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엔진 제어 장치

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목차

1. 개요

엔진 제어 장치(ECU)는 자동차의 엔진 작동을 제어하는 전자 장치이다. 과거에는 기계식 방식의 엔진이 사용되었지만, ECU의 등장으로 연료 공급, 점화 시기 등을 정밀하게 제어하여 엔진 효율을 높였다. 초기에는 엔진의 핵심 기능만 제어했지만, 현재는 에어백, 변속기 등 다양한 액추에이터를 제어한다. ECU는 센서로부터 정보를 받아 마이크로 컴퓨터로 처리하고, 액추에이터를 제어하여 엔진 성능, 연비, 배기가스 정화, 주행 성능을 향상시킨다. ECU는 연료 분사, 점화, 공회전 속도 제어 등 다양한 기능을 수행하며, 튜닝을 통해 엔진 출력을 높일 수도 있다. 항공기에서는 FADEC(전자식 엔진 제어 장치)가 엔진과 프로펠러를 제어한다.

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엔진 제어 장치
엔진 제어 장치
BMW E46 320i의 엔진 제어 장치
BMW E46 320i의 엔진 제어 장치
명칭
영어Engine Control Unit
일본어エンジンコントロールユニット
한국어엔진 제어 장치
개요
역할내연 기관 추진 시스템의 전자 장치를 조정하는 컴퓨터
기능점화 시기 제어
연료 분사 제어
가변 밸브 타이밍 제어
기타 엔진 관련 변수 관리
구성 요소마이크로컨트롤러
아날로그-디지털 변환기 (ADC)
입력 및 출력 회로
작동 방식센서로부터 입력 데이터를 받아들여 미리 프로그래밍된 알고리즘에 따라 엔진 작동을 제어
상세 기능
센서 입력엔진 속도 센서
스로틀 위치 센서
매니폴드 절대 압력 센서
산소 센서
냉각수 온도 센서
흡기 온도 센서
액추에이터 제어연료 인젝터
점화 코일
스로틀 밸브
가변 밸브 타이밍 시스템
배기 가스 재순환 (EGR) 밸브
현대 엔진 제어 장치
특징CAN 버스 통신 사용
자동 변속기 및 안티 록 브레이크 시스템 (ABS) 등 다른 차량 시스템과 통합
고급 기능크루즈 컨트롤
트랙션 컨트롤
전자식 안정성 제어
기타
관련 용어파워트레인 컨트롤 모듈 (PCM)
엔진 관리 시스템 (EMS)

2. 역사

1939년 BMW가 개발한 ''Kommandogerät'' 시스템은 여러 엔진 제어 기능을 동시에 관리하기 위한 초기 단계의 자동화된 장치 중 하나였다. 이 시스템은 폭커울프 Fw 190 V5 전투기에 사용된 BMW 801 14기통 성형 엔진에 사용되었다.[5] 이 장치는 강력한 가속을 위한 6개의 제어 장치를 하나의 제어 장치로 대체했지만, 서지(surging) 및 실속 문제를 일으킬 수 있었다.

1970년대 초, 일본 전자산업은 엔진 제어에 사용되는 집적회로와 마이크로컨트롤러를 생산하기 시작했다.[6] 1975년에는 도시바 TLCS-12 마이크로프로세서를 사용한 포드 EEC(전자 엔진 제어) 시스템이 대량 생산에 들어갔다.[7]

최초의 보쉬 엔진 관리 시스템은 모트로닉 1.0으로, 1979년 BMW 7시리즈 (E23)에 도입되었다.[8] 이 시스템은 기존 ''보쉬 제트로닉'' 연료 분사 시스템을 기반으로 점화 시스템 제어 기능이 추가된 것이었다.[9]

1981년, 여러 쉐보레와 뷰익 엔진에 델코 일렉트로닉스 ECU가 사용되어 연료 시스템(폐쇄 루프 기화기)과 점화 시스템을 제어했다.[10] 델코 일렉트로닉스는 1988년까지 하루 28,000개 이상의 ECU를 생산하며 엔진 관리 시스템의 선두 주자가 되었다.[11]

