디젤차량의 EGR 시스템 불량으로 인한 주행 중 간헐적인 엔진부조 현상의 고장 진단 및 주원인분석 연구

1. 서 론

현대 사회 문명의 발전과 더불어 자동차의 기술 또한 급속도로 발전하고 있다. 이에 따라 소비자는 자동차가 단순 운송수단으로써의 역할에 충실할 뿐 아니라 안전성, 디자인, 편리성, 고연비, 고출력, 과저소음, 저진동(NVH Noise, Vibration, Harshness) 등의 운송수단 이상의 가치를 가진 자동차 구입을 원한다.^1,2) 이와 더불어 미래자동차의 흐름과 방향은 친환경 자동차에 대한 관심과 규제가 함께 높아지는 형태를 지닌다. 현재까지의 자동차 기술의 발전은 자동차 IT기술의 발전 없이 불가능한 일이었으며, 미래자동차인 친환경 자동차 발전의 뒷면에도 자동차 관련 IT기술이 필수적이다. 이러한 자동차 관련 IT기술 중 차량 내 각종 시스템을 제어/실행하는 중추를 맡은 것은 차량 내 통신 CAN 이다.^3,4)

그러나 차량 내 통신 CAN 네트워크 통해 각종 시스템을 제어할 시 오류로 인해 간헐적으로 차량의 이상(시동꺼짐, 가속불량, 엔진 부조,엔진 경고등 점등 등)이 발생하며 이러한 이상 발생 시 원인 분석이 어렵다는 한계가 있다.^5,7,8) 시동 꺼짐, 가속불량, 엔진 부조, 엔진 경고등 점등 등을 포함한 주행 중 간헐적 차량 이상의 원인 진단 및 분석을 위해 자동차 진단 장비 스캐너(Hi-Scan tool) 장비나 엔진 종합테스트기(HI-DS,GDS)을 활용하려는 시도들이 있으며 해당 장비들은 간헐적인 이상 외에도 지속성을 가지는 고장 현상의 진단 및 원인 분석에도 활용한다.

간헐적인 차량 이상의 원인 진단 및 분석이 어려운 이유는 CAN 통신 네트워크가 많은 부품으로 구성되어 있으며 이상 현상이 지속 되지 않고 순간적으로 사라져 버린 후, 정상 작동하기 때문인데 이와 같은 간헐적 현상을 분석, 판독하기 위한 진단장비로 최근에는 EDR(Event Data Recorder)사고기록장치, 차량운행정보기록장치, VCI(Vehicle Communication Interface), D-logger 등의 장비를 사용할 수 있다. 해당 연구에서는 G사의 D-logger 장비를 사용한 간헐적 차량이상의 진단 및 원인 분석 방법을 서술하고 간헐적 이상 현상 발생 시의 작업방법을 일반화된 진단 프로세스로 정립하고자 한다.

2. 연구 범위

2.1 연구 대상 시스템

연구 대상 시스템은 H사의 디젤 CRDI 2.0 차량으로 엔진의 사양은 Table 1과 같으며 장착위치는 Fig. 1과 같다.

Table 1

Specification of engine

Fig. 1

Exhaust gas recirculation

2.2 연구대상 시스템의 기능 및 구성

EGR(Exhaust Gas Recirculation) 밸브 액츄에이터는 Fig. 1과 같이 엔진의 헤드 부위에 창착되어 있으며, DC 모터제어 방식의 전자식 EGR 액츄에이터는 ECM(Engine Control Module)을 통해 EGR 밸브 액츄에이터를 직접 구동한다. EGR 밸브 액츄에이터는 위치센서가 장착되어 있어 밸브 고착 등 오작동을 감지하는 기능 또한 가지고 있다. ECM은 연소실에 재순환되는 배기가스량을 EGR 밸브 액츄에이터를 통해 제어 한다. 즉, EGR 밸브 액츄에이터 작동으로 산소가 없는 EGR가스가 연소실에 유입되면, 산소가 포함된 공기가 상대적으로 엔진에 유입되는 양이 줄어든 것을 엔진 흡기 매니폴드 측에 흡입 공기량 출력값으로 연산⁶⁾하는 것이다. ECM은 이렇게 연산한 흡입 공기량정보로 EGR 시스템을 피드백 제어하며 이는 계측된 흡입 공기량에 의해 연료분사량이 결정되는 가솔린 엔진과는 차이점을 보인다. 아래의 Fig. 2는 EGR 밸브의 전장 회로도이다. Table 2와 Table 3은 엔진 경고등 점등 시 진단 장비 스캐너를 통해 확인할 수 있는 고장코드와 각 코드들의 조건을 나타낸다. Table 2는 고장 코드 중 P040400코드의 고장 판정 조건을 나타내며, 엔진이 작동 중일 때 EGR 밸브 액츄에이터의 재순환율이 설정값보다 낮을 시 이에 해당하는 현상, 세부조건, 가능한 고장원인, 가동되는 안전모드 등을 나타낸다. Table 3은 고장 코드 중 P040500 코드의 고장 판정 조건을 나타내며, 엔진이 작동 중일 때, EGR 밸브 액츄에이터의 제어 위치 센서 신호값이 Diagnostics Trouble Code(DTC) 정보 상태보다 낮을 경우의 현상, 세부조건, 가능한 고장 원인, 가동되는 안전모드 등을 나타낸다. 이런 고장코드는 간헐적 현상 보다는 지속적인 고장원인분석으로 파악 가능하여 주요 원인 및 검사 방법은 다음과 같다.

