Diagnostika automobilových vysokonapěťových zapalovacích kabelů

Pošta, J. - Pavlíček, R., technická fakulta ČZU v Praze, Kamýcká 129, 165 21 Praha 6 - Suchdol

Anotace

Rozvoj elektroniky mění řadu činností, včetně diagnostických měření. Současný stav umožňuje vytvářet komplexní diagnostická zařízení, která jsou schopná vhodné diagnostické signály nejen snímat a zobrazovat, ale také automaticky zpracovávat a archivovat pro další použití. Tyto možnosti jsou použitelné i pro rychlé děje. Možnosti diagnostiky a řízení technologických procesů se tím výrazně zlepšují.

V práci je popsána diagnostika zapalovacích kabelů zážehových motorů s pomocí počítače vybaveného vhodnou přídavnou měřicí kartou.

 

    1. Úvod

      2. Moderní elektronika mění řadu oborů a činností. To platí i o diagnostice strojů a zpracování a vyhodnocování diagnostikou získávaných údajů. Elektronika otevírá i nové možnosti diagnostiky, mimo jiné tím, že umožňuje snímat, zaznamenávat a řídit i rychlé děje. Zde zasahuje výrazně i do způsobů vlastního získávání údajů, umožňuje vyhodnocovat a využívat stále jemnějších odchylek hodnot diagnostických signálů od standardních průběhů k získání přesnějších a spolehlivějších diagnóz.

      S rozvojem elektroniky byly například klasické osciloskopy nahrazeny osciloskopy digitálními. Ty jsou dnes běžně propojovány s počítači, čímž je umožněn přímý a okamžitý přenos signálu do programu, který ho zpracovává a vyhodnocuje. Samotné digitální osciloskopy jsou dnes nahrazovány převodními kartami, instalovanými přímo v počítači. Tak se z původně měřicího přístroje stává komplexní zařízení pro snímání, zpracování, vyhodnocení, záznam a interpretaci a případně i zpětné řízení v reálném čase.

      Autoři použili osobní počítač, upravený uvedeným způsobem, pro diagnostiku změn vlastností automobilových vysokonapěťových zapalovacích kabelů.

       

    2. Měřicí zařízení

      3. Byl použit osobní počítač PC 386 SX, 25 MHz. Do něj byla instalována rychlá měřicí karta PCA-1216 firmy TEDIA se vstupním napětím ± 5 V, která obsahovala tyto hlavní části:

      - 12-bitový A/D převodník s rychlostí konverze 0,8 mikrosekund,

      - oscilátor, od něhož byla odvozena vzorkovací frekvence A/D převodníku,

      - časovač pro periodické spouštění převodníku,

      - multiplexer pro 16 diferenciálních vstupů (z toho 8 přímo na kartě),

      - synchronizační logiku,

      - lokální sběrnici pro spolupráci s více kartami,

      - datovou paměť RAM s rychlým 16-bitovým přístupem,

      - logiku přerušení.

      Karta byla umístěna na ISO sběrnici počítače. Vyžadovala napájení jak ± 5 V tak ± 12 V. Multiplexer slouží k přepínání při snímání signálů z více vstupů najednou, při popisované aplikaci nebyl využit, protože vstup byl pouze jednokanálový.

      Ovládací program pracuje v prostředí Windows. Umožňuje nastavit všechny základní parametry, včetně vzorkovací frekvence A/D převodníku. Umožňuje také konverzi dat do ASCII kódu. Tato skutečnost je velmi vítaná, protože umožňuje snadný přenos digitalizovaného signálu do dalších programů, např. Excelu, kde může být snadno zpracováván, porovnáván a uchováván.

      Pro popisovanou aplikaci byly ověřeny různé snímače. Nejlépe se osvědčil kapacitní snímač, který byl také použit pro snímání dat, ze kterých byly získány dále uvedené výsledky.

