ECM 제어논리(ECU에서 하는일)

[윤박사]

대우자동차 제어장치①

 대우자동차 제어장치 중 ECM 제어논리, 에어컨 차단 제어, 공연비 제어, 산소센서, 피드백 솔레노이드 밸브, TPS, 냉각수 온도센서 등에 대해 알아본다

박병일 【본지 기술자문위원·카123텍 대표】

●ECM(Electronic Control Module) 제어논리(Control Logic)
ECM은 서머스탯 하우징에 설치된 냉각수 온도 센서의 시그널 신호에 따라 제어 영역을 4가지 영역(M1, M2, M3, M4)으로 구분한다.(그림 1 참조)

① M1과 M2 영역
냉각수 온도 스위치가 17℃ 이하인 영역으로 겨울철의 냉각시동 후 워밍업 되는 기간에 적용되며, 주행성 향상을 위해 혼합기를 농후하게 제어하는 영역이다. 이 영역은 엔진 rpm에 관계없이 스로틀 밸브 개도가 25℃ 이하일 때만 적용되며, 이 때는 개회로 상태이다.(그림 2 참조)
② M3 영역
냉각수 온도 스위치가 17℃ 이상, 40℃ 이하를 감지할 때의 영역을 말한다. 이때는 냉각수 온도센서에 감지되는 냉각수 온도에 따라 듀티(%)를 설정해 주는 영역으로 멀티미터로 제어, 듀티(%)를 확인할 수 있다.(그림 3 참조)

③ M4 영역
냉각수 온도 센서가 40℃ 이상을 감지할 때의 영역을 말한다. 이때는 피드백 제어되는 영역으로 아이들 영역, P1 영역, P2 영역, WOT 듀티(%) 제어 영역이 있다.(그림 4 참조)

④ WOT 듀티 제어 영역
WOT 영역에서는 파워(POWER)가 요구되므로 혼합비는 이론공연비보다 농후한 상태로 조절되어야 하는데, 이때는 엔진 rpm에 따라 듀티(%)가 설정된다.(그림 5 참조)
⑤ 가속 제어
M4 영역에서만 적용되는 모드로 가속 때 주행성을 좋게 하기 위해 가속 때 0.5초 동안 듀티 70%로 유지시켜 혼합비를 농후하게 한다.(그림 6 참조)

⑥ 감속 제어
엔진 rpm이 감속되는 시기에 가장 많이 발생되는 배기가스(HC) 수준을 낮추고 연비 향상을 위해 연료차단 또는 듀티(%)를 희박한 쪽으로 고정시키는 기능이 있다.
이것은 공회전 스위치 ON 상태(스로틀 밸브가 닫힌 상태이고 밸브 열림 각도가 3° 이하인 상태)이고 엔진 rpm이 1천750rpm 이하인 경우 연료를 차단하거나 듀티(%)를 희박한 쪽으로 고정시켰다가 엔진 rpm이 1천540rpm 이하인 경우 또는 1천960rpm 이상으로 상승될 때 듀티(%)를 정상적인 상태로 작동시킨다.(그림 7 참조)

⑦ EGR 제어
M4 영역에서만 EGR 솔레노이드 밸브를 OFF시켜 EGR 밸브가 작동되도록 흡입 매니폴드의 진공을 EGR 밸브에 걸리도록 한다. 다만 M4 영역이라 할지라도 산소센서가 작동하지 않을 때에는 EGR 솔레노이드 밸브를 ON시켜 진공회로를 차단한다.(그림 8 참조)
●에어컨 차단 제어
ECM은 에어컨 ON 상태에서 엔진을 시동하거나 가속 때 스로틀 개도가 55° 이상 될 때 아래와 같이 프로그램 된 시간만큼 에어컨 작동을 중지(Cut-off)시킨다.
에어컨 스위치 ON 상태에서 엔진을 시동하면 엔진이 500rpm 이상 되는 시점부터 0.25초 동안 에어컨 릴레이가 OFF된다. 가속 때 8초 미만의 시간동안 스로틀 밸브 개도가 55° 이상 될 때는 ‘8초미만 시간+2초’ 동안 에어컨 릴레이가 OFF된다. 8초 이상의 시간동안 스로틀 밸브 개도가 55° 이상 될 때는 항상 10초 동안 에어컨 릴레이가 OFF된다.

