 연소에 의해서 발생된 압력은 피스톤을 아래로 밀어 내리고 그 힘에 의해서 엔진이 회전하게 됩니다. 이때, 동일한 양의 연료를 소모하더라도 전기불꽃을 언제 발생시키느냐에 따라 얻어지는 압력이 달라지므로, 최적의 점화위치(Ignition Timing)에서 충분한 에너지를 가지는 전기 불꽃을 만들어주는 것이 중요한 제어 항목이 됩니다.
  점화장치는, 전기회로의 과도현상을 이용하여 10~35KV의 고전압을 발생시키는 점화코일과 이그나이터(Ignitor), 고전압을 엔진의 각기통으로 분배하는 배전기(Distributor), 전기불꽃이 직접적으로 생성되는 점화플러그, 그리고 배전기와 점화플러그를 연결하여 고전압을 전달하는 하이텐션 코드(High tension Cord)로 구성됩니다. 현재의 가솔린 엔진에서는 ECU에서 직접 고전압의 분배까지 제어하는 관계로 배전기가 없는 D.L.I.(Distributor-Less Ignition)시스템이 많이 사용되고 있습니다.
  점화장치의 구동을 통하여 점화플러그에 전기 불꽃을 발생시키기 위해서는 먼저 점화코일의 1차 코일측에 전류를 통전시켜서 에너지를 축적시킨 다음에, 일정 시간이 경과한 후에 이 1차 코일 회로를 차단하면, 점화코일의 2차 코일측에 고전압이 유도됩니다. 이렇게 유도된 2차 코일측 고전압이 점화플러그에 전달되어 전기불꽃을 생성시키는 것입니다.
  그러므로, 점화장치의 구동에 있어서 엔진의 운전 상태에 따라 제어가 요구되는 것은 1차 코일 전류의 통전시간 제어(Dwell Control)와 1차 코일전류의 차단타이밍 제어, 즉 1차 코일 전류를 차단하는 것에 의하여 2차 코일에 고전압을 발생시켜 점화용 불꽃이 발생하는 타이밍을 제어하는 점화시기 제어(Electronic Spark Advance Timing Control), 2가지가 있습니다.
  왼쪽 그림에서와 같이 점화코일의 1차 코일전류는 통전이 개시됨에 따라 지수함수적으로 증가합니다. 그런데, 1차 코일 전류를 차단할 때 2차 코일측에서 유도되는 고전압의 크기는 1차 코일 전류의 크기에 따라 비례하기 때문에, 충분한 에너지를 가지고 있으며 안정적이고 신뢰할 수 있는 전기 불꽃을 만들기 위해서는 최소의 1차 코일 전류 수준을 초과해야 합니다. 한편, 1차 코일 전류가 포화되어 장시간동안 코일에 전류가 통전되면 발열로 인해 에너지의 손실이 있게 되고 또 열해(熱害)로 인해 코일이 손상될 가능성이 커집니다. 따라서, 이 두가지를 모두 고려하여 충분한 고전압을 확보할 수 있으면서 열해는 입지 않을 적정한 통전시간이 되도록 통전시간을 제어하는 것이 필요합니다. 이것을 통전시간 제어라고 합니다. 통전시간을 영어로는 드웰시간(Dwell Time)이라고 하고, 이 시간을 크랭크 축의 회전각으로 표현한 것을 드웰각(Dwell Angle)이라고 합니다.
  위 그림에 표현된 1차 코일 전류의 변화는 배터리 전압에 의해서 영향을 받습니다. 배터리 전압이 낮으면 당연히 느리게 전류가 상승합니다. 따라서, 배터리 전압에 따라서도 통전시간을 제어하는데 배터리 전압이 낮으면 통전시간을 길게, 배터리 전압이 높으면 통전시간을 짧게 제어합니다.

