흡입공기량 (MAP) 센서의 파형 분석


1. 고장 내용


1. MAP(매니폴드 에어 프레져)센서의 고장

고장원인

MAP센서의 고장 또는 MAP 배선(시그널선, 접지선, 레퍼런스선)중에 이상이 있음

수리방법

고장확인에 따라 원인을 찾아 수리한다
1.1 MAP센서를 교환한다
1.2 MAP배선을 수정한다

엔진 현상

ECU가 고장이라고 판단하기 전까지는 시동이 걸리지 않으며, ECU가 고장이라고 판단한 후 시동은 걸리나 자주 시동이 꺼지고 가속 중에 울컥 거리는 현상이 발생한다.

파형 보기


참고 : ECU내부 회로에 따라, 시그널 입력선에 풀업저항 및 레퍼런스 전원이 구성되어 있는 경우, 단락이 되었을 때 5볼트 가까이 나올 수 있다.
< 참고 >
흡입 공기량 센서 시그널의 측정은 TPS 시그널과 같이 측정하는 것이 좋으며, 공회전 상태(CTS : Closed throttle state)에서 전개 상태(WOT : Whole open throttle)로 측정하여 가속 페달 열림량에 따라 흡입 공기량 시그널이 가변되는 가를 확인한다.


2. MAP시그널이 항상 높게 (4.8볼트이상) 나온다

고장원인

다음의 고장 중 한가지 이상이 발생
2.1 MAP센서의 불량
2.2 MAP 시그널 선이 전원부(12볼트 또는 5볼트)와 접촉
2.3 MAP 접지 선이 전원부(12볼트 또는 5볼트)와 접촉

수리방법

고장확인에 따라 원인을 찾아 수리한다
2.1 MAP센서를 교환한다
2.2 MAP배선을 수정한다.

엔진 현상

ECU가 고장이라고 판단하기 전까지는 시동이 걸리지 않으며, ECU가 고장이라고 판단한 후 시동은 걸리나 자주 시동이 꺼지고 가속 중에 울컥 거리는 현상이 발생한다.

파형 보기


참고 : ECU내부 회로에 따라, 시그널 입력선에 풀업저항 및 레퍼런스 전원이 구성되어 있는 경우, 단락이 되었을 때 5볼트 가까이 나올 수 있다.

< 참고 >
흡입 공기량 센서 시그널의 측정은 TPS 시그널과 같이 측정하는 것이 좋으며, 공회전 상태(CTS : Closed throttle state)에서 전개 상태(WOT : Whole open throttle)로 측정하여 가속 페달 열림량에 따라 흡입 공기량 시그널이 가변되는 가를 확인한다.


3. MAP시그널이 항상 낮게 (0.2볼트이하) 나온다

고장원인

다음의 고장 중 한가지 이상이 발생
3.1 MAP센서의 불량
3.2 MAP 시그널선의 단락 또는 그라운드와 접지
3.3 MAP 접지선의 단락3.4 MAP센서의 컨넥터 접촉 불량

수리방법

고장확인에 따라 원인을 찾아 수리한다
3.1 MAP센서를 교환한다
3.2 MAP배선을 수정한다.

엔진 현상

ECU가 고장이라고 판단하기 전까지는 시동이 걸리지 않으며, ECU가 고장이라고 판단한 후 시동은 걸리나 자주 시동이 꺼지고 가속 중에 울컥 거리는 현상이 발생한다.

파형 보기


참고 : ECU내부 회로에 따라, 시그널 입력선에 풀업저항 및 레퍼런스 전원이 구성되어 있는 경우, 단락이 되었을 때 5볼트 가까이 나올 수 있다.
< 참고 >
흡입 공기량 센서 시그널의 측정은 TPS 시그널과 같이 측정하는 것이 좋으며, 공회전 상태(CTS : Closed throttle state)에서 전개 상태(WOT : Whole open throttle)로 측정하여 가속 페달 열림량에 따라 흡입 공기량 시그널이 가변되는 가를 확인한다.