    3. Diagnostika vysokonapěťových zapalovacích kabelů

V několika posledních letech se na zážehových motorech osobních automobilů často objevuje závada, kterou lze popsat jako nepravidelný chod motoru. Bylo zjištěno, že častou příčinou této závady je selhání přenosu energie k zapalovacím svíčkám vysokonapěťovými, tzv. zapalovacími kabely. Tento jev je nežádoucí, protože

Stejné projevy však má celá řada dalších závad. Rychlé a spolehlivé určení příčiny nepravidelného chodu motoru je proto obtížné. Často je tato závada odstraňována empiricky, postupným vyměňováním různých dílů, které by mohly být příčinou této závady.

      1. Funkce a konstrukce zapalovacích kabelů

Zapalovací kabely slouží k přenosu energie od zapalovací cívky k rozdělovači a od rozdělovače na zapalovací svíčky. Tento přenos energie lze považovat za rychlý periodický děj. Dochází při něm také k vyzařování energie (rušení) při určitých frekvencích. Zapalovací kabely musí proto kromě přenosu energie s co nejmenšími ztrátami také potlačovat rušení. Odrušení zapalovacích kabelů musí splňovat předpis EHK č.10.

V provozu na zážehových motorech jsou tři typy zapalovacích kabelů:

Průměr zapalovacího kabelu (tlouštka izolace) a izolační vlastnosti použitého materiálu určují izolační pevnost kabelu, která musí být vždy vyšší než průrazové napětí na elektrodách zapalovací svíčky. Materiál použitý na plášť a převlečky kabelu určuje: rozsah pracovních teplot, odolnost proti vlhkosti, olejům, kyselinám, lomu a otěru. Používané materiály jsou obvykle na bázi PVC, EPDM, silikonu.

      1. Diagnostické signály

Stále se stupňující požadavky na spolehlivost přenosu energie, dokonalost odrušení, životnost, činí ze zapalovacích kabelů stále namáhanější součásti motoru. Změna (zhoršování) vlastností zapalovacích kabelů je postupná, jedná se o typický vícestavový prvek.

Při výběru vhodných diagnostických signálů a návrhu vhodné diagnostické metody, byly vzaty v úvahu hlavní vlastnosti kabelů, provozní podmínky, možný vliv dalších součástí zapalovací soustavy a požadavek na možné uplatnění metody v průměrně vybaveném servisu.

Jako možné diagnostické signály, charakterizující postupné zhoršování vlastností zapalovacích kabelů, se jeví:

 

 

 

 

 

Obr. 1 Typický průběh napětí jednoho zapalovacího cyklu

interval a - elektronický spínač rozepnut

interval b - elektronický spínač sepnut

šipka ukazuje velikost průrazového napětí

 

      1. Výchozí předpoklady a metodika jejich ověření

Byly ověřovány tři výchozí předpoklady:

Pro ověření těchto předpokladů byla připravena dlouhodobá zkouška zapalovacích kabelů. Zkouška byla provedena pro dva různé druhy zapalovacích kabelů.

Aby byly co možná nejvíc potlačeny rušivé vlivy, byl místo klasického přerušovače použit elekronický generátor zapalovacích impulzů a místo zapalovacích svíček normalizované zkušební jiskřiště s nastavitelnou délkou jiskry.

Zkušební obvod se tedy skládal z generátoru zapalovacích impulzů, tranzistorového spínače zapalovací soustavy Škoda Favorit 136, zapalovací cívky ze stejného vozidla, zkoušeného zapalovacího vysokonapěťového kabelu, normalizovaného zkušebního jiskřiště.

Snímač, kterým se snímaly průběhy vysokého napětí, byl umístěn vždy na stejné místo na zapalovací kabel. Při měření ohmického odporu kabelu byl kabel demontován ze zkušebního obvodu a po měření byl opět do obvodu vřazen.

Byly zaznamenány výchozí hodnoty zkoušených kabelů a spuštěna dlouhodobá zkouška. Při zkoušce byla nastavena frekvence jisker 125 s-1, tj. doba mezi jiskrami 8 ms. To odpovídá 3750 ot/min čtyřdobého motoru, pokud je kabel zařazen mezi rozdělovač a zapalovací svíčku. U vozidla Škoda to pak může odpovídat rychlosti přibližně 100 km/h při jízdě na čtvrtý převodový stupeň nebo rychlosti 134 km/h při jízdě na pátý převodový stupeň. Zkouška trvala 240 h, každých 24 hodin byly změřeny a zaznamenány hodnoty sledovaných signálů.

