Program BENEFIT
Materiały szkoleniowe
DIAGNOSTYKA CZUJNIKÓW
W POJAZDACH SAMOCHODOWYCH
Cz.I
Akademia Techniki Samochodowej AD
SPIS TREŚCI
1.Wprowadzenie
.. 3
2.Czujniki prędkości obrotowej wału
korbowego
.. 4
2. l Czujnik magnetoindukcyjny
.. 4
2.2 Czujnik Halla-jako czujnik
położenia wału korbowego
. 5
3.Czujniki położenia wałka rozrządu
. 6
4. Czujniki temperatury
7
4. l. Czujnik temperatury płynu chłodzącego NTC - o
ujemnym współczynniku temperaturowym (NTC-Negative Temperaturę
Coefficient).
4.2. Czujnik
temperatury powietrza
. 8
4.3.Czujnik temperatury oleju silnikowego
.. 10
4.4. Czujnik temperatury paliwa
.. 10
5.Czujnik ciśnienia układu
dolotowego MAP
. 10
6. Czujnik ciśnienia atmosferycznego
11
7. Czujnik tlenu (sonda lambda)
.. 11
7.1.
Sonda lambda napięciowa
12
7.2Sonda lambda rezystancyjna (tytanowa)
. 13
7.3 Układ wydechowy z dwiema sondami lambda
. 14
7.4.
Sondy uniwersalne
. 15
8. Czujnik spalania stukowego
16
9. Przepływomierz masowy powietrza
16
9. l. Budowa masowego przepływomierza
powietrza HFM5
. 17
9.1.1. Wizualizacja procesu
pomiarowego przepływomierza
. 17
9.1.2. Problemy eksploatacyjne
.. 18
9.
l .3 Problemy diagnostyczne
18
9.2 Przepływomierz cyfrowy
HFM6
19
9.4.
Przepływomierz ultradźwiękowy Karmana
. 20
10 Literatura
21
l. Wprowadzenie
Wraz ze wzrostem
postępu w dziedzinie elektroniki, wyroby tej grupy znajdują coraz
szersze zastosowanie w samochodach. Nieliczne kiedyś, dzisiaj są
upakowane niemalże w każdej części samochodu począwszy
od przedziału silnikowego poprzez przedział pasażerski a
skończywszy na zderzakach pojazdu.
Jednostka centralna
ECU (Electronic Control Unit) - mózg systemu', analizuje sygnały
dochodzące z czujników i na ich podstawie podejmuje decyzje i wydaje
polecenia na drodze elektrycznej układom wykonawczym. Tak więc
każdy system sterowania zbudowany jest z czujników i nadajników
wartości znamionowych, jednostki centralnej oraz elementów wykonawczych.
Ogólną
prezentację z zakresem występowania już istniejących
czujników przedstawiono na rys. l.
Rys. l. Czujniki w
różnych układach pojazdu [l]
Z czujników
wychodzą różne sygnały wyjściowe. Mogą nimi być:
napięcie, natężenie prądu, wartość amplitudy,
częstotliwość lub okres oraz współczynnik wypełnienia
impulsu. Sygnał może być analogowy lub cyfrowy.
W schematach
funkcjonalnych możemy napotkać oznaczenia czujników na podstawie ich
stopnia integracji.
SE - czujnik lub grupa czujników
SA - obróbka analogowa sygnału
A/D - przetwornik analogowo cyfrowy
SG - sterownik cyfrowy MC
- mikrokomputer
Oznaczenia te
mogą być przyporządkowywane do jednego układu
sterującego zależnie od stopnia integracji czujnika, np.:
2. Czujniki
prędkości obrotowej wału korbowego
Są umieszczone w
miejscu umożliwiającym pomiar kąta obrotu <P wału
korbowego lub prędkość kątową cd (przebytą
drogę w jednostce czasu). Pomiar ten jest względny. Układ
pomiarowy składa się z czujnika i koła zębatego.
2.1. Czujnik
magnetoindukcyjny
Przetwornik
magnetyczny na wale korbowym. Nie wymaga zewnętrznego zasilania.
Poprawność działania można sprawdzać po
odłączeniu od instalacji samochodu. Odległość
pomiędzy końcówką czujnika a kołem impulsowym wynosi
najczęściej 0,8-1,2
mm. Sprawdzamy oporność uzwojenia z
instrukcją serwisową oraz wartość indukowanego
napięcia. Opór czujnika mieści się zwykle w granicach 200-9000
(sprawdzaj prawidłowe wartości w instrukcjach serwisowych).
Wartość napięcia indukowanego przez czujnik podczas rozruchu powinna
być wyższa niż 0,8V. Można go sprawdzać zwykłym
multimetrem (Ω, V) oraz
oscyloskopem - pełny przebieg sygnału.
Rys. 2. Obraz
oscyloskopowy czujnika indukcyjnego obrotów wału korbowego
Przegięcie z
przesunięciem na oscylogramie występuje ze względu na
usunięcie zęba/zębów na kole zębatym lub brak wrębu
zęba. Miejsce przegięcia informuje sterownik o położeniu
tłoka w pierwszym cylindrze. W różnych silnikach wartość
tego kąta w stosunku do położenia GMP pierwszego cylindra
może być różna. Dla przykładu w silniku VW 1,8 20V typ AGN
występuje 78° przed GMP zaś w silniku 2,3 25 V typ AGZ - 172° przed
GMP. Może mieć dwa lub trzy styki. W przypadku trzystykowego styk
dodatkowy jest ekranem przewodów cewki. Na schematach literatury serwisowej
Vivid WorkShopCD posiada zawsze nr 39 -jeśli jest magnetoindukcyjny.
Rys. 3. Czujnik
magnetoindukcyjny położenia wału korbowego - dwu i
trzystykowyjako element systemu w układzie z ECU. A- wg schematów Bosch, B
- Vivid WorkShopCD
W przypadku awarii
czujnika, silnika nie da się uruchomić a jeżeli pracował zatrzyma się.
