Czujniki – źródło wszelkich informacji

Firma Hella od jakiegoś już czasu jest ważnym dostawcą róźnego rodzaju czujników dla branży motoryzacyjnej. Istotne miejsce wśród nich zajmują czujniki, które są źródłem kluczowych informacji dla systemu zarządzającego pracą silnika.

Praktycznie w każdym samochodzie, poza pojazdami naprawdę już wiekowymi, znaleźć można przynajmniej kilka rozmaitych czujników, a w wielu modelach liczba czujników sięga już kilkudziesięciu. Aż tak duże nasycenie być może nie prędko stanie się standardem, niemniej od ładnych już paru lat w autach systematycznie wzrasta ilość elektroniki, co z kolei niemal automatycznie pociąga za sobą także coraz większą liczbę czujników. Systemy elektroniczne pozwalają bowiem wyjątkowo łatwo, a jednocześnie efektywnie spożytkować dane jakie są w stanie dostarczyć czujniki.

Sygnały o różnym znaczeniu

Oczywiście znaczenie informacji dostarczanych przez poszczególne czujniki jest różne. Na przykład system sterowania pracą silnika bez niektórych danych nie jest w stanie się obejść, więc gdy przestają one dopływać jednostka napędowa natychmiast gaśnie i nie sposób jej w ogóle uruchomić. W innych z kolei przypadkach, trzymając się nadal przykładu silnika, gdy następuje uszkodzenie czujnika (np. spalania detonacyjnego czy ciśnienia w kolektorze ssącym) sterownik przechodzi w tryb awaryjny uniemożliwiający normalne użytkowanie pojazdu, pozwalający jedynie dojechać do serwisu, w którym trzeba dokonać stosownej naprawy.
Zdarzają się również usterki, czy to samego czujnika, czy jego połączeń, skutkujące zapaleniem się na stałe którejś z lampek kontrolnych (sygnalizujących, iż dzieje się coś złego), przy których to awariach z samochodu można jednak korzystać, aczkolwiek z pewnymi ograniczeniami. Najlepszym przykładem będzie tu chyba awaria choćby jednego z czujników dostarczających informacje o prędkości obrotowej kół jezdnych. Dane te są niezbędne do pracy układu ABS (a także ESP), bez nich hamulce nadal więc działają z pełną skutecznością, ale dojść może do zablokowania się kół i poślizgu.
Są wreszcie czujniki, których usterka ma w praktyce znikome znaczenie, bo tylko w niewielkim stopniu zmniejsza komfort korzystania z pojazdu. Za przykład niech tu służy czujnik ilości płynu w zbiorniku spryskiwacza. Warto jednak zauważyć, że również jego usterka może spowodować zapisanie w pamięci sterownika kodu błędu, który ujawni się po podłączeniu testera diagnostycznego. Także i w tym przypadku szanującego się mechanika czeka więc najpierw ustalenie czy to rzeczywiście popsuł się czujnik, a następnie przeprowadzenie stosownej naprawy, by kod błędu nie pojawił się ponownie.

Przydatna wiedza

Już ten pobieżny przegląd wskazuje, że ze względu na konsekwencje jakie są skutkiem awarii wielu z czujników stosowanych we współczesnych samochodach, bardzo przydatna w praktyce warsztatowej okazuje się wiedza na temat funkcjonowania, a przede wszystkim diagnostyki czujników. Bez niej szybkie przywrócenie sprawności unieruchomionego, czy mocno niedomagającego auta bywa po prostu mało realne. Przedstawiamy więc informacje na temat działania, a także procedury wykrywania usterek pięciu wybranych czujników. Skoncentrowaliśmy się przy tym na tych stosowanych przy silniku, albowiem tak jakoś się składa, że właśnie ich uszkodzenia najczęściej skutkują unieruchomieniem pojazdu lub bardzo uciażliwymi ograniczeniami w korzystaniu z samochodu. Informacje te pochodzą z materiałych firmy Hella, która zyskała sobie pozycję jednego z czołowych dostawców samochodowego osprzętu elektronicznego, w tym zwłaszcza rozmaitych czujników. Bardzo mocno w ostatnich latach zaczęła również działać w dziedzinie diagnostyki samochodowej, czego wyrazistym sygnałem było powołanie do życia spółki Hella Gutmann Solution.

