연료를 적게 소비하면서도 유해 개스 배출을 억제하는 이상적인 자동차는 과연 가능한가. 컴퓨터로 제어되는 엔진의 개발이 그 열쇠가 된다.
연료가 적게 들고 배기개스의 공해도 크지 않은 자동차를 만드는 일은 오래 전부터의 소망이었다. 에너지절약형 자동차와 저공해 자동차의 개념을 합친 이같은 첨단자동차는 그 필요성의 막중함에도 불구하고 쉽사리 개발 할 수가 없었다.
왜냐 하면 자동차, 특히 엔진이 있어서 이 두가지 과제는 서로 상반되는 성질을 가지고 있기 때문이다.
즉, 연료를 적게 소비하는 엔진을 제조하면 유해개스를 많이 배출하고, 유해개스를 적게 배출하는 엔진은 연료소비가 많아지기 때문이다.
그러나 최근 자동차선진국의 기술수준은 난제로만 여겨졌던 이상적인 자동차의 개발을 성공시켰다. 현대산업기술의 총아인 컴퓨터를 자동차에 도입한 것이 바로 성공의 비결이었다. 즉, 컴퓨터에 의한 엔진의 전자제어방법이 그것이다.
이 전자제어장치를 엔진에 최초로 적용한 회사는 미국의 제너럴 모터즈사, 이미 지난 77년에 MISAR(Micro-processed Sensing and Automotive Regulation)라고 하는 컴퓨터제어장치를 부착하여 엔진에 걸리는 부하, 엔진의 회전속도, 엔진냉각수의 온도 증을 감지, 혼합기에 불곷을 튀겨 주는 시기를 엔진의 효율이 가장 좋을 때에 하도록 하는 장치를 부착했었다.
이후 컴퓨터에 의한 엔진의 제어는 매우 정밀·정교하게 개발되었고 현재는 이러한 장치들이 일반적으로 널리 사용되기에 이르렀다.
아뭏든 이제 자동차의 각 부분에 컴퓨터가 다양하게 작용하고 있어 컴퓨터자동차시대가 도래한 셈이다. 여기서는 컴퓨터자동차의 핵심기술인 '컴퓨터가 제어하는 엔진의 연료장치'를 살펴보자.
현재 우리가 일반적으로 사용하고 있는 엔진에 부착된 기화기(Carburettor)의 문제점을 보완하기 위해 이 기화기를 전기적으로 제어하는 전자제어기화기가 바로 그 핵심기술이다(이외에도 기화기를 사용하지 않고 연료를 흡기, 다기관내에 분사하는 연료 분사방식도 있다).
기화기의 작동원리
전자제어기화기란 보통 기화기에 컴퓨터의 신호에 의해 제어되는 몇개의 연료량 조절밸브와 각종의 센서(Sensor) 그리고 이를 통제·제어하는 컴퓨터로 구성돼 있다. 전자제어기화기의 원리를 알기 위해서는 먼저 보통 기화기의 작동과 그 문제점을 이해할 필요가 있다. 그림1과 같이 벤츄리관에 공기를 통과시키면 단면적이 가장 작은 부분에서 압력이 저하된다. 이런 현상을 벤츄리(venturi)효과라고 한다.
이 압력이 저하되는 부분(A)에 연료관을 설치하면 뜨개실의 연료에는 대기압이 작용하고 A부분에는 대기압보다 낮은 압력이 작용하므로 이 압력차에 의해 뜨개실의 연료가 분출, 공기와 혼합된다. 연료와 공기가 혼합된 것을 혼합기라 하는데 연료는 공기와 혼합되어 혼합기가 되어야만 연소가 가능하다. 연료 1g이 완전연소하기 위해서는 공기가 약 14.7g이 필요하다. 이것을 이론혼합비라고 한다.
보통의 기화기는 A부분에 흐르는 공기의 흐름량에 따라 이에 알맞는 양의 연료가 분출되도록 제작됐으나 뜨개실의 유면 높이의 변화, 엔진의 급격한 부하변동, 대기압의 변화, 외기온도의변화, 공기와 연료의 관성 차이 등으로 인해 항상 혼합비가 일정치 못하고 변화하기 마련이다.
한편 이 혼합비는 자동차의 원활한 운행을 하는데 필수적이다. 즉 자동차운행조건에 알맞는 혼합비가 공급되어야만 한다.(별표참조).
이와 같은 변화로 인해 연료소비율이 증가하는 것은 물론이거니와 특히 혼합비가 연소된 후 배출되는 배출개스의 양이 증가하게 된다.
