Journal ofkones. Combustion Engines, VoB, No 3-4, 2001 WPLYW SARK ZAWARTEJ W BENZYNE NA DZALANE SYSTEMOW DAGNOSTYK POKLADOWEJ OBD-EOBD Jerzy Merkisz, Miloslaw Kozak Politechnika Poznanska nstytut Silnikow Spalinowych i Podstaw Konstrukcji Maszyn ul. Piotrowo 3, 60-965 Poznan Tel.: +48616652207, 6652704; Fax: +4861 6652204 e-mail: Jerzy.Merkisz@put.poznan.pl.Miloslaw.Kozak@put.poznan.pl Streszczenie: W referacie przedstawiono sposob rnonitorowania sprawnosci reaktora katalitycznego przez uklady diagnostyki pokladowej OBD-lEOBD. Opisano oddzialywanie siarki zawartej w benzynie na funkcjonowanie tych ukladow, Opisano roznice w jakosci benzyn dostepnych w Unii Europejskiej i w Polsce. Sformulowano teze 0 koniecznosci dalszej redukcji siarki w benzynie, pomimo towarzyszacych temu procesowi wysokich kosztow. 1. Wprowadzenie Pierwsze informacje na temat negatywnego wplywu zawartej w benzynie siarki na prace ukladow diagnostyki pokladowej OBD- zostaly przedstawione przez EPA w sierpniu 1995 roku [7]. Dotyczyly one pojazd6w typu Californian Low Emission Vehicles, wyposazonych w uklad OBD- i eksploatowanych poza Kalifornia, przy uzyciu typowych benzyn wedlug norm federalnych, zawierajacych znacznie wieksza niz w Kalifornii ilosc siarki (tab. 1). Tabela 1. Maksymalna zawartosc siarki w benzynie wedlug amerykanskich norm federalnych (EPA) i norm kalifornijskich (CARB) [6J Gatunek benzyny Maksymalna zawartosc siarki [ppm] EPA 49 State Conventional 1000 EPA 49 State RFG 500 CARB Conventional (1996) 150 CARB Phase 1\ RFG 40 CARB CBG (Cleaner BurningGasoline) 30 Zaobserwowano nieprawidlowa prace monitora katalizatora i wystepowanie falszywycl alarm6w ukladu OBD-, tj. uaktywnianie wskainika ML, gdy nie wystepowalo przekroczenn prog6w decyzyjnych w zakresie emisji (ang. false ML). Zjawisko to wprawdzie nie powodujc zwiekszenia emisji, ale jest powodem irytacji kierowc6w oraz moze bye powodem niechetnegr nastawienia opinii publicznej do uklad6w OBD-. Znacznie bardziej niekorzystny jest drug rodzaj usterek OBD- wywolywany przez siarke, a mianowicie brak podswietlenia wskaznik ML w warunkach przekroczenia dopuszczalnego progu emisji (1,5 x limit HC). Nieprawidlow praca monitora katalizatora przy zasilaniu paliwem 0 duzej zawartosci siarki spowodowana jes niewlasciwyrn dzialaniem katalizatora i czujnik6w tlenu w spalinach. 36
2. Oeena sprawnosci reaktora katalityeznego w systemie OBD-EOBD Stosowane w systemach OBD-/EOBD monitory sprawnosci katalizatora wykorzystuja informacje zawarte w sygnalach generowanych przez dwa czujniki t1enu umieszczone w strumieniu gazow wylotowych przed (PK) i za katalizatorem (ZK). Procedura diagnostyczna oparta jest na ocenie pojemnosci t1enowej katalizatora OSC (ang. oxygen storage capacity). Pojemnosc t1enowa katalizatora to zdolnosc do gromadzenia nadmiaru t1enu przy zasilaniu mieszanka uboga, a nastepnie jego uwolnienia przy mieszance bogatej, gdy ilosc t1enu niezbedna do utlenienia CO i HC jest ograniczona. Dodatkowo oprocz utleniania CO i HC, proces magazynowania i uwalniania tlenu wspomaga redukcje NO x. Pojemnosc OSC jest szacowana przez monitor na podstawie stosunku ilosci przelaczen czujnika t1enu przed katalizatorem do ilosci przelaczen czujnika za katalizatorem, przy pracy systemu zasilania w petli zamknietej (rys. 1). Przy duzej pojernnosci tlenowej czujnik ZK jest znacznie rzadziej przelaczany niz PK i przy zliczaniu liczby przelaczen obu czujnikow w dluzszym okresie czasu stosunek tych przelaczen jest bliski zeru. Zdolnosc do magazynowania tlenu przez zuzyty katalizator jest niska i stad srednia czestotliwosc przelaczania czujnika ZK zbliza sie do czestotliwosci przelaczania czujnika przed katalizatorem. Stosunek liczby przelaczen obserwowany w dluzszym czasie jest bliski jednosci. Jako parametr diagnostyczny uzywany moze bye rowniez czas opoznienia pomiedzy przelaczeniem czujnika PK i ZK, bedacego reakcja na wzbogacenie mieszanki. Dla katalizatora 0 niskiej OSC czas ten dazy do zera (rys. 2). Cm nik rzed katalizato masowy plzepyw POWletrza -""atu"",,'---j_+-~~ '---+--+--' Liczniki Przelaczeri Estymaty pojemnosci tlenowej Fil usredniajacy EWMA Czlon decyzyjny Rys. J. Monitor sprawnosci katalizatora 3. Meehanizm wplywu siarki na sprawnosc reaktora katalityeznego i unkejonowanie systemu OBD-EOBD Podstawowym zwiazkiem, ktory gromadzi tlen w katalizatorze jest dwutlenek ceru. Cer jest zdyspergowany w warstwie washcoat w procesie produkcji katalizatora. Siarka zakloca 37
funkcje magazynu t1enu pelniona przez cer poprzez adsorpcje na powierzchni katalizatora (co jest rnozliwe przy A, 2: 1) i formowanie siarczanu i/lub siarczynu ceru, ktore inhibituja gromadzenie t1enu. W wyniku termicznego starzenia katalizatora, czasteczki metalu szlachetnego aglorneruja (zbrylaja sie). Rezultatem tego jest zmniejszenie powierzchni czynnej katalizatora co powoduje obnizenie sprawnosci katalizatora oraz jego pojemnosci tlenowej. W przypadku wysokiej zawartosci siarki, przyspiesza ona termiczny proces degeneracji katalizatora poprzez odkladanie sie na powierzchni czastek metalu szlachetnego i ceru, intensyfikujac w ten sposob zmniejszenie powierzchni czynnej katalizatora. Katalizator 0 wysokiej pojemnosci t1enowej Katalizator 0 niskiej pojemnosci tienowej g. lloo ". ". 100 uujmkpokatilllzi1orz8 \" ''''''v-4 """ \(P4ka1a~rem...,""\ """,-..l - opmni&lll1 c~s6w prze<tczania ao as...~ :~ "'" ~... oro 100 u czujnlkp.""'.~ /', tzujnlkptted kalal~a101'$ll'l 10 CZAS(8910.;,0... niska 7- ----- ~ 'bo, op6znlenkl czaaow plz8lllmnil - -.. '-- Rys. 2. Zasada pracy monitora sprawnosci katalizatora wykorzystujqca czas opoinienia pomiedzy przelqczeniem czujnika PK i ZK, bedqcego reakcjq na wzbogacenie mieszanki Wyniki uzyskane przez EPA [7] wskazuja, ze efekty oddzialywania siarki na katalizator (obnizenie sprawnosci konwersji i pojemnosci tienowej) rnoga bye w czesci lub calkowicie odwracalne przez zastosowanie paliwa niskosiarkowego. W przypadku katalizatorow eksploatowanych przy wysokosiarkowych paliwach moze wystapic zjawisko "efektu pamieciowego", oznacza to, ze katalizator nie powroci do pierwotnej sprawnosci jedynie dzieki zastosowaniu paliwa typu "sulphur free"..efekt pamieciowy" moze bye skasowany wylacznie w warunkach bogatej mieszanki i wysokiej temperatury spalin. Takie warunki podczas normalnej eksploatacji pojazdu wystepuja jednak rzadko. Zaleznie od kompozycji katalizatora (tj. sklad warstwy washcoat, ilosc i rodzaj metalu szlachetnego itd.) wystepuje rozna wrazliwosc na siarke. Wedlug Rady Koordynacji Badan (CRC - Coordinating Research Council) - organizacji