Diagnostyka systemu kontroli temperatury w kabinie samochodu

Autor: Nick Hibberd

Klient skarżył się, że okazjonalnie pokrętła regulacji temperatury zawieszały się na jednym ustawieniu. Niestety nie był wstanie powiedzieć przy jakich ustawieniach temperatury dochodziło do awarii.

interior temperature control

Gdzie rozpocząć diagnozę? Zawsze uczę innych aby rozpocząć od źródła problemu, jednak w tym konkretnym przypadku początkiem było dla mnie zakończenie odwodu czyli zawór wody, który decyduje o przepływie płynu chłodzącego w nagrzewnicy, dzięki czemu reguluje temperaturę wewnątrz kabiny.

Patrząc na ułożenie kabli, wydawało się że nie ma zbyt wielu sposobów działania tego urządzenia. Było tam 5 kabli, przypuszczałem że 2 odpowiadają za sterowanie silniczkiem, kolejne 3 odpowiadały za informację zwrotną o położeniu zaworu ( tj. zasilanie potencjometru, masę oraz zmienne napięcie wyjścia).

Urządzenie działało prawidłowo w momencie rozpoczęcia diagnozy, co było to zgodne z informacją przekazaną od klienta o sporadycznie występującej awarii. Jednocześnie uznałem że jest to dobra okazja na sprawdzenie i zapisanie przebiegów. W przypadku testowania lub diagnozowania odwodów zawsze podchodzę z ostrożnością do pierwszych odczytów. Zanim zapiszę przebieg jako prawidłowy muszę być pewien że ECU dostaje prawidłowe informacje.

Podłączyłem oscyloskop samochodowy Pico do gniazda zasilania zaworu wody, teraz już byłem pewien, że moja hipoteza dotycząca zasady działania kabli była prawidłowa.

water valve schematic

Następnie chciałem uzyskać pełny obraz wydajności zaworu. Z doświadczenia wiem, że najlepszą metodą sprawdzenia wydajności zaworu jest monitorowanie poboru prądu silnika zaworu oraz sygnału pozycji zaworu. Dlaczego?

Pobór prądu silnika: ponieważ ten pomiar obejmuje weryfikację kabli do i od silnika oraz wszystkie inne istotne połączenia wzdłuż kabli. Dodatkowo sprawdza się integralność silnika oraz analizuje "obciążenie" silnika - jest to często zapomniana ale bardzo pomocna informacja diagnostyczna. Wszystkie w/w informacje można sprawdzić dzięki tylko jednemu kanałowi oscyloskopu oraz jednemu podłączeniu.

Sygnał pozycji zaworu: oferuje doskonałe informacje o wydajności całego odwodu potencjometru oraz zaworu. Dodatkowo monitorowanie pozycji zaworu oraz suwaka potencjometru, dostarcza informacji o ewentualnej awarii odwodu potencjometru oraz jej przyczynie.

Z podłączonym oscyloskopem samochodowym Pico przeprowadziłem parę testów. Polegały one na sterowaniu zaworem wody, wykorzystując do tego pokrętła kontroli temperatury (wewnątrz samochodu). Przebieg 1 pokazuje bardzo dobrą pracę zaworu.

water valve response waveform

Przez jakiś czas kontynuowałem test w celu wywołania awarii opisanej przez klienta. Ustawiałem zawór w różnych pozycjach, przesuwałem go w różnym tempie, wyłączałem oraz włączałem zapłon. Ostatecznie musiałem zadać sobie pytanie: Jak długo można testować okazjonalny błąd?

Dobrze wiem z doświadczenia, że jak tylko klient wróci po samochód, awaria automatycznie się pojawi. Klient może wtedy poddać w wątpliwość moje chęci do zdiagnozowania problemu: "Czy próbowałeś doprowadzić do pojawienia się awarii?" W przypadku tego samochodu próba doprowadzenia do pojawienia się awarii trwała ok 30min, jest to według mnie odpowiednia ilość czasu.

Ostatecznie miałem już zamiar zakończyć pracę gdy dostrzegłem coś interesującego na samym końcu jednego przebiegu. W momencie zauważenia anomalii, oscyloskop był ustawiony na mniejszą podstawę czasu w celu lepszego monitorowania komunikacji z zaworem. Niestety siedziałem wtedy na miejscu pasażera i nie byłem w stanie wystarczająco szybko nacisnąć przycisku STOP. Nie udało mi się zapisać przebiegu, jednak wiedziałem że dostrzegłem coś istotnego.

Ponownie uruchomiłem oscyloskop i trzymałem kciuki aby błąd się powtórzył. Klika pełnych przebiegów i udało się!

capture showing fault
zooming-in on waveform

captured waveform

Najbardziej oczywista rzecz widoczna na przebiegu to wartość prądu (impuls powyżej 1A) która wychodzi poza skalę na oscyloskopie. Jest to duża wskazówka co do przyczyny błędu.

Na początku śledztwa wielokrotnie zmieniałem podziałkę pionową przebiegu w celu wyświetlania odpowiedniej wartości poboru prądu silnika. Jeśli spojrzysz na przebieg 1 zauważysz, że mamy 200mA na działkę.. Ustawiłem zakres w pionie na ± 1A, mając nadzieję uzyskać dużą dokładność pionową pobranego przebiegu z jednoczesnym założeniem, że przebieg nie przekroczy tego zakresu.

