POKŁADOWE SYSTEMY DIAGNOSTYCZNE POJAZDÓW SAMOCHODOWYCH. Gdańsk 2009

Transkrypt

1 POKŁADOWE SYSTEMY DIAGNOSTYCZNE POJAZDÓW SAMOCHODOWYCH Gdańsk 2009

2 Ekologiczne aspekty rozwoju motoryzacji Zmienne warunki: obciążenia i prędkości kątowej silników cieplnych Związki toksyczne w spalinach od 0,25% - 1% : węglowodory (HC) - 0,01 %; tlenek węgla (CO) 0,006% ; tlenki azotu (NO x ) 0,230% ; cząstki stałe (PM) 0,0004%: Odparowane paliwo : węglowodory (HC) Przedmuchy : węglowodory (HC) Dopuszczalna emisja składników toksycznych Europejska Rada Ochrony Środowiska (EURO 4, EURO 5, EURO 6 w 2010r.) CO 2? (motoryzacja 16% emisji) g/km (średnio w Europie 186g/km)

3 Ekologiczne aspekty rozwoju motoryzacji W roku 1950 żyło na świecie około 3 miliardy ludzi, a po drogach poruszało się ok. 100 mln pojazdów 30 osób/pojazd. W roku 2010 będzie 7 miliardów ludzi i 1,5 miliarda pojazdów 4,7 osób/pojazd szybka urbanizacja Los Angeles pierwsze zjawisko smogu fotochemicznego; 1952 udowodniono, że główną przyczyną smogu fotochemicznego jest działanie promieni słonecznych na spaliny samochodowe; 1960 w Kalifornii wprowadzono przepisy kontroli spalin (CO i HC); 1968 rozpoczęto prace nad federalnymi przepisami kontroli emisji spalin (CO i HC) dla USA; 1970 uchwalono ustawę Muskie go wprowadzającą niezwykle ostry poziom norm dla emisji CO, HC, NOx - podstawa obecnych amerykańskich przepisów, podobne uchwalono póxniej w Japonii i Europie.

4 Ustawodawcy zmuszają firmy samochodowe do wbudowania w algorytmy sterowania procedur wykrywających zwiększony poziom emisji substancji szkodliwych. Z braku tanich i efektywnych czujników do pomiaru składu spalin, procedury musza prowadzić procesy poszlakowe. Np. o wzroście emisji związków toksycznych świadczyć mogą: sygnały czujników tlenu w spalinach, charakter zmienności prędkości kątowej wału korbowego, poziom jonizacji ładunku w komorze spalania. Jedyna możliwość spełnienia ciągle zaostrzanych norm emisji substancji toksycznych wiąże się z automatyzacją pracy silnika spalinowego. Ograniczenia toksyczności spalin powodują, że 10% czasu obliczeniowego mikroprocesora wyznaczanie wartości sterujących. 90% czasu procedury auto-diagnostyczne.

5 System OBD On Board Diagnostic (normy w USA - OBD II, w EUROPIE EOBD) to zespół testów diagnostycznych oraz procedur obliczeniowych w czasie rzeczywistym, mających na celu ocenę sprawności emisyjnej oraz sprawności elementów odpowiedzialnych za bezpieczeństwo bierne i czynne pojazdu. System OBD połączony z układem sterowania silnika ma wykrywać uszkodzenia prowadzące do wzrostu emisji związków toksycznych, kiedy emisja nie przekracza dopuszczalnych limitów (wzrost o 50%) i powoduje jeszcze niewielkie straty dla środowiska. Badania toksyczności spalin na hamowaniach podwoziowych i silnikowych Samochód przyszłości stanie się platformą internetową i będzie samodzielnie analizować swój stan, przekazywać dane do serwisu i umawiać wizytę w warsztacie, co potem będzie przekazane właścicielowi.