현재는 1개의 ECU(Engine Control Unit)가 연료분사 제어, 점화시기 제어, 그리고 공회전 제어 등 엔진의 작동에 관한 제어 전반을 담당하고 있는데, 이렇게 1개의 엔진 제어 ECU가 여러 가지 제어를 동시에 수행하는 것은 1980년대 이후의 일입니다. ECU가 처음 차량에 탑재되기 시작한 1960년대부터 70년대까지 사용되었던 ECU에서는 각각의 제어 기능이 별도로 수행되었습니다. 이 시기의 ECU는 Analog회로로 구성되어 있어서, 아날로그 회로에서는 제어 기능이 추가되면 그 기능을 실현하는 제어로직에 맞춰서 전자회로의 추가가 요구되었습니다. 때문에 2개 이상의 기능을 조합하려면 ECU의 크기가 매우 커지게 되어서, 그렇게 큰 크기의 ECU를 차량에 장착하는 것도 용이한 일이 아니었습니다. 이 시대의 전자 제어 시스템은 일반적으로 각 기능만의 단독 제어시스템으로 구성되었으며, 그래서 이런 시스템을 단독제어 시스템(Stand-Alone System)이라고 불렀습니다.
  그러다가 전자기술의 발전과 더불어 1970년대 후반부터 엔진 전자제어분야에 마이크로 컴퓨터가 응용되기 시작되었습니다. 제어 기능을 실현하는 프로그램을 만들고, 그것을 기계어로 번역하여 기억장치에 기억시키며, 제어에 필요한 액츄에이터를 작동시키기 위한 출력인터페이스를 추가함으로써 점차 통합 제어 ECU의 기반이 다져지게 되었습니다. Compact한 ECU의 등장도 이때부터 가능하게 되었고, 기능의 추가 역시 극단적으로 용이하게 되었습니다. 이후로는 CPU의 발전이 ECU의 기능 확대를 뒷받침하게 됩니다.
  이전에는 연료 분사 제어와 점화시기 제어가 각각의 Stand-alone형태로 수행되었으므로, 여기에 요구되는 입력 센서들 또한 각각 사용되었습니다. 그러나, 연료 분사 제어와 점화시기 제어가 1개의 ECU에서 동시에 수행될 수 있으므로, 제어 기능의 집중화에 의해 기능별로 센서를 설계할 필요가 생겨났고, 이에 따라 시스템 전체의 구성을 간소하게 할 수 있다는 이점도 있습니다. 이렇게 복수의 기능을 1개의 ECU에서 제어하는 형태를 집중제어(Integrated Control)이라고 합니다.
  엔진의 집중제어 시스템은 많은 경우, 연료분사 제어를 기본 축으로 하고 거기에 몇 가지의 Sub-control을 추가하는 형태로 이루어져 있습니다. 점화시기 제어도 바로 이 Sub-control의 하나입니다. 연료 분사 제어를 EFI(Electronic Fuel Injection)이라고 하는 것에 반하여, 점화시기 제어를 ESA(Electronic Spark Advance)라고 합니다. 현재의 승용차에는 EFI와 ESA가 1개의 ECU로 제어되며, EFI와 ESA를 합한 전체 전자 제어 시스템을 EMS(Engine Management System) 이라고 합니다.
  ESA라고 불리는 점화시기 제어는 엔진의 동력성능, 연비 성능, 배출 성능에 있어서 최적의 점화시기를 구현하는 데에 그 목적이 있습니다. 엔진의 현 상태와 운전자의 의도에 가장 적합하게 엔진의 성능이 발휘되도록 엔진의 점화시기를 결정하는 수단으로써 점화시기 제어가 작동합니다. 따라서, 점화시기 제어에서도 연료 분사 제어에서와 마찬가지로 기본량과 보상량에 대한 개념이 적용됩니다. 이런 내용들에 대해서 좀 더 자세히 살펴봅니다.

 가솔린엔진의 연료양 제어에 영향을 미치는 것으로 연료 증발가스와 배기가스 재순환장치(EGR : Exhaust Gas Recirculation)의 제어가 있습니다. 이들 제어 기능은 EMS가 배출가스 저감을 목적으로 수행하는 기능들입니다. 이들 제어를 수행하면 공기량 계측 센서를 통하지 않고 공급되는 공기량이 있게 되거나, 인젝터를 통하지 않고 연료가 공급되는 일이 발생하게 되므로, EMS의 연료 제어에서 이들을 보상하여야 합니다.
