따뜻한 우체부

외부 충격으로부터 운전자와 동승자를 보호하기 위해 작동되는 에어백의 연속사진

어드밴스드 에어백 시스템

에어백은 자동차가 충돌하는 상황에서 탑승자의 신체부상, 나아가 생명을 보호하는 목적으로 만들어진 장치다. 특히 에어백이 숨어있는 곳은 충돌시 인체와 가장 밀접한 스티어링 휠, 인스투르먼트 패널, 도어, 필러 등과 같은 부분이다. 지난 70년대부터 장착하기 시작은 에어백은 이제 국산 중형차에는 기본 사양이 될 만큼 보편적인 안전시스템으로 자리 잡았다. 나날이 진보한 기술로 인해 다양한 에어백이 선보이고 있는데, 그 종류와 차량이 충돌시 어떻게 탑승자를 보호하는지 알아보자.

요즘 웬만한 고급차들은 차안에 풍선 몇 개씩은 갖고 다닌다. 바로 승객의 생명을 보호하는 에어백이다. 70년대 처음 소개된 에어백은 미국에서는 모든 자동차에 의무화되어 있을 정도로 자동차 안전에 있어 중요한 역할을 담당하고 있는 장치 가운데 하나가 되었다. 더욱이 최근에는 운전자의 체형과 자세를 감지하고 충돌상황에서 최적으로 대처할 수 있는 지능적인 에어백까지 등장하고 있다.

1950년대 중반에 시트벨트(Safety Belt, Seat Belt)가 차량에 장착되면서 자동차 충돌사고로부터 많은 생명을 구하고 상해를 경감시키는 역할을 담당해 왔다. 초기의 2점식 시트벨트를 착용한 운전자가 충돌시 머리와 가슴이 스티어링 휠에 부딪혀 사망하는 등 피해가 발생하는 것을 방지하기 위해 시트벨트는 3점식으로 바뀌면서 이를 보조하는 수단으로 등장한 것이 정면충돌용 SRS(Supplemental Restraint System) 에어백이다. 실제로 시트벨트와 에어백이 부담하는 충격량은 거의 반반이라고 한다.

지난 70년대부터 자동차에 탑재되기 시작한 에어백은 처음에는 장착률이 저조하다가 80년대에 들어서면서 메르세데스 벤츠, BMW, 볼보 등이 경쟁적으로 채택하면서 활성화되었다. 미국에서는 94년부터 30마일의 고정벽 정면충돌에서 시트벨트를 장착하지 않은 경우에도 요구되는 상해치를 만족하도록 에어백의 의무장착을 법규로 제정했다.

참고로 에어백은 시트벨트의 장착하지 않는 탑승자를 고려한 대형 에어백과 3점식 벨트의 장착을 전제로 한 SRS 에어백 시스템의 2종류로 나눌 수 있다. 또 에어백을 부풀게하는 방식에는 충돌시 센서가 전기적으로 감지해 인플레이터에 통전·착화하는 전기식과 감지장치가 충돌을 검지하고 격침이 점화제를 발화시키는 기계식이 있다.

최근 미국에 수출하는 자동차는 물론 다른 지역에서 판매하는 모든 승용차 및 다목적차의 운전석에는 기본으로 에어백이 들어가며, 조수석에도 에어백을 장착하는 추세다. 측면 충돌시 승객의 상해를 줄이기 위한 측면충돌용 에어백은 90년대 초반 가슴을 보호하는 가슴 에어백(Thorax Airbag)부터 시작하여 머리와 가슴 에어백(Head and Thorax Airbag)으로 발전했고, 측면충돌 및 전복사고에서 머리를 보호하는 튜브형 에어백과 커튼형 에어백까지 다양하게 전개되고 있다.

충돌사고시 시트벨트와 에어백의 역할에 대해서 많은 연구들이 진행되어 왔으며, 상해를 경감시키는 역할에 대해서 많은 홍보도 이루어져 에어백 장착에 대해 이의를 제기하는 사람은 없을 것이다. 미국에서는 에어백의 의무 장착을 법제화하면서 시트벨트를 착용하지 않는 경우를 기준으로 에어백은 승객보호성능을 평가하도록 하여 상대적으로 압력이 높은 에어백이 차량에 장착되는 시행착오를 거친 바 있다.

