Diagnostyka

O silniku czterosuwowym
W silnikach czterosuwowych o obecnej konstrukcji, jeden cykl pracy silnika odbywa się zawsze podczas dwóch obrotów wału korbowego (720O OWK), bez względu na liczbę cylindrów. Podczas dwóch obrotów wału korbowego, w każdym z cylindrów silnika odbywa się tylko jeden suw pracy. W aktualnych konstrukcjach układów sterowania silników podczas jednego cyklu pracy silnika czas wtrysku ma tę samą wartość dla wszystkich wtryskiwaczy jednego bloku silnika, również (!) w tzw. układach wtrysku sekwencyjnego.

Od chwili, gdy układy zasilania gazem LPG zaczęły być montowane w samochodach z silnikiem posiadającym system diagnostyki pokładowej standardu OBDII/EOBD, montażyści zwracali się do mnie czasami z prośbą o pomoc, gdy mieli problemy z zestrojeniem układu zasilania gazem z benzynowym układem zasilania. Te problemy to przeważnie powtarzająca się rejestracja kodów usterek, informujących o niemożności uzyskania mieszanki o wymaganym przez sterownik składzie, oraz kłopoty z uruchamianiem silnika przy zasilaniu benzyną, po dłuższej jeździe przy zasilaniu gazem. Posiadając pewną wiedzę o systemach OBDII/EOBD, opartą na literaturze i własnych testach, opracowałem procedurę regulacyjną układów zasilania gazem silników z systemem diagnostyki pokładowej OBDII/EOBD, którą - jak wiem - wykorzystuje kilka zakładów montujących układy zasilania gazem. Państwu zaprezentuję ją w kilku odcinkach, wraz niezbędnym wstępem teoretycznym. Będzie ona również w przygotowywanej (powoli) książce o systemach OBDII/EOBD. Zacznijmy od poznania wybranych cech układu sterowania silnika, z systemem diagnostyki pokładowej standardu OBDII/EOBD.

Podział silnika na bloki cylindrów
Silniki z systemem diagnostyki pokładowej OBDII/EOBD są dzielone na bloki cylindrów, nazywane w skrócie “blokami”. Podział ten nie jest podziałem konstrukcji mechanicznej silnika, ale podziałem w programie sterującym silnikiem. Silniki o liczbie cylindrów do czterech, mają przeważnie jeden blok cylindrów. Silniki o liczbie cylindrów sześć lub większej, są dzielone przeważnie na dwa lub więcej bloków cylindrów. Silnik podzielony np. na dwa bloki cylindrów, to pod względem sterowania dwa oddzielne silniki. Poznajmy podstawowe korzyści wynikające z podziału silnika na bloki cylindrów.
Jednakowa wartość czasu wtrysku (dawki paliwa), obliczona przez sterownik dla np. trzy cylindrów, na podstawie sygnału czujnika tlenu, który mierzy zawartość tlenu w spalinach, wymieszanych z trzech cylindrów, zapewni zasilanie każdego z trzech cylindrów mieszanką o składzie bliższym wymaganemu niż w silniku o sześciu cylindrach, dla którego sterownik oblicza czas wtrysku na postawie sygnału czujnika tlenu, mierzącego zawartość tlenu w spalinach, wymieszanych z sześciu cylindrów. Im skład mieszanki zasilającej jest bliższy wymaganemu, tym:
- sprawność konwertera katalitycznego jest większa a spaliny są czystsze;
- niższe jest zużycie paliwa.

Również układ regulacji kąta wyprzedzenia zapłonu, współpracujący z dwoma lub więcej czujnikami spalania stukowego, z których każdy “słucha” odgłosów przebiegu spalania w np. trzech cylindrach, pracuje dokładniej od układu regulacji kąta wyprzedzenia, współpracującego tylko z jednym czujnikiem spalania stukowego, który “słucha” odgłosów przebiegu spalania w np. sześciu cylindrach. Zwiększa to dokładność regulacji kąta wyprzedzenia zapłonu, w układach wyposażonych w czujnik spalania stukowego.

