OBECNE I PRZYSZŁOŚCIOWE PROCEDURY DIAGNOSTYCZNE W SYSTEMACH EOBD W SAMOCHODACH OSOBOWYCH

OBECNE I PRZYSZŁOŚCIOWE PROCEDURY DIAGNOSTYCZNE W SYSTEMACH EOBD W SAMOCHODACH OSOBOWYCH Jerzy Merkisz*, Stanisław Mazurek*, Marcin Ślęzak**, Wojciech Gis*** *Instytut Transportu Samochodowego, 03-301 Warszawa, ul. Jagiellońska 80 tel: (22) 675-30-58, faks: (22) 811-09-06, e-mail: obd@its.waw.pl **tel: (22) 675-30-58, faks: (22) 811-09-06, e-mail: marcin@its.waw.pl ***tel: (22) 811-32-31 wew. 103, faks: (22) 811-09-06, e-mail: wojgis@onet.waw.pl Słowa kluczowe: OBD, EOBD, OBDII, diagnostyka, diagnostyka pokładowa, procedury diagnostyczne, monitory Streszczenie. W artykule przedstawiono obecnie stosowane procedury diagnostyczne w samochodach z systemami EOBD i scharakteryzowano warunki, jakie muszą być spełnione w celu zrealizowania tych procedur. Zaprezentowano planowane zmiany, modyfikacje i uzupełnienia listy procedur diagnostycznych o kolejne, obejmujące nadzorem inne podsystemy samochodu. 1. WSTĘP Procedury diagnostyczne mają na celu nadzór nad sprawnością reaktora katalitycznego, procesem spalania, prawidłowością działania czujników zawartości tlenu w spalinach oraz wszystkimi elementami, których uszkodzenie może powodować zwiększoną emisję substancji toksycznych z samochodu do środowiska naturalnego. Procedury te, zwane dalej monitorami, są kluczowymi elementami nadzoru w pokładowych systemach diagnostycznych OBD II/ EOBD samochodów osobowych z silnikami o zapłonie iskrowym. Ciągły rozwój silników spalinowych, a także ciągłe zaostrzanie przepisów ograniczających emisję toksycznych składników spalin, powoduje konieczność stosowania coraz bardziej wyrafinowanych układów nadzorujących pracę silnika. 2. PODSTAWOWE PROCEDURY DIAGNOSTYCZNE 2.1. Monitor sprawności reaktora katalitycznego Do głównych procedur diagnostycznych, zaimplementowanych w każdym pokładowym systemie diagnostycznym OBD II/EOBD, zaliczamy monitor sprawności reaktora katalitycznego, czujników zawartości tlenu, prawidłowości procesu spalania (identyfikacji wypadania zapłonów). Procedura diagnostyczna obejmująca kontrolę sprawności reaktora katalitycznego polega na oszacowaniu jego pojemności tlenowej przez porównanie sygnałów pochodzących z dwóch czujników zawartości tlenu w spalinach umiejscowionych przed i za reaktorem katalitycznym (rys. 1). Gdy reaktor jest sprawny, oscylacje składu mieszanki mierzonej przez

czujnik zawartości tlenu przed reaktorem są tłumione we wnętrzu reaktora i sygnał za nim staje się ustabilizowany obserwuje się zmniejszenie zarówno amplitudy, jak i częstotliwości oscylacji sygnału. W przypadku uszkodzenia reaktora, sygnał za nim przestaje być znacząco zmieniony i ma przebieg podobny do sygnału przed reaktorem. Uruchomienie procedury oceny sprawności reaktora katalitycznego następuje po spełnieniu określonych warunków (tab. 1). Czujnik przed katalizatorem bogata uboga masowy przepływ powietrza temperatura KATALIZATOR Lpk Lzk Czujnik za katalizatorem bogata uboga Liczniki Przełączeń Estymaty pojemności tlenowej Filtr uśredniający EWMA MIL pωg Kody uszkodzeń Człon decyzyjny Rys. 1. Monitor sprawności reaktora katalitycznego firmy FORD Fig. 1. FORD catalytic convertor efficiency monitor Tab. 1. Przykładowe