2. 1. 초기 발전

과거의 자동차는 엔진에 정해진 연료량을 정해진 타이밍에 점화하는 기계식 방식(카뷰레터)으로 구동되었다. 이후 엔진 및 주행 상태에 맞게 연료를 공급하고, 그에 맞게 점화 타이밍을 제어하는 ECU가 등장하면서 자동차는 엔진 효율성을 더욱 높일 수 있게 되었다.[14]

초기의 ECU는 점화시기, 공회전 제어, 연료분사 등 엔진의 핵심 기능을 제어하도록 개발되었다. 그러다 차량의 전자화가 널리 이루어지면서 엔진을 비롯한 다른 계통에 대한 제어도 수행할 수 있게 되었다. 현재는 엔진과 더불어 에어백, 타이어 공기압, 변속기, 브레이크, 조향 장치, 에어컨 등 다양한 액추에이터를 제어할 수 있다.

여러 엔진 제어 기능을 동시에 관리하기 위한 초기 단계의 자동화된 장치 중 하나는 1939년 BMW가 개발한 ''Kommandogerät'' 시스템이다. 이 시스템은 폭커울프 Fw 190 V5 전투기에 사용된 BMW 801 14기통 성형 엔진에 사용되었다.[5] 이 장치는 강력한 가속을 위한 6개의 제어 장치를 하나의 제어 장치로 대체했지만, 서지(surging) 및 실속 문제를 일으킬 수 있었다.

1970년대 초, 일본 전자산업은 엔진 제어에 사용되는 집적회로와 마이크로컨트롤러를 생산하기 시작했다.[6] 포드 EEC(전자 엔진 제어) 시스템은 도시바 TLCS-12 마이크로프로세서를 사용했으며, 1975년에 대량 생산에 들어갔다.[7]

최초의 보쉬 엔진 관리 시스템은 모트로닉 1.0으로, 1979년 BMW 7시리즈 (E23)에 도입되었다.[8] 이 시스템은 기존의 ''보쉬 제트로닉'' 연료 분사 시스템을 기반으로 점화 시스템 제어 기능이 추가된 것이었다.[9]

1981년, 여러 쉐보레와 뷰익 엔진에 델코 일렉트로닉스 ECU가 사용되어 연료 시스템(폐쇄 루프 기화기)과 점화 시스템을 제어했다.[10] 1988년까지 델코 일렉트로닉스는 하루 28,000개 이상의 ECU를 생산하며 엔진 관리 시스템의 선두 주자가 되었다.[11]

2. 2. 대한민국 자동차 산업의 발전과 ECU

과거 자동차는 엔진에 정해진 연료량을 정해진 타이밍에 점화하는 기계식 방식(카뷰레터)으로 구동되었다. 이후 엔진 및 주행 상태에 맞게 연료를 공급하고, 그에 맞게 점화 타이밍을 제어하는 ECU가 등장하면서 자동차 엔진 효율성을 더욱 높일 수 있게 되었다.[14]

초기 ECU는 점화 시기, 공회전 제어, 연료 분사 등 엔진의 핵심 기능을 제어하도록 개발되었다. 그러다 차량의 전자화가 널리 이루어지면서 엔진을 비롯한 다른 계통에 대한 제어도 수행할 수 있게 되었다. 현재는 엔진과 더불어 에어백, 타이어 공기압, 변속기, 브레이크, 조향 장치, 에어컨 등 다양한 액추에이터를 제어할 수 있다.

1970년대 초, 일본 전자산업은 엔진 제어에 사용되는 집적회로와 마이크로컨트롤러를 생산하기 시작했다.[6] 1975년에는 도시바 TLCS-12 마이크로프로세서를 사용한 포드 EEC(전자 엔진 제어) 시스템이 대량 생산에 들어갔다.[7]

최초의 보쉬 엔진 관리 시스템은 모트로닉 1.0으로, 1979년 BMW 7시리즈 (E23)에 도입되었다.[8] 이 시스템은 기존 ''보쉬 제트로닉'' 연료 분사 시스템을 기반으로 점화 시스템 제어 기능이 추가된 것이었다.[9]

1981년, 여러 쉐보레와 뷰익 엔진에 델코 일렉트로닉스 ECU가 사용되어 연료 시스템(폐쇄 루프 기화기)과 점화 시스템을 제어했다.[10] 델코 일렉트로닉스는 1988년까지 하루 28,000개 이상의 ECU를 생산하며 엔진 관리 시스템의 선두 주자가 되었다.[11]