Czujnik ciśnienia w kolektorze ssącym (MAP)

Czujnik MAP może być albo bezpośrednio wbudowany w kolektor ssący albo połączony z nim rurką. Jego zadaniem jest pomiar podciśnienia panującego za przepustnicą. Informacja ta wraz z danymi z czujnika zasysanego powietrza służy do obliczania ilości powietrza płynącego do cylindrów, co kolei wspólnie z sygnałami z sondy Lambda wykorzystywane jest w zamkniętym układzie regulacyjnym określającym dawkę paliwa.

Działanie
W obudowie czujnika MAP ukryty jest układ elektroniczny i właściwy czujnik pomiarowy. W czujniku tym znajduje się membrana zamykająca komorę wzorcową, zaś na membranie w układzie mostka umieszczone są cztery tensometry oporowe. Dwa z nich, ulokowane w środku membrany, pełnią funkcję oporników pomiarowych, pozostałe dwa usytuowane na zewnątrz służą do kompensacji temperatury. Gdy pod wpływem oddziałujących ciśnień membrana zmienia kształt, zmienia się oporność tensometrów, a w konsekwencji napięcie pomiarowe, które przetwarzane jest przez układ elektroniczny i kierowane do modułu sterującego pracą silnika.

Objawy niesprawności i jej przyczyny
Skutkiem awarii czujnika MAP jest zazwyczaj:

• silny spadek mocy silnika,zakłócenia w pracy silnika, gdy samochód przyspiesza,
• wahania obrotów biegu jałowego,
• zapalanie się lampki kontrolnej silnika,

zaś przyczyną niesprawności może być:

• uszkodzenie elementów pomiarowych,
• zwarcia wewnętrzne,
• brak zasilania lub połączenia z masą,
• brak dostępu do ciśnienia w kolektorze ssącym,
• zapchana rurka łącząca z kolektorem, względnie popękany albo uszkodzony przewód podciśnienia.

Wykrywanie usterek
Poszukując przyczyny złego działania czujnika należy:

• wzrokowo go skontrolować zwracając szczególną uwagę czy:
  –  wszystkie połączenia i kable są w dobrym stanie i dobrze połączone,
  –  przyłącze i przewód podciśnienia są drożne, zaś przewód prawidłowo podłączony,
• w pojazdach wyposażonych w złącze diagnostyczne odczytać pamięć błędów i przeprowadzić kontrolę wartości zadanych i rzeczywistych (o ile to możliwe),
• odpowiednim przyrządem pomiarowym sprawdzić napięcia zasilania i połączenie z masą.

Czujnik położenia wałka rozrządu

Czujnik wałka rozrządu ma za zadanie dokładnie określić położenie tegoż wałka (i tym samym krzywek sterujących zaworami pierwszego cylindra) w stosunku do położenia wału korbowego (ustaleniu jego pozycji służą sygnały z czujnika położenia wału korbowego). Informacja ta jest niezbędna do regulacji punktu rozpoczęcia wtrysku przy wtrysku sekwencyjnym, momentu podania sygnału sterującego zaworem elektromagnetycznym pompowtryskiwacza, chwili zadziałania układu zapłonowego, tak by nie doszło do spalania stukowego.

Działanie
Czujnik współpracuje z wieńcem koła zębatego znajdującego się na wałku. Obroty tego koła sprawiają, że w przetworniku Halla (wykorzystującym zjawisko Halla) umieszczonym w głowicy czujnika zmienia się napięcie. Jest ono kierowane do modułu sterującego i tam przetwarzane w celu uzyskania potrzebnych danych.

