SZCZYPIŃSKI-SALA Wojciech 1 Ocena parametrów pracy silnika pojazdu w warunkach awaryjnych WSTĘP Rozbudowane układy sterowania współczesnych pojazdów samochodowych pozwalają na prowadzenie ciągłego nadzoru nad poprawnością działania niemal wszystkich elementów składowych systemu. Do tej kontroli wykorzystywane są różnego rodzaju procedury diagnostyczne [1-4]. Systemy diagnostyki wprowadzone zostały głównie z myślą o nadzorowaniu poprawności działania podzespołów i układów wpływających na emisję do atmosfery generowanych przez pojazd substancji szkodliwych, co było podyktowane dążeniem do zmniejszenia uciążliwości środków transportu dla środowiska naturalnego. Po przekroczenia wartości parametru krytycznego z punktu widzenia emisji związków szkodliwych, o co najmniej 50% jego wartości dopuszczalnej, informacje o tym w postaci kodu błędu zostają zapisane w pamięci sterownika. Takie działania ma na celu umożliwienie wczesnego wykrywania uszkodzeń wpływających na poziom emisji. Często, bowiem są to uszkodzenia, które ze względu na swoją niską uciążliwość dla kierowcy mogłyby być wykryte dopiero podczas okresowej kontroli, a zatem czas od wystąpienia usterki do jej usunięcia mógłby być bardzo długi [5,6]. Konsekwencją zapisania informacji o usterce jest najczęściej ograniczenie przez układ sterowania obciążenia silnika. Możliwe jest wtedy kontynuowanie jazdy, przy awaryjnym wysterowaniu parametrów pracy, lecz bez wykorzystywania pełnych możliwości silnika, czyli z ograniczoną funkcjonalnością pojazdu [7,8]. 1. NIESPRAWNOŚCI ELEMENTÓW UKŁADU STEROWANIA Elementy i podzespoły majce wpływ na poziom emisji to praktyczne większość elektrycznych i elektronicznych elementów układu zasilania, wszystkie układy kontroli i redukcji emisji oraz czujniki i elementy wykonawcze automatycznych skrzyń biegów i skrzyń rozdzielczych. Elementy te zostały podzielone na trzy grupy, w zależności od istotności ich wpływu na zwiększenie emisji. Grupa A obejmuje elementy o największym wpływie na zwiększenie emisji w przypadku ich uszkodzenia lub zużycia, takie jak związane z proces spalania, reaktorem katalitycznym, czujnikiem tlenu, czy układem odprowadzanie par paliwa. Kolejna grupa B, to układy mające średni wpływ. Zalicza się do niej układ recyrkulacji spalin, układ przewietrzania skrzyni korbowej, układ powietrza dodatkowego, a także układ sterujący składem mieszanki. Ostatnia grupa C obejmuje elementy o najmniejszym wpływie na wzrost emisji toksycznych składników spalin w wypadku pojawienia się uszkodzenia. Można tu wskazać czujniki przesyłające sygnały bezpośrednio do sterownika oraz inne elementy pośrednio związane z przesyłaniem tych informacji, elementy odbierające polecenia ze sterownika wpływające na wzrost emisji, oraz elementy wykorzystywane do realizowania procedur diagnostycznych innych układów. W ramach przeprowadzonych testów do oceny wybrano zespół masowego czujnika przepływu powietrza, oraz zespół turbosprężarki, przy czym w tym drugim przypadku przebadano wpływ podciśnienia zaworu regulacji geometrii kierownic, oraz wystąpienia przerwy w obwodzie elektrycznym tego zaworu. Do wykonania testów wykorzystano samochód Opel Signum 1.9 CDTI. 1 Politechnika Krakowska, Instytut Pojazdów Samochodowych i Silników Spalinowych; 31-864 Kraków; Al. Jana Pawła II 37, tel: + 48 628-35-40, ws@mech.pk.edu.pl 1301
2. WPŁYW WYBRANYCH NIESPRAWNOŚCI NA PARAMETRY PRACY SILNIKA 2.1. Przerwa w obwodzie czujnika masowego przepływomierza powietrza W układzie starowania silnika diagnozowanie sygnału z przepływomierza możliwe jest do wykonywania w oparciu o porównanie wartości wskazywanych przez przepływomierz z wartościami sygnałów z innych czujników. W ten sposób przeprowadzany jest test funkcjonalny. Jedną z możliwych rozpoznawalnych nieprawidłowości są przerwy w obwodzie przepływomierza. W rozważnym rozwiązaniu zastosowanym w pojeździe czujnik masowego przepływu powietrza zintegrowany był z czujnikiem temperatury powietrza