2. 3. 현재와 미래

초기의 ECU는 점화 시기, 공회전 제어, 연료 분사 등 엔진의 핵심 기능을 제어하도록 개발되었다. 그러다 차량의 전자화가 널리 이루어지면서 엔진을 비롯한 다른 계통에 대한 제어도 수행할 수 있게 되었다. 현재는 엔진과 더불어 에어백, 타이어 공기압, 변속기, 브레이크, 조향 장치, 에어컨 등 다양한 액추에이터를 제어할 수 있다.[14]

3. 작동 원리

엔진 제어 장치(ECU)는 센서로부터 신호를 입력받는 입력 인터페이스, 데이터를 순서대로 연산 처리하는 컴퓨터(마이크로 컴퓨터), 계산 결과에 따라 액추에이터를 제어하는 출력 인터페이스로 구성된다.

엔진 제어기는 센서를 통해 차량 내 각종 데이터를 수집하고, 이 데이터를 연산 처리하여 액추에이터를 제어함으로써 자동차가 운전자가 원하는 성능과 연비 효율을 달성하도록 돕는다.

엔진 제어기의 가장 중요한 기능은 연료 분사 장치 제어이다. 엔진 제어기는 엔진에 적절한 양의 연료를 공급하고, 가장 효율적인 점화 시기와 출력을 구현하며, 가속 페달을 밟은 정도, 엔진 회전수, 냉각수 온도, 공기 흡입량 등에 따라 연료 분사량을 조절한다.[2]

3. 1. 센서

엔진제어기의 입력장치는 '센서'이다. 차량 내의 각종 센서로부터 데이터를 수집하는데, 여기에는 공기흐름 센서, 냉각 온도 센서, 연료 압력 센서, 배터리 등이 포함된다.[2]

ECU가 사용하는 센서는 다음과 같다.[2]

  • 가속 페달 위치 센서
  • 캠축 위치 센서
  • 냉각수 온도 센서
  • 크랭크축 위치 센서
  • 노킹 센서
  • 흡기 매니폴드 압력 센서 (MAP 센서)
  • 흡기 온도
  • 흡기 질량 유량 센서 (MAF 센서)
  • 산소 (람다) 센서
  • 스로틀 위치 센서
  • 차륜 속도 센서


; 에어플로우 미터

: 흡기관을 통과하는 공기의 양을 감지한다.

; 스로틀 포지션 센서

: 스로틀 바디에 장착되어 스로틀 밸브의 각도로부터 스로틀 개도를 감지한다. ECU는 스로틀 개도에 따라 연료 분사량을 제어한다. 스로틀이 공회전 개도이고 엔진 회전 속도가 높을 경우 엔진 브레이크 작용을 높이기 위해 연료 분사가 정지된다.

; 흡기온 센서

: 흡입 공기의 온도를 감지하는 서미스터로, 에어플로우 미터 내에 내장되거나 흡입관에 독립적으로 장착된다. ECU는 흡입 공기의 온도에 따라 연료 분사량을 제어한다.

; 수온 센서

: 엔진 냉각수 온도를 감지하는 서미스터로, 엔진 냉각 계통 내에 설치된다. ECU는 냉각수 온도가 낮을 때(시동 직후 등) 연료 분사량을 증가시켜, 기화기 방식 엔진에서 쵸크 밸브가 수행하던 기능을 대신한다.

; 스타트 인젝터·타임 스위치

: 냉간 시동 시 시동성을 향상시키기 위해, 일반적인 인젝터와는 별도의 보조 인젝터인 '''콜드 스타트 인젝터'''를 제어한다.

; O2 센서

: 산소의 농담 전지 원리를 응용한 고체 전해질 센서이다. 배기관 내에 설치되며, 원통형의 지르코니아 소자에 백금 코팅을 한 구조로 되어 있다. 지르코니아 소자는 양면에 산소 농도 차이가 있으면 기전력을 발생시키는 성질이 있으며, 이 성질을 이용하여 공연비를 측정한다. O2 센서는 표면 온도가 높아지면 백금의 촉매 작용에 의해 이론 공연비 부근을 경계로 기전력이 급변하는 성질을 가지므로, 센서 외면은 배기가스에 노출시키고, 센서 내면은 대기를 유입하여 공연비의 검출 및 제어를 수행하고 있다.

