Diagnostyka silników benzynowych

Diagnostyka silników benzynowych Volvo
Bogdan Kruk
28.12.2023

Systemy wtrysku paliwa to bardzo złożone układy, które mają na celu dostarczenie paliwa do silnika samochodu w sposób kontrolowany i zoptymalizowany. Odgrywają również kluczową rolę w zmniejszeniu zużycia paliwa i redukcji szkodliwej emisji spalin.

  • Przebieg procesu zarządzania silnikiem spalinowym. Współpraca z czujnikami. 
  • Przyczyny błędów i podjęte czynności sprawdzające w przypadku wystąpienia poszczególnych awarii. 
  • Użycie odpowiednich narzędzi diagnostycznych jako usprawnienie procesów naprawczych układu zapłonowego. 

Zarządzanie silnikiem spalinowym współczesnego pojazdu wymaga użycia rozbudowanych podzespołów elektrycznych i elektronicznych. Sam silnik samochodu ma 15–30 czujników, a w całym samochodzie może znajdować ich ponad 70.

Czujniki dostarczają jednostce sterującej istotne informacje, m.in. o obrotach, obciążeniu, temperaturze i ciśnieniu oleju. Na podstawie otrzymanych danych możliwe jest skuteczne zarządzanie różnymi funkcjami silnika.

wykres_Raven_Media

Przebieg wysokiego napięcia na jednym z cylindrów w trakcie zapłonu mieszanki w silniku z zapłonem elektronicznym. Pkt. 1 – wartość napięcia potrzebnego do przeskoku iskry na świecy zapłonowej. Pkt. 2 – czas, w którym wysokie napięcie przepływa przez elektrodę świecy zapłonowej, „czas trwania iskry”. Na przedstawionym wykresie w środku przebiegu widoczna jest pozioma linia napięcia (pkt. 3). Przebieg ma w przybliżeniu wartość 3 kV DC. Wartość tego napięcia określana jest jako napięcie linii iskrowej. Napięcie to jest wymagane do utrzymania iskry między elektrodami świecy, a jego poziom jest określony przez rezystancję uzwojenia wtórnego w obwodzie cewki wysokiego napięcia. Czas trwania iskry od pkt. 3 do pkt. 4 wynosi w powyższym przykładzie ok. 1 ms. Następnie przebieg gwałtownie spada do poziomu określanego jako oscylacja cewki (pkt. 5). Powinna ona wykazywać minimalną liczbę pików (górne + dolne) na poziomie 4–5. Mniejsza liczba pików na przebiegu oscylacji wskazuje, że wymagana jest wymiana cewki zapłonowej. Przykład uszkodzonej cewki i związany z tym zanik oscylacji przedstawiono na ilustracji 3. Oscylacja widoczna w pkt. 6 nazywana jest pikiem polaryzacji. Napięcie to ma przeciwną biegunowość niż napięcie zapłonu świecy, które powstaje w momencie wytworzenia strumienia magnetycznego lub na początku okresu podtrzymania napięcia. Źródło: Raven Media. 

Czujnik położenia wału korbowego 

Najpopularniejszymi czujnikami wykorzystywanymi do kontroli pozycji wału korbowego są czujniki indukcyjne i czujniki Halla. Ich zadaniem jest określenie aktualnej pozycji wału, na której podstawie jest obliczana prędkość obrotowa wału.

Sensory te poprzez koło enkodera wykorzystują sygnał ze znacznika referencyjnego do określenia pozycji wału korbowego. Liczba zębów na kole enkodera może być różna. Najczęściej stosuje się koła o podziałce 60, przy czym dla znacznika referencyjnego pozostawia się dwa zęby (60–2 = 52).

Sygnały przekazywane przez czujniki indukcyjne i czujniki Halla dostarczane są do modułu sterowania silnikiem (electronic control unit – ECU). Jeśli czujnik ulegnie uszkodzeniu, sterownik silnika nie jest w stanie ustalić pozycji wału korbowego. Nie potrafi też określić dokładnego czasu wtrysku paliwa. Najczęściej objawia się to nierównomierną pracą silnika, nagłym gaśnięciem rozgrzanej jednostki i problemem z uruchomieniem samochodu.

Przyczyny błędów: 

  • Uszkodzony enkoder, np. zbyt duża rezystancja cewki lub uszkodzony magnes.
  • Zanieczyszczony czujnik (zanieczyszczenia ze ścierającej się tarczy sprzęgła lub opiłki metalu). 
  • Uszkodzenie przewodu sygnałowego.