Objawy niesprawności i jej przyczyny
Awaria czy uszkodzenie czujnika wałka rozrządu powoduje:

• zaświecenie się lampki kontrolnej silnika,
• zapis kodu błędu,
• przejście sterownika silnika w awaryjny tryb pracy.

Przyczynami złego działania czujnika wałka rozrządu mogą być:

• uszkodzenia mechaniczne samego czujnika,
• uszkodzenie koła sygnałowego,
• wewnętrzne zwarcie w czujniku,
• przerwane połączenie (przewód) między czujnikiem i modułem sterującym.

Wykrywanie usterek
Aby ustalić, co jest powodem objawów wskazujących na złe działania czujnika należy:

• sprawdzić, czy czujnik nie jest uszkodzony,
• odczytać pamięć błędów modułu sterującego,
• sprawdzić połączenia elektryczne przewodów czujnika i wtyczki (brak dobrego kontaktu, korozja, uszkodzenie przewodu itp.).

W ramach tych czynności zalecane jest:

• skontrolowanie przewodu przyłączeniowego, od modułu sterującego do czujnika, za pomocą omomierza. W tym celu odłączamy wtyczkę od modułu sterującego i sprawdzamy miernikiem (konieczny jest schemat przeznaczenia styków) przewodzenie poszczególnych przewodów. Ich oporność powinna być bliska 0 Ω;
• sprawdzenie przewodów przyłączeniowych pod kątem zwarcia do masy. Robimy to dokonując pomiaru oporności między pinami wtyczki czujnika a masą pojazdu przy jednocześnie odłączonej wtyczce modułu sterującego. Wskazania przyrządów muszą być wieksze niż 30 MΩ;
• skontrolowanie napięcia, jakim z modułu sterującego zasilany jest czujnik (wtyczka modułu sterującego podłączona, zapłon włączony);
• sprawdzenie przy użyciu oscyloskopu napięcia sygnału generowanego przez czujnik podczas pracy silnika. Na oscyloskopie musi być widoczny sygnał prostokątny.

Wskazówka montażowa
Należy zwrócić uwagę na właściwy odstęp miedzy czujnikiem i kołem sygnałowym, a także na odpowiednie położenie uszczelki.

Czujnik spalania detonacyjnego

Zadaniem tego czujnika przykręcanego z zewnatrz do kadłuba silnika jest wykrywanie dźwieków (drgań) towarzyszących spalaniu stukowemu. Ponieważ spalanie takie ma bardzo negatywny wpływ na trwałość jednostki napędowej, na podstawie sygnałów płynących z czujnika sterownik silnika dokonuje odpowiednich korekt (regulacji) mających przeciwdziałać temu zjawisku.

Działanie
Czujnik spalania detonacyjnego (stukowego) „obsłuchuje” korpus silnika i zamienia jego drgania dźwiękowe w elektryczne sygnały napięciowe. Sygnały te są następnie filtrowane i obrabiane w module sterującym silnika. Wykryta w ten sposób informacja o pojawieniu się spalania stukowego zostaje przyporządkowana do odpowiedniego cylindra. Sygnał zapłonu dla tego cylindra jest wówczas stopniowo opóźniany, aż do momentu, gdy spalanie stukowe zaniknie.

Objawy niesprawności i jej przyczyny
Awarie związane z czujnikiem spalania detonacyjnego mogą objawiać się bardzo rozmaicie, zależy to w dużej mierze od oprogramowania sterownika silnika. W różny sposób potrafi ono bowiem interpretować dane płynące z czujnika oraz decydować, co i jakim jest błędem, z czego z kolei wynikają rozmaite strategie przechodzenia w tryb awaryjny. Niemniej za klasyczne objawy owych awarii można uznać:

• zaświecenie się lampki kontrolnej silnika,
• zapis odpowiedniego kodu błędu w pamięci sterownika,
• spadek mocy silnika,
• zwiększone zużycie paliwa.

