Używanie oscyloskopu do monitorowania pracowników w systemie sterowania (Opel Astra G)

Informacje ogólne

Multimetry cyfrowe doskonale nadają się do badania obwodów elektrycznych znajdujących się w stanie statycznym, 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. Oscyloskopu można używać do wykonywania następujących procedur:

• 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 generowanych przez czujnik może stanowić niezawodną gwarancję braku naruszeń w systemie 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 podanymi poniżej zależnościami czasowymi, typowymi dla różnych czujników i elementów wykonawczych samochodowych układów sterowania.

Okresowe parametry sygnału

Informacje ogólne

Charakterystyka dowolnego sygnału okresowego



Każdy sygnał zarejestrowany za pomocą oscyloskopu (patrz ilustracja Charakterystyka dowolnego sygnału okresowego), 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: Prostokątny czas trwania impulsu (ms, µs);
• Współczynnik obciążenia: Stosunek okresu powtarzania do szerokości (w terminologii obcej odwrotny parametr współczynnika wypełnienia nazywany jest współczynnikiem wypełnienia, wyrażony w%);
• Przebieg: Prostokątny ciąg impulsów, pojedyncze impulsy, fala sinusoidalna, impulsy piłokształtne itp.

Zazwyczaj charakterystyka wadliwego urządzenia bardzo różni się od wzorcowego, co pozwala doświadczonemu operatorowi szybko i łatwo zidentyfikować uszkodzony element poprzez analizę odpowiedniego kształtu fali.

Sygnały prądu stałego

Jedyną cechą roboczą takich sygnałów jest napięcie.

Sygnały prądu stałego są wytwarzane przez urządzenia pokazane poniżej.





Czujnik temperatury płynu chłodzącego silnik (ECT)



Czujnik temperatury powietrza dolotowego (IAT)



Czujnik położenia przepustnicy (TPS)



Podgrzewana sonda lambda





Miernik objętościowego przepływu powietrza (VAF)



Masowy miernik powietrza (MAF)



Czujnik spalania stukowego (KS)



Indukcyjny czujnik prędkości obrotowej silnika

Sygnały AC

Głównymi cechami tych sygnałów są amplituda, częstotliwość i kształt sygnału.

Sygnały o modulowanej częstotliwości (FM)

Charakterystyką działania sygnałów o modulowanej częstotliwości są amplituda, częstotliwość, kształt fali i okresowa szerokość impulsu.

Źródłami sygnału FM są urządzenia przedstawione poniżej.



Indukcyjny czujnik położenia wału korbowego (CKP)



Indukcyjny czujnik położenia wałka rozrządu (CMP)



Indukcyjny czujnik prędkości pojazdu (VSS)





Czujniki prędkości i położenia wału z efektem Halla



Optyczne czujniki prędkości i położenia wału



Cyfrowe czujniki do pomiaru temperatury masy powietrza (MAF) i ciśnienia bezwzględnego w kolektorze dolotowym (MAP)

Sygnały o modulowanej szerokości impulsu (PWM)

Charakterystyką działania sygnałów modulacji szerokości impulsu (PWM) są amplituda, częstotliwość, kształt fali i współczynnik wypełnienia impulsów okresowych.



Źródłami sygnałów PWM są przedstawione poniżej urządzenia.



Wtryskiwacze paliwa



Urządzenia sterujące powietrzem biegu jałowego (IAC)



Uzwojenie pierwotne cewki zapłonowej



Zawór elektromagnetyczny oczyszczania pochłaniacza węgla (EVAP)





Zawory recyrkulacji spalin (EGR)

Zakodowana sekwencja prostokątnych impulsów

Charakterystyką działania jest amplituda, częstotliwość i kształt sekwencji poszczególnych impulsów.

Sygnały tego rodzaju generowane są przez moduł pamięci autodiagnostyki ECM układu sterowania silnikiem.



Analizując szerokość i kształt impulsów, a także zliczając ich liczbę w każdej grupie, można odczytać kody usterek zapisane w pamięci (kod 1223 - patrz poniżej).

Amplituda i kształt sygnału pozostają stałe, zarejestrowana wartość będzie wyprowadzana do czasu wyczyszczenia pamięci modułu.

Interpretacja przebiegu

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.

Sygnał cyfrowy



Sygnał analogowy

Woltaż

Zerowy poziom odniesienia sygnału nie można traktować jako absolutne wartości odniesienia, - "zero" rzeczywistego sygnału, w zależności od konkretnych parametrów testowanego obwodu, może być wysunięty referencyjnym ([1] - patrz rysunek Sygnał cyfrowy) w pewnym akceptowalnym zakresie.