2.2 . Czujnik Halla
-jako czujnik położenia wału korbowego
Są samochody, w
których jako czujników położenia wału korbowego wykorzystuje
się czujniki Halla (np. niektóre modele BMW). Do precyzowania
położenia wału korbowego wykorzystywane jest zjawisko Halla - w
przewodzie przez który płynie prąd elektryczny, strumień
elektronów zostaje odchylony przez zewnętrzne pole magnetyczne prostopadle
do kierunku przepływu prądu
i prostopadle do
kierunku pola magnetycznego.
Czujniki
posiadają trzy styki. W samochodach europejskich dwa zewnętrzne to
zasilanie zaś styk środkowy to sygnał. W niektórych pojazdach
amerykańskich styki mają inną kolejność ( np.Chrysler
Neon), pierwsze dwa
to zasilanie, styk 3 - sygnałowy. Można go diagnozować za pomocą oscyloskopu. Użycie
zwykłego multimetru spowoduje uszkodzenie czujnika.
Na schematach
literatury serwisowej Vivid WorkShopCD [7] czujnik Halla wykorzystywany jako
czujnik do ustalania położenia wału korbowego jest oznaczony
zawsze nr 41. Przykłady oznaczeń oraz obraz oscyloskopowy przedstawiono
na rys. 4.
Rys. 4. Czujnik halla
położenia wału korbowego -jako element systemu w układzie z
ECU.
A- wg schematów
Bosch, B - Vivid WorkShopCD.
3. Czujniki
położenia wałka rozrządu
Służą
do identyfikacji kolejnego cylindra wchodzącego w suw pracy. Są wykorzystywane
do: sterowania zapłonem, kontroli spalania stukowego, sekwencyjnego
wtrysku palia, do sterowania zmiennych faz rozrządu.
W przypadku
uszkodzenia czujnika położenia wałka rozrządu kontrola
spalania stukowego będzie nieaktywna a silnik pod obciążeniem
będzie pracował z opóźnieniami kąta wyprzedzenia
zapłonu (Motronic) ok. 3° na każdy cylinder (4 cylindrowy silnik
12°). Najczęściej czujnikami położenia wałka
rozrządu są czujniki Halla opisane wcześniej. Na schematach
literatury serwisowej Vivid WorkShopCD [7] czujnik Halla położenia
wałka rozrządu posiada zawsze nr 40 a nie jak przy czujniku położenia
wału korbowego 41.
Rys. 5. Czujnik halla
położenia wałka rozrządu -jako element systemu w
układzie z ECU. A- wg schematów Bosch, B - Vivid WorkShopCD. Są samochody,
w których jako czujników położenia wałka rozrządów
wykorzystuje się czujniki indukcyjne (np. niektóre modele firmy TOYOTA,
BMW). Na schematach literatury serwisowej Vivid WorkShopCD [7] czujnik magnetoindukcyjny
położenia wałka rozrządu posiada zawsze nr 38 a nie jak przy czujniku
położenia wału korbowego 39.
Rys. 6. Czujnik
magnetoindukcyjny położenia wałka rozrządu -jako element
systemu w układzie z ECU. A- wg schematów Bosch, B - Vivid WorkShopCD.
Wszystkie czujniki
Halla muszą być zasilane. Dlatego podstawową kontrolą przy
braku właściwego obrazu oscyloskopowego jest pomiar napięcia na
wiązce przewodów dochodzącej do czujnika Halla. Napięcie zasilania
to 5 lub 12V.
Sprawdzaj
prawidłową wartość napięcia w instrukcji serwisowej.
4. Czujniki
temperatury
Zadaniem czujników
temperatury jest dostarczenie informacji do sterownika o rzeczywistej
temperaturze: płynu chłodniczego, temperaturze powietrza zasysanego,
temperaturze paliwa, oleju silnikowego, temperaturze zewnętrznej,
temperaturze wnętrza, temperaturze parownika w klimatyzatorze, spalin,
okładzin hamulców czy powietrza w oponach.
Czujnikami
temperatury są: rezystory o ujemnym współczynniku temperaturowym
(NTC- Negative Temperaturę Coefficient) rzadziej o dodatnim
współczynniku temperaturowym (PTC- Positive Temperaturę Coefficient).
Uwaga: Po dłuższym
postoju pojazdu wszystkie czujniki temperatury- powinny wskazywac taka sama
wartość.
4.1.Czujnik
temperatury płynu chłodzącego NTC - o ujemnym współczynniku
temperaturowym
(NTC-Negative Temperaturę Coefficient)
Sygnał
czujnika temperatury płynu chłodzącego jest wykorzystywany do sterowania:
początkiem wtrysku, dawką wtryskiwanego paliwa w tym dawką rozruchową,
kątem wyprzedzenia zapłonu w silnikach Zł oraz kątem wyprzedzenia
wtrysku w silnikach ZS ze sterowaniem elektronicznym EDC. usuwaniem par paliwa
ze zbiornika z węglem aktywnym, do stabilizacji pracy na biegu
jałowym oraz uruchamiania wtrysku powietrza dodatkowego do kolektora
wydechowego.
Wraz ze wzrostem
temperatury silnika, występuje zmniejszenie rezystancji czujnika
temperatury. Często wartości oporu czujnika kształtują
się w zakresach: 2-3 kO dla 20
C oraz 200-3000 dla 90°C. Nie można jednak polegać na
tych wartościach, gdyż występują czujniki o znacznie różniących
się charakterystykach. Dla przykładu w samochodzie Citroen C5 silnik
1,8 16V -
EW7J4 (6FZ)
wartości te wynoszą odpowiednio: 5-6 k0 dla 20°C oraz 500-6000 dla 80°C.