producentow samochodow i paliw, niektore monitory katalizatora nie sa wrazliwe na siarke lub sa wrazliwe w malym stopniu nie prowadzacym do podswietlenia ML, ale dzialanie niektorych monitorow katalizatora moze bye zaklocane przez siarke i prowadzic do podswietleniawskaznika ML. Wplyw siarki na katalizator rosnie ze wzrostem technicznego zaawansowania pojazdu. Wedlug EPA [7] wplyw siarki na sprawnosc katalizatora i jego pojemnosc tlenowa jest znacznie wiekszy w przypadku LEV (Low Emission Vehicle) niz pojazdow k1asy Tier 0 i Tier 1. Dwa zasadnicze powody tego zjawiskato: 1. w pojazdach LEV dokladniej utrzymywany jest A, = 1 (mniejsza amplituda oscylacji wokol A, = 1); dokladniejsze utrzymywanie A, = 1 wzmaga wplyw siarki poniewaz ograniczone jest dopuszczalne wzbogacenie mieszanki, a jak wspomniano wczesniej siarka adsorbuje sie na powierzchni katalizatora w warunkach A, 2: 1, dodatkowo utrudniona jest regeneracja.zatrutego" siarka katalizatora, ktora wymaga A, < 1, 2. w pojazdach LEV stosuje sie katalizatory palladowe (czasami w polaczeniu z tradycyjnymi metalami szlachetnymi: platyna i rodem), ktore sa bardziej wrazliwe na siarke niz te z Pt i Rh oraz cechuje je silniejszy "efekt pamieciowy",,. ".. 38
Ograniczenie wywolanych przez siarke aktywacji ML moze bye uzyskane przez zlagodzenie progow decyzyjnych (tj. dopuszczenie wiekszego zmniejszenia OSC nie wywolujacego aktywacji ML). Nalezy tu jednak zaznaczyc, ze w przypadku niektorych monitorow katalizatora, zlagodzenie progow decyzyjnych jest niemozliwe ze wzgledu na nieliniowa zaleznosc miedzy pojemnoscia tlenowa katalizatora i sprawnoscia konwersji HC (rys. 3). Z tego wzgledu, monitory katalizatora sa kalibrowane (odnosnie pojemnosci t1enowej) w poblizu plaskiego odcinka krzywej. Zatem w tym przypadku nie mozna zlagodzic progow decyzyjnych, gdyz wiazalo by sie to z "wejsciem" na plaski odcinek krzywej, na ktoryrn wystepuje trudnosc z ocena sprawnosci konwersji (na tym odcinku pojernnosc t1enowa prawie nie zmienia sie, natomiast sprawnosc konwersji HC zmienia sie znacznie). Prog pojemnosci tlenowej --- -------------------------------------- ---------- Sprawnosc konwersji He Rys. 3. Zaleznosc pojemnosci tlenowej katalizatora i sprawnosci konwersji He [7J W przypadku niektorych monitorow wysoka zawartosc siarki w benzynie powoduje brak aktywacji ML, w warunkach wzrostu emisji ponad prog decyzyjny. Spowodowane jest to nieprawidlowa praca czujnika t1enu umieszczonego za katalizatorem (ZK), bedacego elementem monitora pracy katalizatora ukladu OBD-/EOBD. Oddzialywanie siarki polega na spowolnieniu reakcji czujnika ZK na zmiany zawartosci t1enu w spalinach (przypomnijmy: dla uszkodzonego katalizatora czestotliwosci przelaczen czujnika t1enu PK i ZK sa zblizone, dla katalizatora dobrego czujnik ZK jest przelaczany znacznie rzadziej), przez co z czujnika ZK, pomimo usterki katalizatora, wychodzi sygnal odpowiadajacy wysokiej pojemnosci t1enowej katalizatora. Wobec czego do komputera pokladowego dociera falszywa informacja o odpowiedniej (akceptowalnej) sprawnosci katalizatora i nie dochodzi do wywolania flagi uszkodzenia katalizatora (ang. poorlyperforming catalyst). Warto wspomniec jeszcze 0 dwoch negatywnych aspektach siarki w odniesieniu do ukladow OBD-l/EOBD:./ W przypadku