유해개스의 제거방법
최근의 자동차에는 이 배기개스를 정화하는 3원촉매장치(3-way Catalystic Converter)가 장착되어 있다. 3원촉매장치란 연소되어 배출되는 배기개스를 산화와 환원과정을 거치게 하여 무해한 개스로 만드는 장치를 말한다.
원래 촉매란 자신은 변화하지 않으면서 적절한 조건을 유지시켜주면 반응물질이 화학적 작용을 잘 일으키도록 돕는 일종의 반응촉진제를 말한다. 이 배기개스촉매에는 CO, HC를 산화시키는 산화촉매와 NOx를 환원시키는 환원촉매가 있으나 현재는 이두가지 기능을 모두 합친 3원촉매가 사용된다.
3원촉매는 그림 2와 같이 3원촉매 케이스내에 벌집모양의 세라믹 단체를 삽입하였다.
이 벌집 모양의 세라믹 단체 표면에 Pt 등의 귀금속 분말을 코팅한 후 고착시켜 놓았는데 배기개스가 이 벌집 모양의 세라믹 단체를 통과하면 표면의 귀금속이 촉매작용을 하여 CO는 CO₂로 HC는 H₂O와 CO₂로, NOx는 N₂와 H₂O 등의 무해한 개스로 변화시킨다.
이 3원촉매가 유해개스를 무해한 개스로 변화시키는 효율을 정화효율이라 한다. 이 3원촉매의 정화효율은 이론혼합비 부근에서 최대가 되고 그를 전후하여 급격히 정화율이 감소한다. 즉 3원촉매의 정화율을 가장 높게 동작시키려면 기화기는 항상 일정한 혼합비 즉 이론혼합비를 연소실에 공급하여야 하나 일반 기화기는 전술한 바와 같이 혼합비의 변화가 매우 심해서 배기개스 정화장치인 3원촉매장치를 부착하여도 정화율이 나빠지므로 공해물질의 배출억제가 비효율적이 된다.
전자제어기화기의 기능
이와 같은 단점을 보완하여 차량이 어느 조건하에 있어도 항상 일정한 혼합비를 공급하도록 하기 위해서 채택한 장치가 전자제어기화기이다. 이 기화기는 일명 휘드백 기화기(Feed Back Carburettor)라 하며 약호로 FBC장지라고도 한다.
여기서 휘드 백이란 배기개스가 방출되는 배기밸브 앞에 O₂센서를 설치하여 연소개스중의 산소량을 검출한다는 의미이다. 배기개스중의 산소량이 많다는 것은 혼합기속에 연로보다 공기가 많이 있다는 것(혼합비가 희박함)을 의미하고, 산소량이 적다는 것은 혼합기속에 연료가 많다는 것(혼합비가 농후)을 의미한다.
O₂센세는 이렇게 배기개스 중의 O₂량을 측정하여 혼합비가 이론혼합비인가 아닌가를 컴퓨터에 알려준다. 컴퓨터는 이를 기초로 하여 기화기에 설치된 3개의 전자밸브를 열거나 닫아 혼합비를 조정하여 준다.
이 3개의 전자밸브는 뜨개실과 연료분사 노즐 사이에 설치되어 있으며 O₂센서에서 측정한 O₂량을 컴퓨터가 분석한 후 컴퓨터는 이 벨브를 열거나 닫는 개폐진동을(1초에 10회정도)하여 항상 일정한 혼합비(14.7대1)가 되도록 해준다.
즉 혼합비조절 전자밸브(2)는 엔진이 공회전시에는 열리지 않으나 공회전범위(이 범위는 엔진회전속도 센서가 컴퓨터에 알려준다)를 벗어나면 열리게 된다.
만약 O₂센서에서 혼합비가 농후하다는 신호가 오면 이 밸브는 순간적으로 닫힌다. 이로 인해 혼합비는 다시 희박해지고 O₂센서는 혼합비가 희박하다는 신호를 컴퓨터에 보내게 되며, 이 컴퓨터는 다시 밸브를 열어주어 희박한 혼합비를 농후하게 한다.
O₂센서와 컴퓨터 그리고 전자밸브는 이러한 과정을 반복하면서 혼합비를 일정하게 조정하는 것이다. 이렇게 혼합비를 일정하게 조정하는 전자제어기화기야말로 공해없는 연료절약형 자동차를 만드는 중요한 역할을 하는 셈이다.
