Diagnostyka podzespołów elektrycznych i elektronicznych w samochodzie podlega ciągłym przeobrażeniom – tak, jak rozwija się elektronika systemów mikroprocesorowych, tak też rozwijają się przyrządy pomiarowe. Oscyloskop zawsze jednak zajmował i będzie zajmował ważne miejsce w tej dziedzinie techniki. Początkowo diagnoskop samochodowy z funkcją oscyloskopu przeznaczony był tylko do silników benzynowych i służył do obrazowania przebiegów napięcia zapłonowego. Obecnie oscyloskop służy do obrazowania wszystkich sygnałów w systemach wtrysku benzyny czy Common Rail i pozwala znacznie przyśpieszyć naprawę samochodu.

Podczas ostatniego szkolenia w ramach Akademii AutoElektro, które odbyło się 30 maja 2010 r. w Warszawie, przedstawiałem nie tylko różnicę pomiędzy oscyloskopem analogowym i cyfrowym, ale również nowatorską metodę pomiaru przesunięcia czasowego (fazowego) pomiędzy dwoma sygnałami. Wśród uczestników szkolenia byli też użytkownicy oscyloskopów jednokanałowych (m.in. jako przystawki analogowej do diagnoskopu PAE „Radiotechnika” jaką oferowała firma „Homek” czy też przystawki komputerowej typu RH140), ale również i przenośnych, do których obsługi już się przyzwyczaili. Nikt nie słyszał jednak o możliwości pomiaru przesunięcia czasowego pomiędzy np. sygnałem wtryskiwacza benzyny a impulsem na cewce zapłonowej za pomocą oscyloskopu jednokanałowego.

Dla każdego mechanika sprawą oczywistą jest, że w przypadku wtrysku sekwencyjnego następuje zmiana kąta wyprzedzenia zapłonu w funkcji obrotów i iskra powinna przeskoczyć po wtryśnięciu paliwa, a nie przed jego wtryśnięciem. Dla autora pomysłu to duża satysfakcja móc przedstawić ideę zrozumiałą dla każdego użytkownika oscyloskopu posiadającego podstawową wiedzę z zakresu oscylogramów występujących w systemach wtrysku benzyny czy Common Rail. A zainspirował mnie wcześniej Darek Grygorkiewicz z Wrocławia, użytkownik wszystkich testerów „Homek”, który wyraził się następująco: „Przystawka do komputera typu RH140 jest prosta w obsłudze i bardzo przydatna, ale brakuje w niej drugiego kanału tak, aby pomierzyć zależności czasowe. Przykładowo: gdy nie można uruchomić silnika z Common Rail, to nie wiemy kiedy następuje wtrysk w zależności od sygnału z czujnika wałka rozrządu. Podobnie w benzynowych”.

W 1994 r. Jerzy Rydzewski w przedmowie do książki „Pomiary oscyloskopowe” pisał „Za wcześnie jest jeszcze na ogłoszenie końca oscyloskopów analogowych”. Podobnie chciałbym sformułować tezę „Za wcześnie jest jeszcze na ogłoszenie końca oscyloskopów jednokanałowych w zastosowaniach samochodowych”. A poniższy tekst może znacznie wydłużyć korzystanie z dotychczas zakupionych oscyloskopów jednokanałowych.

Przesunięcie czasowe (fazowe) zmierzone sondą prądową
Idea pomiaru wykorzystuje specyfikę sygnałów występujących w systemach sterowania silnikiem, a więc charakterystyczne przebiegi w zależności od prędkości obrotowej.

Rys. 1 przedstawia sterowanie cewką zapłonową i wtryskiwaczem, w dużym uproszczeniu przedstawiając ideę systemu wtrysku benzyny. Zakładając najczęściej występujące przebiegi prądu możemy dla uproszczenia przyjąć, że czasy otwarcia wtryskiwacza i „kluczuwania” cewki zapłonowej są takie same np. 3ms, ale maksymalna wartość prądu dla przebiegu piłokształtnego wtryskiwacza wynosi 1A (gdyż rezystancja elektrozaworu wtryskiwacza wynosi kilkanaście omów), a dla prądu cewki zapłonowej wynosi 5A. Przy takich założeniach możemy za pomocą sondy prądowej 60A nakładanej na przewód (opisywałem w AutoElektro – nr 90) otrzymać na ekranie dowolnego oscyloskopu jednokanałowego – po drobnej modyfikacji instalacji elektrycznej samochodu – następujące przebiegi:

rys. 2 – przebieg prądowy na przewodzie zasilającym
wtryskiwacz – sonda nałożona na przewód A na rys. 1,
rys. 3 – przebieg prądowy na przewodzie zasilającym
cewkę – sonda nałożona na przewód B na rys. 1,
rys. 4 – przebieg prądowy na wspólnym przewodzie zasilającym wtryskiwacz i cewkę zapłonową – sonda nałożona na przewód C na rys. 1.

