재호님 혹시 한번 보셔요..(산소센서 관련 분석방법)

[전민제(엠씨블랙)]

산소센서건으로 애먹으시는거 같아서 한반 아랫사항들 체크해보시길..
시동꺼짐은 혼합기 농후나 희박 둘중하나지 싶은데 최근 신품교체하면서 밀봉이나 다른 선류위 쇼트유발이라던지 하는 부분 혹시 체크해야할게 있지 않나 싶어 글 남깁니다.

배기가스중의 산소 농도를 검출하고 ECU로 피드백함으로써 공연비를 컨트롤합니다.
또한, 산소센서의 온도가 높아지면(약 400℃ 이상) 백금의 촉매작용에 의해 출력 전압이 이론공연비 부근을 경계로 급변하는 특성을 가지고 있습니다.
이 특성을 이용하여 배기가스중의 산소농도(공연비)가 이론공연비보다 농후한지 희박한지를 검출합니다.

센서값 측정시 엔진의 회전수는 약 1500~2000rpm 정도가 정상이며, rpm 변화가 없는 상태에서 측정하는 게 좋습니다.
약 1500rpm을 일정하게 유지하면서 산소센서 출력을 유심히 관찰하여 출력하여야 합니다.

분석 주안점
1. rising time, 즉 상승하는 파형에서 약 200mV에서 600mV 까지의 결리는 시간은 150 mS이내가 정상
2. falling time, 즉 하강하는 파형에서 약 600mV에서 200mV 까지의 걸리는 시간은 300mS이내가 정상
3. 파형의 주파수가 일정해야 합니다.
4. 희박과 농후의 진폭이 일정해야 합니다.
5. 파형이 급격하게 변화되거나 날카롭게 변화됨이 없어야 합니다.
6. 급가속 실험(TPS와 산소센서 동시 측정)하여 농후, 희박을 찾을 수 있어야 하며, 점화장치의 불량도 찾을 수 있어야 합니다.
7. 공회전 상태에서 측정시 파형이 대략 0.5V 전후를 기준으로 움직여야 하며, 너무 낮거나 높아도 불량입니다.

산소센서 데이터 용어 설명
B1S1 : 배기매니폴더 1개 설치된 경우 촉매 전 산소센서
B1S2 : 배기매니폴더 1개 설치된 경우 촉매 후 산소센서
B2S1 : 배기매니폴더 2개 설치된 경우 촉매 전 산소센서
B2S2 : 배기매니폴더 2개 설치된 경우 촉매 후 산소센서

B1S1 판정방법
0.15 ~ 0.9V 반복 변화하는 경우 10초에 5회이상 반복이면 정상, 5회 미만이면 산소센서 노후로 판단
0.1V 미만에서 변화하는 경우 수차례의 급가속 반복후 0.8V 까지 변화하면 정상, 그렇지 않으면 연료나 흡기누설 점검후 이상 없으면 산소센서 단락점검
0.1 ~ 0.5V 에서 변화하는 경우 연료나 흡기계통 누설 점검후 이상 없으면 산소센서 배선,단품 점검
0.5~0.9V 에서 변화하는 경우 PCV, EGR, 인젝터 소착, 배선 단락 점검
2V 이상 출력시 티타니아 타입은 정상, 지르코니아 타입은 전원 및 출력선 점검

B1S2 판정방법
약 0.6V 에서 고정되어 있는 경우 정상
0.1V 부근에서 변화하는 경우 수차례의 급가속 반복후 0.8V 까지 변화하면 정상, 그렇지 않으면 촉매 및 배기관 누설 점검후 이상 없으면 산소센서 단락점검
0.7V 이상에서 변화하는 경우 점화장치, 각센서, PCV계통, EGR계통 점검
0.5V 미만에서 출력되는 경우 ECU는 과잉 산소로 인한 질소산화물 과다 배출로 판정
0.7V 이상에서 출력되는 경우 실화나 각센서 문제로 혼합기 농후로 인한 촉매의 열화로 판정

