15.02.2021
Fiat 500 | Świecąca kontrolka silnika: wypadanie zapłonu na zimnym silniku

Auto: Fiat 500

Kod Silnika: 312A2.000

Rok: 2011

Autor: Steve Smith Pico Technology

Na coraz większą skalę na światowych szlakach komunikacyjnych goszczą pojazdy elektryczne. Jednak bez wątpienia silniki spalinowe będą miały swoje miejsce w układach napędowych przyszłości –jako podstawowy napęd lub jako sposób na wydłużenie zasięgu napędów elektrycznych. Potrzeba wyciśnięcia ostatniej kropli energii z każdego litra paliwa popycha zarówno inżynierię jak i sposób zarządzania pracą silnika do granic możliwości.

Tego rodzaju rozwiązania inżynieryjne możemy obejrzeć na przykład tu: 

W tym studium przypadku opiszę proces diagnostyki przeprowadzony przy wypadaniu zapłonu w przypadku zimnego rozruchu w silnikach wykorzystujących technologię TwinAir.

Opis klienta

Klient zgłosił poważne wibracje silnika w momencie rozruchu na zimno. Razem z wibracjami pojawiał się zapach benzyny z wydechu oraz świeciła się lampka ostrzegawcza silnika.

Opis techniczny

Weryfikacja zgłoszenia klienta jest kluczowym krokiem w procesie diagnostycznym – jest to konieczne, ale często czasochłonne i nierzadko bezowocne działanie. W tym wypadku, udało nam się szybko i trafnie zidentyfikować usterkę – wypadanie zapłonu na zimnym silniku – która wyjaśnia wszystkie 3 symptomy: wibracje, zapach benzyny, świecąca kontrolka silnika.
Podnoszenie obrotów silnika sprawiało, że silnik pracował poprawnie i po powrocie do jałowych obrotów wypadanie zapłonu zanikało. Na tym etapie, warto zaznaczyć, że badany pojazd to konstrukcja dwu cylindrowa i utrata jednego cylindra mogła mieć bardzo negatywny wpływ na wibracje silnika oraz na jego pracę.

W materiale poniżej wykorzystany został czujnik wibracji i drgań NVH aby uchwycić występowanie wypadania zapłonu w trakcie zimnego startu. Udało się uzyskać odczyt wibracji silnika rzędu E0.5 (E – engine/silnik) podczas pierwszego uruchomienia. Zwróćmy uwagę, że dwucylindrowy silnik ma jedno zdarzenie spalania na każdy obrót wału korbowego a wypadanie zapłonu powoduje jedno zaburzenie na każde 2 obroty (1 zaburzenie / 2 obroty wału korbowego = E0.5)

Materiał wideo NVH (czujnik szumów i drgań) z zimnego startu:

Diagnostyka

Po weryfikacji zgłoszenia klienta, sprawdziliśmy i potwierdziliśmy dane i specyfikację pojazdu. Potwierdzenie specyfikacji pojazdu jest kluczowe, gdy chodzi o diagnostykę, ponieważ klienci często mają pokusę aby modyfikować swoje pojazdy korzystając z modnych akcesoriów, których producenci mogą nie zapewniać kontroli jakości oraz wiedzy inżynieryjnej, niezbędnej do poprawnej współpracy z pojazdem. Klient potwierdził, że żadne takie akcesoria nie zostały zamontowane.

Aby oddzielić domysły od faktów przeprowadziliśmy z klientem wywiad, który na podstawie pytań otwartych miał ustalić 4 podstawowe kwestie:

1. Od jak dawna problem jest zauważalny?
Okresowo od 3 miesięcy.

2. Kiedy pierwszy raz zauważono problem?
W trakcie zimowych miesięcy (niska temperatura).

3. Czy pojazd poddawany był jakimś pracom w ostatnim okresie?
Wymieniono filtry oraz olej ze względu na pojawienie się sygnalizacji niskiego poziomu oleju. (niepotwierdzone).
Dodatkowe pytania pomogły ustalić, że poprzednia wymiana oleju miała miejsce 3 lata temu, ponieważ pojazd przejeżdżał około 3000 mil rocznie.

