지엠대우 신형 중형 세단 ‘토스카’ 엔진 일반사항 및 제어 센서 주요 기능
지엠대우는 중형 세단 ‘토스카(Tosca)’를 개발, 출시했다.
토스카는 첨단 5단 자동변속기와 강력하면서 정숙한 직렬 6기통 L6엔진(2000cc/2500cc)이 최적의 조화를 이뤄 탁월한 성능을 실현했다.
또한 엔진회전수에 따라 흡기를 가변적으로 조절해 주는 가변 흡기 시스템(VIS)은 연료와 공기의 양을 최적화해 출력과 토크를 향상시켜준다.
특히 32비트 ECM이 직접 스로틀보디를 전자 제어해 엔진 성능을 최대화 시켰으며, 엔진 소음 및 진동은 감소되었다
조규호 「지엠대우A&T 부천정비연수원」
지엠대우A&T는 중형차의 새로운 패러다임을 제시할 신형 프리미엄 중형 세단 ‘토스카(Tosca)’를 개발, 출시했다.
토스카는 첨단 5단 자동변속기와 강력하면서 정숙한 직렬 6기통 L6엔진(2000cc/2500cc)이 최적의 조화를 이뤄 탁월한 성능을 실현했다.
토스카의 최첨단 5단 자동변속기는 연비가 탁월하고 변속 충격 없이 부드러우며 고속에서 낮은 rpm 구현으로 보다 정숙한 주행이 가능하다. 또한 운전자가 주행상황에 맞게 자동 및 수동 모드로 변환할 수 있어 운전의 즐거움을 배가시켜 준다. 특히 5단 자동변속기는 힘이 요구되는 오르막길 주행 때 잦은 기어 변속 없이 파워풀한 주행이 가능하며, 내리막길 주행 때 저단 기어를 사용해 엔진 브레이크 효과를 톡톡히 볼 수 있다.
엔진은 직렬 6기통 L6엔진으로, 다른 중형차의 4기통 엔진은 물론 V6 6기통 엔진과 비교해도 진동이 적고 조용하며 파워가 좋다. 최고출력은 L6 2.0모델이 144마력(6,300rpm), L6 2.5모델이 157마력(5,800rpm)이며, 최대토크는 L6 2.0모델이 19.2kg·m(4,600rpm), L6 2.5모델이 24.0kg·m(4,000rpm)이다.
이와 함께 엔진회전수에 따라 흡기를 가변적으로 조절해 주는 가변 흡기 시스템(VIS)은 연료와 공기의 양을 최적화해 출력과 토크를 향상시키며, 32비트 ECM이 직접 스로틀보디를 전자 제어해 엔진 성능을 최대화 시켰으며, 엔진 소음 및 진동은 감소되었다.
또한 토스카는 30만km 연속 구동 테스트를 성공적으로 수행하는 등 뛰어난 내구성을 지닌 L6엔진과 함께 타이밍벨트 교환이 필요 없는 무교환 타이밍 체인 구동 시스템, 교환 주기가 16만km로 반영구적인 이리듐(Iridium) 점화플러그를 적용해 내구성이 뛰어나다.
<토스카 L6 2.0/2.5D 엔진 형상 및 정비제원>
◆ L6 2.0/2.5D 엔진 일반사항 ◆
① L6엔진 특징
기존 매그너스 엔진을 업그레이드해 동급 최강의 폭발적인 파워를 자랑하며, 4,600rpm에서 최대토크(19.2kg.m)가 발생한다. 주행환경에서 많이 사용하는 3,000∼4,000rpm대의 낮은 rpm 구간에서 높은 토크를 발휘하도록 설계된 실용적인 엔진이라 할 수 있다.(그림 1 참조)
② 롤러 로커암(Roller Rocker Arm)형 밸브 구동장치
최적화된 콤팩트한 연소실 및 협각 실린더 헤드(26°)에 따른 연소효율의 극대화를 이루었다. 또한 신개념 ‘롤러 로커암’형 밸브 구동장치를 국내 최초로 적용해 엔진 마찰을 저감시키고 엔진 운동 성능을 향상시켰다.(그림 2 참조)
③ 실린더 블록
세계에서 가장 얇은 보어 간 간격 6mm를 실현한 초소형 엔진으로(그림 3 참조), 세계 최초로 2000cc급 앞바퀴굴림 자동차에 횡치로 얹혀진 직렬 6기통 엔진에 적용되었다.
