Wykorzystanie oscyloskopu do obserwacji sygnałów w obwodach układu sterowania (Mercedes-Benz S-Class W220)

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, a następnie drukowanie wyników lub przesyłanie ich do komputera osobistego w środowisku stacjonarnym.

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: fala prostokątna, fala pojedyncza, fala sinusoidalna, ząb piłokształtny itp.

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

Sygnały DC - analizowane jest tylko napięcie sygnału.

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.

Indukcyjny czujnik położenia wału korbowego (CKP) 15 b – rozpoznanie cylindra nr 1 (2 brakujące zęby)

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

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 spłaszczenie dolnej części krawędzi natarcia impulsów prostokątnych, chyba że sam fakt spłaszczenia czoła nie jest oznaką nieprawidłowego funkcjonowania testowany komponent.

Częstotliwość

Częstotliwość powtarzania impulsów sygnału zależy od częstotliwości roboczej źródła sygnału.

Kształt zarejestrowanego sygnału można edytować i doprowadzić do dogodnej 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 odwracalnością polaryzacji połączenia odpowiedniego elementu i w przypadku braku zakazu zmiany polaryzacji połączenia można 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 odpowiednio uziemionego punktu (masy).

Wtryskiwacze

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

O czasie przebywania wtryskiwaczy w stanie otwartym decyduje czas trwania impulsów elektrycznych generowanych przez moduł sterujący i podawanych na wejście elektrozaworów. Czas trwania impulsów mierzony jest w milisekundach i zwykle nie przekracza zakresu 1 14 ms.

Typowy oscylogram wtryskiwacza impulsowego sterującego pracą przedstawiono na rysunek 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. Dokładnie uziemić 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.

Stan silnika	Czas trwania impulsu sterującego, ms
Prędkość biegu jałowego	1,5÷5
2000÷3000 obr./min	1,1÷3,5
Pełny gaz	8,2÷3,5

Czujniki indukcyjne

Uruchomić silnik i porównać oscylogram pobrany z wyjścia czujnika indukcyjnego z oscylogramem pokazanym na rysunek 27 odniesień.

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 obrotów jałowych silnika 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.

Porównaj zarejestrowany oscylogram z pokazanym na rysunek 28 odniesienia.

Sonda lambda (czujnik tlenu)

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

Podłącz oscyloskop między zaciskiem sondy λ w ECM a masą.

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

Porównaj oscylogram wyświetlany na ekranie miernika z oscylogramem pokazanym na rysunek 27 zależność referencyjna.

Jeżeli zarejestrowany sygnał nie ma charakteru fali, lecz ma zależność liniową, to w zależności od poziomu napięcia wskazuje to na nadmierne nadmierne zubożenie (0 0,15 V) lub nadmierne wzbogacenie (0,6 1 V) powietrza mieszanka paliwowa.

Jeżeli na biegu jałowym silnika pojawia 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.

Mocno wciśnij pedał gazu i porównaj kształt mierzonego sygnału AC z pokazanym na rysunek Oscylogram referencyjny.

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 kształt odbieranego sygnału z pokazanym na rysunek 31 oscylogramu odniesienia, zwracając szczególną uwagę na zbieżność parametrów, takich 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 pokazanym na rysunek 31 oscylogram referencyjny, - dodatnie udary napięcia muszą mieć stałą amplitudę.

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

Sygnał z czujnika B40 temperatury/poziomu/ilości oleju