Sterowanie prędkością obrotową biegu jałowego silnika odbywa się na podstawie sygnału napięciowego położenia (kąta) przepustnicy. Czujnik położenia przepustnicy rejestruje kąt obrotu oraz szybkość zmiany uchylenia przepustnicy w silnikach o zapłonie iskrowym. W silnikach wyposażonych w układ wtrysku paliwa M-Motronic czujnik położenia przepustnicy przesyła sygnał (dane) o stanie obciążenia silnika. Informacja ta służy do określenia aktualnego stanu pracy silnika, np. bieg jałowy, obciążenia częściowe, obciążenia pełne, okres zmiany stanu działania. W starszych rozwiązaniach układów wtryskowych benzyny stosowano wyłącznie czujniki położenia przepustnicy w postaci mikroprzełącznika. Zasada działania tego czujnika opiera się na chwilowym okresowym zwieraniu i rozwieraniu dwóch par styków: biegu jałowego i pełnego obciążenia, sterowanych krzywką połączoną z osią przepustnicy. Elektroniczny sterownik silnika na podstawie informacji pobranych z tego czujnika może wyodrębnić i rozróżnić trzy stany pracy silnika:

1. styki biegu jałowego są zwarte, a styki pełnego obciążenia rozwarte – przepustnica zamknięta (bieg jałowy silnika),
2. styki biegu jałowego i pełnego obciążenia są rozwarte – przepustnica otwarta (częściowe obciążenie silnika),
3. styki biegu jałowego są rozwarte, a styki pełnego obciążenia zwarte – przepustnica całkowicie otwarta (pełne obciążenie silnika).

Elektroniczne sterowanie

Funkcja elektronicznego sterowania przepustnicy umożliwia sterowanie jej położeniem w sposób niezależny od pedału przyśpieszania, co pozwala zmniejszyć straty związane z dławieniem. Wymagany moment obrotowy ustalany jest w wyniku kompilacji pola przekroju poprzecznego przepustnicy (kąta otwarcia przepustnicy) i ciśnienia doładowania (zasysanego powietrza z uwzględnieniem temperatury powietrza w układzie dolotowym silnika). Korelacje tych sygnałów wpływają na uzyskanie możliwie najlepszego składu spalin wylotowych w stosunku do zmieniającego się momentu obrotowego.

Elementem wykonawczym automatycznej zmiany położenia kąta przepustnicy na podstawie sygnału z czujnika położenia przepustnicy przetworzonego przez układ sterowania pracą silnika jest silnik elektryczny, zastępujący klasyczny siłownik mechaniczny (popychacz). Współcześnie funkcję automatycznie sterowanego elementu wykonawczego układu elektronicznego sterowania przepustnicą pełnią: silniki prądu stałego, silniki krokowe z przekładnią ślimakową i silniki krokowe z bezpośrednim napędem. Moment obrotowy urządzenia wykonawczego musi skompensować siłę naciągu sprężyny, opory tarcia oraz opór aerodynamiczny, związany z fluktuacją zasysanego powietrza, podczas zamykania klapy sterującej przepustnicy. Największa wartość oporów aerodynamicznych powietrza przypada na położenie klapy przepustnicy pod kątem 45° i zależy od przekroju poprzecznego wlotu przepustnicy oraz mocy silnika. Przy podanych założeniach urządzenie wykonawcze (silnik napędowy zmieniający położenie przepustnicy) musi dysponować zapasem momentu obrotowego, aby zapewnić płynną realizację przyśpieszenia i opóźnienia przepustnicy. Największy zapas momentu obrotowego (przy z góry założonych wymiarach zewnętrznych i masie urządzenia wykonawczego) mają silniki prądu stałego z przekładnią. Układ sterowania z elektronicznie uruchamianą przepustnicą musi być wyposażony w elementy elektroniczne: sterownik, czujnik pedału przyśpieszania oraz zespół sterujący przepustnicą. Zespół sterowania przepustnicą składa się z przepustnicy wraz z obudową, napędu przepustnicy z przekładnią oraz czujników pomiarowych napędu przepustnicy.