④ 타이밍 체인
30만km 연속 구동테스트를 성공적으로 수행한 뛰어난 내구성을 가지고 있으며, 타이밍 벨트 교환이 필요없는 무교환 타이밍 체인 구동 시스템이 적용되었다.(그림 4 참조)
⑤ 점화플러그
엔진의 좋은 상태를 유지하려면 양호한 압축압력, 적당한 혼합비, 양호한 불꽃상태 등 조건이 갖추어져야 한다. 이러한 조건을 충족시키는 반영구적으로 사용이 가능한 이리듐 점화플러그가 적용되었다.(그림 5 참조)
◆ 전자제어 엔진 주요 구성부품 ◆
① ECM
토스카에 적용된 32비트 ECM(Electronic Control Module)은(그림 6 참조) 전자제어 연료분사장치 엔진의 가장 핵심적인 구성부품으로 각종 센서 및 각종 스위치로부터 입력정보를 받아 내부 연산 프로그램에 의해 연산을 한 후 각종 솔레노이드, 액츄에이터 등을 제어해 엔진 상태를 최적으로 유지, 연비성능, 배출가스 저감 등의 역할을 한다.
② 산소센서
고체 전해질의 질코니아(ZrO₂) 산소센서로, 배기가스 중 산소가 많은 상태이면(희박) 출력전압은 300mV 이하가 되고, 산소가 상대적으로 적으면(농후) 출력전압은 600mV 이상이 된다. 또한 산소센서 프리히터 부위 내구온도는 860℃이며, 정상 작동온도의 범위는 700℃ 부근으로 설계되어 있다.
산소센서의 응답시간을 단축하기 위한 히터가 내장되어 있으며, 히터는 엔진회전수와 흡입 공기량 등의 조건에 따라 ECM에 의해 PWM제어 된다. 이와 같이 히터의 작동에 의해 산소센서 감지부 온도를 정상 작동온도 범위인 700℃ 부근으로 유지시켜, 배출가스 내 산소량에 따라 정밀응답하며, Upper(상부)/Lower(하부) 산소센서의 역할은 다음과 같다.
- 뱅크1/뱅크2의 Upper(상부) 산소센서 : 혼합비 제어
- 뱅크1/뱅크2의 Lower(하부) 산소센서 : 혼합비 정밀보정, 삼원 촉매장치의 모니터링
L6 2.0 DOHC 엔진은 2개의 산소센서가 설치되어 있고, L6 2.5L DOHC 엔진에는 4개의 산소센서가 적용되어있다.(그림 7 참조) 삼원 촉매기를 기준으로 컨버터 전에 조립되어 있는 산소센서를 Upper(상부) 산소센서, 컨버터 이후에 조립되어 있는 산소센서를 Lower(하부) 산소센서라고 한다.
③ 냉각수 온도 센서
냉각수 온도 센서(CTS: Coolant Temperature Sensor= Engine Coolant Temperature)는 냉각수 통로에 설치되어 냉각수의 온도를 감지하는 역할을 하며, 온도변화에 따른 부특성(NTC: Negative Temperature Coefficient) 저항체이다.(그림 8 참조)
④ 흡입공기 온도 센서
흡입공기 온도 센서(MAT: Manifold Air Temperature Sensor=Intake Air Temperature)는 흡입 매니폴드에 설치되어 흡입공기의 온도를 감지하는 역할을 하며, 온도변화에 따른 부특성(NTC: Negative Temperature Coefficient) 저항체이다.(그림 9 참조)
⑤ 흡입 매니폴드 압력(MAP)센서
흡입 매니폴드 압력센서(MAP: Manifold Absolute Pressure Sensor)는 흡입 매니폴드 내의 공기량을 간접 계측하는 센서로 압력의 변화를 전압으로 변환시켜 ECM에 정보를 제공하는 역할을 한다.(그림 10 참조)
⑥ 흡입 공기량 센서(MAF-Only L6 2.5L DOHC)
흡입 공기량 센서(MAF: Mass Air Flow)는 엔진 내로 유입되는 공기량을 계측하는 역할을 하며, 핫-필름(Hot Film)방식으로 핫-필름(Hot Film)내 2개 저항(Hot/Cold Film) 사이의 공기 유입량에 따라 달라지는 온도의 차이를 일정한 온도로 유지될 수 있도록 공급되는 전류의 변화량에 따라 유입되는 공기량을 직접 계량하는 방식의 센서이다.(그림 11 참조)
ECM은 흡입공기량 센서의 정보를 감지해 ‘기본 연료의 분사량 결정’ 기능을 수행한다.
