MENDELOVA ZEMĚDĚLSKÁ A LESNICKÁ UNIVERZITA V BRNĚ AGRONOMICKÁ FAKULTA ÚSTAV TECHNIKY A AUTOMOBILOVÉ DOPRAVY ______________________________________________________________________
Komunikace řídících jednotek motoru s PC Sběr a analýza dat Diplomová práce
Vedoucí práce
Vypracoval
Doc. Ing. Pavel Sedlák, CSc.
Bílek Vít Brno 2005
Prohlašuji, že jsem svou diplomovou práci na téma Komunikace řídicích jednotek motoru s PC – sběr a analýza dat vypracoval samostatně podle pokynů vedoucího diplomové práce a za použití informačních zdrojů, které uvádím v seznamu literatury. V Brně dne 10. 5. 2007
……………………..
Poděkování Touto cestou děkuji vedoucímu své diplomové práce panu doc. Ing. Pavlu Sedlákovi, CSc. za vedení a cenné rady při zpracování této práce. Dále bych rád poděkoval operátorovi Ing. Podlipnému za umožnění provedených zkoušek na vozidlové zkušebně MZLU v Brně.
SEZNAM HLAVNÍCH UŽITÝCH SYMBOLŮ A VELIČIN Označení Jednotka Veličina a A ε F η I φ J K m Mt mpe
m.s-2 J s-2 N A % kg.m2 kg Nm g.kW-1.h-1
Mph n p Pe
kg.h-1 s-1, min-1 Pa W, kW
Pr Q ρ R s τ t T U v VM ω W Pi Pmax Pz
W, kW J kg.m-3 Ω m s °C K V m.s-1 m3, dm3 s-1 J W, kW W, kW W, kW
ZRYCHLENÍ práce úhlové zrychlení síla účinnost transformace elektrický proud relativní vlhkost vzduchu hmotnostní moment setrvačnosti korekční součinitel hmotnost točivý moment měrná spotřeba paliva hmotnostní hodinová spotřeba paliva otáčky motoru tlak užitečný (efektivní) výkon motoru přepočtený (redukovaný) výkon motoru teplo měrná hmotnost, hustota elektrický odpor dráha čas teplota (Celsiova) teplota (termodynamická) elektrické napětí rychlost zdvihový objem motoru úhlová rychlost energie indikovaný výkon maximální výkon ztrátový výkon
VYSVĚTLIVKY ZKRATEK ABS bit byte CAN DLC DTC ECM ECU EGR hex MIL PID PIDhex RISC RS-232 STK VAG
Protiblokovací brzdový systém Binární jednotka Jednotka informace složená z bitů Sběrnice CAN-Bus Diagnostické rozhraní (konektor) Diagnostické chybové kódy Elektronická řídicí jednotka Elektronická řídicí jednotka Systém recirkulace výfukových plynů Hexadecimální tvar čísla Indikační kontrolka poruchy systému OBD II Proporcionálně integračně derivační složka regulátoru Identifikátor parametru Vnitřní architektura mikroprocesoru Sériová sběrnice Stanice technické kontroly Komunikační protokol koncernu VW
ABSTRAKT Cílem práce je vyzdvihnout nesporné výhody diagnostiky v oboru opravy a údržby vozidel. V první části diplomové práce byl shrnut současný stav problematiky komunikace řídicích jednotek motoru s PC - ukázány možnosti prováděných zkoušek vozu a v současné době využívaná zařízení, teoreticky popsány metody měření, rozdíl mezi sériovým a paralelním zapojením, popsány odlišné formy komunikace mezi řídicími jednotkami – CAN BUS a diagnostické rozhraní pod standardem OBD 2 atd. Vlastní práce popisuje průběh konkrétního měření, kdy byla z diagnostického zařízení umístněného na MZLU v Brně získána relevantní data a tato pak dále analyzována. Konkrétní automobil byl otestován tak, aby byl zjištěn celkový průběh chování motoru, odhaleny případné závady na motoru a poukázáno na fakt, že i v době digitalizace má analogový signál své opodstatnění, protože velkou měrou napomohl ke zpřesnění naměřených dat.
ABSTRACT This diploma thesis is focused on advantages of contemporary motor-vehicle diagnostics for auto repairs. The current state of the issue of communication of motorcontrol units with PC was summarized in the first part of the diploma thesis. This part describes variety of tests which can be provided in this area, the useful equipment, the methods of measurement, the differences between serial and parallel connection, demonstration of access to CAN-BUS (Control Area Network), the usage of diagnostic signals under OBD-II standards for On-Board Diagnostics, II generation. The practical work is based on car testing, describes whole procedure which was provided on diagnostic equipment at MZLU Brno, describes the usage of internal measuring systems and point out the signals in the cars for correction of power or torque measurement on the chassis dynamometer. Acquired data were used for the next analysis. Vehicle was tesed to find out motor defects and lay emphasis on importance of usage of analog signal, which completed the result of measured data.
1 ÚVOD ............................................................................................................................ 6 2 CÍL PRÁCE ................................................................................................................... 7 3 METODIKA .................................................................................................................. 8 4 PŘEHLED SOUČASNÉHO STAVU PROBLEMATIKY HODNOCENÍ VOZIDEL 9 4.1 Stávající metody měření hlavních parametrů spalovacích motorů ......................... 9 4.1.1 Metody měření výkonových parametrů spalovacích motorů............................... 9 4.1.2 Metody měření spotřeby paliva ......................................................................... 14 4.1.3 Měření emisních složek výfukových plynů ....................................................... 16 5 SOUHRN MOŽNOSTÍ PŘÍSTUPŮ K ÚDAJŮM ŘÍDICÍCH JEDNOTEK.............. 17 5.1 Sériová a paralelní diagnostika ............................................................................. 17 5.1.1 Sériové zapojení................................................................................................. 17 5.1.2 Paralelní zapojení............................................................................................... 20 5.2 CAN BUS a OBD ................................................................................................. 21 5.2.1 CAN – BUS (Controller Area Network Bus) ................................................... 21 5.2.2 OBD II ............................................................................................................... 23 6 ZKOUŠENÍ VOZIDEL A SPALOVACÍCH MOTORŮ NA VÁLCOVÝCH ZKUŠEBNÁCH NOVÉ GENERACE ........................................................................... 37 6.1 Charakterizace válcových zkušeben nové generace ............................................. 37 6.2 Prováděné zkoušky ............................................................................................... 38 6.2.1 Zkoušky hnacího ústrojí (spalovacích motorů).................................................. 38 6.2.2 Zkoušky brzdové soustavy................................................................................. 38 6.2.3 Kalibrační testy .................................................................................................. 39 6.2.4 Doplňkové zkoušky ........................................................................................... 39 6.3 Náhrada mechanických řešení digitální řízením................................................... 39 6.4 Příklad realizované zkušebny ............................................................................... 42 7 ANALOGOVÉ A DIGITÁLNÍ ZPRACOVÁNÍ MĚŘENÍ........................................ 45 7.1 Měřící karty........................................................................................................... 45 7.1.1 Praktické užití digitální měřící karty................................................................. 46 7.2 Převod analogového signálu na digitální .............................................................. 48 7.2.1 Technická realizace konverze analogové a digitální podoby signálu měřené veličiny........................................................................................................................ 51 8 EXPERIMENTÁLNÍ OVĚŘENÍ APLIKACE PRO SBĚR DAT A NÁSLEDNÁ POKROČILÁ ANALÝZA VÝSLEDKU....................................................................... 53 8.1 Měření otáček motoru ........................................................................................... 53 8.1.2 Fourierova transformace .................................................................................... 57 9 VLASTNÍ PRÁCE....................................................................................................... 61 9.1 Použité prostředky pro měření .............................................................................. 61 9.2 Kroky předcházející samotnému měření .............................................................. 62 9.3 Postup zkoušení .................................................................................................... 62 9.3.1 Příprava na zkoušku........................................................................................... 62 9.3.2 Dynamická zkouška ........................................................................................... 62 9.3.3 Zkouška Vkonst ................................................................................................. 64 10 ZAVĚR ...................................................................................................................... 68 SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY A ZDOJŮ........................................................... 69 SEZNAM OBRÁZKŮ.................................................................................................... 72 SEZNAM TABULEK .................................................................................................... 74 SEZNAM PŘÍLOH......................................................................................................... 74
1 ÚVOD Dnes, na počátku 21. století je automobil nedílnou součástí života, stal se takřka samozřejmým nástrojem k překonávání vzdáleností. Samotné slovo automobil pochází z řeckého άυτο („áuto“) a latinského mobilis ve významu pohyblivý, ve starší češtině byl rovněž užíván doslovný překlad slova automobil – samohyb. Automobil je tedy definován jako samostatně se pohybující pozemní dopravní prostředek, který je schopen se po zemi pohybovat díky svému vlastnímu pohonu. Okamžik, všeobecně považovaný za počátek automobilové historie, byl 29. leden 1886, kdy Karl Benz požádal o patent na svůj automobil. V listopadu téhož roku mu byl udělen říšský patent, ve kterém je popsána tříkolka poháněná výhradně spalovacím motorem. První Benzův automobil byl poháněn čtyřdobým benzínovým jednoválcem s elektrickým zapalováním, karburátorem a kapalinovým chlazením, počátek automobilových systémů byl tedy založený na procesech mechanických, pneumatických, hydraulických, termických, elektrických, ne však elektronických a přestože se postupem času nepostradatelnou pomůckou v automobilovém průmyslu staly také počítače, nedosáhla ani dnešní osobní vozidla bezporuchovosti. S nástupem řízení motorů řídícími jednotkami místo karburátorů začala v podstatě i éra diagnostiky motorů. Úplně první řídící jednotky (dále jen ŘJ) neuměly téměř nic, jen pomocí TTL logiky řídily podle údajů z čidel dobu vstřiku. Postupem času ŘJ přebíraly stále větší díl řízení motoru, od vstřikování přes řízení předstihu apod. Začala se používat první diagnostika, tzv. "vyblikání", řídící jednotky začaly být adaptabilní (dokázaly se přizpůsobit motoru a volit pro něj nejoptimálnější podmínky) až do dnešní doby, kdy v nových vozech je několik řídících jednotek propojených mezi sebou. Dnešní diagnostika už se ovšem netýká jen motorového managementu; diagnostikují se i airbagy, imobilizéry, klimatizace, servořízení, ABS a další stabilizační systémy, ale i centrální zamykání, el. stahování oken a mnoho dalšího. Důvodem výběru daného tématu pro zpracování své diplomové práce je pak nejen moje záliba v automobilech a sledování vývoje v oblasti motorů, ale zejména nutnost neustále prohlubovat své znalosti v oblasti diagnostiky vozidel, které se do
-6-
budoucna stanou abecedou pro ty, jež se chtějí podílet ve vývoji automobilového průmyslu či jiných strojů. Navíc se mi naskytla jedinečná příležitost využít moderního diagnostického zařízení umístěného v prostorách Mendlovy zemědělské a lesnické univerzity v Brně. Podnětem ke zpracování tématu v neposlední řadě byla absence literatury rozebírající danou problematiku.