Położenie pedału przyśpieszania rejestrowane jest na podstawie sygnałów wyjściowych z czujników położenia pedału przyśpieszania (zazwyczaj podwójnego potencjometru). Sygnał rejestrowany jest przez główny sterownik silnika. Na podstawie przetworzonych danych zgodnych z postępowaniem algorytmicznym sterownika, napęd przepustnicy (silnik elektryczny) ustawia jej położenie. Położenie przepustnicy (kąt) kontrolowane jest przez główny sterownik silnika na podstawie sygnałów wyjściowych przesyłanych przez czujnik położenia przepustnicy.

Rodzaje czujników

Wyróżnia się 2 typy czujników położenia przepustnicy: potencjometryczne i w postaci mikroprzełącznika. Producenci pojazdów kładący nacisk na niezawodność i dokładność sterowania zastępują klasyczne zestykowe czujniki położenia przepustnicy czujnikami potencjometrycznymi. W pierwotnej koncepcji czujnik położenia przepustnicy miał jeden potencjometr (bez potencjometru redundancyjnego). Wówczas, zgodnie z układem elektrycznym potencjometru, można powiedzieć, iż wartość natężenia prądu potencjometru zależy od: napięcia zasilania, sygnału (napięcia) wyjściowego pomiaru, rezystancji ścieżki przewodzącej, rezystancji ścieżki przewodzącej do miejsca położenia ślizgacza, rezystancji wewnętrznej ślizgacza i elementu pomiarowego.

W celu uzyskania dużej dokładności pomiaru w silnikach, gdzie głównym czujnikiem obciążenia jest czujnik położenia przepustnicy, stosuje się czujniki o dwóch potencjometrach z dwoma zakresami kąta. W zaawansowanych systemach sterownik silnika do obliczenia masy powietrza napływającego do cylindrów wykorzystuje sygnał odpowiadający położeniu przepustnicy. Ze względu na nieliniowość charakterystyki napełniania dla małych kątów otwarcia przepustnicy, zespół przepustnicy wyposażony jest w dwie ścieżki rezystancyjne, w celu dokładniejszego określenia wartości kąta. Zasilanie doprowadzane jest za pomocą dwóch rezystorów wstępnych na ścieżce pomiarowej. Rezystory wstępne wykorzystywane są do pochylenia charakterystyki i skalowania punktu zerowego. Położenie styku ślizgacza na ścieżce rezystancyjnej, określone uchyleniem przepustnicy, wyznacza wartość liniowego sygnału napięcia zmieniającego się w zakresie od 0 do 5 V. Ścieżki rezystancyjne zostały wyposażone w równolegle położone bieżnie prowadzące. Ramię ślizgacza wyposażone jest w cztery ślizgacze przyporządkowane każdej z bieżni prowadzących. Każdemu położeniu pośredniemu odpowiada odpowiednie napięcie, wynikające z określonej charakterystyki czujnika. Niesymetryczny podział zakresów pomiarowych stosuje się w celu uzyskania dokładniejszych pomiarów kąta w zakresie małych uchyleń. Zazwyczaj pierwszy zakres pomiarowy obejmuje kąty uchylenia przepustnicy 0–23° drugi zaś 15–88°. Na podstawie sygnałów generowanych przez czujniki urządzenie sterujące rozpoznaje położenie przepustnicy. Zgodnie z tym realizowany jest program regulacji składu mieszanki paliwowo-powietrznej. Jeżeli funkcja samodiagnozy realizowana przez główny sterownik silnika nie zarejestrowała w pamięci wewnętrznej żadnych usterek, a sterownik silnika preferuje informację o położeniu przepustnicy przed informacją o zmianach ilości zasysanego powietrza, proces regulacji wtrysku paliwa jest dokładniejszy (w szczególności podczas wzbogacania mieszanki w fazie przyspieszania pojazdu). Sygnał biegu jałowego wykorzystywany jest przez sterownik silnika do stabilizacji prędkości
obrotowej biegu jałowego lub do odcięcia wtrysku paliwa (procedura hamowania silnikiem), gdy prędkość obrotowa silnika jest większa od założonej. Dla pełnego obciążenia silnika sterownik silnika wymusza określone dawkowanie paliwa realizowane przez rozpylacz wtryskiwacza, tak aby silnik dysponował w wymaganym momencie maksymalnym momentem obrotowym.