4. Kiedy problem występuje?
Podczas rozruchu na zimno po dłuższym postoju.
 
Na podstawie odpowiedzi udzielonych przez użytkownika, podejrzewałem usterkę mechaniczną, ale nie chciałem niczego z góry przesądzać.

Doraźna inspekcja potwierdziła, że nie ma wycieku płynów, brak widocznych uszkodzeń przewodów, przyłączy, instalacji elektrycznej oraz brak (naszych ulubionych) napraw powypadkowych.

Po podłączeniu pojazdu do komputera i przeskanowaniu stwierdzono kilka kodów błędów wymienionych poniżej:

IAW 8GSF CAN

• P0301 Wypadanie zapłonu, cylinder 1: Temperatura za wysoka
• P0300 Wypadanie zapłonu: Temperatura za wysoka
• P1061 Błąd działania zaworu TwinAir Cylinder 1: komponent sklejony
• Audio/telematics 4.0.2: U0019 CAN data bus B CAN bus off
• Central electronics CE 4.1:  B10AA Błąd wewnętrzny konfiguracji

Podsumowując wynik diagnostyki komputerowej:
wygląda na to, że naszym bohaterem tej historii będzie wypadanie zapłonu w cylindrze nr 1.

Zanim rozpoczniemy, ważne jest, aby przejrzeć biuletyn techniczny (wezwania do serwisu, kampanie itd.), który zawiera wiele „znanych problemów” dotyczących między innymi funkcjonowania systemu sterowania zaworami dopływu mieszanki paliwowo-powietrznej (siłownik TwinAir) opierającego się o elektrohydrauliczny mechanizm.

Zaliczamy do nich:

• Nieprawidłowa lepkość oleju silnikowego
• Zanieczyszczenie oleju silnikowego
• Ograniczenie filtracji oleju
• Stukot siłownika TwinAir (gdy rozgrzany z okresowymi obrotami jałowymi)

Nieźle! To rzadka sytuacja, gdy odczytane kody błędów, symptomy i „znane problemy” wskazują na ten sam komponent. Oczywiście wymiana siłownika TwinAir wraz z filtrem oleju i olejem w nadziei na to, że uda się rozwiązać problem to niezwykła pokusa. Tylko po co podejmować ryzyko popełnienia błędu, jeżeli mamy wszystkie narzędzia, aby zweryfikować co rzeczywiście odpowiada za wszystkie problemy zanim zaczniemy wymieniać części? Wymiana siłownika TwinAir to niemała inwestycja (co najmniej 3500zł), która może (ale NIE MUSI) rozwiązać problem! Pamiętamy, że mamy wypadanie zapłonu na zimnym silniku, które może być spowodowane cewką zapłonową lub wadą świecy.

Potencjalne przeczyny

• System zapłonowy
• Układ paliwowy
• System smarowania silnika
• System sterowania pracą silnika

Plan działania

Plan działania został podyktowany możliwościami, prawdopodobieństwem wystąpienia oraz potencjalnymi kosztami. Dane uzyskane ze skanu pokazują dwa kody błędu silnika, które wskazują na wypadanie zapłonu oraz jeden kod błędu, który powiązany jest z elementem, który może je wywoływać (siłownik TwinAir).

W związku z tym plan działania skupia się na kontroli silnika:

• Wykonanie jednoczesnego pomiaru kilku sensorów oraz siłownika, podczas zimnego rozruchu, wykorzystując 8-kanałowy oscyloskop. To pozwoli nam na wyeliminowanie wielu potencjalnych źródeł problemu podczas jednego pomiaru.
  
  Uwaga: po 10 sekundach pracy silnika po zimnym rozruchu, problem znika a pojazd musi ponownie w pełni się wychłodzić. Natura występowania problemu sprawia, że 8 kanałów wykorzystanych do jednoczesnego pomiaru przyspieszy proces diagnostyczny.