4. MAP시그널이 갑자기 급격하게 나온다

고장원인

엔진에서 실화가 발생하였다. 그 요인으로는
4.1 점화계통 점화 불량
4.2 연료 공급 상태 불량 (희박한 상태)

수리방법

요인에 대한 원인을 찾아 수리한다
4.1 점화 계통 확인 및 수리
4.2 연료 공급 계통 / 산소센서 확인 및 수리.

엔진 현상

엔진의 진동이 심하며, 엔진 회전수 변동이 툭 툭 떨어지는 현상이 나온다.

파형 보기



< 참고 >
흡입 공기량 센서 시그널의 측정은 TPS 시그널과 같이 측정하는 것이 좋으며, 공회전 상태(CTS : Closed throttle state)에서 전개 상태(WOT : Whole open throttle)로 측정하여 가속 페달 열림량에 따라 흡입 공기량 시그널이 가변되는 가를 확인한다.


5. MAF(Mass Air Flow)시그널이 서서히 증가한 다음에 그대로 유지한다.

고장원인

엔진회전수가 일정(1200∼1800rpm 영역)에서 가속 페달을 50%이상 밟고 있으면 약 5∼10초 후에 시그널 값이 증가하여 일정히 유지하는 현상이면 "흡입공기 계통의 맥동이 발생한 것임.

수리방법

엔진에 전혀 이상이 없으며, 산소센서 시그널이 정상적으로 피이드 백을 하면서 연료의 공연비 보정량(산소센서 시그널을 보고 연료를 증감하는 양)이 100±20%이내에 있으면 수리할 필요가 없으며, 배기가스에서 연료 냄새가 나거나 검게 나오면 흡기 계통(에어덕트)에 리조네이터를 장착한다.
< 참고 >레조 네이터 : 공기의 맥동을 흡수하는 것으로 빈 통의 입구를 흡입계통(에어덕트) 중간에 연결한다.

엔진 현상

맥동이 발생할 때, ECU에서 맥동감지를 못하는 경우 과다한 연료 공급을 하여 농후한 상태가 되며 심한 경우 가속이 불량이 생기며 연비가 나빠진다.
< 참조 > 자세한 내용은 "현장 사례 2"를 참조한다.

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2. 현장 사례

< 사례 1 >
엔진에서 실화가 나오는 경우
차량 : MAP센서 장착한 차량 (그 중에서 SOHC엔진 차량이 특히 심함 => SOHC차량이 연료가 조금만 희박해도 실화 현상이 잘 발생함)
현상 설명 : 공회전 중에 엔진 회전수가 갑자기 불안(급격히 떨어졌다가 올가는 현상)해지면서 진동이 툭툭 온다. 이 때 MAP센서 시그널이 심하게 튀는 현상(Spike:급격하게 튀어 올랐다가 떨어지는 현상)을 보인다.
원인 :
산소센서 피이드백 하면서 희박 보정(산소센서 전압이 0.5볼트 이상이 나와 ECU에서 연료를 계속 줄이는 것)하면서 순간적으로 과도하게 희박(SOHC엔진은 공연비가 약 15.3이상, DOHC엔진은 공연비가 약 15.7이상 정도)하여 연소실에서 실화가 발생하였다.
파형 보기 :


설명 :
엔진에서 실화가 발생하면 피스톤의 속도가 급격히 저하된다. 그러면 피스톤에 의하여 써지탱크로부터 흡입되는 공기 유량이 급격히 줄어들게 되면, 써지 탱크 내의 압력이 이때 급격히 증가되어, 이 부분의 압력을 측정하는 MAP센서의 시그널 값은 툭 튀듯히 값이 증가하게 된다.
확대 응용 : 써지 탱크 내의 압력 변화는 피스톤의 속도와 관계가 있다. 연료 공급을 하지 않은 상태에서 크랭킹을 할 때 나오는 써지 탱크 내의 압력은 피스톤의 속도와 반비례한다. 즉 피스톤의 속도가 빠르면 압력은 낮게, 느리면 압력이 높게 나오므로 각 기통의 압축비를 유추할 수 있다. 즉 드라이 크랭킹(Dry cranking : 연료 분사를 하지 않고 크랭킹 하는 것)할 때 써지 탱크 내의 압력이 높게 나오면 그 피스톤의 속도는 낮은 것이며 이는 그 기통의 압축비가 높다는 것을 의미하며, 반대로 써지 탱크 내의 압력이 낮으면 피스톤의 속도가 빠른 것으로 그 기통은 압축비가 낮다는 것을 의미한다. 그러므로 드라이 크랭킹에서 나오는 써지 탱크 내의 압력을 보고 각 기통별로 압축비를 상대 비교할 수 있다.