Potencjometryczny czujnik położenia przepustnicy wysyła sygnał wykorzystywany przez regulator biegu jałowego do utrzymania zadanej wartości prędkości obrotowej biegu jałowego silnika. Kąt otwarcia przepustnicy jest mierzony za pomocą czujnika położenia przepustnicy, sprzężonego z osią przepustnicy pedału przyspieszenia. Prędkość obrotowa silnika jest mierzona za pomocą sygnałów pochodzących z układu zapłonowego, np. czujnika hallotronowego położenia i prędkości wału korbowego i wałków rozrządu. Regulator biegu jałowego do utrzymania wartości wymaganej w stosunku do zadanej wykorzystuje dodatkowo sygnały z: czujnika temperatury cieczy chłodzącej, czujnika temperatury powietrza dolotowego, stycznika krańcowego wolnych obrotów. Na ich podstawie ustalana jest wartość zadana, która utrzymywana jest przez zmianę położenia kąta klapy przepustnicy za pośrednictwem sterownika (wartość wymagana). W celu wytworzenia mieszanki paliwowo-powietrznej zależnej od prędkości obrotowej silnika sterownik silnika, na podstawie sygnału z czujnika położenia przepustnicy, oblicza dawkę i czas wtrysku paliwa. Redundancję w stosunku do czujnika położenia przepustnicy stanowią: czujnik prędkości obrotowej wału korbowego (indukcyjny lub hallotronowy) i czujnik temperatury silnika. Przyczyną niesprawności czujnika położenia przepustnicy mogą być: zwarcie w przewodzie sygnału wyłączania biegu jałowego, uszkodzenie sterownika, przerwa lub zwarcie w obwodzie czujnika położenia przepustnicy, uszkodzenie mechaniczne, uszkodzony wyłącznik biegu jałowego silnika.

Podwójnie dla pewności

Współczesne czujniki położenia przepustnicy zawarte w zespole przepustnicy zbudowane są z dwóch potencjometrów. Dodatkowy układ pomiarowy stanowi rozwiązanie redundancyjne w celu zwiększenie bezpieczeństwa jazdy. Gdy sterownik silnika dostaje od jednego z czujników położenia przepustnicy (potencjometru) nieprawidłowy sygnał (wadliwe działanie, nieprawidłowy zakres wartości sygnałów, za niska lub za wysoka wartość sygnału wejściowego, przerwy sporadyczne sygnału), wówczas:

1. silnik pracuje regularnie, niezależnie od obciążenia i prędkości obrotowej silnika (sygnał obliczany jest na podstawie innych sygnałów przesyłanych z innych elementów pomiarowych z pierwszeństwem dla potencjometru redundancyjnego),
2. sterowanie na podstawie potencjometru redundancyjnego odbywa się na podstawie sygnału definiującego chwilowe obciążenie silnika,
3. wyłączane są dodatkowe układy sterujące momentem obrotowym silnika, np. układ MSR lub tempomat,
4. w pamięci sterownika pojawia się zapis kodu usterki i zapala się lampka kontrolna EPC (jeżeli pojazd jest w nią wyposażony).

Jeżeli uszkodzeniu uległ czujnik położenia przepustnicy (potencjometr główny i redundancyjny) wówczas:

1. nastawnik przepustnicy jest wyłączony,
2. występują trudności w uruchamianiu silnika,
3. silnik pracuje nierównomiernie na biegu jałowym,
4. silnik pracuje na biegu jałowym ze zwiększoną prędkością obrotową i nie reaguje na naciskanie pedału przyśpieszania,
5. silnik gaśnie podczas nagrzewania i po nagrzaniu,
6. występują wahania prędkości obrotowej podczas przyśpieszania,
7. w pamięci sterownika silnika rejestrowany jest kod usterki i zapala się lampka kontrolna EPC.