미국의 도로교통안전국(NHTSA)의 자료에 의하면 98년부터 2001년 사이에 에어백의 도움으로 목숨을 구한 사람이 6,856명 이나 되고, 저속충돌의 경우 급제동에 의해 승객이나 운전자가 에어백에 가까이 위치한 뒤에 에어백의 급팽창에 의해 목숨을 잃은 사람도 175명이나 되었다. 이를 보완하기 위하여 에어백 법규가 수정 보완되어 압력 저감형 에어백(Depowered Airbag)이 한시적으로 97년부터 적용되고 있으며, 에어백에 의한 사망자 수는 급속히 감소하고 있다. 그러나 압력 저감형 에어백은 시트벨트를 착용하지 않은 경우에는 효과가 충분하지 못하여 장기적으로 어드밴스드 에어백이 필요하고 미국에서는 올해 9월부터 의무장착 하도록 법제화했다.

어드밴스드 에어백 신법규에서는 승객의 상해 평가를 50% 성인 더미 뿐 아니라 5% 여성 및 유아 더미에서도 실시하여야 하고 기존의 머리, 가슴, 무릎상해에 더하여 목상해도 평가하도록 했다. 충돌조건도 고정벽에 수직이거나 30도 좌 우사면 충돌에 변형이 되는 알루미늄 허니컴으로 만들어진 벽(Deformable Barrier)에 40% 옵셋되어 충돌하는 조건이 추가됐다. 충돌속도도 20, 25, 30mph 등으로 다양한 동적 조건이 적용된다. 정적인 조건은 5% 여성 더미, 3세, 6세의 어린이 더미와 후향 유아용 보조시트 1세 더미(Rear Facing Child Safety Seat)에 대해서 에어백이 전개되지 않거나 전개될 경우에는 요구되는 상해치를 만족해야 한다.

어드밴스드 에어백은 충돌의 세기 정도, 탑승자의 몸무게, 시트벨트의 착용 여부, 시트의 위치 등에 따라 에어백의 전개여부와 팽창압력을 결정하여 승객의 상해를 최소화하도록 전개된다. 이를 위하여 기존 부품의 성능이 향상되거나 여러 가지 새로운 부품들이 추가됐다.

정면충돌센서(FIS, Frontal Impact Sensor)
어드밴스드 에어백 시스템에서는 고정벽에 전면충돌하는 충돌모드 뿐 아니라 앞서 언급한 것과 같이 변형벽에 옵셋충돌하는 경우에도 충돌을 조기에 감지하여 에어백이 조기에 전개될 수 있도록 센서를 감지해 ACU(Airbag Control Uint)에 신호를 전달한다.

승원감지센서(Occupant Classification Sensor)
조수석의 시트에 장착하여 승객의 탑승 유무와 승객에 체중을 감지한다. 광학적인 방법으로 승원을 감지하는 방법과 시트의 쿠션에 장착되어 체중을 감지하는 방법이 있다. 체중감지 방법을 채택하는 경우에는 유아용 보조시트의 구별이 중요하다.

시트위치센서(Seat Track Position Sensor)
승객이 에어백과 가까이 있는지를 감지하여 급접하여 있는 경우에는 에어백의 작동 압력을 낮게 조절하여 상해를 줄인다.

시트벨트 버클 센서(Seat Belt Buckle Sensor)
시트벨트의 착용 여부를 감지하여 에어백의 압력을 조절하게 한다.

ACU(Airbag Control Unit)
여러 가지 센서로부터 들어오는 신호를 분석하여 충돌 세기의 정도, 시트벨트의 착용 여부, 시트의 위치, 승원의 크기(무게)에 따라 최적의 승원구속장치를 판단하는 프로그램(Algorithm)이 내장되어 있고, 여러개의 에어백과 시트벨트를 작동시킬 수 있는 점화회로를 갖고 있다.