2 CÍL PRÁCE Cílem mé diplomové práce je v rámci jedné publikace shrnout současný stav dané problematiky, poukázat na současné možnosti a zařízení, které jsou v oboru zkušebnictví a diagnostiky motorových vozidel využitelné a poskytnout tak základní informace pro pracovníky v oboru opravárenství a údržby motorů, bez nichž se v budoucnu, budou-li chtít být v oboru uspět nad konkurencí, neobejdou. Cílem je naučit takovéhoto čtenáře příslušný automobil otestovat, odhalit závady na motoru, ale i celkový průběh chování motoru, ukázat mu, jak se získanými daty z diagnostických přístrojů nakládat a jak dostat se k relevantnímu výsledku. V neposlední řadě má tato práce za cíl co nejvíce vyzdvihnout nesporné výhody diagnostiky a poukázat na to, že: -
přestože žijeme v době digitalizace, své opodstatnění má stále i signál analogový a často nám poskytuje informace, které digitální signál neobsahuje,
-
diagnostika umí poskytnout širokou varietu informací o stavu motoru (výkon, měrná spotřeba atd.) ale také o stavu dalších komponent vozu jako např. airbagy a klimatizace,
-
dosažení správného výsledku záleží na více faktorech než jen na správné komunikaci motoru s PC a sběru dat, ale neméně důležitou roli hraje způsob jejich vyhodnocování, který mnohdy obnáší použití složitých matematických operací jako je např. FFT analýza a další.
-7-
3 METODIKA Diplomovou práci jsem zpracovával v průběhu akademického roku 2005/2006/2007. Prvním krokem bylo zvolení tématu, tak aby práce řešila aktuální a zajímavý problém, následovala formulace cíle práce, sestavení osnovy, sběr dat a jejich následné zpracování. Data potřebná ke zpracování diplomové práce jsem čerpal z několika zdrojů uvedených v seznamu literatury na konci diplomové práce. K pochopení daného tématu mi napomohly přednášky z předmětu Diagnostika motorových vozidel a Údržba a opravy motorových vozidel, které jsem absolvoval ve 4. ročníku. Do své diplomové práce jsem zapracoval výsledky z měření získané v průběhu roku 2006, které jsem prováděl za přítomnosti operátora Ing. Podlipného ve vozidlové zkušebně v areálu MZLU v Brně. Pro zpracovávání daného tématu jsem využil metody deskripce, která se nejvíce objevuje v teoretické části a pomocí níž definuji nejdůležitější pojmy z oblasti diagnostiky vozidel. Využitím metody komparace porovnávám chování motoru při různých stavech motoru a srovnávám využití analogového a digitálního signálu. Ve vlastní práci provádím analýzu sesbíraných dat, přičemž průběh chování motoru zobrazuji převážně graficky pro lepší názornost. V závěru shrnuji zjištěné informace (syntéza). Pro větší přehlednost jsem ve své práci nahrazoval některé názvy jejich zkratkami, které se obecně užívají. Jejich seznam je uveden rovněž na konci práce.
-8-
4 PŘEHLED SOUČASNÉHO STAVU PROBLEMATIKY HODNOCENÍ VOZIDEL Přestože metody měření motorových vozidel procházejí neustálým vývojem, až donedávna tak tomu bylo bez podílu výpočetní techniky. Ani tento obor se však během posledních let neubránil proniknutí výpočetní techniky a přestože moderní technika přispěla k většímu bezpečí, pohodlí a pomohla odstranit mnoho vad, přinesla s sebou jiné, často mnohem složitější problémy. Zdokonalení technické stránky vozu s sebou nese vyšší nároky na kontrolní, opravárenské a jiné zařízení.
4.1 Stávající metody měření hlavních parametrů spalovacích motorů Na silniční motorová vozidla a jejich části jsou kladeny požadavky bezvadného, spolehlivého, ekologického a ekonomicky příznivého provozu. Zabezpečit tyto požadavky nelze pouze kvalitní konstrukcí a výrobou, ale o vozidlo a jeho zařízení je nutno pečovat a jejich funkci pravidelně kontrolovat. Úkolem servisních pracovišť je kontrolovat jednotlivé funkce všech zařízení vozidla, zejména ty, co mají dopad na bezpečnost silničního provozu, ale také na ekologičnost provozu, protože silniční doprava patří k předním znečišťovatelům životního prostředí. Z tohoto důvodu vznikly stanice technické kontroly pro vozidla v provozu a homologační stanice pro vozidla nová. Hlavním parametrem spalovacích motorů z hlediska ekonomiky a ekologie provozu je míra účinnosti přeměny chemické energie obsažené v palivu na mechanickou práci. Nejvýznamnějším ukazatelem této účinnosti je měrná spotřeba paliva, kterou lze charakterizovat jako komplexní diagnostický signál spalovacích motorů. Aby bylo možné stanovit tento komplexní diagnostický signál, je nutné, aby byly dostatečně přesně měřeny výkonové parametry a spotřeba paliva motoru.
4.1.1 Metody měření výkonových parametrů spalovacích motorů K měření výkonových parametrů spalovacích motorů, výkonu a točivého momentu v závislosti na otáčkách, se využívá celá řada metod. Každá metoda měření má různé požadavky na její provedení a s tím souvisí také rozdílná přesnost. Z hlediska zatížení lze rozdělit tyto metody na stacionární a dynamické. Podrobnější přehled uvádí tabulka č. 1.
-9-
Tab. č. 1: Přehled metod měření výkonových parametrů motorů [2] Způsob zatížení
Uložení motoru
Stacionární (statické)
Na zkušebním předvolené otáčky motoru jsou udržovány zatěžovacím stanovišti momentem brzdy (automobilové motory) zatěžovací moment se volí nezávisle na otáčkách (motory s vlastní regulací)
Ve vozidle (v místě instalace)
Měření výkonu Na klikovém hřídeli
Absorpční dynamometry:
nebo jiném srovnatelném místě
-
elektromagnetické vířivé brzdy
-
hydraulické brzdy
Na obvodu hnacích kol (válcové zkušebny)
Na klikovém hřídeli nebo jiném srovnatelném místě
Na vývodovém hřídeli (traktory a užitková vozidla)
Dynamické urychlování setrvačných hmot zvoleným točivým momentem
Ve vozidle
Princip měřícího zařízení
Na obvodu hnacích kol (válcové zkušebny)
Na klikovém hřídeli nebo jiném srovnatelném místě
mechanické frikční brzdy
-
vzduchové brzdy (vrtulové)
-
tandemové brzdy (komb.)
Univerz. dynamometry: -
elektrodynamické motorgenerátory na stejnosměrný nebo střídavý proud Torzní dynamometry (nebrzdí)
Měření úhlového zrychlení setrvačných hmot (přídavné setrvačníky na válcích)
Měření úhlového zrychlení klikového hřídele samotného motoru (volná akcelerace) nebo s přídavnými setrvačnými hmotami při jízdě na určitý
Přepočet výkonu na klikový hřídel
Měření přímočarého zrychlen í celého vozidla
4.1.1.1 Měření při stacionárním zatěžovacím momentu Obvykle se statickým (stabilním) zatížením spalovacího motoru rozumí takové zatížení umožňující nastavení předvolených otáček, které jsou v průběhu snímání jednotlivých vstupů a výstupů z motoru konstantní. K udržování příslušného zatížení slouží celá řada dynamometrů.
