Elektronika samochodowa (Kod: TS1C 622 388)

Politechnika Białostocka Wydział Elektryczny Katedra Automatyki i Elektroniki Instrukcja do ćwiczeń laboratoryjnych z przedmiotu Elektronika samochodowa (Kod: TS1C 622 388) Temat: System Motronic Opracował: dr inż. Wojciech Wojtkowski 2 lutego 2015

1 Cel ćwiczenia Celem ćwiczenia laboratoryjnego jest poznanie zasady działania zintegrowanych układów zapłonowo-wtryskowych na przykładzie systemu Mono-Motronic firmy Bosch. W ramach ćwiczenia przeprowadzana jest diagnostyka laboratoryjnego systemu Motronic kompatybilnego z instalacją stosowaną w pojazdach serii Audi 80 B4. 2 Ostrzeżenie Uwaga!!! W trakcie ćwiczenia studenci będą przebywać w pobliżu działającego układu zapłonowego, w którym występują wysokie napięcia rzędu 20 kv. Stanowisko jest wyposażone w osłonę ochronną, która musi być zawsze założona w trakcie pomiarów. W przypadku występowania jakichkolwiek przeciwwskazań lekarskich (np. rozrusznik serca), należy je bezwzględnie zgłosić przed zajęciami prowadzącemu ćwiczenie. Uwaga!!! W trakcie ćwiczenia studenci będą wykorzystywać akumulator ołowiowy o bardzo wysokiej wydajności pradowej. Istnieje ryzyko silnego iskrzenia w momencie zwarcia wyprowadzeń biegunowych. Związane jest z z tym ryzyko wybuchu akumulatora w którym w czasie ładowania wydziela się wodór. Zaskoczony nagłym iskrzeniem człowiek może mieć niebezpieczne odruchy obronne (np. może się sam skaleczyć). Dodatkowo akumulator jest wystarczająco ciężki, aby spadajac mógł kogoś zranić, oraz może się wówczas wylać silnie żrący elektrolit. W związku z tym nalezy zachować szczególną uwagę w trakcie realizacji ćwiczenia. Należy też przestrzegać zasad pracy z akumulatorem ołowiowym. 3 Opis stanowiska laboratoryjnego Stanowisko laboratoryjne zbudowane jest na płycie o wymiarach 144 cm x 210 cm, na której jest zamontowana instalacja zapłonowo-wtryskowa oraz oświetleniowa pochodzące w większości z samochodu osobowego Audi 80 B4 (silnik 2.0, 66kW, typ: ABT). Widok makiety laboratoryjnej jest przedstawiony na rysunku 1. Do badania dostępne są następujące elementy układu Mono-Motronic: zespół wtryskiwacza - przepustnicy (wtryskiwacz, czujnik temperatury zasysanego powietrza, czujnik położenia przepustnicy, elektryczny nastawnik przepustnicy), pompa paliwa (umieszczona poza makietą), Motronic 1 z 16

Lab: Elektronika samochodowa Politechnika Białostocka Kod przedmiotu: TS1C 622 388 Rysunek 1: Makieta laboratoryjna Mono-Motronic cewka zapłonowa, aparat zapłonowy z rozdzielaczem wysokiego napięcia i z czujnikiem Halla, świece zapłonowe i przewody wysokiego napięcia, skrzynka bezpiecznikowo - przekaźnikowa oraz przekaźnik świateł kierunkowych ze sterowaniem elektronicznym, wyłącznik zapłonu, zespół przełączników z kolumny kierowniczej, cyfrowo - analogowa tablica wskaźników, zespół przełączników z deski rozdzielczej, mikroprocesorowy układ sterowania układem zapłonowo wtryskowym typu MonoMotronic, Motronic 2 z 16

