Ferrari 360 czasami nie odpala

Autor: Nick Hibberd

Samochód przyjechał do naszego warsztatu z problemem opisanym przez klienta jako "czasem nie odpala". Samochód to Ferrari model F1 z elektro-hydrauliczną skrzynią biegów, gdzie sygnał rozruchu jest przechodzi przez stacyjkę, przekaźnik odcinający, sterownik skrzyni biegów i przekaźnik rozruchu.

Przeprowadzane testy nie wykryły większych problemów. Samochód posiadał dobre napięcie akumulatora, dobrze działający rozrusznik, pozornie dobrze kręcił silnikiem - żadnych anomalii. Testowanie rozpoczęło się od zimnego silnika a następnie pozostawiono go do rozgrzania w celu sprawdzenia, czy problem jest zależny od temperatury. Na ciepłym silniku również nie wykryliśmy żadnych anomalii opisanych przez klienta. Wielokrotne uruchamianie i wyłączanie silnika powodowało że akumulator zaczynał się rozładowywać. Testy nie ujawniły problemów z odpalaniem. Wszystko wskazywało na to, że samochód wróci do klienta z informacją "brak awarii".

Ostatnią rzeczą do zrobienia było zbadanie pracy rozrusznika przy wykorzystaniu oscyloskopu samochodowego Pico. W takim przypadku warto sprawdzić pobór prądu przez rozrusznik i sygnał sterujący elektromagnesem rozrusznika. Aby uzyskać jak najdokładniejsze wartości napięcia zasilania elektromagnesu, najlepiej pobierać dane bardzo blisko rozrusznika. Niestety w przypadku tego samochodu rozrusznik był zabudowany silnikiem. Aby uzyskać dostęp do rozrusznika musieli byśmy czekać na wolny podnośnik a następnie usunąć cały silnik - cała operacja była by bardzo pracochłonna.

Przy diagnozowaniu ciągle spotykamy się z presją czasu. Jednak dzięki przebiegom rejestrowanym przez oscyloskop można szybko i skutecznie wyeliminować lub potwierdzić uszkodzenie komponentu. W tym modelu samochodu, za lewym siedzeniem umieszczony jest akumulator, do którego doprowadzone są kable zasilające rozrusznik. Jest to świetna druga opcja do przeprowadzenia testu rozrusznika.

distribution block
starter motor waveform

Oto rezultat przeprowadzonego testu. Kanał A (niebieski) przedstawia napięcie zasilania elektromagnesu,  kanał B (czerwony) przedstawia prąd rozrusznika. Widać wyraźnie, że coś dziwnego dzieje się z prądem, jest on zbyt szarpany.

Spójrzmy dokładniej na ten sam zapis w lekkim powiększeniu.

detailed waveform

Ogólna struktura przechwyconego sygnału zawiera anormalne spadki sygnału podczas całego cyklu pracy rozrusznika. Niemniej jednak, nadal pokazuje ślady rozpoznawalnych cech normalnej pracy rozrusznika.

W momencie rozpoczęcia przechwytywania sygnału rozrusznik dostaje na elektromagnes sygnał 12V. To powoduje uruchomienie elektromagnesu i zwarcie styków rozrusznika. Oczywiście wystąpi tutaj pewne opóźnienie rzędu 50ms co jest w normie. Dłuższe opóźnienie rzędu 100ms lub więcej może być skutkiem złych styków wewnątrz elektromagnesu, złego umasowienia rozrusznika lub zacinaniem się elektromagnesu. Kolejnym krokiem powinna być analiza poboru prądu elektromagnesu w celu sprawdzenia czy powstaje właściwe pole elektromagnetyczne.

Na dobrym przebiegu z rozrusznika widzimy relatywnie równe i gładkie szczyty bez szarpań. Każdy szczyt koreluje z jednym cylindrem zbliżającym się do GMP. Umiarkowany prąd obecny jest w momencie popychania tłoka w silniku a wyższy prąd w momencie kompresji mieszanki paliwowej, co za tym idzie wyższy prąd spowodowany jest cięższą pracą rozrusznika w trakcie kompresji.