⑦ 에어컨 압력(ACP)센서
에어컨 압력센서(Air Conditioning Pressure Sensor)는 에어컨 고압라인의 압력을 감지하는 역할을 하며, 센서 내부에는 압전소자로 구성되어 있다.(그림 12 참조)
ECM은 고압라인의 압력을 감지, ‘에어컨 컴프레서 작동 또는 차단 / 전동팬 저속 또는 고속 제어’ 등의 기능을 수행한다.
⑧ 크랭크 포지션 센서
크랭크 포지션 센서(CPS: Crankshaft Position Sensor)는 엔진회전수 및 피스톤의 정확한 위치를 감지하는 역할을 하는 인덕티브 센서이다.(그림 13 참조)
ECM은 CPS 신호를 감지, ‘점화시기 제어 / 연료 분사시기 제어 / 분사량 제어’ 등의 기능을 수행한다.
⑨ 캠 샤프트 포지션 센서
캠 샤프트 포지션 센서(CMP: Camshaft Position Sensor)는 홀(Hall)소자로 작동되는 형식으로 캠 샤프트의 위치를 감지하는 역할을 한다.(그림 14 참조)
ECM은 캠 샤프트 포지션센서로부터 캠 샤프트 위치를 감지, ‘점화시기 제어 / 연료의 분사시기 제어’ 등의 기능을 수행한다.
⑩ 노크센서
노크센서는 압전 소자(Piezo Crystal)로, 실린더 내부의 압력변화 및 연소 온도의 급격한 증가, 내부 화염 등 이상원인으로 하여금 발생하는 이상 진동(노킹)을 감지해 이를 전기적인 신호로 변환해 ECM에 전달하는 역할을 한다.(그림 15 참조)
⑪ 차속도 센서(VSS-Only MT)
차속도 센서(VSS: Vehicle Speed Sensor)는 홀 효과(Hall Effect)를 이용한 센서로 트랜스 액슬의 스피드 미터 드리븐 기어에 조립되어 있다.(그림 16 참조) 차속도 센서에는 내부의 홀 소자를 작동시키기 위한 기본전원이 공급되며, 속도센서의 나머지 두 단자는 차속도에 의해 주기적으로 회로가 단속되어 진다.
⑫ 가속페달 포지션 센서 & ETC
가속페달 포지션 센서(APP: Accelerator Pedal Position Sensor)는 전자제어 스로틀 밸브보디(ETC: Electronic Throttle actuator Control)와 연관성을 가지고 있으며, 유해가스 저감, 연비 향상 및 운전성을 향상시키기 위해 사용된다.
ETC 시스템에서는 가속페달과 스로틀 밸브보디 사이의 기계적인 연결이 필요 없다(가속 케이블 없음).
가속페달 포지션 센서는 APP1과 APP2가 있으며, 1개는 백업용이다. 1개라도 고장이 나면 림프 홈 모드로 변환된다.
전자제어 스로틀(ETC: Electronic Throttle Control) 밸브보디는 ECM이 2개의 APP를 통해 가속페달 위치를 모니터해 이 정보를 다른 센서 입력과 함께 처리해 스로틀 플레이트가 특정 위치에 오도록 명령한다. 스로틀 플레이트는 DC모터에 의해 제어되며, 이를 ‘스로틀 컨트롤 모터’라고 한다.(그림 17 참조)
⑬ 연료펌프
연료펌프 내부에는 릴리프 밸브(Relief Valve)와 체크 밸브(Check Valve)가 내장되어 있으며, 체크 밸브는 엔진이 정지되었을 때 연료라인 내의 잔압을 유지시켜 고온 때 베이퍼 록(Vapor Lock) 현상을 방지해 시동성을 향상 시킨다. 릴리프 밸브는 연료필터의 막힘 등으로 고압이 작용하는 경우 펌프 및 연료라인 등이 파손되는 것을 방지하는 기능을 한다.(그림 18 참조)
연료탱크 내 연료량을 감지하는 연료량 센서의 저항값은 연료량을 의미한다. L6 2.0/2.5 DOHC의 연료탱크 내 연료의 량을 ECM에서 감지하며, 계기판의 연료게이지는 ECM으로부터 신호를 받아 현재의 연료량을 표현한다.