Najczęstszymi ich przyczynami są natomiast:

• zwarcie we wnetrzu czujnika,
• przerwanie któregoś z przewodów wiazki łączącej czujnik ze sterownikiem,
• zwarcie między tymi przewodami lub do masy,
• uszkodzenie mechaniczne czujnika,
• złe zamocowanie czujnika,
• korozja.

Wykrywanie usterek
Celem ustalenia, co faktycznie jest przyczyną objawów wskazujacych na niesprawność czujnika spalania stukowego, należy:

• odczytać kody błędów zapisane w pamięci sterownika,
• sprawdzić poprawność montażu i moment dokręcenia czujnika,
• sprawdzić połączenia elektryczne czujnika i jego wtyczki (brak kontaktu, korozja itp.),
• prawdzić ustawienie zapłonu (w starszych pojazdach).

Jeśli sprawa nadal nie znajduje wyjaśnienia, przeprowadzamy:

• badanie oscyloskopem przy nagrzanym, pracującym silniku.
  Test ten przebiegać powinien w następujący sposób:
  1.  przyłączamy jeden przewód oscyloskopu w miejscu w którym przewód sygnałowy biegnący od czujnika dochodzi do sterownika, zaś drugi do masy,
  2. na krótko otwieramy przepustnicę i obserwujemy czy na oscylogramie pojawi się w tym momencie sygnał o znacznie zwiększonej amplitudzie (rys.),
  3.  jeśli sygnału takiego brak lub jest on niejednoznaczny uderzamy lekko w kadłub silnika w pobliżu czujnika.
  4.  gdy uderzenie nie znajduje wyraźnego odbicia na oscylogramie, wskazuje to na uszkodzenie czujnika lub obwodu sterującego.

  

• badanie za pomocą miernika uniwersalnego;
  Ma ono na celu sprawdzenie okablowania łączącego czujnik z modułem sterującym. Skontrolować przy tym należy nie tylko przewodzenie każdego przewodu wiązki, ale także czy nie doszło gdzieś do zwarcia do masy. Badanie przeprowadzamy więc dwuetapowo:
  1.  włączamy omomierz między wtyczkę czujnika oraz odłączoną wtyczkę modułu sterującego i sprawdzamy miernikiem (konieczny jest schemat przeznaczenia styków) przewodzenie poszczególnych przewodów. Ich oporność powinna być mniejsza niż 1 Ω ( fot.);
  2.  przy odłączonej wtyczce modułu sterującego sprawdzamy omomierzem każdy styk wtyczki czujnika w stosunku do masy. Wartość pokazywana przez miernik powinna być większa niż 30 MΩ.
  Uwaga: styk przyłączeniowy może służyć jako ekranowanie i przez to może być wskazywane zwarcie do masy.

Wskazówka montażowa
Należy baczną uwagę zwrócić na moment, jakim podczas montażu dokręcany jest czujnik. Musi być on taki, jaki zaleca producent pojazdu. Trzeba również pamiętać, iż nie dozwolone jest używanie jakichkolwiek podkładek, zarówno sprężystych jak i płaskich.

Czujnik położenia wału korbowego

Wykorzystywany do określania obrotów i położenia wału korbowego czujnik jest we współczesnych samochodach montowany najczęściej w pobliżu koła zamachowego (przy jego wieńcu zębatym). Może on być dwojakiego rodzaju, tzn. indukcyjny lub Halla, co ma istotne znaczenie przy jego diagnostyce. Dlatego przed przystąpieniem do sprawdzania czujnika koniecznie trzeba ustalić, z jakim typem mamy do czynienia.

Działanie
Podczas obrotu wieńca zębatego w czujniku powstają sygnały napięciowe wywołane przez zmiany pola magnetycznego. Sygnały te kierowane są do modułu sterującego, który na tej podstawie oblicza prędkość obrotową wału korbowego i jego położenie, a następnie, korzystając już tych informacji, podstawowe dane dla momentu wtrysku i kąta wyprzedzenia zapłonu.