프리텐셔너(Pre-tensioner)
충돌시 조기에 시트벨트를 되감아 승원의 구속력을 증대시켜 주는 장치로, 벨트에 작용하는 하중이 어느 수준을 넘어가지 않도록 하는 로드 리미터(Load Limiter)와 한 조를 이루는 구조가 보통이다.

운전석 및 조수석의 2중 인플레이터(Dual Staged Inflator)
에어백 모듈(Module)의 가스발생기(Inflator)가 2중으로 되어 있어, 충돌 세기의 정도, 시트벨트의 착용여부, 시트의 위치, 승원의 크기(무게) 등에 맞춰 점화가 조절된다. 두 인플레이터의 압력 배분과 점화시간의 설정 등이 중요한 설계인자이다. 어드밴스드 에어백 시스템에서는 프리텐셔너가 작동하거나 작동하지 않는 속도의 설정, 에어백이 전개되는 충돌모드와 충돌속도 및 전개되는 경우에도 두 개의 인플레이터의 점화시간을 결정하는 것은 중요하면서도 매우 복잡한 작업이다. 이것들을 결정하기 위하여 충돌모드 및 충돌모드를 다르게 하여 많은 실험을 실시해야 하고 인플레이터 및 구속장치에 따른 상해치의 변화를 검토할 필요가 있다. 어떠한 경우에도 상해치가 규정치를 넘지 않도록 설계인자를 결정해야 하는데, 설계인자가 다양하고 이에 따른 경우의 수도 많아서, 기본적인 실험결과를 바탕으로 CAE를 이용한 충돌실험 횟수를 줄이는 노력이 요구된다.

글.그림 : 모터매거진

자동차의 동력원인 내연기관에는 크게 가솔린과 디젤 엔진 두 가지가 주류를 이루고 있다. 두 엔진 모두 장단점이 있어 한 마디로 어느쪽이 더 우수하다고는 할 수 없다. 바로 이 두 엔진의 장점만을 취한 이상적인 내연기관이 HCCI다. 이미 스페셜 이슈난을 통해 한번 소개한 바 있는 HCCI의 현재에 대해 살펴 보자.

HCCI는 Homogeneous Charge Compression Ignition의 약자로 번역하자면 예혼합압축자기착화 방식을 응용한 엔진이라고 할 수 있는 신기술이다.
다임러크라이슬러의 메르세데스 벤츠 엔지니어들은 이 엔진에 대해 ‘디조토(Disauto)’라는 별칭을 부여했다. HCCI 방식이 디젤엔진과 가솔린 엔진(오토 사이클)의 사이의 연소방식인 것을 표현하고 있는 것이다. 폭스바겐의 연구 부문에서는 CCS(Complex 복합 연소방식)라고 실용적인 용어를 사용하고 있다.

메이커마다의 이름이 있는 것은 연구가 왕성하게 이루어지고 있는 기술이라고 하는 증거이기도 하다. 혼다와 BMW 등 내연기관에 대해 높은 기술력을 보유하고 있는 메이커들도 연구를 진행하고 있으며 GM은 스탠포드대학과 보쉬와 공동으로 개발하고 있으며 2007년에 자동차에 탑재를 목표로 하고 있다.

HCCI는 ‘균일예혼합압축연소’라고도 번역할 수 있는데 간단하게 말하면 점화 플러그가 없이 사전에 연료와 공기를 균일하게 혼합해 연소실로 보내는 것이 특징이다. 연료에는 가솔린과 경유 외 그 중간의 성질을 가진 합성연료의 응용도 연구되고 있다. 어느쪽이든 연비와 환경성능을 양립할 수 있는 차세대 엔진을 목표로하고 있다는 점에서는 다르지 않다.

