Диагностика цепей питания системы зажигания
©А. Пахомов (CTTeam, Школа Диагностики Алексея Пахомова).
Как показывает многолетняя практика работы на диагностическом участке мультимарочного автосервиса и анализ статистики дефектов, на большинстве сервисов не уделяют должного внимания проверке качества питающего напряжения узлов системы управления двигателем. Наблюдения выполнялись на большом количестве автомобилей, имеющих проблемы с питающим напряжением того или иного элемента. Причем многочисленные предыдущие визиты на диагностику на разные сервисы не давали положительного результата. Из этого факта можно сделать вывод о недопонимании диагностами важности проверки качества питающего напряжения сильноточных узлов.
Хотя мы говорим о системах зажигания, отметим, что данная проверка обязательна при диагностике любого сильноточного потребителя: электробензонасоса, электромагнитных клапанов управления давлением топлива, форсунок и даже ламп головного света. Как правило, во всех этих случаях питание к потребителю подается из бортовой сети автомобиля. Слаботочные элементы (в основном датчики системы управления двигателем) запитываются в большинстве случаев напряжением 5 В, формируемым стабилизатором внутри блока управления. Хотя качество проводов питания и массы на некоторых датчиках тоже играет значительную роль (например, ДМРВ типа HFM5), проблема питания датчиковой аппаратуры не так ярко выражена, как на сильноточных нагрузках. Это происходит в силу слишком малого значения потребляемого датчиками тока.
Почему важно выполнять проверку качества цепей питающего напряжения и массы?
Начнем, пожалуй, с того, что при недостаточно качественном питании потребитель либо перестает нормально выполнять свои функции, либо (чаще всего) его работа становится недостаточно стабильной. Очень часто проблемное питание является причиной спорадических дефектов, проявляющихся лишь кратковременно, в движении либо при стечении определенных условий. Как известно, поиск спорадических дефектов – одна из самых сложных задач в автомобильной диагностике, и очень часто причина заключается именно в отсутствии нормального питания и массы.
Второй важный аспект проблемы заключается в значительной стоимости некоторых элементов современных двигателей. В этом случае цена ошибки при диагностике становится слишком высокой. Например, прежде чем «приговорить» к замене дорогостоящий клапан управления давлением системы Common Rail, необходимо тщательным образом убедиться в качестве питающего напряжения и массы. В противном случае замена элемента ничего не даст, а автосервис понесет финансовые потери и подмочит свою репутацию.
И третий момент, который хотелось бы озвучить. Очень может быть, что на крупных дилерских автоцентрах подобную операцию сочтут избыточной. Такие центры, как правило, чаще всего имеют дело с достаточно свежими автомобилями, не склонными к появлению подобных дефектов. Но мультимарочные сервисы вынуждены обслуживать весьма изношенные автомобили бюджетных марок. Такие автомобили, помимо прочего, могут быть оборудованы нештатными противоугонными системами, не всегда качественно подключенными к автомобильной электропроводке. Поэтому руководители мультимарочных сервисов обязаны относиться к делу по‐другому и включить проверку состояния цепей питающего напряжения в обязательный список работ, выполняемых при диагностике двигателя.
Подводя краткий итог, можно озвучить на первый взгляд парадоксальную истину: практически ни в одном руководстве по ремонту не описана в должном объеме процедура проверки питания электрических потребителей, но на наш взгляд, эта операция должна выполняться наравне со всем остальными диагностическими процедурами и быть подробно описанной в литературе.
С помощью какого прибора выполняется данная проверка? Можно с уверенностью утверждать, что проверка качества цепи питающего напряжения и цепи массы должны выполняться только мотортестером. Ни мультиметр, ни контрольная лампа здесь не помогут. Диагносту важно увидеть и оценить именно форму осциллограммы происходящих процессов, а не просто измерить значение питающего напряжения, которое во многих случаях не несет никакой информации.