zestaw czujników (czujniki temperatury, sonda lambda, czujnik ciśnienia oleju, czujnik poziomu paliwa, czujnik poziomu rezerwowego), akumulator ołowiowy (44Ah, 12V). Do uruchamiania poszczególnych obwodów makiety służy specjalny sterownik mikroprocesorowy wyposażony w interfejs użytkownika w formie klawiatury i wyświetlacza alfanumerycznego LCD, na którym widoczne są poszczególne opcje menu. Zakres badań związany z każdą z pozycji menu, to znaczy z każdym uruchamianym obwodem podaje prowadzący ćwiczenie. 4 Układ Mono-Motronic Układ Mono-Motronic stanowi połączenie układu Mono-Jetronic (wyposażonego w dodatkowe funkcje) z układem zapłonowym sterowanym elektronicznie. Jest to zintegrowany układ wtryskowo - zapłonowy. Szczegółowy opis układu Mono-Motronic jest przedstawiony na wykładzie z przedmiotu elektronika samochodowa. W celu obliczenia chwili zapłonu, dawki wtryskiwanego paliwa i chwili początku wtrysku, konieczne jest ustalenie punktu pracy silnika za pomocą dostępnych czujników. Ustalenie warunków pracy silnika jest istotne zarówno z punktu widzenia układu zapłonowego jak i układu wtryskowego, w związku z tym wykorzystuje się jeden wspólny zestaw czujników. Ponadto, w celu optymalizacji sterowania, oba układy mogą oddziaływać na siebie. układ regulacji zintegrowanego układu zapłonowo-wtryskowego określa się potocznie mianem Motronic, chociaż jest to nazwa rozwiązania firmy Bosch. W innych odmianach układów Motronic wbudowane są różne dodatkowe funkcje służące jak najbardziej zoptymalizowanemu sterowaniu i regulacji silnika. Dodatkowe realizowane funkcje: regulacja lambda, regulacja biegu jałowego, zmiana długości przewodu dolotowego, przestawianie faz rozrządu, sterowanie recyrkulacją spalin, regulacja ciśnienia doładowania, regeneracja pochłaniacza oparów benzyny itp. 4.1 Układ Mono-Jetronic Układ Mono-Jetronic jest jednopunktowym układem wtryskowym stosowanym w mniejszych silnikach jest to rozwiązanie ekonomiczne układu wtryskowego. Wykorzystuje się jeden wtryskiwacz umieszczony nad przepustnicą w zespole wtryskowym. Elementy składowe układu Mono-Jetronic są przedstawione na rys. 2. W związku z niewielkim zużyciem paliwa przez małe silniki i mniejszym ciśnieniem w układzie (ok. 100kPa [1]), pompa paliwa nie musi osiągać stosunkowo dużych wydajności. Motronic 3 z 16

Rysunek 2: Elementy składowe układu Mono-Jetronic [3] 1-zbiornik paliwa, 2-elektryczna pompa paliwa, 3-filtr paliwa, 4-regulator ciśnienia paliwa, 5-wtryskiwacz, 6-czujnik temperatury powietrza zasysanego, 7-urządzenie sterujące, 8- regulator biegu jałowego, 9-czujnik położenia przepustnicy, zawór regulacyjny przepływu par paliwa, 11-pojemnik z węglem aktywnym, 12-sonda lambda, 13-czujnik temperatury silnika, 14-rozdzielacz zapłonu z czujnikiem Halla, 15-akumulator, 16-wyłącznik zapłonu, 17-przekaźnik główny. Motronic 4 z 16