gdy siarka nie powoduje najbardziej dotkliwych skutkow, tj. fajszywych alarrnow lub braku aktywacji ML w warunkach przekroczenia progu emisji, wystepowac moze intensyfikacja zmiennosci decyzji w procesie identyfikacji i sygnalizacji uszkodzen, a wiec pogorszenie pewnosci pracy monitora katalizatora. Zdaniem EPA wystepowaniu blednych decyzji mozna tu w duzym stopniu zapobiec dzieki zastosowaniu strategii statystycznej obrobki wynikow testow, np. wykorzystujacej usrednianie cyfrowe z ekspotencjalna wagllewma (ang. Exponentially WeightedMoving Average)../ Ograniczenie wpjywu siarki na monitor mozliwe jest dzieki zastosowaniu odpowiedniej strategii diagnostycznej. Na przykjad, mozna na poczatku monitora, wymusic chwilowa zrniane skladu mieszanki na bogaty, co powoduje czasowe przywrocenie pelnej sprawnosci katalizatora. Gdy tylko monitor sie zakonczy, sprawnosc katalizatora znowu 39
ulega obnizenia na skutek ponownego odlozenia zwiazkow siarki na powierzchni katalizatora. Jakkolwiek ta procedura diagnostyczna jest odporna na wplyw siarki, to jednak katalizator jest monitorowany w warunkach nie w pelni odpowiadajacych rzeczywistym warunkom pracy. 4. Destepne w Polsce benzyny silnikowe a system OBD l/eobd Od firm samochodowych dzialajacych na rynku polskim padaja sugestie 0 bezposrednim zwiazku poprawnego fimkcjonowania systemu OBD-lEOBD z jakoscia paliwa znajdujacego sie w obrocie i niezgodnego z Dyrektywa 98170EC. Obecny stan prawno-normalizacyjny jest nastepujacy: 0/ od stycznia 2000 r. w krajach UE obowiazuje norma EN 228: 1999; norma ta jest konsekwencja Dyrektywy 98170, 0/ od jesieni 1999 r. w Polsce obowiazuje norma PN-EN 228: 1999 (jest to tlumaczenie normy EN 228: 1993). Porownanie wymagan stawianych benzynom silnikowym (typu premium - liczba oktanowa badawcza = 95) w krajach Unii Europejskiej (EN 228: 1999) i w Polsce (pn-en 228: 1999) przedstawiono w tabeli 2. Tabela 2. Porownanie wymagan stawianych benzynie typu premium w normach EN 228: 1999 i PN-EN 1999 [2] WLASCWOSt EN 228: 1999 PN-EN 228: 1999 Zawartosc oowiu [mgll] max 5 max 13 Zawartosc siarki [mg/kg] max 150 max 500 Zawartosc weglowodorow: - olefinowych [% (v/v)] max 18 - - aromatvcznvch f% (v/v)] max 42 - Zawartosc benzenu [% (v/v)] max max 5 Zawartosc tlenu [% (mlm)] max 2,7 max 2,8 Preznosc par [kpa] min. od 45 do 70 min. od 35 do 65 max od 60 do 100 max od 70 do 100 Do temp. 70 C destyluje [% (v/v)] min. od 20 do 22 min, od 15 do 20 max od48 do 50 max od 45 do 50 min. 46 min. od 40 do 43 Do temp. 100 C destyluje [% (v/v)] max 71 max od65 do 70 Do temp. 150 C destyluje [% (v/v)] min. 75 - Do temp. 180 C destyluje [% (v/v)] - min. 85 Temperatura konca destylacj i r'cj 210 215 Z danych tablicy 2 wynika, ze paliwa produkowane na zgodnosc zen 228: 1999 zawierac musza wiecej frakcji lekkich, a mniej ciezkich niz wymaga tego aktualna PN-EN 228: 1999. Ponadto benzyny sprzedawane w Polsce zawierac moga wiecej olowiu, a takze sklad weglowodorowy rnoze bye inny: zawierac mega wiecej benzenu, weglowodorow aromatycznych i olefin. Rowniez dopuszczalna zawartosc tlenu jest wyzsza, W aspekcie systemu OBD-lEOBD szczegolnie niekorzystna jest znacznie wyzsza dopuszczalna 40
