< 연비를 저해시키는 설계 요소>

1.트로틀바디 문제
   모든 내연기관자동차는 "공기와 연료를 얼마나 적절하고 조절하느냐에 따라 연비"가 좌우되므로 공기와 연료를 조절하는 트로틀바디에 대하여 설명하고자 합니다.

다음 도표는 트로틀바디의 동작 함수 관계입니다.

위 도표에서 보듯이 트로틀바디는 액셀러레이터의 페달 밟기에 따라 공기밸브가 0°~ 90°까지 변하고 밸브 축에 부착되어 있는 TPS센서가 연동하면서 0.3V ~ 4.8V범위의 신호를 만들에 ECU로 보냅니다.

즉 "트로틀바디는 밸브각도(0°~90°)를 공기량으로  TPS 전기신호를 연료량으로 적용"하고 있다는 것입니다.

따라서 트르틀바디 동작에 따라 엔진이 동작 가능한 혼합비는 8~20 : 1 범위로 정하여 완전연소혼합비, 최대출력혼합비, 경제혼합비, 무부하혼합비, 기동성혼합비, 가속성혼합비 등 운전요건에 따라 혼합비율은 다르게 설정된다고 봅니다.

하지만 트로틀바디의 설계함수와 실함수가 다르기 때문에 이론연비와 실연비가 다르게 나타나고 또한 차가 노후화할수록 이들 함수가 자꾸 틀어지기 때문에 연비가 갈수록 나빠지는 현상이 생기는 것입니다.

이러한 결점을 보완하기 트로틀바디 동작을 철선방식에서 모터방식으로 조절하기도 하고 또한 일부 차종에는 흡기장치에 공기량을 측정하는 센서가 있기도 하지만 "트로틀바디의 근본적인 함수문제를 개선"하지는 못합니다.

또 다른 문제로는 "동일시간 대의 밸브에서 출발한 공기량과 인젝터가 주입하는 연료량이 피스톤에 도착하는 시간은 같을 수가 없다"는 것입니다.

이처럼 트로틀바디의 설계함수와 실함수가 다르기 때문에 이론연비와 실연비가 다르게 나타나고 있으므로 이를 일명 "트로틀바디의 가상공학“이라고 부를 수 있습니다.

 ※ 참고 ※
트로틀바디의 공기밸브를 철선으로 움직이는 방법(TPS방식)과 전기모터로 움직이는 방법(APS)이 있지만 “트르틀바다의 용도(역할)는 같습니다”.

2.접지전압 문제 
   다음은 ECU와 12V간의 간략한 전원구성도입니다.

위의 구성도에 의하면 "5V전기회로와 12V전기회로 간의 접지회로"는 물리적으로는 동일접지로 볼 수 있지만 전기(전자)적으로 볼 때는 분리되어 있으므로 “동작시에는 동일접지전위가 안 된다”는 것입니다.

이로 인하여 신차인 경우에는 접지전위가 “0(2~3mv)”V에 가깝지만 년식이 점점 늘어나면 ECU부품과 배선열화 등으로 인하여 심할 경우는 100mV까지 증가하기도 합니다.

이 처럼 두 전기회로 간에 “접지전위차가 생기면 그만큼 데이터오류”가 발생하므로 특히 인젝터의 오동작 확률이 높아지게 됩니다.

그러면 엔진동작이 안정되지 못하여 차의 전반적인 성능이 떨어지므로 결국은 연비를 나쁘게 하는 요인이 된다는 것입니다.

3. 기생전기 발생
  자동차 운행 중 발생하는 엔진소음, 진동 및 주행 중 시동 꺼짐 현상 등은 "제어전원(5V)과 동력전원(12V)의 이원화로 인하여 발생하는 다음의 기생전기"들이 엔진동작을 방해하기 때문입니다.
     • 잡음전기 : 선로 또는 도체 간에 생기는 노이즈전기
     • 유도전기 : 선로 간 또는 코일에서 생기는 유도성(XL) 전기
     • 용량전기 : 선로 간 또는 차체 등에서 생기는 용량성(XC) 전기 
     • 역기전기 : 인젝터 등 유도성 부하가 복구하는 순간 배터리전기 보다 20~30배의 높은 역기전기
     • 맥동전기 : 배터리전기(12V)에 파장이 생기는 맥류전기
     • 접지전기 : 차체와 배터리 마이너스단자 사이에 생기는 접지간 전기
     • 고조파전기 : 유도성 부품에서 생기는 전기( Harmonic Electric) 