산소센서 공연비 보정값 분석방법
엔진이 정상 온도에서 공연비에 영향을 미치는 센서(AFS, WTS, ATS 등)가 고장이 아닐 경우
ECU는 산소센서의 출력값을 입력받아 현재 배기가스 중 산소의 농도가 농후한 지, 희박한 지를 판단해
공기의 양과 연료의 양을 제어, 촉매에서 정화율이 가장 높은 상태의 공연비를 제어한다.
따라서 산소센서가 열화 또는 외부의 영향에 의해 측정값이 부정확할 경우에는
ECU에서 정확한 공연비 제어가 불가능하게 된다.
산소센서의 출력값을 입력받아 공기와 연료를 제어하는 것을 클로즈 루프(Close Loop, 폐회로),
산소센서의 출력값은 입력하되 공기와 연료를 제어하지 않는 것을 오픈 루프(Open Loop, 개회로)라고 한다.
공연비에 영향을 미치는 센서의 고장 때, ECU는 오픈 루프(개회로) 제어를 하고
데이터의 출력값은 100%로 고정이 되므로 현재 엔진이 공연비 보정을 하는지 하지 않는지를 쉽게 판단 가능하다.
또한 현재의 공연비 보정값이 얼마냐에 따라 고장의 원인을 추적할 수 있다.
예를 들어 공회전 때 공연비 보정값이 160~170%에서 변화할 경우 엔진이 부조를 한다면
산소센서의 출력값이 희박하다는 뜻이고 그 원인은 진공의 누설이나 연료가 적게 들어가는 상태 즉,
연료의 압력이 낮거나 인젝터의 막힘, 배선의 불량, 실린더의 실화 등을 의심할 수 있다.
이로 인해 배기가스 중 산소의 분자량이 많은 경우이므로 ECU에서는 60~70%만큼의 연료를 더 분사해서 현재의 공연비는 정상이라고 생각하면 된다.
반대로 공연비 보정값이 60~70%에서 변화한다면 배기가스 중 산소분자가 적다는 의미이므로
연료가 많이 들어가거나 공기가 적게 들어감에 따라 산소센서의 출력값이 농후하게 출력되어 ECU에서 30~40%만큼의 연료가 적게 분사하고 있다는 뜻이다.
그 원인은 에어 클리너의 오염, ISA의 오염, 인젝터의 불량, AFS의 오출력 등 여러 가지가 문제가 될 수 있지만
현재의 rpm과 ISA 듀티, 인젝터 분사시간, 산소센서, 공회전 스위치 등의 서비스 데이터를 확인해 보면 그 원인을 쉽게 찾을 수 있다.
덧셈보정 및 곱셈보정은 엔진의 rpm과 부하상태에 따라 공기로 제어할 것인지(덧셈보정), 연료로 제어할 것인지(곱셈보정)를 ECU가 판정하고,
덧셈보정과 곱셈보정은 따로 이루어지지 않고 같이 이루어진다.
산소센서는 클로즈 루프(폐회로)에서 피드백을 하는가, 아니면 오픈 루프(개회로)에서 피드백을 하지 않는가를 판단해야 한다.

1. 지멘스와 보쉬타입의 산소센서는 점화 스위치 키 ON 때 산소센서 커넥터를 분리한 후 시그널 배선전압이 약 0.414V의 리퍼런스 전압이 나오는가를 확인한다.
※ 리퍼런스 전압의 목적은 산소센서가 활성화되기 전까지 ECU는 0.414V를 출력해 산소센서 활성화를 돕는 것이 목적이며
산소센서의 오픈 루프(개회로) 조건을 ECU가 읽지 못하기 한다.
① 정상이면 커넥터를 결합한 후에도 0.414V가 나오는지 확인하다. 만약 전압이 낮으면 산소센서 내부의 쇼트를 의심할 수 있다.
(냉간 때에는 0.414V가 나오지만 열간 때에는 전압이 나오지 않는다)
② 정상이 아니면 ECU까지의 배선을 점검하고 배선이 이상이 없는데 리퍼런스 전압이 나오지 않으면 ECU 불량으로 판단한다.

2. 산소센서 값이 시동 후 약 80초(산소센서 활성화 온도 350℃) 피드백이 정상으로 이루어지는지 확인한다.