●공연비 제어
ECM(Electronic Control Module)은 엔진 회전수, 스로틀 포지션 센서, 냉각수 온도 센서, 산소센서, 흡입 매니폴드 압력센서 등의 입력신호에 따라 엔진의 운전 상태를 판단해 엔진의 운전영역에서 최적의 공연비가 되도록 믹서에 설치되어 있는 피드백 솔레노이드 밸브를 듀티 제어한다.
엔진 난기 후의 정상적인 주행 영역에서는 산소센서의 신호에 따라 공연비의 피드백 제어를 행하게 해 공연비를 삼원촉매의 정화율이 가장 좋은 이론 공연비 부근으로 제어한다.

① 개회로(OPEN LOOP) 제어
엔진 냉각 상태에서 시동 후 엔진의 정상 온도에 도달하지 못한 상태에서는 LPG 시스템을 ECM 제어에 의해 개회로 모드로 제어한다. 이때 산소 센서의 출력 시그널은 고려되지 않는다. 따라서 개회로 모드에서의 연료제어는 듀티(%) 고정에 의한 제어로 이루어지며 시스템은 피드백 제어되지 않는다.

② 폐회로(CLOSE LOOP) 제어
폐회로 제어는 엔진이 충분히 워밍업 된 후 정상 주행 영역에서는 산소센서 시그널에 따라 공연비(AF=15.7:1)로 피드백 제어되는 영역을 의미한다.
즉, 산소센서는 출력전압이 이론 공연비 부근에서 급변하는 특성을 가지고 있으며 ECM은 산소센서 시그널을 받아 듀티(%) 값을 변화시켜 공연비를 이론 공연비(AF=15.5∼15.7:1) 부근에서 정확하게 제어한다. 산소센서의 출력전압이 희박·농후(Lean/Rich) 판단 기준전압 0.45V 이상이 되면 ECM은 농후하다고 판단해 믹서의 피드백 솔레노이드 밸브의 듀티 값을 감소시킴으로써 공연비를 희박하게 하도록 한다. 이에 따라 연소실 내로 공급되는 혼합기가 희박하게 되면 산소센서에 ECM으로 입력되는 전압은 0.45V 이하의 낮은 전압이 입력되게 되어 ECM은 현재의 연소실 내의 혼합기의 농도는 희박한 것으로 판단해 믹서의 피드백 솔레노이드 밸브의 듀티 값을 증가해 다시 농후하게 한다.

●산소센서(Oxygen Sensor)

·구조 및 작동원리

산소센서(Oxygen Sensor)는 배기 매니폴드에 설치되어 있으며 고체 전해질인 질코니아의 내·외측에 백금 전극이 코팅되어 있어 튜브 내·외측의 산소농도 차에 따라 전압을 발생시킨다.(그림 9 참조)
예열 장치가 설치된 산소센서는 내부에 세라믹 예열기가 내장되어 있어 시동직후 배기가스 온도가 낮을 때에도 공연비 피드백 제어가 가능하다.
산소센서가 정상적으로 작동하기 위해서는 센서의 온도가 약 250∼350℃ 정도가 되어야 한다. 그러므로 시동 후 산소센서가 정상온도가 될 때까지는 산소센서로부터 ECM으로 신호가 입력이 되지 않아 정상적인 피드백이 이루어지지 않게 된다.
자동차의 장시간 주행 때 센서의 프로텍터나 튜브에 카본이 많이 형성되면 높은 전압이 발생된다. 이에 따라 ECM은 이를 혼합기가 농후한 것으로 판단해 연료를 줄이게 되어 희박한 혼합기로 인해 아이들 때 부조 및 출력 부족 현상이 발생하게 된다.(그림 10 참조)