  연료 증발가스 제어는 연료탱크에서 발생하는 연료 증기가 대기 중으로 배출되지 않도록 하는 증발가스 규제에 대응하기 위하여 수행되는 기능입니다. 작동 중인 엔진에서 열을 받거나, 또는 대기 중의 열로 인해 연료 탱크 내의 연료는 온도가 상승하게 됩니다. 연료 탱크 내의 연료의 온도가 상승하게 되면, 연료 중에서 쉽게 기화되는 성분들이 먼저 증발하게 됩니다. 이들 증발가스를 그대로 대기 중으로 방출하게 되면 HC가스가 배출되는 것이 되고, 또, 그만큼 연료를 낭비하는 것이 되므로, 캐니스터(canister)라는 별도의 용기 안에 증발가스를 포집하도록 되어 있습니다. 그래서, 나중에 엔진이 작동 중일 때 캐니스터 안에 포집되어 있는 연료 증발가스를 엔진으로 되돌려 보내 연소실에서 연소되게 하는 것입니다. 아래 그림에 연료 증발가스 시스템을 소개합니다.
                       
 캐니스터에서 엔진으로 공급되는 연료 증발가스는 말 그대로 순전히 연료로만 구성되어 있기 때문에, 캐니스터에서 아주 소량의 증발가스가 공급되어도 feed-back 제어에 미치는 영향은 매우 큽니다. 그래서 증발가스를 엔진 공회전 상태에서는 엔진으로 공급하지 않습니다. 또 증발가스가 엔진으로 공급되는 동력원은 대기압과 흡기 부압의 차압이기 때문에 엔진의 흡기 부압이 작은 영역에서는 엔진으로 공급되지 않습니다.
  한편, 배기가스 재순환은 연소실에서의 NOx의 생성을 저감하기 위하여 일부 차종에서 적용하고 있는 기술입니다. 연료가 공기와 혼합되어 연소될 때, 연소 온도가 높으면 NOx가 많이 생성되므로, 연소 온도를 떨어뜨릴 목적으로 배기가스 중의 일부를 다시 연소실로 공급하는 것을 말합니다. 따라서, EGR이 작동되면, 연소실에 공급되는 흡입 공기의 양이 적어지는 셈이므로 EMS도 연료의 공급량을 줄이게 됩니다. EGR이 작동되게 되면 아무래도 연소가 악화되므로 공회전 상태에서는 EGR 기능이 사용되지 않습니다. 이 EGR 역시 배기관의 압력과 흡입 부압 과의 차압에 의해서 작동됩니다. 따라서, 흡기 부압이 작은 엔진 운전 영역에서는 EGR도 사용되지 않습니다.

가솔린엔진의 시동은 시동 스위치와 엔진의 회전수 정보를 바탕으로 판단됩니다. 시동스위치는 전기적인 신호이므로 즉각적으로 판단이 가능하지만, 엔진 회전수에 관한 정보는 엔진의 회전에 따른 크랭크 앵글 센서의 출력 신호에 의해서 결정됩니다. 통상 시동을 판정하는 "시동판정회전수"는 400rpm이하로 설정됩니다. 시동 키가 Start에 접속되면 스타터에 전원이 공급되어 스타터가 링기어와 맞물려 들어가면서 회전하기 시작하고, 이때 스타터 -> 링기어 -> 크랭크축의 순서로 회전하게 됩니다. 물론 이것들은 기계적으로 결합된 상태이기 때문에 거의 동시에 회전하게 됩니다. 스타터에 의해 크랭크축이 회전하게 되면 그 회전속도는 크랭크 앵글 센서에 의해 감지되고 따라서 ECU는 엔진회전수를 계산할 수 있습니다. 이때 엔진회전수가 시동판정회전수 보다 더 크면 시동으로 판정하여 연료분사와 점화제어가 개시됩니다. 엔진을 정지시킬 때에는 "정지판정회전수"를 기준으로 하며, 정지판정회전수는 보통 시동판정회전수 보다 더 높은 값으로 설정됩니다.
