Emulátor spalovacího motoru vozu Škoda Superb

TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI Fakulta mechatroniky, informatiky a mezioborových studií

Emulátor spalovacího motoru vozu Škoda Superb Bakalářský projekt Jakub Vít

Liberec

2010

Tento materiál vznikl v rámci projektu ESF (CZ.1.07/2.2.00/07.0247) Ref lexe požadavků průmyslu na výuku v oblasti automatického řízení a měření, KTERÝ JE SPOLUFINANCOVÁN EVROPSKÝM SOCIÁLNÍM FONDEM A STÁTNÍM ROZPOČTEM ČESKÉ REPUBLIKY

Emulátor spalovacího motoru vozu Škoda Superb

TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI Fakulta mechatroniky, informatiky a mezioborových studií Ústav mechatroniky a technické informatiky

Akademický rok: 2009/10

ZADÁNÍ ROČNÍKOVÉHO PROJEKTU Jméno a příjmení: Jakub Vít Studijní program: B 2646 – Informační technologie Název tématu: Emulátor spalovacího motoru Vedoucí učitel projektu: Ing. Jan Koprnický, Ph.D. Zásady pro vypracování: 1. Seznamte se s řídicím systémem motoru 1,9 TDI vozu Škoda Superb první generace. 2. S pomocí diagnostických nástrojů zprovozněte emulátor motoru. 3. Navrhněte možná vylepšení stávajícího řešení. 4. Závěrečnou technickou zprávu napište v sázecím systému LATEX. Seznam odborné literatury: [1] Bauer, H.; Dietsche, K.-H.; Crepin, J.; aj. (editoři): Bosch Electronic Automotive Handbook. Stuttgart : Robert Bosch GmbH, první vydání, 2002. [2] Feltl, K.: Emulátor spalovacího motoru automobilu Škoda Superb. Diplomová práce, FM TUL, Liberec, květen 2008. [3] Rybička, J.: LATEXpro začátečníky. Brno : Konvoj, 1999, ISBN 80-85615-42-8. [4] Škoda Auto a.s., Mladá Boleslav: SP 16 – Vznětový motor 1,9 l TDI. Dílenská učební pomůcka. [5] Ďaďo, S.; Kreidel, M.: Senzory a měřicí obvody. Praha : ČVUT, druhé vydání, 1999, ISBN 80-01-02057-6. Rozsah závěrečné zprávy o řešení projektu: 10 až 15 stran V Liberci dne 29. září 2009

Vedoucí učitel projektu (podpis) . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2

Emulátor spalovacího motoru vozu Škoda Superb Abstract

Abstrakt Tento bakalářský projekt se zabývá ověřením správné funkce emulátoru spalovacího motoru automobilu Škoda Superb 1,9 TDI pro modelový rok 2002, jenž byl vytvořen jako produkt diplomové práce v roce 2008. Práce provádí rozbor funkce emulátoru motoru, seznamuje s jeho zapojením a popisuje postup zapojení jednotlivých snímačů. V závěru jsou shrnuty dosažené výsledky práce, navržena zlepšení a nastíněno případné rozšíření této práce. Klíčová slova: Emulátor motoru, Diagnostika motoru, Nahrazení snímače otáček

Abstract This bachelor project deals with verification of correct function of the gas engine emulator of Škoda Superb 1.9 TDI model of the year 2002, which was created as a product of the master thesis in 2008. Work carried out analysis of function of the engine emulator, explains its connection, and describes the involvement of individual sensors. The conclusion summarizes achieved results of the work proposed, suggested improvements, and it also discusses the possible extension of this work. Key words: Engine emulator , Engine Diagnostics, RPM sensor replacement

3

Emulátor spalovacího motoru vozu Škoda Superb Obsah

Obsah Abstrakt

3

Abstract

3

1 Úvod

6

2 Teoretická část

6

2.1

Emulátor motoru . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6

2.1.1

7

Zapojení a princip funkce . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3 Vědomosti získané při práci na projektu 3.1

3.2

9

Diagnostika . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

9

3.1.1

Palubní diagnostika . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

9

3.1.2

Diagnostika DIAG4t . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

10

Sběrnice v motorových vozidlech . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

11

3.2.1

CAN Bus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

12

3.2.2

Sběrnice LIN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

15

4 Praktická část

15

5 Snímače

16

5.1

Snímač teploty paliva G81 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

16

5.2

Snímač teploty chladicí kapaliny . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

16

5.3

Snímače teploty a tlaku nasávaného vzduchu . . . . . . . . . . . . . . . . . .

17

5.4

Snímač hmotnosti nasávaného vzduchu G70 . . . . . . . . . . . . . . . . . .

17

5.5

Snímač hladiny paliva v nádrži

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

18

5.6

Indikační LED

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

18

5.7

Spínače odstraňující chybová hlášení . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

20

5.8

Snímač otáček motoru . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

20

5.9

Problémy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

23

5.9.1

Potenciometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

23

5.9.2

Panel elektroinstalace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

23 4

Emulátor spalovacího motoru vozu Škoda Superb Seznam tabulek

Závěr

24

Literatura

25

Příloha

26

Seznam obrázků 1

Emulátor spalovacího motoru . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

7

2

Panel elektroinstalace Škoda Superb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

8

3

Symbol Malfunction Indicator Light . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

10

4

Datový rámec protokolu CAN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

14

5

Releovy box [2] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

19

6

Signál v prostředí Agilent Intuilink Waveform Editor . . . . . . . . . . . . .

22

7

Obvodové schéma emulátoru motoru[4] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

26

Seznam tabulek 1

Rychlosti a vzdálenosti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

14

5

Emulátor spalovacího motoru vozu Škoda Superb 2 Teoretická část

1

Úvod

Tento dokument, má za úkol popsat postup při práci na bakalářském projektu. Zpočátku zde uvedu zpracování a základní principy funkce již sestaveného emulátoru motoru. Dále pak uvedu výčet a seznámení se s mnoha poznatky a znalostmi, jenž mi práce na tomoto zajímavém projektu přinesla. Další část tohoto textu se věnuje vlastní činnosti, tedy postupnému připojování emulátoru motoru, a také popisuje problémy s tím spojené. Na závěr pak uvádím celkové shrnutí výsledků práce, vyhodnocení a návrh na případné rozšíření a další pokračování v tomto projektu.