zawartosc siarki [5]. Nalezy jednak podkreslic, ze faktyczne wlasciwosci benzyn sprzedawanych na rynku polskim sa silnie zroznicowane, PKN Orlen i Rafineria Gdanska produkuja benzyny 0 zawartosci benzenu, aromatow i olefin oraz siarki na poziomie zblizonym do europejskiego. Sklad frakcyjny (destylacja) musza utrzymywac na poziornie wymaganym przez PN-EN 228: 1999, ale technologicznie moga przesunac go do poziomu europejskiego. Nalezy rowniez zwrocic uwage, ze pewna cz~se benzyn sprzedawanych w Polsce nie dotrzymuje aktualnych wyrnagan PN-EN 228: 1999, co jest mozliwe z powodu braku systemu monitorowania przez organa panstwowejakosci paliw. Jakosc paliwa moze miec dwojaki wplyw na prace pokladowych system6w diagnostycznych: po pierwsze moze to bye wpyw chwilowy polegajacy na zakloceniu proces6w spalania i rozstrojeniu algorytm6w sterowania skladem mieszanki (ang. Short term, Long term fuel trim), po drugie moze to bye om6wiony wczesniej wplyw dlugoterminowy polegajacy na stopniowej degradacji wlasnosci czujnik6w tenu i zmniejszeniu sprawnosci reaktor6w katalitycznych wywolanych glownie przez zawarte w paliwie zwiazki siarki. Odnosnie wplywu chwilowego najwiekszy wplyw moze miec zawartosc wody w paliwie, ktora jest przyczyna wypadania zapionow, rejestrowanych przez pokladowy system diagnostyczny jako uszkodzenie 0 kodach bledow P0300 do P0310. W systemie OBD /EOBD wbudowano dlugoterminowe algorytmy samokontrolne, kt6re automatycznie skasuja zarejestrowane kody, jezeli wypadanie zaplonow ustapi (przypomnijmy, ze kody uszkodzen systemu spalania i paliwowego moga zostac skasowane, jezeli uszkodzenia nie wystapily w trzech kolejnych cyklach jezdnych, w kt6rych zaobserwowano te same warunki pracy ukladu napedowego, jakie wystapity w momencie pierwszego wykrycia tych uszkodzen), co moze rniec na przyklad miejsce po ponownym napelnieniu zbiornika paliwem nie zawierajacym wody. Dugoterminowy wpyw zanieczyszczen paliwa jest na biezaco identyfikowany przez pokladowy system diagnostyczny, kt6ry mierzy rzeczywiste parametry czujnik6w tlenu oraz ilosciowo ocenia sprawnosc reaktora katalitycznego. Wyniki ilosciowe tych testow zgodnie z normami OBD- i EOBD mogllo bye czytane za pomoca standardowego czytnika magistrali. W badanych pojazdach eksploatowanych w Polsce przez okres co najmniej ostatnich dw6ch lat nie zauwazono odbiegajacych od normy odchylek parametrow czujnik6w tlenu i sprawnosci reaktora katalitycznego [8]. Sugestie niekt6rych firm, co do niernoznosci stosowania ukladu diagnostyki pokladowej ze wzgledu na nieodpowiednia jakosc dostepnych w Polsce benzyn sa w opinii autor6w nieuzasadnione i moga bye tylko pretekstem do nie wprowadzenia system6w EOBD przez firmy samochodowe, dzialajace na rynku polskim, a moga wynikac glownie z ich dzialan oszczednosciowych. 5. Podsumowanie Zawarta w benzynie siarka wplywa niekorzystnie m.in. na sprawnosc ukladow katalitycznego oczyszczania spalin, korozyjne zuzycie silnika, emisje tlenkow siarki w spalinach silnikowych. Negatywny wpyw siarki na uklady diagnostyki pokladowej OBD /EOBD jest kolejnym argumentem przemawiajacyrn za dalszym ograniczeniem zawartosci w paliwach tego pierwiastka i jego zwiazkow. Nalezy tu jednak zaznaczyc, ze proces odsiarczania ropy naftowej jest procesem energochlonnym i kosztownym. Obowiazek wyposazenia pojazd6w z silnikami 0 zaplonie samoczynnym w uklady diagnostyki pokladowej wchodzi w Europie w zycie z dniem stycznia 2005 roku. W tym samym dniu zaczna obowiazywac nowe specyfikacje paliw (EURO V). Warto zadbac 0 dostosowanie przed ta data polskich uregulowan normatywnych do obowiazujacych w Unii Europejskiej, zwlaszcza w obliczu naszych aspiracji jak najszybszego przyjecia do UE. Zapobiegnie to dyskusjom producentow pojazd6w oponujacych przeciw stosowaniu ukladow 41
