OCENA SKUTECZNOŚCI DZIAŁANIA GŁÓWNYCH PROCEDUR DIAGNOSTYCZNYCH ORAZ STOPNIA IMPLEMENTACJI SYSTEMÓW EOBD W SAMOCHODACH OSOBOWYCH Z SILNIKAMI ZI PODCZAS BADAŃ HOMOLOGACYJNYCH Jerzy Merkisz*, 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 systemy EOBD zaimplementowane w samochodach osobowych badanych w Polsce podczas badań homologacyjnych w latach 2001-2002; dokonano również oceny rezultatów testów emisji CO, HC i NO x tych pojazdów. Przedstawiono także wyniki realizacji monitorów diagnostycznych w testach NEDC na hamowni podwoziowej w różnych temperaturach otoczenia. 1. WSTĘP Pierwsza norma OBD (On Board Diagnostic) została opublikowana 19 lutego 1993 r. przez EPA (Environment Protection Agency). Obecnie OBD II jest stosowany w większości samochodów osobowych i użytkowych w USA. Jego europejska odmiana EOBD (European On Board Diagnostic) jest stosowana w pojazdach samochodowych w Europie. W Polsce skoordynowane prace nad wdrożeniem systemu EOBD rozpoczęły się w Instytucie Transportu Samochodowego. Podstawowym celem, jaki przyjął ustawodawca, wprowadzając obowiązek stosowania pokładowych systemów diagnostycznych w samochodach osobowych z silnikami ZI (na terenie Unii Europejskiej od 1 stycznia 2001 r.) jest ograniczenie emisji substancji toksycznych do środowiska naturalnego. Ograniczenie emisji jest rozumiane jako maksymalne skrócenie czasu od wykrycia usterki do jej usunięcia. 2. OPIS OBIEKTU BADAŃ ORAZ WARUNKÓW TECHNICZNYCH BADAŃ Aby potwierdzić skuteczność działania sytemu EOBD, postanowiono dokonać jego oceny w symulowanych warunkach na hamowni podwoziowej w europejskim cyklu jezdnym według regulaminu EKG ONZ 83.05. Testy wykonano na samochodzie osobowym przekazanym do Instytutu Transportu Samochodowego w celu wykonania badań homologacyjnych (parametry techniczne tab. 1).
Wymiary i masa: Rozstaw osi pojazdu: Długość: Szerokość: Wysokość: Dopuszczalna masa całkowita: Silnik: Tab. 1. Parametry techniczne obiektu badawczego Tab. 1. Technical parameters of the tested vehicle Zasada działania: Liczba i układ cylindrów: Pojemność skokowa: Maksymalna moc silnika przy prędkości obrotowej: Reaktor katalityczny (liczba, typ): Czujniki zawartości tlenu: 2625 mm 4209 mm 1777 mm 1458 mm 1725 kg Zapłon iskrowy, czterosuwowy 4, rzędowy 1598 cm 3 83 kw przy 6000 min 1 1 szt., trójfunkcyjny 2 szt. Układ napędowy: Typ skrzyni biegów: Mechaniczna Nadwozie (typ): Hatchback Pomiary obiektu wykonano w laboratorium badań emisji spalin Instytutu Transportu Samochodowego w Warszawie. Do badań wykorzystano aparaturę, która obejmuje: jednorolkową hamownię podwoziową z elektryczną symulacją bezwładności, firmy AVL Zöllner, układ CVS do poboru spalin, firmy AVL, zestaw analizatorów spalin do pomiaru stężeń CO, CO 2, HC, NO/NO x, oraz O 2, firmy AVL, komorę do badań w niskich temperaturach wyposażoną w dwurolkową hamownię podwoziową firmy Jaroš. Badany obiekt posiadał zaimplementowane główne procedury diagnostyczne: monitor wypadania zapłonów, monitor czujników zawartości tlenu, monitor reaktora katalitycznego, monitor elementów systemowych. Rejestrację parametrów związanych z realizacją procedur diagnostycznych przeprowadzono z użyciem czytnika EOBD AMX 550, który otrzymał złoty medal na Międzynarodowych Targach Poznańskich Poznań Motor Show 2001. Z wykorzystaniem skanera AMX 550 odczytywano kody błędów systemu EOBD (rys. 1). Protokołem transmisji danych, który był wykorzystywany do komunikacji z głównym sterownikiem samochodu był ISO 14230. Możliwe inne protokoły transmisji danych oraz popularność ich stosowania przedstawiono na rys. 2.
