TRANSCOMP XV INTERNATIONAL CONFERENCE COMPUTER SYSTEMS AIDED SCIENCE, INDUSTRY AND TRANSPORT

Transkrypt

1 TRANSCOMP XV INTERNATIONAL CONFERENCE COMPUTER SYSTEMS AIDED SCIENCE, INDUSTRY AND TRANSPORT Sebastian STYŁA 1 stanowisko laboratoryjne, sterowanie silnikiem, diagnostyka pokładowa, OBD STANOWISKO DYDAKTYCZNE DO BADANIA ALGORYTMÓW STERUJĄCYCH SILNIKIEM ZI W STANDARDZIE OBD Zwiększające się wymagania oraz duŝa ilość układów odpowiedzialnych za komfort i bezpieczeństwo jazdy są wielkim wyzwaniem zarówno dla konstruktorów, ośrodków badawczych, a takŝe podczas szkolenia przyszłych diagnostów. W niniejszej pracy zaprezentowano stanowisko dydaktyczne do badania elektronicznego układu sterowania wtryskiem i zapłonem. Przedstawiono koncepcję i wykonanie stanowiska dydaktycznego zawierającego elementy układu sterowania silnikiem oraz zaprezentowano przykłady ćwiczeń wykonywanych za jego pomocą. DIDACTIC MODEL FOR RESEARCH OF SPARK IGNITION MOTOR CONTROL ALGORITHMS IN OBD STANDARD Increasing demands and a many systems responsible for driving comfort and safety are a great challenge for designers, research centers, as well as during the training of future diagnosticians. This paper presents a didactic model for research of electronic fuel injection and ignition system. This paper presents a concept and execution of didactic model containing elements of the engine control system and presents examples of exercises. 1. WSTĘP Wymagania dotyczące ochrony środowiska oraz bezpieczeństwa jazdy sprawiają, Ŝe konwencjonalne sposoby sterowania pracą silnika i urządzeniami wyposaŝenia pojazdów są niewystarczające. Szybki rozwój techniki, a w szczególności mikroelektroniki oraz powiązanie jej z technologią informatyczną sprawia, Ŝe obecnie produkowane pojazdy samochodowe posiadają duŝą ilość obwodów elektronicznych sterowanych mikroprocesorowo. Stanowi to duŝe wyzwanie dla konstruktorów, ośrodków badawczych oraz przyszłych diagnostów. Ciągłe usprawnianie, rozbudowywanie i modyfikowanie układów sterowania, szczególnie odpowiedzialnych za pracę silnika spalinowego sprawia, Ŝe wiedza na ten temat ciągle ewoluuje. Dokładne poznanie np. sposobów elektronicznego 1 Politechnika Lubelska, Wydział Elektrotechniki i Informatyki, Katedra InŜynierii Komputerowej i Elektrycznej, Lublin, ul. Nadbystrzycka 38a; s.styla@pollub.pl

2 2780 Sebastian STYŁA sterowania silnikami spalinowymi jest szczególnie waŝne z punktu widzenia szybkiej i pewnej diagnozy w przypadku wystąpienia uszkodzenia. Przełomem stało się wprowadzenie w USA od 1996 r. standardu OBD II, który pod nazwą EOBD został wprowadzony w Europie w roku 2000 [2, 3, 4]. Głównym celem diagnostyki pokładowej OBD jest stałe monitorowanie prawidłowego działania układów odpowiedzialnych za emisję oraz odpowiednio wczesne wykrycie i poinformowanie kierowcy w przypadku ich uszkodzenia. Ma to na celu ograniczenie emisji szkodliwych związków chemicznych wytwarzanych i emitowanych do atmosfery przez pojazdy samochodowe. To sprawia, Ŝe producenci pojazdów są zobowiązani stosować ujednolicone procedury diagnostyczne opisane w normach OBD i EOBD oraz udostępniać informacje dotyczące sposobów przesyłania danych między sterownikami a urządzeniami wykonawczymi. Dzięki temu moŝliwe jest diagnozowanie pojazdu poza autoryzowanymi stacjami kontroli. Dodatkową zaletą jest takŝe moŝliwość zbadania wszystkich elektronicznych elementów pojazdu poprzez jedno, znormalizowane złącze diagnostyczne (rys. 1). Upraszcza to znacznie przeprowadzenie kompleksowej diagnostyki samochodu. Rys. 1. Gniazdo diagnostyczne OBD: pin 2 i 10 transmisja danych wg. normy SAE J1850, pin 7 i 15 transmisja danych wg. normy , pin 6 transmisja danych wg. normy CAN wysoki, pin 14 transmisja danych wg. normy CAN niski, pin 4 masa akumulatora, pin 5 masa diagnostyczna, pin 16 zacisk dodatni akumulatora 2. STANOWISKO DYDAKTYCZNE 2.1 Model fizyczny Głównym elementem stanowiska dydaktycznego jest elektroniczne urządzenie sterujące pracą silnika firmy Bosch wymontowane z samochodu Volkswagen Golf 1.8 (rys. 2). Rys. 2. Elektroniczna jednostka sterująca Bosch Mono-Motronic

