ECU의 구성과 작동원리는 무엇인가?

ECU 란 무엇일까요? ECU라는 용어의 사용은 엔진 제어 장치를 지칭하는 데 사용될 수 있지만 ECU는 엔진 제어뿐만 아니라 모든 자동차 메카 트로닉 시스템의 구성 요소인 전자 제어 장치를 의미하기도 합니다. 자동차 산업에서 ECU라는 용어는 종종 엔진 제어 장치(ECU) 또는 엔진 제어 모듈(ECM)을 지칭합니다. 이 장치가 엔진과 변속기를 모두 제어하는 경우 종종 파워 트레인 제어 모듈 (PCM)이라고 합니다. 여기에서는 ECU를 엔진 제어 장치로 설명합니다. ECU는 어떤 역할을 하는 걸까요? 기본적으로 엔진 ECU는 연료 분사를 제어하고 가솔린 엔진에서 점화 시간을 제어합니다. Crankshaft Position Sensor를 사용하여 엔진 내부의 위치를 결정하므로 인젝터와 점화 시스템이 정확한 시간에 활성화됩니다. 이것은 기계적으로 할 수 있는 것처럼 보이지만 그보다 더 많은 것이 있습니다. 내연 기관은 본질적으로 연료를 사용하여 자체적으로 동력을 공급하는 큰 공기 펌프입니다. 공기가 흡입됨에 따라 엔진 작동을 유지하기 위한 동력을 생성하고 필요할 때 차를 추진할 수 있는 유용한 양을 남겨두기 위해 충분한 연료가 제공되어야 합니다. 이러한 공기와 연료의 조합을 혼합물이라고 합니다. 혼합물이 너무 많으면 엔진이 최대 스로틀이 되고 너무 적어 엔진 자체 또는 자동차에 동력을 공급할 수 없습니다. 혼합물의 양뿐만 아니라 그 혼합물의 비율이 정확해야 합니다. 너무 많은 연료와 너무 적은 산소로 구성된 혼합물의 연소는 더럽고 낭비가 심합니다. 너무 적은 연료와 너무 많은 산소는 연소를 느리고 약하게 만듭니다. 엔진이 연료를 흡입하는 고정 직경 구멍 (제트)의 집합에 불과한 기화기라고 하는 완전한 기계식 계량 장치에 의해 이 혼합물의 양과 비율을 제어하기 위해 엔진이 사용됩니다. 연비와 배기가스 감소에 중점을 둔 현대식 차량의 요구에 따라 우리는 혼합물을 더욱 엄격하게 제어해야 합니다. 이러한 엄격한 요구 사항을 충족하는 유일한 방법은 엔진 제어를 ECU 인 엔진 제어 장치로 넘기는 것입니다. ECU는 아날로그 방식이 아닌 디지털 방식으로 저장된 방정식과 숫자 테이블을 사용하여 엔진의 연료 분사, 점화 및 보조 장치를 제어하는 역할을 합니다. 가속을 할 때는 전체 혼합물의 양을 증가시켜야 합니다. 사용 중인 연료의 연소 특성 때문에 이 혼합물의 비율도 변경해야 합니다. 가속 페달을 밟으면 스로틀 플랩이 열리고 엔진에 더 많은 공기가 유입됩니다. 엔진에 대한 공기 흐름의 증가는 질량 공기 흐름 센서 (MAF)에 의해 측정되므로 ECU가 분사되는 연료의 양을 변경하여 혼합 비율을 제한 내로 유지할 수 있습니다. 이게 다가 아닙니다. 최상의 출력 수준과 안전한 연소를 위해 ECU는 혼합물의 비율을 변경하고 순항 중일 때보다 풀 스로틀 상태에서 더 많은 연료를 분사해야 합니다. 이를 풍부한 혼합물이라고 합니다. 반대로 연료 공급 전략이나 정상적인 연료량보다 적은 양의 연료가 분사되는 결함은 희박한 혼합물을 초래합니다. 운전자 수요에 따라 연료 공급을 계산하는 것 외에도 온도는 사용된 방정식에서 중요한 역할을 합니다. 가솔린은 액체로 주입되기 때문에 연소되기 전에 증발이 일어나야 합니다. 뜨거운 엔진에서는 관리하기 쉽지만 차가운 엔진에서는 액체가 기화할 가능성이 적고 혼합 비율을 올바른 연소 범위 내로 유지하려면 더 많은 연료를 분사해야 합니다. ECU를 사용하기 전에 플래시백의 기능은 기화기의 초크에 의해 관리되었습니다. 이 초크는 더 많은 연료 흐름을 촉진하기 위해 제트의 진공을 증가시키는 기화기로의 공기 흐름을 제한하는 단순히 플랩이었습니다. 