Применение осциллографа для наблюдения сигналов в цепях систем управления
Цифровые мультиметры отлично подходят для проверки находящихся в статическом состоянии электрических цепей, а также для фиксации медленных изменений отслеживаемых параметров. При проведении же динамических проверок, выполняемых на работающем двигателе, а также при выявлении причин спорадический сбоев совершенно незаменимым инструментом становится осциллограф.Некоторые осциллографы позволяют сохранять осциллограммы во встроенном модуле памяти с последующим выводом результатов на печать или перекачкой их на носитель персонального компьютера уже в стационарных условиях.
Осциллограф позволяет наблюдать периодические сигналы и измерять напряжение, частоту, ширину (длительность) прямоугольных импульсов, а также уровни медленно меняющихся напряжений.
Осциллограф может быть использован для:
· Выявления сбоев нестабильного характера.
· Проверки результатов произведенных исправлений.
· Мониторинга активности лямбда-зонда системы управления двигателя, оборудованного каталитическим преобразователем.
· Анализа вырабатываемых лямбда-зондом сигналов, отклонение параметров которых от нормы является безусловных свидетельством нарушения исправности функционирования системы управления в целом, - с другой стороны, правильность формы выдаваемых лямбда-зондом импульсов может служить надежной гарантией отсутствия нарушений в системе управления.
Надежность и простота эксплуатации современных осциллографов не требуют от оператора никаких особых специальных знаний и опыта. Интерпретация полученной информации может быть легко произведена путем элементарного визуального сравнения снятых в ходе проверки осциллограмм с приведенными ниже типичными для различных датчиков и исполнительных устройств автомобильных систем управления временными зависимостями.
Параметры периодических сигналов
|
Характеристики произвольного периодического сигнала |
|
Датчик температуры охлаждающей жидкости двигателя (ECT) |
|
Датчик температуры всасываемого воздуха (IAT) |
|
Датчик положения дроссельной заслонки (TPS) |
|
Подогреваемый l-зонд (кислородный датчик) |
|
Измеритель объемного расхода потока воздуха (VAF) |
|
Измеритель массы воздуха (MAF) |
|
Датчик детонации (KS) |
|
Индуктивный датчик оборотов двигателя |
|
Индуктивный датчик 15 положения коленчатого вала (CKP) |
|
Индуктивный датчик L5 положения распределительного вала (CMP) |
|
Индуктивный датчик скорости движения автомобиля (VSS) |
|
Работающие на эффекте Холла датчики оборотов и положения валов (В6/1) |
|
Оптические датчики оборотов и положения валов |
|
Цифровые датчики термометрического измерения массы воздуха (MAF) и абсолютного давления во впускном трубопроводе (MAP) |
|
Инжекторы топлива |
|
Устройства стабилизации оборотов холостого хода (IAC) |
|
Первичная обмотка катушки зажигания |
|
Электромагнитный клапан Y58/1 продувки угольного адсорбера (EVAP) |
|
Клапаны системы рециркуляции отработавших газов (EGR) |
|
Цифровой сигнал |
|
Аналоговый сигнал |
|
Сигнал оборотов RPM (TN) |
|
Импульс управления инжектором. Закрытая дроссельная заслонка |
|
Импульс управления инжектором. Дроссельная заслонка открыта полностью |
|
Типичная осциллограмма сигнала, вырабатываемого индуктивным датчиком |
|
Осциллограмма управляющего сигнала системы стабилизации оборотов холостого хода (IAC) |
|
Осциллограмма сигнала, выдаваемого типичным лямбда-зондом (кислородным датчиком) |
|
Осциллограмма сигнала, выдаваемого типичным датчиком детонации (KS) |
|
Осциллограмма управляющего сигнала усилителя зажигания |
|
Осциллограмма сигнала на клемме первичной обмотки катушки зажигания |
Каждый, снимаемый при помощи осциллографа сигнал может быть описан при помощи следующих основных параметров:
· Амплитуда: Разность максимального и минимального напряжений (В) сигнала в пределах периода;
· Период: Длительность цикла сигнала (мсек)
· Частота: Количество циклов в секунду (Гц);
· Ширина: Длительность прямоугольного импульса (мс, мкс);
· Скважность: Отношение периода повторения к ширине (В зарубежной терминологии применяется обратный скважности параметр называемый рабочим циклом, выраженный в %);
· Форма сигнала: Последовательность прямоугольных импульсов, единичные выбросы, синусоида, пилообразные импульсы, и т.п.