3 STANOWISKO DYDAKTYCZNE DO BADANIA ALGORYTMÓW 2781 Jest to układ wtrysku jednopunktowego, w którym obwód wtrysku oraz zapłonu został zamknięty w jednej obudowie [1]. Sterownik kontroluje poszczególne elementy obwodu (czujniki i elementy wykonawcze), a w przypadku ich uszkodzenia przechodzi w tryb pracy awaryjnej, symulując typowe wartości, w celu moŝliwości kontynuowania dalszej jazdy. UniemoŜliwia on równieŝ uszkodzenie silnika. Informacja o błędzie zapisywana jest w pamięci sterownika i za pomocą specjalistycznego interfejsu pracującego w standardzie OBD jest odczytywana w wyspecjalizowanej stacji serwisowej. Sterownik analizuje sygnały otrzymane z czujników i na ich podstawie steruje czasem otwarcia wtryskiwacza i kątem wyprzedzenia zapłonu [5, 6]. Architekturę układu sterowania uŝytą w prezentowanym stanowisku przedstawia rysunek 3. Czujnik temp. cieczy chłodzącej silnik 17, 42 7 EJS Czas wtrysku Czujnik temp. powietrza w kolektorze dolotowym Potencjometr przepustnicy Czujnik prędkości obrotowej Sonda lambda 17, , 17, 18, 41 1, 12, 15, 20, 32 8, 13 21, , Kąt wyprzedzenia zapłonu Akumulator Interfejs OBD Rys. 3. Uproszczony schemat blokowy układu sterowania Mono-Motronic uŝyty w badaniach wraz z numeracją pinów sterownika Na podstawie sygnałów z czujnika prędkości obrotowej silnika oraz połoŝenia przepustnicy sterownik dobiera wartość podstawowego czasu otwarcia wtryskiwacza oraz kąta wyprzedzenia zapłonu. Parametry te są następnie korygowane na podstawie informacji z czujników: temperatury cieczy chłodzącej, temperatury zasysanego powietrza oraz sygnału z sondy lambda. W celu odwzorowania sygnału prędkości obrotowej silnika spalinowego w omawianym stanowisku dydaktycznym uŝyty został czujnik hallotronowy. W samochodzie jest on wbudowany w rozdzielacz zapłonu. Aby moŝliwa była regulacja prędkości w modelu dydaktycznym, wirnik (koło impulsowe) umieszczony został na osi silnika prądu stałego (rys. 4). Poprzez zmianę napięcia zasilania silnika zmieniana jest prędkość obrotowa.

4 2782 Sebastian STYŁA Rys. 4. Czujnik prędkości obrotowej wału korbowego silnika Czujnik prędkości obrotowej silnika spalinowego składa się z magnesu trwałego i układu elektronicznego z elementem Halla. Koło impulsowe jest to wirnik składający się z czterech blaszek magnetycznych (cztery cylindry). Podczas ruchu elementy te przecinają pole magnetyczne czujnika oddziałując na element Halla. W wyniku tego do elektronicznej jednostki sterującej doprowadzony jest sygnał o kształcie prostokątnym, którego częstotliwość odwzorowuje prędkość obrotową wału korbowego silnika spalinowego. Zamiast rzeczywistego układu przepustnicy, do budowy modelu uŝyto potencjometru, który został podłączony w sposób pokazany na rysunku 5. Odpowiednio dobrane wartości rezystancji sprawiają, Ŝe układ ten odwzorowuje pracę elementu rzeczywistego. EJS potencjometr przepustnicy Rys. 5. Układ podłączenia potencjometru przepustnicy do sterownika W celu symulacji parametrów korygujących wartości czasu otwarcia wtryskiwacza i kąta wyprzedzenia zapłonu w przedstawionym modelu uŝyto dwa czujniki temperatury: cieczy chłodzącej silnik oraz powietrza zasysanego do kolektora dolotowego. W pojazdach stosuje się w tej roli termistory o ujemnym współczynniku temperaturowym NTC. Oznacza to, Ŝe wraz ze wzrostem temperatury rezystancja takiego czujnika maleje. W omawianym modelu rolę tych czujników pełnią potencjometry wieloobrotowe o wartości 100 kω. Daje