< 사례 2 > 맥동이 발생하는 경우
차량 :
MAF(Mass Air Flow 장착 차량)
현상 설명 : 약 1300∼1800rpm부근에서 가속 페달을 많이 (50% 이상) 밟으면 흡입공기량 센서 값이 급격히 많이 나온다. 이 때 차량에 따라 엔진에 전혀 이상이 없는 경우도 있으면, 일부는 연료가 과다하게 공급되어 배기가스에서 연료 냄새가 많이 나며 특히 울컥거리는 현상(Surege : 전후 방향으로 당기는 현상)이 발생한다.
원인 : 흡입 공기 계통에 맥동이 발생한 것으로 공기의 흐름에 상하운동과 전후 방향의 운동을 하면서 공기가 흐르는데, 전후 방향의 운동을 하면서 센서 부위를 후 방향으로 진동을 하면서 한번 또는 2번 정도 더 거치고 지나게 되어 센서부에서 감지한 유량이 많게 된 것임. 이 때 ECU에서 맥동을 감지한 경우 엔진에 전혀 이상이 없지만 감지를 못하는 경우 시그널이 많이 나오는 만큼 연료를 더 분사하게 되어 연료가 농후하게 공급되는 현상이 발생한 것임.
파형 보기 :


설명 : MAF(Mass Air Flow)센서 장착 차량은 기본적으로 맥동이 있을 것으로 예상을 하여 맥동이 발생하는 영역을 찾아 그 영역은 흡입공기량 시그널을 갖고 연료량을 계산하지 않고 "TPS와 엔진 회전수"로 시험을 통해 공기량 값(시그널 값)을 입력 시켜 놓는다. 그런 다음 맥동 발생 영역에서는 시그널 대신 입력 시킨 값으로 대신 사용한다. 그러나 입력 시킨 값이 항상 정확하지 않을 수 있으며, 일부는 이런 내용을 간과하여 입력시켜 놓지 않은 경우가 있다. MAF센서 자체가 이런 맥동을 고려하여 만들어지며 부품 메이커 마다 차이가 심하며, 특히 B사 제품은 맥동 발생시 최대값(약 4.6볼트 이상)으로 나오기도 한다.
응용 확대 : 흡입 공기량 시그널이 맥동에 의해 시그널이 아주 많이 나와도 엔진에 이상이 없으면, 문제 삼을 필요가 없으며, 이 경우는ECU내부에서는 시그널이 잘못 들어와도 정상 처리하면 문제 발생이 없는 한 예가 된다.

< 사례 3 > MAP센서 시그널 고장 확인
차량 : 뉴 세피아 / 아벨라 1.3L / 프라이드
현상 설명 : 엔진이 시동만 걸면 걸리지마자 바로 시동이 꺼진다. 그래서 MAP시그널을 보니, 시그널 값이 나오질 않는다. MAP센서 시그널 선이 끊어져 있었다. 그런데 스캐너에서는 정상이라고 한다.
원인 : ECU에서 고장 판단을 하지 못했다. 그 이유는 시그널 값 0.1볼트 이하에서 30초 이상 지속되어야 하는데 시동을 걸자 마자 바로 꺼져 30초 라는 시간을 지날 수 없었기 때문이다.
파형보기 : 생략 (항상 0.07볼트가 나옴)

설명 :

알고리즘 상에 위의 표에서 약 1,2초면 이상이 있다고 감지를 하여 약 8초가 지나면 고장이라고 판정이 되지만, 초기 위에 거론된 차량은 30초가 되어야 고장이라고 판정을 하게 되어 있다. 그래서 시동 키를 "ON"위치에 놓고 30초 이상을 지나게 하여야만 ECU에서 고장이라고 판정을 하게 되어있다.