dolotowego. W takim przypadku przerwa w obwodzie układu, wynikająca przykładowo z uszkodzenia złącza elektrycznego powoduje brak informacji w sterowniku z masowego czujnika przepływu powietrza oraz czujnika temperatury powietrza dolotowego. Taki stan prowadzi do zapisania kodu błędu w trybie trzecim, co związane jest z jednoczesnym zapaleniem kontrolki MIL. Związane jest to z charakterem usterki, oznaczającej prawdopodobieństwo zwiększonej emisji toksycznych składników do atmosfery ponad dopuszczalny limit, co zwykle towarzyszy tego typu uszkodzeniom. Rys. 1. Przebiegi sygnałów zarejestrowanych podczas pracy z prawidłowo działającym układem sterowania W grupie rozszerzonych trybów odczytów błędów (w trybie trzynastym) oprócz informacji o nieprawidłowym działaniu masowego czujnika przepływu powietrza zapisana została również informacja o nieprawidłowym działaniu obwodu czujnika temperatury powietrza dolotowego. Mamy, zatem do czynienia z typową sytuacją unormowaną dla systemu EOBD. Wynikiem niesprawności działania masowego przepływomierza powietrza jest znaczne ograniczenie mocy silnika, wynikające z przełączenia się w tryb awaryjnej pracy sterownik silnika. W takiej sytuacji maksymalna prędkość obrotowa silnika tylko nieco przekraczała 2200 obr/min. Na podstawie zarejestrowanych przebiegów wybranych parametrów pracy silnika przedstawionych na rysunkach 1 i 2 można określić skutki wystąpienia tego typu usterki. Przejście układu sterowania w tryb awaryjny wiąże się ze zmianami wysterowania parametrów pracy układu zasilania, co z kolei przekłada się na osiągi pojazdu. Na rysunku 2a widoczny jest zerowy sygnał natężenia przepływu powietrza. Pomimo prawie pełnego obciążenia silnika w czasie jazdy widoczny jest znaczący spadek rejestrowanych maksymalnych wartości ciśnienia paliwa w zasobniku oraz ciśnienia w kolektorze dolotowym. 1302
Rys. 2. Przebiegi sygnałów podczas pracy z usterką w obwodzie przepływomierza Dodatkowo układ sterowania w takim przypadku zmniejszył dawkę paliwa z 70 mg przy pełnym obciążeniu do maksymalnie 27 mg na jeden cykl pracy. Jak można zauważyć na wykresie zmianie uległ również kąt wyprzedzenia wtrysku, który został przesunięty z 10º obrotu wału korbowego przed górnym martwym położeniem do maksymalnie 3º, co widoczne jest na przebiegu przedstawionym na rysunku 4a. Zmieniony został poziom wysterowania ciśnienia doładowania, a co za tym idzie i ciśnienie doładowania spadło z 240 kpa do maksymalnie 115 kpa. Przebiegi tych sygnałów pokazano odpowiednio na rysunkach 3c i 4c. Rys. 3. Parametry wysterowania dawki paliwa w układzie bez usterek Na zarejestrowanych przebiegach sygnałów zauważyć można, że ograniczeniu ulega nie tylko maksymalna wartość kąta wyprzedzenia wtrysku, ale na poziomie 1-2º OWK przed GMP jest on utrzymywany podczas niemal całego cyklu przejazdu testowego. Podobnie obniżony poziom wysterowania ciśnienia doładowania to około 112 kpa i wartości dawki paliwa 15mg na cykl. Opisane zmiany wysterowania wpływają na zmniejszenie rozwijanego przez silnik momentu obrotowego. Maksymalny szacowany moment obrotowy uzyskany przy braku usterek wynosił 320 Nm, natomiast usterka obwodu zespołu masowego czujnika przepływu powietrza i czujnika temperatury powietrza dolotowego powodowała zmniejszenie dostępnego momentu obrotowego do poziomu 100 Nm, a zatem o 68%. 1303
Rys. 4. Parametry wysterowania dawki paliwa w układzie podczas pracy z usterką w obwodzie przepływomierza 2.2. Podciśnienie zaworu sterowania zmienną geometrią kierownic turbosprężarki Ocena działania układu regulacji geometrii kierownic turbosprężarki możliwa jest dzięki kontroli ciśnienia doładowania. Rozpoznanie odchyłki poziomu ciśnienia doładowania utrzymującego się przez dłuższy czas jest przesłanką do zapisania kodu błędu. Potwierdzenie występowania usterki następuje w kolejnym cyklu jezdnym. Dodatkowa ocena możliwa jest w oparciu o procedurę porównania poziomu sygnałów pochodzących z czujnika ciśnienia