Практическое применение осциллоскопа

Кислородный датчик. Кислородные датчики бывают двух типов в зависимости от материала ядра: титан и двуокись циркония. Тип кислородного датчика с двуокисью циркония активируется при температуре выше, чем 350°С. Поэтому, датчик не вступает в процесс управления воздушно-топливной смесью до тех пор, пока он достаточно не нагреется. ECU игнорирует сигнал кислородного датчика до тех пор, пока двигатель разогревается и работает, как запрограммировано производителем.

Это называется “Closed Loop control”. И наоборот, когда двигатель достаточно разогрет, ECU управляет автомобилем согласно сигналу кислородного датчика, и это называется “Open Loop control”. Цепь нагрева быстро нагревает кислородный датчик для более ранней активации и для того, чтобы сократить время контроля Closed Loop.

Кислородный датчик создает ряд диаграмм сигнала в соответствии с воздушно-топливной смесью, с условиями сгорания и другими факторами. Изучая различные диаграммы, можно продиагностировать систему управления воздушно-топливной смесью, систему зажигания, систему подачи топлива и воздуха и сам кислородный датчик.

Анализ диаграммы кислородного датчика. Примеры, приведенные ниже, основываются на датчике двуокиси циркония.

Датчик на основе титана вырабатывает 0.05-4.95V, а датчик двуокиси циркония вырабатывает 0.05-0.95V в соотношении с количеством кислорода.

Нормальная диаграмма кислородного датчика показана на рис. 2.3.

Рисунок 2.3 − Нормальная диаграмма кислородного датчика

1. Диапазон колебаний:

- низкое напряжение должно быть ниже, чем 200mV (0.2V);

- высокое напряжение должно быть выше, чем 600mV (0.6V);

- условие тестирования: двигатель должен быть разогрет и частота вращения (RPM) должна составлять 1500-2000 об./мин.:

– нагрев отработанных газов на холостом ходу может не активировать кислородные датчики без нагрева цепи;

– большой нагрев отработанных газов на высоких оборотах двигателя может скрыть дефект датчика.

2. Скорость срабатывания:

- при увеличении скорости истекшее время для достижения 600mV из 200mV должно составлять 100ms (0.1 sec) или менше;

- время для достижения 200mV из 600mV должно составлять 300ms (0.3 sec) или меньше (рис.2.4).

Рисунок 2.4 − Время для достижения 200mV

3. Сигнал датчика дроссельной заслонки:

- скорость срабатывания кислородного датчика на сигнал датчика дроссельной заслонки можно измерить, измеряя вместе оба датчика в двухканальном режиме функции двухканального осциллоскопа (рис. 2.5);

- критическая точка – это время от точки, когда датчик дроссельной заслонки достигает своего пика напряжения (широко открытая заслонка), до точки, когда напряжение кислородного датчика достигает 200mV. Это время должно составлять меньше 200ms (0.2 sec).

Рисунок 2.5 − Показания датчиков в двухканальном режиме функции двухканального осциллоскопа

Кислородный датчик с высоким выходным сигналом.

Возможные ошибки: широкая инжекторная насадка, сбой в работе регулятора давления топлива, блокировка системы подачи воздуха и т.п., чрезмерная подача топлива для сгорания (богатая воздушно-топливная смесь) (рис.2.6).

Рисунок 2.6 − Типичная диаграмма кислородного датчика с высоким выходным сигналом

Кислородный датчик с низким выходным сигналом.

Рисунок 2.7 − Типичная диаграмма кислородного датчика с низким выходным сигналом

Возможные ошибки: низкое давление в топливном насосе, утечка в системе подачи топлива и т.д., чрезмерная подача воздуха для сгорания (бедная воздушно-топливная смесь).

Из-за недостаточной подачи топлива цилиндрам (другими словами, подача воздуха превышает количество, необходимое для сгорания) сгорание происходит за относительно короткое время, выпуская большую часть кислорода не сгоревшим до CO или N_ox. На диаграмме появляются острые зубцы, а высокое напряжение не достигает нормального уровня (рис. 2.7).

Кислородный датчик с пропуском зажигания.

Рисунок 2.8 − Типичная диаграмма кислородного датчика с пропуском зажигания

Возможные ошибки: сбой в работе системы зажигания, недостаточное время для зажигания искры, недостаточное напряжение зажигания, неправильное опережение зажигания.

Даже если к цилиндрам поступает достаточно воздуха и топлива, сгорание будет происходить не полностью по некоторым причинам. Поэтому топливо и воздух, которые не сгорели до CO, H₂O и NО_x, будут выходить из двигателя. Для диаграммы будут характерны наклонные линии высокого напряжения, как показано на рисунке 2.8. Высокое напряжение также не достигнет нормального уровня.