Rys. 7.
Czujnik temperatury płynu chłodniczego - jako element systemu w
układzie z ECU. A- wg schematów Bosch, B - Vivid WorkShopCD. S- linia
sterownika silnika, X-linia wskaźnika temperatury na tablicy
wskaźników. X71A - złącze niebieskie na tablicy wskaźników,
pin 8 (Audi A3, 74kW, AKL).
Kontrola czujnika
temperatury polega na sprawdzeniu wartości napięcia zasilania na
złączu wiązki elektrycznej silnika, pomiarze rezystancji
czujnika i odniesieniu jej do rzeczywistej temperatur) silnika zmierzonej za
pomocą dodatkowego urządzenia, pomiarze oporu przewodów pomiędzy
czujnikiem a sterownikiem silnika. W każdym przypadku badając
drożność' wiązki przewodów wartość oporu
powinna być mniejsza niż 1Q. Zmiana rezystancji czujnika powoduje
spadek napięcia na czujniku temperatury. Zakres przewidywanej eksploatacji
pojazdu przewiduje się w temperaturach od -40°C do +140°C. Dla takich
temperatur wartość spadku napięcia na czujniku
mieści się
w dopuszczalnym zakresie 0.5V do 5V. Sterownik ECU taki stan uznaje za
właściwy. Gdy spadek napięcia przekroczy dopuszczalny zakres
sterownik może wykryć uszkodzenie.
Przy uszkodzeniu
obwodu czujnika polegającym na zmianie rezystancji czujnika i/lub
połączeń wtykowych obwodu (utlenienie się styków
połączeniowych) całkowita wartość rezystancji obwodu
widziana' przez sterownik się zwiększa. Dodają się
bowiem opory czujnika i opory kolejnych połączeń wtykowych do
siebie (połączenie szeregowe). Jeżeli wartość
sumaryczna oporu mieści się w normalnym zakresie pracy czujnika
system samodiagnozy nie wykryje uszkodzenia i przy odczycie pamięci
błędów serwisowy komputer diagnostyczny wykaże ilość usterek-0.'
Wynikiem takiej sytuacji będzie zwiększone zużycie paliwa. Uszkodzenie czujnika
temperatury może być wykryte wyłącznie w
przypadku: nieprawdopodobnego sygnału, przerwy w obwodzie, zwarcia
do masy lub zwarcia do plusa.
4.2. Czujnik
temperatury powietrza
Czujnik temperatury
powietrza zainstalowany jest w układzie dolotowym; może być
wbudowany do masowego przepływomierza powietrza, może być zintegrowany
z czujnikiem ciśnienia w kolektorze dolotowym lub może być
niezależny. W samochodach z turbodoładowaniem mogą być
zamontowane dwa czujniki temperatury powietrza, jeden jest zintegrowany z
czujnikiem ciśnienia powietrza w kolektorze dolotowym (np. Audi A3 silnik
AQA - 1,8 20VT, układ
Motronic ME 7,5
wersja od 2000 r.).
Rys. 8. Czujniki
temperatury powietrza NTC(1, 2, 3). Czujnik ciśnienia i temperatury (4).
[5]
Rys. 9.
Przepływomierz masowy powietrza z czujnikiem temperatury powietrza.
l- pokrywa
kanału pomiarowego, 2- sensor, 3- blacha nośna, 4- pokrywa
kanału hybrydowego, 5- układ hybrydowy, 6- złącze wtykowe,
7- ring, 8- czujnik temperatury powietrza.
Charakterystyka
czujnika temperatury powietrza. [7]
Rys. 10. Czujnik temperatury
powietrza na schematach programu Vivid WorkShopCD Czujnik temperatury powietrza
w systemie z czujnikiem ciśnienia dolotowego lub doładowania
dostarcza informację do sterownika w celu obliczenia ilości recyrkulowanych
spalin oraz regulacji ciśnienia doładowania. Czujnik ten pracuje w
zakresie temperatury powietrza od
(- 40°C do 120°C). Na schematach
instalacji elektrycznej Vivid WorkShopCD jest oznaczany symbolem 43 (rys. 10)
zaś w połączeniu z czujnikiem ciśnienia powietrza w
kolektorze 63 (rys.12C).
4.3. Czujnik
temperatury oleju silnikowego
Rys. 10. Czujnik
poziomu i temperatury oleju, l- czujnik temperatury oleju NTC, a-
pojemnościowy zakres pomiarowy czujnika, A i B - granice
zakresu pomiarowego
[8] Czujnik temperatury oleju silnikowego służy do obliczania okresów
obsługowych (interwału przeglądów). Pracuje w zakresie od (- 40°C do 170°C). Może
być zintegrowany z czujnikiem poziomu oleju (rys.10) Czujnik taki
składa się z rezystora NTC, dwóch kondensatorów pomiarowych oraz
układu pomiarowego, który wysyła sygnały modulowane
szerokością impulsu. Zła jakość oleju jest wyznaczana
przez pomiar pojemności oleju, który jest dielektrykiem. Wartość
pomiarowa poziomu oleju jest ustalana granicami zakresu pomiarowego A i B
(często a=80mm ±3mm). Jest zasilany napięciem 5V. Montowany jest w
misce oleju.
4.4.Czujnik
temperatury paliwa
Czujnik
temperatury paliwa wbudowany jest w układ zasilania paliwem. Znajomość
temperatury paliwa pozwala na dokładne obliczenie dawki wtrysku. Jest umieszczany
w pompach wtryskowych np. VP37, szynie raił (zasobniku paliwa) układu
Common Raił, przy pompie wysokiego ciśnienia lub na przewodzie odprowadzającym
przelew i dawkę sterującą. Ich zakres pomiarowy to (- 40°C do 120°C). Rys. 11.