Za tym prostym wyjaśnieniem kryje się bardziej szczegółowa teoria, jak rozrusznik pobiera prąd w zależności od obciążenia mechanicznego. W skrócie, rozrusznik wytwarza siłę elektromotoryczną (SEM), która wzrasta wraz z prędkością, w kierunku przeciwnym do napięcia zasilającego ją. Redukuje to wsteczny przepływ prądu do rozrusznika. Im cięższe obciążenie na rozruszniku, tym wolniej działa, co powoduje mniejszy wsteczny przepływ oraz większe napięcie.


Każda kompresja cylindra bezpośrednio łączy się z każdym szczytem napięcia. Wysokie oraz nie równe szczyty powinny rodzic pytanie o efektywności kompresji cylindra. Możliwe jest również zidentyfikowanie wadliwego cylindra porównując sygnał rozruchu z sygnałem z cewki jednego z cylindrów. Z dobrą częstotliwością próbkowania w oscyloskopie oraz dobrą sondą napięcia, możesz być zaskoczony, jaka dokładna okazuje się ta technika, jak pomaga w odkrywaniu potencjalnych problemów. Mimo wszystko osobiście nadal polecam kontrolę mechaniczną kompresji i szczelności cylindra.

Na poniższym przebiegu widzimy, jak sygnał prądu coraz bardziej opada aż do ujemnych wartości. Spowodowane to jest uruchomieniem silnika i rozpoczęciem pracy alternatora z którego prąd zaczyna płynąć do akumulatora, w kierunku przeciwnym do prądu zasilającego rozrusznik. .

captured waveform

Oto ostatnia część zarejestrowanego przebiegu pokazana bardziej szczegółowo. Tuż przed testowaniem, sonda prądowa została dokładnie dopasowana wyzerowana, umożliwiając mierzenie przepływu prądu w wzdłuż linii 0 A ( jest to zalecana praktyka).

Zignorujmy na razie sygnał napięcia. Wraz z obrotem rozrusznika, prąd jest pobierany z akumulatora, pokazane jest to na rysunku jako dodatni przepływ prądu. W momencie uruchomienia silnika alternator rozpoczyna wytwarzanie prądu i przesyłanie go w odwrotnym kierunku po tych samych kablach. Sonda przechwytuje ten sygnał dzięki czemu zaczynamy widzieć pojawiające się wartości prądu po minusowej stronie linii 0 A. W tym momencie akumulator zaczyna być ładowany.

 

Jak działa rozrusznik

Rozrusznik musi rozwinąć wysoki moment obrotowy, aby odpalić silnik, wymaga to dużej ilości prądu. Ilustracja pokazuje przepływ prądu w rozruszniku. Gdy elektromagnes zostanie zasilony, prąd z akumulatora zaczyna płynąć przez jego złącze stykowe i uruchamia rozrusznik.

Moduł rozrusznika był nadal na gwarancji, więc nie było możliwości jego demontażu w celu sprawdzenia go od wewnątrz.


starter motor illustration

W jaki sposób elektromagnes zamyka potężne styki oraz utrzymuję ich zamknięcie? Wykorzystywane są do tego dwie cewki, cewka popychająca oraz cewka utrzymująca. Obydwie cewki są umieszczone wokół tłoczka w taki sposób, że ich pole magnetyczne go przesuwa. Przesuwany tłok stara się ułożyć w pozycji środkowej pola magnetycznego, w ten sposób zamyka styk znajdujący się na jednym z końców tłoczka. Elektromagnes ma dwa główne zadania: wzbudzić ruch tłoczka oraz utrzymywać go w ruchu tak długo jak to będzie konieczne. Możliwe jest wykonanie tej pracy z wykorzystaniem tylko jednej cewki, dlaczego więc są dwie?

W każdym elektromagnesie, pole magnetyczne potrzebne do rozpoczęcia ruchu tłoczka jest większe od pola magnetycznego potrzebnego do utrzymania tłoczka w miejscu. Użycie tylko jednej cewki do tych dwóch prac, zwiększyłoby ilość użytego prądu . Marnowano by energie oraz ciepło. Dlatego najlepszym rozwiązaniem jest posiadanie silnego elektromagnesu do rozpoczęcia ruchu, a następnie użycie słabszego do utrzymania tłoczka w miejscu.

