[자동차 이야기(57)] 가을 자동차

이제 아침저녁으로 불어오는 선선한 바람이 가을이 깊어 가고 있음을 느낄 수 있습니다. 이번 가을은 유난히 청명하고 상쾌하게 느껴지는데요, 올해 초부터 전 세계를 휩쓸고 있는 코로나 사태로 모든 사람들이 피로도 증가와 심리적 위축으로 많이 지쳐 있는 상태에서 상대적으로 가을이 주는 신선한 느낌의 날씨변화가 조금이나마 위로가 되었으면 좋겠습니다.

우리의 고유 명절중 가장 풍성한 추석명절 구독자 여러분들은 모두 잘들 보내셨는지요?
코로나 사태로 가족친지 들과 함께하지는 못하더라도 모두 건강하고 따뜻한 정을 나누는 시간이 되었기를 바랍니다.

네, 정답은 잘 아시겠지만 자동차는 계절에 민감하게 반응을 합니다. 정확하게 말씀드리면 온도에 영향을 많이 받습니다. 우리나라의 사계절 중 자동차에 가장 적합한 계절은 가을입니다. 자동차는 여러 가지의 소재를 사용하여 제조됩니다. 자동차에 사용되는 여러 소재들은 철 소재를 기본으로 알루미늄, 구리, 니켈, 아연, 유리, 플라스틱, 탄소섬유 등, 차의 부품 특성마다 알맞은 소재를 사용하여 각종 형태로 제조되며, 이런 여러 가지 부품들이 모여 자동차의 조립이 완료되는 것입니다. 부품 제조에 쓰인 소재들은 온도 변화에 따라 수축과 팽창을 반복합니다. 자동차 제조사들은 이런 변화까지 감안하여 제조하지만, 이러한 변화는 결과적으로 자동차 운행에 영향을 끼칠 수 있기 때문에 계절별로 알맞은 차량관리는 필수적입니다. 다음은 자동차에 사용 되고 있는 온도센서들에 대하여 알아보도록 하겠습니다.
온도센서는 온도 측정방법과 온도 검출범위에 따른 구분이 있습니다. 자동차에 적용되는 온도센서는 주로 부특성써미스터(NTC Negative Temperature Coefficient)를 사용합니다. 부특성써미스터는 검출온도가 300도 이하일 때 주로 사용되며, 2종류 이상의 금속화합물을 이용하여 제작이 됩니다. 이렇게 제작된 센서는 온도에 따라 내부에 전기의 흐름을 방해하는 저항 값이 변하는 특성을 가지게 됩니다. 온도가 낮으면 저항 값이 증가하고, 반대로 온도가 증가하면 저항 값이 감소하면서 전기의 흐름이 온도에 따라 변화하는 특성이 있으며 이와 같은 센서들은 자동차의 여러 부분에 사용됩니다.

자동차를 오래 운전하신 분이라면 한 번쯤 겨울에 시동을 걸고 시간이 좀 지난 후에 운행을 해야 한다는 이야기를 들어 보셨을 겁니다. 맞는 이야기입니다. 차마다 특성이 조금씩 다르긴 하지만 시동 직후 바로 운행을 하면 좋지 않은 첫 번째 이유는 오일의 점도와 각종 기계장치 특성에 따라 윤활이 원활하게 되는 곳들과 그렇지 않은 곳들이 있기 때문입니다.

엔진에 적용된 온도센서들은 크게 냉각수 온도센서, 엔진오일 온도센서, 흡기 온도센서 등, 보통 3개 정도가 엔진하고 연관이 있습니다. 냉각수 온도센서는 엔진의 온도변화에 따라 연료의 분 사량을 달리합니다. 냉각수 온도가 낮은 경우에는 연료 분사 시간을 증가시키고 온도가 상승하면 연료 분사 시간을 감소시키기 때문입니다. 연료 분 사량은 차량의 출력에 직접적으로 영향을 줄 수 있기 때문에 정확한 냉각수의 온도 계측이 필요합니다. 냉각수 온도센서의 신호는 냉각팬 제어에도 사용되는데요, 보통 냉각수 온도가 95도 정도일 때 작동을 하게 됩니다. 기온이 낮은 환경에서 자동차 시동을 걸게 되면 엔진의 회전수가 조금 상승하게 되는데, 이것 또한 온도센서의 신호에 따라 제어되는 현상입니다.