Czujnik temperatury paliwa w pompie wtryskowej (póz. 5).[10]
5. Czujnik
ciśnienia układu dolotowego MAP
Czujnik
ciśnienia powietrza w kolektorze mierzy ciśnienie bezwzględne w
kolektorze dolotowym. Jest nazywany MAP-sensorem (Manifold Absolute Pressure).
Może być zamontowany bezpośrednio w kolektorze lub
połączony z nim za pomocą rurki ciśnieniowej'
odpornej na odkształcenia pola przekroju
poprzecznego kanału przepływowego. Czujnik
ciśnienia w przewodzie dolotowym bądź ciśnienia
doładowania posiada zakres pomiarowy od 20 do 400 kPa. W przypadku
zabudowy czujnika w kolektorze dolotowym może on być zintegrowany z
czujnikiem temperatury powietrza (rys. 8 póz. 4). Czujnik ten w czasie
rzeczywistym dokonuje pomiaru ciśnienia bezwzględnego w kolektorze dolotowym
i przetwarza wartość ciśnienia przez układ czujnika na
sygnał elektryczny. Zwykle jest to wartość napięcia.
Charakterystyka ciśnieniowo-napięciowa czujnika jest liniowa.
Przykład przedstawiono na rys. (11). Błąd pomiaru wynosi 1,5%
wartości P [2].
Rys. 12. Czujnik
ciśnienia w kolektorze dolotowym - jako element systemu w układzie z
ECU. A- wg schematów Bosch, B,C - Vivid WorkShopCD, C z czujnikiem
temperatury powietrza. D- charakterystyka czujnika (Śkoda-Auto Octavia 1,9
TDI silnik ALH)
6.
Czujnik ciśnienia atmosferycznego
Zasada działania
czujnika ciśnienia atmosferycznego jest taka sama jak wcześniej
opisanego. W samochodach z turbo-doładowaniem może być
umieszczony wewnątrz przedziału silnikowego. Sygnał z tego czujnika
wykorzystuje się do obliczania maksymalnej wartości ciśnienia
doładowania. Pracuje w zakresie 60-115 kPa. Sygnał A z czujnika zmienia się w zakresie od 0-5
V. W przypadku uszkodzenia czujnika ciśnienia atmosferycznego jednostka
sterująca ograniczy ciśnienie doładowania do wartości ok.
0,4 bar. Na rysunku literą A oznaczono wlot powietrza atmosferycznego.
7. Czujnik tlenu
(sonda lambda)
Czujnik
tlenu wąskopasmowy, czyli sonda lambda jest miernikiem' składu
mieszanki. W silnikach wielocylindrowych, czujnik tlenu może być
wspólny dla wszystkich cylindrów lub w silnikach typ V6/8 może być
indywidualny dla każdego rzędu cylindrów podając dla nich uśrednioną
wartość składu spalin. Pracuje ona w pętli zwrotnej przedstawionej
na rys. 13.
Rys. 13. Układ
pętli zwrotnej sondy lambda [6]
7. l. Sonda lambda napięciowa (cyrkonowa)
Działa w sposób
pośredni. Resztkowa zawartość tlenu w spalinach może
być mierzona za pomocą umieszczonych na sondzie lambda elektrod (wg
zasady W. Nemsta - Niemiec, fizyko-chemik, 1864-1941). Zewnętrzna
elektroda wykonana jest z porowatej warstwy platyny, zaś ceramika sondy
jest wykonana z dwutlenku cyrkonu (ZrO;) stabilizowana tlenkiem itru. Sonda
jest umieszczona w miejscu, przez które przepływa strumień spalin
stykający się z elektrodą platynową. Elektroda
wewnętrzna również platynowa, ma kontakt z tlenem zawartym w
powietrzu.
Rys. 14. Czujnik tlenu
-jako element systemu w układzie z ECU. A- wg schematów Bosch, B,C - Vivid
WorkShopCD, C i D- charakterystyki napięciowe
Aby sonda
działała prawidłowo jej temperatura musi przekraczać 300°C, gdyż
dwutlenek cyrkonu dopiero w tej temperaturze osiąga właściwość
przewodnictwa jonów tlenu. Dlatego często stosuje się elektryczne
podgrzewanie elementów sondy. Temperatura czujnika ma również duży
wpływ na bezwładność działania precyzowaną przez
czasy zmiany wskazań bogata/uboga lub odwrotnie uboga/bogata.
Rys. 15. Zasada
działania sondy cyrkonowej [6]
Jeżeli
stężenie tlenu z obu stron sondy jest różne to na elektrodach
powstaje potencjał elektryczny (0-1 V).
Powstałe na
elektrodzie zewnętrznej stężenie tlenu w dużym stopniu
zależy od proporcji paliwa i tlenu w mieszance oraz od reakcji chemicznej
na powierzchni elektrod. Dzięki temu stężenie tlenu decyduje o
przepływie napięcia w sondzie.
Rys. 16.
Przedział Lambda [6]
7.2. Sonda lambda
rezystancyjna (tytanowa)
Zasadę pracy
sondy tytanowej i jej charakterystykę przedstawiono na rys. 17. Są to
czujniki półprzewodnikowe wykorzystujące związek tytanu, który w
zależności od stężenia tlenu zmienia swoją
oporność elektryczną. Opór (R) jest mniejszy dla mieszanki
bogatej, zaś dla ubogiej większy.
Rys. 17. Zasada
działania sondy tytanowej [6]
Sposób diagnozowania
zostanie przedstawiony na przykładzie samochodu Opel Vectra B silnik X20XEV.
Rys. 18. Czujnik tytanowy na schematach firm:
A- Bosch, B- Vivid WorkShop.
W czujnikach tych oprócz napięcia zasilania elementu
grzewczego (12V) element pomiarowy TiCh jest również zasilany.
