Automobilová diagnostika - naměřené průběhy z praxe

V úvodu cyklu o automobilové diagnostice jsme se seznámili s rozdělením na sériovou a paralelní diagnostiku. Nyní pokročíme k praxi v automobilové diagnostice. Mnohdy je třeba otestovat jednotlivé senzory a akční členy.

V této části se budeme věnovat naměřeným oscilogramům při paralelní diagnostice na automobilových systémech. Článek je rozdělen do dílčích celků začínající zapalovací soustavou přes vstřikování až po ostatní vstupní a výstupní veličiny.

Pomocí paralelní diagnostiky lze zjistit i mechanické závady...

Měření na zapalovací soustavě

V úvodu je nutno upozornit na možné nebezpečí při měření na vysokonapěťové části zapalování. V sekundární části zapalovací soustavy se nachází životu nebezpečně napětí! Nikdy nemanipulujte s měřícími sondami za běhu motoru. Měřící přípravky musí být vždy připojeny ke kostře motoru.

Primární část zapalování

Naměřené průběhy na primárním vinutí zapalovací cívky jsou na obrázku 1. Červená křivka zobrazuje napětí, modrá křivka proud. Zde je jasně vidět fáze sycení cívky od času -2ms do 0ms(trigger). Napětí je měřeno vůči kostře vozu, tedy invertovaný signál (cívka je sycena ve chvíli, kdy je spínač sepnut a je naměřeno napětí blízké nule). Ve chvíli sepnutí spínače (čas -2ms) je na cívce plné napájecí napětí a proud začíná exponenciálně narůstat. Ve chvíli rozepnutí spínače se proud prudce přeruší a vlivem skokové změny proud k nule se indukuje na primárním vinutí napětí několikanásobně větší než napájecí o opačné polaritě než bylo napájecí napětí. Indukované napětí se přičítá k napájecímu a je několikanásobně zvětšeno převodem indukční cívky a vyvedeno VN kabelem na zapalovací svíčku. Tento přechodný děj způsobuje oscilace, takže je možno naměřit velký překmit obou polarit, ale teprve kladná naměřená špička způsobí zapálení jiskry mezi elektrodami svíčky (v čase 0ms). Následuje většinou plynulé hoření jiskry po dobu více než 1ms (0÷1,6ms) dokud se nevyčerpá téměř všechna akumulované energie z cívky. Po uhasnutí oblouku ještě dojde k menším zákmitům ovšem k opětovnému zapálení jiskry v tuto chvíli většinou nedochází. Následně se napětí na indukční cívce ustálí k nule (na oscilogramu se ustálí k napájecímu napětí 12V) a čeká se na další fázi zapálení jiskry.

Obr. 1. Průběh na primární části zapalování (červená-napětí, modrá-proud 10A=1V)

Sekundární část zapalování

K měření na sekundární (tedy vysokonapěťové) části zapalování se používá jako snodna vysokonapěťové kleště HVC95, které jsou přesně uzpůsobeny k měření na zapalovacích kabelech o pruměru 3 až 15mm. Sonda má přepínatelný princip snímání: kapacitní/induktivní, takže uspokojí všechny potřeby měření.

Vysokonapěťové snímací kleště na zapalování k osciloskopu HVC95
Měření na sekundární části na zapalování se většinu provádí pomocí induktivních nebo kapacitních kleští. Galvanické sondy pro takto vysoké napětí většinou nemají tak velkou šířku pásma, aby bylo možno měřit špičkové napětí při zapálení jiskry nebo jejich cena je oproti kapacitní sondě několikanásobně větší.

Obr. 2. Průběh na sekundární části zapalování měřen VN kleštěmi HVC95

Další naměřené průběhy: Automobilová diagnostika - diagnostika poruch zapalování.

Měření snímačů otáček

V automobilech jsou nejčastější dva typy snímačů otáček. První je čistě pasivní(ve smyslu, že nepotřebuje žádnou el. energii dodávanou zvnějšku) snímač pracující na magnetické indukci - tedy indukční snímač. Druhý typ je již aktivní pracující na principu Hallova jevu v polovodičích, díky tomuto principu se těmto snímačům říká Hallův snímač.

