[김영진의 메커니즘의이해〕

전기장치 점검
점화장치 점검②

고장요소를 검출하는 방법에는 소음 여부검출, 진동여부 검출, 장비를 사용해 검출하는 방법, 육안점검 등 여러 가지 점검방법이 있다. 전기관련 계통의 검사는 장비를 활용하는 방법에 많이 치중하고 있으며 그중에서도 오실로스코프장비가 장착되어 있는 진단기를 활용하는 것이 많은 비중을 차지하고 있다

김영진「한국오토모티브컬리지 교수」

1. 점화회로 점검
(1) DLI방식 회로의 흐름
<그림 1> 이그니션 및 시동회로(아반떼 DLI)
축전지에서 메인퓨즈, 퓨저블링크를 지나 점화스위치에 있던 전원은 점화스위치가 ON되면 점화1차코일에 도달, ECU 내부의 파워트랜지스터로 들어간다. 이때 크랭크각센서로부터 신호를 받은 ECU가 연산해 ECU 내부 파워트랜지스터 베이스에 전원을 단속해 2차코일에 고전압을 형성하게 하고 점화코일로부터 2차코일에 유도된 전류는 직접 각 점화플러그를 통해 각 실린더에 전원을 공급한다.
(2) 점화회로 점검
① 축전지 단자 전압 및 축전지 터미널과 케이블의 접속상태를 점검한다.
② 축전지 ?터미널과 메인 퓨WM 100A와의 접속상태 및 메인퓨즈 상태를 점검한다.
③ 보조 퓨저블링크 30A 퓨즈의 접속과 퓨즈의 상태를 점검한다.
④ 점화스위치의 커넥터 및 AM단자와 IG1단자의 접속상태를 점검한다.
⑤ 점화코일 1차선의 커넥터와 2차 고압케이블의 접속상태를 점검한다.
⑥ 파워TR 커넥터의 접속상태를 점검한다.
⑦ 고압케이블의 상태와 점화플러그의 접속상태를 점검한다.
⑧ 점화플러그를 점검한다.

2. 점화파형 분석
1) EST 신호 파형
<그림 2> 파형의분석 ①
(1) 파형의 개요
EST신호 전압 측정은 1차 전류를 단속하는 장치의 신호전압을 측정하는 것인데 일반적으로 파워TR의 베이스 신호 전압을 측정한다. 멜코시스템과 같이 파워TR이 외장형인 경우 베이스의 파형을 측정할 수 있다. 파워TR에서 점검을 해야 할 부분은 아래 파형과 같이 3～4V로 변화될 때 정상부분이 비스듬히 변화되어야 정상적이고 곧바로 4V로 수직 상승하는 경우에는 열에 의해 성능이 떨어진 경우이므로 가속성능이 저하된다. 이 파워TR의 파형은 1차 전류가 흐르는 시간이므로 점화 1차파형에서 전류가 흐르는 시간과 동일하다. 아래의 파형은 점화 1차파형과 파워TR 베이스의 파형을 동시에 측정한 것이다. 멜코시스템 DOHC의 경우 파워TR에서 계기판으로 점화신호를 보내주고 ECU로도 점화신호를 보내주는데 ECU로 점화신호가 입력되지 않으면 그 해당 실린더에 연료가 분사하지 않으므로 정비 때 참고해야 한다. ECU는 TDC신호를 분석해 몇 번 실린더가 실화인지를 알 수 있다.
<그림 3> 파형의 분석 ②
(2) EST 신호 및 점화1차파형의 분석
점화코일의 ?측에 흐르는 전압의 변화 또는 파워TR 컬렉터의 전압변화가 점화 1차파형이다. 점검방법은 인젝터와 거의 동일하나 화염 전파시간의 변화를 확인해야 한다. 점화코일에서 생성된 에너지는 일정하기 때문에 실린더 내의 변화에 따라 서지전압과 화염 전파시간이 달라진다. 서지전압이 높아지면 화염 전파시간은 줄어들고 서지전압이 낮아지면 화염 전파시간은 길어지므로 화염 전파시간의 측정이 편리하다.