2

Teoretická část

2.1

Emulátor motoru

Emulátor motoru je zařízení, jehož hlavním úkolem je nahradit z pohledu řídicí jednotky motor vozidla. Toto zařízení se tedy po svém připojení a nastavení tváří jako běžící motor. Nabízí se jistě otázka k čemu je to dobré? Toto zařízení umožňuje testovat systémy vozidla, závislé na běžícím motoru bez toho, aby ve vozidle nějaký motor byl. To ve výsledku samozřejmě přináší značné ulehčení a zrychlení práce. Další výhodou, kterou emulátor zajisté poskytuje, je to, že můžeme testovat chování vozidla za různých provozních podmínek. Je tedy možné pomocí diagnostických nástrojů vysledovat, jak se řídicí jednotka vyrovnává se změnami vstupních motorových veličin, což by bylo na reálném voze složité simulovat. Tento konkrétní přípravek je ve své podstatě obyčejná plastová krabička (viz obr. 1/s. 7), z jejíž boční strany vedou vodiče s mnoha ovládacími a signalizačními prvky na její čelní straně. Tyto slouží ke spínání, nastavování a kontrole správné činnosti vstupních a výstupních veličin řídicí jednotky vozu. • Spínací prvky jsou tři spínače, které řídicí jednotce motoru předávají informace, bez kterých by se na kombiinstrumentu neustále objevovala chybová hlášení znepříjemňující či znemožňující další práci. Těmito informacemi jsou přítomnost kapaliny v nádobce ostřikovačů, přítomnost chladicí kapaliny motoru a správný tlak oleje v motoru. 6


Obrázek 1: Emulátor spalovacího motoru • Nastavovací prvky slouží k nastavování základních proměnných veličin pro chod motoru. To probíhá pomocí šestice barevně odlišených potenciometrů. Zmíněnými veličinami je teplota chladicí kapaliny, teplota nasávaného vzduchu, tlak nasávaného vzduchu, hmotnost nasávaného vzduchu„ teplota paliva a hladina paliva v nádrži. • Signalizační prvky jsou tři LED1 různých barev, které indikují správný chod některých důležitých výstupních veličin z řídicí jednotky. – První LED (žlutá) indikuje sepnutí relé žhavicích svíček. Toto relé sepne, pokud teplota chladicí kapaliny klesne pod +9 ◦ C. – Druhá LED (zelená) indikuje sepnutí relé ventilátoru na chladiči chladicí kapaliny motoru. Toto relé se sepne poté, co teplota chladicí kapaliny v chladičí překročí +120 ◦ C, k jeho vypnutí dojde po dochlazení kapaliny na +100 ◦ C. – Třetí LED je nevyužitá. [4] 2.1.1

Zapojení a princip funkce

Emulátor funguje jednoduše. Nahrazuje signály z klíčových snímačů motoru vstupujících do řídicí jednotky či kombiinstrumentu. Všechna emulátorem nahrazovaná čidla fungují na 1

Světlo emitující dioda

7


Obrázek 2: Panel elektroinstalace Škoda Superb principu změny jejich vnitřního odporu v závislosti na měřené veličině. Změní-li se tedy sledovaná veličina, čidlo na ni zareaguje patřičnou změnou odporu. Úbytek, nebo vzrůst vnitřního odporu čidla vyhodnotí jednotka jako změnu napětí na svých vstupech a podle toho nastaví další potřebné parametry pro chod motoru. Z toho důvodu je k realizaci náhrady čidel mimo pevných odporů pro nastavovací prvky využito různých druhů potenciometrů. Druh potenciometru je závislý na vlastnostech čidla, které nahrazuje. Spojení s řídicí jednotkou je realizováno prostřednictvím stávajících elektrických rozvodů vozidla. Vodiče jdoucí z emulátoru jsou tedy zapojeny na konektory původně vedoucí do motorových čidel, to pravděpodobně z důvodu zbytečně složitého napojování přímo na patřičné piny konektoru řídicí jednotky. Celá tato fáze spočívá v seznámení se s panelem elektroinstalace Škoda Superb umístěným v laboratoři (viz obr. 2/s. 8), nalezení patřičných konektorů a připojení vodičů emulátoru na správné piny, což není vždy úplně jednoduché [4].

8

Emulátor spalovacího motoru vozu Škoda Superb 3 Vědomosti získané při práci na projektu

3

Vědomosti získané při práci na projektu

3.1

Diagnostika

V moderních vozidlech se již bez sofistikovaného elektronického řízení a vybavení neobejdeme. Z toho důvodu se důležitou součástí automobilové praxe stala práce s nejrůznějšími diagnostickými nástroji, pomocí nichž můžeme vyčíst chybové kódy v řídicích jednotkách, a tak prověřovat jejich správnou funkčnost, nastavovat některé vnitřní parametry a provádět další diagnostické úkony. To nám může pomoci snadněji identifikovat a odstranit závadu [5]. 3.1.1

Palubní diagnostika

Hlavně zvyšující se nároky na ekologičnost provozu motorových vozidel způsobily zavádění nových norem pro obsah škodlivin ve výfukových plynech. Z tohoto důvodu byl zaveden již roku 1988 systém OBD2 , jehož prvořadým úkolem se stala kontrola hlavních komponent, podílejících se na složení výfukových plynů. Pokud nastane nějaký problém, OBD uloží závadu do paměti a řidiče informuje skrze rozsvícenou kontrolku na palubní desce, jejíž symbol je mezinárodně normován. Roku 1996 byl zaveden systém OBD II. Jeho vylepšení oproti původní verzi spočívalo v rozšíření počtu kontrolovaných systémů. Funkčnost OBD je signalizována na palubní desce kontrolkou MIL3 (viz obr. 3/s. 10) . Tato kontrolka se rozsvítí vždy po sepnutí klíčku ve spínací skřínce a pokud je vše v pořádku, po nastartování zhasne. Toto opatření slouží podobně jako u kontrolky oleje či dobíjení, k případnému odhalení její chyby. Indikace chyby proběhne vždy v případě, má-li tato závada za důsledek zvýšení škodlivin ve výfukových plynech nad rámec stanovený emisní normou. Zavedením normy OBD II došlo také ke sjednocení typu diagnostické zástrčky.