  그러나, 시동시에는 흡입공기량이 적고, 또 흡입공기량의 검출 또한 정확하지 않기 때문에 흡입공기량과 엔진회전수를 기준으로 하는 연료분사량 계산은 부정확하며, 또 그럼으로써 확실한 시동을 담보할 수 없게 됩니다. 그래서, 시동시 엔진에 공급되는 연료량은 엔진의 냉각수온에 따라 사전에 설정된 값이 할당됩니다. 국내의 기후 환경 조건에서 연중 기온이 -15℃ ~ 30℃의 범위에서 변동하므로, 이 시동시 연료량을 설정하기 위하여 국내 자동차 제작사에서는 -15℃정도의 낮은 온도 조건까지 실험을 수행합니다. 시동시 냉각수온이 낮을수록 연료공급량은 많으며, 냉각수온이 높아짐에 따라 시동시 연료분사량은 줄어들게 됩니다. 냉각수온과 시동시 연료분사량의 관게를 아래 왼쪽 그림에 나타냅니다.
  엔진의 냉각수온이 낮으면 연료를 분사하여도 쉽게 기화가 되지 않으며, 또한 흡기관의 벽면에 부착되는 양이 많아져서 실제로 연소실로 공급되는 연료의 양은 줄어들게 됩니다. 그래서, 엔진온도가 낮을수록 더 많은 연료를 분사하는 것입니다.

  한편, 엔진의 시동이 걸려도 엔진의 냉각수온이 낮을 때에는 연료의 기화 용이성이나 벽면 부착양의 多少 외에도 엔진오일의 점도나 마찰 등의 문제로 더 큰 출력이 요구됩니다. 시동 직후에 엔진이 자신의 동력으로 회전을 유지할 수 있는 상태가 되었다고 하더라도 수 십 초 동안은 시동 후 增量을 수행합니다. 이때에도 엔진의 냉각수온에 따라 시동 후 증량이 수행되는 시간과 연료 증량의 크기가 달라집니다. 위 오른쪽 그림은 시동 후 연료 증량의 수행 시간의 長短을 표현한 것입니다. 시동시 엔진의 냉각수온이 낮을수록 초기 연료증량도 많고 또 연료증량이 계속되는 시간도 길어집니다.  

  가솔린엔진의 연료분사는 연료분사량의 결정 방법과 연료분사시기의 결정 방법에 따라 별도의 용어로 구분됩니다. 연료분사량의 결정 방법에 따라 구분하는 용어로는 open-loop와 closed-loop가 있으며, 연료분사시기의 결정 방법에 따라 구분하는 용어로는 동기분사와 비동기분사가 있습니다.
  open-loop는 엔진으로 흡입되는 공기의 양에는 관계없이 별도의 방법에 의해서 정해진 연료량을 분사량으로 결정하는 것을 말하며, closed-loop는 엔진으로 흡입되는 공기의 양에 근거하여 연료분사량을 결정하는 것을 말합니다. 시동을 걸 때나 시동을 건 직 후에는 open-loop 방식에 의해 연료 분사량이 결정됩니다. 반면에 Feed-back 제어 조건을 만족하는 상황에서는 closed-loop 방식으로 연료량이 결정됩니다.
  한편, closed-loop 제어 상황에서도 크랭크샤프트 센서의 산호에 동기되어 일정한 시점에 분사되는 것을 동기분사라고 하며, 급가속 때와 같이 동시분사를 기다리지 않고 즉각적인 연료분사가 필요할 때 일시적으로 분사하는 것을 비동기 분사라고 합니다.
  비동기 분사는 크랭크샤프트 회전각에 동기하지 않는 임시적인 분사입니다. 주행하다가 급가속을 할 경우, 일반적으로 가속보정을 통하여 급가속에 필요한 추가적인 연료를 공급합니다. 그런데, 일반적인 가속보정에 의한 증량보정은 동기분사입니다. 이 동기분사에 의한 증량보정으로도 충족될 수 없는 급가속 소요 연료량을 비동기 분사를 통하여 추가적으로 공급하는 것입니다.