Najczęściej jest ona umieszczana bezpośrednio w zbiorniku paliwa, tworząc z czujnikiem poziomu paliwa jeden zespół. Wydajność pompy zależy od jej prędkości obrotowej, która to jest zależna od napięcia w instalacji elektrycznej. Po opuszczeniu pompy paliwo dostaje się do filtra i dalej do zespołu wtryskowego. Nadmiar paliwa powraca do zbiornika przez regulator ciśnienia. Regulator ma za zadanie utrzymywanie stałej różnicy ciśnienia w układzie względem ciśnienia otoczenia. Wtryskiwacz paliwa jest umieszczony nad przepustnicą. Wtryskiwacz umieszczono tak, aby strumień zasysanego powietrza ułatwiał wymieszanie. Stosowane są różne co do budowy wtryskiwacze, które mają jednak identyczną zasadę działania. Prąd płynący przez uzwojenie elektromagnesu powoduje powstanie pola magnetycznego, które unosi rdzeń cewki zakończony igłą zaworu. Znajdujące się pod odpowiednio dobranym ciśnieniem paliwo przedostaje się do kolektora dolotowego. Po wyłączeniu prądu, sprężyna powrotna zamyka zawór wtryskiwacza. Ponieważ w układzie panuje względnie niskie ciśnienie paliwa, nie jest potrzebne bardzo silne pole magnetyczne jak i mocna sprężyna zamykająca zawór. Czas reakcji wtryskiwacza jest dzięki temu krótszy. Jest to konieczne, aby wtryskiwacz mógł pracować z większą częstotliwością (większą niż przy wtrysku wielopunktowym, ponieważ jeden wtryskiwacz obsługuje wszystkie cylindry). Budowa przykładowa wtryskiwacza z układu Mono-Jetronic jest przedstawiona na rysunku 4. Najistotniejszą cechą układu Mono-Jetronic oprócz występowania tylko jednego wtryskiwacza, jest fakt, że nie jest mierzona ilość (masa) zasysanego powietrza, lecz jest ona obliczana na podstawie kąta uchylenia przepustnicy (α) i prędkości obrotowej silnika (n). Stąd jest używana nazwa sterowanie α/n. Przy określonym stopniu otwarcia przepustnicy i określonej prędkości obrotowej może być zassana określona ilość (masa) powietrza. Oczywiście nie uwzględniona jest wówczas gęstość zasysanego powietrza która jest zależna np. od wysokości nad poziomem morza i od temperatury, co wpływa na błąd obliczeń. Obliczanie ilości zassanego powietrza opiera się o dane (przechowywane w pamięci sterownika) zebrane na drodze eksperymentalnej w fazie testowania i projektowania danej jednostki napędowej. Kąt uchylenia przepustnicy potrzebny do obliczeń jest rozpoznawany na podstawie sygnału napięciowego z czujnika potencjometrycznego położenia przepustnicy. Potencjometr ten ma dwie bieżnie rezystancyjne o różnych charakterystykach. Jedna dla dolnego zakresu obciążenia (kąt otwarcia 0-24 o ), w którym niewielkie zmiany kąta otwarcia przepustnicy powodują duże zmiany w ilości zasysanego powietrza. Druga bieżnia jest przeznaczona dla górnego zakresu obciążenia (kąty otwarcia 18-90o). Zamknięcie przepustnicy i pełne otwarcie są rozpoznawane także przez analizę sygnału z czujnika położenia przepustnicy - nie występują dodatkowe styczniki pełnego otwarcia i zamknięcia przepustnicy stosowane w starszych konstrukcjach. Obie bieżnie czujnika po- Motronic 5 z 16

Rysunek 3: Obwód zasilania paliwem w układzie Bosch Mono-Jetronic [3] 1-zbiornik paliwa, 2-elektryczna pompa paliwa, 3-filtr paliwa, 4-regulator ciśnienia, 5- wtryskiwacz, 6-przepustnica tencjometrycznego mogą być sprawdzone przez pomiar rezystancji lub pomiar napięcia wyjściowego (dokładniejsza analiza). W trakcie otwierania przepustnicy, rezystancja powinna się zmieniać płynnie. Ważny jest dobry styk bieżni ze ślizgaczem, ochrona czujnika przed wilgocią i zanieczyszczeniami. Dokładnego sprawdzenia bieżni można dokonać wykorzystując oscyloskop i generator sygnału testowego. Położenie potencjometru względem przepustnicy jest ściśle określone. Przy ewentualnej wymianie potencjometru należy ściśle przestrzegać wskazówek montażowych producenta. W najnowszych konstrukcjach po wymianie potencjometru lub zespołu przepustnicy należy dokonać adaptacji za pomocą specjalnego oprogramowania serwisowego. W przypadku wykrycia uszkodzenia potencjometru czujnika położenia przepustnicy, sterownik układu ustali czas wtrysku do określonej prędkości obrotowej - sterowanie nie będzie optymalne, sterownik przejdzie w tryb awaryjny. Pomiar temperatury silnika Temperatura silnika w układzie Mono-Jetronic jest mierzona za pomocą rezystora NTC (o ujemnym współczynniku temperaturowym (ang. negative temperature coefficient) wzrost temperatury powoduje zmniejszanie się rezystancji). Pomiar temperatury zasysanego powietrza Do pomiaru temperatury zasysanego powietrza również zastosowano rezystor NTC. Jest on umieszczony w zespole wtryskowym (przymocowany do wtryskiwacza). Pomiar napięcia Wartość napięcia jest brana pod Motronic 6 z 16