① 시간이 길면 산소센서의 열화이거나 산소센서가 히팅이 제대로 되지 않는 경우이다.
따라서 시동 후 히팅 전압이 12V가 나오는지 확인하고 전압이 나오지 않는다면 배선과 ECU를 점검해 이상유무를 확인하다.
② 산소센서가 피드백은 하나 농후로 나타나면 점검은 간단하다. 연료가 과다하거나 아니면 공기가 부족한 조건일 것이다. 그렇다면 연료 과다의 조건을 알아보자.
센서류의 불량으로 ECU는 오픈 루프(개회로)로 고정되어 연료 보정분사를 해 농후한 조건일 것이다.
그러므로 연료를 가장 크게 보정할 수 있는 센서(예: AFS, MAP, 핫필름 공기량 센서)에서 가장 적은 센서(흡기온 센서)로 분류 점검하면 된다.
공기가 부족한 조건은 거의 2차 바이패스의 열림량이 부족하든가 아니면 바이패스 호스의 막힘 또는 2차 공기 바이패스 컨트롤러의 고장일 것이다.
③ 산소센서가 피드백은 하나 희박을 나타내면 그 범위는 매우 광범위하다. 왜냐 하면 산소센서는 실제 희박을 나타내지만
실제 연료는 농후한 조건의 연료 보정분사를 하고 있는 조건이기 때문이다.
ECU는 정말 기막힐 정도로 똑똑하다. 산소센서가 고장이 나서 희박이라고 신호하면 ECU는 농후한 조건을 맞추기 위해
산소센서의 농후 신호가 올 때까지 계속적으로 연료 보정분사량을 늘려준다.
농후한 신호가 약 10초 이상, 연속적인 신호가 들어오면 ECU는 오픈 루프(개회로)로 들어가므로 산소센서가 농후보다는 희박을 지시할 때가 판단하기 힘들다.
다음의 추적방법을 잘 이용하면 쉽게 짧은 시간에 수리할 수 있을 것이다.
※ 희박을 가리키는 산소센서는 반드시 인젝터의 분사시간을 확인한다.
즉 분사량이 제원의 분사량보다 얼마나 큰 조건인가를 판단해 농후 조건의 추적 방법처럼 점검하고 센서 쪽의 이상이 없다면 배출가스 점화 시스템 쪽의 문제이다.
가장 큰 조건은 EGR, 캐니스터, 퍼지 컨트롤, 2웨이 밸브, PCV 밸브 촉매 등의 순으로 점검하면 될 것이다.
인젝터 분사량은 정상이고 희박 조건일 때는 흡기와 배기의 누설이나 2차 바이패스 컨트롤러의 결함과 기계적인 결함을 의심하면 된다.

산소센서의 오픈 루프 조건

ECU는 다음의 조건이 1개라도 적용되면 산소센서 피드백을 중단하고 바로 오픈 푸르로 된다.
① 시동 중일 때
② 차가 감속할 경우 연료 차단 중일 때
③ 출력 영역으로 될 때
④ 흡입되는 공기량이 너무 적어 연소가 제대로 이루어지지 않을 때
⑤ 엔진 공회전 때 회전수가 너무 높을 때
⑥ 인젝터, 산소센서, 산소센서에 의한 연료보정에 대해 고장이라 판단될 때
⑦ 산소센서가 콜드 조건(활성화 온도에 도달하지 않는다는 조건)

산소센서의 클로즈 루프 조건

ECU는 다음의 조건을 모두 만족해야만 산소센서의 시그널을 통해 연료를 피드백해 클로즈 루프된다.
① 흡입 공기량은 핫(Hot) 조건 상태, 즉 활성화 온도가 되어야 한다.
② 흡입 공기량은 정상적으로 흡입되어야 하며 센서의 고장이 없어야 한다.
③ 엔진 회전수는 정상적인 회전수여야 한다.
④ 시동 후 수온센서는 정상적으로 작동되어야 한다.
⑤ 엔진이 시동상태가 아닐 경우이다.
⑥ 차가 감속상태가 아닌 경우이다.
⑦ 출력 위주의 영역이 아닐 경우 즉 많은 부하를 가하지 않은 상태이다.
⑧ 내츄럴 연료 재분사인 경우 분사시간이 지날 것으로 판단한 상태이다.