Najczęściej napięcie to wynosi 5V i decyduje o zakresie
sygnału z czujnika. Opór rezystora grzewczego powinien wynosić 10-150
przy 20°C
(zacisk C i A). Charakterystykę sygnału otrzymuje się
podłączając sondę oscyloskopu do zacisku 10 sterownika
(sygnał) i 36(-) na rozgrzanym silniku lub bezpośrednio na sondzie
na zaciskach B (sygnał) i D (minus).
Na rys. 18
przedstawiono charakterystykę na biegu jałowym. Podczas zmiany
rezystancji sondy, wartość napięcia powinna oscylować w
zakresie (0,6 do 4,9)V. Integrator lambda pokazuje, w jaki sposób pracuje
wewnętrzna multiplikatywna korekcja' składu mieszanki. Zakres
regulacji mieści się w przedziale (0-250) kroków. Regulacja lambda na
biegu jałowym przy wyłączonych odbiornikach energii elektrycznej
i klimatyzacji pokazuje jak pracuje wewnętrzna addytywna korekta składu mieszanki (np. wykrywanie fałszywego
powietrza). Powinna mieścić się w zakresie 108-150 kroków. Istnieje
możliwość resetowania wartości adaptacji. Adaptacja charakterystyk
lambda umożliwia ponowną pracę integratora lambda w okolicach
położenia średniego. Kod błędu POI 70 zostanie zapisany
przy temperaturze silnika powyżej 75°C, gdy silnik pracuje co najmniej 40s oraz
gdy nastąpiło otwarcie przepustnicy powyżej 10% a
wartość napięcia z sondy lambda utrzymuje się stale
poniżej 0,274V lub powyżej 0,743 V [9].
7.2. Układ
wydechowy z dwiema sondami lambda
W samochodach
spełniających normę EOBD (European On Board Diagnostics)
montowane są cii najmniej dwie sondy lambda. Jedna przed a druga za katalizatorem.
Sonda przed katalizatorem jest oznaczana w opisach błędów (sonda
lambda rząd l, czujnik l). Służy do monitorowania składu spalin
i do sterowania pracą silnika. Sonda za katalizatorem (sonda lambda
rząd l, czujnik2) kontroluje stan katalizatora oraz działanie
pierwszej sondy lambda. W katalizatorze część toksycznych
składników spalin zostaje utleniona: tlenek węgla (CO) przechodzi w
dwutlenek węgla (C02), węglowodory (HC- nie spalone lub
częściowo spalone cząsteczki paliwa) na (CO;) oraz parę
wodną(HzO). Tlenki azotu oznaczane jako N0x oznaczają: tlenek azotu
NO, dwutlenek azotu NO; i podtlenek azotu NzO. Ulegają one redukcji (czyli
odłączaniu tlenu od tlenków azotu) w wyniku czego uzyskuje się
czysty azot N2. (W samochodach z bezpośrednim wtryskiem benzyny (FSI, CCI.
GDI) stosuje się dwa katalizatory.
Multiplikatywny tryb regulacji jest stosowany przez
ECU powyżej określonej długości wtrysku np. (3ms) oraz
powyżej pewnego natężenia przepływu powietrza (ok. 16g/s).
Addytywny tryb regulacji stosuje się przy
prędkościach obrotowych silnika poniżej lOOOobr/min oraz dla ograniczonej
ilości powietrza (8,3g/s)
Sonda N0x umieszczana
jest za drugim katalizatorem. Przed nim stosuje się czujnik temperatury
spalin). Sygnał oscylacji napięcia z drugiej sondy lambda powinien
być dużo mniejszy niż z pierwszej sondy, gdyż za
katalizatorem
występuje
mniejsze stężenie tlenu w spalinach. Jeżeli wartość
napięcia z drugiej sondy utrzymuje się na stałym poziomie w
przedziale 0,4 do 0,5V to sonda lambda nie jest gotowa do pracy. W przypadku
uszkodzenia katalizatora lub jego wymontowania, sygnały z obu sond
będą zbliżone.
Jeżeli
wartość napięcia oscyluje ze zdecydowanie mniejszą
amplitudą (rys. 19) katalizator pracuje poprawnie.
Rys. 19. Układ
wydechowy z dwiema sondami lambda. Przebiegi sygnałów ze sprawnym katalizatorem
[5,14].
Uwaga: W
układzie wydechowym umieszczane są już w chwili obecnej cztery
czujniki. Dwie sondy lambda (przed i za katalizatorem), czujnik temperatury
spalin oraz czujnik N0x
7.3. Sondy
uniwersalne
W związku z
bardzo dużą ilością sond lambda, producenci wprowadzili do
sprzedaży sondy uniwersalne. Dla takich sond wykorzystuje się
złącza wtykowe ze zdemontowanych z samochodu. Aby taka sonda
mogła poprawnie pracować należy wykorzystać specjalne
szczelne złączki będące w zestawie takiej sondy. Sondy
tytanowe firmy NGK oznaczane są jako OTAi jak dotąd nie
występują w sprzedaży dla nich sondy zamienne uniwersalne.
8. Czujnik spalania
stukowego
Czujniki
spalania stukowego (Piezoelektrische Vibrationssensoren) są wykorzystywane
do wykrywania spalania detonacyjnego wewnątrz poszczególnych cylindrów,
bardzo niekorzystnie wpływającego na trwałość
poszczególnych
elementów. W przypadku wystąpienia spalania stukowego na
obciążonym silniku, sterownik opóźnia kąt wyprzedzenia
zapłonu o 3° na każdy cylinder, w którym wystąpiło spalanie
stukowe. Jeżeli w czterech
cylindrach
wystąpiło spalanie stukowe sterownik silnika ECU może
opóźnić kąt wyprzedzenia zapłonu o 4x3°= 12°. Mogą
być dwu lub trzy stykowe. W trzy stykowych jeden przewód stanowi ekran.
