1. 전자제어 디젤엔진의 개요

전자제어 디젤 분사 장치(Electronic Diesel Injection System)는 기관의 회전 속도, 흡기다기관의 압력, 흡입 공기 온도, 냉각수 온도, 대기압, 스로틀 위치 등의 각종 센서 입력 신호를 기준으로 하여 최적 연료 분사량을 계산하고 액츄에이터를 통해 제어하여 기관의 최적 연료가 분사되도록 하는 장치이다. 따라서 전자제어 디젤 분사 장치는 ECU에 입력된 제어 특성을 이용하여 운전 조건에 따라 연료의 분사량 및 시기를 알맞게 조절하고, 시동 시에는 기관의 회전속도와 냉각수의 온도를 고려하여 매연이 발생되지 않도록 시동 분사량을 제어한다.

1.1. 전자제어 디젤 분사 장치의 장점

① 시동 분사량을 제어하여 기관을 시동할 때 매연의 발생이 없다.

② 기관의 운전 상태에 따라서 최적 분사로 제어하기 때문에 운전 성능이 향상되고, 연료 소모가 적다.

③ 에어컨 및 조향 장치 등의 동력 손실에 관계없이 안정된 공전 속도를 유지할수 있다.

④ 특정 실린더의 분사량을 선택, 제어할 수 있기 때문에 기관의 회전 속도가 균일 하다.

⑤ ECU에 의해 분사량이 보정되기 때문에 기관과 동력 전달 시 헌팅 현상을 방지할 수 있다.

⑥ 가속 위치와 기관의 회전력 특성이 ECU에 입력되어 주행 상태에 따라 제어되므로 주행 성능이 향상된다.

1.2. 전자제어 디젤 분사 장치의 구성 부품 및 기능

전자제어 디젤 분사 장치는 연료 분사 펌프 본체와 흡기 온도, 냉각수 온도, 흡기다기관 압력, 연료의 온도, 연료 분사량, 분사 시기 등의 상태를 전기적 신호를 검출하는 센서, 그리고 ECU의 제어 신호에 의해 연료의 분사량과 분사시기를 기관의 운전 상태에 따라 제어하는 엑츄에이터로 구성된다.

전자제어 디젤 분사 장치의 입/출력도

(1)  입력 요소

1) 컨트롤 래크 센서(Control Rack Sensor)

액츄에이터에 내장되어 분사 펌프의 컨트롤 래크의 이동량을 검출하여 전기적 신호로 ECU에 입력되면 ECU는 기관의 운전 조건에 따르는 최적의 연료 분사량 및 시기를 제어한다.

2) 흡기 온도 센서(Intake Air Temperature Sensor)

실린더에 공급되는 흡입공기 또는 과급공기 온도를 전기적 신호로 ECU에 입력하여 흡입공기 온도에 따르는 연료 분사량을 보정하여 매연을 허용범위내로 제어한다.

3) 냉각수 온도 센서(Coolant Temperature Sensor)

기관의 냉각수 온도를 검출하여 전기적 신호로 ECU에 입력하여 냉각수 온도에 따르는 연료 분사량 및 분사시기를 보정하여 시동 시 매연의 허용 범위내로 유지하는 신호로 이용된다.

4) 회전 속도 센서(Rotative Velocity Sensor)

연료 분사 펌프 캠축의 회전 속도를 전기적 신호로 ECU에 입력하여 기관의 회전 속도에 따르는 기본 연료 분사량 및 기본 분사시기를 결정하는 신호로 이용된다.

5) 과급 압력 센서(Supercharging Pressure Sensor)

과급기의 압력 측에 설치된 피에조 센서로 과급 압력을 전기적 신호로 ECU에 입력하여 과급기의 작동을 제어한다.

6) 차속 센서(Vehicle Speed Sensor)

속도계에 내장되어 자동차의 주행 속도를 전기적 신호로 ECU에 입력하여 공전속도를 유지할 수 있도록 연료 분사량을 제어한다.

7) 액셀레이터 위치 센서(Accelerator Position Sensor)

액셀레이터의 밟는 정도를 전기적 신호로 ECU에 입력하여 흡입되는 공기량에 따르는 기본 연료 분사량 및 기본 분사시기를 결정한다.

8) 흡기다기관 압력 센서(Intake Manifold Pressure Sensor)

흡기다기관의 압력을 전기적 신호로 ECU에 입력하여 흡입 공기량에 따르는 연료 분사량 및 분사시기를 보정하고 과급기를 제어한다.