parametry, których spełnienie jest konieczne dla oceny sprawności katalizatora Tab. 1. Example parameters, indispensable for catalytic convertor efficiency assessment Warunki aktywności procedury Min. Max. Czas od momentu startu silnika Temperatura cieczy chłodzącej Temperatura powietrza na wlocie Obciążenie silnika Położenie przepustnicy Czas po wejściu w pętlę zamkniętą Prędkość pojazdu 330 s 77 C 7 C 10% niepełne otwarcie 30s 8 km/h 110 C 82 C niepełne otwarcie 112 km/h Typowy próg decyzyjny Stosunek liczby przełączeń czujnika O 2 na wyjściu reaktora katalitycznego do przełączeń czujnika na wejściu > 0,75 2.2. Monitor identyfikacji wypadania zapłonów Drugą nie mniej ważną procedurą diagnostyczną jest monitor, nadzorujący proces spalania w silniku przez wykrywanie i identyfikację wypadania zapłonów (misfire) w cylindrach silnika spalinowego. Występowanie wypadania zapłonów powoduje zwiększenie emisji substancji toksycznych do środowiska naturalnego i może skutkować nieodwracalnym uszkodzeniem reaktora katalitycznego w wyniku przegrzania. Ze znanych metod detekcji wypadania zapłonów podczas procesu spalania w silniku spalinowym warto wymienić: wykrywanie wypadania zapłonów na podstawie analizy chwilowej wartości prędkości kątowej (lub położenia kątowego) wału silnika, wykrywanie wypadania zapłonów na podstawie analizy sygnałów optycznych zarejestrowanych w komorze spalania silnika,

wykrywanie wypadania zapłonów na podstawie analizy chwilowej wartości ciśnienia gazów wylotowych silnika. Wymienione wyżej metody wykrywania zjawiska wypadania zapłonów różnią się trudnością implementacji i kosztami wprowadzenia do samochodów seryjnej produkcji. Metoda bazująca na pomiarze chwilowej wartości prędkości obrotowej jest metodą relatywnie najtańszą, gdyż nie wymaga instalowania dodatkowego osprzętu pomiarowego na silniku. Jest ona powszechnie stosowana w obecnie produkowanych pojazdach wyposażonych w system OBD (rys. 2, parametry monitora tab. 2). Metody optyczne są wykorzystywane głównie w badaniach laboratoryjnych, ich uproszczone a dopracowane implementacje mogą znaleźć praktyczne zastosowania w przyszłości. Obiecująca wydaje się również metoda pomiaru ciśnienia w kolektorze wydechowym, wymagałaby ona jednak montowania dodatkowych czujników ciśnienia, przez co jej upowszechnienie na szeroką skalę jest wątpliwe. Czujnik prędkości obrotowej Sygnał z czujnika prędkości obrotowej Koło zamachowe Rys. 2. System do wykrywania wypadania zapłonów na podstawie analizy prędkości obrotowej Fig. 2. Misfire detection system based on engine speed analysis Tab. 2. Parametry procedury diagnostycznej wypadania zapłonów Tab. 2. Misfire diagnostic procedure parameters Warunki rozpoczęcia procedury Czas od momentu Min. Max. startu silnika 0 s 5 s Temperatura cieczy chłodzącej Zakres prędkości obrotowych w cyklu FTP w całym obszarze Zakończenie procesu korekcji profilu czujnika położenia wału 7 C 121 C bieg jałowy bieg jałowy 2500 max Warunki czasowego blokowania Hamowanie silnikiem (ujemny moment obrotowy silnika, pojazd napędza silnik) Odcięcie paliwa w trybie ograniczonej prędkości pojazdu lub prędkości obrotowej silnika Zmiany obciążenia pokładowych odbiorników mocy (sieć energetyczna, wspomaganie kierownicy itp.)

