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연료형자동차 전기의 중요성
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작성일
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2004-12-30 14:04:05
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조회수
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2278
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I. 자동차 전기란
1. 자동차전기 종류
○ 자동차에는 배터리와 알터네이터에 의해 만들어지는 1차 전기(12V or 24V)와 1차 전기에 의해 만들어지는 2차 전기(5V)가 있고, 그리고 1차전기로 동작하는 전기적 부하(負荷)와 2차전기로 동작하는 ECU(Electronic control unit), TPS(Throttle position sensor)외 각종 센서가 있다.
○ 이들이 생성되고 동작하는 과정에 역기.유도.맥동.정전.접지전기 등 여러 가지 불필요한 전기가 발생되고 있는데 이들을 총칭하여 3차전기, 간섭전기 또는 기생전기라 한다.
2. 자동차전기가 흔들리는 이유
○ 자동차 배터리는 시동을 걸거나 시동이 걸리지 않은 상태에서는 미등 라디오 깜빡이 ECU등의 전원으로 사용 된다. 그러나 시동이 걸리고 나면 다음 시동을 걸 때를 대비하여 충전(充電)을 하고 있을 뿐이고 알터네이터에서 생성되는 전기가 배터리 임무를 전부 대행하게 된다.
○ 그런데 알터네이터는 엔진회전에 의해서 전기를 만들어 내므로 엔진 회전(RPM)이 불안정하면 알터네이터의 전기가 불안정하여 1차전기가 흔들린다. 그러므로 자동차가 시동 전에는 배터리가 중요하지만 시동이 걸리고 나면 알터네이터가 중요한 이유가 여기에 있다. 따라서 RPM이 흔들리면 자동차의 1차전기가 흔들리며 2차전기도 따라서 흔들린다. 물론 1차전압 안정을 위해 알터네이터 안에 전압안정회로가 내장되어 있지만 완전한 제어가 어렵다.
○ 그래서 승용차의 경우 알테네이터 전기는 보통 13.5V~ 14.1V로 만들어 지는 것이 바람직하다고 하지만 이것도 차마다 상당한 차이가 나고 있으며, 변화폭이 심하면 심할수록 자동차성능에 많은 영향을 미친다.
3. RPM이 흔들리는 이유
○ 연료형자동차는 연료 폭발에 의해 피스톤이 움직인다. 초기의 자동차는 기계식제어방식으로 전기가 단순히 연료를 폭발하도록 도와주는 역할만 했다면 근래의 자동차는 전자제어방식으로 자동차전기의 기술이 발전되고 있다.
○ RPM이 흔들리는 것은 엔진이나 연료에 의한다기보다 불안정한 전기 때문이라는 것을 다음과 같은 내용으로 간략하게 증명하고자 한다.
① 피스톤에 연로가 들어가기 위한 과정
* 피스톤에 연료를 공급하는 것은 인젝터이며, 인젝터를 동작시키는 것은 스위칭 트랜지스터이고 이 트랜지스터를 제어하는 것은 구형펄스이고 구형펄스를 만드는 것은 ECU이며 ECU는 각종 센서(수십종으로 차마다 다름)에서 들어오는 아날로그 성분의 신호를 조합하여 구형 펄스를 만든다.
② 자동차가 진동하는 원인 이러한 과정을 거쳐 배관으로 흘러온 연료가 피스톤으로 유입이 되는데 이 모두가 전기전자제어에 의해서만 가능한 것이다. 따라서 전기가 불안정하면 인젝터의 동작이 정확하지 못하여 각 피스톤에 공급되는 연료량이 일정하지 못하게 되어 각 피스톤의 폭발율이 달라저 버린다. 각 피스톤의 운동힘이 달라지므로 자연히 차는 진동을 하게 된다. 그래서 RPM이 높으면 높은 데로 낮으면 낮은 데로 흔들리는 것은 엔진자체에도 문제(기계적 문제)가 있을 수 있지만 불안정한 전기와 제어문제가 더 큰 원인이 된다.
4. 전압변동 요인
○ 전기적 변화가 자동차에 어떤 영향을 미치는 가를 몇 가지 사례로 설명하고자 한다.