W celu wstępnego określenia usterki czujnika położenia przepustnicy zaleca się użyć diagnoskopu. Odczyt kodu usterek (kody diagnostyczne znormalizowane EOBD).

1. Obwód czujnika położenia/przełącznika 1 przepustnicy lub pedału przyśpieszania: P0120 – wadliwe działanie, P0121 – nieprawidłowy zakres wartości sygnałów, P0122 – za niska wartość sygnału wejściowego, P0123 – za wysoka wartość sygnału wejściowego, P0124 – przerwy sporadyczne sygnału.
2. Obwód czujnika położenia/przełącznika 2 przepustnicy lub pedału przyśpieszania: P0220 – wadliwe działanie, P0221 – nieprawidłowy zakres wartości sygnałów, P0222 – za niska wartość sygnału wejściowego, P0223 – za wysoka wartość sygnału wejściowego, P0224 – przerwy sporadyczne sygnału.
3. Obwód czujnika położenia/przełącznika 3 przepustnicy lub pedału przyśpieszania: P0225 – wadliwe działanie, P0226 – nieprawidłowy zakres wartości sygnałów, P0227 – za niska wartość sygnału wejściowego, P0228 – za wysoka wartość sygnału wejściowego, P0229 – przerwy sporadyczne sygnału.
4. Układ recyrkulacji spalin – regulacja przepustnicy: P0487 – wadliwe działanie, P0488 – nieprawidłowy zakres wartości sygnałów.
5. Przełącznik położenia zamkniętej przepustnicy: P0510 – wadliwe działanie.
6. Regulacja dopływu powietrza na biegu jałowym: P0511 – wadliwe działanie.
7. Obwód nastawnika przepustnicy, blok 1: P0638 – nieprawidłowy zakres wartości sygnałów.
8. Obwód nastawnika przepustnicy, blok 2: P0638 – nieprawidłowy zakres wartości sygnałów.

W ramach diagnostyki bezpośredniej można skorzystać z oscyloskopu lub miernika uniwersalnego.

W większości układów wtryskowych z pośrednim wtryskiem benzyny (niezależnie od producenta pojazdu) możliwa jest regulacja czujnika położenia przepustnicy (mikroprzełącznika) – starsze generacje silników ZI. Wykonuje się ją w sposób następujący:

• na odłączonym złączu wtykowym przy przepustnicy zamkniętej zbadać rezystancję. Wartość mierzona na przewodach (czujnik położenia przepustnicy włączony) powinna wynosić 0 Ω,
• rozgrzać silnik,
• wyłączyć silnik i włączyć zapłon,
• zdjąć przewody czujnika położenia przepustnicy i wyłącznika wzbogacenia mieszanki dla pełnego obciążenia. Wartość napięcia zasilającego na końcówkach przewodów powinna wynosić 5 V (sterownik sprawny). W przeciwnym razie sprawdzić ciągłość przewodów omomierzem,
• podczas wykonywania regulacji przepustnica powinna być zamknięta,
• zlokalizować zgodnie z instrukcją producenta wkręt regulacyjny,
• obrócić wkręt regulacyjny do pozycji włączania czujnika położenia przepustnicy,
• po ustaleniu punktu włączania, przekręcić wkręt regulacyjny o pół obrotu,
• po wykonaniu regulacji załączania czujnika położenia przepustnicy zabezpieczyć wkręt przed samoczynnym wykręceniem, np. pisakiem z lakierem (można zaznaczyć położenie wkrętu regulacyjnego względem obudowy zespołu położenia przepustnicy).

Do ustalenia dokładnej wartości kąta uchylenia klapy przepustnicy i włączenia czujnika położenia przepustnicy można użyć przyrządu do pomiaru kąta.