- 10 -
Měření motorovým dynamometrem na zkušebním stanovišti Jde o způsob měření spalovacího motoru, který vychází z normy ISO 1585:1992 „Silniční vozidla – Zkoušky motoru – Výkon netto“ nebo ČSN 30 2008 „Motory automobilové - Zkoušky na brzdovém stanovišti“. Motor je v tomto případě demontován z vozidla a uložen na měřící stanoviště, kde je dovybaven pouze pomocným zařízením, které je nezbytné k jeho provozu. Mezi základní způsoby měření výkonových parametrů motoru na zkušebním stanovišti patří snímání parametrů na klikovém hřídeli. Příslušná norma limituje přesnost měření jednotlivých signálů včetně korekcí na standardní podmínky. Z praktického hlediska se však i zde vyskytují chyby měření, které mohou být například způsobeny vlastními ztrátami a hysterezí použitého dynamometru, chybou snímačů reakční síly a případně také snímači teplot a atmosférického tlaku. Zkušební stanoviště je s ohledem na své vysoké pořizovací náklady, požadavky na čas a pracnost vhodné zejména pro vývoj nových motorů, zkoušení při jejich výrobě a případně homologační měření. Pro běžnou servisní a opravárenskou praxi je tento způsob měření výkonových parametrů nevhodný i s ohledem na provozní podmínky. [2,5] Měření spalovacího motoru ve vozidle pomocí válcového dynamometru Toto měření eliminuje některé nedostatky předchozí metody. Tato metoda měření dosahuje srovnatelných přesností měření jako předchozí metoda, ale pouze při měření výkonových parametrů na obvodu hnacích kol. Ten je proti skutečnému výkonu motoru obvykle nižší. Navíc dochází ve vozidlech při přenosu rychlosti a momentu k transformaci v převodových a jízdních částech. Lze tedy říci, že nejvýznamnější ztráty vznikají právě při přenosu energie z klikového hřídele na hnací kola a jsou závislé na účinnosti částí jako je spojka, převodovka, kloubový hřídel, rozvodovka, koncové převody apod. Dalšími ztrátami jsou ztráty, které se týkají prokluzu a deformační práce pneumatiky s jistým vlivem ventilačních ztrát při jejich rotaci. Hodnota celkových převodových ztrát u měření prováděném na válcovém dynamometru, uváděná v literatuře, je značně nejednotná. Ve starší literatuře se pohybuje až u 40 % a v novější literatuře do 25 % užitečného výkonu motoru na
- 11 -
klikovém hřídeli. I když jsou v praxi používány metody pro zjištění ztrát, například decelerace motoru, korekční výpočty na prokluz apod., tak je stanovení výkonových parametrů na klikovém hřídeli zatíženo značnou chybou. Uvedené důvody a praktické použití upozorňují na význam přenesených výkonových parametrů z klikového hřídele na hnací kola. Výkon na hnacích kolech slouží přímo k pohybu vozidla, kdežto výkon na klikovém hřídeli motoru musí pokrýt všechny dříve uvedené ztráty zařízení od motoru až po hnací kola. Zároveň by měření výkonu na hnacích kolech umožnilo kromě stavu motoru kontrolovat také stav převodových a pojezdových ústrojí. Z tohoto důvodu je použití válcové zkušebny vhodné. [1,2,5] 4.1.1.2 Měření výkonových parametrů dynamických způsobem Vůči metodám statickým, kde je parametr výkonu spalovacího motoru měřen při ustálených otáčkách a zatížení, jsou v případě dynamických metod měřeny při dynamických režimech motoru, jako je urychlování a zpomalování jeho setrvačných hmot. Měřený motor zpravidla urychluje setrvačné hmoty s plnou dodávkou paliva. Ve výsledku není rozdíl v tom, zda při jízdě na vozovce jsou setrvačné hmoty vztaženy k celému vozidlu nebo při urychlování samotného motoru (volná akcelerace), kdy setrvačné hmoty odpovídají jeho pohybujícím se součástkám. Změní se pouze poměr velikosti zrychlení a setrvačné hmoty (nepřímá úměra). Na základě takto naměřených průběhů výkonových parametrů na otáčkách motoru lze sestrojit dynamickou charakteristiku motoru, která je obdobná s vnější otáčkovou charakteristikou motoru měřenou na zkušebním stanovišti za statických podmínek, ale nelze je ztotožňovat. Často bývají upřednostňovány statická měření na zkušebních stanovištích, i když se ve skutečném provozu tyto případy nevyskytují příliš často, ale spíše se jedná o dynamické režimy práce motoru (doba akcelerace mezi různými rychlostmi), které mají svůj význam především v otázce bezpečnosti předjíždění a plynulosti provozu.
- 12 -
Válcové zkušebny pro dynamická měření Využívají jejich setrvačníkového provedení, které je původně pro kontrolu rychloměrů a tachografů, přezkoušení termostatů, teploměrů, apod. Zařízení je vybaveno válci, které jsou poháněny hnacími koly vozidla a v režimu akcelerace se k nim pro zvýšení setrvačnosti připojují setrvačníky. U tohoto typu zkušebny je měření výkonových parametrů obvykle technicky provedeno pomocí vloženého členu mezi rotující válec a poháněný setrvačník. Vloženým členem může být momentový převod nebo torzní dynamometr. Nejmodernější zařízení umožňují měření statické i dynamické. Bohužel jsou mnohdy ještě v současné době dynamické metody měření brány jako pouze pomocné a orientační, i když konstrukce setrvačníkové válcové zkušebny je jednodušší a také řádově levnější, čímž by nalezly uplatnění v běžných servisních střediscích nejen k orientačním zkouškám. [2] Metoda měření při volné akceleraci U vnější silou nezatíženého motoru je známa již dlouho dobu, ale bez objektivní podstaty. Pouze záleželo na subjektivních zkušenostech mechanika, který měření prováděl. S rozvojem techniky se postupně přešlo z méně přesných analogových přístrojů na digitální elektroniku a výpočetní techniku, která je naprosto objektivní. Výhodou této metody vůči výše popsaným metodám měření výkonu a točivého momentu motoru je vysoká přesnost a opakovatelnost, protože jako jediná z metod není ovlivněna ztrátami a hysterezí jako je tomu u statických měření. Přesnost měření na volných válcích je ovlivněna pouze přesností měření času, za který se pootočí klikový hřídel motoru o určitý úhel. Měření úhlového zrychlení a úhlové rychlosti klikového hřídele motoru s dostatečnou přesností na µs je poměrně snadnou záležitostí. Problematické je stanovení momentu setrvačnosti motoru, které se řeší několika způsoby. Případná chyba v nastavení momentu setrvačnosti je při měření významná, ale je chybou systematickou a nemá tedy náhodný vliv na přesnost vlastního měření. Kromě stanovení momentu setrvačnosti motoru je zde problém s parametry plnícího vzduchu. Jde především o motory s turbodmychadlem a motory, které mají
- 13 -
proměnnou délku sacího potrubí. Zpoždění turbodmychadla je dané vlastním principem jeho práce a v závislosti na vyspělosti konstrukce je ovlivněna jeho velikost. Kromě uvedených nedostatků, má metoda měření na volných válcích také celou řadu předností. Kromě toho, že je zaručena vysoká opakovatelnost měření je toto měření prováděno bez demontáže motoru a dalších významných technických zásahů. Významnou výhodou je neomezený rozsah výkonově různých strojů, které jsou stejně přesně měřeny jediným přístrojem a také nízké pořizovací náklady. [2,3,4,5] Kvazistatická metoda měření Využívá akcelerační princip a je charakterizována tím, že plná akcelerace motoru působí jednorázově a nebo i opakovaně, vždy pouze v poměrně úzkém pásmu otáček, při němž se zatížení motoru relativně ustálí. Toto zatížení lze měřit a současně lze měřit i relativně ustálené vstupy do motoru (spotřebu paliva) a výstupy. Takto lze měřit poměrně snadno všechny druhy spalovacích motorů mobilních i stacionárních strojů. Problémy způsobuje měření vstupů a výstupů z motoru. Je totiž zapotřebí velmi citlivé zařízení, které je schopno měřit v aktuálním čase, což zvyšuje ekonomické náklady. Přestavení palivového pedálu z nulové do plné dodávky paliva je nutné provést během několika setin sekundy, jelikož by mohlo dojít k nežádoucím částečným dostřikům, které mohou zkreslit naměřená data o 1 až 3 %. [2,3,4,5]
4.1.2 Metody měření spotřeby paliva Počet vozidel a tím také spotřeba paliva v České republice neustále roste. Na každý litr spáleného motorového paliva musí být k dispozici zhruba 10 m3 vzduchu. Současně na zvyšující se spotřebu paliva má vliv také rostoucí stáří motorových vozidel, které je v současné době více jak 16,5 roku. Se zvyšujícím se stářím vozového parku České republiky souvisí také zastarávání jejich konstrukce, přičemž se odhaduje, že 10 % spotřeby paliva právě připadá na ztráty vlivem konstrukce a dalších 10 % na ztráty, které souvisí se zhoršeným technických stavem motorových vozidel. Měrná spotřeby paliva je považovány za komplexní diagnostický signál, který charakterizuje účinnost motoru. Bohužel v praxi se spotřeba paliva převážně udává
- 14 -
v litrech na 100 km provozu v podobě tří čísel, která charakterizují spotřebu paliva v simulovaném městském cyklu, mimoměstském cyklu a ve smíšeném provozu, který je kombinací předchozích. Měření spotřeby paliva pomocí průtokoměrů Je poměrně jednoduché, ale má některé problémy, které souvisí především s jeho správným umístěním do palivové soustavy měřeného spalovacího motoru a také s měřením a načítáním spotřeby paliva v průběhu dynamických režimů. Při připojení palivoměru nesmí být ovlivněny správné provozní parametry palivové soustavy a musí být respektováno zpětné vracení přebytečného paliva do nádrže. Za těchto dvou podmínek je zcela bezproblémové připojení palivoměru do starší soustavy
vznětových
motorů
s
neproplachovaným
vstřikovacím
čerpadlem
a zážehových motorů s karburátorem. Problém s proplachováním soustavy je třeba řešit tak, aby byly zachovány všechny funkce proplachování a současně nebyla měřená spotřeba paliva proplachovacím množstvím zvětšena. Akcelerační způsob měření spotřeby paliva klade na konstrukci měřiče podstatně vyšší nároky, než je tomu u klasického statické zatěžování. Především se jedná o přesnost, jemné rozlišení a co nejnižší setrvačnost mechanických a hydraulických systémů použitého palivoměru. [5] Měření spotřeby paliva z emisí Je závazný způsob pro homologační měření od 1. 1. 1997 v rámci Evropského společenství. Dnes se zpracovávají výsledky měření na počítači a není problém vypočítat z vyprodukovaného CO, CO2 a HC množství spotřebovaného paliva. Výhodou způsobu zjišťování spotřeby paliva ze spalin je to, že není třeba zasahovat do palivové soustavy automobilu připojením externího měřícího zařízení. Toje u moderních palivových soustav obtížné a pracné a v některých případech dokonce nemožné. Nevýhodou jsou zejména podstatně vyšší investice na celý měřící systém.
- 15 -
Metoda počítané spotřeby paliva ze spalin se vyvinula z měření emisí vozidlových motorů. Při „klasickém“ odběru vzorku z výfukového traktu spalovacího motoru je při dodržování stejných podmínek pro spalování koncentrace škodlivin přibližně stálá a se změnou režimu běhu motoru (klapka, otáčky) se mění výrazně průtok spalin. Pro výpočet spotřeby paliva z těchto tzv. neředěných plynů je nutno zajistit přesné a kontinuální měření nasávaného množství vzduchu. Naopak při velkém průtoku ředícího vzduchu, několikanásobku průtoku spalin, se při změně režimu běhu mění výrazně koncentrace škodlivin a průtok zředěných spalin je takřka neproměnný. V tomto případě není nutné zajistit kontinuální měření hltnosti motoru, je však nutné zajistit konstantní ředění. [2,5,6]
4.1.3 Měření emisních složek výfukových plynů Ve skladbě zdrojů zatěžujících životní prostředí lze pozorovat významný přesun jejich podílů. Zatímco emise z titulu průmyslové výroby klesají, je tomu u silniční dopravy právě naopak. Význam kouřivosti je především u motorů vznětových, kde se projevuje mnohem výrazněji než u motorů zážehových. Ke kvantitativnímu popisu kouřivosti slouží zejména filtrační metoda, opacimetrie a hmotnostní měření koncentrace částic. K měření koncentrace plynných složek výfukových plynů produkovaných spalovacím motorem se využívá řada metod, z nichž jsou nejběžnější měření založené na principu absorpce infračerveného záření, měření s využitím chemické luminiscence (CLA), měření založené na principu změny elektrické vodivosti vodíkového plamene (FID) apod. Z hlediska dynamických měření je důležitá především rychlost odezvy na změnu složení analyzovaného vzduchu. Konstrukce analyzátorů s pracovní komorou není pro dynamické měření vůbec vhodná vzhledem k velkému zpoždění reakce na změnu. [2,5,6,31]
- 16 -
5 SOUHRN MOŽNOSTÍ PŘÍSTUPŮ K ÚDAJŮM ŘÍDICÍCH JEDNOTEK 5.1 Sériová a paralelní diagnostika Možností přístupů k parametrům řídících jednotek je celá řada. Nejčastěji využívané přístupy k parametrům řídících jednotek jsou realizovány pomocí sériového či paralelního zapojení.