이 방법은 종종 부정확하고 문제가 발생했으며 정기적인 조정이 필요했습니다. 대부분은 운전 중에 운전자가 수동으로 조정했습니다. 공기의 온도는 다양한 대기압과 거의 동일한 방식으로 연소 품질에 영향을 미칩니다. 완벽한 연소, 자동차 엔진은 부품 스로틀에서 대부분의 시간을 소비하기 때문에 ECU는 이 영역에서 최대 효율에 집중합니다. 분사된 모든 연료가 연소되고 모든 산소 가이 연소에 의해 소비되는 이상적인 혼합물은 화학 양론적 또는 종종 람다로 알려져 있습니다. 이것은 혼합비에 과잉 공기가 있는지 그리고 분사되는 연료가 과도하거나 부족한지 자연스럽게 엔진에 알려줍니다. ECU는 이 측정값을 읽고 혼합물을 가능한 한 Lambda = 1.0에 가깝게 유지하기 위해 분사되는 연료량을 지속적으로 조정합니다. 이는 폐쇄 루프 작동으로 알려져 있으며 엔진 ECU를 사용하여 얻을 수 있는 고급 효율성에 크게 기여합니다. 현재 시행 중인 엄격한 배기가스 규제로 인해 연료 소비 및 환경 영향을 줄이는 데 도움이 되는 다른 많은 시스템이 엔진에 있습니다. 여기에는 이런 것들이 포함됩니다. 배기가스 재순환 (EGR)/촉매 변환기 및 선택적 촉매 환원/배기 주입 반응 (AIR)/디젤 미립자 필터 (DPF)/연료 층화/배기 첨가제 주입 (예 : AdBlue)/증발 배출 제어 (EVAP)/터보 차징 및 슈퍼 차징/하이브리드 파워 트레인 시스템/가변 밸브 트레인 제어 (예 : VTEC 또는 MultiAir)/가변 흡기 제어 등입니다. 위의 각 시스템은 어떤 방식으로든 엔진 작동에 영향을 미치므로 결과적으로 ECU를 완전히 제어해야 합니다. ECU는 어떻게 작동합니까? ECU는 종종 엔진의 두뇌라고 합니다. 본질적으로 매우 작은 경우 컴퓨터, 스위칭 시스템 및 전원 관리 시스템입니다. 기본 수준에서도 수행하려면 4가지 작업 영역을 통합해야 합니다. 첫째, 입력 과정입니다. 여기에는 일반적으로 온도 및 압력 센서, 온/오프 신호 및 차량 내 다른 모듈의 데이터가 포함되며 ECU가 결정을 내리는 데 필요한 정보를 수집하는 방법입니다. 입력의 예로는 냉각수 온도 센서 또는 가속 페달 위치 센서가 있습니다. 트랙션 제어 적용과 같이 ABS (Antilock Brake System) 모듈의 요청도 고려할 수 있습니다. 가공, ECU에 의해 데이터가 수집되면 프로세서는 장치에 저장된 소프트웨어의 지시에 따라 연료 분사기 펄스폭과 같은 출력 사양을 결정해야 합니다. 프로세서는 적절한 출력을 결정하기 위해 소프트웨어를 읽을 뿐만 아니라 학습된 혼합물 조정 및 주행 거리와 같은 자체 정보도 기록합니다. 둘째, 출력입니다. ECU는 엔진에서 작업을 수행하여 정확한 양의 전력으로 액추에이터를 정확하게 제어할 수 있습니다. 여기에는 연료 분사기 펄스폭 제어, 점화 시스템의 정확한 타이밍, 전자 스로틀 본체의 개방 또는 라디에이터 냉각 팬의 활성화가 포함될 수 있습니다. 셋째, 전력입니다. 관 ECU는 수백 개의 내부 구성 요소가 올바르게 작동하기 위해 많은 내부 전력 요구 사항을 가지고 있습니다. 또한 많은 센서와 액추에이터가 작동하려면 ECU가 차량 주변의 부품에 정확한 전압을 공급해야 합니다. 이것은 센서의 경우 5 볼트, 연료 인젝터 회로의 경우 200 볼트 이상일 수 있습니다. 전압을 수정해야 할 뿐만 아니라 일부 출력은 30A 이상을 처리해야 하므로 자연적으로 많은 열이 발생합니다. 열 관리는 ECU 설계의 핵심 부분입니다. 기본 ECU 기능 ECU 작동의 첫 번째 단계는 실제로 전력 관리입니다. 