2 3

Palubní dignostika Kontrolka chybového hlášení

9


Obrázek 3: Symbol Malfunction Indicator Light Tento systém musí u zážehových motorů kontrolovat následující systémy [5]: • Funkce a účinnost katalyzátoru • Zapalování směsi • Funkce lambda sondy • Odvzdušnění palivové nádrže 3.1.2

Diagnostika DIAG4t

Při práci mám k dispozici diagnostický nástroj DIAG4t. Toto zařízení se skládá z několika částí. Zaprvé z adaptéru, jež se zasune do diagnostické zásuvky vozidla, zadruhé z vlastního programu, nainstalovaného na kapesním počítači. Spojení mezi adaptérem a počítačem probíhá skrze bezdrátovou technologii Bluetooth. Oproti jiným diagnostickým nástrojům oceňuji jednoduchou obsluhu, snadnou manipulaci a při použití, např. při testovací jízdě, větší pohodlí. Propojení adaptéru a přenosného počítače probíhá velmi jednoduše pouze vzájemným spárováním bezdrátových portů. Pak už stačí jen spustit program DIAG4t a pracovat. Jelikož se jednotlivé vozy mezi sebou liší jak motorem a komfortním vybavením, tak dalším příslušenstvím, je po prvním připojení k vozu nutné provést hledání všech přítomných řídicích jednotek. Toto hledání trvá několik minut. Seznam jednotek lze poté uložit. Při dalších spouštěních pak nemusíme jednotky znovu hledat, ale stačí načíst příslušný seznam. DIAG4t umožňuje provádět nejrůznější diagnostické operace, já využívám při práci pouze tyto základní [3].

10


• Čtení paměti závad: Vyčte čísla chyb a vypíše jejich názvy. • Mazání paměti závad: Vymaže paměť načtených závad a provede znovunačtení těch aktuálních. • Načtení bloku naměřených hodnot: Jednotka nabízí několik skupin dat, ve kterých postupně zobrazuje hodnoty získané ze všech čidel. Z nich lze odečítat hodnoty nastavované emulátorem.

3.2

Sběrnice v motorových vozidlech

Všechna elektronická výbava vozidla je propojena nejrůznějšími kabelovými rozvody. Konvenční kabelová vedení vozidel tvoří rozsáhlou a spletitou síť vodičů, oproti tomu sběrnicové systémy umožňují redukovat počet využité kabeláže a spojovacího materiálu při zachování minimálně stejné funkčnosti. Tímto způsobem se zpřehledňuje umístění jednotlivých prvků elektroinstalace vozu, ergonomie jejich ovládání a samozřejmě vyhledávání případných závad. Zavádění sběrnicových systémů bylo zapříčiněno především nárůstem počtu elektronických komponent. V dnešních vozech, které mají řídicí jednotku i pro anténu, elektrické nastavování zrcátek, či spínač zapnutých pásů, je užití standardních kabelových rozvodů nemyslitelné. Běžné kabelové vedení by sice byly schopno toto všechno obsluhovat, ale tento způsob by byl značně neefektivní. Ke každému prvku by vedlo hned několik potřebných vodičů, což při počtu například třiceti různých jednotek představuje velké množství zbytečně vynaložených finančních prostředků a samozřejmě tato topologie vnáší do elektroinstalace značnou dávku nepřehlednosti. Z tohoto důvodu je většina řídicích povelů předávána prostřednictvím sběrnice a klasické kabelové rozvody zajišťují napájení a obsluhu jednoduchých zařízení. Oproti tomu při použití sběrnice, vede tato celým vozem pouze pomocí několika málo datových vodičů a jednotlivá zařízení se připojují pouze na ni. Další nevýhodou konvenčních rozvodů je problém při připojování nových elektronických komponent. Bylo by totiž nutné navést kompletně nové vedení k připojovanému prvku, což obnáší mimo jiné i zdlouhavou demontáž částí interiéru a elektroinstalace. Způsobit problém by mohl i limitovaný počet pinů ve svorkovnicích, kde by nebylo možno upevnit další a další vodiče. U sběrnicových vedení stačí připojit novou komponentu na již stávající sběrnicové vedení a můžeme ji ovládat. 11


Příklad: Představte si prosté spouštění okna a ovládání centrálního zamykání dveří u řidiče. • Klasickým vedením musíme přivést k motorku centrálního zamykání i stahování okna do dveří napájecí vodiče a dva ovládací vodiče pro stahování okna a minimálně další dva pro centrální zamykání. • Sběrnicí nám stačí přivést do dveří napájecí a datové vodiče jednotlivých řídicích jednotek, při použití sběrnicového systému CAN4 či LIN5 . Úspora několika málo vodičů se v tomto případě může zdát zanedbatelná, ale zamysleme se nad funkcí těchto dvou zapojení. Klasický rozvod umožňuje stahovat okénko kolébkovým vypínačem a zamykat a odemykat dveře řidiče. Nadto sběrnice umožňuje totéž, plus přináší další výhody. Kupříkladu možnost jednoduše při rozjezdu vozidla vyslat po sběrnici signál pro uzamčení vozidla, při nárazu naopak dveře odemkne. Také dovede jednoduše po zamčení vozu dovřít zapomenutá otevřená okénka. Samozřejmě uvažujme, že v pouhých dveřích se mohou nacházet i další řídicí jednotky, třeba pro vyhřívání a sklápění zrcátek, čímž dojde k ještě většímu zjednodušení. Opět chci zdůraznit. Ano, elektroinstalaci moderního vozu lze vytvořit i pomocí obyčejného kabelového vedení, nicméně je to nákladný, nepřehledný a složitý způsob. V automobilové praxi se používají například tyto sběrnicové systémy: CAN, SEP, ACP, LIN, FlexRay [6, 5, 7]. 3.2.1