우선 연료로 가솔린을 사용하는 경우를 예를 들면 점화 플러그에 의해 착화하는 일반적인 가솔린엔진과 달리 디젤 엔진 처럼 압축비를 높임으로써 점화플러그 없이 자기착화시킨다. 압축비가 높아지면 실린더 내부의 에너지를 효율 좋게 활용할 수 있기 때문에 고출력과 연비의 개선이 기대되는 것이다.
경유를 사용하는 경우에도 HCCI의 장점은 있다. 점화 플러그가 없는 것은 보통의 디젤엔진과 같지만 균일 예혼합에 의해 부분적으로 연료를 희박한=연소온도가 높은= NOx가 발생하는 것을 막고 배출가스를 저감할 수 있기 때문이다.

HCCI방식의 이론은 오래되어 1970년대에는 엔지니어들 사이에 이상의 내연기관이라고 불리어져 다양한 연구가 진행되었었다. 하지만 실제의 엔진에서 HCCI방식의 연수를 성립시키는 것은 생각보다 어려웠다.
연구실 수준, 즉 일정 조건하에서 목표로 하는 이상적인 HCCI방식의 연소를 실현하는 것은 상당히 초기의 단계에서 달성되어 있었다. 그런데 실제로 자동차에 탑재하게 되면 당연히 저회전역에서 고회전역까지 일정하게 진행이 되지 않고 엔진이 회전하지 않는 현상이 발생했다.

이 문제를 해결하기 위해 엔지니어들은 엔진 내의 마이크로 연소상태를 상세히 관찰, 제어하는데 힘을 들여 조금씩 이상적인 연소영역을 넓혀왔다. 착화의 타이밍, 관내 온도와 연료분사조건, 밸브 타이밍 등 세밀하게 세팅해 축적된 정보를 피드백하는 고도의 전자기술이 빠지지 않았다.
그렇게 해서 근래 들어 센서 기술과 전송속도가 높아짐으로써 HCCI는 급속히 실용가능한 단계의 기술로 부각하게 된 것이라고 할 수 있다.

유럽 메이커들은 디젤엔진측에서 HCCI방식에 가까운 연구를 하고 있는 한편 일본 메이커들은 가솔린을 사용한 HCCI엔진을 실현하고자 하고 있다.
HCCI의 설명에 들어가기 전 린 번, 직접분사라고 하는 저연비 가솔린 엔진의 기술을 먼저 살펴 보면 이해가 쉬울 것 같다.

'내연기관의 긴 역사 중에는 출력을 내기 쉬운 이론 공연비(14.7 :1)로 가솔린을 연소시켜왔다. 하지만 연비를 높이기 위해서는 보다 희박한 연료를 연소시키는 기술, 즉 린번(희박연소)가 생겨났다. 피스톤 내의 공기의 흐름을 살려 작은 와류를 만들어 줌으로써 대량의 공기로 희박해진(공연비 20~15) 연료를 빨리 연소시키는데 성공했다.
연비 향상을 위한 기술의 다음 단계는 1996년에 일본 미쓰비시가 시판한 직접분사 가솔린엔진이다. 연료와 공기의 비율을 보면 린번보다 더욱 희박(36.5)하다. 사실은 이것은 점화 플러그의 주변에만 이상적인 혼합기를 모아 연소시키는 것이다. 특히 시내 도로 등에서 하프 스로틀로 달리는 것 같은 상황에서 연비를 향상시키는 것이 가능하다.

‘HCCI는 디젤엔진이 플러그없이 자기착화하는 현상과 가솔린엔진의 노킹과 같은 현상을 엔진 중에서 균일하게 만들어 준다고 하는 기술이다. 그래도 만약 노킹을 무리하게 일으키게 하면 엄청난 압력과 열이 순간적으로 발생해 엔진이 손상되고 만다.’라고 HCCI방식의 어려움을 엔지니어들은 설명하고 있다.

단지 HCCI방식의 엔진을 회전시키는 것만이라면 디젤 수준의 압축비로 극히 희박한 연료를 연소시키는 것은 가능하다. 하지만 거기에는 극히 좁은 영역에서밖에 안정적으로 회전시킬 수가 없다. 역으로 잘 제어가 되면 점화 플러그를 사용한 보통의 가솔린엔진보다 높은 출력을 기대할 수 있다.