Liga mistrů diagnostiky
Zářijové vydání AutoEXPERTU i vás tak trošku zahání do školních lavic. Jedním z článků tohoto typu přispívá i specialista společnosti MOTOR expert Dalibor Plischke.
Můj další diagnostický případ je věnován řešení závad zážehového motoru s kódem BTS, tedy s nepřímým vstřikováním benzinu, u kterého zákazník poukazoval na špatné studené starty, nepravidelný chod po studeném startu a menší ochotou motoru k akceleraci. Kromě zmíněných symptomů aktivovala řídicí jednotka motoru i kontrolku MIL a uložila DTC kód P0171, viz obr. 1. Tentokrát si dovolím článek pojmout více pedagogicky než obvykle, aby byl užitečnější i pro méně zkušené kolegy nebo pro ty, které zajímají i širší souvislosti.
Počáteční kontrola paměti závad
Jelikož byla kontrolka MIL aktivní, podíval jsem se i na provozní podmínky, při kterých došlo k uložení DTC do paměti systému OBD-II (EOBD), viz obr. 2.
Trocha teorie na úvod
Z provozních podmínek na obrázku 2 je zřejmé, že k uložení DTC kódu došlo u motoru zahřátého na 89 °C při zátěži 68,6 %, tedy v pásmu tzv. částečného zatížení. Rád bych zde upozornil na velice užitečný diagnostický parametr „lambda-adaptace řada 1“ o hodnotě 22,7 %. Tímto údajem nám řídicí jednotka sděluje, jakým způsobem musí upravovat dobu vstřiku, aby udržela lambda-regulaci blízko stechiometrické směsi v pásmu tzv. katalyzátorového okna (λ = 0,97 až 1,03), viz obr. 3. Tato regulace je rovněž předmětem zájmu emisního technika v rámci kontroly složení výfukových zplodin, prováděné při pravidelné technické kontrole vozidla (tzv. STK). Konkrétně se lambda-regulace kontroluje při tzv. zvýšeném volnoběhu. Pokud není výrobcem předepsán přísnější rozsah, musí se součinitel přebytku vzduchu lambda pohybovat ve zmíněném rozsahu λ = 1 ± 0,03.
Poznámka 1:Stechiometrická směs odpovídá součiniteli přebytku vzduchu λ = 1, což znamená, že motor nasává hmotnost vzduchu odpovídající teoreticky potřebné hmotnosti vzduchu pro dokonalé spálení paliva.
Pokud motor saje více vzduchu, než potřebuje, je λ > 1 (tzv. chudá směs). V opačném případě, kdy saje méně vzduchu, než potřebuje, je λ < 1 (tzv. bohatá směs). Např. λ = 1,03 odpovídá směsi s 3% přebytkem vzduchu.
Pro spalování stechiometrické směsi automobilového benzinu a vzduchu platí hmotnostní poměr 14,8 kg (též uváděno 14,7 kg) vzduchu ku 1 kg paliva.
Poznámka 2: Koho blíže zajímá metodika měření emisí v rámci STK, může si stáhnout příslušný dokument na stránkách ministerstva dopravy. Aktuálně je platná revize č. 5 z roku 2022, viz https://mdcr.cz/Dokumenty/Silnicni-doprava/SME/Metodicky-postup-pro-mereni-emisi-motorovych-vozid.
Na obrázku 3vidíte důvod, proč musí ECU motoru udržet při volnoběhu a částečné zátěži součinitel přebytku vzduchu lambda v katalyzátorovém (lambda) okně, protože je to pásmo jeho nejvyšší účinnosti likvidace škodlivých složek CO, HC a NOx. Přičemž je patrna i odpověď na otázku, proč musí lambda-regulace pravidelně přecházet z chudé do bohaté směsi a zpět: Jelikož nejvyšší účinnost redukce NOx je v pásmu bohaté směsi (od λ cca 0,99 níže) a nejvyšší účinnost oxidace CO a HC je naopak v pásmu chudé směsi (od λ cca 1,01 výše). Pokud by ECU pravidelně nezkracovala a neprodlužovala dobu vstřiku, nemohly by v katalyzátoru probíhat obě chemické reakce s maximální účinností.
Poznámka 3: Funkční lambda-regulaci prozrazuje oscilace signálu přední skokové lambda-sondy mezi cca 0,1 V (chudá směs) a 0,9 V (bohatá směs).