여기에서 다양한 전압이 조절되고 ECU의 전원 공급이 처리됩니다. 대부분의 ECU는 내부의 다양한 구성 요소로 인해 정교한 전력 관리 기능을 갖추고 있으며 차량의 10-15V 전원에서 1.8V, 2.6V, 3.3V, 5V, 30V 및 최대 250V를 정확하게 조절합니다. 또한 전원 관리 시스템은 ECU가 스스로 전원이 꺼질 때를 완전히 제어할 수 있도록 합니다. 즉, 점화 스위치를 끌 때 반드시 그런 것은 아닙니다. 올바른 전압이 공급되면 마이크로 프로세서가 부팅을 시작할 수 있습니다. 여기서 메인 마이크로 프로세서는 메모리에서 소프트웨어를 읽고 자체 검사를 수행합니다. 그런 다음 엔진의 수많은 센서에서 데이터를 읽어 유용한 정보로 변환합니다. 이 정보는 자동차 내부 컴퓨터 네트워크인 CANbus를 통해 다른 전자 모듈로 전송되는 경우가 많습니다. 메인 마이크로 프로세서 가이 정보를 해석하면 소프트웨어 내의 숫자 표 또는 공식을 참조하고 필요에 따라 출력을 활성화합니다. 크랭크 샤프트 위치 센서가 엔진이 실린더 중 하나에서 최대 압축에 도달하려고 함을 나타내면 관련 점화 코일에 대한 트랜지스터를 활성화합니다. 소프트웨어 내의 앞서 언급 한 공식과 표는 스로틀 위치, 냉각수 온도, 공기 온도, EGR 개방, 혼합 비율 및 잘못된 연소를 보여주는 이전 측정을 기반으로 이 트랜지스터의 활성화가 지연되거나 진행되도록 합니다. ECU 내부의 메인 프로세서의 작동과 많은 출력의 활성화는 모니터링 마이크로 프로세서 (기본적으로 메인 컴퓨터가 모든 것을 올바르게 수행하는지 확인하는 두 번째 컴퓨터)에 의해 감독됩니다. 모니터링 마이크로 프로세서가 ECU의 어떤 측면에 만족하지 않으면 전체 시스템을 재설정하거나 완전히 종료할 수 있는 권한이 있습니다. 모니터링 프로세서의 사용은 주 마이크로 프로세서에 오류가 발생할 경우 안전 문제로 인해 드라이브 바이 와이어 스로틀 제어를 적용하는 데 필수적이 되었습니다. ECU 및 주변 장치 진단 이러한 모든 제어, 이러한 모든 입력 및 이러한 모든 출력을 구현하는 데 따르는 복잡성으로 인해 상대적으로 진보된 자가 진단 기능이 필요합니다. 기존 엔진 진단은 쓸모가 없습니다. ECU의 입력 및 출력은 소프트웨어에 설정된 허용 오차 범위 내에 있는지 확인하기 위해 프로세서가 종종 초당 수십 번씩 개별적으로 모니터링합니다. 센서 판독 값이 미리 결정된 기간 동안 이러한 허용 오차를 벗어나면 오류가 등록되고 기술자가 검색할 수 있도록 오류 코드가 저장됩니다. 오류 코드 오류 코드가 메모리에 저장되면 엔진이 여전히 기본 수준에서 작동할 수 있지만 일반적으로 엔진 효율이 감소하면서 소프트웨어 내의 일부 로직이 우회됩니다. 어떤 상황에서는 자가 진단 루틴이 엔진 작동을 근본적으로 방해하거나 안전을 위해 엔진을 끄는 심각한 결함을 발견합니다. 최신 엔진 관리를 통해 차량 기술자의 첫 번째 오류 진단 단계는 ECU 메모리에서 오류 코드에 액세스 하는 것입니다. 이들은 종종 P, B, C 또는 U로 시작하는 5 자리 영숫자 코드와 4 자리 숫자로 저장됩니다. 이러한 코드에 대한 자세한 내용과 설명은 OBDII 오류 코드에서 찾을 수 있습니다. 이러한 코드 외에도 기술자는 차량이 작동하는 동안 진단 도구를 통해 실시간 센서 데이터를 볼 수도 있습니다. 이를 통해 잘못된 센서 판독 값을 볼 수 있지만 오류 코드를 표시할 수 있을 만큼 충분한 여유가 없습니다. 다음으로 전자 스로틀 제어입니다. 많은 사람들이 드라이브 바이 와이어 스로틀 제어의 필요성에 의문을 제기합니다. 90년대에 도입된 이 제품은 현재 생산되는 거의 모든 엔진에 장착되지만 기존 케이블에 비해 장점은 무엇입니까? 