스로틀
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1. 개요
스로틀은 내연기관에서 엔진으로 유입되는 공기량을 조절하여 엔진 출력을 제어하는 밸브이다. 주로 가솔린 엔진에 사용되며, 공기 흡입구와 흡기 매니폴드 사이에 위치하여 버터플라이 밸브 방식으로 작동한다. 스로틀 보디는 운전자의 가속 페달 조작에 따라 공기량을 조절하며, 스로틀 포지션 센서(TPS)는 스로틀의 개방 정도를 ECU에 전달한다. 최근에는 전자 제어 스로틀(ETC, Drive-by-wire) 시스템이 널리 사용되며, 디젤 엔진은 연료 분사량으로 출력을 제어하므로 스로틀 밸브가 필요하지 않다. 스로틀은 펌핑 로스(흡배기 손실)를 발생시켜 엔진 효율을 저하시킬 수 있으며, 가변 밸브 기구 및 희박 연소 기술을 통해 이를 줄이려는 시도가 이루어지고 있다. 스로틀은 오염될 경우 엔진 성능 저하를 유발할 수 있으며, 정기적인 청소가 필요하다.
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압축비는 내연기관의 성능을 나타내는 지표로, 실린더 내 피스톤의 위치에 따른 부피 비율을 의미하며, 엔진의 열효율과 출력을 결정하고, 튜닝을 통해 변경하거나 가변 압축비 엔진 기술을 통해 효율성을 높이기도 한다.
| 스로틀 | |
|---|---|
| 스로틀 | |
| 개요 | |
| 정의 | 엔진의 동력 또는 속도를 제어하는 방법 |
| 관련 용어 | 스로틀 밸브 스로틀 레버 스로틀 페달 스로틀 그립 가속 페달 (미국) |
| 상세 정보 | |
| 기능 | 엔진으로 들어가는 유체의 흐름을 조절하여 엔진의 출력을 제어함 |
| 작동 방식 | 스로틀 밸브: 밸브의 개폐를 통해 공기 또는 연료의 흐름을 조절 스로틀 레버, 스로틀 페달, 스로틀 그립: 운전자가 직접 조작하여 스로틀 밸브를 제어 |
| 활용 분야 | 내연기관: 자동차, 오토바이, 선박, 항공기 등 증기 기관 기타 유체 제어 시스템 |
| 참고 | |
| 관련 링크 | 스로틀 (영어) |
2. 작동 원리 및 구조
휘발유 내연기관에서 스로틀은 엔진에 들어가는 공기의 양을 직접 조절하는 밸브이다. 연료 분사기나 기화기가 상대적으로 일정한 연료/공기 비율을 유지하기 때문에, 스로틀은 사이클마다 연소되는 연료와 공기의 양을 간접적으로 제어한다.
연료 분사식 엔진에서 '''스로틀 보디'''는 공기 흡입 시스템의 일부로, 운전자의 가속 페달 입력에 따라 엔진으로 유입되는 공기의 양을 제어한다. 스로틀 보디는 일반적으로 에어 필터 박스와 흡기 매니폴드 사이에 위치하며, 보통 공기 유량 센서에 부착되어 있거나 근처에 있다. 종종 엔진 냉각수 라인이 스로틀 보디를 통과하여 엔진이 특정 온도의 흡입 공기를 흡입하여 알려진 밀도를 가질 수 있도록 한다. 스로틀 보디 내부의 가장 큰 부품은 공기 흐름을 조절하는 버터플라이 밸브인 스로틀 플레이트이다. 스로틀 보디에는 아이들 동안 최소 공기 흐름을 제어하기 위한 밸브와 조정 장치가 포함될 수도 있다.
과거 오토바이에 널리 채용되었던 부압 가변 벤츄리 기화기 (CV 기화기)는 스로틀 조작에 대해 벤츄리의 동작이 약간 늦는 특징이 있다. 이 때문에 엔진의 출력 변화가 완만하고, 넓은 범위에서 다루기 쉬운 특성을 가지고 있다. 오늘날에는 기화기를 대신하여 전자 제어 연료 분사 장치가 주류가 되면서, 엔진의 출력 특성을 다루기 쉽게 하기 위해 전자 제어로 개폐하는 '''세컨더리 스로틀 밸브'''를 별도로 설치하는 경우가 있다.