9) 기동 전동기 신호(Starting Motor Signal)

기관을 시동할 때 기동 전동기에 공급되는 전원을 검출하여 전기적 신호로 ECU에 입력하여 시동 시 연료 분사량 및 분사시기를 보정하여 시동성을 좋게 한다.

10) 타이머 위치 센서(Timer Position Sensor)

타이머의 위치를 타이밍 제어 밸브 코일에 흐르는 전류의 펄스 파형을 전기적 신호로 ECU에 입력하여 기관의 운전 상태에 따르는 분사시기를 보정한다.

11) 에어컨 스위치(Air-con Switch)

에어컨 컴프레셔의 ON, OFF 상태를 전기적 신호로 ECU에 입력하여 공전 속도를 부하에 알맞도록 연료 분사량을 제어한다.

(2) 출력 제어 액츄에이터

액츄에이터는 연료 분사 펌프에 2개가 설치되어 기계식 조속기의 역할을 한다. ECU로부터 제어되는 1개의 솔레노이드가 컨트롤 래크를 이동시키면 플런저의 유효 행정이 변화되어 연료의 분사량이 제어되고 또 다른 솔레노이드는 플런저 배럴 내에 추가로 설치된 컨트롤 슬리브 또는 타이머를 작동시켜 연료의 분사시기를 제어한다.

1) 독립형 분사 펌프(Independence Type Injection Pump)

독립형 분사 펌프는 ECU의 제어 신호에 의해서 컨트롤 래크 액츄에이터가 플런저의 유효 행정을 변화시켜 연료의 분사량을 제어하고, 컨트롤 슬리브 액츄에이터가 플런저 배럴 내에 설치되어 있는 컨트롤 슬리브를 상, 하 수직 이동시키고, 스필 포트 개폐시기를 변화시켜 연료 분사시기를 제어한다.

독립형 분사 펌프

2) 분배형 분사 펌프(Distribution Type Injection Pump)

분배형 분사 펌프는 액셀레이터 위치 센서, 플런저 위치 센서, 흡기다기관 압력 센서, 회전 속도 센서의 신호가 ECU에 입력되면 분사량 액츄에이터가 ECU의 제어 신호에 의해서 플런저의 유효행정을 변화시켜 연료의 분사량을 제어한다. 분사시기 액츄에이터는 회전 속도 센서, 타이머 위치 센서에서 입력되는 신호를 이용하여 타이머 제어 밸브가 ON, OFF되어 분사시기를 제어한다.

분배형 분사 펌프

1.3. 제어 유닛(Electronic Control Unit)

ECU는 각종 센서로부터 정보를 받아서 각종 회로와 시스템을 가동하는 장치로 기억 장치, 중앙 처리장치, 입/출력장치, 클록발생기, A/D 변환기, 연산부로 구성되어 있으며, ECU는 기관에 흡입되는 공기량과 회전 속도를 기준으로 기본 분사량을 연산하고 각종 센서로부터 입력되는 신호를 이용하여 기관의 작동 상태에 따른 최적의 연료 분사량 및 분사시기를 제어하는 역할을 한다.

(1) ECU 입/출력 제어

1) 흡기다기관 압력 제어(Intake Manifold Pressure Control)

ECU에는 정상 운전 상태에서 흡기다기관의 압력 특성이 기관의 회전 속도와 연료 분사량을 근거로 하여 ROM에 입력되어 있다. 따라서 기관이 작동할 때 변화하는 대기압, 흡기 온도, 냉각수 온도에 따라 보정하여 ECU의 ROM에 기억된 흡기다기관의 압력 특성값과 보정된 실제 흡기 다기관의 압력 특성값을 비교하여 스로틀 밸브를 작동시켜 흡기다기관의 압력을 제어한다.

2) 시동 분사량 제어

시동 시에 액셀레이터의 오 조작에 의하여 매연의 양이 증가되거나 기관의 회전 속도 상승이 지연되므로 액셀레이터의 위치에 관계없이 원활한 시동이 될 수 있도록 하기 위하여 ECU는 기관의 회전 속도 센서와 냉각수 온도 센서에서 입력되는 신호를 기초로 하여 규정의 연료 분사량을 결정한 후 기관의 회전 속도와 연료의 온도에 따라 분사 펌프의 액츄에이터를 작동시켜 연료 분사량을 보정한다.