: 연료 분사 장치가 등장했을 당시에는, 해당 엔진에 대해 O2 센서 1개로 연소 제어가 이루어지는 경우가 대부분이었지만, 각 실린더마다 개별적으로 인젝터가 배치되는 멀티 포인트 인젝션(MPI) 방식이 일반화된 오늘날에는 각 실린더에 대해 1개의 O2 센서를 장착하여 실린더 단위로 고도의 연소 피드백 제어를 수행하는 것도 증가하고 있다.

3. 2. 제어 대상

엔진제어기(ECU)는 가속 페달을 밟은 정도, 엔진 회전수, 냉각수 온도, 공기 흡입량 등에 따라 연료 분사량을 제어한다.[2] 주요 제어 기능은 다음과 같다.

  • 연료 분사 시스템
  • 점화 시스템
  • 공회전 속도 제어 (일반적으로 공회전 제어 밸브 또는 전자식 스로틀 시스템을 통해)
  • 가변 밸브 타이밍 및/또는 가변 밸브 리프트 시스템


ECU는 다음과 같은 센서들을 사용한다.

  • 가속 페달 위치 센서
  • 캠축 위치 센서
  • 냉각수 온도 센서
  • 크랭크축 위치 센서
  • 노킹 센서
  • 흡기 매니폴드 압력 센서 (MAP 센서)
  • 흡기 온도
  • 흡기 질량 유량 센서 (MAF 센서)
  • 산소 (람다) 센서
  • 스로틀 위치 센서
  • 차륜 속도 센서


다른 기능은 다음과 같다.

  • 론치 컨트롤
  • 연료압력조정기
  • 회전수 제한기
  • 웨이스트게이트 제어 및 앤티랙
  • 이모빌라이저의 입력에 따라 점화를 차단하여 도난 방지


캠리스 피스톤 엔진에서는 ECU가 각 흡기 및 배기 밸브가 언제 얼마나 열릴지를 지속적으로 제어한다.[3][4]

엔진 제어 장치는 다음과 같은 사항을 제어한다.

  • 점화 시스템 - 점화 시기
  • 연료 시스템 - 연료 분사 장치(분사 시기 및 분사량, 디젤 엔진의 경우 분사 회수, 공회전 속도), 연료 펌프
  • 흡배기 시스템 - 스로틀 개도(전자식 스로틀), 과급기(터보차저, 슈퍼차저)의 과급압, 배기 장치, EGR량
  • 밸브 기구 - 밸브 타이밍, 밸브 리프트량
  • 시동 제어 - 스타터 모터, 이모빌라이저

3. 3. 연계 시스템

엔진제어기는 차량 내의 다양한 센서로부터 데이터를 수집하여 액추에이터를 제어한다. 이를 통해 자동차가 운전자의 목표에 맞는 성능과 연비 효율을 낼 수 있도록 돕는다. 엔진제어기는 다음과 같은 주요 기능을 제어한다.

  • 연료 분사 시스템
  • 점화 시스템
  • 공회전 속도 제어 (일반적으로 공회전 제어 밸브 또는 전자식 스로틀 시스템을 통해)
  • 가변 밸브 타이밍 및/또는 가변 밸브 리프트 시스템


엔진 제어 유닛(ECU)은 다음과 같은 센서들을 사용한다.[2]

  • 가속 페달 위치 센서
  • 캠축 위치 센서
  • 냉각수 온도 센서
  • 크랭크축 위치 센서
  • 노킹 센서
  • 흡기 매니폴드 압력 센서 (MAP 센서)
  • 흡기 온도
  • 흡기 질량 유량 센서 (MAF 센서)
  • 산소 (람다) 센서
  • 스로틀 위치 센서
  • 차륜 속도 센서


다른 기능들은 다음과 같다.

