Diagnostyka

Kontynuujemy poznawanie zależności pomiędzy wartościami parametrów SHRT FT X i LONG FT X. Zobaczymy jak pracuje układ regulacji składu mieszanki, silnika z systemem diagnostyki pokładowej standardu OBDII/EOBD, który korzysta z sygnału obu czujników tlenu. Odpowiem na pytanie, skąd wiadomo, że w danej chwili układ regulacji składu mieszanki wykorzystuje tylko sygnał jednego lub obu czujników tlenu.

Zmiany wartości parametrów SHRT FT X i LONG FT X
Obserwując zmiany wartości chwilowej korekcji dawki paliwa, dla bloku cylindrów nr X silnika – parametr SHRT FT X, oraz długookresowej korekcji dawki paliwa dla bloku cylindrów nr X silnika – parametr LONG FT X, odczytywane czytnikiem OBD ze sterownika silnika, w różnych ustalonych warunkach pracy silnika, można wyróżnić trzy typowe zależności pomiędzy wartościami obu parametrów, opisane poniżej. Zależność 1 (rys. 11). Chwilowe zubożenie mieszanki (przyczyna nieznana) spowodowało, że układ regulacji składu mieszanki, dla utrzymania jej składu możliwie blisko składu wymaganego (przeważnie stechiometrycznego) zwiększył zakres zmian czasu wtrysku. Informuje nas o tym chwilowe zwiększenie zakresu wartości parametru SHRT FT X, ponad 3% (odcinek O1, rys.11a). Po chwili nastąpiło chwilowe wzbogacenie mieszanki (przyczyna nieznana). Układ regulacji składu mieszanki zmniejszył więc zakres zmian czasu wtrysku. Informuje nas o tym chwilowe zmniejszenie wartości parametru SHRT FT X, poniżej -3% (odcinek O2, rys.11a). Ponieważ podczas trwania obu przekroczeń (O1 i O2) prawidłowego zakresu wartości (ZP) parametru SHRT FT X, silnik wykonał mniejszą liczbę cykli pracy niż określona w programie sterownika, program sterownika uznał, że zmiany czasu wtrysku mają charakter chwilowy, dlatego nie zmienił wartości parametru LONG FT X w pamięci RAM (rys. 11b).

Rys. 11. Przekroczenia przez parametr SHRT FT X górnej granicy (odcinek O1) lub dolnej granicy (odcinek O2) zakresu prawidłowego (ZP) tego parametru (rys.a), powodowane czynnikami o charakterze chwilowym (wyjaśnienie w tekście artykułu), nie spowodowały zmiany wartości parametru LONG FT X (rys.b), czyli adaptacji czasu wtrysku.

Zależność 2 (rys. 12). Chwilowe zubożenie mieszanki (przyczyna nieznana) spowodowało, że układ regulacji składu mieszanki zwiększył zakres zmian czasu wtrysku. Informuje nas o tym chwilowe zwiększenie zakresu wartości parametru SHRT FT X, ponad 3% (odcinek O3, rys. 12a). Ponieważ przekroczenie (O3) prawidłowego zakresu wartości (ZP) parametru SHRT FT X występowało podczas wykonywania przez silnik określonej w programie sterownika liczby cykli pracy, dlatego program sterownika uznał, że zwiększenie zakresu zmian czasu wtrysku jest powodowane czynnikami o charakterze trwałym. Z tego powodu, po wykonaniu przez silnik określonej w programie sterownika liczby cykli pracy, program sterownika zwiększył dwukrotnie, skokowo, wartość parametru LONG FT X w pamięci RAM (Z1, Z2, rys. 12b), tak aby wartości parametru SHRT FT X zmieniały się ponownie w zakresie prawidłowym ±3% (ZP). Zależność 3 (rys. 13). Chwilowe wzbogacenie mieszanki (przyczyna nieznana) spowodowało, że układ regulacji składu mieszanki, zmniejszył zakres zmian czasu wtrysku. Informuje nas o tym chwilowe zmniejszenie zakresu wartości parametru SHRT FT X, poniżej -3% (odcinek O4, rys. 13a). Ponieważ przekroczenie (O4) prawidłowego zakresu wartości (ZP) parametru SHRT FT X występowało podczas wykonywania przez silnik określonej w programie sterownika liczby cykli pracy, dlatego program sterownika uznał, że zmniejszenie zakresu zmian czasu wtrysku jest powodowane czynnikami o charakterze trwałym. Z tego powodu, po wykonaniu przez silnik określonej w programie sterownika liczby cykli pracy, program sterownika zmniejszył skokowo wartość parametru LONG FT X w pamięci RAM (Z3, rys. 13b), tak aby wartości parametru SHRT FT X zmieniały się ponownie w zakresie prawidłowym ±3% (ZP). W chwilach zmian wartości parametru LONG FT X (zmiany Z1, Z2 i Z3, w przykładach na rys. 12 i 13) i powrotu wartości parametru SHRT FT X do zakresu prawidłowego ±3%, nie następują zmiany czasu wtrysku.