3) 정속 운전 제어

정속 운전 제어란 기관의 회전 속도가 균일하게 되도록 실린더의 분사량을 선택적으로 제어하는 것으로 분사 펌프의 제작시 공차, 각 실린더의 마찰 저항, 압축비의 차이에 의해서 각 실린더에서 발생되는 회전력이 불균일하여 기관의 회전 속도가 불안정하다. 따라서 ECU는 액셀레이터 위치 센서, 차속 센서, 회전 속도 센서 등에서 입력되는 신호를 기준으로 실제 발생되는 회전력의 특성과 ECU의 ROM에 기억되어 있는 회전력의 특성과 비교하여 액츄에이터를 작동시켜 미분사 시 마다 컨트롤 래크의 위치를 변경시켜 연료 분사량을 제어한다. 정속 운전 제어는 기관의 공전 속도에서부터 일정 속도까지 한정되어 있다.

4) 공전 속도 제어(Idle Speed Control)

공전 속도 제어는 에어컨 스위치가 ON 되었을 때, 동력 조향장치의 오일펌프 스위치가 ON 되었을 때, 전기부하, 자동 변속기가 N레인지에서 D레인지로 변환될 때 기관의 동력이 부하에 의해서 소실되어 회전 속도가 불안정하게 된다. 따라서 ECU는 분사 펌프의 ISC 액츄에이터를 작동시켜 부하에 알맞은 연료 분사량으로 제어하여 기관에 가해지는 부하와 관계없이 기관의 안정된 공전속도를 유지 시킨다. ECU는 액셀레이터 위치 센서, 기동 전동기 ST신호, 차속 센서, 회전 속도 센서에서 입력되는 신호를 기준으로 ISC의 작동시기를 결정하고 냉각수 온도 센서, 에어컨 스위치, 인히비터 스위치 등에서 ECU에 입력되는 신호를 이용하여 연료의 보정량을 연산하여 분사 펌프의 액츄에이터를 작동시켜 공전 속도를 제어한다.

5) 전부하 분사량 제어

ECU의 ROM에 기억되어 있는 전부하 운전 특성과 액셀레이터 위치 센서, 차속 센서, 회전 속도 센서, 대기압 센서, 흡기 온도 센서, 냉각수 온도 센서, 컨트롤 래크 센서, 타이머 위치 센서 등에서 입력되는 신호를 이용하여 실제의 전 부하 운전 특성을 비교하여 컨트롤 래크 액츄에이터를 작동시켜 연료 분사량 및 분사시기를 제어한다.

6) 연료 분사량 제어

ECU는 흡기다기관 압력 센서, 회전 속도 센서에서 입력되는 신호를 기준으로 기본 연료 분사량을 결정하고, 기관이 작동할 때 액셀레이터 위치 센서, 차속 센서, 대기압 센서 등에서 추가로 입력되는 신호에 의해서 연료의 보정량을 결정하여 실제의 작동이 필요한 최적의 연료 분사량이 얻어지도록 액츄에이터를 제어한다.

① 독립형 분사 펌프 : ECU의 제어 신호에 의해서 컨트롤 래크 액츄에이터가 플런저의 유효 행정을 변화시켜 연료의 분사량을 제어한다.

② 분배형 분사 펌프 : 액셀레이터 위치 센서, 플런저 위치 센서, 흡기다기관 압력 센서, 회전 속도 센서의 정보가 ECU에 입력되면 분사량 액츄에이터가 ECU의 제어 신호에 의해서 플런저의 유효 행정을 변화시켜 연료의 분사량을 제어한다.

7) 연료 분사시기 제어(Fuel Injection Timing Control)

ECU는 회전 속도 센서, 대기압 센서, 냉각수 온도 센서, 타이머 위치 센서에서 입력되는 신호에 의해서 연료의 분사시기를 제어한다.

① 독립형 분사 펌프 : ECU의 제어 신호에 의해서 컨트롤 슬리브 액츄에이터가 플런저 배럴 내에 설치되어 있는 컨트롤 슬리브를 상/하 수직으로 이동시켜 스필 포트의 개폐시기를 변화시켜 연료 분사시기를 제어한다.

② 분배형 분사 펌프 : 회전 속도 센서, 타이머 위치 센서의 정보가 ECU에 입력되면 분사 시기 액츄에이터가 ECU의 제어 신호에 의해서 타이머 제어 밸브를 ON, OFF시켜 분사시기를 제어한다.

8) 서지 댐핑 제어(Surge Damping Control)

회전 속도 센서, 인치비터 스위치 등에서 입력되는 신호를 이용하여 기관의 헌팅 초기에 연료 분사량을 보정하여 동력 전달 계통의 탄성과 유격에 의해서 부하 변동시에 발생되는 헌팅을 방지한다. 즉 자동차의 맥동적인 움직임(울컥거림)을 ECU는 기관의 회전 속도로 분석하여 연료의 분사량을 헌팅 초기에 보정하여 진동을 흡수한다.