Algoritmo Phase do Script CSS, concebido pelo engenheiro Andrew Shulgin.

Chegará o dia em que os computadores substituirão o técnico automotivo quando se tratar de diagnóstico e detecção de falhas.  Os computadores localizarão com precisão falhas nos sistemas eletrônicos e mecânicos de veículos.  Na realidade, os computadores já facilitam muito o processo de diagnóstico e solução de problemas. Um exemplo prático é a UCE (Unidade de Comando Eletrônico do motor) que pode detectar uma variedade de falhas e armazenar dados, como condições operacionais quando o problema ocorreu, bem como códigos de diagnóstico de falhas(DTC).  Os scanners automotivos originais e independentes, sejam os portáteis ou com as interfaces que funcionam com um software no Pc Windows, leem as falhas registradas e fornecem os dados em tempo real (PID’s) para a interpretação e reparação das falhas existentes.

Por várias razões, os carros modernos estão se tornando mais avançados tecnologicamente.  O número de unidades eletrônicas, sensores e atuadores está aumentando constantemente. Os módulos de controle eletrônico estão recebendo uma grande quantidade de dados dos sensores. Usando algoritmos complexos, os módulos de controle usam atuadores para controlar operação de todo o trem de força, que inclui motor, transmissão, direção, suspensão e freios.

No entanto, os módulos de controle ainda não podem reconhecer todas as falhas, pois são difíceis ou impossível prever todas as combinações de erros de componentes e de software.

Vale lembrar que os DTCs podem ser armazenados devido a combinações de falhas mecânicas, eletrônicas ou de software que não estão relacionadas à descrição do DTC lido pelo equipamento de diagnóstico.  Para diagnosticar corretamente e com precisão os problemas, pode ser necessário confiar nos dados de um multímetro digital ou um osciloscópio, como o “USB Autoscope”.  Ser capaz de ver e analisar as formas de onda reais de circuitos e componentes pode ser de grande ajuda para entender como um circuito ou componente funciona (ou não).  Isso permite que você entenda melhor os processos e identifique os componentes defeituosos.

Pode ser especialmente difícil encontrar uma falha que apareça apenas por um curto período de tempo e não estabeleça um DTC.  É útil ter osciloscópios para tentar encontrar problemas elétricos intermitentes.  Mesmo com esses tipos de ferramentas à sua disposição, você pode gastar muito tempo gravando e analisando vários sinais, especialmente ao procurar as partes da forma de onda em que há um mau funcionamento dos sensores ou mecanismos.  Às vezes, gravar uma única forma de onda e tentar analisá-la pode ser inútil.  Pode ser necessário gravar várias formas de onda simultaneamente.  A análise manual de várias formas de onda, especialmente quando se trata de discernir relações mais ou menos óbvias entre formas de onda, pode consumir tempo e estar propensa a erros.  Isso é particularmente verdadeiro se uma grande quantidade de dados for analisada.  É difícil analisar o sinal repetitivo ou periódico onde há um único ponto de falha e onde a falha causa problemas de desempenho do motor.  Nesses casos, alguma forma de análise automática de sinais pode ser muito benéfica.  Seriam tempo e dinheiro economizados e uma probabilidade menor de erros.  Aqui daremos alguns exemplos em que um script automatizado em combinação com o software e o hardware que compõe um osciloscópio moderno; nesse caso, o “USB Autoscope IV” que faz uma análise para nós.

O script usado aqui é escrito por Andrew Shulgin e é chamado de script CSS.  O script analisa o sinal do sensor de posição do virabrequim e fornece resultados que ajudam a identificar em quais cilindros as falhas ocorrem, bem como sua causa.  O mau funcionamento pode ser de origem mecânica, sistema de combustível ou o sistema de ignição.  O script CSS analisa as condições do motor, como simetria rotacional em todas as condições operacionais, enquanto os scanners comuns podem fornecer dados triviais.  Isso se faz necessário pois algumas falhas mecânicas e eletrônicas do motor podem ser manifestadas apenas durante sob carga ou altas RPM.