Numerowanie bloków cylindrów
Jeśli silnik nie jest podzielony na bloki cylindrów silnika, to wszystkie jego cylindry należą do bloku cylindrów nr 1. Jeśli silnik jest podzielony na dwa lub więcej bloków cylindrów, to numerem 1 jest oznaczony blok cylindrów, do którego należy cylinder nr 1 (patrz rys. od 2 do 5). Blok cylindrów jest też określany słowem “bank”, ale jest to część terminu angielskiego “bank of cylinders”, który nie został przetłumaczony.

Czujniki tlenu w układach wylotowych silników z systemem OBDII/EOBD
Z każdym blokiem cylindrów silnika z systemem OBDII/EOBD jest połączony układ wylotowy, z:
- jednym lub więcej konwerterami katalitycznymi - może być zamontowany tylko główny trójfunkcyjny konwerter katalityczny lub główny konwerter katalityczny poprzedzony tzw. rozruchowym, względnie trójfunkcyjny konwerter katalityczny oraz zamontowany za nim konwerter katalityczny pochłaniająco- -redukujący.
- dwoma (rys. 1) lub więcej czujnikami tlenu.
Montaż dwóch lub więcej czujników tlenu w układzie wylotowym każdego z bloków cylindrów, wynika z:
- konieczności utrzymania przez samochód nowy, oraz po określonym przebiegu, emisji składników szkodliwych spalin poniżej wartości dopuszczalnych, określonych w normach Euro 3 lub Euro 4 (dopuszczalne wartości emisji obu norm są niższe niż obowiązującej wcześniej normy Euro 2);
- wprowadzenie wymogu sprawdzania sprawności konwertera katalitycznego przez system diagnostyki pokładowej standardu OBDII/EOBD.
Dla wyjaśnienia dodam, że samochody, które spełniają normę Euro 2 nie posiadają systemu diagnostyki pokładowej standardu OBDII/EOBD, mimo że może być w nich zamontowane gniazdko diagnostyczne charakterystyczne dla systemów OBDII/EOBD. Samochody, które muszą spełniać normę Euro 3, Euro 4 lub w przyszłości kolejne, co wynika z daty uzyskania homologacji lub daty pierwszej rejestracji pojazdu, muszą obligatoryjne posiadać system diagnostyki pokładowej standardu OBDII/EOBD.

Niezależnie od liczby i typu czujników tlenu oraz konwerterów katalitycznych, zamontowanych w układzie wylotowym bloku cylindrów, sygnał pierwszego czujnika tlenu, licząc od strony bloku cylindrów, jest wykorzystywany do regulacji składu mieszanki, tak aby jej skład był jak najbardziej zbliżony do składu wymaganego przez program sterownika (przeważnie jest to mieszanka o składzie stechiometrycznym, l = 1). Ten czujnik tlenu jest nazywany regulacyjnym czujnikiem tlenu, niezależnie od jego typu. Liczba i miejsce montażu pozostałych czujników tlenu w układzie wylotowym bloku cylindrów oraz sposób wykorzystania ich sygnałów zależy od konstrukcji układu wylotowego silnika oraz od liczby i typów konwerterów katalitycznych. W najczęściej spotykanym rozwiązaniu konstrukcyjnym, w układzie wylotowym bloku cylindrów jest zamontowany jeden trójfunkcyjny konwerter katalityczny oraz dwa czujniki tlenu (rys. 1, 2 i 4). Pierwszy, tzw. regulacyjny, czujnik tlenu (2, rys.1) jest zamontowany przed konwerterem katalitycznym, a drugi czujnik tlenu (4, rys.1) jest zamontowany za konwerterem katalitycznym. Ma on dwa omówione poniżej zadania.

