Detonācijas sensori

Problēmas ar detonācijas sensoriem negadās pārāk bieži, tādēļ līdz nesenai pagātnei šie sensori nebija manā interešu lokā.

Šoreiz izlaidīšu pamatlietas - kādam nolūkam ir paredzēti detonācijas sensori un kā tie ietekmē dzinēju. Šīs pamatlietas ir apskatītas ļoti daudzos avotos. Šoreiz  - info tiem, kas nodarbojas ar dzinēju diagnostiku.

No pamatlietām no TIS izkopēju tikai rindkopu, kas apstiprina manis iepriekšējos postos minēto - aizdedzes vadība ir cylinder selective; tiek veidota adaptīva aizdedzes korekcija; dzinējs adaptējas izmantotajai degvielai (tās oktānskaitlim):

Situācija ar manu interesi mainījās, kad gadījās auto ar dīvainiem simptomiem pēc dzinēja remonta. Auto tika nopirkts ar dzinēja defektu, dzinējam veikts diezgan nopietns remonts (galvas maiņa; virzuļgrupas profilakse), attiecīgi - bija iespējami gan citi/slēpti defekti, gan, teorētiski - iespējams, kāda kļūme dzinēja montāžā. Šo iemeslu dēļ nācās iedziļināties tēmas niansēs.

Šajā ierakstā - vairākas ļoti interesantas nianses par šiem sensoriem un to darbības īpatnībām.

Detonācijas sensora elements ir īpašas keramikas plāksnīte - pjezo elements. Līdzīgu keramikas plāksnīti daudzus gadus atpakaļ izmantoja vinilplašu atskaņotājos to atskaņošanas galviņās. Šīs elektrofonu galviņas mehāniskas svārstības pārvērta elektrībā. Pretēju efektu - elektrisku signālu pārvērst keramiskas plāksnītes mehāniskās vibrācijās - izmantoja skandās, augsto frekvenču skaļruņos. Vai, piemēram, iekšdedzes dzinēju pjezo sprauslās.

Keramikas plāksnīte šo sensora elementam ir izvēlēta, jo tā ir kompakts, lēts risinājums, kas spēj uztvert diezgan augstas frekvences (20+ kHz).

Elektriski šī keramiskas plāksnīte ''uzvedas'' kā kondensators. Šim sensoram nav jāpievada nekāds barošanas spriegums. Šis pjezo elements pats ražo elektrību, ja sajūt mehāniskas vibrācijas.

Lūk, Bosch detonācijas sensora elektriskie parametri.

Būtiskākais:

a. sensora ''veselību'' nevar noteikt ar Ommetru. Tehniskā kārtībā esošs sensors uzrādīs ļoti lielu (virs 1 MOhm jeb virs 1 miljona Omu) vērtību, ko tipiski mēs saprotam kā ķēdes pārrāvumu;

b. sensoru var pārbaudīt kā kondensatoru, taču problēmas rada apstāklis, ka kapacitātes mērīšanas funkcija ir tikai dārgākiem multimetriem;

c. ja multimetram ir kapacitātes mērīšanas funkcija, tad korekts rādījums (kā redzam no Datasheet): ap 1150pF (+/-20%).

Lūk, pirmā problēma - ar ''lētā gala'' multimetru, mērot sensora elektriskos parametrus, mēs nevaram noteikt, vai sensors ir vesels! Protams, ja multimetrs rāda īssavienojumu - tā ir problēma. Taču, ja redzam ķēdes pārrāvumu (Ommetra režīmā) - tas nav rādītājs/nozīmē NEKO. 

Nākošā tēma: gan 4, gan 6 cilindru dzinējiem ir divi detonācijas sensori. Kā piemērs - N55 sērijas dzinēja detonācijas sensoru pieslēgums:

4 cilindru dzinējam sensori izvietoti starp 1. un 2.; 3. un 4. cilindriem. 6 cilindru dzinēju gadījumā sensori izvietoti pretī 2. un 5. cilindriem.

No augstāk ievietotās shēmas apraksta rodas nepārprotams iespaids (tieši tā rakstīts dokumentā): viens sensors attiecas tieši/tikai uz 1. līdz 3. cilindriem, otrs - uz 4. līdz 6. cilindriem. Diemžēl, šis īsti neatbilst patiesībai!