<그림 4> 점화 1차회로 파형분석
인젝터와 마찬가지로 파워릴레이를 통과한 전압은 점화코일을 거쳐 파워TR C에 대기하고 ECU에서 파워TR B(베이스)에 전류를 공급하면 12V의 전압이 0V로 떨어진다. 따라서 0V를 유지하는 시간이 점화 1차코일에 전류가 흐르는 시간이다. ECU에서 파워TR B에 공급되는 전류를 차단하면 점화코일에는 서지전압이 발생된다. 점화코일에서 생성된 에너지는 점화플러그에서 방전이 일어나고 에너지가 거의 소멸이 되면 남아있는 약간의 에너지로 인해 충방전이 일어나 다시 12V를 유지한다. (그림 5)의 파형은 #1, 4번 실린더의 점화 1차파형이지만 #2, 3번 실린더가 방전을 할 때 노이즈가 타고 들어오는 것을 측정한 것이다. 정비 때 신경 쓰지 않아도 된다.
<그림 5> 파형분석
(3) 측정배선 연결
① 축전지 입력케이블: BAT ?, ?
② 트리거 픽업: 1번 실린더 고압케이블
<그림 6> 축전지 케이블 및 트리거 픽업 케이블
③ 멀티 프로브: 흑색 프로브 - 차체 접지, 컬러 프로브 - 파워TR 베이스 단자
<그림 7> 멀티 프로브
<그림 8> SOHC(파워 트랜지스터)
<그림 9> DOHC(파워 트랜지스터)
(4) 측정순서
① 엔진을 워밍업 후 공회전시킨다.
② 초기화면에서 차량선택 아이콘을 클릭한 후 차의 제원을 설정한 후 확인버튼을 클릭한다.
③ 스코프 테크 측정모드에서 오실로스코프 항목을 클릭한다.
<그림 10> 차종선택
<그림 11> 오실로스코프 클릭
④ 오실로스코프 상단의 환경설정 아이콘을 클릭한 후 측정제원을 설정한다. 모니터 하단의 채널선택을 파워TR 베이스 단자에 연결한 채널선과 동일한 채널선으로 채널 번호를 선택한다(확인 필수).
<그림 12> 오실로스코프 환경설정
⑤ 트리거 아이콘을 클릭한 후 측정창의 원하는 위치에서 트리거 레벨을 3V 정도에 선택하면 측정화면이 고정된다.
⑥ 투 커서 아이콘을 클릭하면 커서 라인이 실선으로 바뀐다. 휠마우스의 왼쪽과 오른쪽 버튼을 이용해 커서 A와 B의 실선 내에 EST파형이 들어오도록 하면 투 커서의 기능이 작동되어 모니터 오른쪽에 데이터가 지시된다.
⑦ 모니터에 표출된 EST파형과 데이터의 내용을 분석해 판정한다.
<그림 13> EST 파형
(5) 파형의 분석
① 점화장치를 점검할 때 ECU 내부에서 신호가 나오지 않는 문제인지, ECU에서는 신호가 나오는데 점화코일이 정상적으로 작동하지 않는 것인지를 확인할 때 파워TR 베이스 전압을 확인한다.
<그림 14> EST 파형의 분석
② 1지점은 파워TR의 ‘OFF’지점이며, 정상파형을 나타낸 것이다. OFF 때 전압은 3～5V 사이가 정상이며, 파형의 끝부분은 수직으로 0V 정도로 떨어져야 정상이다.
③ 2지점은 파워TR의 ‘ON’지점이며 시간이 경과할수록 파워TR 내부의 저항에 의해 전압이 상승한다.
- 파워TR 내부에는 TR의 보호와 전압의 제어를 위해 제너다이오드 등이 내장되어 있으므로 자체의 저항성분이 있을 수밖에 없고 파워TR 베이스에 최초 ECU의 드라이버에서 신호를 주게 된다. 신호가 처음 가해졌을 때는 점화 1차코일을 접지시켜 충분한 점화를 위해 전류를 충전하게 되는데 이 전류가 충전되면 될수록 저항값이 변하기 때문에 처음보다 마지막 구간이 더 높은 것이다.
