Ремонт и техническое обслуживание автомобилей
Диагностика датчиков электронных систем управления
Общие сведения о датчиках ЭСУ автомобилей
Электроника стремительно врывается в конструкцию автомобилей, занимая важное место в управлении работой сложных агрегатов, устройств и систем автомобиля. Благодаря электронным системам управления (ЭСУ) повышается безопасность, экономичность, надежность и комфортабельность эксплуатации автомобильного транспорта, и, что немаловажно, отстранение человека от управления элементами конструкции автомобиля, требующих быстроты и правильность принятия решений и действий.
Электронный мозг автомобиля, как и любой другой компьютер, выполняет эту задачу лучше и быстрее любого человеческого гения.
Для того, чтобы электронный мозг автомобиля мог принять наиболее оптимальный вариант решения текущей или внезапно возникающей задачи, он должен иметь своеобразных осведомителей, выполняющих функции «органов чувств» компьютера.
Такими «осведомителями» в электронной начинке автомобиля являются многочисленные и разнообразные датчики, поставляющие электронному блоку управления («мозгу») информацию о текущем состоянии отдельных параметров автомобиля, элементов его конструкции и систем.
При этом текущее состояние механизмов и систем машины непосредственно может быть оценено только физическими параметрами – температурой, давлением, объемом, массой, положением в пространстве, вибрацией, скоростью и т. п.
Так, например, температура двигателя, частота вращения коленчатого вала и его положение в пространстве или скорость автомобиля – физические параметры, и никакая компьютерная программа не способна определить их существенное значение для анализа и корректировки управляющих сигналов (компьютерных команд).
Электронный блок управления, как и любой компьютер, способен воспринимать информацию только в виде электрических сигналов, характеризующихся тем или иным значением напряжения, частоты, скважности и т. п. Поэтому ЭБУ необходимы «переводчики», способные преобразовать физические величины в величины электрические, пригодные для обработки в блоке управления в соответствии с заложенной в него программой.
Датчики являются важнейшими элементами любой электронной системы управления. Они позволяют преобразовывать любой физический параметр машины, механизма, системы или рабочего тела в электрический сигнал, который понятен компьютеру, т. е. электронному блоку управления (ЭБУ).
Датчик – это элемент электронной системы управления, предназначенный для преобразования физических величин, характеризующих работу объекта или системы, в электрические величины, пригодные для обработки электронным блоком управления.
Совокупность датчиков электронной системы обычно называют датчиковой аппаратурой.
Физическими параметрами элемента конструкции или рабочего тела можно назвать температуру, давление, концентрацию, влажность, пространственное положение, объемное или массовое количество воздуха, вибрацию.
Электрические параметры, которыми оперируют датчики для информирования анализирующих и управляющих элементов электронной системы (для автомобилей — ЭБУ) — напряжение, ток, частота.
Конструктивно датчики всегда имеют как минимум две части – чувствительный элемент, воспринимающий входное неэлектрическое воздействие, и преобразователь неэлектрического сигнала от чувствительного элемента в выходной электрический сигнал. При этом выходной сигнал может быть предварительно обработан датчиком (в зависимости от его интеграции), либо передаваться в первозданном виде для анализа в ЭБУ.
Классификация датчиков, используемых в машиностроении и другой технике, в т. ч. электронной, приведена на этой странице.
Требования, предъявляемые к датчикам
К датчикам, используемым в электронных системах управления, предъявляются следующие требования:
— высокая надежность;
— необходимый диапазон измерений;
— статическая характеристика близкая к линейной;
— достаточная чувствительность и стабильность;
— погрешность в пределах, не превышающих влияние на работоспособность системы;
— отсутствие обратного воздействия на измеряемый объект или параметр.
Датчики автомобильных ЭСУ
Как упоминалось выше, любой автомобильный датчик подключаются к блоку управления (ЭБУ) или средствам индикации для передачи сведений (информации) о параметрах контролируемой данным датчиком среды или параметра.