·점검 방법

① 결함코드: 15, 17
다마스/라보, 에스페로, 프린스, 슈퍼살롱, 레간자

② 시그널 전압 측정
엔진을 충분히 워밍업 시킨 후 산소센서 배선과 접지 사이의 전압을 측정한다. 이때 0.1∼0.9V 사이의 변동된 전압이 측정되어야 한다.
만일 0.1∼0.9V 사이의 변동 전압이 측정되지 않으면 아래 도표를 참고해 자동차를 수리한다.(그림 11, 12, 13 참조)
● 피드백 솔레노이드 밸브

·구조 및 작동원리

피드백(Feed Back) 솔레노이드 밸브는 믹서에 설치되어 있으며, ECM은 산소센서의 시그널 값에 따라 피드백 솔레노이드 밸브를 제어해 이론 공연비 영역으로 조정한다.(그림 14 참조)
각 주행 상태에 따른 공연비를 제어해 주므로 삼원 촉매 장치를 통과하는 유해 배기가스의 정화율을 향상시키고, 주행성능 및 연비를 향상시켜준다.
ECM은 피드백 솔레노이드 밸브를 20㎐의 펄스 신호에 따라 ON 또는 OFF시켜 연료공급 모드를 듀티(%)로 제어한다.(그림 15 참조)
피드백 솔레노이드 밸브가 ON되면 바이패스 통로가 개방되어 흡입 매니폴드로 농후한 혼합기가 공급되고, OFF되면 바이패스 통로가 닫혀 흡입 매니폴드로 희박한 혼합기가 공급된다.

☞ 듀티(DUTY) 값 이란?
작동 요소 ON, OFF의 1사이클 중 ON되는 시간율(T2/T1)×100을 표시한다.
듀티(%)가 큰 경우에는 시스템 혼합비가 희박해 많은 양의 연료를 추가로 공급해 주고(5V 이상), 듀티가 작은 경우에는 시스템 혼합비가 농후해 바이패스 되는 연료의 양을 작게 제어(5V 이하)하는 상태이다.(조정 규정 값: 멀티미터 전압 4∼6V, 듀티 40∼60%)

·점검 방법

① 결함코드: 18
다마스/라보, 에스페로, 프린스, 슈퍼살롱, 레간자

② 전압 측정
ECM 배선 커넥터를 분리하고 점화 스위치를 ON 위치로 한 다음 전압계를 피드백 솔레노이드 밸브를 제어하는 ECM 단자와 접지 사이에 전압계를 연결한다. 만일, 규정 전압(규정 값: 12V)이 측정되지 않으면 배선 단선 여부를 점검한다.(그림 16, 17 참조)

③ 저항 측정
피드백 솔레노이드 밸브의 배선 커넥터를 분리해 피드백 솔레노이드 밸브의 1번과 4번 단자 사이의 저항(규정 값: 15∼32Ω, 실측 값: 20Ω)을 측정한다.(그림 18 참조)
④ 피드백 솔레노이드 밸브 작동 점검
배선 커넥터를 분리하고 피드백 솔레노이드 밸브를 떼어낸 다음 밸브 커넥터 1번과 4번 단자에 배터리(+)와 (-) 리드 선을 연결한다. 이때 피드백 솔레노이드 밸브가 작동해 연료통로가 통기되면 정상이다. 반대로 배터리 리드 선을 연결하지 않으면 통기되지 않아야 한다.(그림 19 참조)

●스로틀 포지션 센서(Throttle Position Sensor)

·구조 및 작동원리
스로틀 포지션 센서는 스로틀 밸브의 열림 위치를 감지하는 센서이다.
ECM은 스로틀 포지션 센서로부터 시그널 전압을 받아 LPG 시스템을 제어하는데 사용한다. 스로틀 포지션 센서에는 아이들 스위치가 내장되어 있어 스로틀 밸브의 열림 각도가 3° 이하에서는 접점이 ON되어 ECM에 아이들 상태를 알려주는 역할을 한다.(그림 20, 21, 22, 23 참조)