5.1.1 Sériové zapojení Sériové zapojení patří mezi nejrozšířenější typ komunikace s ECU. Sériovou diagnostikou rozumíme napojení testeru k ECU pomocí konektoru (dnes už používá většina automobilek připojení dle normy OBD2) umístěného nejčastěji v interiéru vozidla (u starších vozů naopak v motorovém prostoru). Sériová diagnostika (na rozdíl od diagnostiky paralelní) umožňuje: -
přečíst paměť závad,
-
vymazat ji,
-
vyresetovat ECU do továrního nastavení,
-
nastavovat jednotlivé hodnoty např. otáčky volnoběhu, škrtící klapku apod.,
-
provádět test akčních členů a mnoho dalšího.
Existuje mnoho software pro komunikaci s ECU, od jednoduchých po maximálně vybavené, některé jsou určeny jen pro jednu značku automobilu, jiné zase zvládají značek více. Existuje také spousta převodníků k propojení sériového portu počítače s vozidlem, od jednoduchých, které obsahují pouze dva tranzistory a pár pasivních součástek, přes převodníky s optočleny až po složité převodníky s procesory, případně i speciální karty. [41]
- 17 -
Typy přístrojů pro sériové zapojení:
Obr. č. 1: ELM327 OBD II - Multiprotocol ScanTool Na výše uvedeném obrázku je ukázán diagnostický adaptér na bázi čipu ELM327 pro komunikaci s PC, kompatibilní s ElmScan5 ScanTool a dalšími SW. Podporuje tyto komunikační protokoly: -
CAN (ISO15765-4),
-
ISO9141,
-
KWP2000 (ISO14230-4),
-
J1850 VPW,
-
J1850 PWM. [33]
Obr. č. 2: ScanDi – Tool Přístroj uvedený na obrázku č. 2 lze charakterizovat jako výrazně zmodernizovaný diagnostický přístroj VAG 1552 s rozšířením na další značky vozů vybavených systémem OBD II. [34]
- 18 -
Obr. č. 3: TS Pro Přístroj uvedený na obrázku č. 3 je určen pro sériovou diagnostiku - čtení a mazání paměti chyb, čtení parametrů, test akčních členů apod. elektronických systémů automobilů s vlastní diagnostikou. Zároveň také i pro paralelní měření pomocí osciloskopu - až 4 kanály.
Obr. č. 4: TS02 - diagnostik Přístroj uvedený na obrázku č. 4 je určen pro sériovou diagnostiku - čtení a mazání paměti chyb, čtení parametrů, test akčních členů ap. elektronických systémů automobilů s vlastní diagnostikou. [35]
Obr. č. 5: Diagnostický přístroj AVL DiSCAN 8000 Na obrázku č. 5 je uveden univerzální diagnostický přístroj pro čtení chybových hlášení v paměti počítače včetně diagnostiky motorů a informační databáze.AVL
- 19 -
DiScan 8000 slouží k zobrazení chybových kódů na LC displeji a vymazání závad z paměti, stejně tak k zobrazení proudových dat. Průběh dat je zobrazen digitálně nebo graficky. Dle možností řídící jednotky lze pomocí DiScan nastavovat servisní intervaly i intervaly výměny oleje. [37] Další typy přístrojů pro sériové zapojení: KTS 530 540 570 650 Jedná se o zařízení pro kontrolu, diagnostiku, vyhledávání a odstraňování závad u elektronických systémů řízení moderních zážehových a vznětových motorů, ABS/ASR, ESP, airbagů, systémů přístrojových desek, řízení automatických převodovek a celé řady dalších systémů komfortu a bezpečnosti Tester pro analýzu systémů vozidel FSA 450 Jedná se o kompaktní tester pro diagnostiku elektronických systémů vozidel a jejich komponentů.
Jde
o
mobilní
zařízení
ovládané
především
prostřednictvím
osmipalcového barevného dotykového displeje. Dokáže poskytnout všechny standardní funkce motortesteru včetně 4-kanálového osciloskopu a multimetru. FSA 450 lze dovybavit řadou příslušenství, které rozšiřují jeho schopnosti o další specializované funkce. [36]
5.1.2 Paralelní zapojení Paralelní diagnostika je v podstatě přímé čtení hodnot z jednotlivých čidel a komponentů motoru na pinech řídící jednotky. Ke čtení v domácích podmínkách postačí většinou multimetr, případně osciloskop. Servisy, které disponují zařízením na paralelní diagnostiku, používají speciální testery. Nevýhodou paralelní diagnostiky je, že neumožňuje vyčíst a vymazat paměť závad, nelze nastavovat parametry řídící jednotky, nelze programovat imobilizér apod. Proto se paralelní diagnostikování používá mnohem méně, nežli sériové. Paralelní diagnostiku multimetrem či osciloskopem můžeme využít k diagnostice sériové, zejména při hledání specifických závad, či u starších nebo exotických vozů, které je problém či vůbec nelze napojit na diagnostiku sériovou.
- 20 -
Typy přístrojů pro paralelní zapojení:
Obr. č. 6: Diagnostický systém Autocom ADP186 Přístroj uvedený na obrázku č. 6 je koncipován jako sestava skládající se z komunikačního rozhraní a diagnosticko-informačního software. Je určen především pro neznačkové autoservisy nebo autoservisy značkové, které chtějí mít možnost servisovat i automobily jiných značek. [38]
5.2 CAN BUS a OBD Elektronické systémy soudobých
vozidel
se vyznačují
těsnou
komplexností
integrovaných systémů a i tedy zdánlivě nepotřebné parametry ovlivňují sledovanou soustavu. Možnosti přímého snímaní některých veličin jsou velmi omezené zejména z pohledu instalace vhodných snímačů. Východiskem je využití některého systému, který tato data zprostředkovává ve formě komunikace mezi řídicími jednotkami – CAN-BUS, případně lze taktéž využít diagnostické rozhraní, ať již pod standardem OBD-2 či proprietálním protokolem výrobce vozidla.
5.2.1 CAN – BUS (Controller Area Network Bus) Primárním cílem implementace digitálních sítí ve vozidlech bylo snížení počtu vodičů mezi mikroprocesorovými jednotkami, čímž se zredukovala potřeba drahých materiálů vodičů a výrazně zvýšila spolehlivost komunikace. Počátky CANu sahají až do roku 1983, roku 1986 vyšlo první oficiální vydání specifikace CAN sběrnice, která vycházela ze síťového modelu s liniovou topologií a řízením přístupu na bázi multimaster.
- 21 -
Tento způsob řízení komunikace vychází z určení nadřízené jednotky - master, která chce vysílat zprávu, přičemž ostatní uzly musí vyčkat do okamžiku, kdy master zprávu dokončí a datová linka je volná. Fyzická vrstva je tedy jednoznačně determinována, ovšem problém vyvstává při prezentaci dat na úrovni aplikační vrstvy, kdy je nutné rozlišit použitý protokol. Základní parametry pro mobilní stroje (traktory, těžké užitkové stroje atd.) vycházejí ze SAE J1939, většinou se dodržuje komunikační rychlost – 250kbps. U osobních automobilů podobná shoda nepanuje. Data sběrnice CAN Spektrum dostupných parametrů sítě CAN je odvozeno z hlediska technické úrovně od výše integrace elektronických systémů a dále od vůle výrobce podrobit se standardům aplikačního protokolu. Data sběrnice CAN jsou výraznou pomocí při provádění měření a analýz zkoušek na válcovém dynamometru. Poskytují komplexní pohled na způsob řízení jednotlivých celků, zejména však na řízení motoru a převodovky. Mimo rozsah dostupných parametrů navíc eliminují nutnost zásahu do funkčních celků vozidla při měření některých veličin (např. teplota plnícího tlaku vzduchu, je-li mobilní prostředek vybaven recirkulací spalin). Interpretace parametrů získaných ze sítě CAN je pod SAE J1939 vcelku snadným úkolem. Nejprve je sběrnice pasivně odposlechnuta průmyslovou kartou a na základě porovnání sejmutých dat a parametrů dle SAE J1939 jsou stanoveny dostupné zprávy. Dále jsou vybrány kanály, které datové zprávy obsahují. [28] Mezi nejčastěji sledované parametry patří: -
otáčky motoru,
-
průtok paliva,
-
teplota paliva,
-
teplota plnicího vzduchu,
-
teplota chladiva,
-
barometrický tlak,
-
plnicí tlak,
- 22 -
-
tlak motorového oleje,
-
aktuální točivý moment,
-
zatížení motoru,
-
požadované otáčky,
-
poloha regulačního členu výkonu,
-
otáčky ventilátoru chlazení,
-
napětí palubní sítě aj.
5.2.2 OBD II Diagnostické rozhraní automobilů zprostředkovává údaje, které není možné snímat přímo či nelze využít parametry CAN-BUSu z důvodu nepřístupnosti protokolu či neníli sběrnice instalována. V minulosti bylo téměř nemožné číst parametry diagnostického protokolu, ovšem v současnosti všechna nová vozidla musí respektovat požadavky OBD-2, případně evropské obdoby EOBD. Vstupní parametry: -
otáčky,
-
množství nasávaného vzduchu či podtlak v sacím potrubí,
-
poloha akcelerátoru, teplota motoru, teplota nasávaného vzduchu.