Lambda-adaptace
Vraťme se ještě k parametru „lambda-adaptace řada 1“, ideálem je parametr o hodnotě blízké 0 %, což je tzv. tovární stav, kdy ECU motoru nemusí provádět žádnou úpravu doby vstřiku oproti uloženému datovému poli lambda-regulace. V našem případě byla hodnota výrazně do plusu, konkrétně 22,7 %. ECU tedy bojuje s chudou směsí (λ > 1) a musí výrazně prodlužovat dobu vstřiku, aby byla schopna udržet součinitel přebytku vzduchu λ ve zmíněném pásmu okolo stechiometrické směsi (λ = 1). Pokud by byl parametr „lambda-adaptace řada 1“ naopak v záporných hodnotách, řešila by ECU motoru opačný problém, tedy příliš bohatou směs (λ < 1) a musela by dobu vstřiku zkracovat.
Pro lepší představu o funkci lambda-adaptace se můžete podívat na obrázky 4 a 5. Jde o záznam pořízený na vozidle Hyundai Coupé 1.6i model RD s kódem motoru G4GR. Zde jsem vyznačil porovnání doby vstřiku Tvs v závislosti na bohatosti směsi a tlaku paliva. Vůz měl obdobnou kubaturu i problémy se studeným startem, samovolným zhasínám, neochotou akcelerovat apod. jako naše fabia. Příčinou zde byl nízký systémový tlak paliva o hodnotě pouze 2,1 baru (obr. 4). U motoru zahřátého na provozní teplotu již ECU dokázala „rozchodit“ lambda-regulaci do požadovaného oscilování výstupního signálu přední lambda-sondy mezi stavy chudá (cca 0,15 V) a bohatá (cca 0,7 V), viz signál LS 1 na kanálu č. 4 osciloskopu. Doba vstřiku Tvs se pohybovala v rozsahu okolo 3 ms při požadavku ECU na ochuzení směsi, při požadavku na obohacení směsi prodloužila ECU Tvs na cca 3,2 ms. Když jsem přiškrtil zpětnou větev regulátoru tlaku paliva, abych zvýšil tlak paliva na hodnotu 4,6 baru (obr. 5), musela ECU původní regulační pásmo doby vstřiku posunout níže, aby zachovala oscilaci bohatosti směsi mezi stavy bohatá a chudá. Při požadavku na ochuzení směsi nastavovala ECU dobu vstřiku Tvs na hodnotu cca 2,5 ms, naopak při požadavku na obohacení směsi dobu vstřiku Tvs prodlužovala na cca 2,6 ms. Tedy se zvýšením tlaku paliva o cca 2,5 baru se doba vstřiku Tvs zkrátila o cca 0,5 ms.
Obr. 4 a 5: Reakce lambda-adaptace na změnu systémového tlaku paliva, Hyundai Coupé 1.6i, G4GR.
Poznámka 4: Reálně vstřikovaná dávka paliva je funkcí doby vstřiku, průtočného průřezu trysky vstřikovače a rychlosti proudění paliva dané velikostí tlaku paliva. Platí pravidlo, že čím vyšší je tlak paliva, tím vyšší je rychlost proudění paliva a také vstřikovaná dávka paliva (při konstantní době vstřiku). Takže pokud klesne systémový tlak paliva (např. vadou čerpadla) nebo se zmenší průtočný průřez trysek vstřikovačů (např. karbonací), odrazí se tyto závady na posunu regulačního pásma doby vstřiku výše, než odpovídá bezvadnému stavu. Samozřejmě dobu vstřiku musíme vyhodnocovat za stejných podmínek – teploty i zatížení motoru.
Poznámka 5: Předpokladem probíhající lambda-regulace je tzv. uzavřená regulační smyčka, tzn. ECU motoru reaguje na výstupní signál přední lambda-sondy.
Stav lambda-sondy má vliv
Ovšem zásadní otázkou je zde i kvalita práce „informátora“ sdělujícího ECU motoru, jaká že je spalována směs, tedy technický stav přední lambda-sondy jakožto zpětnovazebního snímače systému řízení bohatosti směsi. S tímto snímačem totiž celá věc stojí a zároveň padá, viz např. můj předchozí článek „Špatně startující Fiesta“, zveřejněný v AE č. 11/2022 (obr. 10, str. 46). Nesmíme zapomenout, že i dobrá lambda-sonda může řídicí jednotku informovat o složení směsi špatně, pokud bude před sondou nebo v její blízkosti docházet k přisávání vzduchu do výfuku, v takovém případě můžete snadno v chybové paměti nalézt DTC kódy upozorňující na problémy s chudou směsí, případně špatnou činností přední lambda-sondy a reálné emise motoru budou paradoxně bohaté.