Hallův snímač otáček na vačce

Hallův snímač otáček potřebuje pro svou správnou funkci vnější zdroj napětí. Většinou se jedná buď o napětí přímo po zapnutí klíčku (tedy svorka 15 s napětím +12V) nebo referenční napětí dodávané řídící jednotkou o hodnotě +5V. Hallův snímač jako celek je integrovaný obvod složený ze samotného polovodičového Hallova snímače, dále zesilovač pro zesílení signálu z tohoto snímače a následně tvarovač/komparátor. Výstupem je tedy již čistý obdélníkový průběh. Amplituda výstupního signálu se opět liší u různých typů snímačů, ale zpravidla bývá 12 nebo 5V. Dále výstup může být typu "otevřený kolektor" nebo push-pull (výstup je zdrojem poměrně tvrdého obdélníkového napětí).
V principu tedy snímač funguje následovně: vnější magnetické pole (tvořené permanentním magnetem umístěným ve snímači) je rozptylováno do činného prostoru snímače. Nachází-li se v tomto prostoru nějaký feromagnetický materiál (většinou ocelový výstupek), tak Hallův snímač naměří rozdílnou intenzitu magnetického pole než v případě prázdného činného prostoru. Poměrně malý signál úměrný velikosti intenzity magnetického pole je zesilován zesilovačem a následně přiveden na vstup tvarovače/komparátoru. Hranice mezi těmito rozdíly je nastavena jako komparační úroveň a výstup tvarovače odpovídá stavům "je feromag. materiál v prostoru" / "není feromag. materiál v prostoru". Výstupní signál je již napěťový obdélníkový s patřičnou amplitudou (5V nebo 12V).

Výstupní impulsy jsou tedy úměrné tvaru rotujícího předmětu okolo Hallova snímače. Většinou se jedná o výstupky půlkruhovitého tvaru nebo o různě široké impulsní výstupky.

Obr. 3. Průběh na výstupu Hallova snímače otáček na vačce při volnoběhu
(Citroën Berlingo 2,0HDI RHY)

Indukční snímač otáček na klice

Indukční snímač je pasivní snímač nevyžadující napájení zvnějšku. Snímač využívá elektromagnetické indukce vyvolané změnou magnetického toku cívkou snímače. Fyzicky se tedy jedná o cívku s mnoha tisíci závity namotanou na feromagnetickém jádře, na jednom konci je permanentní magnet jako zdroj magnetického toku a druhý konec směřuje do činného prostoru. Změnou magnetického toku vyvolanou pohybem feromagnetického materiálu v činném prostoru snímače se vytvoří elektromotorické napětí v cívce, které je vyvedeno na konektor snímače. Výstupní napětí je tedy přímo úměrné změně magnetického toku. V praxi to znamená, že výstupní napětí je zhruba sinusového průběhu a jeho amplituda j přímo úměrná rychlosti otáčení impulsního kola. Snímač je umístěn do místa v jehož okolí rotuje například setrvačník nebo řemenice mající na obvodu zuby. Chybějící zub v celé řadě slouží jako synchronizační. Pro správnou funkci snímače je důležitá vzdálenost snímače od impulsního kola, která zpravidla nesmí být větší než několik desetin milimetru.

Výstupní impulsy jsou tedy úměrné změně magnetického toku. V oblasti impulsního kola, kde jsou zuby mají od sebe stejnou vzdálenost je výstupní signál sinusový. V místě většího rozestupu zubů (chybějící zub - synchronizační puls) má výstupní signál větší amplitudu, ale delší periodu. To je způsobeno vetší změnou magnetického toku.