Skoki prądu są nagłe i okresowe co sugerowało, że sinik jest obciążony. Czy w trakcie przemieszczania zawór uderza w coś i blokuje się, być może? Byłaby to najbardziej oczywista odpowiedź, ale niestety tak nie jest. Możemy założyć aspekt mechaniczny związany z zaworem, może zawór się przyblokowuje a wartość prądu 200mA widoczna na rysunku nr 1, to nie jest stan otwarcia. Warto wspomnieć, że wartość 200mA w trakcie normalnej pracy wynika w całości z prawa Ohma i dla naszej oporności zaworu (około 50Ohm) to właśnie blisko 200mA (I=U/R) .

Może awaria nie ma nic wspólnego z silnikiem oraz zaworem. Przyczyną przecież może być ECU lub niesprawny kabel.

Po raz kolejny odpowiedz brzmi nie. Nie dlatego, że jest to niedorzeczne lecz z powodu lokalizacji naszego punktu testowego. Wyjaśnię to bardziej szczegółowo. Wracając do jakichkolwiek przebiegów użytych w tym przypadku, należy zwróć uwagę na to, że nie możemy dostrzec polaryzacji zasilania silnika. Dzieje się tak dlatego, że do tego momentu używałem tylko sondy prądowej. Muszę teraz wziąć pod uwagę polaryzację zasilania aby być pewnym jakichkolwiek wniosków. Po pierwsze, obwód otwarty (wysoka odporność) spowodowałoby brak (lub bardzo mały) przepływu prądu. Jest to przeciwny warunek do tego z którym mamy do czynienia w naszej sytuacji - dlatego możemy to wykluczyć. Być może, jest to zwarcie w kablu ? Przeważnie powoduje to nadmierny pobór prądu, sprawdźmy więc możliwe kombinacje polaryzacji zasilania. Muszę przyznać, że w trakcie przeprowadzania w/w testu nie przywiązywałem szczególnej uwagi do biegunowości . Ustawiłem oscyloskop, wyzerowałem sondę prądową a następnie podpiąłem ją do jednego z kabli zaworu. Skupiłem się na ogólnej wydajności obwodu i taki wynik otrzymałem.

valve circuit

Z powyższej ilustracji wyłania się nam tylko jedna możliwa przyczyna. Rozważmy teraz drugą alternatywną polaryzację zasilania i zobaczmy jak wpłynie to na nasze ustalenia.

valve circuit

Myślę że wyjaśniłem wszystkie możliwości dotyczące zwarcia w obwodzie! Jeśli istnieje zwarcie musi ono istnieć pomiędzy zasilaniem zaworu a punktem w który podpięliśmy nasze cęgi prądowe. Mogę bezpiecznie wykluczyć taką opcję, ponieważ punkt do którego podpiąłem cęgi był w bliskiej odległości do zaworu, a kabel wyglądał na nienaruszony. Kolejną przyczyną mogło by być zwarcie wewnątrz zaworu.

Poniższy przebieg zawiera jeszcze inne wskazówki dotyczące awarii.

waveform

Wzrost pozycji sygnału w tym samy momencie, co nasz skok napięcia wskazuje na to, że źródło zasilania dzielone jest z ECU. Nie jest to wskazówka diagnostyczna ale fakt godny zanotowania. W szczególności, że wygląda tak jak by dwa obwody korzystały z tej samej masy.

Każdy nagły skok wskazuje na naszą awarię. Sterownik klimatyzacji uruchamiając zawór sprawdza jego pozycję. W momencie gdy zawór się przytnie sterownik impulsowo podaje prąd by wyprowadzić go ze złej pozycji, Pojawiające się krzywe na sygnale, w momencie ponownego uruchomienia prądu dostarczają kolejnych informacji. Silnik momentalnie po otrzymaniu prądu zaczyna robić problemy - powoduje to charakterystyczną krzywą opadającą sygnału ( w zasadzie prąd wtedy rośnie gdyż musimy pamiętać o tym, że mamy odwrócony prąd). Przy wartości około 200mA następuje ostry pobór prądu i przebieg skacze drastycznie w dół, oznacza to że zawór przed momentem skoku prądu jakby uderza w ciasne miejsce. Zwróć też uwagę na odstępy pomiędzy impulsami prądu, które zwiększają się co wskazuje na to, że zawór coraz bardziej zaczyna przezwyciężać problem.

waveform

Co więc było nie tak z zaworem ? - jestem otwarty na wasze sugestie. Łatwo było by przypisać przyczynę awarii do zwarcia w uzwojeniu twornika. Osobiście nie wierzę, że był to powód awarii. Moje przemyślenia kierują się w stronę szczotek lub nawet przesunięcia twornika - jednak każda teoria jaka przychodzi mi do głowy ma swoje słabe strony. Z całą pewnością był to typ jakiegoś zwarcia, którego przyczyn nie jest wiele. Przeważnie powoduje ją niska lub wysoka rezystancja.

Nowy sinik zaworu wody został zamontowany i wszystko zaczęło działać poprawnie.

*do przeprowadzonego badania użyto oscyloskop samochodowy USB PICO PicoScope 4423