확대 응용 : 스캐너에서 보여주는 고장은 ECU에서 고장 판정을 하여야만 보여진다. 그러므로 ECU에서 고장 판정을 하지 못 하면 결코 스캐너에서 볼 수 없다. 엔진에 이상이 있는데 스캐너에서 이상이 없다고 나오면, ECU가 고장을 판정하지 못한 문제가 잇다고 생각하여 수리에 임해야 한다.

< 사례 4 > 배기저항 증가 시의 문제
차량 : 프린스 2.0L SOHC, 주행거리 : 약 128,000Km
현상 : MAP센서 방식의 차가 서서히 출력이 부족하여 힘이 없어 가속이 안 되다가 어느 날 비가 많이 오는 날 차가 시동이 꺼졌다는 것이다. 그리고 나서 시동이 잘 안 걸리고 겨우 걸려서 보면 산소센서 전압이 매우 농후한 판정을 하고 있다는 것이다.
단 이때 스캐너에서는 어떤 고장 코드도 나오지 않고 정상이라고 한다는 것이다.

추 측 방 향 :
"산소센서가 시동을 걸고 나면 농후한 현상(1볼트 가깝게 시그널이 나옴)을 보인다"에서 농후한 현상을 보일 수 있는 요인을 엔진의 전자 제어 계통으로 생각해 보면,


㉠ 연료 펌프의 압력이 높다.
㉡ 산소 센서의 시그널이 불량이다. 특히 연결 부 단자에 습기가 차 있는 경우 이 습기가 쇼트하는 상황이 되어 산소센서 전압이 1볼트 이상이 나올 수는 충분히 있다.
㉢ 캐니스터 솔레노이드 밸브를 통하여 연료 가스가 과도하게 유입한다.
㉣ 연료량의 학습값이 플러스로 과도하게 진행되어 피이드백 하기 전에는 농후해 질 수 있다.
㉤ PCV밸브를 통해 오일 가스가 과도하게 유입된다.
㉥ 흡입 공기량 시그널이 비 정상적으로 과도하게 나와 연료량 계산을 많이 하게 되어 인젝션 양이 많아진다.
㉦ 냉각수온 센서가 고장으로 림프 홈(Limp home 모드:일명 세이프 모드라고 하며, 대체 값으로 쓰는 것)으로 작동을 하여, 너무 실제 보다 낮은 냉각수온을 받아 들여 냉각수온 연료 보정이 많다.
㉧ 흡기온 센서가 고장으로 림프 홈 모드로 받아들이는 흡기온이 정확하지 않아 공기량 계산 시 오차가 발생하여 연료량이 과다하게 계산된다.
㉨ 하이드로 타핏 사이에 오일 가스 기포가 많이 발생하여 충분히 흡입 밸브를 열어주지 못해 흡입 공기량이 줄어들어 농후한 현상을 보인다.

그 외에도 더 추측되는 요인을 추가할 수 있지만, 이 정도에서 원인을 찾아 보자.

우선 위의 "㉠번"에서 연료 펌프의 압력이 과도하게 높으면, 시동 시에 과도한 연료 분사는 물론 아이들 중에 산소센서가 농후하게 판정을 할 것이다. 그러면 과연 주행 중에 출력이 저하되어 차가 가속이 안 되는 현상이 발생할 수 있을까? 우선 이것에 대해서 연료압력을 바꿔보면서 현상을 본 경험이 없다면 정확히 그렇다라고 답변하기는 힘들지만 "연료가 과다 하니까 출력이 저하될 수 있다"라는 생각은 갖을 수 있다.
참고로 LBT (Leanest Fuel for Best Torque) 시험을 항상 하는데, 이 시험은 가속 페달을 많이 밟아 어느 이상이 되면, 피이드 백을 하지 않고 출력 위주의 연료를 공급한다. 그래서 가장 높은 출력(토오크)을 보이는 연료량(인젝션 시간)을 결정하게 된다.