В дальнейшем будем говорить о системе зажигания, хотя все сказанное справедливо для любой электрической нагрузки. Построим эквивалентную схему первичной цепи системы зажигания с точки зрения потерь в ней. Начнем с того, что каждый электрический провод, каждый разъем, каждая группа контактов реле и т.п. имеют активное (омическое) сопротивление. Так как и питающая цепь, и цепь массы представляют собой последовательное соединение таких элементов, то все их сопротивления складываются. В итоге в каждой цепи возникает некое суммарное паразитное сопротивление, назовем его Rпарп для цепи питания и Rпарм для цепи массы. Обозначив их резисторами, построим эквивалентную схему первичной цепи системы зажигания следующим образом:
Закон Ома для участка цепи гласит, что при протекании по цепи тока на ее концах возникает напряжение, прямо пропорциональное сопротивлению:
U = I*R
Поэтому на резисторе Rпарп появляются паразитное падение напряжения Uпарп, а на резисторе Rпарм – соответственно, Uпарм. Обозначив напряжение на нагрузке как Uн, а напряжение на аккумуляторе Uакк, можно записать совершенно очевидное выражение:
Uн = Uакк – Uпарп – Uпарм
Задача автодиагноста заключается в том, чтобы измерить и оценить паразитные падения напряжения в цепи питания и в цепи массы. Для этого мотортестер включают в режим измерения напряжения относительно минусовой клеммы аккумулятора и выполняют съем осциллограмм в указанных на рисунке точках. Съем можно производить одновременно, задействовав два канала мотортестера, а можно и по очереди. Вместе с этим по желанию диагноста можно получить также и осциллограмму первичного либо вторичного напряжения.
Рассмотрим проверку цепей питания и массы по отдельности.
Часть 1. Проверка цепи питающего напряжения
Бортовое напряжение 12 В через несколько предохранителей, разъемов и контактных групп подается на верхний по схеме вывод первичной обмотки; второй вывод обмотки подключен к массе через транзисторный ключ. Щуп мотортестера присоединяется к контакту 12 В на разъеме катушки зажигания. Мотортестер используется в режиме измерения напряжения относительно минусовой клеммы аккумулятора с записью осциллограммы.
В идеальном случае в точке подключения осциллограмма напряжения будет иметь вид ровной горизонтальной линии. В реальности такого, конечно же, наблюдаться не будет: всегда присутствует паразитное сопротивление цепи Rпарп, на котором возникает паразитное падение напряжения Uпарп. Это падение напряжения тем больше, чем выше ток через первичную цепь и чем выше паразитное сопротивление питающей цепи. Поэтому напряжение, измеренное мотортестером в указанной точке подключения, при протекании первичного тока всегда окажется ниже напряжения бортовой сети, возникает просадка напряжения. На рисунке показана совершенно реальная осциллограмма питающего напряжения первичной цепи:
Почему осциллограмма питающего напряжения имеет спад в виде пилы? Это происходит из‐за того, что ток в первичной обмотке катушки вследствие действия ЭДС самоиндукции не возникает скачком, а нарастает плавно. Поэтому и падение напряжения на паразитном сопротивлении питающей цепи тоже увеличивается плавно, и соответственно, так же плавно снижается напряжение на первичной обмотке катушки.
Следует заострить внимание на том, что подобный эффект является нормой, в любой исправной первичной цепи существует паразитное сопротивление и плавное снижение питающего напряжения на катушке в течение периода, когда в ней накапливается энергия. Поэтому приведенная осциллограмма является совершенно нормальной.
Самый важный вопрос заключается в том, какую просадку напряжения за период накопления энергии считать нормой, а какую нет. Из наблюдений было установлено, что просадка напряжения примерно 1..1,5 В наблюдается на всех совершенно исправных системах зажигания. Возьмем на себя смелость установить критерий оценки исправности питающей цепи: напряжение питания на клемме катушки к концу накопления в ней энергии должно просаживаться не более чем на 2 В. Если просадка больше – нужно искать и устранять причину: окисленные разъемы, износ контактной группы замка зажигания, нештатные реле блокировки в цепи питания катушек и т.п.