Czynności sprawdzające:

Prawidłowa wartość rezystancji zmierzona pomiędzy zaciskami enkodera powinna mieścić się w zakresie 450–550 Ω. Sygnał prędkości obrotowej enkodera można również sprawdzić podczas pracy silnika za pomocą oscyloskopu. Końcówkę pomiarową koloru czerwonego należy przyłożyć do przewodu sygnałowego enkodera, a czarna końcówka pomiarowa musi dotykać przewodu masowego enkodera.

Na monitorze powinien być widoczny sinusoidalny sygnał napięciowy o amplitudzie co najmniej 2,5 V. Sygnały o mniejszej amplitudzie mogą nie zostać rozpoznane przez ECU. W przypadku zastosowania czujnika Halla nie zaleca się dokonywać pomiaru jego rezystancji. Czujniki hallotronowe mają wewnątrz czułe elementy elektroniczne, które podczas wykonania pomiaru omomierzem mogą ulec uszkodzeniu.

Czujnik położenia wałka rozrządu 

Czujniki hallotronowe są wykorzystywane również jako czujniki położenia wałka rozrządu. Służą one do synchronizacji wału korbowego i wałka rozrządu. Czujnik hallotronowy wysyła sygnał cyfrowy, który nie musi być przetwarzany w module sterującym. Jednak ze względu na wbudowany, elektroniczny moduł pomiarowy czujniki nie powinny być bezpośrednio mierzone.

Czujniki położenia wałka rozrządu składają się z dwóch elementów: czujnika hallotronowego i koła czujnikowego. Na kole sygnałowym zamontowane są magnesy, zwrócone do siebie biegunami różnoimiennymi. W pewnym momencie brakuje jednego bieguna północnego i jednego południowego.

Enkoder rozpoznaje tę przerwę jako punkt odniesienia i przekazuje sygnał do ECU. Jeśli czujnik ulegnie uszkodzeniu podczas pracy silnika, silnik będzie pracował dalej, ponieważ synchronizacja została zakończona w momencie uruchamiania jednostki.

Usterka zostanie zasygnalizowana zapaleniem się lampki kontrolnej silnika. Wystąpi również „szarpanie” silnika podczas jazdy, gaśnięcie silnika, słabe przyspieszenie. Po wyłączeniu silnika nie będzie możliwe ponowne uruchomienie pojazdu.

Przyczyny błędów:

  • Wewnętrzne zwarcie czujnika.
  • Przerwa w obwodzie zasilania przekaźnika głównego lub modułu ECU.
  • Uszkodzenie przewodu sygnałowego.
  • Uszkodzenie przewodu masowego.

Czynności sprawdzające:

Nie należy dokonywać pomiarów czujnika hallotronowego omomierzem, gdyż spowoduje to uszkodzenie czujnika. Sensor Halla ma 3 przyłącza (piny). Na jeden z pinów z ECU podawane jest napięcie zasilające (5 V). Drugi pin przeznaczony jest do uziemienia. Z trzeciego pina sygnały przesyłane są do modułu sterującego.

Napięcie zasilające można sprawdzić przy przekaźniku głównym lub z ECU. Wartość napięcia zasilającego powinna mieścić się w zakresie 5–12 V, zależnie od jednostki i producenta. Ciągłość przewodu sygnałowego można sprawdzić za pomocą oscyloskopu. Czujnik generuje sygnał w postaci przebiegu fali prostokątnej.

Czujnik temperatury powietrza zasysanego 

Czujniki temperatury wykorzystywane są do pomiaru temperatury powietrza zasysanego, powietrza zewnętrznego, płynu chłodzącego i paliwa. Wszystkie sensory temperatury mają taką samą konstrukcję.

Zazwyczaj montuje się rezystory o ujemnym współczynniku temperaturowym (termistory NTC – negative temperature coefficient). Wraz ze wzrostem temperatury spada ich rezystancja. Wszystkie czujniki zasilane są napięciem 5 V z ECU, a spadek napięcia na termistorze jest informacją dla modułu o rzeczywistej temperaturze sensora.

W przypadku braku sygnału z czujnika ECU dokonuje obliczeń z uwzględnieniem stałej wartości zastępczej, co powoduje zmniejszenie wydajności jednostki. Często uszkodzenie czujnika powietrza zassanego sygnalizowane jest zapalaniem się lampki kontrolnej silnika. Uszkodzenie czujnika powoduje też trudności z rozruchem zimnego silnika, nierówną pracę silnika na biegu jałowym lub wolne przyspieszanie.

Przyczyny błędów:

  • Wewnętrzne uszkodzenie czujnika temperatury.
  • Uszkodzenie przewodu zasilającego.
  • Uszkodzenie przewodu sygnałowego.

Czynności sprawdzające:

Ponieważ wszystkie czujniki temperatury są czujnikami typu NTC, można je sprawdzić za pomocą pomiaru rezystancji. W zależności od temperatury czujnik musi mieć określoną wartość rezystancji, np.:

  • +15°C = 3750 Ω,
  • +30°C = 1750 Ω,
  • +80°C = 275 Ω.