W następstwie starzenia regulacyjnego czujnika tlenu, postępującego wraz z okresem eksploatacji, następuje przesunięcie jego charakterystyki. Przesunięcie to powoduje, że mimo jeszcze prawidłowego pod względem elektrycznym sygnału czujnika tlenu, mieszanka regulowana na jego podstawie ubożeje. Drugi czujnik tlenu, zamontowany za konwerterem katalitycznym, ma za zadanie kontrolę średniego składu spalonej mieszanki, regulowanej na podstawie sygnałów regulacyjnego czujnika tlenu. Jeśli na podstawie sygnałów drugiego czujnika tlenu sterownik wykryje, że mieszanka spalana w silniku jest za uboga, mimo że sygnał regulacyjnego czujnika tlenu pod względem elektrycznym jest prawidłowy, to tak zwiększa czasy wtrysku benzyny, aby sygnału drugiego czujnika tlenu informował o spalaniu mieszanki o składzie wymaganym przez program sterownika. Dlatego czujnik tlenu zamontowany za konwerterem katalitycznym, w rozwiązaniach konstrukcyjnych pokazanych na rys. 1, 2 i 4, jest nazywany prowadzącym. Kontrola regulacyjnego czujnika tlenu, zamontowanego przed konwerterem katalitycznym, przez czujnik prowadzący, zamontowany za konwerterem katalitycznym, jest możliwa, ponieważ część substancji powodujących zużycie chemiczne czujników tlenu, znajdujących się w spalinach, zatrzymuje się w konwerterze katalitycznym (też powodują one jego zużycie). Dzięki temu, czujnik prowadzący zużywa się wolniej od czujnika regulacyjnego, a więc może go kontrolować. To czy w danym samochodzie sygnał z prowadzącego czujnika tlenu (np. 4, rys.1) jest aktualnie wykorzystywany do regulacji składu mieszanki zasilającej silnik, można się dowiedzieć, wykorzystując funkcję odczytu “Parametry bieżące”, czytnika OBDII/EOBD.

Podstawową zasadą wykonywania oceny stopnia zużycia konwertera katalitycznego jest porównywanie zmian zawartości tlenu w spalinach przed i za konwerterem katalitycznym. Odbywa się przez porównanie sygnału czujnika tlenu zamontowanego przed konwerterem katalitycznym z sygnałem czujnika tlenu zamontowanego za konwerterem katalitycznym. Sygnały te są różne, ponieważ część tlenu ze spalin jest zatrzymywana przez konwerter katalityczny, a więc jego udział w spalinach za konwerterem katalitycznym jest mniejszy niż przed nim. Zdolność do zatrzymywania przez konwerter katalityczny tlenu, czyli tzw. pojemność tlenowa, maleje wraz z jego zużyciem, co powoduje wzrost udziału tlenu w spalinach za konwerterem katalitycznym. Zdolność do zatrzymywania przez konwerter katalityczny tlenu jest oceniana przez program systemu OBDII/EOBD i na tej podstawie jest szacowana sprawność konwertera katalitycznego.