Typické možné příčiny chudé směsi
- Reálný nedostatek paliva ve spalovací komoře vůči nasátému množství vzduchu, tento stav může mít na svědomí:
- Nízký tlak paliva – špatná funkce regulátoru tlaku nebo došlo k záměně regulátoru s nižším systémovým tlakem, přicpaný palivový filtr nebo palivové vedení, netěsnost palivového systému způsobující pokles tlaku, vadné palivové čerpadlo apod.
- Špatná funkce vstřikovacích ventilů – za danou časovou jednotku vstřikují nižší dávku paliva, než ECU motoru očekává, to může mít na svědomí např. zmenšení průtočných průřezů otvorů trysek vstřikovačů (zanesení karbonem nebo jinými nečistotami), vyšší odpor jehly vstřikovače při otevírání trysky, špatná specifikace vstřikovačů apod.
- Falešný vzduch.
- Chybná funkce zátěžového snímače (MAF, MAP) atd.
2. Domnělý nedostatek paliva ve spalovací komoře vůči nasátému množství vzduchu, příčinou může být:
- Netěsnost výfukové soustavy způsobující „chudý“ výstupní signál přední lambda-sondy.
- Špatná funkce přední lambda-sondy – např. trvale vykazuje signál chudé směsi, i když reálně je směs bohatá.
Přejděme opět k případu Fabie 1.6 MPI, BTS…
Kontrola před startem motoru
Před startem motoru jsem využil vytemperování vozidla na teplotu okolí pro počáteční porovnání zobrazovaných hodnot snímačů teplot, které by měly vykazovat parametry odpovídající právě teplotě okolí. U nenastartovaného motoru musí zobrazovaná hodnota tlaku v sání odpovídat atmosférickému tlaku. Takže je vhodné tuto situaci vždy využít i pro kontrolu snímače MAP, který je zásadní pro výpočet doby vstřiku (motor nemá snímač MAF – tzv. váhu vzduchu). Uvedená kontrola je na obrázku 6.
Jak je na něm vidět, teplota nasávaného vzduchu se liší pouze o 2 °C oproti teplotě chladicí kapaliny, což je v pořádku. Pokud by zobrazovaná teplota chladicí kapaliny byla např. o 40 °C vyšší než teplota skutečná, nastavila by ECU motoru nižší faktor obohacení směsi, než by motor vyžadoval, což by mělo neblahý vliv právě na studený start i fázi ohřevu motoru (teplota motoru vs. startovací dávka paliva viz též obrázky 7 a 8). Zobrazovaná hodnota tlaku v sacím potrubí při vypnutém motoru je 98 kPa (980 mbarů), což odpovídá atmosférickému tlaku a je také v pořádku.
Opakované starty motoru
Na obrázcích 7 a 8 si můžete porovnat sériovým testerem Bosch KTS 540 zaznamenané doby vstřiku při startu motoru a při počátku lambda-regulace. Při teplotě chladicí kapaliny 17 °C (obr. 7)byla zaznamenána doba vstřiku při startu 8,6 ms. V počátku lambda-regulace (po cca 74 s od startu) byla již doba vstřiku zkrácena na 3,7 ms při teplotě chladicí kapaliny 27 °C. Při startu z teploty 54 °C (obr. 8)byla doba vstřiku 6,6 ms, ta byla v počátku lambda-regulace (po cca 44 s od startu) zkrácena na 3,3 ms,a to při shodné teplotě chladicí kapaliny 54 °C. Můžete si též všimnout, že „aditivní korekce směsi (regulace lambda 1)“ zůstávala po celou dobu konstantně na 0 %. Tato korekce je vztažena právě na volnoběh. Cituji text z dílenské příručky Škody Fabia 2000 motor 1.4/55, 1.4/74 – vstřikování (kap. 01-6, str. 2): „… aditivní (součtová) závada (např. přisávání falešného vzduchu) se projevuje s rostoucími otáčkami čím dál tím méně. U součtové načtené hodnoty se doba vstřiku mění o stále stejnou pevnou hodnotu. Hodnota není závislá na základní době vstřiku.“
Ohřev motoru
Při ohřevu motoru (obr. 9a, 9b) byly průběhy snímačů teploty chladicí kapaliny a nasávaného vzduchu v pořádku. Rovněž tlak v sacím potrubí (okolo 30 kPa) byl v pořádku. Avšak během prvních 1 000 sekund od startu jsem zaznamenal kolísání otáček, které bylo způsobeno problémy s lambda-regulací. Ty jsou hezky vidět na rozkolísaném lambda-integrátoru řady 1, který osciloval v rozsahu +10 % až –15 %. Po zahřátí motoru se oscilace tohoto parametru již zmírnila. Také si můžete všimnout opravdu vysoké hodnoty 24,2 % v úvodu zmíněné lambda-adaptace řady 1. Tento parametr byl na konstantní hodnotě po celou dobu tohoto testu motoru. Problémy s bohatostí směsi jsou patrny také na rozkolísaném napěťovém rozsahu přední lambda-sondy.
