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연료의 성능을 모니터링하는 MEMS 센서

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글/아담 킴멜(Adam Kimmel), 마우저 일렉트로닉스(Mouser Electronics)

지구의 온도가 상승하고 인구가 증가함에 따라 각 국가들은 연료 효율이나 배기가스 배출 표준에 대한 지침을 마련하기 시작했다. 미국환경보호청(EPA)에 따르면 온실 가스 배출에 있어서 교통수단이 가장 큰 부분을 차지했고(29%), 그 중 경량차가 차지하는 비중은 59%에 달했다.
현 기업평균연비제도(CAFE, Corporate Average Fuel Economy) 표준에서는 2025년까지 모든 업무용 경량 차량의 연료 효율의 평균치가 23km/L(54.5m/g)에 도달하도록 규정하고 있다. 여기서 주목해야할 점은 이 표준치는 전체 경량차에 대한 평균이지 각 경량차의 수준이 해당 연비에 도달하는 것을 요구하지는 않는다는 점이다.
온실 가스 배출을 적극적으로 억제하고 자동차 개발 산업의 비약적 발전을 추진하기 위해 제정된 이 목표치는 두 개 분야의 주문자상표부착생산(OEM) 개발에 있어서 파장을 일으켰다. 한쪽에서는 전기자동차(EV)에 집중 투자를 하는 중이고, 다른 한쪽에서는 배출열회수나 다른 엔진의 향상을 통한 내연기관(ICE) 개선에 주력하고 있다.
전기자동차(EV)와 자율주행차(AV)에 대한 폭발적 반응은 새로운 OEM들의 시장 진입에 속도를 더했다. 하지만, 여전히 EV와 AV의 대량 상용화에는 해결해야할 과제들이 남아있기에 ICE 기술이 발전할 여지는 큰 편이다.
OEM들은 ICE 연료 효율의 점진적 개선에 집중하기 위해 MEMS(미세전자기계시스템) 센서로 눈을 돌렸다.
이 기사에서는 MEMS 센서가 연료 효율 및 가스 배출 개선에 있어서 어떻게 사용되는지 살펴본다.

[그림 1] NOx는 고온에서 연소하는 동안의 반응에 의해 형성된 산소와 질소의 화합물로, 주로 석유, 디젤, 가스 및 유기 물질과 같은 연료의 연소 과정에서 형성된다.

연료 효율 및 배기가스 배출

엔지니어들은 연료 효율을 개선하기 위해 MEMS 센서를 개발하고 있다. 이 센서는 자동 시작/멈춤 기능을 통해 차량이 정지해있는 동안에는 연소 반응을 멈추도록 했다. 이러한 기능은 그간 시내 교통에서 최대 10%까지 더 향상된 면을 보여왔다. 이 말인 즉슨 자동차를 주행하는 장소가 성능에 큰 영향을 미칠 수 있다는 것이다.
MEMS 센서가 연료 효율의 개선에 있어서 제공하는 가장 큰 이점은 배기량/연료 비율을 자동으로 조정한다는 점이다. 이 활용 분야로 인해 ICE 자동차 시장에서 MEMS 센서에 대한 수요가 늘어나고 있다.
MEMS 센서는 엔진에 공기유량을 기록하고 수동으로 공기와 연료의 혼합물을 조정하여 공기와 연료 구성을 질량별로 약 14:1, 화학량론적인 비율에 맞추는 것을 목표로 한다. 유해 배출물의 경우 연료의 완전연소와 반비례하기 때문에 효율적인 연소일수록 자동차에서의 유해 배출물의 배출량은 줄어들게 된다.
엔진 성능 외에도 MEMS 센서는 질소 산화물(NOx) 제어에도 사용된다. MEMS 센서는 온도가 상승함에 따라 농도도 증가하면서 압력을 모니터링하고 제어할 수 있는 유해 배출물인 NOx를 제어할 수 있다(그림 1). 압력과 온도도 직접적인 관련이 있다.
그 결과 압력 센서에서 연소실 온도가 NOx가 형성되는 온도(1371℃)를 초과하는 수치를 읽으면, 압력을 줄이기 위해 엔진에 신호를 보내게 된다. 그리고 공기와 연료의 양을 조절함으로써 연소실의 온도를 원하는 수준으로 낮출 수 있게 된다. NOx는 탄소 사슬을 완전히 연소시키기 위해 많은 공기를 소비하기 때문에 일반적으로 희박한 연료의 혼합물에서 형성된다. 이러한 조건은 남은 공기가 연소실을 가열시킴으로써 연소열에 의한 열 에너지 소비를 방지하게 한다.

결론

엔지니어들은 엔진 상태를 모니터링하고 표시하기 위해 MEMS 센서를 사용하지만, 연료 효율 및 배기 가스 배출을 해결하기 위해 활용 분야를 확대하고 있다. EV가 시장의 수요를 주도하는 동안, 기존의 ICE 기술을 지속적으로 개선하려는 노력은 현 시점에서 MEMS의 혁신을 이끌어가는 중이다.