2. 1. 버터플라이 밸브
내연 기관에서 스로틀은 엔진에 유입되는 연료 또는 공기의 양을 조절하여 엔진의 출력을 제어하는 수단이다. 자동차에서 운전자가 출력을 조절하기 위해 사용하는 제어 장치는 스로틀, 가속기 또는 자동차 페달이라고도 한다. 가솔린 엔진의 경우 스로틀은 일반적으로 엔진에 유입되는 공기와 연료의 양을 조절한다. 스로틀 밸브는 공기 흡입구와 인테이크 매니폴드 사이에 위치하며, 유로 단면과 거의 같은 지름의 원반을 유로에 직교하는 축으로 회전시켜 개폐하는 버터플라이 밸브 방식이 주류이다.[1] 스로틀 밸브가 열리면 더 많은 공기가 엔진으로 유입되어 엔진 출력이 증가하고, 밸브가 닫히면 공기 유입량이 줄어들어 출력이 감소한다.2. 2. 슬라이드 밸브 (기화기 방식)
일부 기화기 방식 엔진에서는 원통이나 평판을 유로에 직교하는 방향으로 슬라이드시키는 슬라이드 밸브 방식도 사용된다.2. 3. 전자 제어 스로틀 (ETC, Drive-by-wire)
최신 자동차 엔진은 대부분 전자 제어 스로틀(Electronic Throttle Control, ETC) 시스템, 또는 드라이브 바이 와이어(Drive-by-wire) 방식을 사용한다. 이 방식에서는 운전자가 가속 페달을 밟으면, 페달 위치를 센서가 감지하여 전자 제어 장치(ECU)로 신호를 보낸다. ECU는 이 신호와 엔진 냉각수 온도 센서, 공기 유량 센서 등 다른 엔진 센서의 정보를 종합하여 스로틀 밸브의 개방 정도를 결정한다. 전자 제어 스로틀은 운전자의 조작에 따라 연료 및 공기 흐름을 정밀하게 제어하여 배기 가스 감소, 성능 향상, 연비 개선 등에 기여한다.[1]가솔린 엔진 및 디젤 엔진 모두 최신 엔진은 일반적으로 전자식 스로틀 시스템을 사용하며, 센서가 운전자 제어를 모니터링하고 이에 대응하여 컴퓨터화된 시스템이 연료 및 공기 흐름을 제어한다. 이는 운전자가 연료 및 공기 흐름을 직접 제어하지 않음을 의미한다. 엔진 제어 장치(ECU)는 배기 가스를 줄이고, 성능을 극대화하며, 엔진 아이들을 조정하여 차가운 엔진을 더 빨리 예열하거나 에어컨 압축기 작동과 같은 추가적인 엔진 부하를 고려하여 엔진 정지를 방지하기 위해 더 나은 제어를 달성할 수 있다.[1]
3. 구성 요소
스로틀 보디의 주요 부품은 스로틀 플레이트로, 버터플라이 밸브 형태를 띠며 엔진으로 유입되는 공기 흐름을 조절한다. 대부분의 자동차에서 가속 페달의 움직임은 스로틀 케이블을 통해 스로틀 링키지에 전달되고, 이는 다시 스로틀 플레이트를 회전시킨다.[1] 전자식 스로틀 제어("드라이브 바이 와이어") 시스템에서는 전동 액추에이터가 스로틀 링키지를 제어하며, 가속 페달은 센서와 연결되어 ECU로 신호를 보낸다.[1]
단기통 브리그스 & 스트래턴 잔디 깎는 기계 엔진과 같은 기본적인 기화기 엔진은 단일 스로틀 플레이트와 벤투리를 가진다. 더 큰 엔진은 여러 개의 작은 벤투리를 가진 복잡한 기화기를 사용하며, 이 벤투리들은 "배럴"이라고 불린다.[1] 2배럴 기화기는 단일 타원형 또는 직사각형 스로틀 플레이트를 사용하고, 4-벤투리 기화기는 두 쌍의 벤투리를 가지며 각 쌍은 단일 스로틀 플레이트로 조절된다.[1]
스로틀 보디는 비분사식 엔진의 기화기와 유사하지만, 스로틀 보디는 스로틀과 동일하지 않으며 기화기 엔진에도 스로틀이 있다. 스로틀 보디는 기화기 벤투리가 없는 경우 스로틀을 장착하는 편리한 장소일 뿐이다.[1]
3. 1. 스로틀 바디
연료 분사식 내연 기관에서 '''스로틀 보디'''는 운전자의 가속 페달 입력에 따라 엔진으로 유입되는 공기의 양을 제어하는 공기 흡입 시스템의 일부이다. 스로틀 보디는 일반적으로 에어 필터 박스와 흡기 매니폴드 사이에 위치하며, 보통 공기 유량 센서에 부착되어 있거나 근처에 위치한다.[1] 엔진 냉각수 라인이 스로틀 보디를 통과하여 엔진이 특정 온도(ECU가 관련 센서를 통해 감지하는 엔진의 현재 냉각수 온도)의 흡입 공기를 흡입하여 알려진 밀도를 가질 수 있도록 하는 경우도 종종 있다.스로틀 보디 내부의 가장 큰 부품은 공기 흐름을 조절하는 버터플라이 밸브인 스로틀 플레이트이다.