O script CSS possui várias guias que executam funções diferentes. Neste artigo, examinaremos mais de perto uma guia específica, chamada “Fase”.

Para entender o que essa guia exibe, você precisa imaginar uma folha de papel branca estirado em uma  mesa e um comando de válvulas que gira sobre o papel.  Os dentes da roda fônica do comando estão pintados com uma tinta verde escura.  Girando o comando de válvulas sobre o papel branco, os dentes pintados ao passarem no papel deixam uma marca como se fosse uma serigrafia.  Onde passou os dentes, fica marcado com um verde escuro e onde não passou os dentes, predomina uma cor clara.  Agora imagine se essa tinta que está no cames não se acabasse e o papel que antes estava estirado sob uma mesa, agora enrolado de forma espiral em um tubo.  As mesmas marcas seriam produzidas mas de forma contínua.  As linhas da guia “Fase” representam os níveis lógicos de um sensor CMP ao longo do tempo, de forma contínua.

Portanto, a guia “Fase” mostra a forma de onda investigada como um gradiente que muda a cor de clara para escura, dependendo do nível do sinal. Um baixo nível de sinal é representado por uma cor clara e um alto nível de sinal por uma cor escura. A escala horizontal representa o tempo da esquerda para a direita. A escala vertical de cima para baixo representa o ângulo de rotação do virabrequim. Portanto, um ciclo completo do motor ou duas rotações do eixo de manivela (720 graus) é representado por uma linha vertical. A próxima linha também está na vertical e mostra a velocidade do eixo em RPM.  Essas linhas verticais, claras ou escuras, preenchem a guia inteira.

Essas linhas claras e escuras formam gradientes ou áreas que representam a duração e a natureza do sinal, dependendo do ângulo de rotação do comando de válvulas.  A guia “Fase” pode mostrar o sinal de qualquer sensor ou atuador.  Se apenas um pulso ocorrer durante um ciclo completo do motor, a guia “Fase” mostrará apenas uma única faixa horizontal. Se esse único impulso começar e terminar nos mesmos ângulos de rotação da árvore de cames, a posição da faixa horizontal não se moverá para cima ou para baixo: será uma linha horizontal reta.

Exemplos:

A Figura 1 mostra um exemplo de condições operacionais normais. Este exemplo mostra, usando a guia “Phase”, o sinal do sensor de posição da árvore de cames (comando de válvulas) de um Opel Vivaro equipado com um motor de 1,9 l GDI (injeção direta de combustível).

Figura 1: O sinal mostrado provém do sensor de posição da árvore de cames em boas condições em um Opel Vivaro equipado com um motor de 1,9 GDI.

A Figura 2 mostra como a análise é muito mais fácil e clara se habilitarmos uma grade de ângulo de rotação do virabrequim e um gráfico mostrando as rotações do motor.

Figura 2: O sinal mostrado vem do sensor de posição da árvore de cames em boas condições em um Opel Vivaro equipado com um motor GDI de 1,9 l. É ativada uma grade que mostra o ângulo de rotação do eixo de manivela e o gráfico das rotações do motor.

Na Figura 2, é evidente que o sensor da árvore de cames gera um sinal estável de baixo nível entre 205 ° e 290 ° do ângulo de rotação do eixo de manivelas, em relação a um ponto de referência PMS do primeiro cilindro. No início, o motor estava em marcha lenta, seguido por 2700 RPM e 4200 RPM.

A Figura 3 foi obtida em um carro semelhante, onde a MIL (luz indicadora de falha) acende intermitentemente devido a um erro no sensor da árvore de cames. Na faixa de luz que corresponde ao sinal de nível baixo do sensor, você pode ver distorções intermitentes.

Figura 3: O sinal provém de um sensor de árvore de cames defeituoso num Opel Vivaro equipado com um 1.9. Mecanismo GDI

 

A Figura 4 mostra essas distorções ampliadas.

Figura 4- O sinal na Figura 3 é mostrado ampliado.