2) 점화1차파형
점화코일 1차전압은 점화 1차코일 내부의 전압변화를 스코프로 표시하는 것으로 1차전압을 측정하기 위해서는 1차 전류의 전압변화가 일어나는 점화코일 (-)에서 파워 트랜지스터 0C단자까지의 배선에서 측정한다.
(1) 파형의 개요
〔파형 - 1〕은 오실로스코프로 쏘나타Ⅲ의 1차 파형을 측정한 것이다. 1차파형은 2차파형에서 볼 수 있는 여러 가지의 기관 트러블을 볼 수 있다.
〔파형 - 2〕는 파워TR의 베이스 전압과 1차파형을 동시에 측정한 것이다. 다시 말하면 고전압을 발생시키기 위해 컴퓨터는 점화 1차코일의 전압을 단속하는 것이고 이때 흐르는 파워TR의 베이스 전압은 약 3.8V가 되는 것이다. 파워TR의 베이스 신호가 끊기면 곧 높은 서지전압이 생성되는 것을 볼 수 있다.
<그림 15> 파형 -1, 파형 -2
<그림 16> 파형 -3, 파형 -4
〔파형 - 5〕는 크랭킹할 때 소모되는 전류량을 하이스캔의 전류 픽업을 이용해 측정한 것이다. 측정방법은 다음과 같다. 축전지 (+)단자에서 기동 전동기까지 가는 본선에 전류 픽업을 방향이 맞게 설치를 한다. 다음 크랭크 각 센서 커넥터를 분해 후 가속페달을 끝까지 밟은 상태에서 시동을 건다. 시동되는 순간에 기관에서는 실린더 별로 압축이 되므로 이때 소모되는 전류량을 측정해 엔진의 압축압력검사를 하는 것이다. 압축압력이 누출되는 실린더에는 전류 소모가 적으며, 이때 전압이 낮게 잡히는 실린더만 찾으면 쉽게 엔진의 압축압력검사를 할 수가 있는 것이다.
<그림 17> 파형 -5
(2) 측정배선 연결
① 축전지 입력 케이블 BAT ?, ?
② 트리거 픽업: 1번 실린더 고압케이블
<그림 18> 축전지 케이블 및 트리거 픽업
③ 멀티 프로브: 흑색 프로브 - 차체 접지, 컬러 프로브 - 점화코일 ?단자 또는 파워TR 0C 단자
<그림 19> 멀티프로브
<그림 20> 점화코일(-)
?DLI방식 차는 점화코일이 2개이므로 채널선을 2개를 사용해 점화코일 ?단자에 각각 따로 연결한다.
<그림 21> DLI 파워TR
<그림 22> DLI 점화코일
④ 점화 2차 프로브: 배전기방식 - 중심고압 케이블(적색 프로브)
DLI방식 - 각 실린더 고압케이블(적색, 흑색 프로브)
※정극성(+)방전: 적색 프로브, 역극성(-)방전: 흑색 프로브 연결
<그림 23> 점화 2차 프로브 및 설치
(3) 측정순서
① 엔진을 워밍업 후 공회전시킨다.
② 초기화면에서 차 선택 아이콘을 클릭한 후 차의 제원을 설정한 다음 확인버튼을 클릭한다.
③ 스코프 테크 측정모드에서 점화1차 항목을 클릭한다.
④ 오실로스코프 상단의 환경설정 아이콘을 클릭한 후 측정제원을 설정한다. 모니터 하단의 채널선택을 파워TR 0C 단자 또는 점화코일 ?단자에 연결한 채널선과 동일한 채널선으로 채널번호를 선택한다(확인 필수).
<그림 24> 오실로스코프 환경설정
⑤ 트리거 아이콘을 클릭한 후 측정창의 원하는 위치에서 트리거 레벨을 3V 정도에 선택하면 측정화면이 고정된다.
⑥ 모니터에 표출된 EST파형과 데이터의 내용을 분석해 판정한다.