CAN Bus

Sběrnice CAN je speciálně navržená lineární dvouvodičová sběrnice pro motorová vozidla, která mají řídicí jednotky se sériovým rozhraním CAN. Tento sběrnicový systém byl navržen s ohledem na stále se zvyšující nároky na množství a rychlost přenosu dat. Jednotlivé stanice na sběrnici nemají žádný centrální uzel, pouze se sdružují do příbuzných bloků. Kupříkladu motorová sběrnice, komfortní sběrnice a sběrnice pro mobilní komunikační systém. Tyto bloky se liší svými přenosovými rychlostmi, využitím a v drobnostech i funkcí viz tabulka 1. 4 5

Controlled Area Network Local Interconnect Network

12


Po sběrnici se nepřenášejí spínací proudy jako u klasického vedení, nýbrž data. Systém CAN se stal standardem v automobilech vyrobených v prostoru Evropské unie [5, 7]. Prvky systému CAN • Vedení – Dva vodiče kroucené kvůli potlačení vyzařování a příjmu rušení. • Terminátory – Dva zakončovací odpory o hodnotě odporu 120 Ω, jimiž jsou vzájemně odděleny sběrnicové vodiče sloužící k ochraně proti zpětným odrazům dat na koncích vedení. • Stanice CAN – Mikroprocesor – Obsluhuje řízení, posílání a zpracování dat. – Řadič – Zpracovává/tvoří datové rámce. (chybové zprávy, arbitráž, filtraci) – Trasciever – Vysílá a přijímá datové rámce. (vysílač/přijímač) Přenos dat probíhá systémem Multi-Master, není tak zapotřebí centrálního uzlu. Je využito sběrnice s náhodným přístupem. To znamená, že pokud je sběrnice volná, můžou jednotlivé prvky začít vysílat svá data. Případná kolize dat je vyřešena pomocí vyhodnocení priority zpráv. Každá zpráva (Datový rámec) má jednoznačný identifikátor, podle kterého je hned zřejmé, zdali má být vyslána, či musí počkat. Během vysílání zprávy prvek vyhodnocuje stav sběrnice, zachytí-li identifikátor s vyšší prioritou než má právě odesílaná zpráva, okamžitě přestane vysílat a chová se jako přijímač. Po skončení přenosu prioritní zprávy se opět pokusí odeslat svá data. Čím menší je hodnota identifikátoru zprávy, tím větší má jeho přenos prioritu. Každý identifikátor je v systému jednoznačný. Jedinou výjimku v prioritě má chybový rámec, který může jakýkoliv účastník komunikace vyslat vždy, když zjistí chybu v právě vysílané zprávě. Adresace dat neprobíhá tak, že by byl ten který rámec určen přímo pro konkrétní stanici, nýbrž obsah zprávy je jasný už z identifikátoru zprávy. Pak už záleží na každé připojené stanici, jestli vyhodnotí přijatá data jako zajímavá či ne. Tento způsob je výhodný díky tomu, že po přidání další stanice, nemusíme pokaždé složitě nastavovat adresaci. 13


Tabulka 1: Rychlosti a vzdálenosti Motorová CAN Multimediální CAN

Komfortní CAN

Rychlost

1 Mbit/s

500 kbit/s

125 kbit/s

Vzdálenost

40 m

cca 300 m

600 m

Datový rámec (viz obr. 4/s. 14) je jakási obálka, pomocí které se přenášejí data v systému CAN. Skládá se ze sedmi polí o rozdílných bitových délkách. Maximální délka datového rámce je 130 bitů, v případě rozšířeného formátu 150 bitů [5, 7]. Složení datového rámce • Startovací bit – 1 bit, určuje počátek přenosu. • Identifikátor – 12bitový blok dat obsahující 11bit identifikátor a 1 bit, určující, zdali jde o odesíláni dat, nebo o požadavek na data. (Remote Transmission Request) • Kontrolní pole – 6bitové pole určuje typ vysílaného rámce (normální/rozšířený) a počet datových bajtů v následujícím sdělení. • Data – 8 bytů určených pro vlastní data. • CRC – 16bitový kontrolní součet, toto pole slouží k odhalení případné chyby při přenosu. • ACK – 2bitové pole sloužící pro potvrzení správnosti přijatých dat. • END – 7 bitů signalizujících konec rámce. Vlastnosti Systém CAN poskytuje výrobcům efektivně zvládnout zvyšující se nároky na výbavu, komfort a nové technologie pomáhající řidiči s řízením vozu [5, 7].

Obrázek 4: Datový rámec protokolu CAN 14

Emulátor spalovacího motoru vozu Škoda Superb 4 Praktická část

3.2.2

Sběrnice LIN

LIN sběrnice vznikla kvůli požadavku na levnou automobilovou sběrnici s předpokladem obsluhy tří až deseti jednotek. Předpokladem bylo snížení nákladů oproti CAN o jednu až dvě třetiny. LIN vhodně doplňuje CAN například v oblasti ovládání dveří, zrcátek, oken, sedaček a panelů spínačů. Tato jednovodičová sběrnice se používá tam, kde nejsou kladeny takové nároky na bezpečnost a rychlost přenosu dat. Využívá sériového přenosu dat pod protokolem UART6 a umožňuje propojit až sedmnáct jednotek, z nichž je jedna master a ostatní slave. Master organizuje síť. Problém nastává z hlediska elektromagnetické kompatibility, kdy jednovodičová sběrnice vyzařuje v tomto ohledu daleko více, než kroucená dvouvodičová sběrnice CAN. Z tohoto důvodu se rychlosti LIN pohybují v rozmezí 2400 bit/s až 19200 bit/s. Přenos dat opět probíhá pomocí datových rámců. Zvláštností sběrnice LIN je takzvaný sleep command, který může vydat jako broadcast (zprávu všem jednotkám) pouze master. Tento příkaz přepne veškeré slave jednotky do nízkopříkonového režimu až do příchodu signálu wakeup. Tento signál už může vyslat jak slave, tak i master. Tento příkaz se používá proto, že jsou tyto systémy často určeny pro provoz z baterie a takto se dá na spotřebované energii ušetřit [5, 7].