Patiesībā - abu sensoru dati tiek summēti. Abi sensori mēra (''redz'') visus cilindrus! Precīzi signālu summēšanas nosacījumi nav zināmi, bet imitējot signālu, es skaidri redzēju, ka 1. sensora signāls var uzrādīt detonāciju pēdējos cilindros un otrādi.

Jā, normālā darba režīmā pirmajiem cilindriem (fiziski) tuvāk ir tieši pirmais sensors, tas labāk ''sadzird'' to vibrāciju. Otrajai cilindru grupai tuvāk ir otrais sensors, attiecīgi - tā signāls dominēs, ja detonācija būs šajos cilindros. Ja abi sensori ir darba kārtībā, sistēma darbojas, kā aprakstīts attēlā. Situācija mainās, ja kāds sensors ir bojāts.

Šāda abu sensoru datu apvienošana rada virkni problēmu (par tām - turpinājumā). Kādēļ DME ražotāji (gan Siemens, gan Bosch) izvēlējušies šādu optimizāciju? Iespējams, ka pie vainas vēlme taupīt katru centu. Varbūt - trūka MCU analogās ieejas. Varbūt - kopš senseniem laikiem problēmas ar detonācijas sensoriem nav bijušas biežākais reklamāciju iemesls, un ražotājs nav pievērsis šim mezglam pelnīto uzmanību. Pirms runāt par konkrētām problēmām, jāapskata to (šo problēmu) cēloņi.

Sensoru pieslēgums

Sensoru ģenerētais spriegums normālos dzinēja darba apstākļos pie maziem RPM sastāda vien desmitus līdz 100 .. 200 mV (peak to peak). Tas ir ļoti mazas amplitūdas signāls - turpat ''blakus esoši'' sprauslu un aizdedzes spoļu spriegumi mērāmi desmitos un pat vairākos simtos voltu (tūkstoš reižu lielāki spriegumi). Lai samazinātu iespējamos traucējumus, kas no lielu spriegumu/jaudu vadiem/avotiem varētu nokļūt detonācijas sensoru signālu ķēdēs, sensoriem izmanto vītā pāra pieslēgumu.

Vītā pāra (twisted pair) savienojums samazina traucējumus, kas vienādi inducēti abos savienotājvados. Papildus ekrānu BMW savos auto šo sensoru pieslēgumam neizmanto; sensoru vadi nav nekādi mehāniski attālināti no citiem (traucējumus radošiem) vadiem.

Neskatoties uz šo vītā pāra pieslēgumu, traucējumi no lieljaudas patērētājiem (izpildmehānismiem - vārstiem; sprauslām, aizdedzes spolēm) rada lielas problēmas. Šīs problēmas tika novērotas jau M sērijas dzinējos un nebija atrisinātas pat N54/N55 sērijas dzinējos (B sērijas dzinējiem vēl neesmu izveicis izpēti).

Kā izpaužas šīs problēmas?

Detonācijas sensoru signāla pastiprinātāju (mezgli, kas ''satver'' sensoru signālu un to novada uz MCU) ieejas pretestība (Zint) ir izvēlēta ļoti liela (ar kārtu: 1 MOhm), lai ''neslāpētu'' sensoru. Ja gadās tehniska kļūme - sensora pieslēguma ķēdes pārrāvums, šī augstomīgā ieeja kļūst ļoti jūtīga pret visiem traucējumiem, kas sastopami zem auto dzinēja pārsega. Ja viss ir kārtībā un šai ieejai ir pieslēgts sensors, sensors uz augstākām frekvencēm (frekvencēm, kurās DME skatās detonāciju) ''noīsina'' šo jūtīgo ieeju, problēmas ar traucējumiem samazinās. 

Sensora kapacitāte 1200pF nozīmē, ka sensora iekšējā pretestība (Z) 5 kHz frekvencē ir ap 26 kOhm; 10 kHz frekvencē: 13 kOhm. Tātad - korekti strādājošs sensors samazina Zint 40 .. 80 reizes. Attiecīgi - 40 .. 80 reizes samazinās traucējumu līmenis sensora signāla pastiprinātāja (un attiecīgi - arī DME) ieejā. Taču, ja sensors ''notrūkst'', traucējumu līmenis pieaug dramatiski! 