Obr. 4. Průběh na výstupu indukčního snímače otáček na klice při volnoběhu
(Citroën Berlingo 2,0HDI RHY)

Snímače otáček a časování rozvodů

Pomocí snímačů otáček lze zjistit i správnost nastavení časování rozvodů. Některé řídící jednotky dokonce poskytují informace správnosti nastavení rozvodů. Informace může mít charakter chybového kódu (něco ve smyslu "Chyba synchronizace vačkové hřídele" a pod.) nebo v naměřených údajích kolonka o počtu zubů impulsního kola na klice mezi synchronizačním pulsem na klice a na vačce. Tedy kolik zubů po synchronizačním impulsu na klice ještě proběhlo kolem snímače než se na vačce změnil signál z Hallova snímače. Tolerance bývá pár zubů, takže se tímto dá odhalit přeskočení rozvodového řemene nebo špatné nastavení rozvodů.
Další metoda zjištění správnosti nastavení časování rozvodů je měření signálů ze snímače na klice i vačce vícekanálovým osciloskopem. Vzájemná poloha synchronizačního pulsu a signálu z Hallova snímače na vačce nám může prozradit stav nastavení časování.

Obr. 5. Průběh na výstupu snímačů otáček na klice(červený) a na vačce(zelený) při volnoběhu
(Citroën Berlingo 2,0HDI RHY)

Na obrázku 5 je vyobrazen průběh napětí ze snímače otáček na klikové hřídeli a na vačce. Hallův snímač byl umístěn v blízkosti vačkového kola, kde byly vytvořeny tři výstupky pro snímač otáček na vačce. Tedy tři impulsy na jednu táčku vačkové hřídele (dvě otáčky klikové hřídele). Na klikové hřídeli (na setrvačníku) je pouze jeden vynechaný zub - tedy jeden synchronizační puls za otáčku. Měřené průběhy pocházejí z vozu Citroën Berlingo 2,0 HDI kód motoru RHY, systém Bosch ECD15C2.

Obr. 6. Průběh na výstupu snímačů otáček na klice(červený) a na vačce(žlutý) při volnoběhu
(Opel Zafira 1,8 16V Z18XE)

Na obrázku 6 je vyobrazen průběh napětí ze snímače otáček na klikové hřídeli a na vačce. Hallův snímač byl umístěn v blízkosti vačkového kola, zde byly vytvořeny dva čelní půlkruhy proti sobě. Jeden půlkruh byl na menším průměru a druhý na větším. Toto opatření bylo zvoleno pravděpodobně kvůli nízkému typu Hallova snímače, který potřeboval pro svou funkci střídat feromagnetický materiál v činném prostoru z jedné strany na druhou (tedy nestačilo pro správnou detekci jen stav "je výstupek" a "není výstupek". Tedy jeden impuls na jednu táčku vačkové hřídele (dvě otáčky klikové hřídele). Na klikové hřídeli (na setrvačníku) jsou dva vynechané zub - tedy dva synchronizační pulsy za otáčku. Měřené průběhy pocházejí z vozu Opel Zafira 1,8 16V kód motoru Z18XE, systém Simtec MS71.

Obr. 7. Detail průběhu na výstupu snímačů otáček na klice(červený) a na vačce(žlutý) při volnoběhu
(Opel Zafira 1,8 16V Z18XE)

Detail tvaru průběhu z indukčního snímače otáček je na obrázku 7.

Další naměřené průběhy synchronizace

Benzín

Diesel

Měření Kompresních tlaků osciloskopem

Kompresní tlaky jsou jednou ze základních mechanických parametrů pro správnou funkci motoru. Přestože se jedná o neelektrickou fyzikální veličinu, tak se dá snadno měřit orientačně i pomocí osciloskopu. Je k tomu ovšem třeba proudová sonda pro měření prostřednictvím startovacích proudů.

K měření kompresních tlaků prostřednictvím startovacího proudu se používá proudová sonda D-CA-CA01 s rozsahem 600A.