Obr. 9a, 9b: Lambda-integrátor řady 1 při ohřevu motoru.
Z obrázků 9a a 9b vyplývá, že konstantní parametr lambda-adaptace řada 1 se chová jako tzv. dlouhodobá adaptace a svou hodnotou +24,2 % nám říká, že ECU musí trvale obohacovat, aby byla schopna provozovat oscilaci bohatosti směsi v rozsahu chudá–bohatá a zpět. Naopak kolísání parametru lambda-integrátoru řada 1 reaguje na aktuální změny bohatosti směsi inverzně (při poklesu bohatosti roste a naopak), a zastává tedy funkci tzv. krátkodobé adaptace. Celková adaptace směsi je pak dána součtem obou adaptací.
Zkušební jízdy před opravou
Během zkušebních jízd byla závada chudé směsi subjektivně méně viditelná, ale na záznamech ze sériového testeru je zcela evidentní.
Na obrázku 10 v bodě 1 je vyznačen okamžik částečné akcelerace s dobou vstřiku 13,5 ms, přičemž zaznamenané napětí přední lambda-sondy činí pouze 0,01 V, což odpovídá chudé směsi. Zde jde o jasnou závadu, protože při takové době vstřiku by přední lambda-sonda měla ECU hlásit bohatou směs (napětí v rozsahu 0,7 až 0,9 V). Že se nejedná o závadu funkce lambda-sondy, je patrno v úseku 2, kdy probíhala pozvolná decelerace (dec.) a napětí lambda-sondy se dostalo do pásma bohaté směsi (0,69 V při době vstřiku 4,9 ms). Za povšimnutí stojí i fakt, že obě korekce směsi – aditivní i multiplikativní – byly po celou dobu testu na 0 %.
Při zkušební jízdě č. 2 (obr. 11) jsem se tedy zaměřil na bohatost směsi (vyjádřenou napětím přední lambda-sondy) při dané době vstřiku. Při plných akceleracích (A1 až A3) ECU nastavovala extrémně dlouhou dobu vstřiku až 17,6 ms (úsek A2), ale bohatost směsi tomuto nastavení často neodpovídala a místo bohaté směsi se objevovala směs chudá, např. v úseku A2 bylo napětí lambda-sondy 1 pouze 0,06 V. Jinými slovy vidíme, že ECU chce na základě zobrazené doby vstřiku, aby byla nastavena bohatá směs pro maximální akceleraci, ale dle hlášení přední lambda-sondy „chybí v motoru palivo“ (přesněji ve výfukových plynech se nachází kyslík v množství odpovídajícím chudé směsi).
Ještě dodám, že po zkušební jízdě 1 i 2 se opakovaně uložila chyba P0134, viz obrázek 12. Jelikož jde o sporadickou závadu, neaktivovala ECU kontrolku MIL a ani neuložila provozní podmínky do režimu 2 systému OBD-II (EOBD).
Jaký tedy z dosavadní diagnostiky plyne závěr? Že musím nutně prověřit velikost systémového tlaku paliva, případně dávkování vstřikovacích ventilů a také ověřit těsnost výfukové soustavy před zástavbou přední lambda-sondy a v jejím místě.
Kontrola těsnosti výfukového systému neodhalila žádnou závadu, přistoupil jsem tedy k dalšímu testu.
