엔진 회전량이 어느선을 넘어서게 되는 순간 IQ(인젝터의 분사량)은 오히려 감소하게 된다. 왜 그럴까?
대부분의 차들이 최고 RPM 에서 최고 Torque와 HorsePower가 나오지 않는다
공기 공급 제어
앞서 언급한 전제조건에서 474 cm^3의 실린더는 474*1.0 mg=474mg 의 공기를 담아 둘 수 있었다. 즉, 한 행정을 완료할 때 실린더는 474mg의 공기를 빨아들이게 된다.
ECU는 MAF(Mass Air Flow) 센서를 통해 공기의 질량과 유량을 측정할 수 있는데, 이 센서는 지속적으로 공기 흐름을 모니터링 하면서 ECU 로 신호를 보내게 된다. 일반적으로 공기의 스름은 0~1000mg/stroke 정도로 가변적인데, 앞서 설정한 조건에서 과급기가 추가된 시스템의 MAF 는 474mg 이상을 읽고 처리할 수 있어야 할 것이다.
EGR 도 한번 고민해 봐야하지만, 여기에서 EGR을 논하면 산으로 가니 이건 생략.
즉, 매연 맵(Smoke MAP) 또는 IQ 제한은 결국 MAF 센서의 값에 근거를 두고 있다는 결론을 내릴 수 있다. (때문에 MAF 은 자동차 내연기관에 있어 매우 중요한 역할을 하기 때문에 항상 좋은 컨디션을 유지하도록 유의해야 한다.)
이를 생각하고 다음을 생각해 보자.
공기 압력 제어 (과급)
공기의 압력과 온도는 날씨와 밀접한 관련이 있다. 우선 20’C 의 온도와 1,000 mbar(밀리바 = 1.5바) 라고 가정을 세워보자. 주어진 조건을 대입해 보자. “20’C에 1,000mbar 상태에서 1 행정당 474 mg의 공기를 빨아들인다” (여기서 EGR 을 생각하면 복잡해 지니 순수 값만 고려토록 하겠다. 두 번째;) 이 상태에서 ‘과급’이라는 전제조건이 생긴다면 엔진이 빨아들이는 공기의 압력은 1,000mbar 보다 커지게 될 것이다. (부스트 압력이 1.5bar 라고 가정한다면 최대 2,500mbar 를 수용할 수 있다는 이야기다.)
1,000mbar 일 때 474mg 이라면 2,000mbar 일 때 948(2×474)mg, 즉 두 배의 압력으로 두배의 양을 실린더에 주입 함으로써 효율도 두배로 증가시킬 수 있다.
엔진 ECU는 부스트 압력 센서로 부터 공기 압력을 전달 받는다. (매니폴더에 위치한 MAP/Manifold Absolute Pressure 센서) 또한 공기의 온도를 IAT(Intake Air Temperature)로 부터 전달 받는다. 엔진 속도와 IQ를 위한 부스트는 부스트 맵으로 부터 제어가 된다. 이 맵은 ECU 에 앞선 값들을 만족시키기 위해서 얼만큼의 부스트가 필요한지 이야기 해 준다.
자, 우리가 엑셀레이터를 끝까지 밟으면 최대치의 IQ, 최대치의 부스트를 얻게 될 것이다. (물론 이는 사실이 아니다 ㅎㅎ 로케트도 아니고 터보차저는 충분한 압력을 얻기 위해 임펠러를 회전해야 하는데, 그 변화량이 즉각적이지 않기 때문이다.)
만약 120kph 의 속도에서 2,500rpm 으로 항속 주행을 하고 있을 때도 불필요하게 높은 부스트를 쓸 필요도 없다. 즉, ‘가속구간’을 벗어났을 때는 오히려 공기의 량이 일정하거나, 감소할 수 있기 때문에 이에 맞게 연료의 양을 감소시키게 되는 것이다. 즉, 그래프만 보고 판단한다면 2,250rpm 이 지나가는 시점에서 부스트의 압력이 낮아져 오히려 흡입되는 공기의 양은 감소했다고 생각할 수 있게 된다는 것이다.
이 결과 맵핑시 ‘가속’을 위한 맵과 ‘항속’을 위한 맵을 고려야하 한다. 과거 차량은 하나의 맵으로 모든 환경을 제어했지만 근래에 발매되는 차들의 대부분은 그 영역대에 맞는 맵이 모두 분리가 되어 있기 때문이다. (흠 이 이야기는 나중에 ..) 그리고…
터보차저 부스트 컨트롤
위에서 설명한 것과 같이 적절한 터보차저의 동작을 위해선 엔진의 속도 및 IQ 의 특정 조건에서의 부스트를 가미한 ‘부스트 맵’이 필요하다. 엔진 ECU는 이 맵의 적절한 동작을 위해 MAP,IAT 센서등에서 수집한 정보를 활용하게 되는데, ECU는 이미 저장되어 있는 값과 비교해 가장 유사한 맵을 선택한다. (ECU는 SVBL/Single Value Boost Limiter 를 이용해 비상상황시 부스트를 차단하기도 한다)
실제로 부스트는 N75 밸브라 불리우는 진공 밸브에 전기 신호를 보내 계폐로 제어하게 된다. 엔진 ECU는 이 밸브의 개방 량을 변화시키도록 전기신호를 내보낸다. 부스트 컨트롤의 경우 터보차저를 보호하기 위한 Boost Limit Map을 갖고 있는데, 일정량의 부스트 압에 도달하거나, ‘조건이 맞지 않는다’면 바이패스 하거나, 개방시키는 것을 명시하고 있다.
만약 대기중의 공기와 온도가 변하지 않는다면 일정한 압력에 도달했을 때 만 개방하면 되니까 Boost Limit Map 은 필요가 없을 것이다. 하지만 일상 생활에 있어서 이들 값. 즉 환경은 동적으로 변한다. 한국과 같이 4계절이이 있는 나라에선 여름에는 온도로 인해 체적 밀도가 낮아질 것이다.
흡입하는 온도가 20’C 가 아니라 40’C 로 올라갔을 때 과급을 통해 공기를 압축한다면 밀도가 증가하면서 공기의 온도 또한 더 크게 상승할 것이고 결국 체적대비 밀도가 현격하게 나빠지게 된다. 이경우 부스트 압 만으로 연료를 분사하게 된다면 결국 충분치 않은 공기로 인해 완전한 연소를 기대할 수 없을 것이다.
그럼 더 많은 공기를 빨아들일 수 있게 과급을 동작시키면 되겠지만 과급기는 그 성능이 제한되어 있는 만큼, 무리하면 쉽게 손상을 입게 된다. 즉, 사전에 터빈의 동작을 강제로 멈춤으로써 손상으로 부터 보호하게 된다. 이 상태를 우린 림프 모드(Limp mode)라고 부른다. 뿐만 아니라 엔진 ECU는 SVBL(Single Value Boost Limiter)를 통해 부스트 관리 실패를 인지할 수 있다.
우선 기본 지식은 여기까지.