Fig. 2

Circuit diagram of ECM

Table 2

Failure condition of EGR valve (failure code: P040400)

Table 3

Failure condition of EGR valve (failure code: P040500 )

첫 번째로 EGR 밸브 액츄에이터가 고장인 경우가 있다. 이러한 경우, 단품검사를 실시해야 하며 강제 구동하여 진단 장비 스캐너로 상태를 확인하는 방법을 취한다.

두 번째는 EGR 밸브 액츄에이터의 배선의 상태 이상으로 배선의 연결상태를 점검해야 한다.

세 번째는 EGR밸브 액츄에이터를 제어하는 ECM제어 불량으로 이는 추가적인 확인을 필요로 한다.

3. 고장 진단 방법 및 분석

3.1 고장진단 장치의 설치

본 연구의 연구 대상 차량인 H사의 디젤 CRDI 2.0 주행 중 간헐적으로 차량 이상(시동꺼짐, 가속불량, 엔진부조, 엔진경고등)을 일으키는 현상의 원인을 분석하기 위하여 G사의 D-logger장비를 설치해야하며, 장비구성 및 장착 개략도는 Fig. 3과 같다.

Fig. 3

Installation of D-logger equipment

차량의 On-Board Diagnostics(OBD) 단자에 VCI를 장착하고, 시가젝에 트리거 모듈을 설치하여 IG2에 전원 공급이 될 수 있도록 설치한다. 해당 장비의 설치를 통하여 주행 시 차량의 이상 발생 시 Trigger Module의 Trigger Bbutton을 작동하여 차량의 고장데이터를 VCI 또는 CVCI 장비에 저장할 수 있다. 자세하게는 각종 제어기 네트워크의 CAN 통신을 사용하는 제어기의 Trigger Module의 Trigger Button 기능을 활용하여 이상 상황발생 시 ECM/TCU 등 상황 데이터를 몇 차례 저장할 수 있다. 해당 기능은 2가지 대안을 제공하는데, 첫 번째 옵션은 고장발생 전 50초, 발생 후 10초, 총 60초를 저장할 수 있으며, 두번째 대안은 고장발생 전 110초, 발생 후 10초, 총 120초의 상황데이터를 저장할 수 있다. 저장 용량은 기본 4 GB SD카드(66시간 저장), 최대 32 GB 지원으로 사용한다.

3.2 데이터의 수집

Fig. 3과 같이 대상 차량에 D-logger 장비를 장착한 후, 이상상황이 발생할 때 까지 주행 테스트를 실시한다(Run to failure test). 주행테스트 운전 시 주의사항은 Trigger Module의 Trigger button 전원인 노란색 점등 램프가 작동되는지 확인해야 한다. 또한 Trigger module의 Trigger button 전원 불량 또는 Diagnostic connector CAN 배선 연결 불량으로 작동 오류가 발생할 수 있기 때문에 주행 테스트 시 이 점을 고려하여 테스트를 실시해야한다. 고장 현상 발생이 매우 간헐적으로 나타내기 때문에 주행 중 고장 현상이 발생하면 즉시 Trigger Module의 Trigger button을 눌러 제어기 네트워크의 Diagnostic connector CAN 통신를 이용하여 VCI 내장 메모리 또는 CVCI USB에 해당 현상을 기록한다.

Fig. 4와 같이 VCI 또는 CVCI USB에 있는 데이터를 Record Order하여 분석 프로그램인 D-Logger Data Analyzer로 고장원인을 분석한다.