많은 자동차에서 가속 페달의 움직임은 스로틀 케이블을 통해 전달되며, 이는 스로틀 링키지에 기계적으로 연결되어 있고, 스로틀 링키지는 차례로 스로틀 플레이트를 회전시킨다. 전자식 스로틀 제어("드라이브 바이 와이어"라고도 함)가 장착된 자동차에서는 전동 액추에이터가 스로틀 링키지를 제어하고, 가속 페달은 스로틀 보디에 연결되는 것이 아니라 센서에 연결되어 현재 페달 위치에 비례하는 신호를 출력하여 ECU로 보낸다. 그러면 ECU는 가속 페달의 위치와 엔진 냉각수 온도 센서와 같은 다른 엔진 센서의 입력을 기반으로 스로틀 개방 정도를 결정한다.
운전자가 가속 페달을 밟으면 스로틀 플레이트가 스로틀 보디 내에서 회전하여 스로틀 통로를 열어 흡기 매니폴드로 더 많은 공기가 유입되도록 하고, 진공에 의해 즉시 내부로 빨려 들어간다. 일반적으로 공기 유량 센서는 이러한 변화를 측정하여 ECU에 전달한다. 그러면 ECU는 필요한 공연비를 얻기 위해 인젝터가 분사하는 연료의 양을 늘린다. 종종 스로틀 포지션 센서(TPS)가 스로틀 플레이트 샤프트에 연결되어 ECU에 스로틀이 아이들 위치, 완전 개방 스로틀(WOT) 위치, 또는 이러한 극단 사이의 어딘가에 있는지에 대한 정보를 제공한다.
스로틀 보디에는 아이들 동안 최소 공기 흐름을 제어하기 위한 밸브와 조정 장치가 포함될 수도 있다. "드라이브 바이 와이어"가 아닌 장치에서도 종종 ECU가 메인 스로틀 개방을 우회하여 스로틀이 닫힐 때 엔진이 아이들링할 수 있도록 하는 소형 솔레노이드 구동 밸브, 즉 아이들 공기 제어 밸브(IACV)가 있다.
3. 2. 스로틀 포지션 센서 (TPS)
연료 분사식 내연 기관에서 스로틀 포지션 센서(TPS, Throttle Position Sensor)는 스로틀 플레이트 샤프트에 연결되어 전자 제어 장치(ECU)에 스로틀 개방 상태(아이들 위치, 완전 개방 위치, 또는 그 사이)에 대한 정보를 제공한다.[1] ECU는 이 정보를 바탕으로 공연비를 조절하고, 엔진의 작동 상태를 최적화한다.
운전자가 가속 페달을 밟으면 스로틀 플레이트가 회전하며 스로틀 통로를 연다. 그러면 더 많은 공기가 흡기 매니폴드로 유입되고, 공기 유량 센서가 이러한 변화를 감지하여 ECU에 전달한다. ECU는 이 정보를 바탕으로 인젝터가 분사하는 연료의 양을 늘려 적절한 공연비를 유지한다.[1]
3. 3. 아이들 공기 제어 밸브 (IACV)
연료 분사식 엔진의 스로틀 보디에는 아이들 상태에서 최소한의 공기 흐름을 제어하기 위한 밸브와 조정 장치가 포함될 수 있다. "드라이브 바이 와이어" 방식이 아닌 장치에서도, ECU가 메인 스로틀 밸브의 개방을 우회하여 스로틀이 닫혀 있을 때 엔진이 공회전할 수 있도록 하는 소형 솔레노이드 구동 밸브인 '''아이들 공기 제어 밸브(IACV)'''가 종종 사용된다.[1]4. 종류
스로틀은 크게 단일 스로틀 바디와 다중 스로틀 바디(개별 스로틀 바디, ITB)로 나뉜다.
=== 단일 스로틀 바디 ===
대부분의 자동차는 단일 스로틀 바디를 사용한다. 연료 분사식 엔진에서 스로틀 바디는 흡기 시스템의 일부로, 운전자가 가속 페달을 밟는 정도에 따라 엔진으로 들어가는 공기의 양을 조절한다.