Výstupní parametry: -
předstih zážehu,
-
adaptace dávky paliva aj. Řídicí jednotka provádí odečet analogové hodnoty a převádí ji na digitální
podobu, která slouží k výpočtům pro výstupy jako množství vstřikovaného paliva či regulace předstihu zážehu. Tyto hodnoty jsou poskytovány i vnitřní diagnostice vozidla, nejedná se tedy o autonomní kontrolní mechanismus, ale o aplikační nástavbu řízení motoru, která je doplněna také o funkční testy komponent řízení motoru. Díky těmto vazbám lze navenek sledovat regulační proces systému řízení motoru. Na této vlastnosti je založeno jádro vyvinuté aplikace.
- 23 -
Zpřístupnit vstupní i výstupní parametry řízení motoru při měření výkonu a dále sledovat bezchybný stav vozidla z pohledu pohonného ústrojí a také podávat informace o statutu komponent, které musí systém monitorovat. Z větší části sleduje stav snímačů zpětnovazební regulace (lambdaregulační proces, činnost katalyzátoru, polohu recirkulace spalin), ale stejně tak musí pro systém řízení motoru podávat hlášení i kontrolér či řídicí jednotka např. klimatizace. [42]
5.2.2.1 Základní funkce OBD II / EOBD Monitorování funkce kyslíkových sond Kyslíková sonda (lambda sonda) slouží ke zjištění množství kyslíku ve spalinách (před i za katalyzátorem) z jehož objemu lze usuzovat na počáteční poměr paliva a vzduchu ve směsi. Tento signál patří ve funkci OBD II k hlavním a sledují čtyři se základní parametry: -
čas odezvy (ECU sleduje dobu odezvy při přechodu z bohaté směsi na chudou a naopak na sondě před katalyzátorem),
-
čas odezvy v průběhu (rozšíření času odezvy o sledování dynamiky signálu během regulačního zásahu),
-
čas aktivace (ECU vyhodnocuje čas vyhřívání „studené“ lambda sondy k dosažení potřebné teploty),
-
rozdíl průběhů signálů před a za katalyzátorem. V tomto případě řídicí jednotka srovnává signály lambda sond před a za
katalyzátorem a vyhodnocuje tak stav katalyzátoru. Při stanovení stavu se většinou vychází z redukce nespálených uhlovodíků CHx, přičemž účinnost plně funkčního katalyzátoru je při stechiometrii cca 95 % a při 65 % účinnosti je stav vyhodnocen jako závada. Adaptace Kromě uvedených testů kyslíkových sond a katalyzátorů se dále provádějí korekce na okolní a časové vlivy. Jedná se v podstatě o sledování regulační smyčky s následnými dopočty k poměru vzduch/palivo a to v celém systému, tj. se zahrnutím zejména vlivu opotřebení např. vstřikovačů či různých netěsností.
- 24 -
Z hlediska doby se jedná o adaptace krátkodobé, tzn. korekční faktor se vymaže po vypnutí zapalování nebo o dlouhodobé, kdy se zaznamenaný součinitel zapíše do trvalé paměti. ECM indikuje chybu při překročení limitu ± 20 % od normované hodnoty uložené v řídicí jednotce. Mimo výše uvedené se dále sledují zkraty a přerušení vedení signálů lambda sondy, vyhřívání (vyhřívací proud) a vnitřní odpor. Systém recirkulace výfukových plynů (EGR) Funkce recirkulace výfukových plynů má značný význam v některých režimech motoru, kdy zpětným přivedením spalin dojde ke snížení teploty spalování a poklesu oxidů dusíku NOx. Systém sekundárního vzduchu Systém sekundárního vzduchu je v činnosti ve fázi ohřevu studeného motoru. Jeho úkolem je do výfukového potrubí přivádět vzduch k dodatečné oxidaci CO a CHx, přičemž teplo takto získané slouží k urychlení nárůstu teploty katalyzátoru na optimum. U systému OBD II se tato funkce monitoruje pomocí lambda sondy, kdy ECU očekává nízké hodnoty lambda. Během této doby je vyřazena z okruhu lambda regulace. V systému EOBD jsou navíc zjišťovány parametry dmychadla a ovládacího ventilu. Kontrola vynechávání zapalování Při výpadku zapalování dojde nejen k enormnímu nárůstu škodlivin ve výfukových plynech, ale je bezprostředně ohrožena funkce či životnost katalyzátoru. Nespálené palivo při výpadku zapalování dohořívá ve výfuku, což má za následek zvýšení teploty katalyzátoru nad kritickou hranici. Při teplotě 800°C až 1000 °C dochází k postupnému termickému poškození katalyzátoru, při teplotě nad 1000°C k mechanickým změnám, které vedou k úplné disfunkci katalytického systému. Sledovat přímo vynechávání zapalování nelze, ale na základě signálu ze snímače polohy klikové hřídele lze z průběhu zrychlení určit vynechání zapalování. Systém OBD II musí toto nejen zjistit, ale musí také určit, zda-li se jedná o výpadek na jediném válci, či se tohoto negativního jevu účastní více válců. [42]
- 25 -
Chybové kódy Chybové kódy jsou standardizované podle SAE J2012. Jsou rozděleny do několika kategorií podle funkčních skupin: B pro karoserii (Body), C pro podvozek (Chassis), P pro hnací ústrojí (Powertrain), U pro síťové systémy (Undefinided) Systém OBD II vyžaduje zatím pouze kód P (pohon). Druhé místo označuje podskupinu pro normovaný kód ISO/SAE „P0xxx“ nebo normovaný kód výrobce „P1xxx“. Třetí místo označuje konstrukční jednotku, u které vznikla porucha. Čtvrté a páté místo udávají lokalizovanou jednotku systému (01 až 99). [28,40] Tab. č. 2: Rozdělení chybových kódů hnacího ústrojí podle jednotlivých systémů P0xxx
Kódy nezávislé na výrobci (pod ISO/SAE)
P01xx
Odměřování vzduchu nebo paliva
P02xx
Odměřování vzduchu nebo paliva
P03xx
Systém zapalování, poruchy zapalování
P04xx
Přídavné zařízení pro snížení emisí
P05xx
Rychlost vozidla, nastavení volnoběhu a ostatní výstupní signály
P06xx
Palubní počítač a ostatní výstupní signály
P07xx
Převodovka
P08xx
Převodovka
P09xx
Volné pro ISO/SAE
P00xx
Volné pro ISO/SAE
P1xxx
Kódy zadávané výrobcem (volně volitelné)
P11xx
Odměřování vzduchu nebo paliva
P12xx
Odměřování vzduchu nebo paliva
P13xx
Systém zapalování, poruchy zapalování
P14xx
Přídavné zařízení pro snížení emisí
P15xx
Rychlost vozidla, nastavení volnoběhu a ostatní výstupní signály
P16xx
Palubní počítač a ostatní výstupní signály
P17xx
Převodovka
P18xx
Převodovka
P19xx
Kategorie ISO/SAE
P20xx
Kategorie ISO/SAE
- 26 -
5.2.2.2 Diagnostické rozhraní (DLC) Komunikační propojení mezi vedením palubní diagnostiky a testerem je zásuvka dle standardu SAE J1962 a její fyzické provedení je stejné pro všechny vozy OBDII/EOBD. Rozdíl je ovšem v zapojení komunikačních kanálů (obr. č. 7).
Obr. č. 7: Diagnostické rozhraní OBD II / EOBD Zapojení podle ISO vyžaduje komunikační piny na pozici 7 a 15 (plné zapojení, nové systémy mají běžně zapojen pouze obousměrný komunikační kanál přes vedení 7). Norma SAE J1850 (VPW i PWM) udává dostupnost OBD II na pinech 2 a 10. Na obr. 8 je zobrazeno možné umístění diagnostické zásuvky ve voze. [22,42]
Obr. č. 8: Možnosti umístění diagnostické zásuvky v automobilu
- 27 -
5.2.2.3 Integrace diagnostického rozhraní v praxi
Obr. č. 9: Distribuovaný systém měření na válcovém dynamometru MZLU v Brně
- 28 -
5.2.2.4 Komunikace Bezesporu největší rozdíly mezi generacemi palubní diagnostiky či mezi její americkou a evropskou specifikací je v komunikaci, a to ve všech sledovaných parametrech: -
fyzické vrstvě (Physical Layer),
-
datové vrstvě (Data Link Layer),
-
aplikační vrstvě (Application Layer). Ačkoliv tyto pojmy vypadají na první pohled nesrozumitelně, lze si je
zjednodušit jako elektrické zapojení (fyzická vrstva) a použitý protokol včetně přístupu k němu (datová a aplikační vrstva) (Obr. č. 10). Systémově si lze komunikaci diagnostického testeru a příslušné řídicí jednotky připodobnit k platformě PC na úrovni Klient (tester) – Server (ECU).
Obr. č. 10: Komunikační vrstvy podle OSI (Open Systems Interconnection) Úkolem fyzické vrstvy palubní diagnostiky je přenos elektrického signálu z řídicí jednotky do diagnostického testeru a naopak. Podle použité normalizace jsou specifikovány elektrické úrovně signálu, jejich dynamika, časy mezi signály, ať již při vlastní inicializaci komunikace nebo dále při přenosu dat mezi testerem a jednotkou.