☞ 스로틀 포지션 센서 조정 방법
① 에어컨 진공 레귤레이터를 풀어 이완시킨다.
② 점화 스위치를 OFF한 상태에서 액셀러레이터 케이블이 연결된 스로틀 레버와 스로틀 밸브 조정 스크루 사이에 시크니스 게이지(게이지 표준치: 0.78±0.02mm)를 삽입한다.(그림 24 참조)
③ 반대편의 스로틀 포지션 센서가 자유롭게 움직이도록 고정 스크루(2개)를 느슨하게 푼다.
④ 스로틀 포지션 센서 커넥터를 분리시키고 멀티미터 저항계를 커넥터 2번과 5번 단자 사이에 설치한다.
⑤ 스로틀 포지션 센서를 좌우로 회전시키면서 저항계를 사용해 아이들 스위치 접점이 도통되는 순간 스로틀 포지션 센서 고정 스크루를 조여 준다.
⑥ 에어컨 진공 레귤레이터를 설치한다.

·점검 방법

① 결함코드: 12
다마스/라보, 에스페로, 프린스, 슈퍼살롱, 레간자

② 저항 측정
스로틀 포지션 센서 커넥터를 분리해 센서 터미널 단자에 저항계를 설치한다.(그림 25 참조)

③ REF 전압 측정
스로틀 포지션 센서 커넥터를 분리하고 점화 스위치를 ON에 놓은 상태에서 센서 터미널과 접지 사이의 전압을 측정한다.(그림 26 참조)
●냉각수 온도센서

·구조 및 작동원리
냉각수 온도센서는 냉각수의 온도변화에 따라 저항 값이 반대로 변하는 NTC 저항체이다. ECM은 이러한 냉각수 온도센서의 저항 변화에 따른 전압의 변화 값으로 냉각수 온도를 감지해 혼합비를 제어하는 보정 요소로 사용되고 전동팬을 제어한다.(그림 27, 28, 29 참조)

·점검 방법

① 결함코드: 09
다마스/라보, 에스페로, 프린스, 슈퍼살롱, 레간자: 09
② 저항 측정
냉각수 온도센서 커넥터를 분리해 센서 두 단자간의 저항을 측정한다. 이때 온도변화에 따른 저항 값이 측정되지 않으면 온도센서를 교환한다.(그림 30 참조)
<냉각수 온도에 따른 센서 저항 값-프린스, 슈퍼살롱>
<냉각수 온도에 따른 센서 저항 값-다마스/라보>
③ REF 전압 측정
냉각수 온도센서 커넥터를 분리하고 점화 스위치를 ON 위치로 한 다음 배선 커넥터 두 단자 사이에 전압계를 설치해 전압(규정 값: 4.8∼5.2V)을 측정한다.(그림 31 참조)
만약 규정 값이 지시되지 않을 경우 센서와 ECM간의 배선 단선 여부, ECM으로 전원공급 및 접지 여부, ECM 결함 여부 등을 점검한다.

④ 시그널 전압 측정
냉각수 온도센서 커넥터를 연결하고, 엔진 회전 상태에서 ECM 시그널 단자와 접지사이에 전압계를 설치해 전압을 측정한다. 이때 온도가 올라가면 전압 값은 떨어지고, 온도가 내려가면 전압 값은 올라간다.
 

냉각수 온도(℃) 센서 저항 값(kΩ)
20 3,520
30 2,238
40 1,459
50 973
60 667
70 467
80 332
90 241
100 177

수온(℃) 저항 값(kΩ)
-40 100,707.6
-35 72,458.3
-30 52,684.6
-25 38,688.0
-20 28,677.4
-15 21,448.3
-10 16,176.9
-5 12,299.6
0 9,423.1
5 7,282.5
10 5,671.8
15 4,449.7
20 3,515.4
25 2,795.8
30 2,237.6
35 1,801.7
40 1,459.2
45 1,188.3
50 972.8
55 803.6

수온(℃) 저항 값(kΩ)
60 667.2
65 556.6
70 466.6
75 392.9
80 332.3
85 282.2
90 240.6
95 205.9
100 177.0
105 152.4
110 131.8
115 114.5
120 99.8
125 87.3
130 76.7
135 67.6
140 59.8
145 53.0
150 47.2