흡기 온도센서는 엔진에 흡입되는 공기의 온도를 측정하여 연료 분 사량 제어 시에 보조적인 신호로 쓰입니다. ECU(Engine Control Unit)는 엔진에 흡입되는 공기의 온도를 측정하여 공기질량 및 밀도에 따른 산소의 유입량을 예측하고 다른 운행조건들에 대한 정보를 종합하여 최적의 연료 분 사량을 계산하여 연료 분사를 하게 됩니다. 흡입공기 온도가 낮은 경우, 산소밀도는 높아지고, 흡입공기 온도가 상승하면 밀도가 낮아져 연료 분사시간을 증가 혹은 감소시키게 됩니다.



엔진오일 온도센서는 온도에 따른 오일의 점도지수가 달라지기 때문에 엔진오일의 온도를 면밀히 측정합니다. 오일의 점도는 오일의 압력을 이용하여 작동되는 CVVT(Continuous Variable Valve Timing), CVVL(Continuous Variable Valve Lift), MAL(Mechanical Auto Lash) 등의 작동에 영향을 미치기 때문에 엔진오일의 온도를 검출하여 온도에 따라 흡배기 밸브장치의 열림시기와 닫힘 시기를 제어하게 됩니다. 이러한 온도센서와 밸브제어장치의 조합은 배기가스 저감과 연비 향상을 목적으로 자동차 연구원들의 부단한 노력이 있었기에 가능한 것입니다.



연료 온도센서는 연료온도에 따라 ECU가 연료의 분 사량과 분사압력을 다르게 하도록 신호를 보내줍니다. 가솔린, 디젤, 그리고 천연가스의 온도에 따라 팽창계수가 다르게 작용을 하기 때문에 온도를 측정하는 것입니다. 연료의 온도에 따라 ECU는 연료 분 사량을 다르게 제어하게 되고 연료의 온도가 일정 온도 이상으로 증가하면 안전을 위해 엔진회전수 상승을 제어하면서 페일을 걸게 됩니다. 이런 경우에는 자동차 운행을 중지하고 안전지역에서 온도가 내려가도록 조치를 취하는 것이 좋습니다. 연료온도센서는 주로 디젤 차량에 장착이 되었으나, 가솔린 차량에도 적용이 되면서 연료 온도의 중요성이 부각되고 있습니다.

배기가스 온도센서는 배기가스의 온도를 측정하여 가솔린 차량의 경우 산원촉매장치의 산화와 환원작동을 활성화 시키는 시점을 앞당기기 위하여 엔진회전수와 연료분사량에 변화를 줍니다. 디젤 차량의 경우 배기가스 온도를 측정하여 PM(PM) 후처리장치 DPF(DPF) CPF(CPF)에 포집되어 있는 매연을 연소시켜 제거하고자 할 때 배기장치의 온도를 약400~600도 까지 상승시키게 되는데 필요한 정보를 수집하는 용도로 사용이 됩니다. 또한 최근 산화질소 저감장치가 있는 차량의 경우 요소수 분사장치가 장착이 되어 있는데 이장치의 경우에 요소수 온도를 측정하여 결빙방지장치의 작동 유무를 결정할 정보를 ECU에 제공하게 됩니다.


최근 출시되는 자동차는 운전의 편리성 때문에 대부분 자동변속기를 탑재하고 있습니다. 자동변속기는 앞서 언급된 밸브제어장치들과 마찬가지로 오일의 온도에 따라 작동상태에 영향을 받는데요, 오일의 점도와 온도의 상관관계, 그리고 유압으로 변속을 하는 메커니즘 때문입니다. 저온 상태인 경우에는 변속단수 패턴을 지연시키면서 오일온도와 엔진 및 변속기 온도를 빠르게 정상작동 온도로 오르도록 유도합니다. 정상온도에 다다르면 변속단수 패턴을 보다 빠르게 제어를 하게 됩니다. 이런 변속기 제어를 통하여 연비절감과 내구성 향상을 이루게 됩니다.