Diagnosta na podstawie porównania sygnałów czujników tlenu zamontowanych przed i za konwerterem katalitycznym nie jest w stanie określić jego stopnia zużycia. Jest to spowodowane tym, że systemy OBDII/EOBD używają co najmniej pięciu różnych procedur wyznaczania sprawności konwertera katalitycznego. Wspólną ich cechą jest tylko to, że bazują na ocenie aktualnej pojemności tlenowej konwertera katalitycznego. Wybór dla danego trójfunkcyjnego konwertera katalitycznego procedury oceny sprawności zależy od jego cech (trójfunkcyjne konwertery katalityczne, stosowane dla różnych silników, różnią się od siebie nawet znacznie, również pojemnością tlenową), oraz typów czujników tlenu montowanych w układzie wylotowym (dwustanowe lub szerokopasmowe). Diagnosta nie ma żadnej możliwości by dowiedzieć się, jaką procedurę kontrolną wykorzystuje sterownik danego silnika. Oceny stopnia zużycia konwertera katalitycznego, na podstawie analizy sygnałów czujników tlenu zamontowanych przed i za nim, może dokonać tylko system OBDII/EOBD. Diagnosta powinien natomiast umieć powodować wykonanie “na życzenie” testu sprawności konwertera katalitycznego przez system OBDII/EOBD. Oznaczenia miejsc montażu czujników tlenu w układzie wylotowym silnika ZI z systemem OBDII/EOBD Każdemu czujnikowi tlenu zamontowanemu w układzie wylotowym silnika ZI, z systemem diagnostyki pokładowej standardu OBDII/EOBD, jest przyporządkowane oznaczenie. Informuje ono o:
- numerze bloku cylindrów, w układzie wylotowym którego jest zamontowany czujnik tlenu;
- numerze kolejnym czujnika tlenu, w układzie wylotowym danego bloku cylindrów.

Czujniki tlenu są numerowane w kierunku od bloku cylindrów do końca układu wylotowego, oddzielnie dla każdego z bloków cylindrów.
Stosowane są podane poniżej oznaczenia miejsc montażu czujników tlenu w układach wylotowych silników ZI z systemem diagnostyki pokładowej standardu OBDII/EOBD.

W poniższych oznaczeniach:
H - pierwsza litera słowa “Heated”, oznaczającego “ogrzewany”;
O2 - symbol tlenu;
S - pierwsza litera słowa “Sensor”, oznaczającego “czujnik”.

Oznaczenie “HO2S B1S1” (nr 1) podkreśla, że jest to ogrzewany czujnik tlenu. Oznaczenia nr 2, 3 i 4 nie informują o tym, ale jeśli dotyczą czujników tlenu montowanych w układach wylotowych silników z systemem OBDII/EOBD, to są to czujniki tlenu z grzałką, ponieważ w systemach sterujących silników z systemem OBDII/EOBD używa się tylko ogrzewanych czujników tlenu. Tylko one cechują się czasem nagrzewania wynoszącym od 12 do 15 sekund.
W oznaczeniu nr 4 numery bloku cylindrów i czujnika tlenu nie są od siebie oddzielone, tak jak w oznaczeniu 3, a więc podane przykładowe oznaczenie można błędnie odczytać jako liczbę “jedenaście”.
Żadne z podanych oznaczeń nie informuje o typie czujnika tlenu. W dalszej części artykułu będę używał równolegle oznaczeń nr 2 i 4 czujników tlenu.
Niezależnie od liczby czujników tlenu zamontowanych w układzie wylotowym bloku cylindrów, zawsze pierwszy czujnik (licząc od bloku silnika) oznaczony jednym z podanych poniżej oznaczeń:
- O2S BXS1;
- O2S X1;
w których X - to nr bloku cylindrów, jest tzw. regulacyjnym czujnikiem tlenu.



Rys. 1. Cechą charakterystyczną układu wylotowego każdego z bloków silnika z systemem OBDII/EOBD jest montaż przynajmniej dwóch czujników tlenu. Elementy na rysunku: 1 - kierunek przepływu spalin; 2 - pierwszy czujnik tlenu, licząc od bloku cylindrów, zamontowany przed konwerterem katalitycznym, nazywamy regulacyjnym; 3 - konwerter katalityczny; 4 - drugi czujnik tlenu, zamontowany za konwerterem katalitycznym, nazywany prowadzącym; 5 - sterownik zespołu napędowego. (Źródło: Bosch)