Rys.12. Przekroczenie przez parametr SHRT FT X górnej granicy (odcinek O3) zakresu prawidłowego (ZP) tego parametru (rys.a), powodowane czynnikami o charakterze trwałym (wyjaśnienie w tekście artykułu), spowodowało zmiany wartości parametru LONG FT X (Z1 i Z2, rys.b), czyli adaptację czasu wtrysku.

Układ regulacji składu mieszanki z dwoma czujnikami tlenu
W układzie wylotowym każdego rzędu cylindrów silnika z systemem OBDII/EOBD są zamontowane dwa czujniki tlenu. Mogą to być:
- dwa napięciowe czujniki tlenu;
- szerokopasmowy czujnik tlenu jako regulacyjny, a napięciowy jako prowadzący;
- dwa szerokopasmowe czujniki tlenu.

Rys. 13. Przekroczenie przez parametr SHRT FT X dolnej granicy (odcinek O4) zakresu prawidłowego (ZP) tego parametru (rys. a), powodowane czynnikami o charakterze trwałym (wyjaśnienie w tekście artykułu), spowodowało zmiany wartości parametru LONG FT X (Z3, rys. b), czyli adaptację czasu wtrysku.

Poznaliśmy jak pracuje układ regulacji składu mieszanki, gdy wykorzystuje on tylko sygnał regulacyjnego napięciowego czujnika tlenu. Teraz poznamy pracę tego układu, gdy wykorzystuje on sygnały regulacyjnego i prowadzącego napięciowego czujnika tlenu. Zacznijmy jednak od koniecznego uzupełnienia. Poznajmy, co to jest rzeczywista i średnia wartość współczynnika lambda składu mieszanki. Gdy układ regulacji składu mieszanki pracuje w pętli zamkniętej, to rzeczywisty skład mieszanki, charakteryzowany wartością współczynnika lambda (lR) rzeczywistego składu spalonej w silniku mieszanki, zmienia się w sposób wymuszony przez układ regulacji składu mieszanki - przykładowo, tak jak pokazuje to linia 1 wykresu na rys. 14a. Średnie wartości współczynnika lambda (lŚR) składu mieszanki (linia 2, rys. 14a) to uśrednione wartości współczynnika lambda (lR) rzeczywistego składu mieszanki (linia 1, rys. 14a). Układ regulacji pracujący w pętli zamkniętej stara się cały czas, aby średnia wartość współczynnika lambda (lŚR) składu mieszanki (linia 1, rys. 14a) była możliwie bliska wartości wymaganej współczynnika lambda (lW) składu mieszanki (rys. 14b). Jeśli układ regulacji składu mieszanki pracuje w pętli zamkniętej, i warsztatowym analizatorem spalin (niezależnie od jego producenta) mierzymy wartość współczynnika lambda składu mieszanki, to nie widzimy rzeczywistych zmian składu spalonej mieszanki (lina 1, rys. 14a) ponieważ układ pomiarowy analizatora spalin za wolno reaguje na zmiany składu spalin. Warsztatowy analizator spalin uśrednia wartość współczynnika lambda, dlatego mierzy on wartość współczynnika lambda (lŚR) średniego składu mieszanki (linia 2, rys. 14a). Tę sama wartość można w określonym zakresie ocenić również na podstawie sygnału prowadzącego czujnika tlenu. Powróćmy do układu regulacji składu mieszanki w dwoma napięciowymi czujnikami tlenu. O tym, czy wykorzystuje on sygnał tylko regulacyjnego czujnika tlenu (2, rys. 17), czy regulacyjnego i prowadzącego (2 i 4, rys. 17), decyduje średnia wartość współczynnika lambda (lŚR) składu mieszanki oceniana przez układ regulacji składu mieszanki na podstawie sygnału prowadzącego czujnika tlenu (4, rys. 17).