Obydwie cewki są jednocześnie zasilane napięciem z akumulatora. Aby zasilić dwa obwody , "cewka utrzymująca" jest uziemiana przez obudowę elektromagnesu, natomiast "cewka popychająca" jest uziemiana przez uzwojenie rozrusznika.
Połączona moc dwóch cewek popycha tłoczek we właściwe miejsce, styki elektromagnesu zamykają się, "popychająca cewka" wykonała swoją pracę i zostaje wyłączona. Można zauważyć, że po zamknięciu styków przez elektromagnes napięcie nie zasila tylko rozrusznika ale także cewkę podtrzymującą.

Zasada pracy cewki podtrzymującej jest dużo prostsza. Posiada ona ciągłe podłączenie do prądu, dzięki temu jest gotowa chwycić tłoczek w dowolnym momencie wyłączenia cewki popychającej.

W miejscu, w którym dokonano pomiarów przebiegów napięcia i prądu rozruchu, widać że prąd płynący do rozrusznika był przerywany. Na tą chwilę, jest to wszystko co można wywnioskować na temat przyczyn awarii.

Słabe zasilanie?

cranking current trace

Odczyt jakiegokolwiek prądu w obwodzie bez obecności napięcia jest niemożliwy. Można z tego dużo wywnioskować, napięcie musi być dobrze dostarczane aby utrzymywać poziom prądu w rozruszniku na poziomie 250A. W naszym przypadku w czasie testu obroty silnika w trakcie rozruchu były prawidłowe. Być może uszkodzony lub przerwany jest przewód główny. Mogło by to powodować spadki w sygnale, jednak takie wyjaśnienie nie wydaje się być przyczyną.

Sprawdzenie poziomu napięcia w bloku rozdzielającym moc pokazało dobre napięcie akumulatora przed, w trakcie oraz po spadku prądu. Pomiar ten wyklucza awarie przed blokiem dystrybucji w kierunku akumulatora. Ponieważ nasze testy przeprowadzone byłe po środku kabli zasilających, możliwa jest awaria pomiędzy blokiem dystrybucji a rozrusznikiem.

Nie było również żadnych widocznych oznak zwiększonej oporności połączenia. Oscyloskop nigdy nie pokazał niewystarczającego poziom prądu, tylko małe szczyty, które nie miały szans osiągnąć normalnego poziomu. Sygnatura jest zupełnie inna od wysokiej oporności powodującej słaby przepływ prądu.

Słaby akumulator został natychmiast wykluczony ponieważ miało by to wpływ na ogólny przepływ prądu.

Słabe uziemienie?

Prąd może płynąć tylko z wysokiego potencjału do niskiego. Oba potencjały muszą być obecne aby obserwować normalny poziom prądu. Słabe połączenie kabli nie  spowodowałoby powtarzalnego wzorca po stronie uziemienia jak i zaopatrzenia w prąd. Dodatkowo obciążenie 250A przy słabym połączeniu nie miałoby szans się pokazać gdyż taki prąd wymaga dobrych styków.

Należy wspomnieć że ten model samochodu posiada izolację akumulatora. Dlatego właśnie problem z uziemieniem nigdy nie był brany pod uwagę.

Problem z elektromagnesem?

solenoid illustration

Źródło problemu w tym miejscu wydaje się być najbardziej oczywiste. To właśnie elektromagnes dostarcza prąd do rozrusznika, jeśli wykonuje to nieefektywnie pojawia się problem. Jednym z możliwych powodów spadku poziomu prądu może być np. uwolnienie tłoczka przez elektromagnes co powoduje otwarcie styków. Może być to spowodowane przez niesprawną "cewkę utrzymującą" lub błędny impuls rozruchu. Jeśli zawodzi "cewka podtrzymująca" powodując cofanie się tłoczka, dałoby to charakterystyczny dźwięk zgrzytu po zębach koła zamachowego. Nasza awaria jest dość powtarzalna więc ten odgłos byłby na pewno słyszalny.

Problem z "cewką podtrzymującą" można wyeliminować ponieważ rozrusznik zawsze odpowiadał po otrzymaniu impulsu rozruchu.