Przykłady oznaczeń miejsc montażu czujników tlenu w układach wylotowych silników ZI z systemem OBDII/EOBD,
Prezentują je rysunki od 2 do 5. Opisy silników, ich układów wylotowych oraz rozwinięcia oznaczeń miejsc montażu czujników tlenu znajdują się w podpisach do rysunków. Poniżej krótki komentarz do przedstawionych rysunków. Najczęściej spotkacie się Państwo z układem wylotowym pokazanym na rys. 2. Jak już wspomniałem, jeśli silnik ma do czterech cylindrów, jest przeważnie traktowany jak jeden blok cylindrów. Może tak być również, że konstrukcja silnika w układzie widlastym lub bokser sugeruje wprawdzie podział na co najmniej dwa bloki cylindrów, ale producent przyjął, że silnik jest jednym blokiem cylindrów (rys. 3). Wystarczające jest więc zastosowanie dwóch czujników tlenu i jednego konwertera katalitycznego



Rys. 2. Oznaczenia miejsc montażu czujników tlenu w układzie wylotowym silnika rzędowego. Cylindry silnika należą do jednego bloku cylindrów. W jego układzie wylotowym jest zamontowany jeden konwerter katalityczny. Rozwinięcia oznaczeń miejsc montażu czujników tlenu: O2S B1S1 lub O2S 11 - układ wylotowy bloku cylindrów nr 1 silnika, czujnik tlenu nr 1; O2S B1S2 lub O2S 12 - układ wylotowy bloku cylindrów nr 1 silnika, czujnik tlenu nr 2. (Źródło: Vetronix Corporation)

Rys.4 pokazuje natomiast również silnik widlasty (może być również w układzie bokser), podzielny na dwa bloki cylindrów. Każdy z nich pod względem sterowania należy traktować jako oddzielny silnik (pewne funkcje są wspólne, np. pomiar prędkości obrotowej). Spaliny z każdego z nich oczyszcza oddzielny konwerter katalityczny. W układzie wylotowym każdego z bloków cylindrów są zamontowane po dwa czujniki tlenu, a więc w całym układzie wylotowym są ich cztery. Taki sam układ wylotowy mogą mieć silniki rzędowe o sześciu cylindrach, które są przeważnie podzielone na dwa bloki cylindrów, po trzy cylindry każdy (np. silniki BMW).



Rys. 3. Oznaczenia miejsc montażu czujników tlenu, w układzie wylotowym silnika widlastego. Cylindry silnika należą do jednego bloku cylindrów. W jego układzie wylotowym jest zamontowany jeden konwerter katalityczny. Rozwinięcia oznaczeń miejsc montażu czujników tlenu: O2S B1S1 lub O2S 11 - układ wylotowy bloku cylindrów nr 1 silnika, czujnik tlenu nr 1; O2S B1S2 lub O2S 12 - układ wylotowy bloku cylindrów nr 1 silnika, czujnik tlenu nr 2. (Źródło: Vetronix Corporation)

Rys.5 pokazuje natomiast silnik widlasty, który jest podzielny na dwa bloki cylindrów, ale spaliny są oczyszczane tylko przez jeden konwerter katalityczny. Każdy z bloków cylindrów ma swój regulacyjny czujnik tlenu. Aby możliwa była ocena sprawności konwertera katalitycznego, pomiędzy połączeniem się odcinków układu wylotowego poszczególnych bloków cylindrów a konwerterem katalitycznym jest zamontowany dodatkowy czujnik tlenu. Jego sygnał i sygnał czujnika tlenu zamontowanego za konwerterem katalitycznym sterownik wykorzystuje do oceny sprawności konwertera katalitycznego. Który z czujników tlenu, O2S B1S2 czy O2S B1S3, jest prowadzącym, nie jestem pewien (w praktyce nie spotkałem takiego rozwiązania), ale to można odczytać czytnikiem OBDII/EOBD, wykorzystując funkcję odczytu “Parametrów bieżących”.