이것에 대한 결론은 "그렇지 않다"라고 결론을 내리고 싶다. 왜냐하면 참고로 표와 같이 연료가 많으면 엔진 토오크가 조금 주는 경향이 있지만 그 양은 매우 적어 거의 느낄 수 없기 때문이다. 실제로 주행 중 연료를 무척 과도(약 20% 추가)하게 연료를 공급하니 약간 힘이 덜 나온다는 느낌은 들지만 엔진의 거친 소리는 줄어들어 부드러운 느낌이 들었다.
그럼
"㉡번"에서 산소센서가 습기 등의 이유로 쇼트가 되어 농후한 판정을 하였다면, ECU는 농후한 것으로 인식하여 연료를 계속 감해 주었을 것이다. 즉 실제는 연료가 부족하게 되어 출력이 많이 떨어질 수 있다. 보통 산소센서를 ±33% 또는 ±50%를 가감함으로 이로 인해 연료를 줄여 주었다면, 충분히 출력 부족은 예상할 수 있다. 그러나 이것은 산소센서가 피이드 백하는 경우에 발생할 수 있는 것으로 시동에는 관계가 없다. 왜냐하면 시동 중 또는 시동 직후에는 피이드 백을 하지 않고 ECU내의 이미 입력된 값으로 하기 때문이다.
"㉢번"에서 캐니스터에서 연료가스가 과다하게 유입
이 되면, 어떻게 될 것인가? 어느정도 연료가스가 유입이 되는 지는 연료탱크 속의 연료가스 압력에 따라 큰 차이를 보이지만 햇빛 나는 더운 여름에 시동 걸 때 또는 공회전 중에 캐니스터 솔레노이드 밸브가 샌다면 시동을 걸 때 매끄럽지 않게 걸리며 특히 공회전 중에는 시동이 꺼질 정도다. 그러나 주행 중에 출력의 부족은 거의 느낄 수 없을 뿐만 아니라, 약 10분 이상 주행하면 연료가스가 상당부분 엔진을 통해 소모되므로 연료가스 유입은 급격히 줄어든다.
"㉣번"에서 과도한 플러스 방향의 학습은 피이드백 하기전에 연료가 농후한 현상을 보일 수 있고 피이드백하면서 산소센서를 통해 연료 공급을 줄이므로 농후한 현상이 없어지게 된다. 즉 피이드백이 되면서 해결될 수 있으므로 이것에 의한 요인은 아닌 것 같다.

"㉤번"에 대해서 오일가스가 과다하게 유입이 되면서 출력이 많이 감소한다고 예측되지는 않는다. 물론 각 기통 별로 연료가스 유입이 균일하지 않으면서 각 기통별로 공연비가 다르게 되어 폭발력의 차이를 일으키면서 기통간의 진동이 발생하고 엔진소리가 거칠어지는 느낌이 든다. 이때의 특징은 산소센서가 농후한 현상을 보인다기 보다는 산소센서 파형이 많이 깨지듯이 나온다.
결국 엔진이 거친듯한 느낌이 들지 만, 출력의 큰 손실은 예상되지 않으며. 특히 시동이 어렵게 되지는 않는다.

"㉥번"에서 흡입 공기량이 실제 공기보다 많게 시그널을 발생시킨다면, 산소센서 피이드백 전에는 연료가 농후할 것이지만 피이드백 하면 많아지는 만큼 산소센서 연료 보정을 통해 감하게 되므로 이것 또한 아니라고 볼 수 있다. 특히 시동 시(크랭킹 시)는 흡입공기량에 관계없이 연료량을 시동 조건(냉각수온과 트랭킹 시 회전수, 크랭킹한 시간 등)에 의하여 입력값 만큼 열리게 된다.
"㉦번" 냉각수온이 고장이 발생 시 우선 흡기온 센서를 읽는다. 그래서 흡기온이 20도 이하이면 흡기온과 동일하게 20도 이상이면 냉각수온을 20도로 고정을 한다음 매 시간(약 3-5초)당 1도씩 올리고 90도가 도달하면 항상 90도로 읽는다. 이렇게 냉각수온 센서가 고장이 발생하면 쿨링 팬을 항상 돌리게 되는데, 냉각수온 센서가 고장이 발생하면 이 림프 홈에 의하여 임의로 계산한 냉각수온이 너무 낮아서(예 : 실제 냉각수온이 80도 이상인데 20도로 인식한 경우) 시동이 잘 안 걸릴 수 있다. 이유는 냉각수온 보정이 많아 너무 농후한 현상을 보이게 되기 때문이다. 이 냉각수온 고장이 위의 문제에 상당히 유산한 요인으로 요약이 되는데, 과연 주행 시 출력이 부족하여 힘이 없는 것은 어떻게 풀어야 할까?

