연료형자동차의 기술적 결함

1. 연료형 자동차의 현주소

  세계 1위인 도요타. 그 성공의 핵심이 바로 ‘품질’이라는 것은 이미 널리 알려진 사실입니다.

일본 내수 점유율은 45%, 미국에서도 크라이슬러를 밀어내고 빅3의 한 자리를 차지, 북미 시장에서 포드를 넘어서는 것도 시간문제이고 작년에도 역대 최고 판매 대수와 순이익을 기록했다고 합니다.

이렇게 순풍에 돛단 듯 성장세를 거듭하고 있는 토요타지만 몇 년 새 리콜이 급증하였고 리콜 내용을 요약하면 스티어링 칼럼의 결함, 숙련된 트레이닝 양성이 안 됨, 품질 보증 이후에 발생하는 고장에 대해서는 무심, 부품 공유가 많아지면서 불량이 대폭 증가, 브레이크 액 결함, 트랜스미션 부조, 스티어링 기구의 불량, 크랭크샤프트 포지션 센서가 불량해 엔진이 꺼지고 재시동이 되지 않음 등인데 승장 가도로 달리는 도요타는 이러한 문제들을 간과하였다고 합니다.

그래서 도요타는 2006년 7월 20일까지 일본에서만 총 110만대를 리콜 하였고 이는 2002년의 전체 리콜 대수가 48만 5,000대에 불과했던 것을 생각해 볼 때 엄청나게 늘어난 것이라 합니다.

잦은 리콜로 대변되는 품질 저하는 도요타의 잠재적인 불안 요소로 자리하고 있으므로 생산량과 품질을 모두 잡아야 하는 문제가 도요타에게 던져진 새로운 과제라고 합니다.

이러한 문제는 비단 도요타 뿐 아니라 전 세계 자동차 메이커들이 해결해야 할 과제이기도 합니다.

2. 연료형 자동차의 설계 결함

 연료형자동차는 제작을 할 때는 기계기술, 전기기술, 제어기술로 구분하지만 동작을 할 때는 하드웨어기술과 소프트웨어기술로 보아야 합니다.

따라서 자동차가 운행 중에 시동이 꺼지거나 잘 안 걸리기도 하고 엔진동작이 불안하여RPM이 흔들리면 진동 노킹이 생기고 소음이 증가하고 출력이 떨어지면서 연비가 나빠지고 덩달아 배출가스가 안 좋은 것 등을 하드웨어로 고칠 것인가 소프트웨어로 고칠 것인가를 잘 구분 하여야만 오진(誤診)을 방지할 수가 있습니다.

 이러한 원인을 전기적으로 열거하면 다음과 같습니다.

가. 전기회로 구성 문제

  현재의 연료형자동차의 전원장치인 알터네이터(발전기)와 배터리는 상호 병렬로 연결되어 있고 시동이 걸리면 자동차는 배터리전압 보다 높은 알터네이터전압으로 동작을 하며, 이들을 1차전기입니다.

1차전기인 12V(알터네이터는 통상 14~15V)에 의해 ECU에 내장된 전원장치에서 2차전기인 5V가 생성되며, 이 5V는 ECU는 물론 수십 개의 각종 센서에 공급합니다.

그러면 모든 센서는 전기신호(아날로그 성분)를 발생하여 ECU로 보내면 ECU는 이들 신호를 조합하여 자동차를 제어 할 새로운 신호(디지털 신호)를 만들어 자동차를 통제합니다.

이러한 동작을 하는 과정에 분포정수(R, C, L)에 의해 불필요한 전하(電荷)가 생성 되는데  현재의 연료형자동차는 이들을 제거해 줄 방법이 없습니다.

이로 인하여 전위차가 생기고 신호들이 왜곡 또는 지연되고 신호수가 바뀌는 현상이 생깁니다.

나. 제어신호 변화문제

  연료형자동차에 사용하는 전기신호(아날로그, 디지털)는 자동차를 통제하는 제어신호입니다.

각종센서가 만드는 전기신호는 아날로그신호로 사람의 말초신경에 해당하고 ECU가 만드는 전기신호는 디지털신호로 사람의 중추신경에 해당 합니다.

이러한 전기신호가 온도(기온, 엔진열)변화, 물리적(기계, 전기장치, 선로)특성 변화에 따라 요동(왜곡, 지연, 증감)을 치므로 제어가 불안정 하여 차가 정상적인 동작을 잘못 할 뿐 아니라 성능을 떨어뜨리고 잦은 고장을 유발시키고 나아가 차 수명을 단축시키는 요인이 되고 있습니다.

다. 트로틀 바디의 동작문제

  연료형자동차의 연비에 가장 민감한 영향을 주는 것이 트로틀 바디의 기울기(공기와 TPS신호 비율)로 이 기울기가 얼마나 정확해지느냐에 따라 이론연비와 실 연비의 차이를 줄 일수 있습니다.

그런데 트로틀 바다의 동작형태는 물리적인데 연료공급과 폭발에 필요한 요소는 “공기량과 전기신호”입니다.

이 처럼 공기와 연료를 조절하는 트로틀 바디의 설계요소와 동작요소에는 해석상에 큰 차이가 생기므로 아무리 차를 정교하게 만들어도 해석 차이에 따른 동작오차를 줄일 수 없기 때문에 차의 품질(부품특성, 조립특성)이나 연료에 따라 성능에 문제가 생기고 연비차가 심하게 생기는 현상이 발생하고 있는 것입니다.

3. 해결방법과 결론

  전기회로 구성문제, 제어신호 변화문제, 트로틀 바디 동작문제 등으로 인하여 차 종류나 연료 종류 등에 따라 차 성능에 많은 차이가 생기고 나아가 연비가 나빠지는 것을 발견하게 되었습니다.

따라서 전기적(전자제어)결함이 차에 얼마나 영향을 주는 가는 사람에 비유(뇌사자, 척추마비자, 치매자, 건망증 등)하면 쉽게 이해가 갈 것입니다.

이미 전 세계적으로 양산되고 고착화된 설계방식을 변경하기는 불가능하므로 이를 보완하는 기술개발이 필요하였으며, 그 방법이 제어에 필요한 전기신호가 주위 환경이나 차의 기계적 상태에 따라 흔들리지 않도록 안정화 시켜주는 것 이었습니다.

즉 1,2차 전기회로 간에 “전기적인 폐회로”를 만들어 차가 동작하면 자연적으로 발생하는 “3차전기를 억제 및 제거시키고 전기신호를 보정(전기적) 하여 제어기능을 강화”시켜 주는 방법입니다.

그러면 차가 동작상(시동 관련, RPM관련)의 문제와 성능(연비, 힘, 소음, 배출가스, 노킹, 진동, 오디오, 배터리수명 등)에 해당하는 모든 분야에 골고루 효과가 나타나므로 소비자에게는 품질 좋은 차로 거듭나게 할 수 있고 메이커는 좋은 차를 만들 수가 있는 것입니다.

<제공=모터파워>