Расходомер воздуха. Используются различные методы для подсчета и измерения количества воздуха. Датчики потока воздуха делятся на три типа: первый тип – датчик VAF (объем потока воздуха), он включает датчики типа Karman Vortex и тип Potentiometer. Датчик Vortex напрямую измеряет объем потока воздуха путем подсчета импульса, производимого вихрем в коллекторе. Датчик потенциометра измеряет количество воздуха, втягиваемого в двигатель путем отклонения заслонки внутри датчика.

Второй тип – датчики MAF (масса потока воздуха) используют материал с изменениями отрицательного сопротивления для изменения нагрева: типы Hot Coil и Hot Film.

Третий тип – MAP датчик, который производит замер путем измерения разряжения в коллекторе.

Анализ диаграммы датчика потока воздуха. Поскольку методы обнаружения потока воздуха различаются в зависимости от типа датчиков потока воздуха, то будет соответственно различаться диаграммы и диагностика.

Тип Karman Vortex.

Рисунок 2.9 − Анализ диаграммы датчика типа Karman Vortex

Возможные ошибки: прерывистый пропадающий сигнал (необходимо уметь отличать пропадающий сигнал от постоянного повторяющегося опорного сигнала, который шире чем другие. ECU может не распознать такую незначительную проблему как код ошибок); сопротивление в цепи заземления (основная линия диаграммы должна быть ниже, чем 0.4V. Если она выше, чем 0.4V, значит, цепь заземления датчика нарушена (рис.2.10)).

Рисунок 2.10 − Цепь заземления датчика типа Karman Vortex нарушена

Тип Hot Coil. Hot Coil показывает отрицательное изменение сопротивления при нагреве. Когда катушка нагревается, сопротивление уменьшается, и поэтому выходное напряжение понижается. И наоборот, когда катушка охлаждается поступающим воздухом, выходное напряжение увеличивается из-за высокого напряжения. Выходное напряжение остается около 0.5V на холостом ходу и увеличивается до 1V при 2000 RPM.

Осциллоскоп можно использовать для проверки срабатывания датчика на изменения условия движения: ускорение, замедление и на холостом ходу (рис.2.11).

Рисунок 2.11 − Проверка срабатывания датчика типа Hot Coil на изменения условия движения: ускорение, замедление и на холостом ходу

MAP датчик. Осциллоскоп можно использовать для проверки срабатывания датчика на изменение условия движения: ускорение, замедление и на холостом ходу (рис. 2.12).

Рисунок 2.12 − Проверка срабатывания МАР датчика на изменения условия движения: ускорение, замедление и на холостом ходу

Датчик температуры охлаждающей жидкости (WTS). Анализ диаграммы: сигнал WTS вырабатывает аналоговый сигнал, который изменяется очень медленно.

Когда двигатель начинает работать, он нагревается и температура повышается до определенной точки, пока охлаждающий вентилятор не включится. Сигнал датчика снизится, т.к. двигатель нагрелся, и затем начнет слегка колебаться на низком уровне (рис. 2.13).

Обратное действие будет повторяться, когда двигатель остановится.

Рисунок 2.13 − Показания датчика температуры охлаждающей жидкости (WTS)

Датчик дроссельной заслонки (TPS).Анализ диаграммы: сигнал напряжения TPS пропорционален открытому углу дроссельной заслонки. Когда водитель увеличивает скорость, дроссельная заслонка открывается шире, а переменное сопротивление становится выше, приводя к высокому сигналу выходного напряжения. И на оборот (рис.2.14).

Рисунок 2.14 − Показания датчика дроссельной заслонки (TPS)

Наиболее распространенная ошибка в TPS нарушение углеродного покрытия, которое является ядром переменного сопротивления. Так как отслаивающиеся части углеродного покрытия становятся свободными от сопротивления, то выходящий сигнал появляется возле основной линии, создавая помехи ECU (рис. 2.15).

Рисунок 2.15 − Выходящий сигнал датчика TPS появляется возле основной линии, создавая помехи ECU

Клапан холостого хода (ISC).Существуют различные клапаны холостого хода. Некоторые из них напрямую управляют углом открытия дроссельной заслонки, используя D/C мотор, некоторые управляют количеством поступающего воздуха, контролируя воздушный обходной канал (тип Stepper Motor или Duty Control Valve). Раньше тип клапана холостого хода Stepper motor широко применялся, в настоящее время обычно применяется тип Duty Control Valve.

Тип Stepper Motor. Stepper Motor располагает воздушным перепускным клапаном, вмонтированным в дроссельную заслонку, и используется обычно с распределённой системой впрыска.