diagnostyki pokladowej w sprzedawanych w Polsce samochodach, pod pozorem zbyt niskiej jakosci paliw. Z uwagi na zakres i szczegolowosc wprowadzonych przepisow oraz wysokie wymagania odnosnie parametrow niezawodnosciowych i emisyjnych spelnienie normy OBD-lEOBD stanowi wyzwanie dla przemyslu motoryzacyjnego, porownywalne do wprowadzonych w latach 90-tych limitow toksycznosci spalin. Jako pewnik mozna traktowac stwierdzenie, ze technologia generowana przez wymienione regulacje bedzie okreslala rozwoj przemyslu samochodowego zarowno w sferze produkcji i projektowania pojazdow, jak i ich eksploatacji [1,4]. Wprowadzenie norm OBD-T i EOBD bedzie niewatpliwie mialo rowniez duzy wplyw na rozwoj paliw silnikowych, a w szczegolnosci dalszego ograniczenia zawartosci siarki. Wydaje sill, ze z tego wzgledu w niedalekiej przyszlosci paliwa 0 zawartosci siarki na poziomie kilku ppm beda standardem, rowniez w naszym kraju. Bibliografia [] Gis W., Merkisz J.: Techniczno-prawne wymagania normy OBD i EOBD w swietle obowiqzujqcego i planowanego ustawodawstwa. Eksploatacja i niezawodnosc nr 5/2000. [2] G1llb 1., Kazmierczak 0., Kulczycki A.: Rozwoj paliw silnikowych w krajach Unii Europejskiej i w Polsce. Eksploatacja i niezawodnosc nr 5/2000. [3] nfluence of the sulphur content in fuel on the fuel consumption andpollutant emissions ofvehicle with gasoline and diesel engines. FEV Report 2 November 1999. [4] Mazurek S., Merkisz J.: Pokladowe systemy diagnostyczne pojazdow samochodowychpodstowowe cele i wymagania normy OBD. Journal ofkones 1999. [5] Merkisz J., Kozak M., Rychter M.: Wymagania odnosnie paliw silnikowych w aspekcle wprowadzenia w Polsce systemu diagnostycznego OBD (EOBD). V Konferencja Naukowo-Techniczna: Diagnostyka Pojazdow Samochodowych 2000, Katowice 17 listopada 2000 r. [6] Merkisz J., Kozak M.: Paliwa do wspolczesnych silnikow spalinowych Paliwa, Oleje i Smary w eksploatacji nr 72 i 73/2000. [7] OBD & Sulphur Status Report: Sulphur's Effect on the OBD Catalyst Monitor on Low Emission Vehicles. U.S. Environmental Protection agency, September 1997. [8] Stanowisko TS w sprawle wdrozenia w Polsce Dyrektywy Unll Europejskiej 98/69/EC (system EOBD) THE NFLUENCE OF SULPHUR CONTANED N GASOLNE ON ON-BOARD DAGNOSTC SYSTEMS OBD-!EOBD OPERATON The sulphur content is the most important parameter of gasoline taking into account proper operation ofcatalytic converters and exhaust gas oxygen sensors. Therefore sulphur contained in fuel influences also correct operation of on-board diagnostic systems OBD-ll1EOBD, for example causes false alarms of exceed permissible emissions threshold. The paper describes the mechanics of influence and negative effects of sulphur contained in gasoline on OBD-ll1EOBD systems. The problem of sulphur in fuel is currently very important in Poland for the sake of very permissive regulations of Polish Standard in that regard. 42