이베퍼레이터는 자동차 냉난방장치의 한 부분입니다. 고압, 중온의 냉매를 팽창밸브를 통하여 이베퍼레이터에 분사하면 냉매가스의 증발잠열 현상이 생기는데 이때 이베퍼레이터의 온도변화를 측정하는 센서가 에어컨 이베퍼레이터 온도센서입니다. 이와 같이 이베퍼레이터의 온도를 바탕으로 에어컨 컨트롤러는 에어컨 컴프레서를 제어하며, 실내온도를 운전자가 설정한 온도로 조절합니다.


고전압 배터리를 사용하는 차량의 고전압 배터리팩에 장착이 되는 센서입니다. 고전압배터리에 장착이 되어 각 쎌의 온도 값을 검출하여 각 쎌의 SOC(State Of Charge)값을 제어하는데, 각 쎌의 온도 변화를 최소화하여 배터리의 내구성과 에너지 저장능력을 증대시키게 됩니다.


자동차 전기공급원인 배터리 온도를 검출하는 센서로 배터리온도를 측정하여 배터리에 SOC (State Of Charge)값이 정상적으로 유지되도록 발전장치의 발전량을 제어하는데 에 쓰입니다.


타이어 온도센서는 자동차의 휠에 장착이 되어있습니다. 타이어 안에 온도와 압력을 측정하는 용도로 장착이 되어있으며 타이어 공기압과 온도를 측정하여 압력과 온도의 변화를 실시간으로 타이어 컨트롤러에 무선으로 전송하고 타이어 압력이 규정 값보다 낮을 경우 경고등 및 텍스트로 운전자에게 알려줍니다. 타이어의 온도는 타이어와 지면 사이의 마찰력과 타이어 수명에 영향을 미치며 공기압력이 낮은 상태로 주행 시 사고의 위험이 증가하여 자동차 제조사에서는 의무적으로 장착을 하도록 하고 있습니다.


자동차 외기온도센서는 차량외부 전면부위에 장착이 되어 있으며, 차량 외부의 온도를 측정, 실내온도와 비교하여 실내온도를 자동으로 조절하는데 사용되거나, 또는 차량의 트립컴퓨터 혹은 클러스터에 표시하는 용도로 사용됩니다. 실내온도센서는 실내 대쉬보드 또는 실내등과 함께 장착이 되며, 에어컨 작동시 실내온도센서와 이베퍼레이터 온도센서의 측정값을 참고로 차량 내부의 온도를 제어합니다.


자동차에 온도센와 유사하지만 온도가 올라가면 저항이증가하고 온도가 내려가면 저항이 감소하는 소재를 이용하여 작동하는 장치도 있습니다.

대표적인 것으로 PTC히터가 있는데 이 시스템은 디젤엔진 차량 특성상 저온에서 시동시 엔진의 온도가 정상온도에 도달하기까지 가솔린 차량에 비해 늦기 때문에 디젤엔진 장착 차량은 실내온도를 높이기 위하여 PTC히터를 작동시키면서 작동을 하는데, 전원이 공급되면 순간적으로 고온의 열이 발생합니다. 이때 특정 온도에 도달하면 자동으로 전원이 차단되어 과열에 의한 손상을 막습니다. 이 시스템은 전기소모량이 높아 ECU가 엔진의 회전속도를 올려 전원 공급을 수요에 맞춰 증가시켜줍니다. PTC히터의 작동원리는 가정에서 쓰는 전기히터와 유사합니다.



이외에도 전자조향장치(MDPS), 하이브리드 모터온도센서, 하이브리드 인버터온도센서, 배기가스 저감장치, 고온에 의한 내부회로 고장 방지를 위한 온도센서 및 온도 보상회로가 차량에 적용됩니다.


이상으로 자동차에 적용된 온도센서들 및 온도센서를 이용한 제어장치들에 대하여 알아 보았습니다. 슬슬 공기가 차가워지는 10월, 자동차도 겨울을 대비하여 준비를 해야 하는데요, 다음번에는 자동차 겨울철 준비요령에 대하여 알아보도록 하겠습니다.

독자 여러분들, 항상 건강 유의하시고 사회적 거리두기 잘 지켜시며 모두들 건강하고 활기차게 깊어가는 가을을 흠뻑 만끽하셨으면 좋겠습니다!


류충효 신한대 기계자동차융합공학과 교수