Tak otrzymany przebieg prądowy na rys. 4 pozwala określić zależności czasowe pomiędzy sygnałem sterującym wtryskiwaczem i cewką zapłonową Tak wyraźny przebieg otrzymano dzięki temu, że zgodnie z I prawem Kirchhoffa suma prądów dopływających do węzła jest równa sumie prądów odpływających. W tym przypadku, w przeważającej większości czasu nie płynie żaden prąd, a jeżeli już płynie, to w jednej gałęzi. Z tego przykładu można już wyciągnąć podstawowy wniosek: sumator, jakim jest sonda prądowa nałożona na przewód C na rys. 1, jest doskonałym narzędziem do obrazowania przesunięcia fazowego pomiędzy kilkoma sygnałami za pomocą oscyloskopu jednokanałowego. Gdyby okazało się, że najpierw jest większa amplituda (5A), a później mniejsza (1A) tzn. najpierw iskra, a potem wtrysk benzyny, to samochodu nie można byłoby uruchomić. Określenia „przesuniecie czasowe” można używać zamiennie z określeniem „przesunięcie fazowe”, gdyż z pomiaru czasu pomiędzy kolejnymi impulsami odpowiadającemu okresowi można określić jeden pełny obrót o kąt 360 stopni.

Sumator – przystawka do oscyloskopu jednokanałowego
Przedstawienie idei sumowania sygnałów prądowych można również zastosować do sumowania dowolnych sygnałów napięciowych i obrazowania w ten sposób przesunięcia fazowego pomiędzy nimi. Idea ta nie będzie mogła być jednak wykorzystana w przypadku dwóch identycznych sygnałów co do kształtu i wartości napięcia, ale w praktyce samochodowej interesuje nas przecież przesunięcie fazowe pomiędzy dwoma różnymi sygnałami. Ideę przedstawia rys. 5 i sumowanie sygnałów napięciowych można traktować również jako możliwość obrazowania przesunięcia fazowego pomiędzy przebiegiem napięciowym i prądowym. Przebieg prądowy otrzymany na wyjściu prądowej sondy hallotronowej jest przecież przebiegiem napięciowym. Wystarczy tylko umieć dodawać i jeżeli wiemy, że 2+2=4, to nie będziemy mieli problemów z interpretacją otrzymanych przebiegów.

System wtrysku benzyny w Mitsubishi Space Wagon
Zmontowałem elektroniczny sumator i podłączyłem do przystawki komputerowej typu RH140. Pierwszych pomiarów dokonałem na samochodzie Mitsubishi z wielopunktowym systemem wtrysku benzyny. Gdy do pierwszego wejścia podłączyłem sondę napięciową i podłączyłem sygnał z 2. wtryskiwacza, to otrzymałem przebieg przedstawiony na rys. 6. Czułość wejścia Y1 ustawiona była na 5V/dz i dlatego od 4ms do 10ms przebieg napięcia utrzymuje się na poziomie 2,5działki, czyli ok. 12,5V.

Następnie do 3. wtryskiwacza podłączyłem sondę napięciową połączoną z wejściem Y2 o czułości również 5V/dz (rys. 7). Wówczas pojawiła się możliwość pomiaru przesunięcia czasowego pomiędzy 2. i 3. wtryskiwaczem, które to przesunięcie wynosi ok. 30ms. W osi Y, w czasie, gdy żaden z wtryskiwaczy nie jest otwarty, przebieg napięcia osiąga wartość 2 razy większą, czyli ok. 5dz – jest po prostu sumą 2 przebiegów.

Kolejną próbą pomiaru za pomocą sumatora był sygnał z czujnika optycznego w aparacie zapłonowym i przebiegu prądowego cewki zapłonowej, który to sygnał uzyskano za pomocą nakładanej sondy hallotronowej (rys. 8). Impuls z czujnika optycznego ma kształt prostokątny (napięcie występuje od 0 do 11ms i od 0,1s do 0,12s) i przypada na co czwarty przeskok iskry – od 20ms do 90 ms występują tylko impulsy prądowe. W celu poprawnego obrazowania przebiegu ustawiono wyzwalaną podstawę czasu zboczem narastającym o wartości 6 działek.