powietrza w układzie dolotowym silnika i czujnika ciśnienia bezwzględnego. Różnica pomiędzy sygnałami z tych czujników wskazuje na usterkę. Nieco inna sytuacja wystąpi w przypadku braku podciśnienia sterowania zmienną geometrią kierownic turbosprężarki. Kod błędu nie zostanie zapisany w pamięci sterownika ze względu na brak możliwości przeprowadzenia procedury sprawdzającej w kolejnym cyklu jezdnym. Zatem poziom sygnałów wysterowania pozostanie na poziomie odpowiadającym prawidłowej pracy układu regulacji. Nie zmienia to jednak faktu braku odpowiedniej wartości podciśnienia uniemożliwiającej poprawne działanie układu. Obrazem takiego stanu są uzyskane wartości ciśnienia doładowania, a zatem momentu obrotowego, które są niższe niż w sytuacji poprawnie działającego układu. Rys. 5. Wybrane parametry podczas pracy z niewłaściwym podciśnieniem regulacji zmiennej geometrii kierownic turbosprężarki Na zarejestrowanych przebiegach obserwować można zmniejszenie dawki paliwa z maksymalnie 69 mg do 44 mg na cykl. Porównując przebiegi wysterowania ciśnienia doładowania z uzyskiwanym ciśnieniem doładowania zauważamy rozbieżność. Przy poprawnie działającym układzie, zadana wartość ciśnienia doładowania była w całym zakresie realizowana prawidłowo. Przy braku podciśnienia, pomimo wysterowania odpowiedniej wartości ciśnienia doładowania układ nie ma możliwości realizacji tego zadania. Zarejestrowane wartości osiągają poziom około 50% wartości wysterowanej. Potwierdzają to mniejsze wskazanie masowego czujnika przepływu powietrza. W efekcie takiej usterki nastąpiło zmniejszenie wartości uzyskiwanego momentu obrotowego 200 Nm. Taki spadek był wyraźnie wyczuwalny przez kierowcę już podczas testów. 1304
Rys. 6. Wybrane parametry pracy z niewłaściwym podciśnieniem regulacji zmiennej geometrii kierownic turbosprężarki 2.3. Przerwa w obwodzie elektrycznym zaworu sterowania zmienną geometrią kierownic turbosprężarki Przerwa w obwodzie elektrycznym zaworu sterowania zmianą geometrii kierownic turbosprężarki w pierwszym przejeździe testowym nie doprowadziła do zarejestrowania błędu. Wystąpiła tu sytuacja analogiczna do opisywanej wcześniej, a mianowicie ze względu na to, że nie została wykonana odpowiednia liczba procedur diagnostycznych w kolejnych, co najmniej dwóch cyklach jezdnych potwierdzających wystąpienie usterki. Tym samym nie został zapisany kod błędu w pamięci sterownika. Spowodowało jednak zapisanie kodu błędu dotyczącego czujnika ciśnienia doładowania. Potwierdzenie usterki w kolejnym cyklu jazdy testowej spowodowało wprowadzenie błędu do pamięci. Rys. 7. Ciśnienie i natężenie przepływu powietrza podczas pracy z przerwą w obwodzie elektrycznym sterowania zmianą geometrii kierownic turbosprężarki Rys. 8. Wybrane parametry podczas pracy przy sprawnym sterowaniu (a, b) 1305
Rys. 8. Wybrane parametry podczas pracy przy sprawnym sterowaniu (c, d, e, f) Rys. 9. Wybrane parametry podczas pracy z przerwą w obwodzie elektrycznym sterowania zmianą geometrii kierownic turbosprężarki Również tutaj, podobnie jak w poprzednim przypadku obserwowany był spadek natężenia przepływu powietrza związany z nieprawidłową pracą układu regulacji geometrii kierownic turbosprężarki, a także zmniejszenie maksymalnego ciśnienia paliwa w zasobniku. Odczuwalny był spadek momentu obrotowego. Pomimo zapisania w pamięci sterownika błędu związanego z nieprawidłowym działaniem czujnika ciśnienia doładowania, przebiegi sygnału wskazania tego czujnika były prawidłowe. Na podstawie zarejestrowanych przebiegów parametrów można stwierdzić, że ograniczeniu uległa wartość zakładanego ciśnienia doładowania, do poziomu podobnie jak w przypadku przerwy w obwodzie przepływomierza, czyli 110 kpa, a maksymalnej wartości do 120 kpa. Uzyskiwane wartości odpowiadały wartości zakładanej. Zmniejszeniu uległy wskazania masowego czujnika przepływu powietrza, co związane było ze zmniejszeniem ciśnienia doładowania. Również w przypadku tej niesprawności wartość momentu obrotowego spadła do poziomu maksymalnie 200 Nm. 1306