5 STANOWISKO DYDAKTYCZNE DO BADANIA ALGORYTMÓW 2783 to moŝliwość dokładnej regulacji (symulacji) działania czujnika w pełnym zakresie temperatur. Na rysunku 6 przedstawiony został panel pomiarowo-regulacyjny stanowiska. Dodatkowo wykorzystane zostały dwa zasilacze regulowane do zasilania: silnika prądu stałego (zmiana prędkości obrotowej) oraz zmiany napięcia zasilania sterownika (akumulator). Rys.6. Panel czołowy stanowiska dydaktycznego 2.2 Interfejs diagnostyczny i oprogramowanie komputerowe Zaletą diagnostyki OBD jest to, Ŝe do badania pojazdów zawierających duŝe ilości obwodów elektronicznych nie jest potrzebny, wyspecjalizowany sprzęt (urządzenia dedykowane), lecz odpowiednie oprogramowanie komputerowe wraz z interfejsem komunikacyjnym. Nie zastąpi to, w niektórych przypadkach, diagnostyki konwencjonalnej, ale moŝe przyczynić się do skrócenia czasu naprawy, a takŝe do szybkiego rozpoznania zaistniałego uszkodzenia. a) b) Rys. 7. Interfejs diagnostyczny: a) VAG KKL, b) DeltaScan

6 2784 Sebastian STYŁA W badaniach wykorzystano interfejs dedykowany do samochodów grupy Volkswagen VAG KKL i DeltaScan (rys. 7a, b) oraz komputer przenośny z odpowiednim oprogramowaniem (np. VAG-COM, VCDS, DeltaScan, VW Tool). Za jego pomocą moŝna diagnozować pracę układu wtryskowo-zapłonowego. Połączenie sterownika z komputerem następuje poprzez złącze RS 232 lub USB. 3. BADANIA LABORATORYJNE Po podłączeniu interfejsu do złącza diagnostycznego zostaje nawiązane połączenie między sterownikiem pojazdu a komputerem. Odczytywany jest wtedy: numer identyfikacyjny sterownika, numer Bosch, rodzaj układu wtryskowego, pojemność i rodzaj silnika, a takŝe wersja oprogramowania sterownika (rys. 8). Rys. 8. Informacje o sterowniku silnika Rys. 9. Kody błędów zapisane w pamięci sterownika

7 STANOWISKO DYDAKTYCZNE DO BADANIA ALGORYTMÓW 2785 Na rysunku 9 zostały przedstawione błędy występujące przy uszkodzeniach, które moŝna zasymulować za pomocą omawianego modelu. UmoŜliwia to zapoznanie słuchaczy ze sposobem diagnozowania uszkodzeń w standardzie OBD oraz odpowiednią interpretacją uzyskanych wyników. Dzięki obserwacji przebiegów czasowych (rys. 10) moŝna określić wpływ tych uszkodzeń na pracę układu sterowania silnika spalinowego, a w szczególności na wartość: czasu otwarcia wtryskiwacza i kąta wyprzedzenia zapłonu. Po usunięciu uszkodzenia i wykasowaniu kodów błędów powinny one zniknąć z pamięci sterownika. Rys. 10. Wartości oraz przebiegi czasowe: prędkości obrotowej silnika, czasu otwarcia wtryskiwacza, napięcia akumulatora, temperatury powietrza dolotowego Przedstawione badania moŝna rozszerzyć o wyznaczenie charakterystyk sterujących (algorytmów) pracą silnika spalinowego wprowadzonych do pamięci mikrokontrolera. Wykorzystywane są w tym celu parametry dostępne w zakładce blocks parametry rzeczywiste (rys. 11), na podstawie których moŝna odczytać chwilowe wartości: prędkości obrotowej wału korbowego silnika, temperatury cieczy chłodzącej silnik, temperatury powietrza w kolektorze dolotowym, napięcia zasilania instalacji elektrycznej pojazdu, kąta otwarcia przepustnicy, sygnału z sondy lambda, czasu otwarcia wtryskiwacza, kąta wyprzedzenia zapłonu, itp. Zmieniając jeden z parametrów (przy pozostałych stałych) moŝliwe jest wyznaczenie map czasu otwarcia wtryskiwacza oraz kąta wyprzedzenia zapłonu w zaleŝności od prędkości obrotowej silnika i kąta otwarcia przepustnicy. Ponadto na podstawie informacji uzyskanych z poszczególnych bloków pomiarowych ćwiczący mogą wykreślić charakterystyki korekcyjne, które mają wpływ na pracę elektronicznego układu sterowania pracą silnika. W celu weryfikacji poprawności danych naleŝy porównać uzyskane dane (charakterystyki lub wartości) z danymi producenta. Na rysunku 12 przedstawiony został przykład takiego badania dla czujnika temperatury cieczy chłodzącej silnika. Charakterystyka czujnika wzorcowego, w przedstawionym zakresie, pokrywa się z wartościami czujnika rzeczywistego, co oznacza Ŝe jest on sprawny. Stanowisko dydaktyczne umoŝliwia równieŝ przeprowadzenie badań elektronicznej jednostki sterującej i poszczególnych elementów układu sterowania silnikiem za pomocą