6 System OBD jest realizowany przez jeden lub dwa moduły kontrolne: centralny sterownik układu napędowego PCM oraz sterownik automatycznej skrzyni biegów (jeśli jest). Elementy i systemy nadzorowane przez system OBD: A. Grupa największego ryzyka emisyjnego: proces spalania (detekcja wypadania zapłonów), Reaktor katalityczny, Czujniki tlenu, Układ odprowadzania par paliwa EVAP. B. Grupa średniego ryzyka emisyjnego: Układ recyrkulacji spalin EGR, Układ wykrywania dodatkowego powietrza, Układ sterowania składem mieszanki, Układ przewietrzania skrzyni korbowej PCV. C. Grupa elementów potencjalnego ryzyka emisyjnego: Elementy, które nie należą do grupy A ani B, tj. wszystkie elementy pomiarowe i wykonawcze układu napędowego, np. czujnik prędkości pojazdu, położenia wału, temperatury cieczy chłodzącej, regulator biegu jałowego, układ podgrzewania paliwa, kontrolka świec żarowych, zawór obejściowy reaktora katalitycznego.

7 Testy diagnostyczne systemu OBD II : 1. Sprawności elektrycznej elementów pomiarowych i wykonawczych (sprawdzenie ciągłości obwodów, zwarć linii sygnałowej lub zasilającej do masy lub do + napięcia zasilania), 2. Pasywne testy sprawności metrologicznej elementów pomiarowych (obliczanie obszaru racjonalnych wskazań na podstawie innych wartości fizycznych układu napędowego), 3. Funkcjonalne testy elementów wykonawczych (sprawdzanie odpowiedzi podsystemu na sygnałów testujące), 4. Aktywne testy sprawności metrologicznej elementów pomiarowych (wymuszanie znanych zmian wielkości mierzonych za pomocą wpływającej na nie wielkości sterującej określanie własności dynamicznych), 5. Testy emisyjne elementów i układów pojazdów : zbiór procedur kontrolnopomiarowych, obliczeniowych i decyzyjnych monitory diagnostyczne (element lub układ uważa się za uszkodzony, jeśli sam jeden powoduje emisję HC, CO, NO x powyżej zdefiniowanych normą progów wymagana dokładność >10% obowiązującej normy w czasie eksploatacji do km lub km ).

8 Klasyfikacja monitorów diagnostycznych OBD łącznie 11 monitorów Monitory bezwarunkowe (ciągłe) ciągła bieżąca analiza w czasie jazdy Monitory warunkowe (nieciągłe) Realizacja w wybranych etapach cykli jazdy Wypadanie zapłonów Zapobieganie parowaniu paliwa Zasilanie paliwem Reaktor katalityczny Czujnik tlenu Recyrkulacja spalin W wyniku są generowane: kody błędów - zarejestrowany, kody gotowości, parametry i wyniki testów W drugim cyklu zaświecenie kontrolki MIL (Malfunction Indicator Light) Inne elementy i układy

9 Metody wykrywania wypadania zapłonów Główne monitory emisyjne Monitor procesu spalania (identyfikacji wypadania zapłonów) Analiza chwilowej wartości prędkości kątowej wału silnika (czujniki Halla na wale korbowym lub rozrządu, specjalne algorytmy obróbki sygnałów, np.za pomocą DFT identyfikacja uszkodzonego cylindra) Analiza chwilowej wartości ciśnienia gazów wylotowych silnika (czujnik o zakresie do 200Hz przed katalizatorem) Pomiar i analiza sygnału jonizacji w komorze spalania (po zakończeniu zapłonu na elektrody świecy jest podawane 150V, z sygnału analogowo jest usuwana wartość stała offset, Cyfrowo obliczana wartość maksymalna i całka w określonym oknie pomiarowym) Analiza sygnałów optycznych zarejestrowanych w komorze spalania silnika Pomiary i analizy momentu obrotowego silnika

10 Główne monitory emisyjne Monitor sprawności reaktora katalitycznego Ocena pojemności tlenowej na podstawie obróbki sygnałów z dwóch sond lambda