Normālā situācijā - diagnosts paredz: ja sensors ''notrūkst'' (ir ķēdes pārrāvums) vai tas tiek atvienots, signāls šajā ķēdē pazūd (kļūst 0). Šoreiz viss ir pretēji - ja sensors tiek atvienots vai rodas ķēdes pārrāvums pašā sensorā, DME ''redz'' milzīgas amplitūdas traucējumus! Šos traucējumus uzrāda gan diagnostikas aprīkojums, gan pats DME uztver kā (viltus) detonāciju.

Šie traucējumi ķēdes pārrāvuma gadījumā:

a. tipiski ir ar būtiski lielāku amplitūdu kā signāls korekti strādājoša dzinēja gadījumā;

b. pat viena sensora defekta gadījumā viltus detonācija uzrādās visos cilindros.

Punktā b minētā fenomena iemesls ir vienkāršs - tā kā (patiesībā, pretēji pieslēguma shēmās norādītajam) abu sensoru dati tiek summēti/katrs no sensoriem ''dzird'' visus cilindrus, tad - traucējumi (kurus rada visu cilindru vadības/izpildmehānismi) arī nokļūst visu cilindru detonācijas mērīšanas laika ''logos''.

  

Siemens DME tipiski identificē ķēdes pārrāvuma problēmas; Bosch DME ar šo sokas grūtāk. Zemāk praktiskā piemērā N55 sērijas dzinējs, kurš ilgāku laiku brauca bez jebkādām kļūdām tā atmiņā.

Piezīme: ''čipsoti'' dzinēji ir īpaša tēma. Tipiski šiem dzinējiem tiek sabojātas aizdedzes vadības kartes (DME vairs nespēj veidot adaptīvu aizdedzi); detonācija ir paaugstināta visu laiku. Lai ''risinātu'' jaunās problēmas, kļūdas par detonāciju tiek slēptas, tās dzēšot no DME kļūdu kartes. Attiecīgi - dzinējs detonē, bet neuzrāda kļūdas par detonācijas sensoru (to defekta gadījumā) darbību, dzinējs strādā totālā limp mode. 

Piemērs. Auto: F10; N55 sērijas dzinējs. Auto nopirkts ar bojātu dzinēju. Pēc dzinēja remonta auto strādā nenormāli.

Simptomi - dzinēja raustīšanās (subjektīvi - kā maigi misfires) vidēju RPM vidējas/lielas pieprasītās griezes režīmā.

Degmaisījums: korekts; cilindru mehāniskā efektivitāte: identiska.

Misfires:

Neskatoties uz nepārtrauktu raustīšanos, misfiru skaits - ļoti tuvu 0.

Tajā pat laikā, detonācijas sensoru rādījumi tukšgaitā:

Pieaugot RPM un/vai pieprasītajai griezei, detonācijas sensoru rādījumi proporcionāli pieaug:

Kā redzam, visu cilindru detonācijas dati ir vairākus desmitus reižu virs normas! Pirmo 3 cilindru problēmas izskatās nedaudz lielākas, taču skaidrs - arī 4. līdz 6. cilindri strādā nenormāli. Signālu amplitūda pieaug, pieaugot RPM un pieprasītajai griezei - šī nianse atbilst korekti strādājoša dzinēja situācijai (un var maldināt diagnostu, sak - viss ir kārtībā ar sensoriem, tie ''jūt'' detonāciju).

Kļūdu DME atmiņā nav pat pēc ilgāka laika. Uz ''ausi'' skarba detonācija it kā nav dzirdama. Varbūt tomēr kāda fundamentāla kļūda remonta laikā? Čipseru sabojāta DME programmatūra? DME/diagnostikas aprīkojums nepiedāvā nekādus testa moduļus. Vienīgais ieteikums TIS - skatīties signāla līmeni ar osciloskopu, novērtējiet signāla traucējumu līmeni.

Diemžēl, TIS uzrādītā ''etalona'' oscilogramma nav nosaucama pat par ''nedaudz neveiksmīgu''. Tā ir vairāk kā nekorekta. X ass norādīta kā ''frequency'' ar nekorektām mērvienībām. Skatoties uz Y asi, jāsecina, ka nedetonējoša dzinēja gadījumā traucējumu līmenis DME ieejā sasniedz ap 1.0 V (p-p). Murgs!

Jāslēdz klāt osciloskops un jāskata, kas notiek DME ieejās.

Sacīts - darīts!