특히 이들 기생전기들은 약한 전기 즉 제어신호들을 왜곡, 지연 또는 오신호 유입 등으로 방해를 많이 합니다.
또한 이러한 현상은 “하이브리드자동차에도 일어나며, 전기차에서는 배터리성능을 방해하여 배터리수명을 단축시키는 요인으로 작용”하기도 합니다.

다음은 기생전기를 발생할 요인들을 나타낸 그림입니다. 

4. 해결기술
   VAD는 TPS/APS에 병렬로 연결하여 1․2차 폐회로 간을 새로운 3차 전기(전자)적인 폐회로를 만들어 각종 전기장치나 선로 등에 의해 발생하는 "기생전기신호들을 제거 • 억제"시켜 주므로 
     • 1․2차전기를 안정적으로 생성․공급(전압 보상) 
     • 전기신호들의 왜곡과 지연을 방지(듀티값 안정) 
     • 트로틀바디의 기울기를 교정(TPS/APS신호와 공기비율 교정) 
     • 1,2차 전압간의 접지전위차를 줄임(접지전압 줄임)
     • 전기부하들의 동작 원활(동작•복구 원할)
등의 역할을 해줍니다.

다음은 VAD에 의한 전기흐름의 계통도입니다.

5. 효과 
  가. 출력과 속도 관계 
     다음은 트로틀바디의 설계함수와 동작함수의 “이질적 오차를 보완”하고 또한 “ECU의 접지전압을 개선”시킨 후의 엔진출력파형입니다.

※ 그래프 보기
    * 파란선 : 이론적 기울기
    * 검은선 : VAD장착 (전) 그래프
    * 붉은선 : VAD장착 (후) 그래프

● 출력 그래프 해석 ●
   ① 0km ~ 37km정도까지는 출력과 속도가 거의 비례적으로 증가하지만 40km(a지점)부근에서는 출력이 20kw정도(b~a점)로 뚝 떨어지다가 70km부근에서는 반대로 출력이 30kw로 급상승(c~d점) 하였습니다.
   ② 40km(b지점)~70Km(c지점)사이는 출력이 급상승하여도 속도가 비례적으로 빨라지는 것은 아니었습니다.
   ③ 따라서 VAD장착(붉은선)후 0km ~100km까지는 출력과 속도가 비례적이었으며, 100km에서는 동일출력에서도 속도는 증가(e,f지점) 하였습니다. 
       * 출력 : 최대 10% 증가(년식 대비)

  나. 연비와 배출가스 개선 
    연비와 배출가스를“연소내처리방식(Internal Process System)”으로 개선하므로 현재의 연소후처리방식(External Process System) 결점을 보완해주고 있습니다. 
        * 연비 : 최대 30% 개선(년식 대비)
        * 배출가스 : 최대 60~ 80% 개선(년식 대비)

그외 시동성,진동, 소음,변속충격, 노킹 등을 개선시켜 줍니다.
 
  다. 방전방지와 배터리수명 연장 
     충전효율을 높여 방전을 방지하고 배터리수명을 연장시켜 줍니다.  
  
  라. 고장율 감소
     고장율 감소와 자동차 수명을 연장시킬 수 있습니다.

5. 결론 
  VAD술은 트로틀바디의 가상적 연비함수를 실함수에 적합하도록 전자적으로 교정하고, 기생전기를 줄여 고장율을 감소시켜 데이터를 안정화시켜주므로 연비와 배출가스를 포함 차 성능을 개선시키는 "네트워크(제어망)기술”입니다.

따라서 자동차가 전자화 할수록 “전기 및 데이터가 안정되어야 연비•배출가스 및성능 개선은 물론 고장율도 줄일 수 있다”는 것입니다.
 <제공 = VAD/www.motorpower.co.kr>