11 Strategie decyzyjne w pokładowych systemach diagnostycznych zoptymalizowane pod kątem minimalizacji sumy ważonej kosztów Minimalizacja błędów typu beta przeoczenie awarii Ograniczenie sygnalizacji błędów typu alfa fałszywy alarm 1. Strategia potwierdzenia symptomu SPS Strategia statystycznej obróbki wyników testów SOS od 2000r. łącznie ze strategią SPS

12 1. Strategia potwierdzenia symptomu SPS Niepomyślny wynik testu jakiegokolwiek monitora w pierwszym cyklu jazdy nie jest sygnalizowany alert I stopnia kod błędów oczekujących KO. Zarejestrowanie zbiorów parametrów chwilowych stanu pracy silnika ( ramka zamrożona ) Negatywny wynik dowolnego monitora w kolejnym cyklu, w którym został on uruchomiony i do końca zrealizowany jest traktowany jako uszkodzenie kod błędu zarejestrowanego KZ i jest sygnalizowany za pomocą kontrolki MIL. Kontrolka MIL świeci światłem przerywanym 1Hz, gdy następuje wypadanie zapłonów zagrażające reaktorowi katalitycznemu. Jeśli przyczyną awarii było wypadanie zapłonów lub usterka układu sterowania składem mieszanki, po 3 kolejnych cyklach jezdnych w warunkach pracy analogicznych do zarejestrowania pierwszego symptomu, a symptomy się nie pojawiły - alert II stopnia - zarejestrowanie KZ, kontrolka MIL jest nieaktywna. System przechodzi ze stanu alertu I stopnia do stanu sprawności przy braku symptomów podczas 80 pełnych cykli jezdnych. System przechodzi ze stanu alertu II stopnia do stanu sprawności przy braku symptomów podczas 40 pełnych cykli rozgrzewania.

13 2. Strategia statystycznej obróbki wyników testów SOS od 2000r. łącznie ze strategią SPS P F Bardziej efektywnie eliminuje błędy typu beta przeoczenie awarii Wykorzystuje uśrednianie cyfrowe z ekspotencjalną wagą (EWMA): n gdzie : P P P n n n 1 P n F 1 F P n 1 - bieżąca średnia wartość obliczona po n cyklach - wartość parametru diagnostycznego zmierzona w n - tym cyklu - średnia wartość poprzednia po n-1 cyklach - stała filtra SOS do elementów ulegających stopniowej degradacji, reaktor katalityczny. SPS parametry dyskretne, lub gdy podsystem wpływa bezpośrednio na całego układu napędowego, np. wypadanie zapłonów zagrażające reaktorowi. Decyzja o uaktywnieniu kontrolki MIL i zarejestrowaniu KZ na podstawie średniej. Liczba cykli jezdnych do uaktywnienia kontrolki MIL wynosi 6 lub 7. Do celów badań skuteczności napraw systemów uruchamiana jest szybka stała filtru dwa cykle jezdne. Szybki filtr jest automatycznie uruchamiany po skasowaniu kodu gotowości i jest wykorzystywany przez kilka następnych cykli. Po tym automatycznie przechodzi do do stałej eksploatacyjnej filtru.

14 Prognozowane do roku 2025 sposoby redukcji o 90% emisji toksycznych składników spalin Reaktor katalityczny o niskiej temperaturze light-off Reaktor katalityczny DeNOx do silników ZS Reaktor katalityczny usuwający cząstki stałe Sterowanie procesem spalania Czysta energia i niskoemisyjne pojazdy Niskosiarkowe oleje napędowe Paliwa syntetyczne

15 Prognozowane do roku 2025 sposoby ograniczenia udziału pojazdów w efekcie cieplarnianym Lekkie, niewielkich rozmiarów, wysokosprawne ogniwa paliwowe Ogniwa paliwowe zasilane bezpośrednio metanolem Wysokosprawne ogniwa paliwowe dużej mocy Czysta energia i niskoemisyjne pojazdy Super lekkie i wytrzymałe materiały Wydajne technologie gromadzenia wodoru Technologie pozyskiwania i dystrybucji wodoru