Значительная просадка напряжения, до 3…5 В и даже более, говорит о катастрофическом состоянии питающей цепи и требует безотлагательного ремонта. Подобная ситуация зачастую сопровождается спорадическими подергиваниями автомобиля, внезапной остановкой двигателя, потерей мощности, неровной работой на холостом ходу и т.п. Диагностика вторичного напряжения мотортестером в таких случаях, как правило, показывает пропадание искры или искажение формы осциллограммы.
Помимо оценки просадки напряжения, нужно проанализировать полученную осциллограмму на предмет отсутствия характерных искажений, говорящих о наличии некачественного электрического контакта. Такие искажения имеют вид кратковременных бросков напряжения вниз, иногда до уровня нуля, либо характерных шумов. Они могут возникать лишь на некоторых режимах работы двигателя, например, при сильной вибрации.
Приведем несколько реальных примеров из практики диагностики на мультимарочном автосервисе.
Пример 1. Автомобиль ВАЗ 2110, двигатель 21114, объем 1.6 л, 8 клапанов. Система управления – Январь 7. Дефект со слов клиента заключался в том, что двигатель мог в любой момент заглохнуть, однако после этого легко запускался вновь. Следует заметить, что дефект очень опасен, потому что остановка двигателя происходила не только на холостом ходу, но и при движении автомобиля.
На данном двигателе имеет место система зажигания типа DIS с двумя катушками, конструктивно расположенными в одном корпусе. Ключи управления катушками и цепи контроля тока находятся внутри ЭБУ двигателя. Разъем блока катушек имеет три вывода: на один из них подается питающее напряжение 12 В из бортовой сети при включении зажигания, еще два – это выводы первичных катушек, коммутируемые на массу транзисторами внутри ЭБУ. Подключив щупы мотортестера к этим трем выводам, можно контролировать питание катушек и первичное напряжение и тем самым выяснить, не в системе зажигания ли кроется дефект, приводящий к внезапной остановке мотора.
Выполнив все подключения и запустив съем осциллограммы, дожидаемся момента, когда двигатель заглохнет. Вот этот момент на осциллограмме:
Проанализируем его.
- Напряжение питания в момент, когда накопление энергии в катушке не происходит, составляет 13,3 В. Этот факт говорит о наличии проблем в бортовой сети: с высокой долей вероятности с генератором и зарядкой аккумулятора не все в порядке и требуется дополнительная проверка.
- Когда началось накопление энергии в катушке, напряжение питания на ней начало сильно падать. Причем форма осциллограммы в этом месте неровная, с заметными искажениями, что сразу говорит о наличии плохого контакта где‐то в цепи питания. Но самое главное то, что к окончанию периода накопления напряжение упало до уровня 8,8 В. Просадка напряжения составила 4,5 В. Это очень много, однозначно имеется дефект, требующий устранения.
- В дальнейшем напряжение питания упало до 5,9 В, что и привело к остановке двигателя. Цепь питания катушек зажигания нарушилась полностью.
- При последующих попытках накопления энергии, когда блок замыкал первичную цепь, питающее напряжение просто падало до нуля.
- Анализ формы первичного напряжения проводить не будем. Отметим лишь, что даже при столь плохом качестве цепи питания искрообразование на свечах имело место, а после окончательного пропадания питания, конечно же, импульсы первичного напряжения пропали тоже.
Схема подключения катушек зажигания в системе Январь 7 достаточно проста: питание поступает прямо с замка зажигания через несколько разъемов. Осталось проверить электропроводку от плюсовой клеммы аккумулятора до катушек. Возможно, проблема заключена в самой контактной группе замка зажигания. Однако при первом же взгляде в пространство под приборной панелью обнаружился нештатный тумблер, размыкающий цепь питания катушек. Видимо, это было некое подобие противоугонной системы. После удаления тумблера проблема со спорадической остановкой двигателя была решена, а осциллограмма питающего напряжения приняла нормальный вид.