Objawy niesprawności i jej przyczyny
W przypadku awarii związanych z czujnikiem położenia wału korbowego można zaobserwować następujące objawy:

• przerywanie pracy silnika,
• zatrzymanie się silnika,
• zapis kodu błędu w pamięci sterownika.

Lista najczęstszych powodów takiego stanu rzeczy obejmuje zaś:

• wewnętrzne zwarcia w czujniku,
• przerwanie przewodów łączących czujnik ze sterownikiem lub brak kontaktu w ich połączeniach,
• zwarcia tych przewodów,
• mechaniczne uszkodzenia koła sygnałowego,
• zanieczyszczenie głowicy czujnika metalowymi opiłkami.

Wykrywanie usterek
Aby ustalić, co jest powodem zakłóceń związanych z czujnikiem położenia wału korbowego należy:

• odczytać pamięć błędów modułu sterującego,
• sprawdzić przewody i wtyczki (pewność połączeń, zwarcia, korozja itp.),
• sprawdzić, czy czujnik nie jest uszkodzony lub zanieczyszczony,
• sprawdzić działanie samego czujnika.

Zauważyć tu trzeba, że aby bezpośrednio sprawdzić czujnik wału korbowego, wcześniej koniecznie należy ustalić czy mamy do czynienia z czujnikiem indukcyjnym czy z czujnikiem Halla. Tymczasem rozróżnienie ich na podstawie oględzin nie zawsze jest możliwe, gdy we wtyczce są trzy styki nie sposób ze stuprocentową pewnością określić typu czujnika. Pozostaje wtedy sięgnąć po dane producenta pojazdu. Pamiętajmy, że dopóki typ czujnika nie zostanie jednoznacznie zidentyfikowany musimy zrezygnować z użycia omomierza do testów, gdyż w przypadku czujnika Halla mogłoby to doprowadzić do jego zniszczenia.
Jeśli czujnik ma wtyczkę dwubiegunową, można z dużym prawdopodobieństwem uznać, że jest on typu indukcyjnego. Pozwala to zmierzyć jego opór wewnętrzny, sygnał i ewentualne zwarcie do masy.
Testy te zaczynamy od odłączenia (wypięcia) wtyczki i pomiaru wewnętrznego oporu czujnika. Jeśli wynosi on od 200 do 1000 Ω (dokładną wartość zależy od specyfikacji producenta i należy ją ustalić), możemy uznać, że czujnik jest sprawny. Gdy omomierz pokazuje wartości bliskie zera, świadczy to o zwarciu w środku czujnika, wartości liczone w MΩ wskazują z kolei na przerwę obwodzie. Badanie zwarcia do masy przeprowadza się oczywiście również omomierzem, podłączając go między styk przyłączeniowy i masę pojazdu. Jeśli wszystko jest w porządku miernik będzie pokazywał nieskończoność.
Sygnał generowany przez czujnik badamy za pomocą oscyloskopu. Na ekranie urządzenia zobaczyć powinniśmy sygnał sinusoidalny o wystarczającej amplitudzie (mocy).

W przypadku czujnika Halla można sprawdzić tylko napięcie jakim czujnik jest zasilany oraz napięcie i kształt sygnału generowanego przez czujnik. Tym razem oscyloskop musi pokazać przebieg prostokątny, oczywiście zależny od prędkości obrotowej silnika.

Wskazówka montażowa
Należy zwrócić uwagę na właściwe umocowanie czujnika i odległość jego głowicy od koła sygnałowego.

Czujnik temperatury płynu chłodzącego

W starszych samochodach czujnik temperatury płynu chłodzącego był potrzebny wyłącznie po to, by zapalała się czerwona lampka sygnalizująca, że lada moment płyn w chłodnicy zacznie się gotować oraz by działał umieszczony na desce rozdzielczej wskaźnik pokazujący kierowcy jak mocno nagrzany jest silnik. We współczesnych autach informacje dostarczane przez ów czujnik wykorzystywane są także, czy raczej przede wszystkim, przez moduł sterujący pracą silnika. Otóż brane są one pod uwagę przy dopasowywaniu czasu wtrysku paliwa i kąta wyprzedzenia zapłonu stosownie do temperatury silnika.