Fig. 4

D-logger equipment for fault diagnosis and analysis

3.3 데이터 분석

3.3.1 고장현상 발생 시 주행 데이터분석

Fig. 5는 주행 중 간헐적 엔진부조 현상이 발생했을 경우의 데이터를 수집한 실제 사례이다. CVCI에 약 122여개 항목에 대한 데이터가 수집되었으며 데이터 기록시간은 120 sec로 분석대상 시간은 10 sec에서 30 sec 사이이다. CVCI에 저장된 데이터 중 고장현상이 발생되었던 때의 각종 센서 출력 데이터를 분석하여 간헐적 엔진부조 현상의 원인을 파악할 수 있다.

Fig. 5

Engine hesitation example collected through D-logger

Fig. 5의 커서1(10 sec상 위치), 커서2(26 sec상 위치)에서의 자동차 이상 모드 센서출력 값 변수 데이터는 Table 4와 같다. H사의 디젤 차량 서비스 데이터는 엔진 Coolant temperature(°C)는 각각 37.76 °C, 에서 39.26 °C. 중온상태이며 자동차 흡기계통 흡기 매니폴드 입구에 흡입 공기량은 각각 258 mg/Hub, 에서 429 mg/Hub이며 ALT battery voltage (V)발전기 전압 데이터 12.5 v에서 14.2 v였다. 이를 통해 정상적으로 발전이 되고 있는 상태임을 알 수 있다. 주행 관련 변수인 차량 속도의 값이 0 km/h이며 Gear ratio (th)기어 데이터를 통해 차량은 정지 상태이며, 기어가 N중립, 액셀페달이 0 %인 상태에서 커서1의 Engine RPM(엔진 회전수)는 725 RPM, 커서2의 엔진 회전수는 908 RPM인 것으로 보아, 엔진 부조의 현상이 발생하였다고 판단할 수 있는 불안정한 공회전을 하고 있지만, 고장코드가 뜨고 있지 않음을 알 수 있다.

Table 4

Data of driving condition

3.3.2 고장 원인 분석

CVCI에 기록된 데이터 중 간헐적 이상이 발생된 시점 부근의 데이터를 자세하게 분석하기 위하여 Fig. 6과 Fig. 7을 참고할 필요가 있다. 간헐적 이상 시 여러 센서로 부터 수집/출력된 데이터를 분석하기 위해서 Fig. 6에서의 0~120 sec 중 Fig. 6의 분홍색으로 표기된 엔진의 RPM의 변동이 큰 10~30 sec 사이 영역을 집중 분석하고자 한다. Fig. 6과 Fig. 7에서 알 수 있듯이 차량 시동 후 액셀페달이 0 %인 상태 EGR 밸브 액츄에이터가 약 0~27 %의 불규칙한 변화를 보이며, 엔진 공회전상태에서 엔진 회전수의 변화가 약 725~908 RPM의 불규칙한 변화를 나타냄을 확인할 수 있었다. 정상 상태일 경우 엔진 회전수 변화가 약 725 RPM일 때 흡입 공기량의 이론적인 필요량은 276.7 mq/Hub이며, 실제 엔진 흡기 계통에 측정한 흡입 공기량 값은 258.1 mq/Hub 인 것을 확인할 수 있다. 반면 엔진회전수가 약 908 RPM일 때 엔진 흡기 계통에 흡입 공기량이 488 mq/Hub 필요한량 반해, 실제 엔진흡기계통에 흡입 공기량 측정 값이 429 mq/Hub 유입되고 있으며 이는 이론적인 필요량과 실제 흡입 공기량이 71 mq/Hub 차이가 발생함을 알 수 있었다. 그 외의 공연비 제어 계통은 특이사항이 없으며 과거 및 현재의 고장코드는 ‘고장코드 없음’임을 확인할 수 있으므로, 해당 차량의 간헐적 엔진부조현상은 EGR 계통불량으로 인해 엔진 회전수가 불규칙하게 변화하는 문제로 판단할 수 있는 근거가 된다.

Fig. 6

Save to D-logger equipment failure data

Fig. 7

Parameter of installed engine

3.3.3 고장 원인 규명

엔진 회전수가 불안정 작동 될 수가 있는 조건을 규명하기 위해서 엔진 회전수를 불안정하게 작동할 수 있게 만드는 원인 부품에 대한 검사가 필요하며, 세 종류의 검사를 통해 대부분의 고장 원인을 규명할 수 있다.