2.3. Monitor czujników zawartości tlenu w spalinach Zadaniem czujników tlenu jest pomiar zawartości tlenu w spalinach (gazach wylotowych), przez porównanie z zawartością tlenu w powietrzu. Czujniki tlenu nazywane są często sondami lambda, bowiem mierząc zawartość tlenu w spalinach i powietrzu dokonują one pośrednio pomiaru parametru λ, który jest jednoznacznie związany ze składem mieszanki. Działanie czujników tlenu opiera się na właściwościach elementów ceramicznych, nazywanych ceramiką specjalną. Ceramika specjalna w samochodowych czujnikach tlenu są to materiały ceramiczne oparte w 99% zastosowań na dwutlenku cyrkonu (ZrO 2 ) (można się też spotkać z zastosowaniem tlenku itru YO). Są dwa podstawowe rodzaje czujników zawartości tlenu w spalinach: sondy wąskopasmowe (dwustanowe) oznaczane symbolem EGO (Exhaust Gas Oxygen), sondy szerokopasmowe (ciągłe) oznaczane symbolem UEGO lub LEGO (Universal EGO lub Linear EGO). Stosowane w samochodach czujniki tlenu nie mierzą jednak rzeczywistej zawartości tlenu w spalinach, lecz jego ilości, powstałe z utleniania tlenku węgla i węglowodorów na zewnętrznej powierzchni czujnika. Jest to reakcja identyczna do tej, jaka zachodzi w reaktorze katalitycznym. W sondzie wąskopasmowej możliwe są dwa stany napięcia wyjściowego odpowiadające mieszance bogatej albo ubogiej. Skok napięcia jest identyfikowany przez elektroniczny moduł sterujący silnika samochodu i wykorzystywany w układzie sprzężenia zwrotnego do utrzymywania składu mieszanki zbliżonego do wartości stechiometrycznej. Dwustanowa charakterystyka czujnika tlenu wymusza oscylacyjne sterowanie składem mieszanki w układzie sprzężenia zwrotnego, co jest istotną wadą ze względu na oscylacyjny charakter błędu regulacji. Rozpoczęto zatem stosowanie sondy szerokopasmowej do sterowania składem mieszanki w układzie sprzężenia zwrotnego, co daje możliwość w stanach ustalonych sprowadzenia błędu regulacji do zera. Jednakże konstrukcja obok istotnej zalety, jaką jest ciągłość sygnału mierzonego, ma także wady, takie jak: klasyczna dwustanowa sonda lambda jest elementem aktywnym, generującym napięcie niezależnie od innych systemów, a przemieszczanie punktu odniesienia zależy tylko od procesów przebiegających w jej wnętrzu, sonda szerokopasmowa jest zasilana napięciem z zewnętrznego źródła, a sygnał wyjściowy jest zbierany z szeregowego opornika pomiarowego; zarówno zmiany napięcia zasilania jak i rezystancji opornika są źródłem błędu, charakterystyka statyczna sondy szerokopasmowej jest nieliniowa i jej aproksymacja wymaga wielomianu wyższego rzędu. Biorąc pod uwagę powyższe należy przypuszczać, że dokładność dawkowania paliwa za pomocą sondy szerokopasmowej może być, w podobnym okresie eksploatacji, znacznie gorsza (nawet o rząd) od sterowania za pomocą sondy dwustanowej. Wydaje się, że fakt ten jest główną przyczyną niewielkiego zastosowania szerokopasmowych sond lambda. Podstawowym warunkiem koniecznym do zrealizowania procedury diagnostycznej czujników zawartości tlenu w spalinach, jest uzyskanie odpowiednio wysokiej temperatury silnika. 3. MODYFIKACJE I PLANOWANE PROCEDURY DIAGNOSTYCZNE Rozważa się wprowadzenie dodatkowych monitorów diagnostycznych do sytemu diagnostyki pokładowej, wraz z rozwojem technologicznym pojazdów. Nowe monitory mają obejmować m.in. takie podzespoły, jak: układ chłodzenia silnika, sterowanie spalaniem podczas zimnego rozruchu silnika, nadzorowanie filtrów cząstek stałych (rys. 3).