Podsumowując:

• Wibracje silnika podczas zimnego rozruchu
• Wypadanie zapłonu na zimnym silniku (poprawa ze wzrostem temperatury lub przy zwiększeniu obrotów)
• Pali się lampka kontrolna silnika
• Wyraźny dźwięk stukotania w silniku podczas zimnego rozruchu (poprawa ze wzrostem temperatury)
• Na zrzucie ekranu poniżej, mamy wynik pomiaru dla zimnego rozruchu naszego Fiata 500. Monitorowane sygnały:
• Kanał A: czujnik wału korbowego (aby uzyskać przyspieszanie silnika)
• Kanał B: ciśnienie splin (dla zbadania cyklu będącego wynikiem spalania)
• Kanał C: ciśnienie w kolektorze ssącym (korzystając z przetwornika ciśnienia WPS500)
• Kanał D: siłownik zaworu ssącego – cylinder 1
• Kanał E: siłownik zawodu ssącego – cylinder 2
• Kanał F: cewka zapłonowa – cylinder 1 – prąd pierwotny
• Kanał G: sensor MAF

Na wstępie można zauważyć kilka interesujących obszarów oraz wyeliminować kilka spraw.

Zacznijmy od kanału z wynikami pomiaru na czujniku wału korbowego: nie było wątpliwości, że wał korbowy nie przyspiesza po wystąpieniu zapłonu w cylindrze 1 ale przyspiesza po wystąpieniu zapłonu w cylindrze 2. (to potwierdza wypadanie zapłonu).

Z kanału C możemy wnioskować, że ssanie powietrza do cylindra 1 (odczytywane wewnątrz kolektora ssącego) było niewystarczające porównując z cylindrem 2.

Kanały D i F pokazują odpowiednio przepływ prądu przez: siłownik zaworu w dolocie i obwód pierwotny cewki dla cylindra 1.

Zrzut ekranu poniżej pokazuje jak ten silnik pracuje normalnie na obu cylindrach po rozgrzaniu się. Zwróćmy uwagę: kanał G został zamieniony na pomiar prądu pierwotnego na cewce zapłonowej cylindra 2.

Możemy ocenić co udało nam się potwierdzić i co zrobimy dalej:

• W cylindrze 1 dochodzi do wypadania zapłonu na zimnym silniku jak sugerowały kody błędu.
• Cylinder 1 nie pobiera wystarczającej ilości powietrza przez kolektor ssący w związku z czym dochodzi do niecałkowitego spalania.
• Siłownik zaworu ssącego w cylindrze 1 pobierał prąd, co sugerowało stan „praca wykonana”.
• Prąd pierwotny cewki zapłonowej w cylindrze 1 sugerował, że nasza cewka po stronie pierwotnej jest sprawna. Nie potwierdziło to jednak, że nasza cewka po stronie wtórnej pracuje poprawnie w komorze spalania.

Bazując na powyższej ocenie zakładam, że pomiar cewki po stronie wtórnej nie wykaże niczego więcej jak tylko zmniejszony pobór dla cylindra 1 (nasz główny podejrzany). Wszystko wskazuje na to, że wykorzystanie przetwornika ciśnienia WPS w cylindrze 1 w trakcie zimnego startu będzie najlepszym kierunkiem dalszej diagnostyki.

Wyniki jakie uzyskaliśmy były dokładnie tym co miałem nadzieję uchwycić:

Chwilowy defekt zaworu ssącego, powodował brak pełnego otwarcia co przekładało się na niską kompresję, obniżone zaciąganie powietrza (wewnątrz kolektora ssącego) oraz oczywiście obniżoną skuteczność spalania.

Bliższe przyjrzenie się cyklowi czterosuwowemu w trakcie występowania defektu, ujawniło dramatyczny wpływ niskiego poboru powietrza (ciąg ssania) podczas krótkiego czasu pracy zaworu ssącego na maksymalne sprężanie. Zwróć uwagę na większy i dłuższy spadek związany ograniczonym poborem powietrza.

Czas otwarcia zaworu ssącego został zwiększony podczas kolejnego suwu ssania w celu ustabilizowania kompresji. Przechwycony przebieg wskazuje na to, że spowodowało to pełne otwarcie zaworu w kolejnym suwie ssania.

Patrząc na przebiegi powyżej zadziwia mnie jak Fiat był w stanie zmodyfikować cykl czterosuwowy, aby osiągnąć znacznie wyższą ekonomię jazdy i obniżyć emisje w całym zakresie obrotów i obciążenia silnika.

