Wykorzystanie oscyloskopu do obserwacji sygnałów w obwodach układu sterowania (Mercedes-Benz C-Class W203)

Multimetry cyfrowe doskonale nadają się do badania statycznych obwodów elektrycznych, a także do rejestracji powolnych zmian monitorowanych parametrów. Przy przeprowadzaniu badań dynamicznych na pracującym silniku, a także przy ustalaniu przyczyn sporadycznych awarii, oscyloskop staje się narzędziem absolutnie niezbędnym.

Niektóre oscyloskopy umożliwiają zapisywanie oscylogramów we wbudowanym module pamięci z późniejszym drukowaniem wyników lub przesyłaniem ich do komputera osobistego w warunkach stacjonarnych.

Oscyloskop umożliwia obserwację sygnałów okresowych oraz pomiar napięcia, częstotliwości i szerokości (czas trwania) prostokątne impulsy, a także wolno zmieniające się poziomy napięcia.

Oscyloskop może być używany do:

• Wykrywanie niestabilnych awarii.
• Sprawdzanie efektów wprowadzonych poprawek.
• Monitorowanie pracy sondy lambda układu sterowania silnikiem wyposażonego w katalizator.
• Analiza sygnałów generowanych przez sondę lambda, której odchylenie parametrów od normy jest bezwarunkowym dowodem nieprawidłowego funkcjonowania układu sterowania jako całości - z drugiej strony prawidłowy kształt impulsów wydawanych przez sonda lambda może służyć jako niezawodna gwarancja braku naruszeń w układzie sterowania.

Niezawodność i łatwość obsługi nowoczesnych oscyloskopów nie wymaga od operatora żadnej specjalnej wiedzy ani doświadczenia. Interpretację uzyskanych informacji można łatwo przeprowadzić poprzez proste wizualne porównanie oscylogramów zarejestrowanych podczas testu z przedstawionymi poniżej zależnościami czasowymi, typowymi dla różnych czujników i elementów wykonawczych samochodowych układów sterowania.

Okresowe parametry sygnału

Każdy sygnał zarejestrowany za pomocą oscyloskopu można opisać za pomocą następujących podstawowych parametrów:

• Amplituda: Różnica między maksymalnym i minimalnym napięciem (V) sygnału w danym okresie;
• Okres: Czas cyklu sygnału (ms)
• Częstotliwość: Liczba cykli na sekundę (Hz);
• Szerokość: Prostokątna szerokość impulsu (ms, µs);
• Współczynnik wypełnienia: Stosunek okresu powtarzania do szerokości (w terminologii zagranicznej stosuje się parametr odwrotnego współczynnika wypełnienia, zwany współczynnikiem wypełnienia, wyrażony w %);
• Kształt fali: ciąg fali prostokątnej, pojedyncze impulsy, fala sinusoidalna, impuls piłokształtny itp.

Zazwyczaj charakterystyka wadliwego urządzenia znacznie różni się od wzorcowej, co pozwala operatorowi łatwo i szybko wizualnie zidentyfikować uszkodzony element.

Sygnały DC - analizowane jest tylko napięcie sygnału. Sygnały tego rodzaju wytwarzają urządzenia pokazane na ilustracjach.




Sygnały prądu przemiennego - analizowana jest amplituda, częstotliwość i kształt fali.




Sygnały modulowane częstotliwościowo - analizowane są amplituda, częstotliwość, kształt sygnału i szerokość impulsów okresowych. Źródłem takich sygnałów są urządzenia pokazane na ilustracjach.






Sygnały z modulacją szerokości impulsu (PWM) - analizuj amplitudę, częstotliwość, kształt sygnału i współczynnik wypełnienia impulsów okresowych. Źródłem takich sygnałów są urządzenia pokazane na ilustracjach.




[Materiał utworzony na podstawie strony internetowej: www.mercedesman.ru]


Kształt sygnału wytwarzanego przez oscyloskop zależy od wielu różnych czynników i może się znacznie różnić. W związku z powyższym, przed przystąpieniem do wymiany podejrzanego elementu, jeśli kształt zebranego sygnału diagnostycznego nie zgadza się z oscylogramem wzorcowym, należy dokładnie przeanalizować uzyskany wynik:

Woltaż

Poziom zerowy sygnału odniesienia nie może być traktowany jako bezwzględna wartość odniesienia; "zero" sygnału rzeczywistego, w zależności od konkretnych parametrów badanego obwodu, może zostać przesunięte względem odniesienia w pewnym dopuszczalnym zakresie.