W celu sprawdzenia kolejnych zależności czasowych pomiędzy sygnałami do wejść sumatora podłączałem jednocześnie sygnał napięciowy z wtryskiwacza oraz sygnał prądowy z cewki zapłonowej. Nie ma problemu, aby odczytać z oscylogramu na rys. 9 przesunięcie czasowe dla biegu jałowego oraz na rys. 10 dla prędkości obrotowej ok. 2000 obr/min.

System wtrysku Common Rail w Fordzie Focusie
Gdy dokonywałem próbnych pomiarów na samochodzie z wtryskiem benzyny, to otrzymałem informację od Darka Grygorkiewicza, że w jego serwisie znajduje się samochód z systemem Common Rail – samochód ten nie daje się uruchomić. Darek Grygorkiewicz, będąc jeszcze uczniem Technikum Samochodowego, brał udział w pierwszych szkoleniach, jakie organizowaliśmy w połowie lat „90 we Wrocławiu. Od tamtego czasu znacznie poszerzył swoją wiedzę i doświadczenie i zajmował nawet w ogólnopolskich konkursach liczące się miejsca – kodowanie wtryskiwaczy czy sprawdzenie przelewów w tym samochodzie już przeprowadził. Miałem możliwość przetestowania sumatora również w tym konkretnym przypadku.

Podłączenie sondy do wszystkich wtryskiwaczy po kolei pozwalało uzyskać obraz widoczny na rys. 11, na którym widoczny jest wtrysk wstępny (0,5ms) i wtrysk zasadniczy z podtrzymaniem (1,8ms). Nałożenie sondy prądowej na przewód zasilający wtryskiwacz nie stanowi zazwyczaj żadnego problemu, tak i było w tym przypadku – wystarczyło tylko nieznacznie odsunąć koszulkę izolacyjną. Początkującym użytkownikom sondy prądowej należy przypomnieć o obejmowaniu cęgami tylko jednego przewodu, gdyż objęcie jednocześnie dwóch przewodów spowoduje wskazanie zerowej wartości (prądy płynące w przeciwnych kierunkach wytworzą również pola magnetyczne o przeciwnych zwrotach). Sonda prądowa nakładana na przewód pozwala określić wartość prądu w przewodzie na zasadzie pomiaru pola magnetycznego wokół przewodnika z prądem.

Kolejnym krokiem było uzyskanie oscylogramu z czujnika wałka rozrządu, który to czujnik jest bardzo łatwo dostępny i posiada trzy przewody doprowadzające – nawet bez schematu, po kolei, podłączaliśmy sondę napięciową do każdego przewodu i wykryliśmy, którym przewodem jest doprowadzone napięcie zasilające 12V, gdzie jest masa i którym przewodem odprowadzany do sterownika jest sygnał prostokątny o amplitudzie 5V. Podłączenie do pierwszego wejścia sumatora sygnału z sondy prądowej z 1. wtryskiwacza, a do drugiego wejścia sygnału napięciowego z czujnika wałka rozrządu pozwalało uzyskać czytelny obraz przesunięcia czasowego pomiędzy tymi sygnałami podczas kręcenia rozrusznikiem (rys. 12). Czułość wejścia sygnału czujnika ustawiona była na 2V/dz, a więc sygnał prądowy przesunął się do góry o 2,5 działki (w porównaniu z rys.11) i w 36ms następuje „kluczowanie” do masy. Podstawa czasu jest tak ustawiona, aby pomiar przesunięcia czasowego był najdokładniejszy. Można zmieniać podstawę czasu na coraz wolniejszą, ale wówczas pomiar będzie coraz mniej dokładny.

Na rys. 13 jest pokazany oscylogram na którym widoczne są dwa kolejne impulsy i można z nich określić prędkość obrotową podczas rozruchu. Przystawka oscyloskopowa RH140 ma rozdzielczość w poziomie 500 punktów, a to powoduje, że impuls 0,5ms wtrysku wstępnego nie jest już widoczny. W przypadku prostych oscyloskopów przenośnych o rozdzielczości 128 punktów, przy tej podstawie czasu impuls wtrysku zasadniczego również nie będzie widoczny. W praktyce przekonaliśmy się o możliwości dokonywania pomiarów przypisywanych do tej pory tylko oscyloskopom wielokanałowym. Kolejny raz można przywołać znane przysłowie „Potrzeba matką wynalazku”.

A może następnym razem jabłka nie będą potrzebne – to zdanie zrozumieją tylko uczestnicy szkolenia w Warszawie.

Autor: mgr inż. Ryszard Hołownia