Обычно характеристики неисправного устройства сильно отличаются от эталонных, что позволяет оператору легко и быстро визуально выявить отказавший компонент.
Сигналы постоянного тока - анализируется только напряжение сигнала.
Сигналы переменного тока - анализируются амплитуда, частота и форма сигнала.
Частотно-модулированные сигналы - анализируются амплитуда, частота, форма сигнала и ширина периодических импульсов. Источниками подобных сигналов являются устройства.
Индуктивный датчик 15 положения коленчатого вала (CKP) b – распознавание цилиндра №1 (пропущено 2 зуба)
Сигналы, модулированные по ширине импульса (ШИМ) - анализируются амплитуда, частота, форма сигнала и скважность периодических импульсов. Источниками подобных сигналов являются устройства.
Форма выдаваемого осциллографом сигнала зависит от множества различных факторов и может в значительной мере изменяться. В виду сказанного, прежде чем приступать к замене подозреваемого компонента в случае несовпадения формы снятого диагностического сигнала с эталонной осциллограммой, следует тщательно проанализировать полученный результат:
Напряжение
Нулевой уровень эталонного сигнала нельзя рассматривать в качестве абсолютного
опорного значения, - “ноль” реального сигнала, в зависимости от конкретных параметров
проверяемой цепи, может оказаться сдвинутым относительно эталонного в пределах
определенного допустимого диапазона.
Полная амплитуда сигнала зависит от напряжения питания проверяемого контура
и также может варьироваться относительно эталонного значения в определенных
пределах.
В цепях постоянного тока амплитуда сигнала ограничивается напряжением питания.
В качестве примера можно привести цепь системы стабилизации оборотов холостого
хода (IAC), сигнальное напряжение которой никак не изменяется с изменением оборотов
двигателя.
В цепях переменного тока амплитуда сигнала уже однозначно зависит от частоты
работы источника сигнала, так, амплитуда сигнала, выдаваемого датчиком положения
коленчатого вала (CKP) будет увеличиваться с повышением оборотов двигателя.
В виду сказанного, если амплитуда снимаемого при помощи осциллографа сигнала
оказывается чрезмерно низкой или высокой (вплоть до обрезания верхних уровней),
достаточно лишь переключить рабочий диапазон прибора, перейдя на соответствующую
шкалу измерения.
При проверке оборудования цепей с электромагнитным управлением (например, система
IAC) при отключении питания могут наблюдаться броски напряжения, которые можно
спокойно игнорировать при анализе результатов измерения.
Не следует беспокоиться также при появлении таких деформаций осциллограммы,
как скашивание нижней части переднего фронта прямоугольных импульсов, если,
конечно, сам факт выполаживания фронта не является признаком нарушения исправности
функционирования проверяемого компонента.
Частота
Частота повторения сигнальных импульсов зависит от рабочей частоты источника
сигналов.
Форма снимаемого сигнала может быть отредактирована и приведена к удобному для
анализа виду путем переключения на осциллографе масштаба временной развертки
изображения.
При наблюдении сигналов в цепях переменного тока временная развертка осциллографа
зависит от частоты источника сигнала, определяемой оборотами двигателя.
Как уже говорилось выше, для приведения сигнала к удобочитаемому виду достаточно
переключить масштаб временной развертки осциллографа.
В некоторых случаях характерные изменения сигнала оказываются развернутыми зеркально
относительно эталонных зависимостей, что объясняется реверсивностью полярности
подключения соответствующего элемента и, при отсутствии запрета на изменение
полярности подключения, может быть проигнорировано при анализе.
Типичные сигналы компонентов систем управления двигателем
Современные осциллографы обычно оборудованы лишь двумя сигнальными проводами
в купе с набором разнообразных щупов, позволяющих осуществить подключение прибора
практически к любому устройству.
Красный провод подключен к положительному полюсу осциллографа и обычно подсоединяется
к клемме электронного модуля управления (ECM). Черный провод следует подсоединять
к надежно заземленной точке (массе).
Инжекторы
Управление составом воздушно-топливной смеси в современных автомобильных электронных
системах впрыска топлива осуществляется путем своевременной корректировки длительности
открывания электромагнитных клапанов инжекторов.