MONITORY OBD KLASYCZNE wprowadzone uchwałami CARB, EPA i Dyrektywami UE NOWE przewidywane przez CARB REAKTORA KATALITYCZNEGO UKADU GRZANEGPO REAKTORA KATALITYCZNEGO WYPADANIA ZAPLONÓW SYSTEMU ODPORWADZANIA PAR PALIWA (EVAP) SYSTEMU ZASILANIA PALIWEM CZUJNIKA TLENU SYSTEMU RECYRKULACJI SPALIN (EGR) SYSTEMU KLIMATYZACJI (A/C Air Conditioning) KOMPLEKSOWEGO MONITORA PODZESPOŁÓW SYSTEMOWYCH (POTENCJALNEGO RYZYKA EMISYJNEGO Comprehensive Component) SYSTEMU PRZEWIETRZANIA SKRZYNI KORBOWEJ PCV (Positive Crankcase Ventilation) SYSTEMU CHŁODZENIA SILNIKA STRATEGII REDUKCJI EMISJI PODCZAS ZIMNEGO ROZRUCHU SILNIKA SYSTEMU STEROWANIA ZAWORAMI ZE ZMIENNYM CZASEM OTWARCIA (VVT Variable Valve Timing) SYSTEM BEZPOŚREDNIEJ REDUKCJI EMISJI OZONU (DOR Direct Ozone Reduction) PUŁAPKI CZĄSTEK STAŁYCH (PMT Particulate Matter Trap) INNYCH SYSTEMÓW I PODZESPOŁÓW BĘDĄCYCH ŹRÓDŁEM BĄDŹ KONTROLUJĄCYCH EMISJĘ Rys. 3. Obecne i nowe monitory w systemie OBD Fig. 3. Current and new EOBD system monitors Monitor systemu przewietrzania skrzyni korbowej Monitor obowiązkowy dla pojazdów wyprodukowanych w roku 2004 i późniejszych o ile pojazd będzie w taki system wyposażony. Kryterium wystąpienia usterki jest wystąpienie przerwy w układzie przepływu powietrza między skrzynią korbową silnika a zaworem przewietrzającym lub między tymże zaworem a kolektorem dolotowym. Monitor systemu chłodzenia silnika Monitorowanie właściwego funkcjonowania termostatu oraz czujnika temperatury czynnika chłodzącego silnika pod kątem ciągłości obwodu elektrycznego, wartości spoza za-

kresu, oraz racjonalności wskazań. System OBD powinien wykryć niewłaściwe działanie termostatu, jeśli w czasie (zatwierdzonym przez władze administracyjne) od chwili uruchomienia silnika wystąpi przynajmniej jedno z poniższych zdarzeń: a) temperatura czynnika chłodzącego silnik nie osiąga wartości maksymalnej dozwolonej przez system OBD II dla uruchomiania innych procedur diagnostycznych, b) temperatura czynnika chłodzącego silnik nie osiąga zakresu rozgrzania, różniącej się od nominalnej temperatury regulacji termostatu maksymalnie o 11ºC (20ºF). Można dopuścić stosowanie niższych temperatur dla tego kryterium jeśli stwierdzone zostanie, że zmiany w pracy silnika powiązane ze zmianą jego temperatury nie spowodują wzrostu emisji do poziomu przekraczającego o ponad 50% dopuszczalne normy. System OBD II powinien wykryć niewłaściwe działanie czujnika temperatury czynnika chłodzącego w sytuacji, gdy w określonym przedziale czasu od chwili uruchomienia silnika nie wskaże on stabilnej temperatury na minimalnym poziomie umożliwiającym systemowi zasilania paliwem przejście do pracy w pętli zamkniętej (z uwzględnieniem wskazań czujnika tlenu). Wymagany przedział czasu zależeć powinien od temperatury czynnika chłodzącego silnik w chwili startu i temperatury powietrza wlotowego i nie powinien przekraczać (z pewnymi ściśle zdefiniowanymi wyjątkami): 1) dwóch minut dla temperatur w chwili startu silnika równych lub wyższych, niż 10ºC (50ºF); oraz pięciu minut dla temperatur niższych niż 10ºC, i wyższych, niż 7ºC (20ºF) w przypadku pojazdów spełniających normę LEV I i