※ 연료차단 중 연료를 재분사하는데 이 경우는 3가지로 나눌 수 있다.
① 스위치 연료 재분사(Switching Rewet) : 감속 중 연료 차단이 되고 있을 때 다시 가속페달을 밟는 경우 연료를 재분사하는 것을 말한다.
② 내츄럴 연료 재분사 : 감속 중 연료 차단이 되고 있을 때 엔진회전수가 어느 이하로 떨어지면 연료를 재분사하는 것을 말한다.
③ 오토매틱 연료 재분사 : 감속 중 연료 차단이 되고 있을 때 엔진회전수가 너무 급격히 떨어지면 연료를 재분사하는 것을 말한다.

산소센서 파형점검 때 판정방법

산소센서를 파형으로 점검했을 때에는 2채널을 이용해 함께 측정해야 한다.
먼저 정상적인 산소센서 파형과 TPS 기준 파형을 확인한다.
여기서 산소센서가 정상적으로 빠르게 반응하는 것을 보려면 TPS 값과 함께 상승하고 하강할 때 같이 하강하면 된다.(그림 2 참조)
산소센서의 정상 파형은 파형 모양이 듀티 50%로 작동되어야 한다. 하지만 농후 때에는 (+) 듀티값이 크고 (-) 듀티는 작게 나온다.
즉 산소센서의 반응시간과 응답시간을 정밀하게 관찰하면서 판정하도록 한다.
결론을 내리자면 산소센서 반응시간이 빠르다면 농후, 느리다면 희박으로 판정하면 된다.

엔진 스캐너?디지털 볼트미터 점검 때 판정방법

점화 스위치를 ON에 놓고 산소센서 배선 커넥터를 분리시킨 다음 ECU 커넥터 쪽 배선에 전압계를 연결했을 때 0.4~0.5V의 전압이 측정되는지 점검한다.

엔진 스캐너나 디지털 볼트미터로 산소센서를 점검할 때에는 공전상태에서의 반응시간과 가속할 때의 반응시간을 보면서 판정하면 된다.
파형으로 점검했을 때와 마찬가지로 농후 때에는 빠르게 작동하고 희박 때에는 느리게 작동한다.
스캐너나 디지털 볼트미터로는 시간을 측정하기 어려우므로 정상적인 새차에서의 반응시간을 측정해 놓았다가 비교해 보면 알 수 있을 것이다.
이때 정상적인 파형을 확인한 후 진공 호스를 살짝 빼면서 산소센서 파형을 확인해 보고, EGR 밸브도 열었다 닫았다 해보고,
연료 리턴 호스를 막아보면서 산소센서의 반응속도를 측정하는 것도 한 방법이다. 즉 농후와 희박의 조건을 만들어 산소센서의 반응시간을 측정해 보라는 뜻이다.
또한 산소센서는 연료장치에 의해서만 작동되는 것은 아니다.
점화 연소계통에 문제가 있어도 산소센서의 속도나 모양이 틀리게 측정되므로 이를 반드시 확인해야 할 것이다.
결론을 내리자면 연료장치의 농후와 희박에 의해서만 산소센서 파형이나 전압이 변하는 것이 아니다.
엔진의 기계적인 장치나 밸브 간극, 제트 밸브의 작동상태에 의해서도 변할 수 있다.
또 점화장치와 EGR 밸브, 공기량 센서나 흡입장치 공기(도둑공기)에 의해서도 농후, 희박의 관계가 있다면 산소센서 파형이나 전압은 변할 수 있다는 것이다.
따라서 전압과 반응시간으로 원인 부위를 하나 하나 찾아야 할 것이다.
예를 들어 연료 펌프의 불량으로 기능 저하가 일어난다면 산소센서의 전압은 공전 때 19~150mV 정도이며 가속을 시키더라도 250mV를 넘지 않는다.
이때 인젝터 시간을 측정해 보면 인젝터 시간이 규정보다 길게 나오는 것을 볼 수 있다.
연료가 적을 때 0V 되는 것과 선이 끊어지거나 센서 부위가 뜨거워지지 않아 전압이 흐르지 않는 것을 구분하기 위해
전압이 흐르지 않을 경우 0.34~0.4V가 산소센서로 흐르게 ECU 내부에 프로그램 되어 있어 산소센서 배선을 빼놓고 전압을 측정하면 전압이 나오는 것이다.