• kąt włączenia pierwszego przelotu czujnika położenia przepustnicy powinien wynosić około 2°30’, wskazanie omomierza ∞ Ω,
• dokładne położenie czujnika położenia przepustnicy w otworze nakładki można zmierzyć za pomocą regulacji śruby mikrometrycznej (sprawdzić w danych producenta – budowa zespołu przepustnicy),
• po wykręceniu śrub mocujących można ustalić położenie drugiego przelotu czujnika położenia przepustnicy,
• sprawdzenie położenia czujnika przepustnicy wykonuje się poprzez pomiar kąta otwarcia przepustnicy drugiego przelotu przy pełnym obciążeniu silnika,
• użyć przyrządu pomiarowego o średnicy 1,0 mm, np. metalowej blaszki,
• poniżej połowy otwarcia przepustnicy wartość rezystancji na złączu powinna wynosić 0 Ω,
• niektóre zespoły przepustnicy mają dodatkowo złącze regulacji biegu jałowego. W takim przypadku działanie czujnika położenia przepustnicy należy sprawdzić dla trzech stopni otwarcia przepustnicy,
• regulacja obejmuje stopnie: biegu jałowego, częściowego obciążenia i pełnego obciążenia,
• dla biegu jałowego kąt otwarcia przepustnicy wynosi 1° (złącze składa się z trzech konektorów, wtyki 1, 2, 3 mają oznaczenia zależne od producenta. Podane wartości odnoszą się do wtyków lokalizowanych, zaczynając od lewej strony złącza). Wartość rezystancji między stykami 2 i 3 powinna wynosić ∞ Ω, a między stykami 1 i 2 równa jest 0 Ω (wartość regulacyjna początkowa 1,0 mm – przepustnice z 3 pinami!),
• przy obciążeniu częściowym, przy kącie otwarcia przepustnicy powyżej 1° i założeniu, że między zderzak przepustnicy a śrubkę regulacyjną można wcisnąć szczelinomierz o grubości 0,2 mm, rezystancja pomiędzy stykami 1 i 2 oraz 2 i 3 powinna wynosić ∞ Ω,
• w chwili pełnego obciążenia, przy kącie otwarcia przepustnicy ok. 70°, rezystancja pomiędzy stykami 1 i 2 powinna wynosić ∞ Ω, a między stykami 2 i 3 równa jest 0 Ω,
• w samochodach z automatyczną skrzynką przekładniową śruba zderzakowa biegu jałowego jest regulowana za pomocą dźwigni pośredniej. Wówczas należy wykonać regulację zderzaka biegu jałowego na dźwigni pośredniej, za pomocą wkrętu regulacyjnego. Wartość luzu między śrubą regulacyjną a ogranicznikiem na naprężonej lince przepustnicy na biegu jałowym powinna wynosić około 0,2 mm.

Regulacja pełnego obciążenia

Regulacja wyłącznika pełnego obciążenia współpracującego z czujnikiem położenia przepustnicy:

• odłączyć złącze wtykowe wyłącznika wzbogacenia mieszanki,
• podłączyć omomierz pod przewód wyłącznika wzbogacenia mieszanki. Przy zamkniętej przepustnicy wyłącznik pełnego obciążenia jest wyłączony. Miernik powinien wskazać ∞ Ω,
• podłączyć złącze wtykowe wyłącznika pełnego obciążenia,
• uruchomić silnik i pozostawić na biegu jałowym do uzyskania temperatury nominalnej pracy (80–95°C),
• wyłączyć silnik i włączyć zapłon,
• odłączyć złącze wtykowe wyłącznika pełnego obciążenia,
• sprawdzić woltomierzem wartość napięcia zasilania (właściwa wartość 5 V),
• podłączyć złącze wtykowe do czujnika położenia przepustnicy i wyłącznika pełnego obciążenia,
• dodatkowo wykonać pomiar rezystancji czujnika temperatury współpracującego z zespołem przepustnicy (wartość mierzoną porównać z danymi producenta),
• podłączyć analizator spalin do układu wylotowego, pozostawić silnik na biegu jałowym i wykonać pomiar CO,
• odłączyć złącze czujnika temperatury,
• otworzyć przepustnicę do momentu uzyskania prędkości obrotowej silnika w zakresie 3000–4000 obr./min,
• zmierzyć wartość CO,
• włączyć ręcznie wyłącznik pełnego obciążenia, dla tej samej wartości obrotowej,
• zmierzyć wartość CO; powinna ona wzrosnąć o około 1–2%,
• sterownik silnika sprawny – wykręcić wkręty mocujące wyłącznik pełnego obciążenia,
• otworzyć przepustnice (pełne otwarcie) do progu włączenia wyłącznika wzbogacenia mieszanki,
• rolka przesuwna powinna znajdować się w położeniu środkowym (tarczy krzywkowej),
• przykręcić wkręty mocujące wyłącznika wzbogacenia mieszanki,
• sprawdzić poprawność działania układu.