Przyjrzyjmy się z bliska występowaniu IVO (Intake Valve Opening – otwieranie zaworu ssącego): tradycyjnie ten zawór otwiera się na poziomie 355° za GMP aby zintensyfikować wewnętrzne oczyszczanie oraz EGR (w zależności od temperatury). W przypadku Fiata IVO następuje przy 456° za GMP (w połowie drogi między skokami ssania 360°-540°) a zamykanie przy 614° za GMP - to jest o 74° dalej w kolejnym cyklu ssania! Dzięki temu, zmniejszamy straty sprężania jednocześnie nadal utrzymując szczyt ciśnienia na poziomie 12,6 bara przy rotacji zaledwie 106° wału korbowego.

Czy zatem dzięki powyższym pomiarom zrobiliśmy wystarczająco dużo, aby udowodnić, że zawór ssący nie otwiera się w pełni w pewnych warunkach pracy? Wydaje mi się, że ustaliliśmy punkt, który powoduje wypadanie zapłonu jednak nie to dlaczego tak się dzieje. Wiemy, że siłownik zaworu ssącego pobiera prąd w momentach występowania usterki, więc zakładaliśmy przekazanie statusu „praca wykonana” przez siłownik i sterownik silnika (PCM – power contol module). Pytanie – co może powodować, że zawór nie otwiera się w pełni mimo sygnału z PCM?

Podejrzani to:

1. Defekt mechaniczny zaworu ssącego: do potwierdzenia po zajrzeniu do silnika

2. Nieprawidłowe ciśnienie oleju silnikowego: do zmierzenia

3. Nieprawidłowa lepkość oleju silnikowego: niedawna wymiana oleju potwierdziła prawidłową lepkość

4. Zanieczyszczenie lub inny problem z olejem silnikowym: niedawna wymiana filtra oleju oraz inspekcja wbudowanego filtra siłownika zaworu dolotowego potwierdziły brak zanieczyszczenia

Bazując na powyższym podsumowaniu potencjalnych przyczyn oraz komentarzu klienta dotyczącym ostrzeżenia o niskim poziomie/ciśnienia oleju – rozsądnym krokiem będzie pomiar ciśnienia oleju wykorzystując adaptery Sykes Pickavant i WPS500X. Jeżeli potwierdzimy poprawne ciśnienie oleju pozostanie nam wadliwy siłownik zaworu ssącego lub zakleszczony zawód ssący.

Wyniki

Zrzut ekranu poniżej pokazuje wartości ciśnienia oleju podczas zimnego rozruchu wraz ze statycznym cyklem podgrzewania od 13°C do 63°C (temperatura głowicy cylindra). Zwróć uwagę na natychmiastowy wzrost ciśnienia oleju w odpowiedzi na pobudzenie WOT (Wide Open Throttle – w pełni otwarta przepustnica).

Wartości uzyskane powyżej oraz prędkość wzrostu mogą posłużyć do oceny ciśnienia oleju bez obciążenia. Jednak jak zachowają się przy dłuższych testach drogowych?

Zrzut ekranu poniżej pokazuje zmierzony poziom ciśnienia oleju na odcinku od Harlow Essex do Pico UK w St Neots (odcinek 80km)! W trakcie podróży warunki obciążenia silnika były zmienne, od autostrad do ruchu miejskiego o dużym natężeniu z dużą liczbą cykli start/stop. Najniższa wartość zmierzonego ciśnienia oleju to 1,1112 bara różnicy od stanu zatrzymania silnika w warunkach miejskich. Te dane wystarczyły, żeby przekonać mnie, że nie mamy problemu z ciśnieniem oleju jak sugerował klient.

Podsumowując:

• Zawór dolotowy cylindra 1 nie otwiera się w pewnych sytuacjach.
• Wysterowanie przez sterownik silnika, siłownika zaworu ssącego jest sprawne, w trakcie występowania usterki występuje poprawny przepływ prądu przez siłownik zaworu ssącego.
• Poziom ciśnienia oleju został zmierzony i jest poprawny.