Jeśli zmierzone wartości rezystancji odpowiadają specyfikacji producenta, należy sprawdzić napięcie zasilania. Wartość napięcia zasilającego wynosi ok. 5 V. Ponadto można sprawdzić ciągłość przewodu sygnałowego – wartość napięcia na przewodzie sygnałowym powinna wynosić 0,5–4,5 V.

wykres_pracy_na_biegu_jalowym

Na biegu jałowym czas trwania impulsu załączenia wtrysku paliwa wynosi 2,2 ms. Źródło: Raven Media.

Czujnik masowego przepływu powietrza 

Czujnik masowego przepływu powietrza bardzo dokładnie określa rzeczywistą ilość powietrza pobieranego przez silnik. Sensor ten uwzględnia również pulsowania i szarpnięcia powietrza spowodowane otwieraniem oraz zamykaniem zaworów ssących i wydechowych.

Część powietrza wlotowego z filtra powietrza kierowana jest do obszaru pomiarowego, gdzie mierzona jest masa powietrza dolotowego. Przepływ powietrza powoduje zmianę rezystancji w elemencie grzejnym przepływomierza. Zmiany rezystancji są przetwarzane przez wewnętrzny układ elektroniczny na odpowiedni sygnał napięciowy i przekazywane do elektronicznego modułu sterującego (ECU).

Nowsze czujniki masowego przepływu powietrza z folią termiczną wysyłają do ECU cyfrowy sygnał modulowany w szerokości impulsu (pulse-width modulation – PWM). W przypadku braku sygnału jednostka sterująca silnikiem dokonuje wyliczeń z ustaloną wcześniej wartością zastępczą.

Ponadto, jeśli masowy czujnik przepływu powietrza zostanie uszkodzony, nastąpi wyłączenie recyrkulacji spalin i zmniejszenie mocy silnika. Na dodatek silnik zaczynie szarpać przy średnich obrotach i może wystąpić spadek mocy (dołek) podczas przyspieszania.

Przyczyny błędów:

  • Błąd wewnętrzny w podzespole lub w elektronice czujnika.
  • Osad / zanieczyszczenie czujnika.
  • Uszkodzenie przewodu zasilającego. Uszkodzenie przewodu sygnałowego.
  • Uszkodzenie przewodu masowego.

Czynności sprawdzające:

Czujnik masowego powietrza można sprawdzić testerem diagnostycznym, porównując otrzymane wartości parametrów z wartościami nominalnymi. Warto również sprawdzić poziom napięcia zasilającego i styk połączenia z masą pojazdu.

W przypadku wyjść analogowych kontroli napięcia sygnałowego możemy dokonać za pomocą miernika. W przypadku wyjść cyfrowych do pomiaru sygnału PWM wymagane jest użycie oscyloskopu lub testera diagnostycznego wyposażonego w odpowiednią funkcję. Ponadto można zmierzyć rezystancję przewodów i sprawdzić je pod kątem przerwy lub zwarcia.

Układ paliwowy 

Układ sterowania silnikiem wykorzystuje otrzymane dane z czujników w celu zapewnienia jednostce odpowiedniej ilości paliwa. Jednak, aby paliwo mogło w ogóle dotrzeć do cylindrów, samochód potrzebuje układu paliwowego.

Za dostarczenie paliwa odpowiada pompa paliwowa, która może być zintegrowana ze zbiornikiem lub zainstalowana jako pompa „inline” w przewodzie paliwowym. W starszych układach pompa paliwa stale dostarcza paliwo do silnika, a ciśnienie wtrysku jest regulowane przez mechanicznie działający zawór regulacji ciśnienia.

Natomiast nowsze układy paliwowe pracują na zasadzie dostarczania paliwa na żądanie. Pompa podaje paliwo w zależności od wymaganego ciśnienia, a więc również reguluje ciśnienie. Jeśli uszkodzeniu ulegnie pompa paliwa i nie zostanie osiągnięte prawidłowe ciśnienie lub zostanie podana zbyt mała ilość paliwa, wystąpią problemy z zapłonem, nieregularna praca jednostki oraz szarpanie podczas jazdy. W przypadku zatrzymania pracy pompy i niepodania paliwa nastąpi wyłączenie silnika.

Przyczyny błędów:

  • Uszkodzona pompa paliwowa.
  • Uszkodzenie przewodu zasilającego.
  • Brak załączenia przekaźnika zasilającego pompę paliwa lub brak zasilania z ECU.