Pełna amplituda sygnału zależy od napięcia zasilania badanego obwodu i może również zmieniać się w pewnych granicach w stosunku do wartości odniesienia ([3] - patrz ilustracja Sygnał cyfrowy i [2] - patrz ilustracja Sygnał analogowy).

W łańcuchach DC napięcie sygnału jest ograniczone 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 łańcuchach AC amplituda sygnału zależy już wyraźnie od częstotliwości pracy źródła sygnału, zatem 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) po wyłączeniu zasilania mogą wystąpić skoki napięcia ([4] - patrz ilustracja Sygnał cyfrowy), które można bezpiecznie pominąć analizując wyniki pomiarów.

Nie należy się także martwić pojawieniem się takich deformacji oscylogramu jak ukosowanie dolnej części krawędzi natarcia impulsów prostokątnych ([5] - patrz ilustracja Sygnał cyfrowy), o ile oczywiście sam fakt spłaszczenia frontu nie jest oznaką nieprawidłowego działania badanego elementu.

Częstotliwość

Częstotliwość powtarzania impulsów sygnału zależy od częstotliwości roboczej źródła sygnału.

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

Przy obserwacji sygnałów w obwodach prądu przemiennego podstawa czasu oscyloskopu zależy od częstotliwości źródła sygnału ([3] - patrz ilustracja Sygnał analogowy), określana na podstawie prędkości obrotowej silnika.

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

W niektórych przypadkach oscylogram sygnału okazuje się lustrzanym odbiciem w stosunku do zależności odniesienia, co tłumaczy się odwracalnością polaryzacji połączenia odpowiedniego elementu i przy braku zakazu zmiany polaryzacji połączenia można zignorowane w analizie.

Typowe sygnały z elementów sterujących silnika

Nowoczesne oscyloskopy są zwykle wyposażone w tylko dwa przewody sygnałowe, połączone z zestawem różnych 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 paliwa

Skład mieszanki paliwowo-powietrznej w nowoczesnych elektronicznych układach wtrysku paliwa w samochodach 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 impulsu mierzony jest w milisekundach i zwykle nie przekracza zakresu 1-14 ms.

Impuls sterujący otwarciem wtryskiwacza paliwa (typowy przebieg)

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.

1. Za pomocą cienkiej sondy z zestawu dołączonego do oscyloskopu podłącz czerwony przewód urządzenia do końcówki wtrysku ECM systemu sterowania pracą silnika. Dokładnie uziemić sondę drugiego przewodu sygnałowego (czarnego) oscyloskopu.

2. Przeanalizuj kształt sygnału odczytanego podczas rozruchu silnika.

3. Po uruchomieniu silnika sprawdź kształt sygnału sterującego na biegu jałowym.

4. Gwałtownym wciśnięciem pedału gazu zwiększyć 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.

5. 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

1. Uruchomić silnik i porównać oscylogram pobrany z wyjścia czujnika indukcyjnego z podanym oscylogramem.



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.

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

2. 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.

3. Porównaj zarejestrowany oscylogram z podanym oscylogramem odniesienia.

Sonda lambda (czujnik tlenu)

W dziale przedstawiono oscylogramy typowe dla cyrkonowych sond lambda 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, przy wysokim poziomie napięcie generowane jest przy spalaniu mieszanki ubogiej, niskie przy spalaniu mieszanki wzbogaconej.

1. Podłącz oscyloskop między zaciskiem sondy lambda w ECM a masą.

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

3. Porównaj oscylogram wyświetlany na ekranie miernika z zadaną zależnością odniesienia.



4. Jeżeli zarejestrowany sygnał nie ma charakteru fali, lecz ma zależność liniową, to w zależności od poziomu napięcia oznacza to nadmierne nadmierne wyczerpanie (0-0,15 V) lub nadmierne wzbogacenie (0,6-1 V) sygnału mieszanka paliwowo-powietrzna.

5. 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)

1. Podłącz oscyloskop między zaciskiem czujnika spalania stukowego ECM a masą.

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

3. Mocno wciśnij pedał gazu i porównaj kształt zarejestrowanego sygnału AC z pokazanym oscylogramem odniesienia.



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

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

Sygnał zapłonu na wyjściu wzmacniacza

1. Podłącz oscyloskop między zaciskiem wzmacniacza zapłonu ECM a masą.

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

3. Na ekranie oscyloskopu powinna zostać wyświetlona sekwencja prostokątnych impulsów prądu stałego. Porównaj otrzymany przebieg z pokazanym przebiegiem referencyjnym, zwracając szczególną uwagę na to, czy amplituda, częstotliwość i kształt impulsu są zgodne.



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

Uzwojenie pierwotne cewki zapłonowej

1. Podłącz oscyloskop między zaciskiem cewki zapłonowej ECM a masą.

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

3. Porównaj kształt odbieranego sygnału z pokazanym oscylogramem odniesienia – 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.