 

A Figura 4 também mostra que, movendo o marcador “A”, você pode medir o tempo desde o início da gravação até o problema aparecer. Neste exemplo específico, o problema ocorre em 21,36 segundos. Conhecendo a hora em que o problema ocorreu, você pode encontrar e analisar rapidamente em detalhes o período de tempo correspondente na forma de onda original, como mostra a Figura 5.

Figura 5 – A forma de onda  irregular do sensor CMP (cor verde) na Figura 4.

 

Lembre-se de que encontrar esse tipo de falha por inspeção visual desde o início da forma de onda até o problema aparecer pode ser muito difícil e demorado. O motivo é que o problema aparece apenas por pouco menos de 6 ms ou 0,006 segundos, no total de 20 segundos.

Esse Script facilita a verificação do sensor CMP; no entanto, mais importante pode ser a capacidade de verificar a operação de um sistema  de variação do eixo comando de válvulas (sistema VVT ou VVT-I por exemplo) em toda a sua faixa de operação. Isso é muito difícil de conseguir usando meios convencionais.

A Figura 6 é um exemplo de um motor ARH Audi A6 que mostra a operação do sistema variação do eixo comando de válvulas.

Figura 6 – O sinal mostrado vem de um sensor do eixo comando de válvulas em boas condições, em um Audi A6 1.8 20v com um sistema de temporização de válvula variável operando conforme o esperado.

 

No exemplo mostrado na Figura 6, o sinal do sensor CMP é estável. Duas aberturas do acelerador são mostradas. A primeira abertura ocorre de forma relativamente lenta e sem problemas. Nenhuma mudança no tempo da válvula é evidente. A segunda abertura do acelerador é um evento de “aceleração instantânea”, onde o acelerador abre muito rapidamente. Durante esta segunda abertura do acelerador, o sinal mudou 20 ° em direção à sincronização da válvula anterior. A guia mostra claramente a operação do sistema VVT. É óbvio que a mudança no tempo do comando de válvulas ocorreu apenas durante a segunda aceleração (rápida).

Durante o diagnóstico do tempo variável da válvula, pode ser desejável registrar a corrente que controla o solenoide do VVT, além do sinal do sensor CMP.  Em alguns casos, você também pode querer registrar a tensão nos terminais do solenoide.  A presença do sinal de corrente em conjunto com o sinal do sensor do eixo comando de válvulas permite comparar a operação real do VVT com o controle da unidade de gerenciamento do motor.  Isso pode mostrar o desempenho de solenoides e / ou atuadores , bem como o tempo de resposta do sistema. O solenoide é basicamente um eletroímã; portanto, o tamanho da corrente da unidade de controle afeta diretamente a operação do solenoide e pode ser modificado dependendo da resposta do sensor CMP.

O exemplo na Figura 7 foi obtido em um Nissan Almera 1.5l durante a verificação do sistema VVT.  Ao mesmo tempo que o sinal do sensor de rotação do eixo de manivelas e o sinal do cilindro 1 foram capturados, o sinal do sensor CMP o sinal de corrente do solenoide VVT  também foram registrados.

Você pode ver duas guias “Phase” diferentes desses sinais, uma de cada vez.  Na Figura 7, as duas guias estão dispostas uma acima da outra e mostram o mesmo período de tempo para facilitar a interpretação.  A primeira guia mostra o sinal do sensor do eixo comando de válvulas.  O segundo mostra a corrente de controle para o solenoide do sistema VVT.  As áreas com a maior corrente de controle são mostradas em uma cor mais escura.

Figura 7 – O gráfico acima mostra o sinal de um sensor de fase, no eixo comando de válvulas em bom estado no Nissan Almera 1.5 com um sistema VVT totalmente operacional. O gráfico debaixo mostra a corrente de controle do solenoide VVT.