<그림 25> 점화 1차파형
(4) 파형분석
파워TR ON 때 전압은 0V에 가까울수록 좋으며 보통 0.2～0.6V 정도 측정되는데 공전 때 드웰시간은 3～5ms(20～30° 정도)사이가 규정값이다.
② 파워TR OFF 때 전압은 0.8～1V 이하가 규정값이며, 1V 이상이면 배선의 접촉불량 및 접지불량이나 파워TR의 접지불량을 확인한다.
③ TR OFF 때 피크전압은 파워 TR 제어식은 300～400V 사이가 규정 전압이다.
3) 점화 2차파형
(1) 파형의 개요
(그림 26)의 파형은 최대 점화전압(점화 2차 요구전압〔kV〕으로 혼합기에 점화하기 위한 전압이다. 일반적으로 점화 2차 요구전압의 외부적인 저항 요소와 내부적인 저항 요소가 있다.
<그림 26> 점화 2차 싱글파형
① 외부적인 저항요소
㉮ 점화플러그
㉯ 배전기 캡
㉰ 배전기 로터
㉱ 고압케이블
㉲ 점화코일
② 내부적 저항요소
㉮ 혼합기의 유동상태
㉯ 연소실 내의 압축압력상태
㉰ 혼합기의 혼합상태
㉱ 연소실의 조건
(2) 2차 직렬파형
직렬파형은 점화 시점을 각도로 보는 즉, 크랭크축 2회전에 실린더 별 점화시점을 정확히 보는 것으로 4실린더의 경우 0°, 180°, 360°, 540°, 720°로 보는 것이다. 또한 직렬파형으로 각 실린더 당 파워 밸런스를 볼 수 있다. 그리고 각도의 편차를 보아 컴퓨터에서 점화시기를 보정하는 가를 점검하면서 점화불량에 점화시기 보정인지, 아니면 제어계통의 결함으로 연료 보정에 의한 보정인지를 알 수 있으며, 공기흐름 속도의 변화로 인해 발생하는 엔진의 부조(흡입공기누출)현상 등을 점검할 수 있다.
① 직렬파형에서 순간 가속을 할 때 전체적으로 최대 점화전압이 5kV 이상 상승하면 점화플러그 전극의 간극이 큰 경우이다.
② 공전할 때 10～15kV 정도이면 정상이며, 이 이상으로 높아지면 외부 저항이 매우 큰 경우이다. 또한 높이의 편차가 5kV 이내이면 정상이지만 그 편차가 조금 심하면 점화시기 불량이 많고, 편차가 매우 심하면 각각의 연속적인 편차는 밸브 밀착 불량이나 압축압력 불량으로 발생하는 것이다.
③ 직렬파형에서 1개의 고압케이블을 뽑아 보았을 때 최대 점화전압이 40～50kV(전자제어 기관의 경우임)이면 정상이다. 이때의 높이는 점화코일의 최대 용량이다.
④ 배전기 캡 쪽의 고압케이블을 뽑았을 때, 예를 들어 2번 고압케이블을 뽑았는데 1전으로 최대 점화 전압이 왔다가 3번으로 갔다가 하는 것은 배전기 캡의 누전으로 판단할 수 있다.
<그림 27> 2차 직렬파형_6기통 엔진 및 2차 직렬 불량파형(3번 실린더)
(3) 2차 병렬파형
병렬파형으로 점검하는 목적은 스파크 지연시간을 알아보기 위함이다. 스파크 지연 시간이 0.8ms 이하이면 실화로 보며, 정상은 1.5～2.0ms 정도이다. 2.0ms 이상으로 길게 나오면 로터, 배전기 캡, 점화플러그 전극의 간극 과소 또는 오염, 압축압력 저하 등이다.
<그림 28> 2차 병렬파형(정상)
1. 측정배선연결
① 축전지 입력케이블: BAT ?, ?
② 트리거 픽업: 1번 실린더 고압케이블
<그림 29> 축전지 케이블 및 트리거 픽업
③ 멀티프로브: 흑색 프로브 - 차체접지, 컬러 프로브 - 점화코일 ?단자 또는 파워 TR 0C 단자
<그림 30> 멀티 프로브
<그림 31> 점화코일(-)
?DLI방식 차는 점화코일이 2개이므로 채널선을 2개를 사용해 점화코일 ?단자에 각각 따로 연결한다.