Rys. 14. Przykładowe wykresy na rys. a: 1 - współczynnika lambda (lR) rzeczywistego składu spalonej w silniku mieszanki; 2 - współczynnika lambda (lŚR) średniego składu spalonej w silniku mieszanki; podczas pracy układu regulacji składu mieszanki w pętli zamkniętej. Wykres na rys. b pokazuje wartość współczynnika lambda (lW) wymaganego składu mieszanki.

Jeśli sygnał prowadzącego napięciowego czujnika tlenu informuje o braku tlenu w spalinach za konwerterem katalitycznym – linia 1 wykresu na rys. 15b, to układ regulacji nie może ocenić składu spalonej mieszanki na podstawie tego sygnału. W tej sytuacji, układ regulacji składu mieszanki wykorzystuje tylko sygnał regulacyjnego czujnika tlenu. Jeśli układ regulacji składu mieszanki wykorzystuje tylko sygnał regulacyjnego czujnika tlenu, a sygnał prowadzącego napięciowego czujnika tlenu ma przebieg zilustrowany linią 2 wykresu na rys. 15b, to według interpretacji układu regulacji składu mieszanki, średnia wartość współczynnika lambda (lŚR) składu mieszanki mieści się w wymaganym zakresie wartości współczynnika lambda średniego składu mieszanki DlŚR (rys. 15c). Z tego powodu, do regulacji składu mieszanki wystarczające jest wykorzystywanie tylko sygnału regulacyjnego czujnika tlenu. Jeśli jednak układ regulacji składu mieszanki wykorzystuje tylko sygnał regulacyjnego czujnika tlenu (rys. 16-a1), ale sygnał prowadzącego napięciowego czujnika tlenu ma przebieg zilustrowany wykresem na rys.16-b1, to według interpretacji układu regulacji składu mieszanki, średnia wartość współczynnika lambda (lŚR) składu mieszanki ma za dużą wartość w stosunku do wymaganego zakresu wartości współczynnika lambda średniego składu mieszanki DlŚR (rys.16-c1) - mieszanka jest więc za uboga.

Aby wzbogacić mieszankę, tak by cechującą ją wartość współczynnika lambda (lŚR) średniego składu mieszanki:
- była w wymaganym zakresie DlŚR (rys. 16-c2);
- była możliwie najbliższa wartości współczynnika lambda (lW) wymaganego składu mieszanki (przeważnie wymagana jest mieszanka stechiometryczna, cechująca się współczynnikiem lW = 1,00).

Rys.15. Wykresy wielkości charakterystycznych dla układu regulacji składu mieszanki, z dwoma napięciowymi czujnikami tlenu w układzie wylotowym bloku cylindrów, gdy skład mieszanki jest regulowany tylko z wykorzystaniem sygnału regulacyjnego czujnika tlenu (2, rys. 16). Wykresy przedstawiają: a - sygnał regulacyjnego czujnika tlenu; b - sygnały prowadzącego czujnika tlenu, z których linia 1 informuje o braku tlenu w spalinach za konwerterem katalitycznym, a linia 2 o prawidłowej wartości współczynnika lambda (lŚR) średniego składu spalonej mieszanki; c - wartość współczynnika lambda (lŚR) średniego składu spalonej mieszanki, regulowanego sprawnym regulacyjnym czujnikiem tlenu. DlŚR - wymagany zakres wartości współczynnika lambda średniego składu mieszanki.