Osciloskops pieslēgts pie DME A211 2B, 7. un 8. kontaktiem (detonācijas sensors 1)

Horizontālā izvērse: 20 ms. Signāls DME ieejā nav normāls! Šī pilnīgi noteikti nav dzinēja bloka augstfrekvences vibrācija degvielas sadegšanas brīdī. Šie ir nepārtraukti augstas intensitātes signāla blāķi. Izciļņi atbilst cilindru darba ciklam (attēlā: tukšgaita, ik pēc 50 ms nostrādā kāda cilindra sprauslas un aizdedzes spoles).

Iezoomoju laika skalu uz 500 us:

Traucējumi izrādās nevis dzinēja bloka vibrācija, bet signāls, kas ir periodisks, ar skaidri redzamu formu, periodu, stabilu amplitūdu. Te pat grūti atšķirt - kur multi-ignition, kur strādā sprausla, kur - kāds cits dzinēja izpildmehānisms... Bet redzami ir visu šo elementu izraisītie traucējumi. Šo traucējumu asās frontes norāda, ka sensors nav pieslēgts vai tā pieslēgums ir bojāts (tā ap 1 nF lielā kapacitāte strādātu kā LPF filtrs, kas ''nogludinātu'' signālu asās ''kantes'' ).

Uz augstākiem RPM attēls kļūst it kā mazliet ''tīrāks'' (tuvāks ''pareizam''),  tajā pat laikā - signāla amplitūda pieaug:

Testam pārbaudīju traucējumu līmeni starp DME elektroniku un tā korpusu; dzinēja bloku:

Izņemot dažus retus lielas amplitūdas traucējumus, traucējumu līmenis Ground ķēdēs ir pieņemams. Šie traucējumi nebūs pie vainas.

Atvienojot detonācijas sensorus (tiem ir viens/kopējs spraudnis), situācija osciloskopa ekrānā nemainījās (ne traucējumu amplitūda, ne to forma); ISTA rādījumi pat pieauga.

Secinājums: šim detonācijas sensoram ir ķēdes pārrāvums, mēs redzam tikai traucējumus.

Izveidojot īssavienojumu (short-circuit) starp Pin 7 un 8, ISTA tukšgaitā uzrādīja seojošus detonācijas datus:

Kā redzam, problēma pazudusi VISOS cilindros. 

Veicot testa izbraucienu, ļoti ātri DME atmiņā tika ierakstītas kļūdas par abiem sensoriem - esot pārāk zems to signāls, acīmredzot - short-circuit ķēdēs. Atzīmēju vēlreiz - otrā detonācijas sensora pieslēgumu es neaiztiku; ISTA uzrādīja mainīgu un korektu sensora ģenerēto spriegumu testa laikā.

Atsaucot atmiņā problēmsituācijas, atceros, ka visos gadījumos, kas man zināmi:

a. problēmas (paaugstināti detonācijas datu rādījumi) bija visiem cilindriem;

b. gadījumos, kad DME bija ierakstījis kļūdas, kļūdas bija par abiem sensoriem.

Acīmredzot, ne Siemens, ne Bosch DME nemāk korekti ne pašdiagnosticēt, ne identificēt šos sensorus (vai kaut to pieslēgumu). No remonta viedokļa tā nav liela problēma - abi sensori tiek tirgoti kā viens mezgls (arī nedaudz dīvaini, vai ne?), taču diagnostam var radīt galvassāpes. Kaut vai - kas gan varēja gadīties ABIEM sensoriem vienlaicīgi? Jeb - izmisīgi mēģinot atrast problēmas, kādēļ (piemērā augstāk) ir paaugstināti 4. līdz 6. cilindru detonācijas dati...

Es izveicu mājasdarbu - apkopoju internetā populārākās detonācijas sensoru testa metodes un izplatītākos defektus. Zemāk tos apkopošu un minēšu savus komentārus.

Testa metodes un problēmkeisi

a. testa metode - sensoru pieslēdz pie multimetra (AC režīms; 200mV diapazons), sit sensoru pret galdu vai sit pa sensoru ar kādu priekšmetu (piem., krūvgrieža kātu).