Proudová sonda 600A k osciloskopu

Startovací proud vs. kompresní tlaky

Mechanický odpor motoru je přímo úměrný také kompresním tlakům. Nebude zde sice lineární závislost (protože píst je spojen s klikou přes ojnici a síla působící na píst vlivem kompresního tlaku způsobuje kroutící moment závislý také na úhlu otočení klikového mechanismu), ale tato nelinearita je stejná u všech válců a pro orientační měření bohatě dostačuje. Samotný převodník mechanického odporu motoru na elektrický signál je již na každém voze namontován z výroby - jedná se o startér. Čím větší mechanický odpor motor vytváří tím větší je startovací proud. Tedy měření startovacího proudu osciloskopem nám může ukázat rozdíl v kompresních tlacích mezi jednotlivými válci. Sice (bez ocejchování) nezjistíme absolutní hodnotu kompresních tlaků, ale rozdíl mezi válci je již patrný na první pohled. Nízký kompresní tlak se projeví jako snížený startovací proud pro daný válec.

Obr. 8. Průběh startovacího proudu na poškozeném motoru
(Opel Tigra 1,6 16V)

Na obrázku 8 je vidět naměřený startovací proud motoru Opel Tigra 1,6 16V s poškozeným prvním válcem. Při nastavení osciloskopu je vhodné nastavit časovou základnu na 500ms/dílek a vertikální rozlišení cca 200-300A na obrazovku. Na počátku startu je proud špičkově větší než cca 300A, ale po roztočení motoru se startovací proud pohybuje u malo objemového benzínového motoru okolo 100A. Čím větší objem tím větší startovací proudy, u naftového motoru jsou startovací proudy zhruba dvojnásobné.

Další naměřené průběhy startovacího proudu

Benzín

Diesel

Komplexní měření na motorech commonrail

Výhoda paralelní diagnostiky, konkrétně měření osciloskopem, je že nám neunikne žádný okamžik a jsme schopni zjistit co je příčina a co následek. Obvyklým problémem například u systémů common-rail je problém s nestartujícím motorem nebo úbytek výkonu při jízdě a následný přechod do záložního režimu. Sériová diagnostika nám mnohdy nemusí napsat žádný chybový kód nebo jen obecnou chybu regulační odchylky a podobně. V tomto případě již sériová diagnostika nestačí, přestože je možno sledovat naměřené parametry nebo dokonce tyto parametry logovat do souboru. Za povšimnutí stojí doba mezi jednotlivýma naměřenými hodnotami případně počet naměřených parametrů za vteřinu. Nejsme-li nároční a necháme si zobrazit například jen čtyři nejdůležitější parametry, tak mnohdy počet uložených parametrů za vteřinu nepřekročí 3 měření/vteřinu. To jest doba mezi jednotlivými měřeními asi 300ms! Osciloskopické měření při logování průběhů na čtyřech kanálech může mít vzorkovací frekvenci například 20kS/s neboli 20tisíc měření za vteřinu. Je tedy jasné, že paralelní diagnostika v tomto případě je schopna podat mnohonásobně více informací než sériová diagnostika.

Obr. 9. Průběh bezproblémového startu motoru Ford 2.2TDCI commonrail Delphi

Na obrázku 9 je zaznamenán průběh bezproblémového startu motoru se systémem commonrail Delphi. Červený kanál snímá napětí na vstřikovači (z toho je patrný okamžik vstřiku neboli kdy motor začne chytat, zelený kanál je napětí ze snímače tlaku paliva (FRP senzor) a žlutá křivka je střída signálu ovládání ventilu regulace tlaku paliva (IMV) měřená převodníkem D2Vconv. Oscilogram můžeme rozfázovat na tři části. V první části při vypnutém zapalování jsou všechny hodnoty na nule, po zapnutí zapalování naběhne střída ovládání IMV na maximum, napětí na jednom vývodu vstřikovač vůči kostře je napájecí napětí a FRP je ve výchozí hodnotě. Třetí fáze je okamžik startu, kdy se jednak na průbězích projeví i kolísání napájení při startu, ale hlavně začne celý systém pracovat. Tlak paliva začne plynule narůstat, odezva na toto je regulace tohoto tlaku pomocí klesající střídy signálu IMV. Dosáhne-li tlak paliva určitou minimální hranici, tak se spustí i vstřiky. V tuto chvíli již motor běží a plynule přejde do volnoběhu, kde je udržován. Tomuto stavu odpovídá téměř konstantní tlak paliva a frekvence vstřikování.