Pełna amplituda sygnału zależy od napięcia zasilania badanego obwodu i może również zmieniać się w pewnych granicach w stosunku do wartości odniesienia.

W obwodach prądu stałego amplituda sygnału jest ograniczona przez napięcie zasilania. Przykładem jest obwód kontroli prędkości biegu jałowego (IAC), którego napięcie sygnałowe nie zmienia się w żaden sposób wraz z prędkością obrotową silnika.

W obwodach prądu przemiennego amplituda sygnału zależy już wyraźnie od częstotliwości źródła sygnału, więc amplituda sygnału wytwarzanego przez czujnik położenia wału korbowego (CKP) będzie rosła wraz ze wzrostem prędkości obrotowej silnika.



Mając na uwadze powyższe, jeżeli amplituda sygnału zarejestrowanego za pomocą oscyloskopu okaże się zbyt mała lub wysoka (aż do odcięcia górnych poziomów), wystarczy przełączyć zakres pracy urządzenia poprzez przełączenie na odpowiednią skalę pomiarową.

Podczas sprawdzania wyposażenia obwodów sterowanych magnetycznie (np. system IAC) w przypadku wyłączenia zasilania mogą wystąpić skoki napięcia, które można bezpiecznie zignorować analizując wyniki pomiarów.

Nie należy się też martwić pojawieniem się takich zniekształceń oscylogramu, jak skos dolnej części krawędzi natarcia impulsów prostokątnych, chyba że sam fakt spłaszczenia czoła nie jest oznaką nieprawidłowego funkcjonowania testowanego komponentu.

Częstotliwość

Częstotliwość powtarzania impulsów sygnału zależy od częstotliwości roboczej źródła sygnału.

Kształt przechwyconego sygnału można edytować i doprowadzić do wygodnej do analizy postaci poprzez zmianę skali podstawy czasu obrazu na oscyloskopie.

Podczas obserwacji sygnałów w obwodach prądu przemiennego podstawa czasu oscyloskopu zależy od częstotliwości źródła sygnału, określonej przez prędkość obrotową silnika.

Jak wspomniano powyżej, aby doprowadzić sygnał do postaci czytelnej, wystarczy przełączyć skalę podstawy czasu oscyloskopu.

W niektórych przypadkach charakterystyczne zmiany sygnału okazują się odzwierciedlone w stosunku do zależności odniesienia, co tłumaczy się odwróceniem polaryzacji połączenia odpowiedniego elementu i w przypadku braku zakazu zmiany polaryzacji połączenia może zostać zignorowane w analizie.

Typowe sygnały z elementów sterujących silnika

Nowoczesne oscyloskopy wyposażane są zazwyczaj w jedynie dwa przewody sygnałowe sprzęgnięte z zestawem różnorodnych sond, co pozwala na podłączenie urządzenia do niemal każdego urządzenia.

Czerwony przewód jest podłączony do dodatniego zacisku oscyloskopu i zwykle jest podłączony do zacisku elektronicznego modułu sterującego (ECM). Czarny przewód należy podłączyć do solidnie uziemionego punktu (masy).

Wtryskiwacze

Skład mieszanki paliwowo-powietrznej w nowoczesnych elektronicznych układach wtrysku paliwa w samochodach jest kontrolowany poprzez terminową regulację czasu otwarcia elektrozaworów wtryskiwaczy.

Czas przebywania wtryskiwaczy w stanie otwartym jest określony przez czas trwania impulsów elektrycznych generowanych przez jednostkę sterującą i podawanych na wejście elektrozaworów. Czas trwania impulsu mierzony jest w milisekundach i zwykle nie przekracza zakresu 1-14 ms.

Często na oscylogramie można zaobserwować także serię krótkich tętnień, które bezpośrednio następują po inicjującym ujemnym impulsie prostokątnym i utrzymujących elektrozawór wtryskiwacza w stanie otwartym, a także ostry dodatni skok napięcia towarzyszący momentowi zamknięcia zaworu.