첫째 원인부품은 EGR 밸브로 Fig. 9와 같이 매연에 의해 카본이 퇴적되어 EGR 밸브의 내구성 불량의 변형이 발생하는 경우가 존재하며 이러한 원인인 엔진 부조현상 및 가속불량에 영향을 야기할 수 있다.

Fig. 8

EGR Valve

Fig. 9

Engine control wiring

둘째, 가속 시 엔진 구동력의 반작용으로 발생하는 진동에 의해 엔진 컨트롤 와이어링 하네스 배선의 고정이 제대로 되지 않는 경우, 이로 인해 자동차 차체의 간섭으로 인해 EGR 밸브 신호선의 순간적인 단선 및 Short가 발생할 수 있다(Fig. 9).

Fig. 10

HI-DS Equipment

Fig. 11

Diesel Tester

이러한 경우 Fig. 10의 진단장비인 HI-DS 및 디지털 전압측정을 통해 원인 분석이 가능하다.

셋째, 유사경유를 사용하였을 경우도, 이와 같은 현상이 발생할 수 있다. 이러한 경우, Fig. 11의 테스트기를 사용하여 연료탱크 내의 연료에 대해 불량연료 성분 검사를 실시하여 원인 규명이 가능하다.

연구 대상 시스템인 H사, 디젤 CRDI 2.0의 주행 중 간헐적 차량 이상모드(시동꺼짐. 가속불량. 엔진부조. 엔진경고등)는 첫 번째로 제시된 매연 카본퇴적에 의한 EGR 밸브 액츄에이터의 기능과 내구성의 문제로 인한 경우가 가장 많았다.

두 번째로 제시된 자동차 배선에 의한 차량 이상 모드가 다음 순서로 빈번하게 발생하였으며, 세 번째로 제시된 유사경유로 인한 문제 또한 주요 원인 중 하나이다.

3.3.4 고장원인 진단 프로세스

상기 서술한 간헐적 엔진부조현상의 진단 및 원인 추적 프로세스를 정리하면, Fig. 12와 같다. 주행 중 간헐적 부조현상이 발생되었지만 입고 시 재현이 불가하다면 DTC를 진단하여 DTC가 있는 경우 DTC 조건 해석을 진행한다. 만약, DTC가 존재하지 않는다면 초도분석을 수행하는데, 초도분석은 운전상태/성향, 발생조건 등을 묻는 고객경험 인터뷰, 연료상태나 차량의 개조여부를 묻는 사용환경 점검, 누유/누설 혹은 사고 흔적등을 확인하는 시각점검, 센서, 액츄에이터, 배선 등을 점검하는 성능점검을 수행하는 것을 포함한다. 이 후 D-logger를 장착하여 시운전하거나 역추적 진단 등을 통해 심층분석하고 결과를 정리하여 수리범위를 산정하고 수리, 검증하는 프로세스로 고장원인을 진단할 수 있다(Fig. 12). 특히, 이론적 목표 흡입공기량과, 실제 흡입공기량이 다르면서 RPM이 불규칙한 변화를 보일 경우 EGR 계통 불량으로 인한 간헐적 엔진부조현상이라도 판단할 수 있다.

Fig. 12

Standardized diagnosis/repair process

4. 결 론

본 논문에서는 H사의 디젤 2.0차량에서 주행 중 간헐적으로 엔진이 부조하는 불규칙적이고, 난이한 고장현상을 D-logger장비를 사용하여 정확하고, 효과적으로 진단/고장원인을 분석하는 연구를 수행하였다. 고장현상이 잘 발생하는 주행방법으로 시험주행을 하면서 주행 중 고장현상의 변수를 기록하고, 이 데이터를 Analyzer를 통해 정확하게 원인을 분석하여 고장을 진단, 원인에 대한 분석이 가능했다.

엔진 부조의 주요 원인은 EGR 밸브의 손상, 엔진 컨트롤 와이어링의 손상, 유사 연료의 사용 등이 있음도 확인할 수 있었다.

또한 본 논문에서 제시된 과정을 통하여 차량을 정상 상태로 복구시킬 수 있었는데 실제사례 연구에서 차량 이상의 원인이 EGR 밸브의 손상으로 인한 것으로 판단되어 제시된 과정을 따라 EGR 밸브를 신품으로 교환한 후 동일 주행 테스트를 실시한 결과, 엔진 부조 발생되지 않음을 확인할 수 있었다.

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