80 년대까지 대부분의 스로틀/가속기 제어는 페달에서 기화기까지의 케이블로 관리되었습니다. 공회전 속도는 엔진이 올바르게 공회전할 때까지 스로틀 플랩을 약간 열어두기 위해 나사를 조정하여 설정했습니다. 이 간단한 방법은 공회전 속도를 정기적으로 조정해야 했으며 엔진이 차갑거나 다양한 부품이 마모될 때 편차가 발생하기 쉽습니다. 1980 년대에 ECU의 주류 도입과 함께 전자식 Idle Air Control 밸브가 도입되어 이러한 많은 문제를 해결했지만 ECU는 이제 공기 흐름의 일부를 제어하고 있지만 다른 모든 구성 요소는 그대로 유지되었습니다. 엔진 작동의 효율성과 자동차 조립의 효율성이 발전함에 따라 전자식 스로틀 제어가 도입되었습니다. 이로 인해 자동차 제조 속도가 빨라지고 (방화벽을 통과하는 뻣뻣한 스로틀 케이블이 없음) 공회전 공기 제어 밸브의 필요성이 제거되었으며 엔진 ECU가 엔진에 대한 추가 제어를 허용하여 EGR 기능을 개선하고 엔진 셧다운 제어를 개선했습니다. 향상된 시동이 그다음인데요. 전자식 스로틀 제어의 한 가지 중요한 이점은 ECU가 가속 중에 스로틀 각도를 조정하여 엔진을 통과하는 실제 공기 흐름을 보완할 수 있다는 것입니다. 이것은 공기가 흡입구를 통과하는 속도를 향상하고 토크와 운전 성을 향상합니다. 이를 토크 매핑이라고 하며 전자 스로틀 제어를 통해서만 가능합니다. 적응 현대 자동차는 과거보다 훨씬 더 엄격한 공차로 제작되었지만 제조 변동, 기계적 마모 및 환경 적 측면에 여전히 취약합니다. 따라서 엔진 작동의 점진적인 변화에 적응할 수 있습니다. 공기 필터가 먼지에 의해 막히면 ECU는 이를 보완하기 위해 약간 감소된 연료 분사량으로 엔진 작동을 시작할 수 있습니다. 이를 통해 공장 수준에서 시작하여 각 여정에서 최적의 혼합물을 향해 작업하는 대신 엔진 시동부터 최고 효율로 수행할 수 있습니다. 이전 여정에서 Lambda 값을 저장하여 이를 수행합니다. 이러한 적응은 차단된 공기 필터뿐만 아니라 엔진이나 변속기의 많은 시스템에 적용됩니다. 유압 시스템의 구성 요소가 마모되면 이를 보상하기 위해 솔레노이드 활성화 타이밍을 변경해야 합니다. 마찬가지로 엔진이 전체적으로 마모됨에 따라 공기 펌프가 될 수 있는 능력이 약간 저하되고 정확한 공회전 속도를 유지하기 위해 스로틀 플랩의 개방 각도를 변경해야 합니다. ECU의 타임 라인 1970 년대 ECU는 기화기의 솔레노이드 몇 개를 제어하여 더 효과적으로 작동하기 시작했습니다. 일부는 유휴 속도로 혼합물을 제어하기 시작했습니다. 1980 년대 연료 분사의 도입으로 ECU는 가솔린 엔진의 연료 및 점화 관리를 완전히 책임지는 새로운 역할을 맡았습니다. 폐쇄 루프 Lambda 제어가 곧 포함되었고 ECU는 엔진 효율성의 새로운 시대를 빠르게 시작했습니다. 1990 년대 ECU는 차량 보안을 처리하고 있었습니다. 또한 향후 20 년 동안 터보 디젤 엔진의 성공에 큰 역할을 한 디젤 엔진에도 등장하기 시작했습니다. 2000 년대 Drive-by-Wire 스로틀 제어, 터보 차저 제어 및 수많은 배기 시스템의 채택은 모두 ECU의 엄격한 제어 하에 있습니다. 2010 년대 이후 ECU는 이제 혼합물의 연소, 스로틀 개방, 냉각 시스템 및 배기 시스템을 완전히 제어합니다. 100 개 이상의 입력 및 출력을 가질 수 있으며 차량 내에 있는 수십 개의 다른 전자 제어 장치 네트워크의 일부입니다. 하이브리드 시스템은 ECU와의 통신에 의존하여 작동하는 반면, Driving Assistance 기능은 필요한 경우 엔진 수요를 제어하기 위해 통신합니다.