=== 다중 스로틀 바디 (개별 스로틀 바디, ITB) ===
BMW M3, 페라리와 같은 고성능 자동차나 야마하 R6와 같은 고성능 오토바이는 각 실린더마다 별도의 스로틀 바디를 사용하는데, 이를 "개별 스로틀 바디(Individual Throttle Bodies, ITB)"라고 부른다.
4. 1. 단일 스로틀 바디
대부분의 자동차는 단일 스로틀 바디를 사용한다. 연료 분사식 엔진에서 스로틀 바디는 흡기 시스템의 일부로, 운전자가 가속 페달을 밟는 정도에 따라 엔진으로 들어가는 공기의 양을 조절한다. 스로틀 바디는 보통 에어 필터 박스와 흡기 매니폴드 사이에 위치하며, 대개 공기 유량 센서에 부착되거나 근처에 있다.스로틀 바디 내부에는 스로틀 플레이트라는 버터플라이 밸브가 있어 공기 흐름을 제어한다. 운전자가 가속 페달을 밟으면 스로틀 플레이트가 회전하면서 스로틀 통로가 열리고, 더 많은 공기가 흡기 매니폴드로 유입된다. 이때 공기 유량 센서가 이러한 변화를 감지하여 전자 제어 장치(ECU)에 전달하고, ECU는 적절한 공연비를 위해 연료 분사량을 늘린다. 또한 스로틀 포지션 센서(TPS)는 스로틀 플레이트의 현재 위치(완전 개방, 아이들, 또는 그 사이)를 ECU에 알려준다.
스로틀 바디에는 아이들 상태에서 최소 공기 흐름을 조절하는 밸브와 조정 장치도 포함될 수 있다. '드라이브 바이 와이어' 방식이 아닌 경우에도, ECU가 제어하는 소형 솔레노이드 구동 밸브(아이들 공기 제어 밸브, IACV)가 있어 스로틀이 닫혀 있을 때 엔진이 아이들링 상태를 유지할 수 있도록 돕는다.
스로틀 보디는 비분사식 엔진의 기화기와 비슷하지만, 연료와 공기를 혼합하는 벤투리가 없다는 점이 다르다. 연료 분사식 자동차에서는 전자 센서와 컴퓨터가 연료 분사량을 정밀하게 계산하므로, 기화기 대신 스로틀 바디를 통해 공기 흐름을 제어하고 센서를 통해 현재 스로틀 개방 각도를 감지하는 방식으로 올바른 공기/연료 비율을 맞춘다.
4. 2. 다중 스로틀 바디 (개별 스로틀 바디, ITB)
BMW M3, 페라리와 같은 고성능 자동차나 야마하 R6와 같은 고성능 오토바이는 각 실린더마다 별도의 스로틀 바디를 사용하는 경우가 있는데, 이를 "개별 스로틀 바디(Individual Throttle Bodies, ITB)"라고 부른다. 다중 스로틀 바디는 스로틀 반응을 개선하고, 공기가 실린더 헤드로 가는 경로를 더 짧고 직선적으로 만들어 엔진 성능을 향상시킨다. 이는 단일 스로틀 바디를 사용할 때 모든 흡기 러너가 특정 위치로 모여야 하는 제약을 극복할 수 있게 해준다. 하지만, 다중 스로틀 바디는 구조가 복잡하고 엔진룸 내 공간을 더 많이 차지한다는 단점이 있다.개별 스로틀 바디(ITB)는 양산차에서는 드물지만, 많은 경주용 차량과 튜닝된 일반 차량에서 흔히 사용된다. 이는 과거 많은 고성능 자동차들이 각 실린더 또는 한 쌍의 실린더마다 하나의 작고 단일 벤투리 기화기(예: 웨버, SU 기화기)를 장착했던 것에서 유래한다. 각 기화기에는 자체 소형 스로틀 플레이트가 내장되어 있었고, 작은 스로틀 개방은 낮은 엔진 속도에서 더 정확하고 빠른 기화기 반응과 연료의 더 나은 분무를 가능하게 했다.