- 29 -
Vzhledem k časové posloupnosti budou nejprve uvedeny normy „americké“ specifikace fyzické vrstvy protokolu pro OBD-II. Přehled fyzických zapojení protokolu OBD II je uveden v tabulce č. 3. [10,11,12,13,14,15,16,42] SAE J1850 SAE definuje pod normou J1850 tři základní typy komunikace – Class A, Class B a Class C a to ve dvou alternativách. ClassB VPW (Variable Pulse Width Modulation), který plně využívá automobilka GM a Chrysler komunikuje rychlostí 10,4 kb/s a dále PWM (Pulse Width Modulation), který využívá společnost FORD (pod svým označením SCP – Standard Corporate Protocol) s rychlostí 41,6 kb/s. Class A byl, jak plyne z označení, uveden jako první a specifikace uvádí rychlost pod 10 kbps, sloužil zejména k přenosu dat mezi ECU a senzory. Norma SAE J1850 se nezabývá pouze komunikací mezi řídicí jednotkou a diagnostickým testerem, ale udává i přenos a výměnu dat mezi řídicími jednotkami navzájem či jednotkou a snímačem. Class B (VPW, PWM) již umožňuje komunikační rychlost vyšší než 100kbps a snižuje celkové zatížení sběrnice (dnes nejpoužívanější u amerických výrobců). Class C je nejnověji specifikován rychlostí až 1 Mbits a jako síťový standard využívá CAN (Control Area Network). Ve stádiu návrhu je Class D s rychlostí až 10 Mbits. ClassB VPW (Variable Pulse Width Modulation) je z pohledu fyzické vrstvy spfecifikován maximální délkou sítě 35 m + 5 m vedení mimo vůz, dále ve standardním provedení je nejvíce 32 uzlů pro jednotku či kontroler s parametry 10,6 kΩ ohmického odporu a kapacitou 470 pF. Měření se provádí na diagnostickém konektoru DLC (SAE 1962) a minimální hodnota ohmického odporu je 10,6 kΩ a kapacita by neměla přesáhnout 500 pF (bus vedením a signálovým vedením, příp. zemí). [21,42] ISO 9141, ISO 14230 Norma ISO 9141 byla přijata v roce 1989 jako standard výměny dat ve vozidle, v roce 1994 proběhla revize pro splnění podmínek CARB a dostala označení ISO 9141-2. Roku 1998 se harmonizovala se SAE J1978 (OBDII Scan Tool) v komunikaci mezi Ecu a testerem. ISO 14230 (r. 1999) je po fyzické stránce téměř totožná, rozdílem je pouze specifikace na 24V rozvod ve vozidle. Tento protokol se nazývá KWP 2000 (Keyword Protocol 2000).
- 30 -
ISO 9141, resp. 14230 určuje několik možných typů zapojení tzv. K a L linek, jedná se o systémy s diagnostickým vedením K (volné, jednosměrné, obousměrné) a dále s diagnostickým vedením K a L.
Obr. č. 11: Systém vedení K s obousměrnou komunikací Signálové úrovně pro komunikaci mezi ECU a diagnostickým testerem jsou zobrazeny na obrázku č. 12.
Obr. č. 12: Požadované úrovně signálu dle ISO
- 31 -
Obr. č. 13: Schéma zapojení pro komunikaci
přičemž:
Elektrické parametry diagnostického testeru jsou závislé na použití 12V nebo 24V sítě. Aby diagnostický tester pracoval korektně, musí se hodnota napájecího napětí pohybovat mezi 8 až 15 volty u 12V sítě a mezi 16 až 32 volty u 24V sítě, přičemž teplota okolí se musí pohybovat od -20 do + 50°C. Ohmický odpor K-linky je při nepřipojeném testeru 510 Ω ±5% (12V), resp. 1kΩ ±5% (24V). [10,13,42]
- 32 -
Tab. č. 3: Fyzická vrstva komunikačního protokolu
Fyzická vrstva komunikačního protokolu
Výrobce – Model
Audi/VW
Bentley
2000
ISO 9141
ISO 9141
2001
ISO 9141
ISO 9141
2002
2003
2004
ISO9141
ISO9141
ISO9141
KWP2000 KWP2000 KWP2000
ISO 9141
ISO 9141
2006
2007
ISO9141
ISO9141
ISO9141
CAN
ISO 9141
ISO 9141
ISO 9141
(50%)
(35%)
(20%)
KWP2000 KWP2000 KWP2000 (65%)
N/A
N/A
KWP2000 KWP2000 KWP2000 KWP2000
BMW3-Series, ISO
ISO
ISO
- 33 -
ISO
ISO
2008
KWP2000 KWP2000 KWP2000 CAN CAN
(50%) BMW - Mini
2005
ISO
(80%)
CAN
CAN
CAN
5-Series, X5,
9141/2
9141/2
9141/2
9141/2
9141/2
9141/2
N/A
N/A
N/A
N/A
KWP2000 KWP2000
N/A
N/A
Z3, Z4, Z8, 740i, 740iL, 750iL BMW 5-Series (E60) BMW 745i, 745Li, 765Li
KWP2000 KWP2000 KWP2000 KWP2000
ISO 9141- ISO 9141- ISO 9141- ISO 9141- CAN Chrysler
2 (75%)
2 (15%)
2 (5%)
(5%)
CAN
CAN
(15%)
(35%)
(85%)
CAN
J1850-10.4 J1850-10.4 J1850-10.4 J1850-10.4 J1850-10.4 J1850-10.4 J1850-10.4 J1850-10.4 (100%) (25%)
Ford
2 (35%)
CAN
(65%)
(85%)
J1850-41.6 J1850-41.6 0% CAN
(95%)
(95%)
5% CAN
50% CAN 85% CAN 90% CAN 80%
(85%)
55%
(65%)
25%
(15%) 100%
100%
CAN
CAN
25%
J1850-10.4 J1850-10.4 J1850-10.4 J1850-10.4
GM
J1850-10.4 J1850-10.4 J1850-10.4 J1850-10.4 15% CAN 40% CAN 70% CAN 70% CAN (bez výjimek)
5%
5%
5%
5%
KWP2000 KWP2000 KWP2000 KWP2000
- 34 -
100% CAN
Honda/Acura
Hyundai
ISO 9141
ISO 9141
ISO 9141
ISO 9141
ISO 9141
ISO 9141
ISO 9141
ISO 9141
ISO 9141
ISO 9141
ISO 9141
J1850-10.4 J1850-10.4 J1850-10.4 J1850-10.4
Land Rover
ISO 9141
ISO 9141
ISO 9141
ISO 9141
0% CAN
ISO 9141
J1850-10.4 J1850-10.4
0% CAN
0% CAN
75%-IS0
60%-CAN 60%-CAN
9141
40%-ISO
25%-CAN 9141
62% CAN
40%-ISO
9141 30%
9141 60%
CAN
CAN
ISO 9141
ISO 9141
CAN
CAN
?
?
?
100%
100%
100%
CAN
CAN
CAN
CAN
CAN
CAN
50%-J
Tribute-
1850
CAN
9141 50%-J
Mazda-Ford
40% ISO
KWP2000 KWP2000 KWP2000 KWP2000 KWP2000 KWP2000 KWP2000 KWP2000
Isuzu
Mazda
ISO 9141
70% ISO
J1850-41.6 J1850-41.6 J1850-41.6 J1850-41.6 J1850-41.6 1850
?
50%-CAN 50%-CAN Truck? Mercedes
ISO 9141
ISO 9141
ISO 9141
KWP 2000 KWP 2000 KWP 2000 KWP 2000 KWP 2000 CAN
KWP 2000 KWP 2000 KWP 2000 CAN Mitsubishi
ISO 9141
ISO 9141
Nissan/Infiniti
ISO 9141
ISO 9141
- 35 -
ISO 9141
ISO 9141
CAN
CAN
CAN
CAN
ISO 9141
TBD
TBD
CAN
CAN
Porsche
ISO 9141
ISO 9141
ISO 9141
ISO 9141
Rolls Royce
ISO 9141
ISO 9141
ISO 9141
ISO 9141
Subaru
ISO 9141
ISO 9141
ISO 9141
KWP 2000 KWP 2000 KWP 2000 CAN
Toyota/Lexus
ISO 9141
ISO 9141
ISO 9141
ISO 9141
Volvo C70
ISO 9141
ISO 9141
ISO 9141
Volvo S80
ISO 9141
ISO 9141
Volvo V70 II
ISO 9141
Volvo S60
KWP 2000 KWP 2000
ISO 9141 / ISO 9141 / ISO 9141 /
CAN
CAN
TBD
TBD
CAN
CAN
CAN
ISO 9141
ISO 9141
N/A
N/A
N/A
N/A
ISO 9141
ISO 9141
CAN
CAN
CAN
CAN
CAN
ISO 9141
ISO 9141
ISO 9141
CAN
CAN
CAN
CAN
CAN
ISO 9141
ISO 9141
ISO 9141
ISO 9141
CAN
CAN
CAN
CAN
CAN
Volvo XC90
N/A
N/A
ISO 9141
ISO 9141
CAN
CAN
CAN
CAN
CAN
Volvo S40
ISO 9141
ISO 9141
ISO 9141
ISO 9141
N/A
N/A
N/A
N/A
N/A
Volvo V40
ISO 9141
ISO 9141
ISO 9141
ISO 9141
N/A
N/A
N/A
N/A
N/A
- 36 -
6 ZKOUŠENÍ VOZIDEL A SPALOVACÍCH MOTORŮ NA VÁLCOVÝCH ZKUŠEBNÁCH NOVÉ GENERACE Vývoj a výzkum spalovacích motorů si nelze představit bez měření a testování na motorových dynamometrech. Ovšem testování celého hnacího ústrojí vozidla, ověření zástavy motoru s příslušenstvím do vozidla a pověření komplexní elektronické regulace hnacího ústrojí je možné provádět až při jízdních zkouškách. Tyto jsou ovšem finančně náročné a přinášejí mnoho problémů s mobilní technikou. Proto je snahou přenést co nejvíce jízdních zkoušek na testy na válcové zkušebny. Tuto možnost přinášejí válcové zkušebny nové generace.
Obr. č. 14: Válcová zkušebna
6.1 Charakterizace válcových zkušeben nové generace Válcové zkušebny nové generace jsou charakterizovány těmito znaky: -
velkým průměrem válců - minimální průměr válců je více než 0,5 m u dvojic a 1 m u monoválců,
-
každému kolu vozidla odpovídá samostatný válec - válce odpovídající jedné nápravě nejsou spojeny napevno, je mezi nimi ovládaná spojka,
-
každému kolu vozidla odpovídá jeden dynamometrický pohon - každému kolu odpovídá nezávislý čtyřkvadrantový dynamometr s digitálním řízením (otáček i momentu) PID regulací,
-
zkušebna zahrnuje skluzové rolny - každé kolo je vybavené nezávislou rolnou měřící skutečné otáčky kola vozidla a takto vyhodnocovat skluz při brzdění a akceleraci,
- 37 -
-
použitím moderních konstrukčních prvků -např. ozubených řemenů,
-
digitální řízení celé zkušebny - celé zkušebny jsou řízeny počítači PC a dalšími procesorovými systémy,
-
distribuovaný řídící a měřící systém - tj. řízení, měření a zpracování výsledků je rozloženo na více procesorů (počítačů),
-
použití nových informačních technologií - uplatnění objektových technologií ActiveX a zejména DCOM a OPC, spolupráce s databázemi klient/server (SQL).