Rys. 1. Widok ogólny testerów EOBD AMX 540 i AMX 550 Fig. 1. AMX 540 and AMX 550 EOBD tester general overview VPW PWM ISO 14230 ISO 9141 Rys. 2. Częstotliwość występowania protokołów transmisji danych w nowo homologowanych samochodach w Polsce Fig. 2. Frequency of application of data transmission protocol in new type approved vehicles in Poland 3. BADANIA NA HAMOWNI PODWOZIOWEJ PODCZAS EUROPEJSKIEGO CYKLU JEZDNEGO NEDC Na podstawie wyników badań przedstawionych na rys. 3 5, można stwierdzić, że system EOBD niemal do końca trzeciej fazy cyklu UDC (Urban Driving Cycle) nie nadzoruje żadnych badanych elementów ryzyka emisyjnego pojazdu (w temperaturze otoczenia 12 o C, w której samochód był kondycjonowany następuje to dopiero w cyklu pozamiejskim EUDC (Extra Urban Driving Cycle)). Zgodnie z regulaminem EKG ONZ 83.05 producent pojazdu może spowodować nieuaktywnianie się systemu EOBD w temperaturach poniżej 7 o C, w których samochód był kondycjonowany przed uruchomieniem silnika. Należy jednak
Prędkość pojazdu [km/h] 120 100 70 50 35 32 Część pierwsza wypadania zapłonu Podstawowy cykl miejski czujników tlenu Część druga elementów systemowych reaktora katalitycznego 136 s podstawowego cyklu pozamiejskiego, 916 s po rozpoczęciu testu 15 195 195 195 195 400 wypadania zapłonu - dystans 3 707 m 1180 czujników telenu - dystans 4 949 m elementów systemowych - dystans 5 873 m reaktora katalitycznego - dystans 7 497 m [s] 235 s podstawowego cyklu pozamiejskiego, 1015 s po rozpocziu testu Czas Rys. 3. Realizacja monitorów w teście NEDC w temperaturze 22 o C Fig. 3. Monitor realisation during the NEDC cycle at ambient temperature of 22 o C Prędkość pojazdu [km/h] 120 100 Podstawowy cykl miejski Część pierwsza Ukoñczenie wypadania zap³onu Ukoñczenie czujnika tlenu Część druga elementów systemowych reaktora katalitycznego 70 50 35 32 15 195 195 195 195 400 1180 [s] Czas wypadania zapłonu - dystans 3 540 m Ukoñczenie czujników tlenu - dystans 4 956 m Ukoñczenie elementów systemowych - dystans 5 850 m Ukoñczenie reaktora katalitycznego - dystans 7 364 m Rys. 4. Realizacja monitorów w teście NEDC w temperaturze 7 o C Fig. 4. Monitor realisation during the NEDC cycle at ambient temperature of 7 o C
Prędkość pojazdu [km/h] Cześć pierwsza Część druga 120 elementów systemowych 100 70 Podstawowy cykl miejski 50 35 32 15 195 195 195 195 400 1180 [s] Czas elementów systemowych 140 s cyklu pozamiejskiego, 920 s po rozpoczęciu testu Rys. 5. Realizacja monitorów w teście NEDC w temperaturze 12 o C Fig. 5. Monitor realisation during the NEDC cycle at ambient temperature of 12 o C pamiętać, że test NEDC pojazdu zgodnie z regulaminem EKG ONZ 83.05 wykonuje się po uprzednim jego kondycjonowaniu (w przypadku pojazdów z silnikami o zapłonie iskrowym), a więc wszystkie procedury diagnostyczne są już wtedy wykonane. Prowadzenie np. jazd próbnych przy badaniach na stacjach kontroli pojazdów po wykasowaniu kodów błędów, przy wykorzystaniu