Badanie czujnika polega na podłączeniu oscyloskopu i sprawdzeniu
sygnału podczas uderzenia małym młotkiem w okolicy miejsca
zamontowania czujnika.
Rys. 20.Czujnik
spalania stukowego - jako element
systemu w
układzie z ECU. A- wg schematów Bosch, B - Vivid WorkShopCD,
9.
Przepływomierz masowy powietrza
Przepływomierz
masowy powietrza to urządzenie pomiarowe, wykorzystujące układ
pozwalający na obliczenie rzeczywistej masy powietrza dostarczonego do
silnika. Wyparły one z użycia kiedyś stosowane
przepływomierze objętościowe, które wskutek zmian
gęstości powietrza musiały być sprzężone z
czujnikiem temperatury powietrza zasysanego przez silnik oraz czujnikiem
ciśnienia.
Posiadały
dużo większe wymiary i ciężar. Na podstawie rzeczywistej
masy powietrza jednostka centralna może sterować m. in. Dawką wtryskiwanego
paliwa, kątem wyprzedzenia wtrysku, sterowaniem zaworu EGR oraz usuwaniem par
paliwa ze zbiornika z węglem aktywnym. Jest on umieszczony w przewodzie
ssącym za filtrem powietrza a przed turbosprężarką,
(jeśli silnik jest w nią wyposażony). Bardzo dokładny pomiar
masy dostarczonego powietrza umożliwia utworzenie optymalnej mieszanki
paliwowo- powietrznej, minimalizację emisji szkodliwych substancji do
atmosfery i uzyskanie dużej mocy silnika.
Przepływomierze
te można diagnozować wykorzystując do tego celu komputerowe systemy
diagnostyki pojazdów. Jednakże nie są one w stanie zawsze wykryć
uszkodzonego urządzenia pomiarowego. Jest to uwarunkowane tym, że
taka diagnoza ma na celu sprawdzenie czy sygnał z przepływomierza
(dla HFM5 - napięcie) nie przekracza ustalonych granic dolnej i górnej dla
tego typu przepływomierza. Jeżeli sygnał mieści się we
właściwym zakresie to na
ekranie komputera
wyświetla się komunikat ilość usterek-0'. I tutaj
rodzi się wiele pytań? Jak upewnić się, że przepływomierz
masowy powietrza jest sprawny? Jak poradzić sobie z taką sytuacją?
W jaki sposób wykonać pomiary? Co mierzyć?
9.1. Budowa masowego
przepływomierza powietrza HFM5
Zasada pracy
przepływomierza masowego polega na tym, że przez elementy grzejne
(grzałki gorący drut lub gorącą warstwę termomanometru
przepływa strumień powietrza odbierając ciepło od tych
grzałek'. Układ elektroniczny przepływomierza jest tak
skonstruowany, że utrzymuje stałą temperaturę ok.
(120-130)°C powyżej temperatury przepływającego powietrza
(HFM5).
Utrzymanie
stałej temperatury jest związane z dostarczaniem odpowiedniej
wartości prądu nagrzewania, który jest funkcją masowego wydatku
powietrza. Prąd ten poprzez układ przetwarzania sygnału wytwarza
napięcie, które odpowiada przeliczeniowej wartości wydatku masowego
dla danego typu przepływomierza [11]. Tak więc wartość
napięcia wychodzącego z przepływomierza jest wartością
sygnału na podstawie którego jednostka centralna (ECU-Electronics Control
Unit) nadzoruje pracą systemu. W przepływomierzu HFM5 jest to pin 5. Charakterystyki
z rys. 21 B wykonujemy mierząc napięcie pomiędzy pinami 3 i 5 przepływomierza.
9.1.1.
Wizualizacja
procesu pomiarowegoprzepływomierza
9.1.2
Rys. 22. Wizualizacja
procesu pomiarowego. A- Opis elementu grzewczego przepływomierza powietrza
(l-rezystor pomiarowy r] Rz, 2- płytka grzewcza (Tpow+12(T), 3-
strumień przepływającego powietrza); B- Zasada działania
przepływomierza.
Przepływające
powietrze o temperaturze Tpow przez element grzewczy posiadający
temperaturę (Tpow-H20 ), odbiera ciepło od rezystorów pomiarowych.
Rezystor Ri zostaje mocno schłodzony zaś rezystor Rz tylko
nieznacznie, gdyż powietrze przepływające przez niego jest
dodatkowo podgrzane wcześniej przez płytkę grzewczą'.
W przypadku przepływu zwrotnego sytuacja się powtarza od drugiej
strony.
9.1.2. Problemy
eksploatacyjne
Rys. 23. Wygląd
przepływomierza i urządzenia pomiarowego (B) po przebiegu 100
tyś. km.
Ze względu na
fakt upływu czasu w procesie eksploatacji pojazdów, dochodzi do
zmniejszania dokładności pomiaru przez urządzenie pomiarowe
przepływomierza. Jest to spowodowane m. in. osadzeniem się na elementach
pomiarowych pyłu, kurzu i innych zanieczyszczeń (rys. 23B). Zanieczyszczenia
te ograniczają odbieranie ciepła przez przepływający
strumień powietrza
z rezystorów
pomiarowych. Sterownik silnika ECU otrzymuje nieprawdziwe informacje
dotyczące rzeczywistej ilości powietrza dostarczonego do silnika i na
podstawie tych przekłamanych informacji dobiera parametry wysterowania
silnika m.in. dawkę paliwa
jeżeli do silnika dostarczono ,, mniej powietrza' to ECU
ogranicza dawkę paliwa a tym samym silnik nie posiada nominalnej mocy.