⑭ 연료분사 밸브
연료 인젝터(Injector)는 연료레일과 흡입 매니폴드 사이에 설치되어 있다.(그림 19 참조) 크랭크 포지션 센서(CPS)로부터 전달되는 rpm신호와 피스톤의 위치신호를 ECM이 감지해 인젝터에 분사신호를 보내면 분사밸브 내의 솔레노이드 코일이 자화되어 연료가 분사된다.
연료의 분사량은 밸브포트의 직경, 연료압력, 분사밸브의 개방시간에 의해 결정되며, 분사 밸브의 개방시간은 엔진회전수 및 각종 센서로부터의 정보에 의해 ECM이 결정한다.
⑮ 점화코일(Ignition Coil)
점화코일은 불꽃 방전을 일으킬 수 있는 높은 전압(15,000∼25,000V)을 발생시키는 승압기 기능을 하는 것으로 엔진이 좋은 상태를 유지하려면 양호한 압축압력, 적당한 혼합비, 양호한 불꽃의 3가지 조건이 갖추어져야 한다. 그 중 어느 한 가지만 문제가 있어도 시동불량, 출력부족, 아이들 부조 등 여러 가지 고장의 원인이 된다.
L6 엔진에서는 점화 배선을 거치지 않고 점화플러그에 직접 연결되는 형식(직접 점화방식: Direct Ignition System)으로 점화 불꽃의 누설이나 기타 손실을 줄여주어 점화부분의 고장원인을 원초적으로 제거했다.(그림 20 참조)
· LEGR 밸브
배기가스 재순환장치(LEGR: Linear Exhaust Gas Recirculation)밸브는 실린더 헤드 옆면에 설치되어 있으며(그림 21 참조), ECM에 의해 PWM 제어 방식에 의해 제어되며, 높은 연소온도에 의해 생성되는 질소산화물(NOx)의 배출을 억제하는 기능을 한다. 재순환되는 배출가스의 양은 흡기 매니폴드 진공, 배기압력, 솔레노이드 밸브의 작동 유무에 의해 제어된다.
LEGR밸브의 작동원리는 <그림 21>과 같이 솔레노이드에 가해지는 ECM의 PWM의 신호에 의해 아마츄어가 작동해 LEGR밸브가 열려 배기가스는 재순환된다.
·가변흡기장치(VIM) 및 모니터링 센서
가변흡기장치(VIM: Variable Intake Manifold 또는 VIS: Variable Induction System)의VIM솔레노이드는 플라스틱 흡입 매니폴드에 설치되어 있다. VIM은 엔진 ECM에 의해 작동되어지며, 엔진회전수에 따라 밸브를 열거나 닫음으로써 중/저속에서의 엔진 토크 증대효과를 얻을 수 있다. 이것은 흡입되는 공기의 통로를 VIM를 통해 짧게 또는 길게 함으로써 흡입효율을 증대 시킬 수 있다. 즉, VIM이 닫히면 흡입관이 양분되어 긴 흡입관을 형성하게 되고, 반대로 VIM이 열리면 흡입관이 짧아지게 된다.(그림 22 참조)
또한 VIM 모니터링센서(VIM Monitoring Sensor)는 홀 센서 형식으로 VIM작동이 정상적으로 작동을 하는지를 모니터링 하는 역할을 한다.
·캐니스터 퍼지 솔레노이드 밸브
밸브는 ECM에서 공급되는 PWM 신호에 의해 냉각수 온도, 흡입공기 온도 등에 따라 작동하며, 연료탱크에서 증발되는 가스를 연소실로 공급해 주는 역할을 한다. 캐니스터 퍼지 솔레노이드 밸브가 on 되면, 퍼지 캐니스터 탱크에 저장된 증발가스가 엔진으로 공급된다.(그림 23 참조)