Длительность пребывания инжекторов в открытом состоянии определяется продолжительностью
вырабатываемых модулем управления электрических импульсов, подаваемых на вход
электромагнитных клапанов. Продолжительность импульсов измеряется в миллисекундах
и обычно не выходит за пределы диапазона 1 ÷ 14 мс.
Типичная осциллограмма управляющего срабатыванием инжектора импульса представлена
на илл. Часто на осциллограмме можно наблюдать также серию коротких пульсаций,
следующих непосредственно за инициирующим отрицательным прямоугольным импульсом
и поддерживающих электромагнитный клапан инжектора в открытом состоянии, а также
резкий положительный бросок напряжения, сопровождающий момент закрывания клапана.
Исправность функционирования ECM может быть легко проверена при помощи осциллографа
путем визуального наблюдения изменений формы управляющего сигнала при варьировании
рабочих параметров двигателя. Так, длительность импульсов при проворачивании
двигателя на холостых оборотах должна быть несколько выше, чем при работе агрегата
на низких оборотах. Повышение оборотов двигателя должно сопровождаться соответственным
увеличением времени пребывания инжекторов в открытом состоянии. Данная зависимость
особенно хорошо проявляется при открывании дроссельной заслонки короткими нажатиями
на педаль газа.
При помощи тонкого щупа из прилагаемого к осциллографу набора подсоедините красный
провод прибора к инжекторной клемме ECM системы управления двигателем. Щуп второго
сигнального провода (черного) осциллографа надежно заземлите.
Проанализируйте форму считываемого во время проворачивании двигателя сигнала.
Запустив двигатель, проверьте форму управляющего сигнала на холостых оборотах.
Резко нажав на педаль газа, поднимите частоту вращения двигателя до 3000 об/мин,
- продолжительность управляющих импульсов в момент акселерации должна заметно
увеличиться, с последующей стабилизацией на уровне равном, или чуть меньшем
свойственному оборотам холостого хода.
Быстрое закрывание дроссельной заслонки должно приводить к спрямлению осциллограммы,
подтверждающему факт перекрывания инжекторов (для систем с отсеканием подачи
топлива).
При холодном запуске двигатель нуждается в некотором обогащении воздушно-топливной
смеси, что обеспечивается автоматическим увеличением продолжительности открывания
инжекторов. По мере прогрева длительность управляющих импульсов на осциллограмме
должна непрерывно сокращаться, постепенно приближаясь к типичному для холостых
оборотов значению.
В системах впрыска, в которых не применяется инжектор холодного запуска, при
холодном запуске двигателя используются дополнительные управляющие импульсы,
проявляющиеся на осциллограмме в виде пульсаций переменной длины.
В приведенной ниже таблице представлена типичная зависимость длительности управляющих
импульсов открывания инжекторов от рабочего состояния двигателя.
| Состояние двигателя | Длительность управляющего импульса, мс |
| Холостые обороты | 1,5 ÷ 5 |
| 2000 ÷ 3000 об/мин | 1,1 ÷ 3,5 |
| Полный газ | 8,2 ÷ 3,5 |
Индуктивные датчики
Запустите двигатель и сравните осциллограмму, снимаемую с выхода индуктивного
датчика с приведенной на илл. 27 эталонной.
Увеличение оборотов двигателя должно сопровождаться увеличением амплитуды вырабатываемого
датчиком импульсного сигнала.
Электромагнитный клапан стабилизации оборотов холостого
хода (IAC)
В автомобилестроении используются электромагнитные клапаны IAC множества различных
типов, выдающих сигналы также различной формы.
Общей отличительной чертой всех клапанов является тот факт, что скважность сигнала
должна уменьшаться с возрастанием нагрузки на двигатель, связанной с включением
дополнительных потребителей мощности, вызывающих понижение оборотов холостого
хода.
Если скважность осциллограммы изменяется с увеличением нагрузки, однако при
включении потребителей имеет место нарушение стабильности оборотов холостого
хода, проверьте состояние цепи электромагнитного клапана, а также правильность
выдаваемого ECM командного сигнала.
Обычно в цепях стабилизации оборотов холостого хода используется 4-полюсный
шаговый электродвигатель, описание которого приведено ниже. Проверка 2-контактных
и 3-контактных клапанов IAC производится в аналогичной манере, однако осциллограммы
выдаваемых ими сигнальных напряжений совершенно непохожи.