Poprawność działania ECM można łatwo sprawdzić za pomocą oscyloskopu obserwując wizualnie zmiany kształtu sygnału sterującego przy zmianie parametrów pracy silnika. Zatem czas trwania impulsów podczas rozruchu silnika na biegu jałowym powinien być nieco dłuższy niż wtedy, gdy jednostka pracuje na niskich obrotach. Zwiększeniu obrotów silnika powinno towarzyszyć odpowiednie wydłużenie czasu otwarcia wtryskiwaczy. Zależność ta jest szczególnie widoczna przy otwieraniu przepustnicy krótkimi naciśnięciami pedału gazu.



Za pomocą cienkiej sondy z zestawu dostarczonego z oscyloskopem podłącz czerwony przewód urządzenia do końcówki wtrysku ECM układu sterowania silnikiem. Niezawodnie uziemij sondę drugiego przewodu sygnałowego (czarnego) oscyloskopu.

Przeanalizuj kształt odczytanego sygnału podczas rozruchu silnika.

Po uruchomieniu silnika sprawdź kształt sygnału sterującego na biegu jałowym.

Gwałtownie wciskając pedał gazu podnieś obroty silnika do 3000 obr/min - czas trwania impulsów sterujących w momencie przyspieszania powinien zauważalnie wzrosnąć, po czym powinna nastąpić stabilizacja na poziomie równym lub nieco mniejszym od obrotów biegu jałowego.

Szybkie dokręcenie przepustnicy powinno doprowadzić do wyprostowania oscylogramu, potwierdzając fakt, że wtryskiwacze zachodzą na siebie (dla systemów z odcięciem paliwa).

Podczas zimnego rozruchu silnik wymaga pewnego wzbogacenia mieszanki paliwowo-powietrznej, co zapewnia automatyczne wydłużenie czasu otwarcia wtryskiwaczy. W miarę nagrzewania czas trwania impulsów sterujących na oscylogramie powinien stale się zmniejszać, stopniowo zbliżając się do wartości typowej dla prędkości biegu jałowego.

W układach wtryskowych, które nie wykorzystują wtryskiwacza zimnego rozruchu, przy rozruchu zimnego silnika wykorzystywane są dodatkowe impulsy sterujące, które pojawiają się na oscylogramie w postaci tętnienia o zmiennej długości.

Poniższa tabela przedstawia typową zależność czasu trwania impulsów sterujących otwarciem wtryskiwaczy od stanu pracy silnika.

Czujniki indukcyjne

Uruchom silnik i porównaj oscylogram pobrany z wyjścia czujnika indukcyjnego z wzorcowym pokazanym na ilustracji. Zwiększeniu obrotów silnika powinien towarzyszyć wzrost amplitudy sygnału impulsowego generowanego przez czujnik.

Zawór elektromagnetyczny kontroli powietrza biegu jałowego (IAC)

W przemyśle motoryzacyjnym stosuje się wiele różnych typów elektrozaworów IAC, które również wytwarzają sygnały o różnych kształtach.

Wspólną cechą wyróżniającą wszystkie zawory jest to, że współczynnik wypełnienia sygnału powinien zmniejszać się wraz ze wzrostem obciążenia silnika, związanym z włączeniem dodatkowych odbiorników mocy, powodując spadek prędkości obrotowej biegu jałowego.

Jeżeli cykl pracy oscylogramu zmienia się wraz ze wzrostem obciążenia, ale po włączeniu odbiorników następuje naruszenie stabilności prędkości biegu jałowego, sprawdź stan obwodu elektrozaworu, a także poprawność wydanego sygnału sterującego przez ECM.

Zazwyczaj obwody stabilizacji prędkości biegu jałowego wykorzystują 4-biegunowy silnik krokowy, który opisano poniżej. Zawory 2-pinowe i 3-pinowe IAC testuje się w podobny sposób, ale wytwarzane przez nie napięcia sygnałowe są zupełnie inne.