4

Praktická část

Emulátor jako takový, je v principu velmi jednoduchý nástroj. Vzhledem k tomu, že je většina čidel specifických a nezáměnných s jinými a bylo proto potřeba parametry všech z nich přoměřit samostatně, stojí za jeho výtvorem mnoho usilovné práce. Jeho schéma zapojení je poměrně jednoduché (viz obr. 7/s. 26). Na druhou stranu, každý z nahrazených snímačů se připojuje k přesně danému konektoru, jehož nalezení na panelu elektroinstalace může být dosti složité, ať už díky absenci popisků na konektoru, či nejasném označení v původní diplomové práci. 6

Universal Asynchronous Reciever Transmitter

15

Emulátor spalovacího motoru vozu Škoda Superb 5 Snímače

5

Snímače

5.1

Snímač teploty paliva G81

Výstup z emulátoru na tento konektor je zapojen do obvodu dvěma vodiči. Konektor v elektroinstalaci je popsán jako „teplota paliva“. Po jeho zapojení lze na diagnostickém zařízení odečítat teplotu nastavenou emulátorem. Mnou ověřený rozsah nastavitelných teplot je v rozmezí od −18 ◦ C do +106 ◦ C. Nastavovanou teplotu paliva lze vyčíst na diagnostickém zařízení v bloku naměřených hodnot číslo 7.

5.2

Snímač teploty chladicí kapaliny

Tento snímač je velice zajímavý a mezi ostatními vyniká. Jde v podstatě o dvě čidla ve společném pouzdře, z nichž je každé využito k jinému účelu. První je připojeno do řídicí jednotky motoru a druhé do kombiinstrumentu. Důvod je prostý. Řídicí jednotka motoru totiž ke své správné funkci potřebuje data o provozních stavech motoru s velkou přesností, jenž získává ze snímače G62. Na druhé straně, teplotnímu čidlu G2 pro kombiinstrument, jenž je dle mého názoru veskrze informativní, stačí pro jeho plnohodnotnou práci i méně přesná data. Taktéž realizace zobrazovacího prvku na kombiinstrumentu je díky tomu méně náročná. Úkol snímače G2 je řidiči vozu rámcově sdělit teplotu motoru. To přispívá ke zvýšení aktivní bezpečnosti provozu. Po překročení teploty +130 ◦ C na kombipřístroji dojde k zobrazení chybového hlášení s výzvou zastavit vozidlo a zkontrolovat stav chladicí kapaliny. Problém nastal při zapojování k elektroinstalaci vozu. Nastavování teploty chladicí kapaliny emulátoru má čtyři výstupní vodiče, z nichž dva jsou zapojeny do patřičného konektoru teplotního čidla spolu s čidlem G2 pro kombiinstrument. Zbylé dva vodiče čidla G62 mají být zapojeny na vstupní svorky kabelu pro ovládací ventil. Jeho bližší specifikace v diplomové práci[4] chybí, proto tyto dva vodiče nechávám nezapojené. Na funkci nastavování teploty to dle mého názoru nemá vliv; na diagnostickém přístroji lze odečítat emulátorem nastavené hodnoty teploty. Původní představa o funkci byla taková, že potenciometry nastavující teplotu chladicí kapaliny jsou spřaženy, tedy, že G62 a G2 lze nastavovat jedním ovládacím prvkem. Po zapojení všech vodičů jsem však nebyl schopen nastavit teplotu na kombipřístroji korektně. 16


V těle emulátoru totiž chybí potenciometr G2. Není mi proto jasné, proč je ve schématu zapojení uveden. Při této práci bylo užito potenciometru nastavujícího hladinu paliva k nastavování zobrazované teploty na kombipřístroji. Myslím totiž, že v praxi bude potřeba častěji nastavovat teplotu chladicí kapaliny, než aktuální objem paliva v nádrži. Naměřené veličiny z čidla chladicí kapaliny ovlivňují počátek vstřiku paliva, samozřejmě dobu předžhavování motoru, řízení zpětného vedení výfukových plynů a další nezbytné veličiny.

5.3

Snímače teploty a tlaku nasávaného vzduchu

Tyto dva snímače, G71 a G72, nahrazené lineárními potenciometry zde uvádím kvůli přehlednosti dohromady, vzhledem k tomu, že využívají stejného konektoru pro připojení k elektroinstalaci vozu. Tento konektor je přehledně označen a má čtyři vstupní piny, na které je třeba připojit výstupy emulátoru. Zapojení těchto čidel nebylo obtížné a ani ničím speciálně zajímavé. Nastavování teploty nasávaného vzduchu je plně funkční a lze jí kontrolovat na diagnostice, taktéž i nastavování tlaku nasávaného vzduchu. Teplotu lze nastavovat v rozsahu −37,8 ◦ C až 135,9 ◦ C. Rozsah tlaku nasávaného vzduchu taktéž odpovídá údajům v literatuře [4]. Lze ho nastavit v rozmezí 386–2984 mbar.