Wymontowaliśmy siłownik zaworu ssącego (siłownik TwinAir) i przeprowadziliśmy inspekcję zaworu ssącego w poszukiwaniu mechanicznego zakleszczenia lub innego problemu. Jak widać poniżej, na zaworach nie było osadów węgla ani żadnych zanieczyszczeń, które mogłyby przedostać się między trzpień a prowadnicę zaworu. Fizyczne wciśnięcie zaworów ssących w dół (w celu otwarcia) potwierdziło prawidłowe, płynne zamknięcie bez zakłóceń lub ograniczeń ruchu. Dalsze oględziny głowicy cylindrów i mechanizmu rozrządu potwierdziły prawidłowe smarowanie i brak uszkodzeń sprężyn zaworowych.

Wymieniliśmy siłownik zaworu dolotowego (siłownik TwinAir) i poskładaliśmy silnik, aby wykonać pomiar powykonawczy podczas zimnego rozruchu.

Wyniki pomiarów wykonanych po wymianie siłownika TwinAir widać na zrzucie ekranu powyżej. Widać, że po rozruchu powraca stabilność przebiegu ciśnienia w kolektorze dolotowym gdzie mieliśmy do czynienia z cyklicznością poboru.

Patrząc na sygnał obrotów silnika w punkcie 2705 ms widać chwilowe wypadanie zapłonu, przez chwilę myślałem, że to jeden z tych momentów gdy pomyliłem się w diagnozie. Bardziej dogłębna analiza przebiegu ciśnienia w kolektorze ssącym potwierdziła, że ssanie podczas chwilowych przerw zapłonu było stabilne i odpowiadało sąsiednim cyklom. Najprawdopodobniej wynikało to z oczyszczania doprowadzonego paliwa po rozruchu lub była to jednorazowa anomalia wynikająca z przejścia procesu naprawy aby silnik się ustabilizował. Analiza powykonawcza pozwala nie tylko zweryfikować czy naprawa udała się ale również zaobserwować i zbadać różnego rodzaju zdarzenia (jak ten przed chwilą, który na szczęście nie był wynikiem niskiej kompresji).

Kolejny test z zapisanymi przebiegami dla silnika na biegu jałowym, krótko po rozruchu – gdzie wypadanie zapłonu jest wyraźniejsze na zimno i pod obciążeniem.

Silnik zachował się nienagannie ale również zaskoczył mnie nowym zdarzeniem, którego wcześniej nie widziałem!

Oscylogram z prawej prezentuje w podświetlonym obszarze jak działa proces zarządzania zaworem ssącym o nazwie „multi-lift” przy niskim obciążeniu, który pozwala na optymalizację spalania w tych warunkach. Zauważmy, że zawór ssący początkowo otwiera się przy nieco bardziej konwencjonalnym kącie przy 354° za GMP ale zamyka w połowie skoku ssania (360° - 540°) aby ponownie otworzyć się przy około 540° za GMP! Nieźle! Powinniśmy również zwrócić uwagę na to jaki wpływ ma to na cykliczność w kolektorze ssącym.

Lista części wymienionych:

• Siłownik TwinAir (siłownik zaworu ssącego)

Podsumowując:

Czytając o tym przypadku, po przejściu przez kombinację obaw klienta oraz poczytanych kodów błędów – zacząłem rozważać różne przyczyny problemów - mniej i bardziej poważne.

• Klient wspomniał o kontrolce ostrzegawczej poziomu/ciśnienia oleju, ale nie udało się tego potwierdzić.
• Brak smarowania również okazał się nieco zaskakujący ze względu na naturę usterki (elektrohydrauliczny mechanizm rozrządu).
• Kody błędów wskazywały na zbyt wysoką temperaturę w cylindrze 1. Łącząc te trzy symptomy nie można nikogo winić za domniemanie najgorszego losu dla silnika (brak potwierdzenia ani żadnych dowodów na przegrzewanie się).

Biorąc pod uwagę powyższe, sekwencja procesu diagnostyki każdego klienta/opisu kodu usterki pozwala na oddzielenia faktów od fikcji i zwrot naprawionego pojazdu bez najmniejszych wątpliwości co do jego stanu.

Jeszcze raz dziękuję, że poświęciłeś czas, żeby przestudiować ten przypadek. Mam nadzieję, że zawarte informacje będą dla Ciebie przydatne.

Zapraszamy na grupę techniczną na Facebooku gdzie dzielimy się wiedzą i udzielamy wsparcia technicznego w zakresie diagnostyki oscyloskopowej:

https://www.facebook.com/groups/oscyloskopwwarsztacie