Działanie
Zależnie od temperatury płynu chłodzącego zmienia się oporność czujnika temperatury, przy czym im temperatura jest wyższa, tym oporność czujnika staje się mniejsza. Tym samym mniejszy jest również spadek napięcia na czujniku. Sterownik silnika przelicza wartość tego napięcia, gdyż jest ono odwrotnie proporcjonalne do temperatury płynu chłodzącego.

Objawy niesprawności i jej przyczyny
Uszkodzony czujnik temperatury płynu chłodzącego może powodować różne objawy zależnie od sposobu, w jaki sterownik silnika interpretuje odbiegające od standardu informacje płynące z tego czujnika i jaka jest strategia przechodzenia modułu sterującego w awaryjny tryb pracy. Niemniej nie będzie błędem stwierdzenie, iż najczęstszymi objawami są:

• podwyższone obroty biegu jałowego,
• zwiększone zużycie paliwa,
• kłopoty z rozruchem silnika.

Do tego dochodzą ewentualne problemy przy badaniach spalin spowodowane zwiększoną ilością tlenku węgla w gazach wydechowych wynikającą z braku regulacji składu mieszanki przez sondę Lambda.

Najbardziej prawdopodobne przyczyny tych oraz innych niesprawności związanych z działaniem czujnika temperatury znaleźć można w pamięci błędów modułu sterującego w postaci wpisów takich jak:

• zwarcie do masy w okablowaniu czujnika lub zwarcie w samym czujniku,
• zwarcie z biegunem dodatnim lub przerwa w przewodach,
• niezrozumiałe zmiany sygnałów (skoki sygnałów),
• silnik nie osiąga minimalnej temperatury roboczej (wpis taki może wystąpić również w przypadku uszkodzonego termostatu).

Wykrywanie usterek
Procedura ustalania, co jest powodem kłopotów z czujnikiem sprowadza się w zasadzie do dwóch punktów:

• odczytania pamięci błędów sterownika,
• sprawdzenia przewodów czujnika, wtyczki i samego czujnika, pod kątem jakości połączeń, przerw, zwarć, korozji itp.
  Badanie takie przeprowadza się miernikiem uniwersalnym w trzech etapach:
  1.  zaczynamy od pomiaru wewnętrznej oporności czujnika. Jest ona zależna od temperatury, przy zimnym silniku powinna być wysoka, przy ciepłym – niska. Jej wartość najczęściej wynosi:
  – dla 25 °C – 2,0 – 6,0 kΩ,
  – dla 80 °C – ok. 300 Ω,

  

  należy jednak ustalić, jaka powinna być dla konkretnego czujnika, gdyż czujniki potrafią się różnić.
  2.  sprawdzamy okablowanie łączące czujnik z modułem sterującym, badając przewodzenie i zwarcia do masy pojedynczo dla każdego przewodu. Wykonujemy to w sposób następujący:
  •  dysponując schematem przeznaczenia styków (pinów) modułu sterującego włączamy omomierz między odpowiednie piny wtyczki czujnika temperatury i odłączonej wtyczki modułu sterującego. Miernik powinien pokazywać ok. 0 Ω.

  

  •   sprawdzamy każdy styk wtyczki czujnika przy odłączonej wtyczce modułu sterującego na zwarcie do masy. Wartość pokazywana przez miernik powinna być większa niż 30 MΩ.
  3.  sprawdzamy woltomierzem napięcie zasilania przy odłączonej wtyczce czujnika. Pomiar wykonuje się przy włączonej wtyczce modułu sterującego i włączonym zapłonie. Miernik powinien pokazać ok. 5 V. Jeśli wskazuje niższą wartość, należy sprawdzić napięcie zasilania modułu sterującego, a także połączenie z masą, (może być do tego potrzebny schemat połączeń).

  

Na podstawie materiałów firmy HELLA