Układ regulacji składu mieszanki wykorzystuje specjalny sposób zmiany czasu wtrysku umożliwiający wzbogacanie składu regulowanej mieszanki. Stosowanie takiego sposobu wzbogacania mieszanki zmienia kształt sygnału regulacyjnego czujnika tlenu (proszę porównać rys. 16-a1 i a2). Jak już wspomniałem, informacją dla układu regulacji składu mieszanki, o wartości współczynnika lambda (lŚR) średniego składu mieszanki jest przebieg sygnału prowadzącego czujnika tlenu (4, rys. 17). Mieszanka jest wzbogacana w takim stopniu, aby sygnał prowadzącego czujnika zmienił przebieg z przedstawionego na rys. 16-b1, który informuje układ regulacji, że średni skład mieszanki jest “za ubogi” (rys. 16-c1) na przebieg przedstawiony na rys. 16-b2, który informuje układ regulacji, że średni skład spalanej mieszanki jest bliski stechiometrycznemu (rys. 16-c2). Aby dowiedzieć się, czy układ regulacji składu mieszanki, silnika z systemem OBDII/EOBD, wykorzystuje tylko sygnał regulacyjnego czujnika tlenu czy sygnały obu czujników tlenu nie trzeba analizować przebiegów czujników tlenu. Informują o tym wartości parametrów bieżących odczytywanych czytnikiem OBDII/EOBD z programu sterownika – omawiam to w następnym punkcie. Sygnały z czujników regulacyjnego i prowadzącego są również wykorzystywane przez system OBDII/EOBD do oceny stopnia zużycia konwertera katalitycznego. Tej oceny nie jest w stanie wykonać diagnosta, na podstawie analizy sygnałów obu czujników tlenu. Pozostawmy ocenę systemowi OBDII/EOBD. Diagnosta powinien umieć “wymusić” na systemie OBDII/EOBD wykonanie oceny konwertera katalitycznego oraz odczytać jej wyniki ze sterownika.

Parametry SHRT FT X1 i SHRT FT XZK
Poznany już parametr SHRT FT X informuje o chwilowej korekcji czasu wtrysku dla bloku cylindrów nr X silnika. Jego wartość jest wyznaczana na podstawie (rys. 17):
- sygnału regulacyjnego czujnika tlenu, jeśli układ regulacji składu mieszanki wykorzystuje tylko jego sygnał;
- sygnałów regulacyjnego i prowadzącego czujnika tlenu, jeśli układ regulacji składu mieszanki wykorzystuje sygnały obu czujników tlenu.

Rys. 16. Wykresy wielkości charakterystycznych dla układu regulacji składu mieszanki, z dwoma napięciowymi czujnikami tlenu w układzie wylotowym bloku cylindrów, gdy skład mieszanki regulowany tylko z wykorzystaniem sygnału regulacyjnego czujnika tlenu okazał się “za ubogi” (rys. a1, b1 i c1), dlatego celem uzyskania składu mieszanki z prawidłowego zakresu, układ regulacji składu mieszanki przeszedł do pracy z wykorzystaniem sygnałów regulacyjnego i prowadzącego czujnika tlenu (rys. a2, b2 i c2). Wykresy przedstawiają: a1 i a2 - sygnał regulacyjnego czujnika tlenu; b1 i b2 - sygnał prowadzącego czujnika tlenu; c1 i c2 - wartość współczynnika lambda (lŚR) średniego składu mieszanki. DlŚR - wymagany zakres wartości współczynnika lambda średniego składu mieszanki. Omówienie w tekście artykułu.