만약 시동 건 후 처음 주행 시엔 출력이 없어 가속이 안되다가 시간이 지나면서 괜찮아진다면 바로 이 요인으로 결론을 질 수 있지만, 시간이 지나면서 출력이 살아난다는 얘기가 없으므로 이 것은 아닌 것 같다.
그리고 림프홈이 되기 위해선 ECU가 고장이라고 인식을 해야 하는데, 아무런 고장이 나오지 않았다고 하니 이 문제는 아니다.
"㉧번"도 "㉦번"과 같이 고장으로 인식하면 무조건 20도로 인식한다.
<참고> 최근 알고리즘에서는 냉각수온이 약 10도 이하에서는 흡기온을 -5∼5도 정도로 그리고 나머지는 20도로 인식하게 한다.
그러면서 흡기온의 보정이 잘못되어 연료량이 계산이 잘못 될 수 있으나, 이 역시 피이드백이 되면 산소센서 보정을 통해 연료량을 맞추게 되므로 문제가 없어지게 된다. 마지막
"㉨번"을 보면 타핏에 기포가 생기면서 흡입밸브가 충분히 열리지 못해 엔진에 흡입되는 공기가 적어 농후해 지는 현상이 있다. 물론 산소센서 피이드백이 되면 연료량이 맞게 되어 농후한 현상은 사라지지만, 기본적으로 흡입되는 공기가 적어지므로 출력이 적어지게 된다. 그러면 과연 타핏에 오일이 충분히 공급되지 않아 시동이 잘 안 걸릴까? 물론 이것은 타핏 속에 오일이 어느 정도인가에 따라 다르겠지만 처음 타핏을 조립하고 나서 시동을 걸 때 시동이 잘 안 걸리는 것을 경험할 수 있을 것이다.
심하면 시동이 안 걸릴 수 있는 것이고 출력이 많이 줄어드는 것은 당연하기 때문에 이 요인은 상당히 답에 가까울 수 있다.

그런데 여기서 아주 중요한 것이 있다.
타핏의 열림이 제대로 되지 않은 경우에는 피이드백 되고 나서 "산소센서 파형"이 매우 심하게 깨져 있다는 것이다. 이것은 각 기통 별로 공기가 일정하게 들어가지 않기 때문에 각 기통별로 공연비가 차이가 생겨서 그것이 그 대로 산소센서에 나오기 때문이다.
"㉤번에 대한 산소 센서 그림 참조"
결국 이 번에 대한 대답은 아니었지만, 이렇게 "㉨번"과 같이 문제를 찾은 것이 여러 번 있다. 가장 대표적인 것은 밸브 스템에 카본이 고착되어 제대로 닫히지 못해 시동도 잘 안 걸리고 출력이 부족한 현상이 생겼는데, 이스라엘에 수출한 국산차에서는 대량 발생한 문제이기도 하다. 밸브 스템에 카본이 고착되는 것은 연소 후 잔류한 탄소 입자가 많이 남아서 생기는 것인데, 옥탄가를 상승시키는 첨가제를 많이 사용하는 경우 발생한다.
원 인 :
문제의 해답은 엉뚱한 곳에 있었다.
배기 파이프가 막히는 현상 때문이었다. 배기 파이프가 막히니 배기 저항이 커져서 연소실 내에 잔류가스가 증가하고 그리고 MAP값은 증가하여 연료량 계산이 많아진 것이고 그래서 시동 후 농후한 현상이 된 것이며, 아울러 주행 중에 출력이 부족한 현상이 생기게 된 것이다. 한번쯤 경험을 하였다면 금방 알 수 있는 문제지만, 처음 경험하고 전자제어 쪽 만을 생각하다 보면 오히려 요인을 더 못 찾게 하는 한 예이지만, 이런 추측을 통해 알고 있는 지식을 좀더 단단하게 만든다는 것을 알려 주고 싶다.


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