5.4

Snímač hmotnosti nasávaného vzduchu G70

Tento snímač je zapojen na příslušný pětipinový konektor pomocí třech vodičů. Tyto vodiče však nejsou nijak popsány, takže není na první pohled jasné, jak je správně zapojit. Díky další získané literatuře[2] se stalo jednodušším tyto vodiče zapojit, neboť bylo možné určit přesné barvy a číslování vodičů jdoucích od konektoru do řídicí jednotky motoru. Nicméně nastavování hmotnosti nasávaného vzduchu není zřejmě úplně ideální. V literatuře [4] se lze dočíst, jaké hodnoty nasávaného vzduchu by mělo jít nastavit. Diagnostika však zobrazuje víceméně jen tři hodnoty (0, 539, 1250 kg/h). Nedovedu určit, čím je tento jev způsoben. Zaprvé by se mohlo jednat o mé špatné zapojení, což se mi však nejeví reálné z mnoha důvodů. Daný konektor je přesně určen a tudíž není možné, že bych ho zaměnil. Taktéž jeho 17


zapojení dle schémat viz [4, 2] je správné. Zadruhé, a to si myslím je pravděpodobnější, by se mohlo jednat o to, že daným potenciometrem není možné přesně nastavit hodnotu odporu, jež by odpovídal změřenému tlaku nasávaného vzduchu. Řídicí jednotka poté zřejmě nastavené napětí vyhodnocuje nepřesně, a proto diagnostika reprezentuje pouze některé hodnoty z měřeného rozsahu.

5.5

Snímač hladiny paliva v nádrži

Snímání množství paliva snímačem G81, jenž je v praxi realizováno plovákem v palivové nádrži [4], je zde opět nahrazeno klasickým lineárním potenciometrem o hodnotě 470 Ω. Dva výstupní vodiče emulátoru označené G81 je následně třeba připojit k panelu elektroinstalace. Příslušný konektor je označen jako „vedení nafta“. Po řádném připojení lze jednoduše nastavovat potenciometrem množství paliva v nádrži a odečítat ho na kombipřístroji. Zde bych opět zmínil to, co již bylo uvedeno v odstavci věnovaném snímání teploty chladicí kapaliny a sice, že potenciometr sloužící k nastavení hladiny paliva v nádrži využívám k ovládání zobrazování teploty na kombipřístroji. Důvod této záměny je vysvětlen výše. Aby byla zachována možnost nastavovat hladinu paliva, na vstupní piny konektoru elektrického vedení od palivového čerpadla byl provizorně zapojen odporový trimr s přednastavenou hodnotou odporu zhruba 100 Ω, který odpovídá přibližně množství 7–8 litrů paliva v nádrži.

5.6

Indikační LED

Dvě ze tří LED1 , jenž jsou na emulátoru umístěny, slouží k indikaci správné funkce jistých akčních členů v motoru. Jinak by samozřejmě nebylo možné plně kontrolovat správnou funkčnost emulátoru v interakci s řídicí jednotkou motoru. Ta totiž vyhodnotí vstupní údaje z motorových čidel a poté na ně samozřejmě dle naprogramování reaguje. Konrétně zde hovořím o spínání obvodu žhavení a o sepnutí ventilátoru chladiče. Obvod žhavení je velmi důležitou součástí každého vozu s dieslovým motorem, proto je jeho správnou funkčnost třeba kontrolovat. Žhavicí svíčky totiž pomáhají předehřát spalovací prostor ve válci, tudíž se motorová nafta po vstříknutí do válce nesráží na stěnách, nýbrž se 1

Světlo emitující dioda

18


Obrázek 5: Releovy box [2] poměrně kvalitně rozptýlí ve spalovacím prostoru a vznítí se. Poté je jednoduché nastartovat vůz i za chladného počasí. Pokud relé žhavicích svíček nefunguje správně a nesepne, vůz poté lze těžko nastartovat a vyznačuje se velmi nekultivovaným chodem až do té doby, dokud se spalovací prostory neprohřejí teplem vznikajícím vlastním hořením paliva na potřebnou teplotu. Žlutá dioda signalizující sepnutí obvodu žhavení musí být připojena na výstup z řídicí jednotky pro ovládání relé žhavení. To znamená, že na ovládací vstupy relé žhavicích svíček pripojíme příslušné vodiče emulátoru, nebo celé relé vyjmeme a vodiče připojíme přímo do reléového boxu. Umístění relé žhavení je patrné z obrázku (viz obr. 5/s. 19), taktéž jsem ho označil samolepkou a popiskem, takže při případném navázání na tuto práci by neměl nastat problém se zapojením. Samozřejmostí je ale dodržení polarity, jinak dioda nebude svítit. Nastavováním různých hodnot teploty chladicí kapaliny vyšlo najevo to, že dle teploty snímané čidlem G62 řídicí jednotka prodlužuje, či zkracuje dobu žhavení motoru. Porovnáním doby sepnutí relé žhavení s dobou indikace aktivovaného žhavení bylo zjištěno, že žhavení probíhá ještě zhruba 6 sekund po zhasnutí příslušné kontrolky kombipřístroje. Mezi další důležité prvky správného chodu motoru se taktéž řadí i spínání ventilátoru chladiče. Po zahřátí motoru na provozní teplotu se otevře termostat, který odděluje malý a velký chladicí okruh. Poté chladicí kapalina začne procházet nejen skrz blok motoru, ale také přes chladič, kde předává část své teploty vzduchu, jenž prochází jeho žebrováním.

19


Tento prostý systém je dokonale funkční při většině jízdních režimů vozidla a umožňuje udržovat teplotu motoru v rámci ideálních mezí. Pokud se však vůz pohybuje pomalu, nebo je motor hodně zatížen a vzduch neprochází chladičem v takovém množství, aby odvedl do okolí dostatečné množství tepla, řídicí jednotka sepne ventilátor umístěný na chladiči. Tím dochází k nucenému průchodu vzduchu chladičem a tím pádem dochlazení chladicí kapaliny. Signalizace spuštěného ventilátoru je indikována zelenou LED zapojenou ke konektoru vedoucímu přímo k motoru ventilátoru. Po jeho připojení a proměření se však ukázalo, že jednotka zřejmě ventilátor ani při dosažení teploty 130 ◦ C nesepne. Jednotka pravděpodobně špatně vyhodnotí přijaté údaje.