Пример 2. Автомобиль Chevrolet Lanos, двигатель 1,5 л, система зажигания типа DIS с модулем конструкции General Motors, который массово применялся также и на автомобилях ВАЗ в конце девяностых – начале двухтысячных годов. Проблема, как и в первом примере, заключалась в спорадической остановке двигателя. Следует заметить, что автомобиль посетил уже несколько автосервисов, на которых была выполнена замена бензонасоса, свечей зажигания, высоковольтных проводов, модуля зажигания и датчика положения коленчатого вала.
Был подключен мотортестер, запущен съем осциллограммы питания и массы модуля зажигания, а также вторичного напряжения. Однако интерес представляет только осциллограмма напряжения питания:
Проанализируем полученную осциллограмму.
- Бортовое напряжение, подаваемое на модуль зажигания, составляет 13,9 В. Учитывая это, можно с высокой долей вероятности предположить, что дефектов в генераторе нет, и зарядка аккумулятора происходит успешно.
- В момент окончания накопления энергии напряжение на модуле упало до 9,1 В. Просадка напряжения составила 4,8 В. Форма осциллограммы при этом очень искажена, видны скачки вверх‐вниз, линия снижения напряжения негладкая. В принципе, можно было не дожидаться остановки двигателя, а сразу искать проблему в цепи питающего напряжения модуля зажигания.
- В какой‐то момент питание просто исчезло: напряжение упало до уровня 7,8 В из‐за наличия большого паразитного сопротивления в цепи.
- В начале следующего периода накопления энергии в катушке напряжение упало до нуля. Двигатель при этом заглох.
Дефект очень похож на предыдущий. Разница лишь в том, что в первом случае причина крылась в непрофессиональном вмешательстве в электропроводку автомобиля, а во втором – в окислении контактов в цепи питания модуля.
После ремонта электропроводки вновь был выполнен съем осциллограммы питающего напряжения:
Как видно, линия снижения напряжения теперь гладкая, а просадка напряжения составила 1,8 В, что вполне укладывается в обозначенный ранее допуск.
Пример 3. Автомобиль ВАЗ 2115, двигатель 21114, объем 1.6 л, 8 клапанов. Жалоб у клиента нет. Однако проверка мотортестером качества питающего напряжения катушек зажигания выявила наличие ненадежного контакта:
Наблюдаемая на осциллограмме характерная «гребенка» говорит о ненадежном контакте где‐то в цепи питания. Дефектным оказался замок зажигания вследствие износа его контактной группы. Данный случай примечателен тем, что никаких жалоб клиента не было озвучено, но проблема уже имела место.
Пример 4. Этот пример приведем в качестве дополнения для более полного понимания поставленной задачи. Речь идет о блоке розжига ксеноновых ламп, установленном нештатно на автомобиль Hyundai Accent. В заводском исполнении ксеноновые лампы на этот автомобиль никогда не устанавливались, поэтому электропроводка рассчитана на установку в фары обычных ламп накаливания.
Не касаясь вопроса о возможности и даже законности подобной переделки, заострим внимание лишь на технической стороне дела. Блоки розжига были подключены непосредственно к тем же проводам, которые прежде питали лампы накаливания. Но для формирования высокого напряжения блок розжига, как и система зажигания, использует принцип электромагнитной самоиндукции. Поэтому в момент подключения катушки для накопления энергии блок потребляет значительный ток; подключение происходит периодически с постоянной частотой около 80 Гц. Однако после установки в фары ксеноновых ламп выяснилось, что одна из них моргает.
Смена местами ламп, как и смена местами блоков розжига правой и левой фары, ничего не дала. Проблема была найдена путем снятия осциллограммы питающего напряжения:
Как видно из приведенной осциллограммы, напряжение в бортовой сети составило 14,2 В. Однако к концу зарядки катушки внутри блока розжига просадка напряжения достигла целых 8,3 В, что и приводило к сбоям в формировании высокого напряжения для ксеноновой лампы.
Следует заметить, что на втором блоке просадка напряжения достигала 6 В, но лампа при этом не мерцала. Однако переделка электропроводки требуется для блоков розжига обеих фар. Собственно, при установке ксеноновых ламп была допущена грубая ошибка: не учтено более высокое пиковое потребление тока блоками розжига и не усовершенствована электропроводка автомобиля.