5. 디젤 엔진에서의 스로틀
디젤 엔진은 실린더에 분사되는 연료의 양을 조절하여 출력을 제어한다. 디젤 엔진은 공기량을 제어할 필요가 없으므로 일반적으로 흡입구에 나비 밸브가 없다. 그러나 엄격한 배출 기준을 충족하는 최신 디젤 엔진은 흡기 매니폴드 진공을 생성하여 배기 가스를 도입(EGR)함으로써 연소 온도를 낮추고 NOx 생성을 최소화하기 위해 스로틀 밸브를 사용하기도 한다.[1]
이처럼 디젤 엔진은 가솔린 엔진과 달리 연료 분사량으로 출력을 제어하므로, 흡기 스로틀 밸브가 없는 것이 일반적이다. 그러나 일부 최신 디젤 엔진에서는 배기가스 재순환 (EGR) 시스템을 통해 연소 온도를 낮추고 질소산화물(NOx) 배출을 줄이기 위해 흡기 매니폴드 진공을 생성하는 스로틀 밸브를 사용하기도 한다. 흡기 경로에 스로틀을 사용하지 않고 연료 분사량으로 출력을 제어하는 디젤 엔진은, 이 점에서 가솔린 엔진에 비해 열효율 면에서 우수하다.
6. 펌핑 로스 (Pumping Loss)
가솔린 엔진 등 예혼합 연소 기관에서 스로틀은 엔진으로 들어가는 흡기(공기 또는 혼합기)의 양을 조절하여 엔진 출력을 제어하는 밸브이다. 스로틀을 좁혀 운전할 때는 스로틀 밸브가 흡기 흐름에 저항을 발생시켜 펌핑 로스(흡배기 손실)가 커진다.[1] 이는 엔진의 열효율을 떨어뜨리는 원인 중 하나이다.
디젤 엔진은 스로틀 밸브 없이 연료 분사량으로 출력을 제어하므로 펌핑 로스가 적어 가솔린 엔진보다 열효율이 높은 경향이 있다.[1] 반면, 가솔린 엔진에서도 가변 밸브 기구나 희박 연소 등의 기술을 활용하여 스로틀을 없애고 펌핑 로스를 줄이려는 시도가 실용화되고 있다.[1]
7. 가변 밸브 기구 및 희박 연소
가솔린 엔진에서도 가변 밸브 기구나 희박 연소 등의 기술을 채용하여 스로틀을 없애고 펌핑 로스(흡배기 손실)를 줄이려는 시도가 실용화되고 있다. 이러한 기술은 엔진 열효율을 향상시키고 배기 가스 배출을 줄이는 데 기여한다.[1]
8. 유지 보수
스로틀은 시간이 지남에 따라 오염될 수 있으며, 이는 엔진 성능 저하, 불안정한 아이들링, 연비 저하 등의 문제를 일으킬 수 있다.[3] 정기적인 스로틀 청소 및 유지 보수는 엔진 성능을 최적의 상태로 유지하는 데 중요하다.[3]
스로틀 수명은 운전 습관, 차량 종류 등에 따라 다르지만, 일반적으로 10만~15만 킬로미터 주행 후 청소가 필요할 수 있다.[2] 스로틀 오작동은 엔진 경고등 또는 EPC 경고등(폭스바겐 그룹 차량)으로 나타날 수 있다.[2] 스로틀 오작동 증상으로는 불안정한 아이들링, 엔진 출력 감소, 연비 저하, 좋지 않은 가속 등이 있다.[3]
참조
[1]
웹사이트
Chapter 6: Aircraft Systems
http://www.faa.gov/l[...]
Federal Aviation Administration
2009-02-09
[2]
웹사이트
EPC Warning Light: What does it mean and how to fix it?
https://autoride.io/[...]
MILOMEDIA OÜ
2023-02-16
[3]
웹사이트
Throttle valve: How it works and its possible malfunctions
https://autoride.io/[...]
MILOMEDIA OÜ
2023-02-14
[4]
문서
[[小型船舶]]、[[水上オートバイ|パーソナルウォータークラフト]]、[[スノーモービル]]も同様。
[5]
문서
市販車用ディーゼルエンジンでは、1970年代から[[調速機|ガバナー]]の制御用に[[インテークマニホールド|吸気管]]の負圧を利用するものが現れ、それらには負圧発生用のスロットルバルブが備わっていた。また、[[トヨタ・L型エンジン]]などは乗用車への搭載にあたり、[[アイドリング]]付近の吸気騒音と[[エンジンの振動]]を低減するために、負圧発生用のスロットルバルブを利用している。また、[[EGR|排気再循環]]装置を採用している場合、EGRガス導入のためにスロットルバルブ等による吸気制御が必要となる。
[6]
웹사이트
GSX-R1000 に搭載した S - DMS 装置の開発について
http://www.jsae.or.j[...]
公益社団法人自動車技術会
2011-09-28
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