Датчики современных автомобильных электронных систем автоматического управления (ЭСАУ) преобразуют информацию о значениях контролируемых неэлектрических параметров в электрический сигнал – напряжение, ток, частоту, фазу и т. д. Эти сигналы преобразуются в цифровой код в ЭБУ и обрабатываются в соответствии с заложенным в него программным обеспечением.
По результатам обработки сигналов с датчиков электронный блок управления (ЭБУ) управляет через исполнительные механизмы (реле, соленоиды, электродвигатели) объектом — узлом, механизмом, системой или всей машиной.
Так, например, в двигателе автомобиля датчики используются для измерения температур и давлений различных жидких и газовых сред — температуры всасываемого воздуха, абсолютного давления во впускном коллекторе, давления масла, температуры охлаждающей жидкости, давления топлива в магистралях и т. п.
Также практически все современные двигатели внутреннего сгорания (ДВС) автомобилей снабжены датчиками детонации, нагрузки двигателя, содержания кислорода в выхлопных газах и др.
Практически все движущиеся части автомобиля снабжены датчиками скорости или положения, например, датчик скорости автомобиля, положения дроссельной заслонки, положения коленчатого (распределительного) вала, положения и скорости вращения вала в коробке переключения передач (КПП), положения клапана рециркуляции выхлопных газов и др.
В результате развития систем активной безопасности многие автомобили оснащаются не только антиблокировочной системой тормозов, но и более сложной системой управления курсовой устойчивостью и стабильностью движения автомобиля.
Для таких систем кроме датчиков определения скорости вращения колес и давления в тормозных магистралях необходимы датчик скорости вращения автомобиля вокруг вертикальной оси, датчик поперечного ускорения автомобиля, датчик положения рулевого колеса.
Для обеспечения пассивной безопасности водителя и пассажиров необходимы датчики удара и акселерометры. Оптимальную работу таких систем обеспечивают датчик занятости сиденья переднего пассажира и его веса, датчики застегнутых ремней безопасности, датчики положения сидений. Эта информация используется для оптимального надувания подушек безопасности.
Более дорогие автомобили оснащаются датчиками для предупреждения столкновений (например, радарные), датчиками определения близости других автомобилей, датчиками высоты кузова по отношению к шасси, давления в шинах и многими другими.
В системе управления климатом в салоне автомобиля (климат-контроль) используются различные датчики для определения давления и температуры хладагента, температуры воздуха в салоне и за бортом, дождя и освещенности.
Это далеко не весь перечень существующих и используемых датчиков в современных автомобилях.
На рис. 2 показано характерное (классическое) расположение различных датчиков на легковом автомобиле. Конечно же, это лишь эталонная схема, и в зависимости от марки автомобиля, модели, года выпуска расположение датчиков может отличаться от классической схемы.
Рис. 2. Классическое расположение датчиков легкового автомобиля:
1 — датчик положения заслонок управляемого впускного коллектора; 2 — датчик тахометра; 3 — датчик положения распределительного вала (датчик фаз); 4 — датчик нагрузки двигателя; 5 — датчик положения коленчатого вала; 6 — датчик крутящего момента двигателя; 7 — датчик количества масла; 8 — датчик температуры охлаждающей жидкости; 9 — датчик скорости автомобиля; 10 — датчик давления масла; 11 — датчик уровня охлаждающей жидкости; 12 — радарный датчик системы торможения; 13 — датчик атмосферного давления; 14 — радарный датчик системы предотвращения столкновений; 15 — датчик скорости вращения ведущего вала КПП; 16 — датчик выбранной передачи в КПП; 17 — датчик давления топлива в рампе форсунок; 18 — датчик скорости вращения рулевого колеса; 19 — датчик положения педали; 20 — датчик скорости вращения автомобиля вокруг вертикальной оси; 21 — датчик противоугонной системы; 22 — датчик положения сиденья; 23 — датчик ускорения при фронтальном столкновении; 24 — датчик ускорения при боковом столкновении; 25 — датчик давления топлива в баке; 26 — датчик уровня топлива в баке; 27 — датчик высоты кузова по отношению к шасси; 28 — датчик угла поворота рулевого колеса; 29 — датчик дождя или тумана; 30 — датчик температуры охлаждающего воздуха; 31 — датчик веса пассажира; 32 — датчик кислорода; 33 — датчик наличия пассажира на сиденье; 34 — датчик положения дроссельной заслонки; 35 — датчик пропусков воспламенения; 36 — датчик положения клапана рециркуляции выхлопных газов; 37 — датчик абсолютного давления во впускном трубопроводе; 38 — датчик азимута, датчик уровня тормозной жидкости; 39 — датчик скорости вращения колес; 40 — датчик давления в шинах.
