Problem z czujnikiem spalania stukowego

Autor: Nick Hibberd

Samochód przyjechał do warsztatu z zapaloną kontrolką awarii silnika lecz bez widocznych / słyszalnych problemów. Po podłączeniu do komputera pojawiły się następujące błędy:

Ponieważ kody błędów wiążą się z innymi aspektami systemu zarządzania silnikiem, było mało prawdopodobne że są powiązane ze sobą. Jednak obydwa błędy zostały zapisane przez ECM, dlatego każdy z nich mógł być powodem zapalenia się kontrolki awarii silnika. Jest też bardzo mało prawdopodobne że obydwa zdarzenia miały miejsce jednocześnie powodując jednoczesne zapisanie dwóch błędów. Pytanie więc, który z błędów jest odpowiedzialny za zapalenie kontrolki silnika?

Zwróćmy uwagę na taką logikę. Większość błędów jest przechowywana w pamięci ECM aż do momentu ich odczytania i wykasowania przez diagnoskop. Niestety może to powodować problem, jeśli poprzednie błędy nie zostały wykasowane. Zdarza się że opisywany przez klienta problem jest ukryty wśród nie wykasowanych błędów, dlatego dobry mechanik nigdy nie powinien pozostawiać błędów po wykonanej naprawie. W przypadku opisywanego samochodu zapisaliśmy i usunęliśmy błędy a następnie wykonaliśmy jazdę próbną. Ponowne podłączenie diagnoskopu pokazało tylko jeden błąd:

V8 engine

Silnik w diagnozowanym samochodzie to V8 z zamontowanymi dwoma czujnikami spalania stukowego. Jeden czujnik monitoruje pracę cylindrów 1-2-7-8 , drugi cylindrów 3-4-5-6. Czujniki zamontowane są na spodzie silnika pomiędzy głowicami.

Elementem badającym czujnika jest kryształ piezoelektryczny który w spoczynku nie posiada napięcia. Spalanie stukowe wywołuje drgania mechaniczne ( przeważnie w okolicach 15kHz), które zniekształcają strukturę kryształu w wyniku czego produkuje on napięcie wyjściowe. Emitowane napięcie jest proporcjonalne do wartości drgań, wielkości spalania stukowego. Sygnał czujnika jest przechwytywany i interpretowany przez ECM, który na jego podstawie zmienia kąt wyprzedzenia zapłonu lub mieszankę paliwową aż do momentu ustąpienia drgań (spalania stukowego).

Istnieje wiele różnych typów połączeń pomiędzy czujnikiem spalania stukowego a ECM (jednostka sterowania silnikiem). Wczesne systemy ECM posiadały tylko pojedynczy kabel łączący z czujnikiem spalania stukowego; inne czujniki posiadają dwa kable gdzie drugi kabel służy jako masa; jeszcze inne czujniki posiadają oddzielną jednostkę kontrolną która interpretuje sygnał zanim dotrze on do ECM.

Procedury postępowania ECM z dostarczanym sygnałem z czujnika mogą być różne. Większość systemów ECM stara się ocenić kiedy następuje spalanie stukowe poprzez "nasłuchiwanie" sygnału tuż przed i po spaleniu mieszanki paliwowej. Eliminuje to możliwość przechwytywania "bezpańskiego" sygnału, który może być nieprawidłowo odczytany przez ECM jako spalanie stukowe.

Zaciekawiło mnie same powstanie kodu błędu. ECM wykrył błąd w momencie uruchomienia zapłonu, kiedy spalanie stukowe nie miało jeszcze miejsca.

Informacje dodatkowe: dobry sygnał

knock sensor

Każdy czujnik spalania stukowego miał trzy kable, dwa prowadzące bezpośrednio do ECM oraz jeden masowy służący jako ekranowanie. Sygnał zapisany z Pin 1 był potencjał niewiele większy od masy, kabel ten wychodził z ECM więc uznaliśmy że był on odpowiedzialny za swego rodzaju "masę". Pin 2 to linia przesyłająca informacje z czujnika do ECM. To właśnie ona była odpowiedzialna za większość operacji przeprowadzanych przez ECM. Pin 3 to ekran podłączony do podwozia samochodu.

Czujnik zawierał rezystor bocznikujący pomiędzy Pinem 1 oraz 2, posiadający około 560 kΩ . Polaryzacja kabli testowych nie jest istotna dla tych pomiarów.

Kolejnym krokiem było podłączenie oscyloskopu samochodowego Pico

knock sensor waveform

Przebieg 1 został zapisany w trakcie jednego cyklu włączania zapłonu. Każdy kanał monitoruje sygnał z jednego czujnika spalania stukowego. Dla lepszego podglądu oraz porównania kanał Czerwony został delikatnie przesunięty w pionie. Przebiegi śledzą sygnał z każdego czujnika od momentu uruchomienia zapłonu. Mimo braku wyraźnej sygnatury, możemy dokładnie rozpoznać wzorzec oraz prawie identyczną korelację pomiędzy dwoma czujnikami.

Diagnostyka przeprowadzana przez ECM składa się z trzech części, widać to dokładnie na zapisanym przebiegu. Natychmiast po uruchomieniu zapłonu ECM wytwarza wysokiej częstotliwości drgania sinusoidalne, następnie widoczna jest linia stałego napięcia, w ostatniej części dochodzi do szybkiego przełączania sygnał-napięcie stałe-sygnał itd. Trzecia cześć  jest obecna tak długo jak zapłon zostaje włączony, jeśli dochodzi do uruchomienia silnika pozostaje wyłącznie linia stałego napięcia.

waveform

Przebieg 2 pokazuje pierwszą część w większym przybliżeniu. Trwała ona 35 ms, drgania miały częstotliwość 5.6 kHz.