5.7

Spínače odstraňující chybová hlášení

Pro správné nahrazení motoru emulátorem je potřeba odstranit některá chybová hlášení řídicí jednotky způsobená absencí motoru, jenž se zobrazují na kombiinstrumentu. Ta vznikají nedodáním všech potřebných dat z motorových čidel. Mezi tři hlavní chybová hlášení patří zajisté chyba nedostatečného tlaku oleje motoru, nepřítomnost chladicí kapaliny a nepřítomnost kapaliny ostřikovačů. Jelikož jsou tato čidla velmi jednoduchá a v podstatě jen spínají a rozepínají přes odpor obvod. Tím pádem jednotka správně vyhodnotí přijaté údaje a chybová hlášení odstraní. Vlastní zapojení vodičů je naprosto jasné, nebyly s ním žádné problémy a lze ho vyčíst z literatury [4]. Odstraňování chybových hlášení je bez problémů funkční. Jednotka poté na kombipřístroji hlásí klasické chyby spojené s absencí dalších snímačů, tyto však nijak neovlivňují použití emulátoru, proto jim nebyla věnována zvýšená pozornost. Zobrazovaná chybová hlášení jsou například: „Engine workshop“,„Light failure“,„Check break pads“.

5.8

Snímač otáček motoru

Snímač otáček G28 je jedním z nejdůležitějších motorových čidel. Bez jeho správné funkce nelze vozidlo plnohodnotně používat. Jeho funkci může sice zastoupit snímač G80 (snímač polohy zdvihu jehly), ale řídicí jednotka vozu běží v nouzovém režimu. Ten umožňuje vozidlu v pořádku dojet do místa možné opravy, za cenu snížení výkonu motoru a zvýšení spotřeby [4]. 20


Na snímači otáček tohoto motoru je indukováno napětí s amplitudou a frekvencí odpovídající otáčkám motoru. Zajímavý je průběh snímaného signálu z feromagnetického ozubeného kola na klikovém hřídeli, které má šedesát zubů, z čehož dva zuby jsou vynechány. Díky této synchronizační značce dovede řídicí jednotka vždy určit polohu klikového hřídele. Sinusový signál ze snímače poté řídicí jednotka před vyhodnocením ještě upraví do vhodnějšího průběhu, který je popsán a vykreslen dále. K vlastnímu nahrazení snímače je zapotřebí využít schopností generátoru signálu a osciloskopu, na němž lze generovaný signál zobrazit a kontrlolovat. Jako generátor byl zvolen typ Agilent 33120A. Při práci s tímto přístrojem mi byla nápomocna literatura [1]. Prvotní kroky ke generování signálu vedly přes využití funkce Burst, kterou přístroj standardně nabízí. Pomocí ní lze generovaný signál požadovaného průběhu vždy s nějakou periodou přerušit. Tímto způsobem lze vytvořit vhodný signál pro snímač. Vzhledem k mé nezkušenosti z těmito přístroji se nedařilo výstup generátoru vhodně nastavit, otáčkoměr sice reagoval, nicméné zcela chaoticky a tudíž došlo na hledání jiné cesty k vytvoření požadovaného signálu. V literatuře a z jiných zdrojů bylo zjištěno, že výše zmiňovaný generátor umožňuje přijmout a uložit do své vnitřní paměti, přes seriový port RS-232 přenesený libovolný průběh signálu z počítače. K vytvoření požadovaného signálu na počítači bylo využito programu Agilent Intuilink Waveform Editor, který je velmi jednoduchý a uživatelsky přívětivý, což při práci s ním samozřejmě oceňuji. V tomto programu musíme vytvořit základní požadovaný tvar signálu. Postupujeme vytvořením šedesáti po sobě jdoucích pulzů daných parametrů s tím, že poslední dva pulzy nahradíme stejnosměrnou nulovou složkou. Navržený signál je vidět zde (viz obr. 6/s. 22). Následně je nutno nahrát průběh do paměti přístroje. K tomu byla v tomto případě použita redukce ze standardního USB1 portu na port RS-232. Dále je nutno vytvořit takzvaný laplink. Tedy opět redukci, díky níž propojíme výstupní vodiče počítače se vstupy na generátoru signálu a naopak. Postup připojení, včetně nutného nastavení samotného generátoru pro externí přijetí průběhu a schéma samotné laplink redukce je uvedeno v literatuře [1] od strany 197 dále.

1

univerzální sériová sběrnice

21


Obrázek 6: Signál v prostředí Agilent Intuilink Waveform Editor Po řádném nahrání průběhu do generátoru je nutno přesněji nastavit některé parametry signálu, jako jsou jeho amplituda a frekvence. Dále nic nebrání připojení výstupu přístroje k vodičům vedoucím k čidlu otáček G28. Nicméně je nutné, aby byl signál přiváděn z generátoru přímo do elektroinstalace panelu, případně k vedení tohoto signálu doporučuji použít stíněné vodiče. V případě použití klasických nestíněných vodičů totiž zřejmě dochází k nežádoucímu vzájemnému rušení a otáčkoměr kombipřístroje nijak nereaguje. Po připojení výstupu generátoru přímo na vstupní stíněné vodiče čidla otáček počal otáčkoměr zobrazovat otáčky motoru dle parametrů generovaného signálu. Potvrdilo se také to, co bylo uvedeno v literatuře [4] a sice, že po zhruba dvou vteřinách dojde k samovolnémů vyřazení otáčkoměru vozu z funkce. Řídicí jednotka zřejmě nedostává všechny potřebné údaje, a proto otáčkoměr odstaví. Průběh nasimulovaného signálu by měl být obdélníkový, se střídou 71 % a amplitudou 5 V. Regulace otáček zobrazovaných na kombipřístroji poté probíhá velice jednoduše změnou frekvence tohoto signálu v rozmezí zhruba 813 Hz až 6,8 kHz. V literatuře je taktéž uvedeno, že 100 Hz přivedeného signálu je přibližně rovno 100 ot/min [4].