  다음 기통에 분사될 연료량을 미리 결정해야 하는 연료분사시스템의 특성상, 급가속에 의해서 엔진으로 흡입되는 공기의 질량이 급격하게 변하면 이미 결정된 분사량으로는 공연비를 맞출 수 없게 됩니다. 따라서, 공연비를 맞추기 위해서는 신속하게 추가 연료량을 분사해야 되므로 크랭크샤프트의 회전각과 무관하게 연료를 분사할 필요가 있는 것입니다. 이런 비동기 분사를 하느냐 마느냐는 가속을 확실하고 신속하게 검출하는 것에 의해서 결정됩니다. 그러므로, 엔진의 상태를 나타내는 변수 가운데에서 가장 빠르게 반응하고, 또 운전자의 의도가 직접적으로 검출되는 가속페달에 의한 드로틀밸브의 열림각으로 급가속을 검출합니다. 보다 구체적으로는 드로틀밸브 열림각의 변화량으로 급가속을 검출합니다. 드로틀밸브 열림각의 변화량이 일정 수준 이상이 되면 급가속으로 감지하는 것이 가능하며, 또, 급가속의 정도 또한 드로틀밸브 열림각 변화량의 크기로 알 수 있습니다. 급가속의 정도가 심하면 드로틀밸브 열림각 변화량이 클 것이고, 따라서 당연히 비동기분사에 의해 추가적으로 분사되어야 할 연료의 양도 많을 것입니다. 그래서, 드로틀밸브 열림각의 변화량이 크면 비동기 분사량도 많아집니다.
        

 엔진의 배기밸브, 배기다기관(Exhaust manifold), 삼원촉매 등을 보호할 목적으로 엔진제어장치가 필요 이상의 연료를 농후하게 공급하는 Fuel Cooling이라고 하였습니다. 물론, Fuel Cooling이 Fuel Enrichment의 전부는 아닙니다. 엔진 전자 제어 시스템에서 사용되는 Fuel Enrichment에는 시동enrichment, 가속Fuel Enrichment, Power Fuel Enrichment, Fuel Cooling Enrichment등이 있습니다. 그 중에서 Fuel Cooling만이 다른 것들과는 전혀 다른 목적으로 사용되는 있고, 다른 것들은 모두 엔진의 성능을 개선할 목적으로 사용되고 있는 것입니다.
  현재 운전되고 있는 대부분의 가솔린엔진에서 허용되는 최대 배기가스 온도는 대개 850℃~900℃정도입니다. 화재의 위험이 커지는 것은 차치하고서도 그 이상의 온도에 장시간 견딜 수 있는 적절한 재질이 없기 때문에 엔진 및 배기계 보호를 위해서는 별도의 조치가 필요한 것입니다. 통상, 엔진의 부품들 중에서 가장 높은 온도에 노출되는 부품은 배기밸브의 밸브시트(Valve Seat)입니다. 900℃ 이상의 고온에 견딜 수 있도록 배기 밸브 시트의 재질을 변경하는 것은 불가능한 것은 아니지만, 그 경우 엔진 가격의 상승을 부담해야 합니다.
  배기밸브를 지나는 고온의 배기가스는 곧바로 배기다기관을 통과하게 되는데, 배기다기관이 장시간동안 고온에 노출되면 소위 Thermal Shock때문에 배기다기관이 변형되거나 파손되는 일이 발생할 수 있습니다. 그래서 현재에도 배기다기관의 설계시 열의 집중을 완화하는 방법을 강구하고 있는 것입니다.
  한편, 장착 위치상 삼원촉매 이전에 장착되어 있는 산소센서도 열해를 받을 수 있습니다. 산소센서 내부는 기밀을 유지하기 위하여 정밀하게 구성되어 있는데, 이 산소센서가 고온에 노출되면 산소센서 내부에 있는 구성품들의 열팽창의 차이로 인해 기밀유지가 실패할 수도 있습니다. 그렇게 되면 더 이상 산소센서가 제 구실을 하지 못하므로 정확한 연료 제어를 얻을 수 없게 됩니다.
  삼원촉매 자체도 900℃ 이상의 고온은 달갑지 않은 상황입니다. 배기가스의 정화를 위해 일정량의 귀금속(예를 들면, 백금 등)이 삼원촉매에 들어 있는데, 이 귀금속들을 삼원촉매 내부에 붙들어 놓는 것은 알루미나입니다. 삼원촉매에 있어서 알루미나는 일종의 접착제입니다. 이 알루미나는 800℃이상이 되면서부터 벌써 상변화(Phase Change)를 일으키기 시작합니다. 알루미나의 상변화는 삼원촉매의 정화효율을 저하를 유발합니다. 즉, 배기가스의 온도가 높을수록 삼원촉매의 효율저하가 쉽게 유발되고 그로 인해 유해배기가스의 배출이 많아지는 것입니다. 따라서, 일정 주행거리 이상 동안 유해배출가스가 일정범위 안에 있게끔 개발하는 것을 요구받고 있는 자동차 제작사 입장에서는 배기가스의 온도를 제한할 필요가 있는 것입니다.