Czynności sprawdzające:

Przede wszystkim należy skontrolować ciśnienie paliwa za pomocą manometru. Jeżeli wartość ciśnienia nie odpowiada podanej przez producenta pompy, należy sprawdzić pompę, przewód paliwowy oraz napięcie zasilające z przekaźnika lub ECU. Wartość napięcia zasilającego pompę powinna wynosić ok. 12 V.

Zawór wtryskowy 

Zadaniem zaworów wtryskowych jest precyzyjny wtrysk dawki paliwa do komór spalania silnika samochodowego. Pracą wtryskiwaczy steruje sterownik silnika, który na podstawie otrzymanych informacji decyduje o wielkości dawki i momencie wtrysku paliwa.

Uszkodzenie lub nieprawidłowe działanie wtryskiwacza może objawiać się problemami z uruchomieniem silnika, zwiększonym zużyciem paliwa, utratą mocy lub niestabilną pracą silnika na niskich obrotach i biegu jałowym. O uszkodzonym zaworze wtryskowym świadczyć może również czarny lub biały kolor dymu wydobywającego się rury wydechowej.

Przyczyny błędów:

  • Uszkodzony zawór wtryskowy.
  • Brak napięcia zasilającego.
  • Brak napięcia sterującego.

Czynności sprawdzające:

Zawór wtryskowy powinien być zasilany napięciem 12 V. W przypadku braku zasilania należy sprawdzić zadziałanie przekaźnika głównego. Z kolei amplitudę sygnału sterującego z modułu ECU można skontrolować za pomocą oscyloskopu.

Czas wtrysku paliwa powinien się zwiększać wraz ze wzrostem prędkości obrotowej silnika. Uszkodzenie zaworu wtryskowego można stwierdzić za pomocą testera spalin. Jeśli zawór nie wstrzykuje paliwa, wzrasta zawartość tlenu (O2) w spalinach. Gdy zawór wtryskowy pozostaje otwarty, wzrasta zawartość węglowodorów (HC) w spalinach.

Układ zapłonowy 

Układ zapłonowy odpowiada za rozpoczęcie procesu spalania mieszanki paliwowo-powietrznej w komorze spalania silnika zapłonem iskrowym. W skład układu zapłonowego wchodzą następujące elementy: cewki zapłonowe, świece zapłonowe, przewody zapłonowe oraz komputer sterujący pracą układu. Układy zapłonowe są stosunkowo trwałe i niezawodne, jednak z czasem mogą ulec uszkodzeniu.

uszkodzona_cewka

Uszkodzona cewka zapłonowa – zanik oscylacji. Źródło: Raven Media. 

Cewka zapłonowa / świeca zapłonowa 

Cewka zapłonowa wytwarza wysokie napięcie (10–20 kV), które jest niezbędne do wywołania przeskoku iskry między elektrodami świecy zapłonowej. Wysokość indukowanego napięcia w cewce zapłonowej zależy przede wszystkim od natężenia pola magnetycznego, liczby zwojów cewki wtórnej oraz szybkości zmian pola magnetycznego.

Objawami świadczącymi o uszkodzeniu cewki zapłonowej lub świecy zapłonowej mogą być problemy z uruchomieniem silnika, jego głośniejsza i nierówna praca oraz odczuwalne falowanie i szarpanie w trakcje jazdy. Niesprawność układu zapłonowego powoduje też większe zużycie paliwa i wyższą emisję spalin.

Przyczyny błędów:

  • Cewka zapłonowa – uszkodzenie / przerwanie przewodu.
  • Cewka zapłonowa – zbyt duża rezystancja uzwojenia pierwotnego lub wtórnego.
  • Świeca zapłonowa – niewłaściwy odstęp między elektrodą masową a środkową lub stopienie świecy. 
  • Nieprawidłowe napięcie zasilania cewki zapłonowej.
  • Nieprawidłowa praca modułu ECU.

Czynności sprawdzające:

Przy pomocy omomierza lub oscyloskopu należy zmierzyć rezystancję uzwojeń cewki zapłonowej. Rezystancja uzwojenia pierwotnego powinna wynosić ok. 1 Ω, a rezystancja uzwojenia wtórnego – do 20 kΩ. Za pomocą oscyloskopu należy skontrolować przebieg procesu zapłonu.

Pozwoli to na odnalezienie uszkodzonej cewki i ewentualnej niesprawności modułu ECU. Należy dokonać wizualnej kontroli świec, ze zwróceniem uwagi na stan zewnętrznej izolacji i szczeliny między boczną a środkową elektrodą.

Źródło: Materiały redakcyjne

O Autorze

Bogdan Kruk

Redaktor miesięcznika „autoEXPERT”

Tagi artykułu

Zobacz również

Chcesz otrzymać nasze czasopismo?

Zamów prenumeratę