Měření dobíjení - alternátor

Typickým příkladem, kde se dá velice dobře využít měření osciloskpem je právě proměření dobíjecí soustavy - konkrétně alternátoru. Zběžné měření napětí na akumulátoru voltmetrem nemusí být dostatečmé. Typický případ je vadný diodový můstek v alternátoru. Pak regulátor sice doreguluje napětí na správnou mez, ale alternátor má podstatně nižší výkon než jmenovitý a vadné diody můžou způsobovat pokles napětí, které není voltmetrem zaznamenatelné.

Příklad měření dobíjení osciloskopem

Škoda Felicia Alternátor Magneton

Jeden případ za všechny... Takto by se dalo shrnout následující měření. Na třífázovém devítidiodovém alternátoru ve voze Škoda Felicia 1,3MPI po nastartování slabě svítila kontrolka dobíjení. Dobíjecí napětí voltmetrem bylo změřeno 13,2V. Po podrobnějším měření osciloskopem bylo jasné kde je problém.

Obr. 10. Naměřený průběh napětí na výstupu vadného alternátoru - stejnosměrná vazba

Obr. 11. Naměřený průběh napětí na výstupu vadného alternátoru - střídavá vazba

Osciloskop nastaven na 5V/dílek, časovka kolem 5ms/dílek, stejnosměrná vazba: na osciulogramu je vidět dobíjecí napětí kolísající kolem 13V, pro bližší prozkoumání je vhodné použít střídavou vazbu, citlivost okolo 0,5V/dílek a časovku kolem 1ms/dílek. Zde jsou již vidět příspěvky jednotlivých fází, přičemž z 6-ti "vlnek" dvě scházejí. Počet chybějících vlnek případně hodnota napětí na které klesne je závislá na rozsahu poškození usměrňovače (dioda může být přerušená nebo zkratovaná a kombinace několika různě poškozených diod dává více možných průběhů výstupního napětí...)
Alternátor byl rozebrán a proměřením diodového můstku byla zjištěna přerušená jedna plusová a jedna mínusová dioda na stejné fázi. Oprava spočívala ve výměně celého diodového můstku, přetočení sběrných kroužků (kolektoru), výměna ložisek, uhlíků a dále poškozeného odrušovacího kondenzátoru se Zenerovou diodou. Naměřené průběhy po opravě jsou na obr. 12-13.

Obr. 12. Naměřený průběh napětí na výstupu opraveného alternátoru - stejnosměrná vazba

Obr. 13. Naměřený průběh napětí na výstupu opraveného alternátoru - střídavá vazba

Po opravě již na osclilogramu nechybí žádná vlnka, dobíjecí napětí bylo 14,1V a alternátor byl schopen dodávat plný výkon.

Ford Focus-I

Dalším pěkným příkladem je měření alternátoru na voze Ford Focus-I. Alternátor je řízen jednotkou PCM. Dobíjecí napětí měřeno digitálním voltmetrem se pohybovalo okolo 13V. Osciloskop však ukázal mnohem více. Na osciloskopu je jasně vidět vada usměrňovacího můstku.

Obr. 14. Naměřený průběh napětí na výstupu vadného alternátoru

Měření spouštěče - startéru

K měření startovacího proudu se používá proudová sonda D-CA-CA01 s rozsahem 600A.

Proudová sonda 600A k osciloskopu Jedním z dalších komplexních měření osciloskopem je měření spouštěcí soustavy - tedy akumulátor/silové vedení/(žhavení)/startér. Jelikož je proces startu poměrně krátký a navíc přechodný děj, tak ho nelze dobře zachytit pouhým multimetrem.
Měření spuštěcí soustavy je vhodné provádět dvoukanálovým osciloskopem s proudovou sondou. Jeden kanál bude měřit startovací proud a druhý kanál napětí na akumulátoru nebo na startéru případně v případě tříkanálového osciloskopu je vhodné měřit napětí jak na akumulátoru tak na startéru.