Rys. 4. Oznaczenia miejsc montażu czujników tlenu, w układzie wylotowym silnika widlastego. Cylindry silnika są podzielone na dwa bloki cylindrów. W układzie wylotowym każdego nich, jest zamontowany konwerter katalityczny. Rozwinięcia oznaczeń miejsc montażu czujników tlenu: O2S B1S1 lub O2S 11 - układ wylotowy bloku cylindrów nr 1 silnika, czujnik tlenu nr 1; O2S B1S2 lub O2S 12 - układ wylotowy bloku cylindrów nr 1 silnika, czujnik tlenu nr 2; O2S B2S1 lub O2S 21 - układ wylotowy bloku cylindrów nr 2 silnika, czujnik tlenu nr 1; O2S B2S2 lub O2S 22 - układ wylotowy bloku cylindrów nr 2 silnika, czujnik tlenu nr 2. (Źródło: Vetronix Corporation)

Odczyt informacji o ilości i oznaczeniach miejsc montażu czujników tlenu z systemu OBDII/EOBD
Jest on możliwy, z wykorzystaniem czytnika OBDII/EOBD. Z informacji o ilości czujników tlenu (1, rys. 6) dowiadujemy się, ile oznaczeń miejsc montażu czujników tlenu (2) powinniśmy odczytać z systemu OBDII/EOBD. Analizując oznaczenia czujników tlenu (2) należy najpierw określić ile w układzie wylotowym jest regulacyjnych czujników tlenu. Mają one oznaczenia O2S BXS1 lub O2S X1, w których X - to nr bloku cylindrów.



Rys. 5. Oznaczenia miejsc montażu czujników tlenu, w układzie wylotowym silnika widlastego. Cylindry silnika są podzielone na dwa bloki cylindrów. Ich układy wylotowe są połączone w jeden wspólny, w którym jest zamontowany konwerter katalityczny. Rozwinięcia oznaczeń miejsc montażu czujników tlenu: O2S B1S1 lub O2S 11 - układ wylotowy bloku cylindrów nr 1 silnika, czujnik tlenu nr 1; O2S B1S2 lub O2S 12 - układ wylotowy bloku cylindrów nr 1 silnika, czujnik tlenu nr 2; O2S B1S3 lub O2S 13 - układ wylotowy bloku cylindrów nr 1 silnika, czujnik tlenu nr 3; O2S B2S1 lub O2S 21 - układ wylotowy bloku cylindrów nr 2 silnika, czujnik tlenu nr 1. (Źródło: Vetronix Corporation)

Ilość bloków cylindrów, na którą jest podzielony silnik, jest równa ilości regulacyjnych czujników tlenu. Znając ilość bloków cylindrów silnika, ilość regulacyjnych czujników tlenu, oznaczenia czujników tlenu oraz możliwe rozwiązania konstrukcyjne układów wylotowych silników z systemem OBDII/EOBD (rys. od 2 do 5), można przewidzieć jak jest skonstruowany układ wylotowy silnika i ile konwerterów katalitycznych lub ich zespołów, jest w nim zamontowanych.



Rys. 6. Informacje o: 1 - liczbie czujników tlenu; 2 - oznaczeniach czujników tlenu, zamontowanych w układzie wylotowym silnika, można odczytać czytnikiem OBDII/EOBD ze sterownika zespołu napędowego. Rysunek przedstawia odczyt tych informacji, z wykorzystaniem funkcji “Status”, czytnika AMX550 firmy Automex.

Używam słowa “przewidzieć”, bo w nowoczesnym samochodzie, bez demontażu osłon silnika lub obejrzenia samochodu od dołu, często trudno jest zobaczyć całość układu wylotowego i wszystkie jego elementy. Myląca przy określaniu budowy układu wylotowego może być ilość końcówek układu wylotowego. Wiedza o ilości bloków cylindrów, ilości i miejscu montażu czujników tlenu oraz konwerterów katalitycznych jest niezbędna do interpretacji parametrów bieżących odczytywanych ze sterownika.

mgr inż. Stefan Myszkowski
Studio Konstrukcyjno-Konsultacyjne