Klíčem k identifikaci příčiny selhávání je pochopit, co to vlastně je. Pojďme se na to podívat do hloubky!
Zobrazit galerii obrázků
Obavy o emise bezpochyby změnily svět. Moderní vozidlo není osvobozeno od těchto emisí. Ve skutečnosti je dost možná jejich primárním cílem. Každý automobilový technik může každý den jasně vidět účinky těchto problémů s emisemi – od prodloužené výměny kapalin až po úrovně emisí výfukových plynů. Člověk nemusí moc pochopit, že s ohledem na miliony vozidel v provozu jsou tyto obavy zcela na místě.
Úrovně emisí z výfuku milionů vozidel vytvářejí fotochemický smog. Fotochemický smog je druh znečištění ovzduší způsobeného chemickými reakcemi, ke kterým dochází mezi slunečním ultrafialovým světlem a znečišťujícími látkami, jako jsou těkavé organické sloučeniny (uhlovodíky) a oxidy dusíku (NOx). Tato reakce produkuje částice ve vzduchu a přízemní ozón.
V jižní Kalifornii se kvalita ovzduší stala problémem v polovině 1960. let. V roce 1967 založil stát Kalifornie California Air Resource Board (CARB). CARB stanovil emisní předpisy, které byly nuceny automobilový průmysl kontrolovat kvalitu ovzduší pro lidské zdraví. Nejprve se tyto předpisy vztahovaly na emise z výfuku a klikové skříně spalovacího motoru a v roce 1970 se přesunuly k regulaci palivového systému. V roce 1996 byla v automobilovém průmyslu implementována další emisní legislativa, kterou známe jako palubní diagnostiku II (OBDII). Tyto předpisy OBDII zahrnovaly vynechání zapalování motoru.
Efekty vynechání zapalování a OBDII
Legislativa OBDII reguluje dva různé účinky vynechávání motoru:
- Vynechání zapalování motoru, které může poškodit katalyzátor.
- Vynechání zapalování motoru, které zvyšuje úrovně emisí z výfuku o více než 1.5 procenta oproti standardům Federal Test Procedure (FTP).
Oba tyto problémy se selháním zapalování se budou měnit v závislosti na provozních podmínkách motoru, jako je zatížení motoru a otáčky motoru. Při plném zatížení motoru je prahová hodnota teploty katalyzátoru nastavena na přibližně 1850 °F; nad touto teplotou může dojít k poškození katalyzátoru. Proto bude rychlost vynechávání jiskry při zapalování nastavena podle teploty katalyzátoru.
Například motor běžící při 6000 otáčkách za minutu pod WOT s mírou vynechávání zapalování pět procent může umožnit, aby teplota katalyzátoru překročila prahovou hodnotu. Při nízkém zatížení a nízkých otáčkách motoru však může dojít k 25procentnímu vynechání zapalování, než dojde k dosažení prahového limitu. Tyto četnosti vynechávání zapalování jsou pouze příkladem, protože každý motor je jedinečný a bude kalibrován pro konkrétní rychlost vynechávání zapalování motoru na rychlost katalyzátoru.
Aby bylo možné vypočítat četnost vynechání zapalování motoru, je nutné přesně určit vynechání zapalování. Existuje několik způsobů, jak může řídicí modul motoru (ECM) monitorovat vynechávání zapalování motoru.
- Jedna metoda používá hustotu zapalovacích iontů k určení odolnosti vůči plameni v mezeře zapalovací svíčky. Toho je dosaženo poskytnutím vysokého energetického výkonu, který je dostatečně velký na to, aby překlenul mezeru zapalovací svíčky, čímž se teplota dostane daleko za teplotu samovznícení zásoby paliva. Poté se vytvoří sekundární iontový proud, který pokračuje v přemosťování mezery zapalovací svíčky. Signální procesor pak analyzuje tento ionizační signál vytvořený detekčním obvodem. Tyto údaje poskytují užitečná data zapalovacího systému, jako je vynechávání zapalování, doba spalování, klepání motoru, přibližný poměr vzduch/palivo, indikace znečištění zapalovací svíčky a předstihové zapálení. Tato metoda je drahá, a proto se v mnoha vozidlech nepoužívá
- Další metoda využívá tlakové senzory, které jsou umístěny v každém z válců. Tlak ve válci v motoru se mění se spalováním zásoby paliva. Měřením tlaku ve válci lze určit událost spalování. Aby bylo možné určit, zda bylo spalování válce úplné nebo neúplné, bude tlak vyhledán v tabulce. Tato tabulka uvádí normální tlaky, které by měly být vytvořeny pro každý z provozních rozsahů motoru. Tyto rozsahy normálního tlaku jsou pak porovnávány se skutečným tlakem v láhvi, který aktuálně vytvářejí tlakové senzory. Navíc lze válec přímo porovnat s jinými láhvemi v cyklu požáru. Tato metoda je nákladná a obtížně implementovatelná ve všech motorech, a proto se používá jen zřídka.