Когда stepper motor работает, на диаграмме появляется пульсация (Ripple), как показано на рисунке 2.16.

Рисунок 2.16 − Пульсации на диаграмме при работающем stepper motor

Могут возникать помехи между зубцами, когда накапливается углерод в игольчатом клапане, подшипник перегружен или плохой контакт кабеля (рис. 2.17).

Рисунок 2.17 − Помехи между зубцами

Пульсация может почти исчезнуть, если углерод накопился на головке клапана, застрял подшипник или нарушено заземление (рис.2.18).

Рисунок 2.18 − Затухание пульсации

Вторая пульсация может быть гораздо меньше первой, если нарушен двигатель: он начинает работать, но вскоре останавливается (рис. 2.19).

Рисунок 2.19 − Вторая пульсация меньше первой

Пульсация отсутствует, если двигатель полностью нарушен и не работает из-за накопления углерода или заклинивания подшипника (рис.2.20).

Рисунок 2.20 − Пульсация отсутствует

При нарушении кабеля появится много помех. Если поврежден один из кабелей, вся диаграмма будут нарушена (рис. 2.21).

Рисунок 2.21 − Помехи при нарушении кабеля

Клапан холостого хода Duty Control.Рабочий цикл – «скважность» (Duty Cycle). При измерении рабочего цикла на диаграмме появятся сигналы прямоугольного типа. Рабочий цикл обозначает часть низкого напряжения в одном цикле диаграммы.

Рисунок 2.22 − Диаграмма рабочего цикла

На диаграмме (рис 2.22) высокое напряжение обозначает, что клапан не двигается – клапан закрыт. Низкое напряжение обозначает, что клапан открыт. Поэтому, чем больше рабочий цикл тем дольше открыт клапан.

Анализ диаграммы:

1) Duty Cycle особенно полезен для проверки работы клапана холостого хода. Нагрузка на двигатель возрастает, когда работают приборы, потребляющие питание. Поэтому клапан холостого хода увеличивает время своей работы для того, чтобы увеличить количество поступающего воздуха, что ведет к увеличению числа оборотов двигателя для компенсации;

2) поскольку нагрузка на двигатель возрастает за счет включения в автомобиле потребляющих питание приборов, то клапан увеличивает время своей работы. Соответственно, пропорционально увеличивается рабочий цикл (рис.2.23).

Рисунок 2.23 − Иллюстрация анализа диаграммы

Использование мультиметра:

1) расчитывать рабочий цикл с диаграммы осциллоскопа не просто и не удобно. Поэтому рекомендуется использовать мультиметр вместо осциллоскопа;

2) DCN-PRO дает измерения рабочего цикла в функции мультиметра. Мультиметр показывает рассчитанное значение рабочего цикла;

3) если клапан холостого хода функционирует неисправно из-за дефекта в цепи клапана или соленоиде клапана, то рабочий цикл будет составлять 50% без изменений относительно изменения в нагрузке на двигатель. 50% рабочего цикла означают, что высокое и низкое напряжения одинаковы.

Датчик положения коленчатого вала(датчик Холла (Hall Effect)):

1) внутри датчика Hall есть цепь, которая вырабатывает сигнал в 5V, если он находится возле металлической части на определенной дистанции (1.0±0.5mm) от датчика;

2) когда колесо с зубцами вращается вместе с коленчатым валом, зубцы колеса заставляют датчик вырабатывать повторяющиеся включающиеся и выключающиеся сигналы по мере работы двигателя. Коленчатый вал вращается дважды за один цикл двигателя;

3) каждый сигнал обозначает угол вращения коленчатого вала, и это обычно называется сигнал зубца. Если все зубцы, которые прошли датчик за один оборот двигателя обозначить ‘N’, то угол на один зубец составит 360/N градусов;

4) на колесе есть один длинный зубец, который в 3 раза шире, чем другие. Когда длинный зубец проходит датчик, то датчик получает информацию о том, что произошел один полный оборот двигателя. Положение каждого поршня можно определить, подсчитав количество зубцов после длинного зубца. Обычно поршень цилиндра №1 достигает верхней мертвой точки на 19 зубце после длинного зубца;

5) сгорание во всех цилиндрах заставляет коленчатый вал вращаться дважды (два оборота за один цикл). Что касается четырехцилиндрового двигателя, то цилиндры 1 и 3 делают один оборот, цилиндры 4 и 2 другой. Поэтому одни и те же сигналы будут повторяться дважды за цикл, а сигнал кулачка используется для того, чтобы различать первый и второй оборот во время одного цикла (рис. 2.24).