Шаговый электромотор, реагируя на выдаваемый ECM пульсирующий управляющий сигнал,
производит ступенчатую корректировку оборотов холостого хода двигателя в соответствии
с рабочей температурой охлаждающей жидкости и текущей нагрузкой на двигатель.
Уровни управляющих сигналов могут быть проверены при помощи осциллографа, измерительный
щуп которого подключается поочередно к каждой из четырех клемм шагового мотора.
Прогрейте двигатель до нормальной рабочей температуры и оставьте его работающим
на холостых оборотах.
Для увеличения нагрузки на двигатель включите головные фары, кондиционер воздуха,
либо, - на моделях с гидроусилителем руля, - поверните рулевое колесо. Обороты
холостого хода должны на короткое время упасть, однако тут же вновь стабилизироваться
за счет срабатывания клапана IAC.
Сравните снятую осциллограмму с приведенной на илл. 28 эталонной.
Лямбда-зонд (кислородный датчик)
|
В Разделе приводятся осциллограммы, типичные для наиболее часто используемых на автомобилях кислородных датчиков циркониевого типа, в которых не используется опорное напряжение 0.5В. В последнее время все большую популярность приобретают титановые датчики, рабочий диапазон сигнала которых составляет 0 ÷ 5 В, причем высокий уровень напряжения выдается при сгорании обедненной смеси, низкий, - обогащенной. |
Подсоедините осциллограф между клеммой l-зонда на ECM и массой.
Удостоверьтесь, что двигатель прогрет до нормальной рабочей температуры.
Сравните выведенную на экран измерителя осциллограмму с приведенной на илл.
27 эталонной зависимостью.
Если снимаемый сигнал не является волнообразным, а представляет собой линейную
зависимость, то, в зависимости от уровня напряжения, это свидетельствует о чрезмерном
переобеднении (0 ÷ 0.15 В), либо переобогащении (0.6 ÷ 1 В) воздушно-топливной
смеси.
Если на холостых оборотах двигателя имеет место нормальный волнообразный сигнал,
попробуйте несколько раз резко выжать педель газа, - колебания сигнала не должны
выходить за пределы диапазона 0 ÷ 1 В.
Увеличение оборотов двигателя должно сопровождаться повышением амплитуды сигнала,
уменьшение - снижением.
Датчик детонации (KS)
Подсоедините осциллограф между клеммой датчика детонации ECM и массой.
Удостоверьтесь, что двигатель прогрет до нормальной рабочей температуры.
Резко выжмите педаль газа и сравните форму снимаемого сигнала переменного тока
с приведенной на илл. эталонной осциллограммой.
При недостаточной четкости изображения легонько постучите по блоку цилиндров
в районе размещения датчика детонации.
Если добиться однозначности формы сигнала не удается, замените датчик, либо
проверьте состояние электропроводки его цепи.
Сигнал зажигания на выходе усилителя
Подсоедините осциллограф между клеммой усилителя зажигания ECM и массой.
Прогрейте двигатель до нормальной рабочей температуры и оставьте его работающим
на холостых оборотах.
На экран осциллографа должна выдаваться последовательность прямоугольных импульсов
постоянного тока. Сравните форму принимаемого сигнала с приведенной на илл.
31 эталонной осциллограммой, уделяя пристальное внимание совпадению таких параметров,
как амплитуда, частота и форма импульсов.
При увеличении оборотов двигателя частота сигнала должна увеличиваться прямо
пропорционально.
Первичная обмотка катушки зажигания
Подсоедините осциллограф между клеммой катушки зажигания ECM и массой.
Прогрейте двигатель до нормальной рабочей температуры и оставьте его работающим
на холостых оборотах.
Сравните форму принимаемого сигнала с приведенной на илл. 31 эталонной осциллограммой,
- положительные броски напряжения должны иметь постоянную амплитуду.
Неравномерность бросков может быть вызвана чрезмерным сопротивлением вторичной
обмотки, а также неисправностью состояния ВВ провода катушки или свечного провода.
Сигнал датчика В40 температуры/уровня/количества масла
|
|
|
1 — Контролируемые параметры
в порядке
|
3 — Параметры занижены до 20%
|