Když jsem psal článek o dvouhmotovém setrvačníku, napadla mě ještě jedna věc, která asi není tak populární, ale zato je nepoměrně zajímavější z odborného hlediska. Jak on takový zážehový motor vůbec pozná, že nedošlo k zážehu.
Na první pohled se to zdá triviální. Zapalování je elektronické, nepotřebuje rozdělovač, protože napájení primárního vedení zapalovacích cívek zajišťuje příslušná výkonová část v řídící jednotce a tím pádem vzniká možnost diagnostiky. Jenže to by nic nevypovídalo o tom, zda skutečně došlo k zážehu, protože do vysokonapěťové části za cívkou nemá ODB diagnostika žádnou „páku“ a i kdyby zapalování vyrobilo jiskru, neznamená to, že došlo k zážehu. Příčin vedoucích k vynechání zážehu může být velmi mnoho a řada je jich mimo zapalování. Nejen tedy notoricky známý vadný zapalovací kabel nebo svíčka, ale také chybějící komprese, závada vstřikovače, netěsnost sání a dalších asi milion různých věcí vedoucích k tomu, že svíčka sice jiskří, ale kvalita směsi paliva ve válci je taková, že ji nejde zapálit.
To vše znamená, že je třeba nějakým způsobem detekovat výsledek. Proč je to třeba dělat? Chybějící zážeh (misfire) kromě toho, že snižuje výkon a účinnost motoru, může také přivodit nevratné poškození katalyzátoru, protože nespálené palivo proniká do výfuku a tam hoří, což vede k tepelnému přetížení katalyzátoru. Takové auto samozřejmě také neplní ekologické regulace a to je z hlediska návrhových parametrů bráno stejně, jako by došlo k ohrožení posádky například požárem, který za těchto okolností také není nereálným scénářem. Pěkný článek o odpálených katalyzátorech je zde. Dalším důslekem misfire může být poškození motoru, v limitním případě například roztržení sání. Jindy je misfire užitečným příznakem jiné poruchy, která by vedla ke zničení motoru (například netěsný injektor, který může přivodit zaplavení spalovacího prostoru palivem a destrukci motoru).
Kromě tohoto základního požadavku na diagnostický systém bylo třeba také určit frekvenci misfire, zda dochází ojediněle k sporadickým nezážehům, nebo zda se to děje soustavně, vyhodnotit závažnost problému a od toho odvodit další akce. K tomu je také třeba určit, na kterém válci misfire nastal.
Jak známo chod spalovacího motoru je acyklický, protože se střídají pracovní a nepracovní cykly na jednotlivých válcích. Zatímco pohyb klikové hřídele je v čase spojitý, síla na ní působí nespojitě, takže neustále zrychluje a zpomaluje. Možná se vám nyní honí hlavou, že vlastně u čtyřdobého (minimálně) čtyřválce je vždy minimálně jeden válec „v záběru“, zatímco u méněválců už to neplatí – ano, správně, to se kompenzuje větším setrvačníkem a proto jsou ty motory tak letargické a pomalu u nich opadají otáčky při řazení. Ale to jsem odbočil.
Vrátíme se k tomu nerovnoměrnému pohybu klikové hřídele. Pokud ve všech válcích probíhá spalování, pak zrychlování a zpomalování vykazuje určitý vzorec. Ten se dá analyzovat a použít k diagnostice. Na hardwarové úrovni k tomu postačuje snímač otáček klikové hřídele s dostatečnou rychlostí snímání a řídící jednotka, která čte signál z tohoto snímače s dostatečným vzorkováním. Na softwarové úrovni je to ovšem hotové drama.