① TPS신호 생성 및 성능에 미치는 영향
* TPS는 오디오에 비유하면 볼륨과 같은 역할을 하는 것으로 액셀러레이터를 밟을 때 다음과 같이 TPS신호가 생성된다. ※ TPS저항 5000Ω으로 기준 저항/개도율 기준전압 높은전압 낮은전압 편차 폭 - 5.0㏀/100% 5.0V 5.3V 4.70V 0.60V - 4.0㏀/80% 4.0V 4.24V 3.76V 0.48V - 3.0㏀/60% 3.0V 3.18V 2.82V 0.36V - 2.0㏀/40% 2.0V 2.12V 1.88V 0.24V - 1.0㏀/20% 1.0V 1.06V 0.94V 0.12V - 0.0V/ 0% 0V 0V 0V 0V 위 조건에서 예를 들면 개도율 40%일 때 저항이 2.0㏀으로 TPS신호전압은 2.0V가 되어야 한다. 그러나 공급전압이 5.3V나 4.7V로 변하게 되면 이때 출력신호는 각각 2.12V나 1.88V로 변화폭은 0.24V나 된다. 이는 12%라는 변화폭은 ECU가 인젝터를 제어하여 신호를 만드는데 12%의 오차를 만들 수 있다는 뜻이 된다.
② 여기서 TPS신호가 흔들리는 이유를 열거하면
* 2차전기 변동 : TPS센서신호는 2차전기가 5.0V일 때의 기준으로 설계를 하였으나 위의 도표에서 보는 바와 같이 2차전기가 변동(5.3V, 4.7V)하여 TPS신호값이 다르게 나타난다.
* TPS저항변화 : TPS는 액셀러레이터를 밟을 때 마다 기계적으로 움직이기 때문에 기계적 마모로 인해 저항치가 변하게 되므로 TPS신호도 변한다. 다음은 저항이 변할 때 적용되는 공식이다.
▶ V = I × R, I = V ÷ R, R = V ÷ I
▶ 전압(V), 전류(I), 저항(R)
* 1차전기 불안정 : 2차전기가 일정하지 못한 것은 1차전기(12V)에 의해 2차전기가 생성되는데 1차전기를 만드는 알터네이터의 전기발생이 불안정하거나 피스톤의 움직임이 불안정하면 1차전기가 흔들린다.(배터리 불량과는 무관함)
* 전기적 간섭 : 전기란 도체가 연결되어 있으면 어디든지 흘러 다니므로 새로운 전기 및 전기신호가 생성되는 과정에 발생되는 3차전기에 의해 1.2차전기가 전기적 간섭으로 흔들린다.
* 기울기 : 기울기란 TPS와 공기개도율 간의 비율을 나타내는 특성곡선을 말하는데 여기에는 기계적 기울기와 전기적 기울기를 말한다.
- 기계적 기울기 : 액셀러레이터를 밟을 때 TPS저항치 변화와 트로틀밸브의 기계적 열림 정도를 비례적으로 나타나는 수치이다.
- 전기적 기울기 : 기계적 기울기에 의해 만들어진 전기신호와 공기량이 비례적으로 나타나는 수치를 말한다. 그러나 국내에 생산되는 차들의 TPS저항을 조사한 결과 저항치(3㏀~6㏀)가 일정하지가 않았다. TPS저항이 일치하지 않음은 TPS출력값이 다 다르게 되고 따라서 전기적 기울기 특성이 다르기 때문에 차의 성능이 달라진다.
- 기울기 오차 : 위의 기계적 기울기와 전기적 기울기 차이( 실제적으로는 같아야만 함)를 말한다.
* 온도변화 : 자동차전기는 엔진온도가 변함에 따라 1.2차전전압 및 각종 센서 신호도 변하며 차의 특성에 따라 변화폭이 다양하다. 예를 들어 1차전압이 온도가 내려가면 높았다가 온도가 상승하면 떨어지는 경우가 있는가 하면 반대로 온도가 올라가기 전에는 전압이 떨어져 있다가 온도가 올라가면 전압이 상승하는 경우도 있다.
II. 전압변동이 자동차성능에 미치는 영향
○ 자동차의 성능을 평가할 때 중요한 잣대가 되는 것은 소음.힘.연비.배출가스이다.
1. 자동차성능변화
가. 소음
* 소음에는 들리는 소음(저주파)과 들리지 않는 소음(고주파)이 있으며, 특히 전기.전자분야에서는 들리지 않는 소음이 전기적 동작에 더 많은 방해를 하는데 어느 장치든 간에 소음이 많다는 것은 그만큼 성능이 떨어진다는 뜻이다.
* 특히 자동차가 소음이 많으면 마찰손실로 인하여 힘은 물론 연비와 배출가스가 나쁘다는 증거가 되며, 소음에는 마찰소음과 동작소음으로 구분할 수 있다. 예를 들어 바퀴가 굴러가면서 발생되는 소음은 마찰소음에 해당하며, 그리고 엔진이 동작하면서 생기는 소음은 동작소음으로 분류 할 수 있다. 여기서 바퀴의 마찰소음이 크다는 것은 마찰이 잘되고 있다고 보아야 하며, 엔진소음이 크다는 것은(크면 클수록) 그만큼 엔진성능이 떨어진 상태로 보아야 한다.