Hertz (Hz)= cykle na sekundę
Przybliżona odległość pomiędzy szczytami= 177 µs (0.000177 sekundy)
1 sekunda / 0.000177 sekunda= 5649 cykle na sekundę
= 5.6 kHz

Mimo że dwa sygnały wydają się podobne można dostrzec małe odchylenie pomiędzy nimi. Pozwala to ECM na rozróżnienie sygnałów (czujników) oraz rozpoznanie który z nich jest błędny.

automotive waveform

Nominalne stałe napięcie widziane przez ECM jest  wolne od zakłóceń. Oba sygnały posiadają podobną linię napięcia w okolicach 1.6 V.

automotive waveform

Wykres 4 przedstawia moment przełączania między sygnałem a napięciem stałym. Zwróć uwagę na powtarzalny sygnał który trwa około 4.8ms i zawiera oscylacje ok 5.6kHz. Oscylacja wydaje się mieć fundamentalne znaczenie dla diagnozowania czujnika oraz obwodów przez ECM.  Interesującą cechom każdego elementu piezoelektrycznego jest możliwość działania jako czujnik lub element wykonawczy. W badanym elemencie jego zadaniem jest reagowanie na mechaniczne drgania (spalanie stukowe) następnie wytwarzanie napięcia proporcjonalnego do tych drgań. Jednak może on również pracować w drugą stronę. Jeśli element jest zasilany napięciem to produkuje on bardzo małe mechaniczne ruchy w formie "fal". Prawdopodobnie oscylacja 5,6kHz używana jest to wzbudzenia elementu piezoelektrycznego.

Poniższy przebieg pokazuje wynik eksperymentu. Mierzony jest ten sam sygnał diagnostyczny na zmianę z podłączonym i odłączonym czujnikiem spalania stukowego. Intencją eksperymentu jest symulowanie obwodu otwartego.

czujnikiem spalania stukowego przebieg

czujnikiem spalania stukowego przebieg

Wykres 5 demonstruje odpowiedz ECM na ręczne odłączenie czujnika. Struktura zarejestrowanego sygnału (lepiej widocznego na Przebiegu 6) nie wygląda podobnie do poprzednio rejestrowanych sygnałów. Powodem tego jest bardzo długi czas przeprowadzenia odczytu ( 20s ) gdzie szybkozmienne elementy się zagęściły.

Na podstawie Wykresu 4 możemy obliczyć:

Całkowity czas trwania diagnozowanego cyklu = 7.203 ms
Oscylacja DC w cyklu= 4.853 ms
% czasu gdy sygnał oscylował= (4.853/7.203) x 100
= 67.3%
Liczna diagnozowanych cylki w 20 sekundach= (1/0.007203) x 20
= 2776

W 20 sekundowym pomiarze zaobserwowano 2776 cykli z czego 67.3% stanową oscylacje 5.6 kHz.

Istotną obserwacją jest różnica pomiędzy poziomem nominalnego stałego napięcia w momencie odłączenia czujnika. Głównym tego powodem jest brak opornika między pinem 1 i 2 (opornik występuje w czuniku)

Nasz pojazd

Wykresy od 7 do 10 pokazują jeden konkretny przykład uruchomienia zapłonu z pojawiającym się kodem błędu.

knock sensor waveforms

W przebiegu 7 widać widoczną różnice w dwóch sygnałach, powoduje to zapisanie błędu przez ECM. Kanał A (niebieski) monitoruje czujnik cylindra 1-2-7-8, kanał B (czerwony) monitoruje czujnik cylindra 3-4-5-6. Widzimy ten sam zarys sygnału jednak na przebiegu niebieskim całkowicie brakuje oscylacji. Należy pamiętać że ECM może nadal starać się emitować oscylacje, jednak obwód czujnika może ją zatrzymywać. W trakcie testu problematyczny czujnik został odłączony i nasze podejrzenia zostały potwierdzone w momencie pojawienia się oscylacji z ECM.

Wykresy 8 oraz 9 pokazują oscylacje, których ilość się zwiększa, postępowały one wraz z upływem czasu. Natomiast wykres 10 najlepiej  pokazuje błędy diagnozowanego sygnału. Odpowiedź na przyczynę tak małej ilości drgań sygnału otrzymaliśmy po odłączeniu czujnika i sprawdzeniu ciągłości połączeń pomiędzy wszystkimi trzema pinami. Tak jak oczekiwaliśmy pomiędzy pinem 1 oraz 2 mieliśmy przejście ale na poziomie 2,5MΩ. Jest to poziom, który prawie wskazuje otwarte połączenie.

Wszystkie dowody wskazywały na czujnik, dlatego nowy czujnik został zamówiony oraz zamontowany.

knock sensor



Na rysunku powyżej czujnik spalania stukowego z usuniętą obudową.


knock sensor
Tutaj strzałka wskazuje rezystor bocznikujący.
dismantled knock sensor

Zdjęcie pokazuje czujnik rozmontowany na części pierwsze, widoczny jest element piezoelektryczny (zaznaczony strzałką) oraz płytki przewodzące. Do każdej płytki był podłączony jeden kabel. Uszkodzenie elementu piezo mogło nastąpić w trakcie rozmontowania. Jeżeli element piezo został uszkodzony przed demontażem, to mogło być to spowodowane przez wodę, dostającą się do czujnika. Jego miejsce montażu sprzyja tej teorii. Według nas to jednak nie woda spowodowała ten problem.

*do przeprowadzonego badania użyto oscyloskop samochodowy USB PICO PicoScope 4423