standardowych czytników EOBD tzw. Generic Scan Tools, wydaje się być jednak nieodzownym dla wykonania wszystkich zaimplementowanych w pojeździe procedur diagnostycznych. W wyniku rejestracji chwili wykonania poszczególnych procedur diagnostycznych okazało się, że dopiero w trzecim elementarnym miejskim cyklu jezdnym po przebyciu drogi odpowiednio 3707 m i 3540 m ( 7 o C) następuje wykonanie procedury diagnostycznej wypadania zapłonów (przy wcześniejszym wykasowaniu wszystkich monitorów emisyjnych systemu EOBD). Pozostałe procedury diagnostyczne (czujników tlenu, elementów systemowych, sprawności reaktora katalitycznego (przebyta droga ponad 7,3 km)) są wykonywane w piątym, pozamiejskim cyklu jezdnym. Na rysunkach 6 i 7 przedstawiono uzyskane emisje substancji zanieczyszczających (CO, HC, NO x ) otrzymane odpowiednio dla przypadków przedstawionych na rys. 3 5 w porównaniu z emisjami tych substancji podawanymi przez producenta pojazdu oraz wartościami dopuszczalnymi emisji według regulaminu EKG ONZ 83.05. Z analizy rys. 8 wynika także, że emisja CO i HC w całym cyklu UDC w temperaturach 7 o C i 12 o C jest dla badanego pojazdu wyższa odpowiednio 39 (CO), 34 (HC), 6 (NO x ) razy od emisji tych substancji w temperaturze wykonywania testu +23 o C. Należy przy tym zauważyć, że tylko w pierwszej 195-sekundowej fazie cyklu miejskiego UDC testu NEDC (New European Driving Cycle) jest emitowane średnio ok. 90% CO i 80% HC w stosunku do emisji całkowitej tych substancji w ww. teście. W ujemnych temperaturach otoczenia, największy wpływ temperatury, w której samochód był kondycjonowany
przed uruchomieniem silnika, na emisję występuje w pierwszej fazie cyklu UDC. Emisja CO i HC w tej fazie jest dla temperatury 7 o C wyższa odpowiednio około 11 do 16,5 razy i 3 do 7 razy, a dla temperatury 15 o C odpowiednio 14 do 17 razy i 4 do 7,5 razy niż dla temperatury +22 o C. W wyniku otrzymanych wyników należy potwierdzić skuteczność działania systemu EOBD badanego obiektu w zakresie temperatur otoczenia ( 7 o C 23 o C). 2,5 2,0 2,3 UDC EUDC NEDC NEDC ze współczynnikiem pogorszenia 1,5 1,0 0,5 0,0 0,766 0,52 0,624 0,379 0,15 0,094 0,087 0,024 0,098 0,047 0,057 0,063 0,075 0,13 0,047 0,002 CO [g/km] NOx [g/km] HC [g/km] 0,2 dopuszczalny limit zgodnie z regulaminem R83.05 Dane producenta samochodu Rys. 6. Emisja samochodu osobowego podczas europejskiego cyklu jezdnego NEDC (UDC + EUDC) Fig. 6. Passenger car emissions during the NEDC (UDC and EUDC) cycle 16 14 12 10 15 UDC ( 7 C) EUDC ( 7 C) NEDC ( 7 C) UDC ( 12 C) EUDC ( 12 C) NEDC ( 12 C) 8 6 4 2 0 6,388 3,147 2,436 7,575 2,83 1,412 2,959 0,532 0,161 0,115 0,025 0,018 CO [g/km] 1,8 HC [g/km] dopuszczalny limit zgodnie z Regulaminem R83.05 Dane producenta samochodu 0,889 1,088 Rys. 7. Emisja samochodu osobowego podczas europejskiego cyklu jezdnego w komorze niskich temperatur ( 7 o C) w porównaniu z emisją w temperaturze 12 o C Fig. 7. Passenger car emissions during the NEDC (UDC and EUDC) cycle in a low temperature chamber (at ambient temperature of 7 o C) compared to 12 o C