Ze sterownika można też odczytać wartości dwóch innych parametrów (rys. 17):
- parametr SHRT FT X1 - informuje o chwilowej korekcji czasu wtrysku dla bloku cylindrów nr X silnika, obliczanej na podstawie sygnału regulacyjnego czujnika tlenu O2S X1 (2, rys. 17);
- parametr SHRT FT XZK - informuje o chwilowej korekcji czasu wtrysku dla bloku cylindrów nr X silnika, obliczanej na podstawie sygnału prowadzącego czujnika tlenu O2S XZK, (4, rys. 17), jeśli jego sygnał jest wykorzystywany przez układ regulacji składu mieszanki.

Wartości obu parametrów interpretujemy analogicznie jak wartość parametru SHRT FT X. Wartości parametrów: SHRT FT X, SHRT FT X1 i SHRT FT XZK spełniają zależność opisaną wzorem 4:

(4) SHRT FT X = SHRT FT X1 + SHRT FT XZK

Jeśli przed konwerterem katalitycznym jest zamontowany regulacyjny czujnik tlenu typu szerokopasmowego, to dla tego typu czujnika tlenu parametr SHRT FT X1 nie jest przeważnie obliczany i podawany. Podawana jest tylko wartość parametru SHRT FT XZK dla prowadzącego czujnika tlenu. Na podstawie wartości parametrów SHRT FT X1 i SHRT FT XZK można:
- dowiedzieć się czy układ regulacji składu mieszanki pracuje z wykorzystaniem tylko sygnału regulacyjnego czujnika tlenu, czy z wykorzystaniem sygnału regulacyjnego i prowadzącego czujnika tlenu;
- poznać wartości chwilowych korekcji czasów wtrysku, określanych na podstawie sygnału regulacyjnego i prowadzącego czujnika tlenu, co w większości samochodów jest również pomocne w określeniu stopnia zużycia regulacyjnego czujnika tlenu.

Rys. 17. Sygnał regulacyjnego czujnika tlenu 2 jest wykorzystywany przez program sterownika do określenia wartości parametru SHRT FT X1. Sygnał prowadzącego czujnika tlenu 4 jest wykorzystywany przez program sterownika do określenia wartości parametru SHRT FT XZK. Sygnały obu czujników tlenu są wykorzystywane przez program sterownika do określenia wartości parametru SHRT FT X. Elementy na rysunku: 1 - silnik; 2 - regulacyjny czujnik tlenu; 3 - konwerter katalityczny; 4 - prowadzący czujnik tlenu; 5 - sterownik zespołu napędowego.

Poznajmy na dwóch przykładach, jak interpretować wartości parametrów: SHRT FT X, SHRT FT X1 i SHRT FT XZK odczytywane ze sterownika silnika czytnikiem OBD. W obu przykładach jest to silnik z jednym blokiem cylindrów, czyli o nr 1, posiadający w układzie wylotowym jeden konwerter katalityczny (3, rys. 17) i dwa czujniki tlenu: regulacyjny O2S 11 (2) i prowadzący O2S 12 (4).
Przykład 1. Zostały odczytane następujące wartości parametrów:
- SHRT FT 1 = 2%
- SHRT FT 11 = 2%
- SHRT FT 12 = 99,22% lub zamiast wartości liczbowej ukazała się informacja “niewykorzystywany”;
Wartość parametru SHRT FT 12 = 99,22% lub informacja “niewykorzystywany” oznacza, że sygnał prowadzącego czujnika tlenu O2S 12 nie jest wykorzystywany przez układ regulacji składu mieszanki dla bloku cylindrów nr 1 silnika. Układ regulacji składu mieszanki wykorzystuje więc tylko sygnał regulacyjnego czujnika tlenu O2S 11.

Pomiędzy wartościami parametrów, SHRT FT 1 a SHRT FT 11 jest następująca zależność:

SHRT FT 1 = SHRT FT 11 = 2%

Wartość 2% obu parametrów oznacza, że układ regulacji składu mieszanki dla bloku cylindrów nr 1 silnika, tylko na podstawie oceny sygnału regulacyjnego czujnika tlenu O2S 11, zwiększył chwilowo czas wtrysku o 2%. Przykładowe przebiegi napięć regulacyjnego i prowadzącego czujnika tlenu, odnoszące się do tego przykładu, są na rys. 15.
Przykład 2. Zostały odczytane następujące wartości parametrów:
- SHRT FT 1 = -1,7%;
- SHRT FT 11 = -2%;
- SHRT FT 12 = 0,3%.