Elektryczny silnik krokowy reagując na pulsujący sygnał sterujący wydany przez ECM, dokonuje stopniowej regulacji prędkości obrotowej silnika na biegu jałowym w zależności od temperatury roboczej płynu chłodzącego i aktualnego obciążenia silnika.

Poziomy sygnałów sterujących można sprawdzić za pomocą oscyloskopu, którego sondę pomiarową podłącza się kolejno do każdego z czterech zacisków silnika krokowego.

Rozgrzej silnik do normalnej temperatury roboczej i pozostaw go na biegu jałowym.

Aby zwiększyć obciążenie silnika, włącz reflektory, klimatyzację lub w modelach ze wspomaganiem kierownicy obróć kierownicę. Prędkość jałowa powinna na chwilę spaść, ale natychmiast ponownie się ustabilizować w wyniku działania zaworu IAC.

Sonda lambda (czujnik tlenu)

Notatka. W rozdziale przedstawiono oscylogramy typowe dla cyrkonowych czujników tlenu najczęściej stosowanych w samochodach, które nie wykorzystują napięcia odniesienia 0,5 V. Ostatnio coraz większą popularnością cieszą się czujniki tytanowe, których zakres sygnału roboczego wynosi 0 - 5 V, a wysoki poziom napięcia powstaje przy spalaniu mieszanki ubogiej, a niski - przy spalaniu mieszanki bogatej.

Podłącz oscyloskop między zaciskiem sondy lambda w ECM a masą.

Upewnij się, że silnik jest rozgrzany do normalnej temperatury roboczej.

Jeśli mierzony sygnał nie ma charakteru fali, ale przedstawia zależność liniową, to w zależności od poziomu napięcia oznacza to nadmierne nadmierne wyczerpanie (0–0,15 V), lub nadmierne wzbogacenie (0,6 - 1 V) mieszanki paliwowo-powietrznej.

Jeśli na biegu jałowym silnika pojawi się normalny sygnał falowy, spróbuj kilka razy mocno wcisnąć pedał gazu - wahania sygnału nie powinny przekraczać zakresu 0 - 1 V.

Wzrostowi prędkości obrotowej silnika powinien towarzyszyć wzrost amplitudy sygnału, spadek - spadek.

Czujnik spalania stukowego (KS)

Podłącz oscyloskop między zaciskiem czujnika spalania stukowego ECM a masą.

Upewnij się, że silnik jest rozgrzany do normalnej temperatury roboczej. Wciśnij mocno pedał gazu i porównaj kształt rejestrowanego sygnału AC z przebiegiem referencyjnym pokazanym na ilustracji.

Jeśli obraz nie jest wystarczająco wyraźny, delikatnie dotknij bloku cylindrów w miejscu, w którym znajduje się czujnik spalania stukowego.

Jeżeli nie jest możliwe uzyskanie jednoznacznego kształtu sygnału, należy wymienić czujnik lub sprawdzić stan okablowania jego obwodu.

Sygnał zapłonu na wyjściu wzmacniacza

Podłącz oscyloskop między zaciskiem wzmacniacza zapłonu ECM a masą.

Rozgrzej silnik do normalnej temperatury roboczej i pozostaw go na biegu jałowym.



Na ekranie oscyloskopu powinna zostać wyświetlona sekwencja prostokątnych impulsów prądu stałego. Porównaj otrzymany przebieg z przebiegiem referencyjnym pokazanym na ilustracji, zwracając szczególną uwagę na parametry dopasowania, takie jak amplituda, częstotliwość i kształt impulsu.

Wraz ze wzrostem prędkości obrotowej silnika częstotliwość sygnału powinna rosnąć wprost proporcjonalnie.

Uzwojenie pierwotne cewki zapłonowej

Podłącz oscyloskop między zaciskiem cewki zapłonowej ECM a masą.

Rozgrzej silnik do normalnej temperatury roboczej i pozostaw go na biegu jałowym.



Porównaj kształt odbieranego sygnału z oscylogramem odniesienia pokazanym na ilustracji - dodatnie udary napięcia powinny mieć stałą amplitudę.

Nierówne rzuty mogą być spowodowane nadmiernym oporem uzwojenia wtórnego, a także awarią przewodu wybuchowego cewki lub przewodu świecy zapłonowej.