9.1.3 Problemy diagnostyczne
W sytuacji opisanej
wyżej, komputer diagnostyczny w bloku odczyt pamięci błędów
wykaże ilość usterek - O'. Ponieważ sygnał
docierający do sterownika silnika będzie mieścił się w
normalnym zakresie pracy przepływomierza. Usterka zostanie wychwycona
wyłącznie w sytuacjach: przerwy w obwodzie przepływomierza,
zwarcia do masy, zwarcia do plusa oraz w przypadku braku zmian wartości
sygnału w chwili przyrostu bądź obniżania
prędkości obrotowej silnika. W takich przypadkach należy
uruchomić procedurę kontroli wartości
rzeczywistych'.
Wówczas można wyfiltrować z wielu różnych parametrów,
wartości mas powietrza zasysanego: rzeczywistej i wymaganej. Obie te
wartości powinny być w przybliżeniu równe.
W sytuacji diagnozowania
zupełnie nowego modelu pojazdu dowolnej marki, z którym nasze
urządzenie diagnostyczne nie komunikuje się ze sterownikiem silnika,
należy wykonać pomiary oscyloskopem bądź multimetrem.
Sposób podłączenia przyrządów pomiarowych dla dowolnego typu
przepływomierza można odczytać ze schematów układu sterowania
silnika dla wybranego typu pojazdu. Przykłady różnych przepływomierzy
zamieszczono na rys. 24 i 25. W przypadku pomiaru sygnału z
przepływomierza HFM5 na biegu jałowym, pomiędzy pinami 3 i 5 (rys.
24) powinno być napięcie o wartości 1-2 V, natomiast przy
wysokich obrotach silnika 4,5- 4,7 V. Jeżeli tak nie jest należy
skontrolować zasilanie przepływomierza. Po zdemontowaniu wtyczki, na
jej pinach pomiędzy pinami 2 i 3 powinno być napięcie 10-16 V,
zaś między pinami 3 i 4 [4,5 do 5,5 V]. Do pinu l i masy (3) połączony
jest (w niektórych wersjach przepływomierza) czujnik temperatury
zasysanego powietrza NTC (Na rys. 25B do pinów 4 i 2).
Rys. 24.
Przepływomierz masowy powietrza i jego wtyczka połączeniowa [5].
Rys.
25. Przepływomierz masowy powietrza jako element systemu sterowania
silnikiem [7]. Dla przepływomierza A- pomiaru napięcia wykonuje
się pomiędzy pinami 5 i 3, dla przepływomierza B- pomiaru a napięcia dokonuje się
między pinami l i 2. W każdym przypadku, przy uzyskaniu podczas
pomiarów niewłaściwych wartości na wtyczce połączeniowej
przepływomierza, należy skontrolować wiązkę instalacji
elektrycznej pomiędzy sterownikiem a przepływomierzem pod kątem
drożności' (rezystancja musi być zawsze mniejsza niż
10, dla każdego przewodu np. 5-68, 3-49 itddla przepływomierza z
rys 25A, oraz 2-12, 1-13 dla przepływomierza z rys. 25B) oraz zwarcia do
masy. Na rys. 25 B pomiędzy pinami 4 i 2 jest wbudowany czujnik
temperatury powietrza NTC (Negative Temperaturę Coefficient).
9.2
Przepływomierz cyfrowy HFM6
Przepływomierz
cyfrowy (HFM6) służy do
odmierzania masy
powietrza, zassanej przez
silnik
niezależnie od ciśnienia atmosferycznego i temperatury. Zasada jego
pracy, co do przepływu masy powietrza i dystrybucji ciepła przez
element grzejny przepływomierza jest podobna do HFM5.
Rys. 26. Cyfrowy
masowy przepływomierz powietrza
firmy Bosch [12]
Temperatura
dystrybucji na przesłonie jest mierzona przez 4 rezystory temperatury,
które są ułożone symetrycznie do rezystora grzewczego
(ciepła). Przepływająca masa powietrza nad czujnikiem powoduje
odbieranie ciepła od rezystorów NTC, co prowadzi do wystąpienia
różnic oporu elektrycznego na nich. Różnice te zależą od
kierunku i wielkości przepływu powietrza. HFM6 może
zmierzyć amplitudę i kierunek przepływu mas powietrza
jednocześnie. To pozwala na pomiar zwrotnej fali z wysokimi amplitudami
drgań. Zwrotna fala powietrza jest obliczana bardzo precyzyjne w
związku z wysoką dynamiką czujnika. Przepływomierz cyfrowy
HFM6 charakteryzuje: zmniejszona tolerancja pomiaru, cyfrowy interfejs,
wykrywanie przepływów zwrotnych, standardowa charakterystyka dla
poszczególnych wymiarów gabarytowych, zintegrowany kompensator temperatury, posiada
wysoką dynamikę, ścisłą geometrię oraz
małą wagę. W porównaniu do analogowej transmisji sygnału do
ECU tolerancja jest zredukowana dzięki cyfrowej transmisji sygnału
masy powietrza.
Masa powietrza jest
przesyłana w czasie rzeczywistym trwania (cyklu) zasysania powietrza
prze;; silnik. Temperatura zewnętrznego czujnika NTC jest podawana jako
sygnał analogowy. Zakresy przepływu
powietrza dla odpowiednich
wielkości przepływomierza wynoszą: od -30 do 340kg/h (przepływ normalny
250 kg/h), aż do wartości: -90 do 1250 kg/h (przepływ
normalny lOOOkg/h).
Cyfrowy sygnał z przepływomierza zawiera się w przedziale
częstotliwości 1,5 do 12 kHz z tolerancją pomiaru <. ± 2 %,
tolerancja pomiaru temperatury jest < ± 2 % w zakresie temperatur (-20.. .80 °C) oraz (0% dla 20 °C) [12].
Przepływomierze
HFM6 są stosowane m. in. w samochodach: BMW E60 (535d) i E6i (535d Touring)
od 09.2004>, Alfa Romeo 166 2,4 JTD 20V Sportronic od 10.2005 silnik 841MOOO
oraz 159 2.4JTDM od 06.2005> [9].