Předně je třeba odfiltrovat různé vlivy, které přicházejí zevnitř motoru. Tedy například tolerance setrvačníku (na kterém je umístěn snímač otáček klikové hřídele), protože má různé nepřesnosti v rámci výrobních tolerancí. Dále torzní kmity, které jsem popsal v článku o DPF a další vlivy. Při analýze signálu se používají různá filtrování a časově-frekvenční analýza úhlové rychlosti klikové hřídele. Koho by to zajímalo, použitý algoritmus je diskrétní Fourierova transformace a po komplexních a pro mě nepochopitelných operacích se z výsledku dá poznat, který válec nemá zážeh.
A to není všechno. Tohle všechno by fungovalo, kdyby motor nebyl v autě. Protože se ale na motor přenášejí vlivy zvenku, například při přejezdu nerovností nebo vliv změny zatížení v důsledku zásahů řidiče. A tak je třeba se ještě vypořádat s těmito vlivy. K tomu se používají různé metody nejčastěji založené na generování referenčního signálu a porovnání těchto signálů. Opět se to prožene různými prefiltry a postfiltry, jejichž přesnou funkci zná jen pár lidí na této planetě, a vyleze z toho závěr, že nastal misfire.
Další softwarová struktura se stará o klasifikaci tohoto jevu, tedy zda se jedná o soustavný misfire nebo nahodilý misfire, a konečně další o reakci na tento stav. Takovou reakcí může být rozsvícení kontrolky případně jiná signalizace, odpojení vstřikovače, aby nedocházelo k dalšímu dávkování paliva, přizpůsobení složení směsi pro ostatní válce apod.
Nejvíc fasinující na celém tomhle komplexním diagnostickém mechanismu je, že z pohledu běžného řidiče je jeho jediným projevem rozsvícení žluté kontrolky na palubní desce, která je známa jako „vrtulník“.
Z pohledu informovaného řidiče je třeba vědět, že rozsvěcení kontrolky má taky nějakou strategii. Při sporadickém misfiringu se kontrolka nerozsvítí vůbec a do paměti řídící jednotky se napíše kód P301 až P312, kde číslo za trojkou je pořadí válce. Může se také zapsat kód P300, což znamená, že k misfire došlo, ale výše popsaný mechanismus ho nedokázal přiřadit ke konkrétnímu válci. Nezajímavý je P313, který označuje misfire při nedostatku paliva, a P316, což je misfire během prvních 1000 otáček po startu. Pokud se jedná o misfire nad určitou hranici, ale ještě ne takový, aby byl s to zničit motor, kontrolka se rozsvítí a zapíšou se uvedené kódy. Nejhorší stav je, že kontrolka bliká. To znamená, že se aktuálně něco poškozuje, lze počítat s přehřátím katalyzátoru a pronikáním benzínu do oleje. Auto sice nadále funguje, ale pokud nechcete riskovat problém, je nejlepší co nejdříve zastavit. Někdy stačí upravit styl jízdy a udržovat stav, kdy kontrolka svítí a nebliká – většinou snížením otáček a ubráním plynu. K výše zmíněné sadě kódů tady může přístoupit ještě P0363 (vypnutí vstřikovače) a něco z řady P42x, což se týká přehřátí katalyzátoru. Pokud je tam tenhle kód nebo kontrolka blikala delší dobu, servis by měl v rámci opravy zkontrolovat katalyzátor.
Další dimenzí této problematiky jsou souvislosti se zákaznickými ECU, čiptuningem a powerboxy a tímhle vším bordelem. Auta vybavená tímhle někdy hlásí misfire a přesto je všechno v pořádku, anebo jedou na tři válce a nehlásí nic. Příčina je právě ve špatném nastavení toho mechanismu detekce, tzn. nějaký mechanismus detekce tam je, ale není dobře odladěný.