Sledování otáček kliky
Nejběžnější metoda používá ke stanovení účinnosti spalování změny rychlosti otáčení klikového hřídele. Toho je dosaženo pomocí spouštěcího kolečka (tónového kroužku), které je vyrobeno na klikovém hřídeli a snímač polohy klikového hřídele nebo se k němu přímo připevňuje. Toto spouštěcí kolečko je vyrobeno ze železného kovu, který interaguje s magnetickým polem ze snímače klikového hřídele. To zase vytváří výstupní napětí pro každý ze zubů na spouštěcím kolečku, které se otáčejí. Tvar vlny vytvořený z jednoho takového spouštěcího kola je znázorněn na Obrázek 1.
Spouštěcí kolečko může být vyrobeno v mnoha různých konfiguracích s různým počtem zubů a různými indexovacími body obsaženými na spouštěcím kolečku. Pokud je pro každý válec pouze jeden zub, považuje se to za spouštěcí kolo s nízkými daty. Pokud má spouštěcí kolečko mnoho zubů, například 36 zubů, je to považováno za spouštěcí kolečko s vysokými daty.
S větším počtem zubů má spouštěcí kolečko větší rozlišení pro lepší ovládání motoru. Pokud by například spouštěcí kolečko obsahovalo 36 zubů, poskytovalo by rozlišení 10 stupňů, zatímco kolečko s 60 zuby by poskytovalo rozlišení 6.0 stupňů.
Jak je patrné z obrázku 1, zuby na spouštěcím kolečku vytvářejí změnu výstupního napětí na základě umístění zubů na spouštěcím kolečku. Tyto průběhy mohou být založeny na analogovém průběhu napětí nebo na digitálním průběhu. Oba typy průběhů jsou znázorněny na obrázku 1; průběh A je digitální napěťový výstup a průběh B je analogový napěťový výstup.
Spouštěcí kolo bude mít nějakou metodu pro jeho indexování ke klikovému hřídeli, která umožňuje znát polohu klikového hřídele. Tato poloha klikového hřídele poskytne rovinné umístění klikového hřídele v prostoru. Jednou z takových metod je mít chybějící zuby umístěné v určité poloze kolem kola.
Jedním z příkladů je spouštěcí kolečko s 36 zuby, kde jeden zub chybí. ECM používá tyto indexační informace k identifikaci polohy klikového hřídele. Musí být známa poloha klikového hřídele, aby bylo možné lokalizovat polohu pístu ve vrtání válce.
U dvoudobého motoru s vnitřním spalováním je to dostačující údaj, protože cyklus požáru nastává při každé otáčkě klikového hřídele. U čtyřdobého motoru v Ottově cyklu to však nestačí.
Motor s Ottovým cyklem má dvě úplné otáčky klikového hřídele pro dokončení čtyř zdvihů motoru. Použití pouze jednoho snímače na klikovém hřídeli by tedy neposkytlo potřebná data pro výpočet, na kterém ze zdvihů motoru je motor právě zapnutý. Jak se klikový hřídel otáčí, pohybuje pístem směrem k hlavě válců, dokud nedosáhne bodu horní úvratě (TDC). Poté pohybuje pístem směrem od hlavy válců, dokud nedosáhne bodu dolní úvratě (BDC).
Použití jednoho snímače může pouze indikovat, zda je píst v TDC nebo BDC. Nedokáže rozlišit, ve kterém ze čtyř taktů je motor zapnutý. Proto je nutné použít druhý snímač nebo spouštěcí napětí pro lokalizaci prostoru úhlu kliky. Úhlový prostor kliky je místo, kde lze identifikovat konkrétní zdvih motoru, na kterém motor aktuálně pracuje (sání, komprese, výkon, výfuk).
Kde a jak rychle?
ECM používá druhý snímač k výpočtu identifikace zdvihu. Tento snímač je známý jako snímač polohy vačkového hřídele. Tento snímač poskytuje potřebná data pro přesný výpočet polohy zdvihu motoru. Snímač polohy vačkového hřídele poskytuje údaje o otevření a uzavření ventilu. Lze tedy vypočítat konkrétní zdvih válce.
Jakmile je znám zdvih motoru a známa poloha pístu, může být nyní spalovací motor řízen ECM. ECM řídí motor, takže může produkovat výkon s nejlepšími úrovněmi výfukových emisí. Modul ECM zajišťuje základní řídicí funkce motoru, které zahrnují dodávku vzduchu/paliva a dodávku výtlaku zapalování (benzínové motory používají událost zážehu, zatímco dieselové motory používají událost vstřikování). Tyto ovládací prvky přímo souvisí se čtyřmi takty motoru.
Každý z těchto zdvihů motoru mění rychlost klikového hřídele. Při kompresním zdvihu je objem vzduchu obsažený ve válci stlačen. To vyžaduje energii z motoru k dokončení kompresního zdvihu. Motor ukládá energii do rotační hmoty motoru. Tato hmota nese rotaci klikového hřídele prostřednictvím parazitních čerpacích ztrát spalovacího motoru.