Problem z komutatorem?

commutator

Miejsce komutacji to punkt, w którym szczotki wirnika stykają blaszki komutatora. Blaszki te występują parami, każda para połączona jest z jednym uzwojeniem. Prąd płynąc przez daną parę powoduje obrócenie się wirnika o pewien kąt, w tym momencie szczotki dotykają już innej pary i następuje ponowne obrócenie się wirnika. Cykl ten ciągle się powtarza a z nim następuje ruch obrotowy. 

Biorąc powyższe pod uwagę, w skrajnym przypadku mogłoby nastąpić uszkodzenie jednej z blaszek komutatora i wtedy następowała by przerwa w dostawie prądu, jednakże zasada jest też taka, że każde uzwojenie posiada dwie blaszki dodatnie i dwie ujemne. Co za tym idzie, uszkodzenie blaszki komutatora nie spowoduje takich zachowań prądu.

Problem z uzwojeniem?

Przerwanie jednego z uzwojeń rozrusznika mogłoby spowodować problem podobny do naszego, przerwy w poborze prądu byłyby podobne do naszych jednakże na pewno dużo bardziej regularne. Kolejna opcja to zwarcie na uzwojeniach, spowodowałoby to jednak duże piki dodatnie prądu, przebieg byłby bardzo okresowy.

Pomimo, że przebieg nadal nam nie mówi gdzie jest problem, to z pewnością mówi gdzie tego problemu nie ma. W przebiegu istnieje jeszcze coś co wymaga dodatkowego wyjaśnienia. Napięcie na kablu rozruchowym spada w momencie gdy rozrusznik zaczyna pobierać duży prąd. Nie byłoby w tym nic dziwnego, wprawdzie pobór wynosi aż 250A i spowoduje spadek napięcia na akumulatorze, w naszym wypadku do 10.5V. Spadek ten będzie także miał wpływ na komputery samochodu, przekaźniki i inne elementy elektryczne.

Zaczęły mnie jednak zastanawiać te piki napięcia widoczne na poniższym wykresie. W momencie gdy następuje spadek poboru prądu, na wykresie napięcia pojawia się impuls przekraczający napięcie akumulatora.

automotive waveform

Oba przebiegi, zarówno napięciowy jak i prądowy przekraczają logiczne wartości. Napięcie dochodzi do ponad 13V a prąd w tym samym momencie przyjmuje wartości minus kilka amper. Zupełnie jakby jakiś podzespół generował prąd, który pływnie w stronę akumulatora.

start motor - generated emf

Wiemy już co te piki oznaczają, ale w jaki sposób pomogą znaleźć przyczynę problemu?

Na początku mojego toku myślowego wspomniałem, że rozrusznik może zachowywać się jak prądnica, gdy się kręci generuje SEM . Biorąc to wszystko pod uwagę nasuwa się tylko jedna realna odpowiedź - styk elektromagnesu.

Jeżeli styki są złe (nie stykają dobrze, przerywając dopływ prądu), mogą spowodować bardzo szybki spadek prądu. Rozrusznik jako silnik, przez krotki czas się kręci, generując zwrotną SEM proporcjonalną do prędkości obrotowej. SEM przechodzi przez cewkę popychającą i dostaje się do obwodu elektrycznego pojazdu.


waveform

Wszystko to wygląda dość skomplikowanie, błąd który wymagał niekonwencjonalnej metody testowania, błąd który trwał nie więcej niż 6ms. Patrząc z perspektywy nie było innej możliwości jak sprawdzić to wszystko oscyloskopem (zaznaczam rozrusznik był na gwarancji). Cały ten artykuł może wydać się zbyt zagmatwany, gdyż weszliśmy bardzo mocno w szczegóły. Aby jednak dobrze zrozumieć przebieg, trzeba znać zasadę działania badanego urządzenia. Tym sposobem cała diagnoza zajęła nam zaledwie 10 minut, gdzie podłączyć musieliśmy jedynie oscyloskop, kable napięciowe i sondę prądową. Potwierdza się więc reguła, że przebiegach kryje się dużo informacji, wystarczy tylko ruszyć głową...

Poniższy przebieg zrobiliśmy już z nowym rozrusznikiem.

good starter motor waveform good starter waveform

Kanał A pokazuje prąd elektromagnesu, kanał B prąd rozrusznika.

*do przeprowadzonego badania użyto oscyloskop samochodowy USB PICO PicoScope 4423