Kontrola systémového tlaku paliva
Předepsaný systémový tlak paliva je dle HGS Dat výrobce Hella Gutmann 4,0 baru, přičemž po vypnutí motoru by neměl během 10 minut klesnout pod 3 bary, viz obrázek 13. Tlak změřený za chodu motoru o hodnotě pouhé 2 bary (měřen na vstupu do palivové lišty) potvrdil jednu z možných příčin, na které poukazoval dosavadní postup diagnostiky. Při zaškrcení zpětné větve palivového systému tlak paliva nevzrostl, čímž jsem zjistil, že se jedná o závadu palivového čerpadla (i u méně průchozího palivového filtru by došlo k jistému nárůstu tlaku za filtrem). Po výměně palivového čerpadla byl systémový tlak na hodnotě cca 3,1 baru, což bylo v předepsané normě (není na obrázku). Zákazník bohužel nevěděl, kdy byl palivový filtr s integrovaným regulátorem tlaku vyměněn naposledy, takže jsem pro jistotu provedl i jeho výměnu. Následná kontrola tlaku ukázala hodnotu 4,6 baru, což je již 0,6 baru nad předepsanou hodnotou. Nicméně rozhodl jsem se provést zkušební jízdu pro zjištění, jakým způsobem si s touto situací poradí ECU motoru v rámci svých lambda-adaptací.
Kontrola po opravě
Při závěrečné zkušební jízdě bylo chování motoru v souladu s požadavkem řidiče, bez negativních projevů. Na obrázku 14 si můžete prohlédnout reakci ECU motoru na nové nastavení systémového tlaku paliva, navýšeného o 2,6 baru na 4,6 baru. Ihned si můžete všimnout výrazného zkrácení nastavené doby vstřiku při akceleraci A1 na hodnotu 13,5 ms, přičemž byl splněn požadavek na bohatost směsi – předepsaná i aktuální hodnota napětí lambda-sondy 1 je shodně na 0,88 V. Pokud se vrátíme k akceleraci A2 na obr. 11, vidíme, že s tlakem 2 bary ECU nastavila dobu vstřiku na 17,6 ms, a přesto nebylo dosaženo požadované bohaté směsi, napětí lambda-sondy 1 bylo pouze 0,06 V. Na obrázku 14 si dále můžete všimnout, že ECU během částečné zátěže CŽ reagovala na nesoulad požadované a aktuální bohatosti směsi (viz modré šipky) snížením multiplikativní korekce směsi 1 z hodnoty 0 % v bodě 1 na hodnotu –5,47 % v bodě 2. Při následné akceleraci A2 byla max. doba vstřiku zkrácena na 12,3 ms, přičemž bohatost směsi byla opět v souladu s požadavkem ECU – napětí lambda-sondy 1 bylo na předepsané hodnotě 0,86 V. Pokud se podíváte na aditivní korekci směsi, ta zůstala po celou dobu testu na 0 %.
Ještě kontrola paměti závad
Po zkušební jízdě jsem samozřejmě neopomenul provést kontrolu paměti závad, ta byla již čistá a neobsahovala ani sporadické závady. Na základě tohoto výsledku a výše uvedeného chování systému řízení směsi jsem se rozhodl ponechat nový palivový filtr s regulátorem tlaku (s parametrem tlaku vyšším o 0,6 baru) namontovaný na vozidle, jelikož si ECU motoru s touto odchylkou dokáže poradit, aniž by docházelo k ukládání chybových kódů do paměti závad. Navíc je předpoklad, že postupem času vlivem únavy pružinky regulátoru tlaku bude tlak paliva klesat a také bude docházet k postupné karbonaci vstřikovacích ventilů. Oba uvedené jevy budou adaptaci směsi posouvat zpět k plusovým hodnotám.
Na samotný závěr bych si pro doplnění dovolil opět ocitovat text k načtené hodnotě lambda při částečné zátěži (multiplikativní) z dílenské příručky Škody Fabia 2000 motor 1.4/55, 1.4/74 – vstřikování (kap. 01-6, str. 2): „… multiplikativní (násobná) závada (např. vadný vstřikovací ventil) se projevuje s rostoucími otáčkami čím dál tím víc. U násobné načtené hodnoty se jedná o procentuální změnu doby vstřiku. Tato změna je na základní době vstřiku závislá.“
Takže i výše uvedená citace koresponduje s naší zkušeností, že navýšený tlak paliva ovlivnil změnu multiplikativní korekce, protože i ten se projevuje tím více, čím vyšší je požadavek na množství vstřikovaného paliva (roste zatížení motoru).
Tolik pro tentokrát k tématu lambda-regulace, další informace si povíme v některém z dalších článků.
Děkuji za pozornost a přeji spoustu úspěchů v zaměstnání, a pokud se ještě chystáte na dovolenou, tak ať si ji hezky užijete a vydatně si odpočinete a naberete čerstvé síly a elán do dalšího dění.
Za společnost MOTOR expert s.r.o. vás zdraví Dalibor Plischke.
Tento článek najdete v časopisu AutoEXPERT vydání č. 9/2023.