16 Rozwiązania w silnikach w celu zmniejszenia emisji związków toksycznych podczas zimnego rozruchu i nagrzewania silnika ZI MPI -> GDI Gasoline Direct Injection Zwiększenie szybkości spalania Diagnostyka pokładowa OBD Wieloświecowe układy zapłonowe Zmodernizowany rozrząd wielozaworowy Lepsze rozpylenie paliwa (homogenizacja) Optymalizacji dawkowania paliwa podczas rozruchu Powietrzne wspomaganie wtrysku paliwa Opóźnienie kąta wyprzedzenia zapłonu Ścisłe utrzymywanie współczynnika λ

17 Rozwiązania w silnikach i paliwie w celu zmniejszenia emisji związków toksycznych podczas zimnego rozruchu i nagrzewania silnika ZS Wtrysk Common Rail, wysokie ciśnienie wtrysku, dawka pilotująca Zbieranie spalin z fazy zimnego rozruchu i wydalanie później do nagrzanego reaktora Pierwsza faza rozruchu bez podawania paliwa podgrzanie komory spalania Redukcja węglowodorów aromatycznych Redukcja zawartości siarki Podgrzewanie powietrza dolotowego Optymalizacji dawkowania paliwa podczas rozruchu Sterowany, chłodzony układ recyrkulacji spalin Zmniejszenie gęstości i lepkości Obniżenie końcowej temperatury wrzenia

18 Rozwiązania reaktorów katalitycznych w celu zmniejszenia emisji związków toksycznych podczas zimnego rozruchu i nagrzewania silnika ZI i ZS Maksymalne przybliżenie reaktora do silnika Nośniki katalityczne oparte na związkach rodu Reaktory o podłożu metalowym Podgrzewanie sondy lambda Reaktory EHC, EGI, DeNOx Dostarczanie dodatkowego powietrza do reaktorów Dostarczanie dodatkowego powietrza do reaktorów Podwójne sondy lambda ze sprzężeniem zwrotnym Reaktory 4-funkcyjne Reaktory plazmowe Absorbery węglowodorowe

19 Rozwiązania w osprzęcie i układzie chłodzenia w celu zmniejszenia emisji związków toksycznych podczas zimnego rozruchu i nagrzewania silnika ZI i ZS Zasobniki ciepła Rozdzielenie chłodzenia głowicy i kadłuba Zewnętrzne źródła podgrzewania silnika Hermetyzacja i podgrzewanie komory spalania przed rozruchem Pompa cieczy chłodzącej o zmiennym wydatku Mniejsza masa cieczy chłodzącej Izolowane kolektory wylotowe Materiały o małej bezwładności cieplnej Wysokiej mocy rozrusznik zintegrowany z alternatorem Zastępowanie urządzeń mechanicznych elektrycznymi wyłączanymi podczas rozruchu Podgrzewanie cieczy chłodzącej (elektrycznie, energią spalin) Podgrzewanie głowicy energią spalin z układu EGR (recyrkulacji) Częściowa eliminacja cieczy chłodzącej podczas nagrzewania silnika Dwukierunkowy wymiennik ciepła ciecz chłodząca olej smarujący

20 Sieci komunikacyjne Łączy główne urządzenia odpowiedzialne za bezpieczeństwo Flex-Ray lub Byteflight (ang. Local Interconect Network) Dwukierunkowa komunikacja Architektura gwiaździsta 10Mbit/s Kontroluje pracę silnika oraz elementy wyposażenia dodatkowego CAN klasa A <10kbit/s Światła, lusterka, centr.zamek CAN klasa B 40kbit/s klimatyzacja CAN (ang. Controller Area Network) Jednożyłowa komunikacja z urządzeniami wykonawczymi i czujnikami CAN klasa C 250kbit/s - 1Mbit/s Ster.silnikiem, skrz.bieg, ABS,ESP CAN klasa D 100kbit/s - 10Mbit/s Multimedia lub MOST (sieć optyczna) LIN (ang. Local Interconect Network) Master Slave (do15) Alternator, rozrusznik, fotele, klimatyzacja