Rys. 18. Kolejne kroki obliczania czasu wtrysku przez program sterownika silnika ZI z systemem OBDII/EOBD. Dla zmierzonych przez czujniki wartości prędkości obrotowej i obciążenia silnika, z pamięci RAM jest odczytywana wartość bazowego czasu wtrysku (tB). Jest ona zwiększana (tak jak na rysunku) lub zmniejszana przez każdą z 3 korekcji: 1, 2 i 3 - patrz legenda na rysunku. O wartości korekcji 2 informuje diagnostę parametr LONG FT X (długookresowa korekcja dawki paliwa dla bloku cylindrów nr X silnika). O wartości korekcji 3 informuje diagnostę parametr SHRT FT X (chwilowa korekcja dawki paliwa dla bloku cylindrów nr X silnika). Na rysunku są zaznaczone zakresy wartości obu parametrów, ale mogą być samochody, w których są one inne.

Ponieważ wartość parametru SHRT FT 12 jest inna niż 99,22% lub zamiast tej wartości liczbowej nie ukazała się informacja “niewykorzystywany”, to oznacza, że sygnał prowadzącego czujnika tlenu O2S 12 jest wykorzystywany przez układ regulacji składu mieszanki dla bloku cylindrów nr 1 silnika. Układ regulacji składu mieszanki wykorzystuje więc sygnały czujników tlenu: regulacyjnego O2S 11 i prowadzącego O2S 12.

Wartości parametrów interpretujemy w następujący sposób:
- SHRT FT 1 = -1,7% - układ regulacji składu mieszanki dla cylindrów bloku nr 1 silnika, na podstawie łącznej oceny sygnałów czujników tlenu: regulacyjnego O2S 11 i prowadzącego czujnika tlenu O2S 12, zmniejszył chwilowo czas wtrysku o 1,7%;
- SHRT FT 11 = -2% - układ regulacji składu mieszanki dla bloku cylindrów nr 1 silnika, na podstawie oceny sygnału regulacyjnego czujnika tlenu O2S 11, zaproponował chwilowe zmniejszenie czasu wtrysku o 2%;
- SHRT FT 12 = 0,3% - układ regulacji składu mieszanki dla bloku cylindrów nr 1 silnika, na podstawie oceny sygnału prowadzącego czujnika tlenu O2S 12, zaproponował chwilowe zwiększenie czasu wtrysku o 0,3%.

Przykładowe wartości parametrów spełniają zależność opisaną wzorem (4):

SHRT FT 1 = SHRT FT 11 + SHRT FT 12 -1,7% = -2% + 0,3%

Przykładowe przebiegi napięć regulacyjnego i prowadzącego czujnika tlenu, odnoszące się do tego przykładu, są na rys. 16.

Dobór czasu wtrysku benzyny przez program sterownika silnika ZI - podsumowanie
Przyjąłem w artykule, że prawidłowy zakres zmian wartości parametru SHRT FT X wynosi ±3%. Są samochody, dla których zakres ten wynosi np. ±5%, ale o tym trudno się dowiedzieć (powinno być podane w instrukcji napraw).

Przedstawione zależności pomiędzy zmianą wartości parametrów SHRT FT X a LONG FT X są co do zasady najprawdopodobniej takie same we wszystkich samochodach, ale, jeśli będziecie Państwo śledzić zmiany wartości tych parametrów w różnych samochodach, to zauważycie, że w takich samych warunkach pracy w jednych samochodach wartości LONG FT X zmieniane są rzadko, a w innych znacznie częściej, co wynika z różnic w programach sterownika silnika. Celem podsumowania, przed przejściem do zagadnień związanych z pracą gazowych układów zasilania, rys. 17 przedstawia kolejne korekcje bazowego czasu wtrysku tB oraz zakresy zmian parametrów SHRT FT X i LONG FT X.

mgr inż. Stefan Myszkowski