  • 론치 컨트롤
  • 연료압력조정기
  • 회전수 제한기
  • 웨이스트게이트 제어 및 앤티랙
  • 이모빌라이저의 입력에 따라 점화를 차단하여 도난 방지


캠리스 피스톤 엔진에서는 ECU가 각 흡기 및 배기 밸브가 언제 얼마나 열릴지를 지속적으로 제어한다.[3][4]

엔진 제어 장치는 전기적 요소를 갖는 것은 대부분 제어 유닛(Control Unit)에 의해 제어하며, 기계적 요소를 갖는 것은 솔레노이드나 서보모터를 통해 제어한다. 또한, 차량 통합 제어 시스템으로서 엔진 제어 유닛(Engine Control Unit)과 연계하는 컨트롤러도 많다.

엔진 제어 유닛과 연계하는 컨트롤러는 다음과 같다.

  • 구동계: 배기가스 재순환 컨버터에 내장된 록업 클러치, 클러치(세미오토매틱트랜스미션), 유성기어의 변속비 변환용 브레이크 장치(자동변속기)
  • 안전장치: ABS 브레이크, 각륜 브레이크 개별 제어, 에어백, 트랙션 컨트롤 시스템
  • 실내 장비: 에어컨디셔너, 회전계, 속도계
  • 등화류: 방향지시등, 각종 경고등, 경보음


하이브리드 시스템에서는 회생제동 제어, 동력계 모터 제어, 배터리 관리, 엔진과 모터 간의 클러치 제어도 수행한다.

4. ECU 튜닝

엔진 제어 장치(ECU)는 점화 시기와 연료 공급량을 조절한다. 이 부분을 변경하면 엔진 출력을 높일 수 있다. 과거에는 ROM을 교체하거나 EEPROM에 접근하여 데이터를 수정하는 '''ROM 튜닝'''을 했다. 하지만 이 방법은 제조사의 보증을 받을 수 없게 된다.[1]

요즘은 플래시 ROM을 사용하는 ECU가 많아, 자가 진단 장비 연결 포트를 통해 데이터를 다시 쓸 수 있다. 그러나 이 작업은 시간과 위험이 따르고, 장비와 소프트웨어에 따라 가능한 차종이 제한된다.[1]

현대 엔진 제어 장치는 기압, 기온, 배기가스 산소 농도, 노킹 등 다양한 정보를 바탕으로 작동한다. 단순한 표 참조 방식 대신 퍼지 제어 등을 이용해 실시간으로 계산하는 방식이 주로 사용된다.[1]

요즘 ECU 튜닝은 엔진 제어 장치와 하네스 사이에 커플러를 끼워 넣어 신호를 조작하는 방식을 쓴다. 이 장치를 '''서브 컴퓨터'''라고 부른다. 이 방식은 튜닝 난이도가 낮지만, 순정 ECU의 학습 기능 때문에 모든 것을 제어할 수는 없다.[1]

엔진 제어 장치 자체를 완전히 바꾸는 '''풀 컴퓨터''' 방식도 있다. 이는 정밀한 튜닝이 필요한 경주용 차량 등에 쓰이며, 차량 기능을 추가하거나 제거할 수 있다.[1]

최근 서브 컴퓨터와 풀 컴퓨터는 PC와 연결해 데이터를 쉽게 변경할 수 있다. 그러나 엔진 지식이 부족한 사람이 데이터를 극단적으로 바꾸면 엔진 블로우를 일으킬 수 있고, 경우에 따라 차량 해킹이나 크래킹에 해당할 수 있다.[1]

5. 항공기에서의 ECU (FADEC)

이러한 시스템은 다른 용도의 많은 내연 기관에 사용된다. 항공 응용 분야에서는 이러한 시스템을 FADEC(Full Authority Digital Engine Control)라고 한다. 이러한 종류의 전자 제어는 자동차보다 피스톤 엔진을 사용하는 경항공기와 헬리콥터에는 덜 일반적이다. 이는 기화기 엔진과 마그네토 점화 장치 시스템의 일반적인 구성 때문인데, 이 시스템은 발전기가 생성하는 전력을 필요로 하지 않아 안전상의 이점으로 간주된다.[12]