Czujnik położenia przepustnicy można sprawdzić za pomocą pomiaru wartości napięcia na zacisku przewodu sygnału i zasilania (dodatnia końcówka woltomierza do przewodu sygnału a ujemna do masy silnika). Wartość napięcia zasilania czujnika i zespołu przepustnicy wynosi 5 V, natomiast zakres sygnałów napięciowych z czujników potencjometrycznych powinien zmieniać się od 0 V do 5 V. Przy zamkniętej przepustnicy wartość sygnału wyjściowego (napięcia) czujnika położenia przepustnicy powinna wynosić około 0,7 V. Przy otwartej przepustnicy powinna wzrosnąć do 4–5 V. Ze względu na zastosowanie w większości typów przepustnic dwóch czujników potencjometrycznych położenia będą generowane dwa sygnały wyjściowe zależne od rzeczywistego położenia klapy przepustnicy. Pomiar wartość rezystancji potencjometrów polega się na wpięciu się w piny zasilania i sygnału czujników potencjometrycznych położenia przepustnicy i mechanicznej zmianie ich położenia. Każdorazowa zmiana położenia potencjometru wpływa na zmianę jego rezystancji – w przypadku pomiarów rezystancji czujników potencjometrycznych przewód zasilania zespołu przepustnicy musi być odłączony. Wartość rezystancji musi zmieniać się wraz ze zmianą kąta położenia klapy przepustnicy (przepustnica otwarta – zamknięta) w sposób płynny, bez zaniku ciągłości sygnału i dążenia wartości rezystancji do 0 Ω.

Całkowite zamknięcie przepustnicy (w elektronicznym zespole przepustnicy z nastawnikiem biegu jałowego) wpłynie na powstaniem zbyt niskiego ciśnienia w kolektorze dolotowym. W celu ograniczenia negatywnych skutków tego działania elektronicznie sterowane zespoły przepustnic wyposaża się w tzw. zderzaki. Podczas częściowego i pełnego obciążania silnika sterowanie przepustnicą odbywa się poprzez cięgno połączone z pedałem przyspieszania. Na biegu jałowym sterownie przepustnicy przejmuje nastawnik. Nastawnik przepustnicy może zamknąć przepustnicę całkowicie lub otworzyć ją do kąta 22° mierzonego od położenia spoczynkowego. Kąt obrotu przepustnicy ustawiany jest za pomocą impulsowego sygnału o stałej częstotliwości i zmiennym współczynniku wypełnienia impulsów. Długość impulsu jest bardzo duża dla zamknięcia przepustnicy i bardzo mała dla jej pełnego otwarcia. Zadaniem nastawnika jest korygowanie ustawienia przepustnicy na biegu jałowym, tak aby silnik pracował równomiernie W przypadku uszkodzenia elektrycznego mechanizmu uruchamiającego lub uszkodzenia silnika elektrycznego, sprężyna odpowiedzialna za awaryjny tryb pracy przesuwa przepustnicę w określone położenie awaryjnego trybu pracy. Pomiar współczynnika wypełnienia impulsu oraz częstotliwość sygnału sterującego można zmierzyć za pomocą oscyloskopu.