4,5 UDC - samochód sprawny 4,0 3,857 3,859 EUDC - samochód sprawny 3,5 3,0 3,216 NEDC - samochód sprawny NEDC ze współczynnikiem pogorszenia - samochód sprawny UDC - odłączony czujnik tlenu przed katalizatorem 2,5 2,0 2,104 wzrost emisji 39 razy! EUDC - odłączony czujnik tlenu przed katalizatorem NEDC - odłączony czujnik tlenu przed katalizatorem NEDC ze współczynnikiem pogorszenia - odłączony czujnik tlenu przed katalizatorem 1,5 1,0 0,5 0,0 wzrost emisji 6 razy! 0,088 0,08 0,083 0,099 0,096 0,066 0,077 0,092 0,261 0,526 0,515 0,429 wzrost emisji 34 razy! 0,009 0,007 0,008 0,01 CO [g/km] NOx [g/km] HC [g/km] 0,415 0,338 0,281 0,205 Rys. 8. Emisja samochodu osobowego podczas europejskiego cyklu jezdnego w porównaniu z emisją przy odłączonym czujniku tlenu przed katalizatorem Fig. 8. Passenger car emissions during the NEDC (UDC and EUDC) cycle, as compared to the emissions with the first oxygen sensor disabled 4. WNIOSKI W wyniku przeprowadzonej analizy można stwierdzić, że skuteczność działania pokładowych systemów diagnostycznych została doświadczalnie potwierdzona. Nieskuteczne działanie systemu zauważono jedynie w temperaturach wykonywania testu poniżej 7 o C co nie jest z punktu widzenia przepisów w żaden sposób sankcjonowane. Kierunek dalszych prac badawczych powinien rozwiązać kwestię ograniczenia emisji toksycznych składników spalin w niskich temperaturach (poniżej 7 o C). Celowym wydaje się również opracowanie uproszczonego testu drogowego z przeznaczeniem dla samochodów, w którym dokonano skasowania statusu wykonania procedur diagnostycznych, aby potwierdzić prawidłowość wykonanej naprawy. LITERATURA 1. Regulation No. 83. Uniform Provisions Concerning the Approval of Vehicles with regard to the Emission of Pollutants according to Engine Fuel Requirements. 2. Merkisz J., Mazurek S.: Pokładowe systemy diagnostyczne pojazdów samochodowych. WKŁ Warszawa 2002. 3. Merkisz J., Ślęzak M., Gis W.: System diagnostyki pokładowej OBD. Konferencja Naukowa z okazji 50-lecia Instytutu Transportu Samochodowego pt. Determinanty i kierunki rozwoju badań naukowych transportu samochodowego. Warszawa 2002. 4. Merkisz J., Ślęzak M., Gis W.: Poziom implementacji systemów OBD w homologowanych pojazdach w Polsce. Konferencja Naukowa pt. Diagnostyka Samochodowa 2002. Rydzyna 2002.
EFFECTIVENESS APPRAISAL OF THE MAIN DIAGNOSTIC PROCEDURES AND EOBD SYSTEM IMPLEMENTATION LEVEL IN PASSENGER CARS WITH SPARK IGNITION ENGINES DURING TYPE APPROVAL TESTS Abstract. The paper sheds some light on EOBD system implemented in passenger cars tested for type approval in the years 2001 2002 in Poland. It also evaluates emission tests result (CO, HC and NO x exhaust components) of these vehicles. The results of diagnostic monitor realisation during the NEDC cycle chassis dyno tests in various ambient temperatures have been presented.