22


5.9

Problémy

Při zpracovávání tohoto projektu se postupně, jako při každé rozsáhlejší práci, vyskytlo několik různých potíží, které bylo zapotřebí řešit. Některé z nich jsem dokázal odstranit, jiné jsou i nadále překážkou. Co se týče problémů s funkcí jednotlivých nahrazených snímačů, ty byly případně rozvedeny výše v příslušných odstavcích. 5.9.1

Potenciometry

Potenciometr je jednoduchá pasivní obvodová součástka, jejíž využívanou vlastností je rezistivita (elektrický odpor). U potenciometru je možné hodnotu odporu dle libosti měnit. Nebudu zde rozebírat podrobně vlastnosti této součástky, chci jen zmínit jisté potíže v práci s nimi na emulátoru. Potenciometry užité v emulátoru totiž na krajích svého rozsahu nevykazují hodnotu odporu, kterou vyžadujeme, ale odpor různě kolísá a mění se, až na kraji rozsahu klesne tak, že řídicí jednotka nahlásí zkrat na snímači. To značně znepříjemňuje práci kolem krajní polohy potenciometrů. Proto myslím, že by bylo vhodné při případné nové stavbě, nebo úpravě emulátoru vložit před potenciometry alespoň minimální předřadný odpor takové velikosti, aby i v krajních polohách potenciometrů jednotka dostávala relevantní data a aby se těmto nežádoucím stavům předešlo. Po nahrazení mnoha z výše uvedených snímačů a kontrole nastavitelných hodnot prostřednictvím diagnostiky motoru, lze zjistit, že nelze potenciometrem nastavit kompletní rozsah hodnot uvedený v původní diplomové práci [4]. Tuto vadu kladu za vinu nekvalitě použitých potenciometrů, či jejich prostému opotřebování jejich činností. 5.9.2

Panel elektroinstalace

Na panelu elektroinstalace pro mě bylo zprvu dost těžké se orientovat. Velké množství nejrůznějších konektorů a vodičů, z části nepopsaných, představuje dosti nepřehlednou změť, kde musí člověk dost zkoušet a přemýšlet co kam připojit. Při delší práci je pak náročné se koncentrovaně orientovat, k čemuž přispívají i některé neoznačené vodiče vyvedené z emulátoru.

23

Emulátor spalovacího motoru vozu Škoda Superb Závěr

Závěr Bakalářský projekt se zabývá ověřením funkčnosti navrženého emulátoru spalovacího motoru automobilu Škoda Superb 1,9 TDI modelové řady 2002. Pracovní postup spočíval v několika krocích. Nejprve bylo samozřejmě nutné, seznámit se s technologiemi, jenž se podílejí na sběru dat v automobilech. S jejich funkcí a použitím. Dále pak se samotným emulátorem a jeho zapojením k panelu elektroinstalace vozu. Následná práce zahrnovala odzkoušení funkce tohoto zapojení a navržení případného rozšíření tohoto zařízení. Do dnešního dne se mi po počátečních potížích podařilo víceméně zprovoznit některé funkce emulétoru. Zaprvé, funguje nastavování teplot chladicí kapaliny, nasávaného vzduchu a paliva. Zadruhé, lze nastavovat množství nasávaného vzduchu a množství paliva mnou dodaným provizorním potenciometrem, které se zobrazuje i na kombipřístroji. Zatřetí, fungují i spínače odstraňující chybová hlášení a dioda indikující aktivované žhavení motoru. Konkrétně tedy přítomnost kapaliny ostřikovačů, chladicí kapaliny a tlak oleje motoru. Taktéž se podařilo nasimulovat signál generovaný snímačem otáček. Tato práce pro mě byla velkým přínosem, protože mi umožnila seznámení se s detaily elektroinstalace moderních vozidel a také s diagnostickým zařízením, jehož užití je široké a zkušenosti s ním jsou v automobilové praxi cenné. Pro případné navázání na tuto práci doporučuji nahradit použité součástky vhodnějšími. Také přidat potenciometr sloužící k nastavování teploty chladicí kapaliny. V další fázi by bylo vhodné nahradit emulátor mikročipem a nastavovat hodnoty přímo z připojeného počítače. Práce s emulátorem by potom jistě byla přesnější a spolehlivější.

24

Emulátor spalovacího motoru vozu Škoda Superb Literatura

Literatura [1] Agilent Technologies, I.: Agilent 33120A 15 MHz Function/Arbitrary Waveform Generator : User’s Guide. Technická zpráva, Agilent Technologies, Inc., 2002. [2] Škoda Auto a.s.: Elektrická schémata : Škoda Superb modelový rok 2002. Technická zpráva, Škoda Auto. [3] e4t: DIAG4t v. 1.11. Technická zpráva, e4t spol. s.r.o, Praha, 2006. [4] Feltl, K.: Emulátor spalovacího motoru automobilu Škoda Superb. Diplomová práce, FM TUL, Liberec, Květen 2008. [5] VLK, F.: Elektronické systémy motorových vozidel : Díl 1. Brno : František Vlk, první vydání, 2002, ISBN 80-238-7282-6, 298 s. [6] VLK, F.: Diagnostika motorových vozidel : [diagnostické testery, motortestery, brzdové soustavy, geometrie řízení, tlumiče, kontrola podvozku, diagnostické linky]. Brno : František Vlk, první vydání, 2006, ISBN 80-239-7064-X, 444 s. [7] VLK, F.: Systémy řízení podvozku a komfortní systémy : Automobilová elektronika 2. Brno : František Vlk, první vydání, 2006, ISBN 80-239-7062-3, 308 s.

Poděkování: Tento materiál vznikl v rámci projektu ESF (CZ.1.07/2.2.00/07.0247) Ref lexe požadavků průmyslu na výuku v oblasti automatického řízení a měření. Formát zpracování originálu: titulní list barevně, další listy včetně příloh černobíle.

25

Emulátor spalovacího motoru vozu Škoda Superb Příloha

Příloha

Obrázek 7: Obvodové schéma emulátoru motoru[4] 26

Emulátor spalovacího motoru vozu Škoda Superb

Recommend Documents