Рисунок 2.24 − Диаграмма рабочего цикла

Анализ диаграммы:

1) существует определенный уровень напряжения, который является критерием для ECU в различении сигнала включения и выключения. ECU распознает сигнал напряжения выше, чем сигнал включения (ON) и ниже, чем сигнал выключения (OFF);

2) шумы слева на рисунке 2.25 остаются выше или ниже критического уровня, поэтому это не влияет на сигнал распознавания ECU;

3) шумы с правой стороны превышают критический уровень напряжения сверху и снизу, поэтому ECU распознает их как изменение сигнала датчика, что ведет к неправильному подсчету ECU количества зубцов. Эти ошибки можно обнаружить только при помощи осциллоскопа.

Рисунок 2.25 − Иллюстрация анализа диаграммы

Магнитный (Magnetic) датчик вырабатывает сигнал в 5V, когда металлический зубец проходит линию магнитного поля.

Анализ диаграммы: магнитный датчик работает почти по такому же принципу, что и датчик Effect Hall – подсчет числа зубцов. Однако диаграмма будет отличаться, на ней будет синусоидальная волна вместо прямоугольной диаграммы, как показано на рисунке 2.26.

Рисунок 2.26 − Диаграмма рабочего цикла

Так же как и в случае с датчиком Hall Effect, помеха с правой стороны на рисунке 2.27 превышает критический уровень, поэтому ECU распознает ее как один зубец, приводя к неправильному подсчету ECU количества зубцов. Эти ошибки можно обнаружить только при помощи осциллоскопа.

Рисунок 2.27 − Иллюстрация анализа диаграммы

Оптический (Optical) датчик положения коленчатого вала состоит из пластины с прорезями (обычно такое количество, сколько цилиндров) на ней и двух диодов: один LED, который излучает свет на пластину, а другой – фотодиод, который вырабатывает сигнал в 5V, когда на него попадает свет от LED.

Анализ диаграммы нужно проводить так же, как и для датчика Hall Effect (рис. 2.28).

Рисунок 2.28 − Иллюстрация анализа диаграммы

Форсунка– это соленоидный клапан. Клапан открывается электромагнитной силой, вырабатываемой соленоидом, когда подается электропитание, и закрывается при помощи пружины, когда питание отключено.

Обычно внутренняя цепь ECU контролирует полюс заземления. ECU управляет форсункой путем подачи и отключения питания в 12V. Поэтому, когда кабель заземления – это короткая цепь с кабелем или металлической частью на земле, форсунка будет открытой, постепенно выпуская топливо, пока работает двигатель. В этой ситуации при чрезмерной подаче топлива оно будет выходить не сгоревшим, и это может разрушить катализатор. Если кабель заземления форсунки и батарея в 12V – это короткая цепь, то питание в 12V будет напрямую поступать к ECU, приводя ксбою в работе ECU.

Анализ диаграммы: нормальная диаграмма (рис. 2.29).

Рисунок 2.29 − Нормальная диаграмма

Диаграмма форсунки с нарушением.

Появляется много помех, когда инжекторный клапан открыт(рис. 2.30):

- существует небольшое сопротивление между полюсом форсунки (-) и ECU;

- соединение между полюсом форсунки (-) и ECU нарушено.

Рисунок 2.30 − Диаграмма форсунки с нарушением

Пик напряжения низкий (рис. 2.31):

- недостаточная подача питания форсунке из-за сопротивления между полюсом батареи (+) и форсункой;

- катушка форсунки повреждена.

Рисунок 2.31 − Диаграмма форсунки с нарушением

Низкое напряжение не стабильно и увеличивается (рис. 2.32):

- существует большое сопротивление между полюсом форсунки (-) и ECU.

Рисунок 2.32 − Диаграмма форсунки с нарушением

При выполнении лабораторной работы рассмотрены основные примеры использования мотортестеров в режиме осциллоскопа и мультиметра.

Как правило данные режимы не являются исчерпывающими и могут дополняться другими функциями в зависимости от конструкции самого мотортестера.

Контрольные вопросы:

1. Опишите принцип действия осциллоскопа.

2. Проанализируйтедиаграмму кислородного датчика.

3. Укажите на возможные ошибки при работе кислородного датчика с высоким (низким) выходным сигналом.

4. Проанализируте диаграммы датчиков потока воздуха (расходомеров).

5.Проанализируте диаграммы датчиков температуры охлаждающей жидкости.

6. Проанализируте диаграммы датчика дроссельной заслонки.

7. Проанализируте диаграммы клапанов холостого хода разных типов.

8.Проанализируте диаграммы датчика положения коленчатого вала (датчика Холла).

9.Проанализируте диаграммы магнитного (Magnetic) датчика.

10.Проанализируте диаграммы оптического (Optical) датчика.

11.Проанализируте диаграммы форсунки.