  바로 이런 현실적인 이유들 때문에 Fuel Cooling이 사용되고 있는 것입니다.

운전자가 엔진으로 하여금 더 많은 출력을 내길 원한다면, 그런 운전자의 요구가 엔진제어장치에 전달되는 수단은 가속페달이 밟히는 정도입니다. 가속페달을 힘껏 밟는 것은 운전자가 더 많은 엔진출력이 나오기를 바란다는 의미라는 것입니다. 가속페달이 많이 밟히면 가속페달에 연결되어 있는 드로틀밸브(Throttle Valve)가 많이 열려서 더 많은 공기가 엔진으로 유입됩니다. 많은 흡입공기를 연소시키려면 설사 이론공연비 상태로만 연소를 시킨다고 하더라도 많은 연료가 필요로 합니다.
  그런데, 가속페달이 많이 밟혔다는 것은 그만큼 큰 엔진출력을 요구하는 것이므로 엔진으로서도 가능하면 큰 출력을 내도록 제어될 필요가 있습니다. 일반적으로 엔진출력은 아래 그림에서와 같이 공연비에 따라 달라집니다. 특히 이론공연비 보다 약 10%정도 농후한 경우에 엔진 출력이 최대가 됩니다. 따라서 엔진제어장치는 가속페달이 밟히는 정도를 파악하여 큰 출력이 요구된다고 판단될 경우에는 연료를 이론공연비 보다 10~20%정도 더 농후하게 공급합니다. 이것을 Power Enrichment라고 합니다. 이때에는 산소센서에 의한 연료의 Feed-back 보정은 당연히 정지합니다.
   
  한편, 엔진의 회전속도가 높아지면 배기가스의 온도가 상승합니다. 그래서 엔진의 배기밸브, 배기다기관(Exhaust manifold), 삼원촉매 등이 고온에 노출됩니다. 배기밸브, 배기다기관, 삼원촉매는 원래부터 배기계에 위치하므로 고온에 견디는 성질이 강하나, 그렇다고 900℃이상의 고온에 장시간 노출되는 것은 허용되지 않습니다. 따라서 엔진 회전수가 높아서 이론공연비로 연소시킬 때 배기온도가 일정 온도 이상이 되는 영역에서는 배기가스의 온도를 낮추어야 합니다. 현재 허용 최대 배기가스 온도는 대개 850℃정도입니다. 위의 그림에서 보여지듯이 농후한 혼합기는 배기가스 온도를 저하시킵니다. 농후한 연료가 기화되면서 기화열을 빼앗아가고 또 산소가 충분하지 않기 때문에 연소효율이 저하되어 배기가스 온도가 낮아집니다. 따라서, 엔진제어장치는 엔진 배기계를 고온으로부터 보호할 목적으로 공연비를 농후하게 제어하기도 합니다. 이처럼 배기가스 온도를 낮출 목적으로 농후한 혼합기로 제어하는 것을 Fuel Cooling이라고 합니다.

연료량은 차량의 주행에 적절한 엔진의 출력을 얻을 수 있어야 할 뿐만 아니라 유해한 배기가스의 배출을 억제해야 한다는 측면에서 정확하게 제어되어야 합니다. 또, 운전자의 의도에 따라서는 큰 출력이 요구되는 경우도 있습니다. 이런 여러 사용 조건에서 가장 적절한 양이 얼마가 될 것인가를 엔진 제어장치가 결정합니다. 엔진 제어장치는 앞에서 거론한 여러 인자들을 고려하여 최종적으로 연료 분사량을 결정합니다. 이때 결정되는 것은 인젝터의 밸브가 열려 있는 시간이 됩니다. 인젝터의 최종적인 밸브 열림 시간에 영향을 주는 인자들은 아래의 표와 같이 정리할 수 있습니다.