산소센서 히터 작동 전원 파형 보기

1. 고장 내용

고장내용

산소센서 히터

1. 산소센서 히터의 전원이 끊어져 있음

고장원인

1.1 전원 공급선의 단락
1.2 ECU에서 듀티 콘트롤 하는 선이 단락
1.3 산소센서 히터가 불량

수리방법

1.1 전원 공급선 (메인릴레이 후단 12볼트선)의 수리
1.2 ECU에서 듀티 콘트롤 하는 선의 수리
1.3 산소센서 교환

엔진 현상

엔진에는 특별한 이상이 없으며, 다만 산소센서의 활성화가 늦어 피이드백이 될 때 연료가 많이 공급되어 과농한 현상이 보일 수 있다.

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2. 산소센서 히터가 항상 100%로 작동함

고장원인

2.1 ECU에서 듀티 콘트롤 하는 선이 그라운드와 접지
2.2 산소센서 히터가 불량

수리방법

2.1 ECU에서 듀티 콘트롤 하는 선의 개선
2.2 산소센서 교환

엔진 현상

엔진에는 특별한 이상이 없으며, 냉간 시 시동을 걸고 나서 산소센서가 급격히 가열되면서 크랙이 발생할 염려가 있으며, 높은 회전수와 많은 흡입공기량 조건에서 산소센서가 과열에 의한 열 손상이 나올 수 있다.

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2. 현장 사례

< 사례 1 > 산소센서의 듀 포인트에 의한 크랙 발생
차량 : B사 산소센서 제품이 장착된 차량
현상 설명 : 가을이나 봄이 되면 산소센서 크랙이 다량 발생
파형 보기 : 산소센서 시그널이 나오지 않음.

설명 : 외기온이 약 10℃정도가 되면, 배기파이프 내에 수증기가 가장 많이 생성된다. 이 수증기가 산소센서 주위에 많이 젖어 있는데, 산소센서를 급격히 가열하면서 산소센서 팁 부분이 크랙이 발생한 것임. 즉 듀 포인트에 대한 히터 가열 속도를 조절하지 못함.
응용 확대 : 처음 시동을 걸 때 산소센서를 듀 포인트(수증기가 없어지는 온도)를 지난 다음에 가열하며, 주행 시 배기가스 온도가 약 700℃ 넘는 영역은 산소센서 히터 작동을 중지하여 과도하게 산소센서 팀 부분을 가열하는 일이 없도록 한다. 그러므로 만약 히터 없는 산소센서를 히터 있는 것으로 바꾸어 줄 때는 듀 포인트와 과열에 의한 문제점이 있다는 것을 인식하고 고객에게 이를 미리 설명하는 것이 좋다.

3. 부품 위치



< 그림 : 산소센서 히터 없는 것(좌)/있는 것(우) >

4. 확인 방법

고장확인 - 산소센서 히터

고장을 확인 하는 방법과 진단을 설명합니다.

준비내용

1. 오실로 스코프 ( 멀티메터는 가응한 사용하지 않도록 한다)
2. 캐니스터 배선도
3. 스캐너

1. 배선도를 참조하여 작동(밧데리 전원) 선, 작동 접지(ECU에서 접지 해주는 )선을 찾아 연결한다.
2. 오실로 스코프를 연결한 상태에서 전압이 어떻게 나오는가를 본다.
3. ECU에서 접지 하지 않고 외부에서 접지 하는 경우가 있다. : 배선도 참조

< 참 고 >
멀티메터를 연결한 경우에는 산소센서 히터를 듀티 방식(ON/OFF로 반복)으로 작동 시키는 경우에는 작동 상태를 정확히 계측하기 어려우므로 멀티메터를 사용하지 않도록 한다.

비교방법 : 시그널을 측정 후
정상 측정값과 비교한다.
(1) 정상 측정값에서 나온 주파수와 열림량(전원이 0볼트 일 때의 비율)을 비교한다.
(2) 가능한 스캐너를 같이 연결하여 캐니스터의 작동 상태를 같이 보는 것이 좋다.

< 확인 내용 >
1) 주파수가 맞는가.
(2) 작동 중인데도 산소센서의 활성화가 너무 느린가 : 50초 이상
(3) 작동 전원선/접지선에 단락이 있는가.


5. 파형 분석

산소센서 히터 작동 전원


산소센서 가열에 따른 산소센서 시그널의 경향 (질코니아)

6. 일반 소개

산소센서는 팁 부분의 온도가 약 370℃ 이상이 되어야 농후/희박에 따른 시그널의 전압이 나오기 시작한다. 이러한 농후/희박을 판정할 수 있을 정도로 시그널이 나오는 시점을 활성화(Light off)이라 한다. 그런데 요즈음 나오는 차량의 배기가스 온도는 공회전에서 약 270∼320℃정도로 공회전에서는 배기가스 온도 자체 만으로 활성화가 어려워 산소센서 히터를 장착하여 산소센서 팁 부분을 가열하게 한 것이다.