Описание некоторых из этих датчиков можно ознакомиться здесь.
В настоящей статье дается более полная характеристика некоторых датчиков автомобильных ЭСУ, а также методы диагностирования и проверки этих датчиков с помощью средств диагностики – сканеров или адаптеров, мультиметра и других приборов.
Цикл статей включает описание основных методов диагностирования следующих датчиков ЭСУ автомобилей:
Кроме рассмотренных в данном цикле статей датчиков ЭСУ иногда приходится диагностировать следующие датчики:
Датчик абсолютного давления (разрежения) во впускном коллекторе (ДАД) .
Выходной сигнал ДАД меняется от 4,5 В при 101 кПа (зажигание включено, двигатель не запущен, уровень моря) до 0,5 В при 20,1 кПа. При ненагруженном холостом ходе на уровне моря сигнал с ДАД составляет 1,5 В (40,4 кПа).
Этот датчик обычно используется в диагностических целях и как датчик нагрузки двигателя (ДНД).
Датчик температуры воздуха (ДТВ) .
Датчик температуры воздуха позволяет корректировать данные о количестве воздуха, поступившего в цилиндры (показания ДМРВ) с учетом его плотности, которая зависит от температурно-климатических условий, в которых работает двигатель.
Датчик выполнен на основе термистора с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления. Размещен в системе подачи и очистки воздуха (в индукционном канале).
Рабочий диапазон температур — 40. 120 °С. При 30 °С выходное напряжение датчика 2,6 В.
Датчик скорости автомобиля (ДСА) .
Выдает импульсный сигнал с частотой, пропорциональной скорости автомобиля. Контроллер в ЭБУ двигателя использует сигнал от ДСА для управления коробкой передач и отключения топливоподачи при недопустимо высокой скорости автомобиля, а также для эффективного управления некоторыми электронными системами автомобиля (например, системой «стоп-старт»).
В заключение следует отметить, что работы по проверке работоспособности датчиков автомобильных электронных систем управления не регламентируются, т. е. не являются обязательными при выполнении планового технического обслуживания автомобилей, и проводятся лишь в случаях обнаружения соответствующих неисправностей.
Диагностика датчиков электронной системы управления двигателем
На сегодняшний день практически все выпускаемые двигатели внутреннего сгорания оборудованы электронной системой управления (ЭСУД). Автопроизводители уделяют особое внимание этой системе, так как добиться высокой мощности двигателя при одновременном снижении расхода топлива и выполнении жестких экологических требований возможно только с помощью очень точного и своевременного дозирования топлива и эффективного поджигания топливно-воздушной смеси на всех режимах работы двигателя.
Устройство ЭСУД усложняется с каждым годом, увеличивается число элементов, совершенствуются алгоритмы управления работой двигателя. Но в конструктивных элементах ЭСУД, как и в любой другой системе автомобиля, в процессе продолжительной эксплуатации неизбежно возникают различные отказы и неисправности. Происходит изменение электрических характеристик, нарушение регулировок, потеря работоспособности датчиков, их разъемов, предохранителей и проводов. Это приводит к существенному ухудшению работы двигателя и при несвоевременном устранении возникающих в ЭСУД неисправностей к полной потере им работоспособности.