산소센서로 인한 트러블

① 연료소모가 많은 차들은 산소센서의 전압을 확인하고 반응시간을 측정해 보아야 한다.
또한 산소센서 자체의 불량인 경우도 있는데 보통 7만~8만km 정도에서는 한 번쯤 교환해주는 것이 좋다.
② 산소센서 불량 때에는 공전상태에서 엔진 부조현상이 생기기도 하고 아이들 상태가 고르지 않게 작용되기도 한다.
③ 산소센서 실드선은 잘 어스되어야 한다. 만약 노이즈로 인해 정상 작동이 되지 않는다면 역시 공전 때 부조와 연료소모로 이어질 수 있다.
④ 공전 때 부조가 일어나는 차들의 산소센서 배선을 빼내면 부조현상이 없어지는 경우가 많다.
그렇다면 그 이유는 무엇일까? 이것은 ECU 내부 문제일 가능성이 많다. 이때 산소센서 전압을 측정했을 때에는 정상으로 나오기 때문에 현장에서는 헷갈릴 수 있다.

⑤ 산소센서 시그널 전압이 0.3~0.4V에서 항상 일정
- 산소센서 고장이거나 시그널 선이 끊어짐
- 센서와 배선을 확인해 해당되는 부분을 교환 또는 수정

⑥ 산소센서 시그널 전압 항상 0.1V 이하로 일정
- 산소센서 시그널 선이 접지(그라운드: 0V 부분)와 접촉하고 있음
- 산소센서 시그널 선의 접촉부분을 수정하거나 새로 배선 연결
- 이렇게 낮게 나오다가 불규칙적으로 높게 나오면 배기 파이프(산소센서 앞)에 배기가스가 새는 곳이 있는지 확인해 새는 곳이 있으면 이를 고치도록 한다.
또 이러한 현상이 나타날 때 배기가스에서 연료 냄새가 많이 나거나 일산화탄소가 많이 나오면 더욱 문제가 있을 확률이 높으며 이런 경우에는 연비가 많이 나빠질 수 있다.

⑦ 산소센서 시그널 전압이 1.3V 이상으로 항상 일정
- 산소센서 시그널 선이 전원부(12V)나 시그널 레퍼런스 공급 부분(5V)과 접촉하고 있음
- 산소센서 시그널 선의 접촉부분을 수정하거나 새로 배선 연결

⑧ 산소센서의 활성화가 늦다(시그널 전압이 한참 후에 0.6V 이상 또는 0.3V 이하가 된다).
- 산소센서 히터의 작동 불량
- 확인 후 산소센서 히터의 고장이면 산소센서를 교환하거나 또는 산소센서 히터 선을 수리한다.

⑨ 산소센서 시그널 전압이 0.4V 부위에서 간헐적으로 일정하다.
- 산소센서 선의 연결이 간헐적으로 안 되고 있다 → 산소센서 시그널 선의 접촉부분을 수정하거나 새로 배선 연결
- 산소센서 히터가 제대로 작동 안하고 있다 → 확인 후 산소센서 히터의 고장이면 산소센서를 교환 또는 산소센서 히터 선을 수리