Hlavní nevýhodou tohoto systému je necitlivost. Protože odstup signálu od šumu není dostatečný, dovede tento „standardní“ postup poznat opakované nebo soustavné misfire, ale ojedinělé misfire bývají odfiltrovány a zaniknou mezi jinými nepředvidatelnými nepravidelnostmi. Proto se vyvíjejí metody jiné, založené na přímém měření. Jedna z těch, které překročily stádium teoretického zkoumání, je monitorování tlaku výfukových plynů. Vychází se přitom z toho, že okamžitý tlak ve výfuku v případě misfire je asi čtyřikrát nižší než kdyby k zážehu došlo. Existuje záměr vybavit benzínová auta DPF a senzory monitorující stav DPF by se daly použít k tomuto účelu. Jinou technicky dostupnou metodou je použití snímače tlaku ve spalovacím prostoru, který je běžný u vznětových motorů. Kromě toho, rovnoměrnost chodu motorů s vyššími emisními specifikacemi a přímým vstřikováním není zrovna nejdokonalejší a protože nás spalovací motory budou provázet podle strategických analýz výrobců automobilů ještě asi padesát let, nějaká nová metoda detekce misfire bude tak jako tak zapotřebí. Kdo má zájem, může si na tom vystavět nějaký svůj vlastní patentový záměr, možné okruhy zkoumání jsou tyto:
– měření ionizačního proudu ve válci
– měření průhybu nebo zkroucení klikové hřídele
– použití optického senzoru ve válci
– výpočtová analýza průběhu točivého momentu
Co mně přimělo se o tohle vůbec zajímat? Je to trochu vzdáleno od toho, čím se normálně živím a tak by mi to měla být putna. Do jistého dne mi to skutečně putna byla a zcela jsem se spoléhal na OBD jako kterýkoli mechanik. Problematika mě zasáhla u mého vlastního auta, totiž u stroje zvaného „španělská Fabie“. Jednoho dne oznámila Fabie misfire a třetím válci a přešla do HTP mode (jinak má motor 1.4-16V 55kW). Po vychladnutí však závada pominula a auto jezdilo dál, aby se celý problém po 200km opakoval.
Bez dalšího zkoumání jsem zakoupil zapalovací cívku a po kontrole svíček jsem ji na třetím válci vyměnil. U motorů 1.4-16V odcházejí zapalovací cívky notoricky. Tím jsem to měl za vyřešené, nicméně po čase se stalo to samé. Přehodil jsem tedy cívky a svíčky na válci 2 a 3. Měl jsem podezření, že jsem vadnou cívku vyměnil za jinou vadnou přímo z výroby a pokud by tento předpoklad platil, chyba by migrovala spolu s cívkou na válec 2, zapsaný kód by byl P302. Tak se i stalo. Proklel jsem výrobce na pět písmen ze severního Turecka (tam, co bývalo Německo) a reklamoval cívku. Dostal jsem jinou a napálil ji tam, abych se po čase dozvědel, že je opět na válci 2 misfire. To začínala být čelendž. Proměřil jsem kompresi, dokonce jsem čuměl do válce videoskopem, ale na nic jsem nepřišel a chyba se vyskytovala dál. Nakonec jsem koupil úplně nové čtyři cívky a čtyři svíčky a vyměnil to všechno, čímž chyba zanikla.
Současně s přehazováním cívek jsem se pídil po tom, jak to vlastně funguje, až jsem se dostal na nějakého člověka z firmy, která tvořila software pro tento řídící systém. Ten mi prozradil zajímavou věc. Některé série řídících jednotek měly chybu, která vedla k tomu, že misfire na druhém válci byl diagnostikován jako misfire na válci třetím a opačně. Většina těchto jednotek skončila na americkém trhu, ale pár jich jezdí také po Evropě. Stahovací akce se nekonala. U mně to mělo ten následek, že jsem vadnou cívku pokládal za dobrou. Odnesl jsem si z toho ponaučení, že nemám věřit všemu, co to píše a raději jsem měl metodou pokus-omyl odpojovat zapalování na jednotlivých válcích, když byl motor v HTP módu, čímž bych se dozvěděl hned, kde je problém.
(11x známkováno, průměr: 1,45 z 5)