Hodnota ohmického odporu byla zjišťována digitálním ohmmetrem METEX M-3630

Hodnota úbytku špičkového napětí byla zjišťována výše popsaným zařízením. Vzorkovací frekvence byla nastavena na 5 m s, takže průběh napětí jednoho zapalovacího cyklu byl rozložen na 1600 bodů. Z tisíce po sobě jdoucích jisker byla stanovena průměrná hodnota špičkového napětí, která byla považována za hodnotu špičkového napětí při daném měření.

      1. Výsledky experimentu

        2. Byly zkoušeny zapalovací kabely s polovodičovým jádrem odporového typu, u kterých se vyskytují problémy s nepravidelným chodem motoru. Získané výsledky jsou uvedeny ve formě grafů na obr. 2 a 3.

        Obr. 2 Výsledky měření změny špičkového napětí

        Obr. 3 Výsledky měření změny ohmického odporu

         

      2. Diskuse výsledků

Kabel č. 1 nevykázal po celou dobu zkoušky významnou změnu ohmického odporu. Zaznamenané odchylky od počáteční hodnoty jsou zanedbatelné a lze je pravděpodobně přičíst nepřesnosti měření.

Kabel č. 2 vykázal v průběhu zkoušky větší odchylky ohmického odporu od počáteční hodnoty než kabel č. 1. I u tohoto kabelu však se jedná o odchylky malé, u kterých nelze s jistotou určit, zda jsou způsobeny chybami měření nebo se jedná o skutečné změny odporu. Trend změny ohmického odporu kabelu č. 2 lze považovat za velmi mírně klesající.

Změna špičkového napětí kabelu č. 1 během zkoušky je nepatrná. Lze ji považovat za zanedbatelnou.

Změna špičkového napětí kabelu č. 2 během zkoušky je zřetelná a výrazná, dosahuje 33 % výchozí hodnoty. Nelze ji považovat za zanedbatelnou ani ji nelze přičíst nepřesnosti měření. Je natolik zřetelná, že je použitou metodou lehce a spolehlivě zjistitelná. Lze se proto domnívat, že potvrzuje výchozí předpoklady o vhodnosti změny špičkového napětí jako diagnostického signálu charakterizujícího technický stav kabelu zároveň o vhodnosti použité metody i zařízení pro tento účel.

 

    1. Závěry

      2. Způsob diagnostiky periodických dějů pomocí počítače vybaveného přídavnou kartou pro digitalizaci vstupních signálů a konverzi získaných dat pro další počítačové zpracování je výhodný. Hlavní předností je komfortní přenos, zpracování, vyhodnocení i archivace získaných údajů, ke kterým je možno se kdykoliv vrátit a použít je pro analýzy později získaných údajů. Výhodou je také téměř libovolně nastavitelná podrobnost zaznamenání snímaného signálu, která je závislá pouze na technických parametrech použitého hardware. Výhoda je i ta, že ze sejmutého průběhu lze vybrat tu část, která nese klíčovou informaci a může být zpracována samostatně.

      Nezanedbatelnou výhodou je skutečnost, že není nutno pořizovat drahé zařízení, které je možno plnohodnotně nahradit relativně levným doplněním běžného osobního počítače.

      Ověřená úprava osobního počítače se jeví jako vhodné a perspektivní řešení pro diagnostiku rychlých periodických dějů, které mohou být charakterizovány vhodným elektrickým signálem.

       

    2. Literatura

PAVLÍČEK, R.: Poruchy a diagnostika zapalovacích soustav zážehových motorů. /Diplomová práce/, technická fakulta, ČZU, Praha, 1997, 71 s.

POŠTA, J.: Technologie údržby a oprav strojů. /Učební texty./H+H,Praha, ISBN 80-213-0248-8,1995,196s.

firemní materiály: TEDIA, Bosch, Tesla Blatná