* 그러면 소음이 생기는 원인이 무엇일까 ? 자동차가 움직이는 데는 크게 두 가지의 특성 즉 정특성과 동특성이 있다. 정특성은 부품특성과 조립특성을 말하며 동특성은 이들이 운동할 때 생기는 운동특성을 의미한다. 이들의 특성은 시간이 지나면서 변질되기 때문에 자동차성능이 갈수록 나빠지는 것이다.
* 자동차의 RPM은 피스톤 회전수를 의미하며, 피스톤 회전은 인젝터 동작에 의한 연료 폭발 수에 비례한다고 보아야 한다. 여기서 인젝터는 연료를 피스톤으로 직접 공급해주는 수도꼭지와 같은 역할을 하는 연료의 관문으로써 ECU의 출력신호에 의해 제어된다. 그런데 ECU는 수십 종류의 각종 센서에서 보내온 입력신호를 조합하여 인젝터를 제어할 출력신호를 만들기 때문에 입력신호가 안정되지 못하거나 설계수치와 다르게 입력되면 엔진에 공급되는 연료와 공기량 비율이 달라지므로 4기통엔진의 경우 피스톤은 서로 다른 속도와 폭발의 힘이 생길 것이며 이로 인하여 엔진은 밸런스를 잃게 되어 떨리게 되며(진동) 소음이 증가하는 것이다. 따라서 피스톤이 아무리 정교하여도 제어기능이 정확하지 못하면 엔진은 제 성능을 발휘하지 못하는 이유가 여기에 있는 것이다.
나. 힘과 연비
* 자동차는 피스톤의 운동에 의해 움직이므로 피스톤이 얼마만한 동력을 바퀴로 전달하느냐에 따라 자동차 힘이 달라지는 것이다. 소음부분에서 언급했듯이 차가 점점 소음이 증가한다는 것은 피스톤이 그만큼 정교하게 움직이지 못하여 마찰손실이 증가하므로 동력이 줄어든다는 것을 의미한다. 이럴 때는 엔진 힘은 연료와 비례적으로 증가하지는 않는 것이다.
* 따라서 소음을 줄이면 마찰손실이 줄어들고 줄어든 마찰손실은 동력으로 변환되어 바퀴로 전달되므로 적은 연료가지고도 큰 힘을 만들 수 있기 때문에 자동차연비도 좋아지는 것이다.
다. 배출가스
* 배출가스는 연비에 직접적으로 많이 좌우되는 것이다. 이를 역설적으로 말하면 자동차성능이 얼마나 좋으냐에 따라 배출가스 내용도 달라진다는 것이다. 예를 들어 가정에 사용하는 석유난로가 연소율에 따라 석유냄새와 꺼으름 차이가 나는 것과 같은 이치이다.
* 그러므로 배출 가스질을 좋게 하기 위해서는 먼저 자동차의 성능을 좋게 하여 연소가 잘되도록 해주어야 한다.
라. 기타
* 자동차 질을 평가하는 데는 여러 가지 항목 들이 있으나 아직은 계량화된 자료가 없다. 그러므로 소비자의 체감에 많이 의존하고 있는 것이 현실이다.
2. 전기로 인해 생기는 자동차 증상
○ 따라서 자동차에는 여러가지 증상들이 내포되어 있으나 차량 보유자들은 모르고 지내거나 때로는 당연한 것으로 치부(메이커 말을 그대로 인용)하기도 하고 일반적으로 관념화 해버린 경우도 많다고 본다. 그러나 이러한 증상들은 기계적 또는 화학적 원인도 있지만 여기서는 전기적 기준에서 다루고자 한다.
- 기름은 많이 먹어나 힘은 떨어지는 경우
- 소음이 자꾸만 증가하는 경우
- 연비가 나빠 차 몰기가 겁나는 경우
- 배기가스 때문에 걱정인 경우
- 이상한 잡음이 생겨 신경이 날카로워지는 경우
- 100km에서 차가 울컥울컥하는 경우
- 코너를 돌때 힘이 딸려 노킹현상이 생기는 경우
- 소음으로 CD음악이나 라디오 듣기가 거북한 경우
- 오디오음을 키우기 위해 배터리를 증설하는 경우
- 공회전을 시켜야 하는 경우
- 저속에서 노킹이 생기고 엔진이 자주 꺼지는 경우
- 승차감이 나빠 차 몰기가 싫은 경우
- 순발력이 약한 경우
- 에어컨을 켜면 브레이크가 밀리는 경우
- 엔진부조화 현상 (소위 찜바하는 경우)
- 배기가스가 나쁜 경우
- 시동이 잘 걸리지 않는 경우
- 기타 이상 정비하여도 해결이 안 되는 경우 등
Ⅲ. 전기적으로 해결하는 비법
1. VAD
○ VAD( Voltage adjusting device)는 상품, 원명은 자동차용전자식엑셀레이터의 가변전압조정기( Variable voltage adjusting device of an electronic accelerator for a vehicle)로 자동차체질을 바꾸어 자동차성능을 혁신시키는 전기.전자기술에 의한 “기능성 부품”이다.