Iespējamās vilšanās šeit ir vairākas. Pirmkārt - ir multimetri (tipiski - lētākas cenu kategorijas), kuru AC mērīšanas frekvenču diapazons ir stipri ierobežots. Tipiski šie multimetri paredzēti 50/60 Hz AC mērījumiem, nevis simts - trīssimts reižu augstākas frekvences spriegumu identificēšanai. Otra iespējamā problēma - keramiskās plāksnītes mikroplaisas un/vai savienojumu problēmas. Mikroplaisas ir izplatītākais pjezo elementu defekts. Šī defekta rezultātā elementa darbspējas var atjaunoties/pazust bez it kā redzama iemesla. Temperatūras izmaiņu rezultātā vai mehāniski deformējot sensoru (piemēram, pieskrūvējot pie dzinēja bloka), sensors atsāk strādāt, vai, tieši pretēji, ''saplīst''. Identiskas problēmas iespējamas dēļ sensora iekšējo savienojumu vai vadu defektu dēļ. Ļoti iespējams - uz galda viss strādā, bet reālos apstakļos (augstākas temperatūras, vibrācijas) - sākas problēmas.

b. testa metode - sensors uz galda pieslēgts osciloskopam, ar skrūvrieža kātu sit pa sensoru; novēro ģenerēto signālu. Iebildes visas iepriekšējās - iespējamas mikroplaisas kā pašā sensorā, tā arī tā savienojumos. 

c. uzlabota testa metode - sensors pieskrūvēts tam paredzētajā vietā. Kontroles rīks - osciloskops. Ar metālisku priekšmetu (piem., neliels āmurītis) sit pa dzinēja bloku. Diemžēl, arī šī metode negarantē uzticamu rezultātu. Mikroplaisas paša sensora pieslēgumā un/vai savienotājvadā var pievilt. Arī temperatūras izmaiņas var radīt sporādisku defektu.

Visām metodēm kā papildus problēma jāmin - pjezo elementam var būt ļoti viltīgs defekts: mikroplaisas pašā keramiskajā plāksnītē. Šī defekta rezultātā (permanenti vai sporādiski) daļa plāksnītes ''atdalās''. Rezultātā - mainās sensora parametri (kapacitāte, jūtība, pašrezonanses frekvence), tajā pat laikā - sensors it kā turpina strādāt. Šādu defektu ir praktiski neiespējami identificēt ar augstākminētajām metodēm.

Korekti strādājoša sensora oscilogrammas

Internetā ir gandrīz neiespējami atrast kvalitatīvas korekti strādājoša detonācijas sensora oscilogrammas. Pozitīvs piemērs (2003. gada GM Chevy 4.8 L dzinējs):

Pa vertikāli: 200 mV/div; pa horizontāli: 5 ms/div. Tukšgaita

Dzinējs bez slodzes, palielinot apgriezienus (3000+ RPM).

Ja man prasītu nosaukt vienu konkrētu/būtisku pazīmi, ar ko atšķiras šī (korektā) oscilogramma no manis postā augstāk ievietotajām oscilogrammām - signāla raksturs. Korekta signāla veids atgādina troksni (haotiskus ''augšup/lejup'' pīķīšus), pretstatā skaidri redzamiem vadības signāliem (redzama ģeometriska signālu forma, tie strikti atkārtojas).

Šis ir netipisks gadījums. Tipiski es esmu par zinātnisku/precīzu pieeju defektu identificēšanā. Bet šoreiz es teikšu: ja ir aizdomas par detonācijas sensoru darbību:

a. DME atmiņā ierakstītas kļūdas par šiem sensoriem vai to signāliem;

b. neadevāti augsti sensoru rādījumi vai tieši pretēji - zemas, tuvu 0, nemainīgas sensoru signālu vērtības;

c. sensoru rādījumi raustās; raustās (izteikti - gaitā, vidējos aprgiezienos) arī dzinējs, tajā pat laikā - misfires netiek identificētas;

mainiet detonācijas sensorus! Šie sensori nemaksā dārgi, tajā pat laikā - to diagnostika ir komplicēta un apgrūtināta, iespējami sporādiski defekti.  

Pēdējais ieteikums mehāniķiem - ievērojiet TIS norādītos detonācijas sensoru montāžas spēkus! Tikai ar pareizu pievilkšanas spēku fiksēts sensors nodrošinās uzdotos tehniskos parametrus. Turklāt, pievilkšana ar palielinātu spēku var bojāt pašu sensoru (veidot mikroplaisas pjezo elementā). Nemetiet sensorus zemē, nesitiet pa tiem ar kādiem cietiem priekšmetiem!