Zdvihy motoru přímo ovlivňují rychlost otáčení klikového hřídele. Jak se píst pohybuje směrem k hlavě válce a stlačuje objem vzduchu v něm obsaženého, otáčky klikového hřídele se zpomalují. Poté, jak událost zapálení zahájí spalování zásoby paliva, zvýší se otáčky klikového hřídele. Sledováním rychlosti otáčení klikového hřídele (otáčky) lze určit proces spalování zásoby paliva, a tak určit vynechávání zapalování válce.
Aby výrobci originálního vybavení (OEM) použili tato data ze snímače klikového hřídele a získali nejnižší pravděpodobnost chyby, používají se specializované elektronické obvody. Jeden takový obvod je znázorněn na obrázku Obrázek 2. Tento obvod upravuje změny napětí ze snímače klikového hřídele na napěťovou úroveň pomocí převodníku frekvence na napětí.
Tato data klikového hřídele jsou poté zpracována pomocí algoritmu diskrétní Fourierovy transformace. Diskrétní Fourierova transformace převádí tento signál na frekvenční bod. Ten je poté porovnán s modelem spalování motoru, který je uložen v ECM.
Jednoduchý?
Je extrémně obtížné lokalizovat vynechání zapalování v motoru. OEM výrobci označují tento proces jako dekonvoluci úhlové rychlosti klikového hřídele. Pokud je rychlost otáčení klikového hřídele vysoká, bude omezena doba zpomalení a zrychlení klikového hřídele.
Když se klikový hřídel otáčí rychlostí 6000 otáček za minutu, cyklus zapalování je pouze 20 ms; proto dokončení každého zdvihu trvá pouze 5 ms. Setrvačník nebo měnič točivého momentu ukládá tuto rotační energii do své hmoty a využívá ji k přenášení klikového hřídele přes jeho čerpací ztráty. Při vysokých rychlostech se otáčky klikového hřídele mění jen velmi málo.
Navíc čím více válců je v motoru obsaženo, tím méně se mění rychlost klikového hřídele, takže je snazší vypočítat údaje o vynechání zapalování u čtyřválcového motoru, než by tomu bylo u 12válcového motoru. Proto musí být model spalování motoru v ECM přesně naprogramován, aby zjistil vynechání zapalování. I když je model v počítači správný, mohou se vyskytnout problémy se zpracováním dat o vynechání zapalování.
Když tyto popsané metody nebo podobné metody používá výrobce OEM a vynechávání zapalování překročí předem stanovený práh, nastaví se diagnostický poruchový kód (DTC). Tento DTC indikuje, že emise z výfuku překročily 1.5 procenta standardů Federal Test Procedure (FTP) nebo že teplota katalyzátoru v katalyzátoru je příliš vysoká. Pokud motor vynechává zapalování, ale nepřekračuje hodnotu FTP, nemusí být nastaven kód DTC. Zažili jste to někdy na vlastní kůži? Můžete cítit, že došlo k vynechání zapalování, ale nejsou přítomny žádné uložené nebo čekající kódy vynechání zapalování.
Pokud motor vynechává zapalování v míře, kdy překračuje úroveň emisí z výfuku FTP, lze nastavit kód DTC P0300. P0300 DTC indikuje, že v motoru došlo k náhodnému vynechání zapalování. Tento kód DTC je však technikovi docela k ničemu. Při nižších otáčkách klikového hřídele může technik cítit vynechávání zapalování, ale musí vědět, který válec (válce) vynechává zapalování nebo dochází k neúplnému spalování.
V některých případech může palubní počítač analyzovat data nesprávně a nastavit kód DTC pro nesprávný válec. Například v ECM je nastaven kód DTC P0303. Technik se nyní pokusí diagnostikovat tento DTC, ale je to pro nesprávný válec. Válec, který skutečně vynechává zapalování, je válec 5 nebo kód DTC P0305
Kromě toho mohou být kódy DTC vynechání zapalování nastaveny jinými příčinami, jako je mimo jiné napínač hnacího řemene. Když se spojka napínače hnacího řemene opotřebuje, napínák začne odskakovat. Tím se změní napětí aplikované na klikový hřídel, což zase může změnit rychlost klikového hřídele – což může způsobit chybné DTC vynechání jiskry. V některých případech se spouštěcí kolečko může uvolnit z klikové hřídele, což umožňuje pohyb spouštěcího kolečka. To může také způsobit chybné DTC vynechání zapalování a také problémy s ovladatelností.
Pokud se navíc uvolní samotný snímač klikového hřídele, může to změnit nastavení výstupu snímače a také způsobit falešné vynechání jiskry a také problémy s ovladatelností. Když jsou data pro vynechání jiskry obsažena v ECM, je velmi obtížné zjistit, proč ECM nastavuje nebo nenastavuje kódy DTC vynechání jiskry.
Co když?
Bylo by užitečné, kdyby technik mohl otestovat stejná data; tj. výstup snímače klikového hřídele, který ECM testuje a nastavuje nebo nenastavuje kódy DTC. Toho lze dosáhnout pomocí osciloskopu připojeného ke snímači polohy klikového hřídele s kanálem 1 dalekohledu a připojením kanálu 2 k události zapalování a poté zpracováním dat pomocí integrovaného algoritmu.