WNIOSKI Analizując wyniki przeprowadzonych testów można stwierdzić, że przy wszystkich przeanalizowanych niesprawnościach w układzie sterowania silnikiem następuje niemal 50 procentowe ograniczenie oddawanego przez silnik momentu obrotowego. W takiej samej proporcji do poziomu odpowiadającego normalnej pracy zmniejszona zostaje wartość ciśnienia doładowania. Różnice w parametrach pracy silnika widoczne są również w zależności od tego czy istnieje możliwość wysterowania właściwego poziomu ustawienia urządzenia wykonawczego, czy też błąd związany jest bezpośrednio z obwodem sterowania. Uwidoczniono to na przykładzie działania turbosprężarki. Brak podciśnienia sterowania może nie być wykrywany przez układ sterownia, natomiast przerwa w obwodzie jest natychmiast zapamiętywana jako błąd, jakkolwiek w obu wypadkach następuje zmniejszenie uzyskiwanego ciśnienia doładowania z uwagi na brak możliwości jego właściwego wysterowania. Streszczenie W artykule przedstawiono wyniki wykonanych testów oceny parametrów pracy sinika spalinowego pojazdu samochodowego w warunkach występowania usterek systemu sterowania, lub usterek wybranych podzespołów układu zasilania. Poprawność działania wszystkich elementów układu sterowania decyduje o osiągach pojazdu, jego ekonomice, poziomie emisji toksycznych składników spalin, a nawet możliwości kontynuowania jazdy. Podczas cykli przejazdów drogowych rejestrowano przebiegi sygnałów z czujników pokładowych pojazdu, a następnie porównano je z zarejestrowanymi podczas analogicznych przejazdów z niesprawnymi podzespołami układu dolotowego. Niesprawności polegały na wprowadzeniu przerw w obwodach sterownia wybranych podzespołów. Zarejestrowanie przez układ sterowania błędu systemu decyduje o przejściu systemu w awaryjny stan sterowania i ograniczeniu obciążenia silnika, a tym samym i jego osiągów. Przeprowadzono ocenę wybranych niesprawności na osiągi i pracę silnika. Assessment of vehicle engine performance in failure control system condition Abstract In the paper results of on road tests conducted for estimation of engine performance working with failure of control system has been presented. The study has been focused on the engine air intake system. Correctly working engine control system determines the power output of a vehicle as well exhaust emissions and fuel economy. During the driving cycle test the vehicle was driven over a sequence of accelerations and speed in on road condition and signals from on board sensors was recorded and stored on file in a computer. Then in next test cycle failure in intake system was introduced. This has been followed by introducing break in electric circuit of control system during the driving tests. Due to control system must be flexible that it can accommodate a variety of on road condition difference between signals level in both case was observed. The assessment of vehicle performance and behavior of engine drivers when some electric failure appears in system has been discussed. BIBLIOGRAFIA 1. J1962 - SAE standards. Defines the physical connector used for the OBD-II interface. 2. J1978 - SAE standards. Defines minimal operating standards for OBD-II scan tools. 3. J1979 - SAE standards. Defines standards for diagnostic test modes. 4. J2012 - SAE standards. Defines standards trouble codes and definitions. 5. Luft M., Olszowiec P., Diagnostyka sterowników pojazdu samochodowego z wykorzystaniem sieci Internet. Logistyka 2010, nr 6. 6. Luft M., Olszowiec P., Zastosowanie optycznych sieci wymiany danych w pojazdach samochodowych, VI Konferencja Naukowo Techniczna, Logistyka Systemy Transportowe Bezpieczeństwo w Transporcie, LOGITRANS 2009, Prace Naukowe, Transport 2009 nr 1/27. 7. Merkisz J., Mazurek St., Pokładowe systemy diagnostyczne pojazdów Samochodowych, WKiŁ, Warszawa 2007. 8. Zimmermann W., Schmidgall R., Magistrale danych w pojazdach. WKiŁ, Warszawa 2009. 1307