6.2 Prováděné zkoušky 6.2.1 Zkoušky hnacího ústrojí (spalovacích motorů) -
v= konstantní - standardní způsob měření rychlostních charakteristik motorů vozidel,
-
F=konstantní - standardní způsob měření zatěžovacích charakteristik motorů vozidel,
-
vnější rychlostní - standardní způsob měření vnější rychlostních charakteristik motorů vozidel v regulaci v=konstantní,
-
simulace vozovky - simulace jízdy,
-
jízdní zkoušky - vychází z předchozí, ale je doplněna funkcemi pro jízdu podle předem předepsané charakteristiky v čase jako např. u exhalačních testů EHK,
-
akcelerační zkouška - zkouška pro měření vnější rychlostní charakteristiky dynamickou metodou.
6.2.2 Zkoušky brzdové soustavy -
pomaluběžné zkoušky - zkoušení brzdové soustavy dle metodiky platné pro STK, doplněná o možnost měření brždění obou náprav současně,
-
rychloběžné zkoušky - obdoba předešlé zkoušky s tím rozdílem, že zkušební rychlost může být výrazně vyšší než u pomaluběžných,
-
dynamické zkoušky - zkouška spočívá v brždění vozidla z počáteční rychlosti až do zastavení,
-
ABS II - obdoba předešlé zkoušky, ale s vyhodnocením reálného chování ABS.
- 38 -
6.2.3 Kalibrační testy -
určení pasivních ztrát pro zkoušky brzd - slouží k určení pasivních ztrát nezávisle pro každé kolo,
-
určení pasivních ztrát pro zkoušky výkonu - slouží k určení pasivních ztrát pouze hnaných náprav.
6.2.4 Doplňkové zkoušky -
zkouška rychloměru a tachometru - ověřuje přesnost měření rychloměru a tachometru vozidla,
-
zkouška otáčkoměru - slouží k ověření přesnosti měření vozidlového otáčkoměru a zjištění dynamického poloměru pneumatik při akceleraci,
-
zkouška náhonu 4x4 - při akceleraci a deceleraci ověřuje chování viskózních spojek a diferenciálů.
6.3 Náhrada mechanických řešení digitální řízením Významnou oblastí je možnost pomocí digitálního řízení jednotlivých prvků nahrazovat řešení mechanických vazeb. Pomocí digitálních řídících systémů lze nahradit mechanické prvky zkušebních zařízení a tak dosáhnout zlevnění celého zařízení a také větší variability zkušebny. Z rozvojem digitálního řízení bude trend postupného nahrazování mechanických vazeb elektrickými pokračovat. Tento přístup ukáži pouze na digitální simulaci vozovky na dvounápravové válcové zkušebně. Dvounápravová monoválcová zkušebna je tvořena čtyřmi samostatnými válci (každé odpovídá jednomu kolu), každý válec je poháněn brzděn stejnosměrným pohonem.
- 39 -
Úkolem zkušebny je zajistit splnění těchto podmínek: -
vozidlo při jízdě na vozovce musí překonávat následující síly, které jsou obecně závislé na rychlosti vozidla: F = Fok + Fcx + Fs + mc ⋅
dv , [N] dt
kde Fok………....valivý odpor kol vozidla [N] Fcx................vzdušný odpor vozidla [N] Fs..................odpor stoupání [N] mc.dv/dt ...... odpor zrychlení [N] -
všechny kola vozidla se musí točit stejnými otáčkami (rychlost vozidla). Klasické mechanické řešení spočívá v tom, že se všechny válce spojí do jednoho
celku, tj. válce jedné spojkami a nápravy mezinápravovým řemenem. Celá mechanická rotační soustava musí mít hmotnost rovnou mc.....celková hmotnost vozidla. V případě, že je ekvivalentní rotační hmotnost nižší je nutno připojit setrvačník, naopak pokud je vyšší, nelze vozidlo zkoušet. Vzhledem k tomu, že se na zkušebně střídají vozidla různých hmotností, je třeba řešit přídavný setrvačník jako proměnný (setrvačníkový blok).
Obr. č. 15: Schéma spojení měničů v regulaci jízdy po vozovce
- 40 -
Naopak v případě digitálního řízení každého elektromotoru jsou z mechanického
spojení aplikovány pouze meziválcové spojky viz. obrázek č. 15: -
digitální měniče jsou přepnuty do momentové regulace a regulují na hodnotu síly
z rovnice, -
skutečná rychlost otáčení přední osy je předána jako požadovaná rychlost měniči
levého zadního válce (elektrická hřídel), -
proud (ekvivalentní moment) je předán měniči pravého zadního motoru.
Tímto se uzavírá jedna regulační smyčka. Nyní se odměří síla ze všech válců (pomocí tenzometrů) a pomocí PID regulátoru je korigována žádaná hodnota síly do přední osy. Touto regulací je ušetřen nákladný mezinápravový řemen a spojky mezi válci mohou být dimenzovány na menší přenášený moment. Tento algoritmus ještě neřeší otázku rozdílných setrvačností vozidla a rotačních částí válcové zkušebny tj. čtvrtý člen rovnice. I tento člen lze řešit pomocí PID momentového regulátoru tj. potom člen mc.....není celková hmotnost vozidla, ale rozdíl mezi ekvivalentní hmotnosti rotačních částí dynamometru a celkovou hmotností vozidla a zrychlení je vypočteno z měřené rychlosti. Numerický výpočet derivace je citlivý na přesnost derivované veličiny, proto je třeba měřit derivovanou veličinu s velkou přesností. Otáčky válců lze přesně měřit jen pomocí digitální techniky tj. použitím inkrementálních snímačů a kvadraturních čítačů. V našem případě je přesnost měření lepší než 0,05 km/hod, tj. 0,025%. I přes tuto vysokou přesnost měření je nutné pro výpočet derivace použít aproximační formuli.
- 41 -
6.4 Příklad realizované zkušebny Jedna z takto koncipovaných zkušeben pro měření osobních, dodávkových a lehkých nákladních automobilů se nachází v areálu Mendlovy zemědělské a lesnické univerzity v Brně na Ústavu techniky a automobilové dopravy. Její půdorys je uveden na obrázku č 16.
Obr. č. 16: Půdorysný pohled na válcovou zkušebnu Zkušebna je tvořena dvěma nezávislými zkušebnami, přičemž jednotlivé zkušebny mají následující charakter: -
levá, tzv. monoválcová, zkušebna je určena pro zkoušení osobních vozidel až do
rychlosti 200 km/hod, -
pravá zkušebna je naopak určena zejména pro zkoušení traktorů a zemědělských strojů
s velkými tažnými silami do rychlosti 16 km/hod, -
celá zkušebna je řízena třemi průmyslovými počítači,
-
celkem osm stejnosměrných pohonů je řízeno osmi procesorovými digitálními měniči,
-
měniče navzájem a s řídícím PC komunikují prostřednictvím linky RS 485.
- 42 -
Obr. č. 17: Pohled na válcový dynamometr moderní koncepce (MZLU v Brně) Konstrukční řešení vychází z tuhých základních rámů, na kterých jsou umístěny ložiska zkušebních válců o průměru 1,2 m, stojin a základních rámů se stejnosměrnými elektrickými dynamometry. Tyto rámy se stojinami tvoří základní bloky jednotlivých os. Blok přední osy je umístěn pevně, blok zadní osy posuvně v rozmezí požadovaného rozvoru. Spojení levého a pravého válce zajišťuje elektricky ovládaná frikční spojka. Propojení válcových jednotek s el. dynamometry je provedeno pomocí ozubených řemenů. Každý válec je vybaven pneumaticky ovládanými brzdami pro umožnění najetí vozidla a bezpečnostní zabrzdění. Dále je každá válcová jednotka vybavena pneumaticky ovládaným nájezdovým a středícím zařízením a měřícími rolnami s odsouvatelným krytem (viz obr. č. 18). [7,39,42]
Obr. č. 18: Konstrukční provedení válcového dynamometru (MZLU v Brně)
- 43 -
Vlastnosti a parametry této vozidlové zkušebny jsou uvedeny v tabulce č. 4. Tab. č. 4: Parametry dynamometru 4VDM E120-D Max. zkušební rychlost [km.h-1]
200
Max. výkon na nápravu [kW]
240
Max. hmotnost na nápravu [kg]
2000
Průměr válců [m]
1,2
Šířka válců [mm]
600
Mezera mezi válci [mm]
900
Povrch válců
zdrsnění RAA 1,6
Setrvačná hmotnost válců (každá náprava) [kg] 1130 Min. rozvor [mm]
2000
Max. rozvor [mm]
3500
Rozsah měření rychlosti [km.h-1]
0 - 200
Rozsah měření sil [kN]
4x
Přesnost měření rychlosti [km.h-1]
± 0,01
Přesnost měření sil [%]
± 0,25
Přesnost regulace rychlosti [%]
± 0,1
Přesnost regulace síly [%]
± 0,5
- 44 -
±5
7 ANALOGOVÉ A DIGITÁLNÍ ZPRACOVÁNÍ MĚŘENÍ 7.1 Měřící karty Analogové měřící karty, byť jsou stále velkou měrou zastoupeny v přístrojové technice diagnostiky, jsou v současnosti postupně vytlačovány digitálnímu přístroji. Vnější provedení digitální měřící karty, resp. ovládací prvky, vychází z analogových přístrojů, ovšem zpracování signálů je zásadně odlišné. Zatímco u analogové měřící karty byl signál upraven zesilovači tak, aby byla stopa čitelná na obrazovce, u digitálního přístroje je signál konvertován ze spojité funkce na vzorkovaný signál s určitým bitovým rozlišením.
Obr. č. 19: Digitální a analogový osciloskop Možnosti digitálních měřících karet již dávno přesáhly rámec použití analogových
přístrojů. Prvotní impulsem proč ze začaly konstruovat jednoduché digitální měřící karty byla snaha o uložení záznamu hodnot, ať již formou zachycení obrazovky, nebo záznamem spuštěným současně s triggerem. V éře analogových měřících karet se zobrazení předchozích průběhů řešilo
kompromisem mezi luminiscencí a fluorescencí, která „zpožďovala“ zánik stopy. Dnes jsou všechny digitální měřící karty schopny ukládání naměřených hodnot.