Przepływomierze
z wyjściowym sygnałem cyfrowym były już stosowane wcześniej,
m.in. w samochodach: Mitsubishi Carisma, Volvo V40 silnik 1,8GDI
(przepływomierz ultradźwiękowy Karmana).
9.3.
Przepływomierz ultradźwiękowy Karmana
Zbudowany jest z
nadajnika/odbiornika ultradźwięków (rys. 27 piny 3,4,7,5), czujnika
temperatury NTC (piny 6,5) oraz czujnika ciśnienia (piny 1,2,5).
Przykład diagnostyki przepływomierza ultradźwiękowego z
wyjściem cyfrowym samochodu Mitsubishi Carisma 1,8 GDI, (Volvo V40 1,8
GDI). Przepływomierz posiada złącze 7-mio pinowe.
Dla nadajnika/odbiornika
ultradźwięków pomiędzy zaciskiem 4 i 5 sprawdzić
napięcie od strony wiązki silnika na włączonym zapłonie
(11-14V). Sprawdzić napięcie resetowania pomiędzy pinami 5 i 7.
Na biegu jałowym wartość napięcia powinna wynosić 0-0, l V zaś przy obrotach
4 tyś. obr/min 6-9V. Skontrolować napięcie odniesienia od strony
wiązki pomiędzy zaciskami 3
a masą 5. Wartość żądana wynosi
4,8- 5,2V. Skontrolować doprowadzenie masy, pomiędzy zaciskiem nr 5 a plusem akumulatora -
powinno wynosić 11-14V. Pomiędzy zaciskami 3 (sygnał) a
masą 5 na podłączonym złączu wtykowym
wartość żądana na biegu jałowym powinna
mieścić się w granicach 2,2-3,2V. Przy badaniu na hamowni na
biegu jałowym częstotliwość sygnału z zacisku 3
powinna wynosić 20-30Hz. Po przyśpieszeniu silnika na biegu
bezpośrednim
i
osiągnięciu prędkości obrotowej 5,5 tyś. obr/min przy
pełnym obciążeniu wartość żądana powinna być większa
niż 330Hz [9]. Napięcie zasilania czujnika ciśnienia (zaciski l
i 5) wynosi 5V oraz czujnika temperatury NTC (zacisk 5 i 6) na
odłączonej wtyczce 5V[6].
W bloku wartości
rzeczywistych wskazania przepływomierza muszą mieścić
się w zakresie 01200Hz. Na biegu jałowym wartość
sygnału powinna wynosić 2055Hz. Po obciążeniu silnika
np. włączając klimatyzację wartość sygnału rośnie.
Warunkiem podstawowym
zapisania błędów w pamięci sterownika są;
prędkość obrotowa silnika powyżej 500 obr/min oraz gdy po
4s częstotliwość czujnika wynosi mniej niż 3,3Hz.
Próba
obciążenia silnika - wartość wskazań O.160%.
Próbę wykonujemy na silniku rozgrzanym do temperatury powyżej 80°C. Na biegu
jałowym przy wyłączonych wszelkich odbiornikach energii
elektrycznej wartość wymagana powinna wynosić 15-25%, po
załączeniu odbiorników np. wentylatora nadmuchu, świateł,
ogrzewania tylnej szyby, klimatyzacji, wartość wzrasta do poziomu
23-35%. Po gwałtownym naciśnięciu i zwolnieniu pedału przyśpieszenia,
wartość żądana na krótko wzrasta, po czym znowu spada.
Rys. 27.
Przepływomierz masowy powietrza Mitsubishi Carisma 1,8 GDI. Obraz
oscyloskopowy linia sygnałowa 3-61 oraz masa.
Czas cyklu T'
zmniejsza się wraz ze wzrostem obciążenia silnika. Zbocza Ti
oraz T; muszą być takie same (rys. 27).
10. LITERATURA
1. Robert Bosch GMBH.
Czujniki w pojazdach samochodowych. WKiŁ 2002.
2. Robert Bosch GMBH.
Sensoren Katalog. Erzeugnis-programm 2001/2002.
3. Anton Hemer,
Hans-Jurgen Riehi. Elektrotechnika i elektronika w pojazdach samochodowych.
WKiŁ '2003.
4. Robert Bosch GMBH.
Mikroelektronika w pojazdach. WKiŁ '2002.
5. NGK/NTK.
Materiały szkoleniowe. Sondy lambda, świece zapłonowe,
świece żarowe. 2006.
6. Vivid WORKSHOPCD.
VIVID AUTOMOTIVE DATA & MEDIA BV, 2005/2.
7. Trzeciak K.,
Zawadzki J.: Poradnik serwisowy. Wtrysk bezpośredni w silnikach diesla.
1/2005. Wydawnictwo
Instalator Polski.
8. Olszowski S.: Diagnozowanie
i naprawa sytemu sterowania silników wysokoprężnych
Electronic Diesel
Control. Akademia Techniki Samochodowej AD. 2006.
9. Robert Bosch GMBH.
Platforma informacyjna ESI [Tronie]. Wersja 2006/2
11. Olszowski S.,
Bińkowski T.: Budowa i diagnozowanie masowych przepływomierzy
powietrza
nowoczesnych
pojazdów. Konferencja naukowo-techniczna. LogiTrans. Szczyrk 2006.
12. Robert Bosch
GmbH. Motorsteuerung fur Ottomotoren. Ottomotor-Management. Motronic-
Systeme. Fachwissen
Kfz-Technik. Ausgabe 2003. 14, 62.
13. Robert Bosch
GmbH. Produkt information. Hot-film Air Mass Meter HFM6. 2005.
14. Burdka M.
Oscyloskop w diagnostyce samochodowej. Część 2. Wydawnictwo
Instalator
Polski.