<그림 32> DLI 파워TR
<그림 33> DLI 점화코일
④ 점화2차프로브: 배전기 방식 - 중심고압 케이블(적색 프로브)
DLI방식 - 각 실린더 고압케이블(적색, 흑색 프로브)
※정극성(+)방전: 적색 프로브, 역극성(-)방전: 흑색 프로브 연결
<그림 34> 점화 2차 프로브 설치위치 및 2차 프로브
2. 측정순서
① 엔진을 워밍업 후 공회전시킨다.
② 초기화면에서 차 선택 아이콘을 클릭한 후 차의 제원을 설정한 다음 확인버튼을 클릭한다.
③ 스코프 테크 측정모드에서 점화 2차항목을 클릭한다.
<그림 35> 차종선택
<그림 36> 오실로스코프 클릭
④ 오실로스코프 상단의 환경설정 아이콘을 클릭한 후 측정제원을 설정한다. 모니터 하단의 채널선택을 파워TR 0C 단자 또는 점화코일 ?단자에 연결한 채널선과 동일한 채널선으로 채널 번호를 선택한다(확인 필수).
<그림 37> 오실로스코프 환경설정
⑤ 트리거 아이콘을 클릭한 후 측정창의 원하는 위치에서 트리거 레벨을 25KV 정도에 선택하면 측정화면이 고정된다.
⑥ 모니터에 표출된 점화 2차 파형과 데이터의 내용을 분석해 판정한다.
<그림 38> 점화 2차 파형
3. 파형분석
① 점화 2차파형의 피크전압은 8～15KV 사이가 정상이다.
② 드웰시간은 공전 때 3～5ms 사이가 정상이며 전압은 마이너스(-)로 떨어진다. 1차코일이 반응함에 따라 2차코일이 반응한다.
③ 스파크라인은 1.0ms 이상(0.8～2.0ms)이 정상이다.
④ 각 실린더간 피크전압의 차이는 3KV 이내가 정상이다.
⑤ 가속 때에는 공전상태보다 약 2～4KV 정도 증가한다.
<그림 39> 점화 2차파형 분석

【그림캡션】
그림 1 - 알터네이터 알터네이터 릴레이 점화스위치 충전경고등 스타트릴레이 인히비터 스위치 자동변속기 수동변속기 점화 로크 스위치 수동변속기 축전지 이그니션 로크 스타트 릴레이 스타터 1차점화코일 2차점화코일 점화코일1 점화코일2 콘덴서
그림2 - 점화 1차전류 통전시간 비정상
그림4 - 서지전압 화염전파시간(불꽃방전시간) 콘덴서 충방전 1차전류통전시간 배선 접촉저항 과다 때
그림5 - #2, 3번 실린더 노이즈 #1, 4번 실린더
그림26 - 최대점화전압(스파크 점화시점) 스파크라인 역서지전압
그림28 - 2 4 3 1
그림39 - 피크전압(서지전압): 정상일 때 7～13KV로 연소실, 압축비에 따라 가변적이며 다만 각 기통별로 차이가 적은 것이 균일한 화염 전파력을 생성한다는 데서 중요하다(기통간 차이가 4KV 이하이어야 한다) 통전시간(Dwell time): 점화계통의 1차코일에 전류가 6±0.5A가 될 때까지 통전되는 시간으로, 배터리 전압에 따라 다르며 통상 3～4msec가 된다 전류가 통하는 초기 짧은 순간에 역기전력이 발생하며 생기는 파형(약 -2.0KV 정도 발생) 2차전압의 방전전압으로 약 1.2～2.0KV가 정상이며 플러그의 간극, 압축비, 플러그 팁의 오염상태에 따라 달라진다 2차전압의 방전시간으로 약 1.5msec가 정상이며, 플러그의 간극, 압축비, 플러그 팁의 오염상태에 따라 달라진다