⑩ 산소센서 시그널 전압이 간헐적으로 0.1V 이하이다.
- 산소센서의 피드백이 안 된 상태에서 연료량이 부족(희박)하다 → 자동차를 주행(시속 60km 이상으로 5분 이상)해 산소센서의 연료량 피드백을 시켜본다.
- 피드백이 되어도 나타나면
▷ 산소센서의 시그널 선이 접지(0V)부와 간헐적으로 접촉한다.
▷ 배기 파이프에서 공기가 유입하고 있다 : 일산화탄소가 많이 나오거나(약 2% 이상),
배기가스의 냄새를 맡아 연료 냄새가 많이 나오면 산소센서는 배기 파이프에서 유입된 공기 속의 산소 때문에 전압이 낮게 나와
ECU는 연료가 부족한 것으로 인식해 연료를 계속 더 공급하고 있는 것이다.(문제의 차가 연비가 갑자기 나빠지는 현상을 보였다면 이것이 원인일 확률이 매우 높다)
- 피드백이 안 된 상태에서 연료량이 부족한 것이 원인이면, 산소센서 시그널 선의 접촉부분을 수정하거나 새로 배선 연결한다. 위의 두 번째 문제가 원인이면 배기 파이프가 새지 않도록 해야 한다.

⑪ 산소센서의 시그널 전압이 간헐적으로 1.3V 이상이다.
- 산소센서 시그널 선이 전원부(12V)나 시그널 레퍼런스 공급 부분(5V)과 접촉하고 있음
- 산소센서 시그널 선의 접촉부분을 수정하거나 새로 배선 연결

⑫ 산소센서의 시그널 전압이 정상으로 나오다가 0.4V 부근에서 일정하게 나타난다.
- 산소센서의 히터가 작동 불량인 상태에서 배기가스 온도가 낮다.
- 확인 후 산소센서 히터가 고장이면 산소센서를 교환하거나 산소센서 히터 선을 수리한다.

⑬ 산소센서 시그널 전압이 높게(0.6~1.0V) 나오는 시간이 길다(0.5초 이상).
- 산소센서의 피드백이 안 된 상태에서 연료량이 과다(농후)하다 → 자동차를 주행해 산소센서의 연료량 피드백을 시켜본다.
- 피드백이 되어도 나타나면 인젝터 외에 다른 곳(캐니스터, PCV)에서 연료가스 과다 유입된다.

⑭ 연료량 덧셈(오프셋) 학습량이 너무 적다.( - 값이 크다: - 0.8ms 이하)
- 공회전 중 인젝터 외에 연료 유입이 많다.
- 공회전 중 캐니스터 또는 PCV에서 연료가스 유입이 있는가 확인해 수정한다.

⑮ 산소센서의 시그널 전압이 너무 빠르게 변한다.(0.1초 이내로)
- 엔진 각 실린더 내의 공연비가 다르다.
- 엔진 각 실린더 내의 공연비를 일정하게 한다.(통상 2.5% 이내
▷ 캐니스터의 서지탱크에 있는 연료가스 유입부가 각 실린더로 분배가 잘 되는지 확인
▷ PCV의 서지탱크에 있는 연료가스부가 각 실린더로 분배가 잘 되는지 확인
▷ 태핏의 일부가 불량인지 확인
▷ 오일 압력이 낮아 태핏에 제대로 유입이 안 되는지 확인한다.
(실제 오일 압력이 높아도 주행 중 공회전으로 복귀 때 태핏에 오일 공급이 저하되거나
오일에 미세한 기포가 발생되어 태핏 속에서 충분한 압력을 유지시키지 못해 이러한 현상을 보일 수 있다)
▷ 인젝터에 막힘이 있는지 확인한다.
▷ 배기 파이프(산소센서 전)에 배기가스가 새는 곳이 있는지 확인
- 위의 원인이 아니면 서지탱크 내 흡입 공기가 각 실린더로 분배가 잘 이루어지지 않아 발생되는 것이다.
이러한 경우 서지 탱크 내부를 설계 변경해야 하므로 직접 수리는 어렵다.

[허기수(마린보이)]

산소센서에 대하여 종합적으로 정리를 하신듯 합니다. 좋은글 감사....

[최재호(비머다이)]

민제님 감사.. 헌데 인문계는 읽어도 이해가 안된다는ㅜㅜ...여튼간 흡기문제로 보이는데 쓰로틀바디 오일세퍼레이터등등 청소 교환 해볼랍니다 오일세퍼레이터는 까다로운 작업이라 흡기매니폴드 탈거방법 연구해봐야겠네요 혹시나 동영상 보신적 있으신분 링크부탁해요^^