pojazdów wyprodukowanych w latach 2004-2005 spełniających normę LEV II, 2) dwóch minut dla temperatur w chwili startu silnika niższych od temperatury przejścia w tryb pętli zamkniętej nie więcej, niż 8ºC (15ºF) oraz pięciu minut dla temperatur różniących się od temperatury przejścia w tryb pętli zamkniętej o wartość pomiędzy 8 a 19ºC (15 35ºF) dla wszystkich pojazdów wyprodukowanych po roku 2006 spełniających normę LEV II. Monitor strategii redukcji emisji podczas zimnego rozruchu silnika W pojazdach wyprodukowanych po roku 2005, spełniających normę LEV II jeśli pojazd wyposażony jest w specjalną strategię sterowania silnikiem redukującą emisję podczas jego zimnego rozruchu system OBD II monitorować powinien parametry zadane i pochodzące z pętli sprzężenia zwrotnego (np. prędkość obrotowa silnika, przepływ powietrza, czas zapłonu i inne) inne, niż dopływ wtórnego powietrza. Monitorowanie powinno trwać przez cały czas wykorzystywania strategii przez system sterowania silnikiem. Systemy wtórnego powietrza powinny być monitorowane niezależnie od strategii redukcji emisji. Pod względem spełniania wymogów dotyczących monitorowania strategii redukcji emisji przewiduje się stopniowe wprowadzanie obowiązku spełniania wymogów dotyczących jej monitorowania od 30% pojazdów w roku 2006 do 100% w roku 2008. System OBD II powinien wykrywać wadliwe działanie wcześniej niż jakiekolwiek uszkodzenie lub zużycie poszczególnych podzespołów powiązanych ze strategią sterowania silnikiem w sposób redukujący emisję podczas zimnego rozruchu mogące spowodować wzrost emisji do poziomu przekraczającego 1,5-krotnie którykolwiek ze stosowanych standardów FTP. Monitor systemu sterowania zmiennym czasem otwarcia zaworów (VVT Variable Valve Timing) We wszystkich pojazdach wyprodukowanych w roku 2005 i w latach późniejszych, spełniających normę LEV II system OBD powinien monitorować układ VVT (w pojazdach, w których zainstalowano) pod kątem błędu celu i powolnej reakcji. Poszczególne podzespoły elektroniczne używane przez system VVT powinny być monitorowane zgodnie z wymogami

dotyczącymi kompleksowego monitora podzespołów potencjalnego ryzyka emisyjnego. Zgodnie z nimi monitorowane powinny być również układy VVT zainstalowane w pojazdach spełniających normę LEV I i pojazdach spełniających normę LEV II wyprodukowanych w roku 2004. Monitor systemu bezpośredniej redukcji ozonu (DOR Direct Ozone Reduction) System OBD II powinien monitorować system DOR w pojazdach, w których został on zainstalowany, pod kątem obniżenia sprawności redukcji ozonu. W przypadku pojazdów wyprodukowanych w latach 2003 2005 producenci mogą wnioskować o zwolnienie z monitorowania systemu DOR. Monitor filtra cząstek stałych (PMT Particulate Matter Trap) Wszystkie samochody osobowe, samochody dostawcze (light-duty truks) i mikrobusy (medium-duty passenger cars) wyposażone w silniki ZS wyprodukowane po roku 2003 oraz wszystkie pojazdy średniej ładowności napędzane silnikami ZS wyprodukowane po roku 2004 powinny być wyposażone przez producentów w monitor prawidłowego działania filtra cząstek stałych o ile pojazd jest taki wyposażony. W przypadku pojazdów