Отсутствие в настоящее время обоснованных режимов технического обслуживания (ТО) электронных систем управления двигателем приводит к снижению эксплуатационной надежности и значительным затратам на поддержание этих систем в технически исправном состоянии.
В ходе выполненных исследований эксплуатационной надежности электронных систем управления двигателей 1.6 VTi Tiptronic (88 кВт), 1.6 THP Turbo Tiptronic (110 кВт) автомобилей марки Peugeot были выявлены элементы с наиболее часто возникающими отказами и неисправностями (рис. 1).
Как видно из рис. 1, наиболее распространенной неисправностью данной ЭСУД является отказ электронного термостата (20 %). Этот дефект связан с низким качеством материала, применяемого в качестве уплотнителя датчика температуры охлаждающей жидкости, встроенного в термостат. Неисправность устраняется заменой термостата, либо установкой отдельного датчика температуры вместо штуцера прокачки системы охлаждения.
Рис. 1. Диаграмма распределения основных неисправностей электронных систем управления двигателей 1.6 VTi Tiptronic (88 кВт), 1.6 THP Turbo Tiptronic (110 кВт) автомобилей марки Peugeot: 1 – электронный термостат (20 %); 2 – свеча зажигания (15 %); 3 – электромагнитный клапан системы изменения фаз газораспределительного механизма (ГРМ) (10 %); 4 – катушка зажигания (8 %); 5 – форсунка (4 %); 6 – электронная дроссельная заслонка (8 %); 7 – кислородный датчик (10 %); 8 – электронасос охлаждения турбокомпрессора (5 %); 9 – электроклапан управления давлением наддува (5 %); 10 – электроклапан аварийного сброса давления наддува (2 %); 11 – каталитический нейтрализатор (5 %); 12 – датчик давления наддува (4 %); 13 – электродвигатель системы изменения подъема клапанов ГРМ (4 %). Неисправности кислородных датчиков (10 %) и каталитического нейтрализатора (5 %) вызваны низким качеством используемого топлива
На отказы свечей зажигания приходится 15 % от общего количества отказов. В большинстве случаев отказ свечей связан с использованием топлива низкого качества либо нарушением периодичности проведения ТО.
Электромагнитный клапан системы изменения фаз газораспределения (10 % отказов) предназначен для регулирования давления масла, подаваемого на фазорегулятор распределительного вала. Отказ данного элемента зачастую связан с его загрязнением металлическими частицами, содержащимися в моторном масле.
Для поддержания ЭСУД в работоспособном состоянии необходимо соблюдать определенные условия эксплуатации электронных элементов. Электронные компоненты, жгуты проводов и контакты необходимо поддерживать в технически исправном состоянии. Разъемы датчиков должны быть без следов коррозии, проводка – чистой, чтобы обеспечить передачу сигналов к электронному блоку управления (ЭБУ) без искажений и др.
Кроме рассмотренных выше неисправностей электронной части работоспособность системы управления двигателем зависит от состояния механических и гидромеханических элементов. Некоторые нарушения технического состояния двигателей или регулировок в его системах вызывают неисправности, ошибочно принимаемые за неисправности элементов системы управления двигателем. Это может быть связано с уменьшением давления в конце такта сжатия, подсосом воздуха, ограничением проходимости системы выпуска, нарушением фаз газораспределения, низким качеством используемого топлива, несоблюдением периодичности проведения технического обслуживания [1].
Электронный блок управления современным двигателем представляет собой цифровой микропроцессор с функцией самодиагностики (рис. 2). При работе двигателя ЭБУ постоянно опрашивает все датчики, исполнительные устройства и при появлении неисправности заносит в свою память код (от двузначного до пятизначного), соответствующий неисправности данного вида.
В результате выполненных исследований эксплуатационной надежности ЭСУД были выявлены основные неисправности этой системы, признаки их возникновения, а также влияние этих неисправностей на работу двигателя (таблица).
Рис. 2. Структурная схема электронного блока управления двигателем