Startér Ford Focus-I 1,8TDDI

Startér Ford 1S4U-11000-AA 12V 2,2kW na voze Ford Focus 1,8TDDI. Příznaky: špatné starty, vybíjející se akumulátor, studený špatně chytá. Akumulátor proměřený zátěžovým testem U=11,2V (@90A 10s), přechodové odpory na kostřícím kabelu eliminovány z 0,5V (@90A) na 0,15V(@90A). Červený signál - startovací proud (250A/d), žlutá napětí na akumulátoru (5V/d)

Obr. 14. Komplexní měření akumulátoru-startéru - vadný startér

Na naměřeném oscilogramu je jasně vidět fáze zapnutí klíčku, žhavení a následný start. Startovací proud se pohybuje vysoko nad nominální hodnotou. Byl diagnostikován vadný startér s pravděpodobně mechanickou závadou nebo vadným rotorem. Po rozebrání startéru bylo objeveno vadné zadní pouzdro rotoru, rotor byl vyosen, dřel o uhlíkový držák a o magnety statoru. Jeden magnet statoru byl rozbitý.

Obr. 15. Komplexní měření akumulátoru-startéru - nový startér

Po výměně startéru za nový (oprava původního vzhledem k poškoení byla nerentabilní) klesl startovací proud na nominální hodnotu a zmizely zákmity proudu

Měření na datové sběrnici CAN-BUS

Osciloskopem se dá měřit i na HW úrovni signál na datové sběrnici CAN BUS. Konkrétně nás zajímá tvar signálu, napěťové úrovně a případně celý rámec (přenosová rychlost, paket atd).

Obr. 16. Průběh signálu na datové sběrnici pohonu CAN BUS elektroniky ovládání trubodmychadla FORD

Měření Lambdasondy

Osciloskopické měření činnosti Lambdasondy patří k základním mšřením při diagnostice motoru. Je třeba dbát hlavně na napěťové úrovně, strmost signálu a četnost změn.

O lambdasondách toho již bylo napsáno mnoho jak teoreticky, tak i prakticky, proto se této části vyhneme a popíšeme si rovnou jeden typický oscilogram.
Osciloskop je vhodné nastavit na pomalý běh (typicky časovku 500ms/dílek) a vstupní citlivost takovou, aby byla mřížka osciloskopu pokryta v co největší ploše. Tedy citlivost 0,5V/dílek případně 0,1÷0,2V/dílek podle hustoty mřížky osciloskopu. Signál z Lambasondy by měl nabývat hodnot v rozpětí 0÷1V. Typický nasnímaný oscilogram je uveden na obrázku 16. Zde je měřena nová Lambdasonda s fungující Lambdaregulací (uzavřená smyčka). Náběžné a sestupné hrany jsou strmé. Staré případně jinak poškozené Lambdasondy vykazují pomalé hrany - tzv. "líný" signál. Dále je důležité rozpětí. Při chudé směsi by napětí mělo být v rozmezí 0÷0,2V a při bohaté směsi cca 0,7÷0,9V. Poslední sledovaný parametr je četnost změn - neboli frekvenci s jakou osciluje lambdaregulace mezi chudou a bohatou směsí. Pro toto měření je vhodné měřit za zvýšených volnoběžných otáčkách. Správně fungující Lambdaregulace má několik cyklů za sekundu. Pokud je Lambdaregulace narušena nějakou poruchou nebo dokonce otevřená smyčka, tak signál z Lambdasondy bude převážnou většinu času na chudé nebo bohaté směsi.

Obr. 17. Měření na nové lambdasondě (motor Opel X14XE)

Na obrázku 16. je typický průběh správně fungující Lambdasondy a lambdaregulace. Postupně budou přidávány i příklady špatně fungující případně poškozené Labdasondy.

14.12.2011(doplněno 22.11.2014) Jiří Blecha

<img src="http://toplist.cz/dot.asp?id=1121555" border="0" width="1" height="1" />