항공기에서는 '''FADEC'''(Full Authority Digital Engine Controls, 전자식 엔진 제어 장치)로 알려져 있다. FADEC은 항공기의 엔진과 프로펠러를 제어하는 디지털 컴퓨터와 부속 장치로 구성된다. 정밀한 제어 장치로서 처음에는 제트기에 사용되었고, 점차 프로펠러기에서도 사용되게 되었다. 조종사는 스로틀 레버를 시동, 공회전, 순항 출력 또는 최대 출력과 같은 원하는 위치로 조작하기만 하면 FADEC 시스템이 엔진과 프로펠러를 자동으로 선택된 모드에 맞춰 조절한다. 조종사는 기압이나 기온을 모니터링하면서 공연비를 제어할 필요가 없으며, 개별 실린더의 점화 시기도 FADEC이 제어한다.[13]

FADEC 시스템은 항공기의 주 전기 시스템에 의해 구동될 수도 있지만, 많은 항공기에서는 엔진에 연결된 독립적인 발전기로 구동된다. 어느 경우든 FADEC 시스템의 고장은 엔진 추력의 완전한 상실로 이어질 수 있으므로 백업 전원이 필요하다. 또한, 두 개의 완전히 동일한 디지털 채널이 독립적으로 내장되어 각 채널은 모든 엔진과 프로펠러의 제어 기능을 제공할 수 있다.[13]

6. 각 제조사별 ECU 명칭


  • '''ECCS''' - '''E'''lectronic '''C'''oncentrated engine '''C'''ontrol '''S'''ystem의 약자(어크로님)이다. 엔진 제어 장치를 포함한 전자식 엔진 집중 제어 시스템으로, 하나의 마이크로컴퓨터로 연료 분사, 배기가스 환원량, 공회전 속도, 연료 펌프 제어 등을 최적의 레벨로 제어하여 연비 향상, 배기가스 정화, 주행 성능 향상을 실현한다.[1]


ECCS 엔진은 미리 제어 장치에 많은 운전 상태에 대한 최적 제어값을 저장하고, 센서로 상태를 감지하여 최적값을 선택, 액추에이터에 출력하여 제어한다.[1]

  • '''TCCS''' - '''T'''oyota '''C'''omputer '''C'''ontrolled '''S'''ystem의 약자이다.
  • '''EEC''' - '''E'''lectronic '''E'''ngine '''C'''ontrol의 약어이다. 1974년에 실용화되었으며, 세대에 따라 EEC-I, EEC-VII와 같이 로마 숫자가 붙는다. 초대 EEC-I는 도시바에서 개발되었다.


'''제너럴 모터스'''

  • '''CCC''' - '''C'''omputer '''C'''ontrol '''C'''ommand의 약어이다.


'''이스즈 자동차'''

  • '''I-TEC''' - '''I'''SUZU '''T'''otal '''E'''lectronic '''C'''ontrol의 약어이다.

참조

[1] 웹사이트 How an Automotive Computer Works https://www.2carpros[...] 2023-05-14
[2] 웹사이트 Toyota Prius - Engine Control Systems http://autoshop101.c[...] 2023-05-14
[3] 뉴스 WHAT'S NEXT; A Chip-Based Challenge to a Car's Spinning Camshaft https://query.nytime[...] 2003-08-21
[4] 웹사이트 How Proportional Valve Control Module control the oil flow direction https://www.genndih.[...] 2023-06-03
[5] 서적 World Encyclopedia of Aero Engines Patrick Stephens Limited 1989
[6] 웹사이트 Trends in the Semiconductor Industry: 1970s http://www.shmj.or.j[...] 2019-06-27
[7] 웹사이트 1973: 12-bit engine-control microprocessor (Toshiba) http://www.shmj.or.j[...] 2019-06-27
[8] 웹사이트 25 years of Bosch Motronic: Think tank under the bonnet https://www.bosch.co[...]
[9] 서적 Bosch Fuel Injection and Engine Management https://books.google[...] Robert Bentley, Incorporated 1989-11-27
[10] 웹사이트 GM Emission Control Project Center - I Was There http://history.gmher[...]
[11] 간행물 The Atwood Legacy Delco Electronics Electron Magazine 1989
[12] 서적 Pilot's Encyclopedia of Aeronautical Knowledge Federal Aviation Administration
[13] 서적 Pilot's Encyclopedia of Aeronautical Knowledge Federal Aviation Administration
[14] 뉴스 차량두뇌 `ECU`통합이 완전 자율주행차 만들 핵심열쇠 https://www.mk.co.kr[...]


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