8 2786 Sebastian STYŁA oscyloskopu. Kształtuje to praktyczną umiejętność posługiwania się jednym z podstawowych przyrządów wykorzystywanych w diagnostyce współczesnych pojazdów samochodowych. Stanowisko laboratoryjne umoŝliwia obserwację oscylogramów: czasu otwarcia wtryskiwacza, kąta wyprzedzenia zapłonu, prędkości obrotowej wału korbowego silnika za pomocą czujnika Halla, sygnału z przepustnicy. Stanowisko dydaktyczne pozwala ponadto rozbudować obwód sterowania o nowe podzespoły, które w jeszcze większym stopniu będą odzwierciedlać wszystkie procesy, zaleŝności i powiązania między poszczególnymi elementami układu. Rys. 11. Wartości chwilowych parametrów wyświetlane w poszczególnych blokach rezystancja R (kω) temperatura t (ºC) czujnik rzeczywisty wartość odniesienia (dane producenta) Rys. 12. Charakterystyka czujnika temperatury cieczy chłodzącej silnika

9 STANOWISKO DYDAKTYCZNE DO BADANIA ALGORYTMÓW WNIOSKI Priorytetem Uczelni WyŜszych oraz szkół średnich, szczególnie technicznych, jest kształcenie słuchaczy w celu przygotowania ich do przyszłej pracy zawodowej. Ze względu na szybki rozwój elektroniki i informatyki, szczególnie waŝna jest ciągła modernizacja bazy dydaktycznej, a w szczególności zaplecza laboratoryjnego. Dzięki zajęciom laboratoryjnym w łatwy sposób moŝna przybliŝyć słuchaczom problemy współczesnej nauki i techniki oraz zasymulować, za pomocą odpowiednich modeli dydaktycznych, róŝne procesy technologiczne z wiernym odzwierciedleniem warunków rzeczywistych panujących podczas normalnej pracy tych urządzeń. WaŜnym aspektem pracy w kształceniu przyszłych absolwentów jest proces projektowania, budowy, weryfikacji, a takŝe rozbudowy modeli dydaktycznych. Podczas tych etapów słuchacze mają moŝliwość poznania bezpośrednich zaleŝności między wszystkimi elementami danego obwodu, urządzenia czy procesu. Przedstawione stanowisko dydaktyczne odwzorowuje rzeczywiste warunki i procedury występujące w układzie sterowania silnikami spalinowymi o zapłonie iskrowym. Daje to moŝliwość zapoznania słuchaczy z podstawowymi procedurami sterującymi, a takŝe ze sposobami diagnostyki pokładowej OBD. Dzięki temu mogą oni w sposób empiryczny zweryfikować wiadomości uzyskane na zajęciach teoretycznych z rzeczywistym obwodem odzwierciedlającym pracę mikrokontrolera sterującego czasem otwarcia wtryskiwacza i kątem wyprzedzenia zapłonu w samochodzie. 5. BIBLIOGRAFIA [1] Kasedorf J., Woisetschlager E.: Układy wtryskowe benzyny, Warszawa, WKŁ [2] Merkisz J., Mazurek St.: Pokładowe systemy diagnostyczne pojazdów samochodowych OBD, Warszawa, WKŁ [3] Poradnik serwisowy nr. 5/2003: Diagnostyka pokładowa standard OBD II EOBD. [4] Rokosch U.: Układy oczyszczania spalin i pokładowe systemy diagnostyczne samochodów OBD, Warszawa, WKŁ [5] Wendeker M.: Sterowanie wtryskiem benzyny w silniku samochodowym, Lublin, LTNPL [6] Wendeker M.: Sterowanie zapłonem w silniku samochodowym, Lublin, LTNPL 1999.