Rysunek 4: Wtryskiwacz paliwa z końcówką stożkową [3] 1-złącze elektryczne, 2-odpływ paliwa, 3-dopływ paliwa, 4-uzwojenie elektromagnesu, 5- rdzeń elektromagnesu, 6-igła zaworu, 7-dysza uwagę przy obliczaniu czasu wtrysku Na podstawie sygnału z sondy lambda jest przeprowadzana korekta i regulacja wtórna czasu wtrysku. Za pomocą nastawnika przepustnicy (zamiast nastawnika termicznego stosowanego we wcześniejszych rozwiązaniach) urządzenie sterujące stabilizuje pracę silnika na biegu jałowym na podstawie różnych dodatkowych sygnałów np. z układu klimatyzacji, czy automatycznej skrzynki przekładniowej. Najważniejszym sygnałem wyjściowym urządzenia sterującego jest sygnał sterujący wtryskiwaczem. Istotny jest czas trwania impulsów sterujących który się zmienia podczas regulacji PWM. Obliczony czas wtrysku wynika z otrzymanych sygnałów wejściowych i zaprogramowanych funkcji takich jak: wzbogacanie mieszanki podczas rozruchu zimnego silnika, wzbogacanie mieszanki przy pełnym obciążeniu lub w fazie gwałtownego przyspieszania, odcinanie paliwa podczas hamowania silnikiem, ograniczanie prędkości obrotowej. Przeprowadzana jest także korekta składu mieszanki w zależności od temperatury zasysanego powietrza. Motronic 7 z 16

5 Zagadnienia do przygotowania Przed przystąpieniem do realizacji ćwiczenia należy zapoznać się z instrukcją laboratoryjną oraz powtórzyć budowę i zasadę działania zintegrowanych układów zapłonowo - wtryskowych typu Mono-Motronic. W trakcie ćwiczenia laboratoryjnego potrzebna będzie ta instrukcja dlatego warto ją wydrukować lub mieć ze sobą na tablecie. 6 Przebieg ćwiczenia Aby uruchomić poszczególne funkcje makiety laboratoryjnej, należy posługiwać się panelem sterującym. Instrukcja obsługi panelu sterującego za pomocą klawiatury matrycowej jest umieszczona na obudowie panelu. Przy pomocy oscyloskopu cyfrowego i sondy prądowej zaobserwować prąd ładowania uzwojenia pierwotnego cewki zapłonowej i zmierzyć maksymalny prąd ładowania przy różnych prędkościach obrotowych oraz czasy ładowania. Określić na podstawie sygnału z sondy prądowej prędkość obrotową silnika (silnik 4 cylindrowy), Zaobserwować sygnał z czujnika Halla przy różnych prędkościach obrotowych, określić zmiany kąta wyprzedzenia zapłonu w zależności od położenia przepustnicy w zakresie małych kątów otwarcia. Zdjąć kopułkę rozdzielacza zapłonu i zapoznać się z jego budową. Wpływając na sygnały wyjściowe z poszczególnych czujników zaobserwować reakcję układu sterowania. Określić maksymalną prędkość obrotową silnika, przy której układ zapłonowy pracuje prawidłowo. Zbadać układ zapłonowy przy wykorzystaniu monitora wysokiego napięcia, określić na której świecy występuje najwyższa energia wyładowania. Przy pomocy testera wtryskiwaczy przetestować wtryskiwacz w zespole wtryskowym. Zmierzyć rezystancję uzwojenia wtryskiwacza, określić prąd pobierany przy napięciu znamionowym. zarejestrować napięcie na wtryskiwaczu i prąd wtrywkiwacza. Motronic 8 z 16