 

Ao analisar esses gráficos, fica claro que o avanço do comando não ocorre imediatamente quando a corrente de controle é alterada.  No avanço do comando, se compararmos o momento de acionamento da eletroválvula (traço verde escuro) e compararmos com a guia que mostra o comportamento do sensor CMP, fica percepetível um atraso.  Quando a corrente da eletroválvula diminui (traço verde tendendo a ser mais claro),  o momento em que a Unidade de Controle muda o PWM e por consequencia diminui a corrente da eletroválvula VVT, a mudança mecânica é quase instantânea, há muito pouco atraso.  Também podemos ver que durante a segunda aceleração, a Unidade de Controle variou a modulação PWM e consequentemente a corrente de controle, tentando manter a sincronização do comando de válvulas na faixa desejada.

Observe que a guia mostra o sinal de mudança de tensão (faixas verticais no gráfico de corrente do solenoide) e os sinais que variam em duração (faixas horizontais no gráfico de sinal do sensor CMP).

A guia “Phase” do script CSS  também apresenta bons resultados para analisar sinais de controle em bobinas de ignição ou injetores.

No entanto, talvez um dos usos mais interessantes dessa guia seja ver os sinais de controle de injeção nos motores a diesel.  A Figura 8 é um exemplo de um motor Audi A6 2.5 TDI equipado com uma bomba VP44.  Esse sistema de controle do motor em particular aplica pré-injeções de diesel e na ponta do injetor, possui um sensor de elevação da agulha (em alguns manuais é chamado de “Needle lift Sensor G80”).  Para os fins desta análise, foram registrados os sinais do sensor de posição do virabrequim, o sensor de elevação da agulha do injetor do cilindro 1 e o gráfico de corrente da válvula que controla a quantidade de injeção de combustível (Mprop).

Figura 8 – O gráfico à esquerda mostra o sinal de controle do solenoide que controla a quantidade de injeção de combustível da bomba a diesel VP44 em um motor Audi A6 2.5 TDI.  Os gráficos à direita mostram o sinal do sensor de elevação da agulha do injetor do cilindro 1.

 

Na Figura 8, pode-se observar que o primeiro pulso de controle do solenoide, que predetermina a quantidade de combustível injetado, tem uma duração significativamente mais longa que o pulso de injeção principal. No entanto, o sinal do sensor de elevação da agulha do injetor indica que a quantidade real de combustível injetado durante o evento de pré-injeção é realmente menor que a quantidade de combustível fornecida durante a injeção principal e que a duração de ambos os eventos A injeção é muito semelhante.  Também é possível observar que, durante uma operação de RPM mais alta, o sistema reverte para uma única injeção e a quantidade total de combustível é injetada em um evento.

A Figura 9 mostra o sinal de controle em um sistema de injeção de diesel Common Rail como encontrado em um Renault Kangoo 1.5 dci equipado com um sistema de controle Delphi.

Figura 9 – O sinal de controle de um sistema de injeção diesel Common Rail no Renault Kangoo 1.5 dci equipado com um sistema de controle Delphi é mostrado.

 

A Figura 9 mostra que a unidade de controle realiza uma injeção dupla de combustível, o primeiro evento é uma injeção pré curta e, em seguida, uma injeção principal de combustível. Este gráfico também mostra como a unidade de controle implementou o controle dos injetores na desaceleração.  A unidade de controle produz uma série de pulsos curtos do injetor sem sincronização. Esses pulsos são curtos demais para abrir o injetor e nenhum combustível é injetado no cilindro.  No entanto, o multiplicador de força no injetor tem tempo para abrir brevemente.  Por esse motivo, algum combustível fluirá do injetor para a linha de retorno. O fluxo de retorno de combustível é controlado e utilizado pela unidade de controle para reduzir a pressão do combustível no Rail quando a unidade de controle considerar necessário.

Resumo.

Por fim, deve-se ter em mente que, devido ao processamento “inteligente” da guia “Phase” dos sinais originais, esse script permite simplificar e acelerar bastante a análise de formas de onda obtidas de vários sensores e atuadores de gasolina ou motores diesel.  Isso permite que os desvios permanentes e de curto prazo da fase, amplitude e duração do sinal repetitivo ou periódico sejam rapidamente identificados.