wyprodukowanych po roku 2003 napędzanych silnikami ZS (samochody osobowe, samochody dostawcze i mikrobusy) system OBD II powinien wykrywać nieprawidłowe działanie przed stwierdzeniem obniżenia sprawności PMT mogącego wywołać wzrost emisji do poziomu przekraczającego 1,5-krotność standardów FTP. Dla pojazdów średniej ładowności (z wyłączeniem mikrobusów) wyposażonych w silniki ZS wyprodukowanych w latach 2005 2006 system OBD II powinien wykrywać wadliwe działanie PMT w sytuacji jego uszkodzenia. Producent może zostać zwolniony z obowiązku monitorowania PMT jeśli udowodni, że uszkodzenie PMT nie wywoła wzrostu emisji powyżej poziomu 1,5-krotnie przekraczającego standardy FTP. Dla pojazdów średniej ładowności napędzanych silnikami ZS wyprodukowanych po roku 2006 system OBD II powinien wykrywać nieprawidłowe działanie przed stwierdzeniem obniżenia sprawności PMT mogącego wywołać wzrost emisji do poziomu przekraczającego 1,5-krotność standardów FTP. W przypadku, w którym uszkodzenie lub zużycie PMT nie wywołuje wzrostu emisji do poziomu przekraczającego 1,5-krotność standardów FTP system OBD II powinien stwierdzać nieprawidłowe działanie PMT w sytuacji jego uszkodzenia. 4. WNIOSKI Przedstawione nowe procedury diagnostyczne monitory OBD mają charakter kolejnego rozwinięcia systemu OBD II. Jest to kolejny etap jego unowocześniania, zwiększania wszechstronności i funkcjonalności. Koncepcja systemu diagnostyki pokładowej nie ogranicza się bowiem do pewnej ściśle określonej liczby monitorów, a także nie tylko do systemów związanych z emisją spalin. O ile rozwijanie systemu OBD II w kierunku podzespołów samochodu związanych np. z bezpieczeństwem jazdy jest sprawą niezbyt odległej przyszłości to konsekwentne rozwijanie i ulepszanie systemów pokładowej diagnostyki elementów emisyjnych, która dała praktycznie początek całej koncepcji OBD II ciągle ma miejsce. Wiodącą rolę pełni tu amerykański stan Kalifornia, gdzie są wdrażane najnowsze koncepcje przepisów i rozwiązań, przejmowane z pewnym opóźnieniem przez władze federalne USA, a następnie przez państwa europejskie. LITERATURA 1. Merkisz J., Mazurek S.: Pokładowe systemy diagnostyczne pojazdów samochodowych. Wydawnictwo Komunikacji i Łączności. Warszawa 2002.

2. Merkisz J., Ślęzak M., Gis W.: System diagnostyki pokładowej OBD. Konferencja Naukowa z okazji 50-lecia ITS pt. Determinanty i kierunki rozwoju badań naukowych transportu samochodowego. Warszawa 2002. 3. Merkisz J., Ślęzak M.: System EOBD (OBD II) w aspekcie ochrony środowiska i poprawy bezpieczeństwa. BRD 2/2001 Kwartalnik Motoryzacyjny Instytutu Transportu Samochodowego. Warszawa 2001. 4. Merkisz J.: Ekologiczne problemy silników spalinowych. Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej. Poznań 1999. CURRENT AND FUTURE DIAGNOSTIC PROCEDURES IN PASSENGER CAR EOBD SYSTEMS Abstract. Currently applied EOBD diagnostic procedures have been presented. The conditions to be met in order to realise the said procedures have been characterised. The planed changes, modifications and updates to the list diagnostic procedures, regarding additional vehicle subsystems, have been described.