Zmierzyć prąd pobierany przez instalację zapłonową. Szczegółowy zakres ćwiczenia ustala prowadzący w trakcie zajęć laboratoryjnych. 7 Wymagania BHP Warunkiem przystąpienia do praktycznej realizacji ćwiczenia jest zapoznanie się z obowiązującą w laboratorium instrukcją BHP oraz przestrzeganie zasad w niej zawartych. Uwaga!!! W trakcie ćwiczenia studenci będą przebywać w pobliżu działającego układu zapłonowego, w którym występują wysokie napięcia rzędu 20 kv. Stanowisko jest wyposażone w osłonę ochronną, która musi być zawsze założona w trakcie pomiarów. W przypadku występowania jakichkolwiek przeciwwskazań lekarskich (np. rozrusznik serca), należy je bezwzględnie zgłosić przed zajęciami prowadzącemu ćwiczenie. Uwaga!!! W trakcie ćwiczenia studenci będą wykorzystywać akumulator ołowiowy o bardzo wysokiej wydajności pradowej. Istnieje ryzyko silnego iskrzenia w momencie zwarcia wyprowadzeń biegunowych. Związane jest z z tym ryzyko wybuchu akumulatora w którym w czasie ładowania wydziela się wodór. Zaskoczony nagłym iskrzeniem człowiek może mieć niebezpieczne odruchy obronne (np. może się sam skaleczyć). Dodatkowo akumulator jest wystarczająco ciężki, aby spadajac mógł kogoś zranić, oraz może się wówczas wylać silnie żrący elektrolit. W związku z tym nalezy zachować szczególną uwagę w trakcie realizacji ćwiczenia. Należy też przestrzegać zasad pracy z akumulatorem ołowiowym. 8 Wymogi odnośnie sprawozdania z realizacji ćwiczenia Sprawozdanie powinno zawierać: stronę tytułową (zgodnie z obowiązującym wzorem), zakres ćwiczenia, opis stanowiska laboratoryjnego, zastosowanych modułów, dokładny schemat połączeń pomiarowych, Motronic 9 z 16

opis przebiegu ćwiczenia z wyszczególnieniem wykonywanych czynności, algorytm rozwiązania danego problemu (niesprawności systemu wprowadzone przez prowadzącego), oscylogramy ilustrujące przeprowadzone badania, analizę otrzymanych wyników / przebiegów / charakterystyk, podsumowanie, uwagi oraz wnioski. Na ocenę sprawozdania będą miały wpływ następujące elementy: zgodność zawartości z instrukcją, algorytmy rozwiązywania problemów, wnioski i uwagi, terminowość i ogólna estetyka. Sprawozdanie powinno być wykonane i oddane na zakończenie ćwiczenia, najpóźniej na zajęciach następnych. Sprawozdania oddane później niż na następnych zajęciach będą oceniane niżej. Motronic 10 z 16

Rysunek 5: Schemat instalacji elektrycznej typu Mono-Motronic MA 1.2.1 część 1 Rysunek 6: Schemat instalacji elektrycznej typu Mono-Motronic MA 1.2.1 część 2 Motronic 11 z 16

Rysunek 7: Numeracja pinów gniazda OBD I Rysunek 8: Przeznaczenie pinów gniazda OBD I Rysunek 9: Położenie gniazda diagnostycznego w pojeździe (dotyczy VW PASSAT [31,35,3A] 04/1988-1992) [] Motronic 12 z 16

Rysunek 10: Nastawnik przepustnicy z zestykiem biegu jałowego [3] Rysunek 11: Potencjometr przepustnicy [3] Motronic 13 z 16

Rysunek 12: Elektromagnetyczny zawór wtryskowy i czujnik temperatury zasysanego powietrza [3] Rysunek 13: Pozycja montażowa komponentów zespołu wtryskowego Motronic 14 z 16

Rysunek 14: Rozmieszczenie elementów zespołu wtryskowego Motronic 15 z 16

Bibliografia [1] Instrukcja serwisowa Audi B4 [2] Dokumentacja serwisowa z bazy ESI[tronic] [3] Herner A. Riehl H.J.: Elektrotechnika i Elektronika w pojazdach samochodowych, WKŁ, 2004r. [4] Dziubiński M.: Elektroniczne układy pojazdów samochodowych, Lublin 2003. [5] Herner A.: Elektronika w samochodzie. WKŁ, Warszawa 2001. [6] Trzeciak K.: Diagnostyka samochodów osobowych. 16