< 산소센서 히터 회로도 질코니아(좌)/티타니아(우) >

그런데 산소센서는 배기 파이프 속에 설치 되어 냉간 시에 팁 부분이 수증기에 젖을 수 있으며 이 상태에서 팁 부분을 급격히 가열하면 크랙의 위험이 있어 산소센서 히터의 작동은 이러한 조건 (통 -5∼25℃ 부근)에서는 수증기가 전부 날라간 다음(듀 포인트:Dew point를 지난 다음)에 가열하게 끔 한다. 또한 가속 페달을 많이 밟고(흡입 공기량이 많은 상태), 높은 회전수를 유지하면 배기가스 자체의 온도가 높기 때문에 (약 750℃ 이상) 이상태에서 팁 부분을 가열하면 과도한 온도에 의하여 산소센서 부위의 열 손상이 있을 수 있으므로 이러한 고온이 되는 조건에서는 히터 작동을 하지 않는다.
그러나 일부 차종에 있어, ON/OFF타입이 있는데, 이러한 경우는 반드시 듀 포인트에 의한 크랙이나 과도한 열에 의한 손상의 염려는 있으나 적용한다고 보아야 한다.
< 참고 >
산소센서의 위치가 배기 파이프 수직 계통에 있는 경우 듀 포인트가 안 나오는 경우가 있으며, 실제 언더 바디에 있는 경우 듀 포인트가 확연히 나타난다.

7. 원리(알고리즘) 소개

산소센서 히터가 고장이 나는 경우, 차량 자체에 직접 영향을 주는 경우는 없다. 다만 산소센서의 활성화가 늦어져서 산소센서 피이드 백 할 때 시그널이 낮아 ECU는 희박하다고 판정하여 연료를 더 많이 공급하는 현상이 생길 것이다.

실제 산소센서 히터가 장착된 차량은 산소센서 피이드백하는 조건이 간단하고 빠르게 되어 있어 산소센서 히터가 고장이 나면 얼마든지 "희박하다고 판정하여 과농한 연료를 공급하는 상태"가 예상된다.

산소센서 히터의 고장에 대해서는 다른 모든 출력 계통의 진단과 같다. 즉 ECU내부에서 출력을 작동시킬 때 전류(또는 저항)변화가 어느 이하가 되거나 이상이 되면, 고장으로 판단하는 것으로 처음 시동 키를 ON위치에 놓으면 약 1초 동안 모든 출력 계통의 진단을 한다. 그리고 엔진의 시동이 걸리면, 출력 계통의 작동 조건에서 고장 상태를 확인한다. 시동이 걸리고 나서의 출력계통의 고장의 진단은 출력 계통을 작동 시켜야 하는 조건이 되어야 만 하게 된다.

산소센서 히터 작동에서 가장 중요시 여기는 것 중에 한가지가 듀 포인트(Dew Point)시험이다. 이는 산소센서 팁 부분에 수증기가 전부 증발된 다음에 히터를 가열하기 위함이다. 그러기 위해서 시험을 통하여 듀 포인트가 시동 후 몇 초가 지나야 없어지는가를 시험하는데, "흡기온 온도/냉각수온 온도/흡기온과 냉각수온 차이" 이 세가지를 갖고 히터 가열하는 딜레이를 준다. 통상 산소센서가 언더 바디에 수평 배기 파이프에 설치된 경우 듀 포인트가 뚜렷히 나타나는데, 종종 수직으로 된 배기 파이프에 설치된 경우 나타나지 않은 경우도 있다.



이 산소센서 히터 작동 컨트롤은 가능한 100%로 빨리 가열하는 것이 주목적으로 듀 포인트를 확실히 알면 바로 100%로 가열하게 하는 경우도 있다.
그 외로 산소센서 히터는 배기가스 온도가 특별히 높은 영역 (높은 회전수에 흡입공기량이 많은 영역)에서는 과열에 의한 산소센서 팁 부분의 열 손상이 염려되므로, 히터 작동을 중지한다. 이러한 내용은 가능한 차량에서 예상할 수 있는 문제를 고려하여 최대한 문제 없게끔 미리 방비를 하는 것으로 보면 된다.
만약 어떤 차에 ON/OFF타입의 산소센서 히터가 작동되었다면, 그리고 이 히터가 시동을 걸자 마자 바로 ON이 되고 시동 후에는 항상 ON이 되어 있다면 듀 포인트이나 과열에 의한 산소센서 팁 부분의 손상을 염려하지 않을 수 없다.

 

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