2. VAD의 개발기술
○ 현재의 연료형 자동차(전세계 공통)는 소비형기술로 설계되어 있으므로 절약형기술로 바뀌어야만 성능이 효과적으로 향상 될 수 있으며, 여기에는 연료나 엔진 등보다 전기분야를 집중적으로 개선하여야 한다.
○ 자동차가 동작하면 1.2차전기회로에 3차전기가 발생한다.
이 3차전기(일명 간섭전기)는 1.2차전기를 불안정하게 하고 전기적 신호를 왜곡 또는 지연시키며 전기부하들의 동작을 방해하므로 자동차성능이 떨어진다. VAD는 TPS에 병렬로 연결하여 전기적인 3차전기회로를 형성시켜 각종 3차전기를 억제.제거시켜 1.2차전기를 안정적으로 생성.공급케하고 전기신호의 왜곡 또는 지연을 방지하며 전기부하들의 동작을 원활하도록 해준다.
3. 개발기술(VAD)의 중요한 특이점
○ 자동차 체질변화로 자동차성능이 복원되고 향상된다.
○ 소비형자동차를 절약형자동차로 바꾸어 준다
○ 배기가스를 연소과정 내에서 처리하는“ internal process(내처리 방식)”이다.
* 삼원촉매방식은 연소 후 개선하는 external process방식임
○ 엔진오일은 물리적 윤활유라면 VAD는 전기적 윤활유에 해당한다.
○ 재활용(Recycling)기술이 아닌 재제조(Remanufacturing)기술 즉 자동차전기를 운용기술에서 성능기술로 발전시켰다.
○ 전기를 소모하지 않고 안정성이 우수하며 수명은 반영구적이다.
Ⅳ. 효과
1. 자동차성능 혁신
가. 힘 증가 : 10%이상(공식 자료로 입증)
○ 노킹 없음, 에어컨 가동 및 코너링시 힘 딸림 방지
○ 출력측정 : 자동차출력측정기(BOSCH)로 7마력이상의 출력이 상승 (세라톤/97년산)확인
나. 연비개선 : 10~30%(중국당국이 인정)
○ 연료 및 엔진 등 차종에 구분 없음
다. 배기가스 개선 : 70~90% (중국당국이 인정) 라. 소음감소: 3~10db(공식자료 입증)
○ 뉴-그렌저의 경우(96년/2500CC/가솔린) 다음과 같이 나타남
* VAD설치전 정지시 : 48dBm, 100km속도시 : 73dBm
* VAD설치후 정지시 : 36dBm, 100km속도시 : 63dBm
2. 자동차 질이 좋아진다.
가. 공회전을 방지할 수 있다.
나. 오디오 음질 개선된다.
다. 승차감 좋아진다.
라. 순발력이 좋아진다.
3. 기타 유지비 절감과 품질이 개선된다.
가. 배터리수명 길어진다.
나. 유지비가 줄어든다
다. 기타 자동차 품질이 개선된다.
V. 결론
○ 자동차는 시간이 지나면서 부품들의 특성 즉 정특성과 동특성등 특성변화가 생기면서 성능이 떨어지고 수명이 단축된다. 그래서 자동차가 성능을 개선하기 위해서는 엔진이나 연료 등이 좋아야하는 것은 재론의 여지가 없지만 전기분야도 엔진개발이나 연료의 질을 개량하는 이상으로 중요하다는 것이 입증되었다. 앞으로 개발되는 전기자동차, 하이브리드자동차, 수소전지자동차 등 모두가 전기기술을 중점으로 개발되고 있는 것이 그 좋은 본보기가 될 수 있다.
○ 따라서 VAD는 자동차의 전기․전자게놈프로잭터와 같은 기술개념에 의해 탄생된 신기술로서 자동차질병을 없애주어 자동차성능을 혁신시키는 기능성 제품인 것이다.
<제공 = 모터파워> |
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