- 45 -
7.1.1 Praktické užití digitální měřící karty Než bude možné přistoupit k praktickému užití digitální měřící karty, nelze se vyhnout vysvětlením několika pojmů, které jsou nezbytné pro spolehlivá měření. Šířka pásma Jedním z údajů, které nesou informaci o schopnosti měřící karty měřit harmonický signál s určitou frekvencí, je šířka pásma. Zjednodušeně je možné říci, že tato hodnota udává maximální přípustnou frekvenci, při které nenastává významná degradace obrazu signálu. Pravidlo říká, že pro měření je nutné použít měřící karty, která má minimálně dvojnásobnou šířku pásma, než je maximální frekvence měřeného signálu. V aplikacích, kde je vyžadována vyšší přesnost, resp. při měření vysokofrekvenčních signálů, je nutné respektovat doporučení, které říká, že frekvence signálu nebude překračovat třetinu šířky pásma. Elektronické systémy vozidel jsou dnes již protkány vodiči, které nenesou v analogové podobě informaci o veličině, ale zprostředkovávají ji v digitální podobě. Tvar takového signálu už není podobný představám o harmonickém signálu, nejčastěji v podobě sinusoidy. Digitální informace je přenášena v binární formě – vykreslena v hodnotách nul a jedniček. Z těchto logických stavů také vyplývá tvar digitálního signálu – pravoúhlý, resp. obdélníkový. Bez nutnosti znalosti složité teorie signálu si lze snadno představit, že hrana signálu neroste po křivce, ale měla by být svislá. Tohoto stavu samozřejmě dosáhnout nelze, jelikož i tento signál podléhá neúprosné časové ose. Svislice se tedy změní na úsečku skloněnou pod určitým úhlem, přičemž se měří doba náběhu mezi 10% a 90% amplitudy signálu (obr. č. 20). Empiricky lze dobu náběhu stanovit ze vztahu trise = 0,35 / šířka pásma.
Obr. č. 20: Stanovení doby náběhu
- 46 -
Rychlost vzorkování Vhodnost použití digitální měřící karty nezáleží výhradně jen na šířce pásma. Neméně důležitým parametrem je rychlost vzorkování (angl. sample rate). V praxi není neobvyklé, že pro konkrétní měření mají měřící karty vhodnou šířku pásma, ale vzorkování, resp. rychlost vzorkování je nepoužitelné. Pozor na záměnu pojmů šířky pásma a rychlosti vzorkování. Zatímco šířka pásma udává nejvyšší frekvenci sinusového průběhu signálu s výše uvedenými podmínkami, rychlost vzorkování je určena převodem mezi analogovou a digitální podobou signálu. Mezi šířkou pásma a rychlosti vzorkování není přímý vztah. Existuje ovšem nepsané pravidlo, které udává: Reálná hodnota rychlosti vzorkování = 3x až 4x šířka pásma. Vzorkování signálu podléhá rozsáhlým matematickým operacím, ale všechny mají původ v Nyquist-Shannonově pravidlu: „Přesná rekonstrukce spojitého, frekvenčně omezeného, signálu z jeho vzorků je možná tehdy, pokud byl vzorkován frekvencí alespoň dvakrát vyšší než je maximální frekvence rekonstruovaného signálu.“ Na obrázku č. 21 je zobrazen stav, kdy je skutečný signál (zelené body vyznačují správné
vzorkování)
podvzorkován,
tedy
nesplňuje
Nyquist-Shannonův
teorém,
a zrekonstruovaný průběh (červenozelené terčíky značí chybné vzorkování) má jinou periodu – vznik aliasingu.
Obr. č. 21: Podvzorkování signálu – nesplnění podmínky Nyquist-Shannonova pravidla
- 47 -
Rychlost vzorkování je u paměťových digitálních měřících karet vždy vyjadřována v jednotkách S/s, která znamená vzorků za sekundu (z angl. samples per second). Zásadně by neměla být udávána v Hz, neboť pak nelze odlišit vzorkování od šířky pásma, byť se vzorkování provádí vzorkovací frekvencí s jednotkou Hz. Podmínkou je, aby se jednalo o signál periodický. Triggerování je přepnuto na násobné spouštění. Pracuje v definovaných cyklech a na základě uložených hodnot rekonstruuje průběh měřeného signálu, přičemž mezi body, kde chybí vzorek, se používá interpolace. Prokládání mezi body je z důvodu rychlosti omezeno na dva typy interpolačních algoritmů: -
lineární interpolace,
-
interpolace po sinusoidě. Věrnost převzorkovaného signálu s originálem je dána schopností rozlišení A/D
převodníků v měřících kartách. Pro méně náročné nebo naopak velmi rychlé děje je rozlišení 8, maximálně 10 bitů. Pokud je nutné sledovat velmi malé amplitudy signálu, pak je namístě použití měřící karty s rozlišením 16bitů při zachování poměrně vysoké rychlosti vzorkování. Velmi přesné měřící karty mají integrovány A/D převodníky s rozlišením 24bitů, případně jsou uzpůsobeny tak, že lze rozlišení měnit a současně dochází ke změně maximální vzorkovací frekvence.
7.2 Převod analogového signálu na digitální Známe-li hodnotu analogového průběhu signálu, který chceme digitalizovat, tj. převést do binární číselné soustavy, provedeme: -
diskretizaci časového průběhu původního signálu. Tento termín značí pouze to,
že signál bude vzorkovat po určité časové periodě, -
kvantizaci, kdy se provádí amplitudová diskretizace signálu.
Na obrázku č. 22 je znázorněno schéma digitalizace sinusového průběhu signálu. V horní části je analogový průběh signálu v průběhu jedné sekundy a maximální amplitudou = |1|. Jak už víme, je potřeba pro číslicové přístroje tento signál vzorkovat. To znamená, že vytvoříme vzorkovací impulzy po určitých (konstantních) časových úsecích.
- 48 -
Pro závislost času a frekvence platí: f =
1 t,
kde f – frekvence (kmitočet) [Hz], t – čas [s]. V příkladu je zvoleno vzorkování po 0,1 s, což odpovídá 10 Hz. Pokud budeme používat jednotku S/s, musíme dbát na to, aby vyjadřovala skutečně vzorkovací frekvenci přístroje, nikoliv frekvenci skutečného (analogového) signálu. Po vzorkování nastává etapa, kdy se v daných časových rozestupech určuje amplituda (výchylka) signálu. Pokud bychom ji chtěli vyjádřit v analogové podobě, pak může mít nekonečně mnoho desetinných míst. Přesnost převodu velikosti měřené veličiny z analogové do digitální podoby je dána rozlišením, které se běžně na číslicových přístrojích udává v bitech. V tabulce č. 6 jsou uvedeny rozlišení převodníků s vyjádřením nejmenšího dílku v rozsahu 0 až 10. Tab. č. 5: Vztah mezi rozlišením a nejmenším dílkem při konverzi signálu do digitální podoby Rozlišení v bitech
Počet úrovní Nejmenší dílek při rozsahu 0 až 10
8
256
0,0390625000000000000000
10
1024
0,0097656250000000000000
12
4096
0,0024414062500000000000
16
65536
0,0001525878906250000000
18
262144
0,0000381469726562500000
24
16777216
0,0000005960464477539060
32
4294967296
0,0000000023283064365387
Pro úplnost dodejme, že výpočet úrovní vychází z binární číselné soustavy, přičemž platí: nk = 2m
,
kde nk ……počet kvantovacích úrovní [-], m…….. rozlišení [bit].
- 49 -
V příkladu na obrázku č. 22 je zvoleno rozlišení 8 bitů, tedy počet úrovní činí 256. Maximální hodnota signálu (amplituda) činí ±1, což znamená rozsah 2. Podělíme dvojku počtem úrovní a dospějeme k nejmenšímu dílku 0,0078125. Jelikož se jedná o sudé číslo, které neumíme symetricky rozdělit, proto platí pro digitalizaci v 8 bitech kvantizace od -128 do 127 (musíme počítat i s nulou). Při určování chyb jsme narazili na pojem nejistoty měření ručičkovým přístrojem, který činil polovinu nejmenšího dílku stupnice. Analogicky je chyba u digitálního zpracování (chyba amplitudy), polovinou kvantizační úrovně.
Obr. č. 22: Průběh konverze signálu z analogové do digitální podoby
- 50 -
Ve výše uvedené tab. č. 5 je uvedena maximální schopnost rozlišení ve 32bitech, která je v měřicí technice stále ještě nedostižnou hranicí. Její místo v tabulce má ale jiný význam. Se zvyšujícím se rozlišením se zmenšuje také dílek, teoreticky do nekonečna. V reálném měření je tato hodnota limitována rychlostí převodu, proto se při měření, resp. výběru měřicího přístroje, musíme držet těchto zásad: -
Vzorkování analogového signálu musí být minimálně s dvojnásobnou frekvencí než je největší frekvence signálu,
-
vzorkovací impulzy jsou dostatečně úzké,
-
kvantování je dostatečně jemné, tedy výstupní digitální podoba má odpovídající počet bitů.
7.2.1 Technická realizace konverze analogové a digitální podoby signálu měřené veličiny K tomuto účelu slouží analogově-digitální převodníky označované jako A/D, AD či ADC, přičemž kvalitu A/D převodníku určují dva hlavní parametry: -
Rozlišovací schopnost – je určena počtem úrovní, na něž je rozdělen rozsah dovoleného vstupního napětí Rozlišovací schopnost se současně rovná kvantizačnímu kroku. Maximální chyba převodu je tedy u ideálního převodníku rovna polovině kvantizačního kroku. Charakteristika reálného A/D převodníku je však odlišná od ideální charakteristiky vlivem posunu napětí (offset), změnou zisku či nelinearitou převodníku. Značný vliv na kvalitu celkové konverze má stabilita referenčního napětí.
-
Rychlost převodu – je u A/D převodníků obvykle stejná se vzorkováním. Udává se jako doba, která uběhne od přivedení signálu do převodníku do získání plné digitální podoby signálu. V přístrojích, které jsou dnes běžně k dispozici v diagnostické praxi se vyskytují A/D
převodníky čtyř základních principů činnosti. Není účelem si objasňovat vnitřní funkci A/D převodníků, ale jelikož jsou součástí přístrojů a velkou měrou se podílí na výsledné kvalitě měřicího zařízení, shrňme si jejich vlastnosti (tab. č. 6) tak, abychom mohli určit vhodnost použití A/D převodníku pro konkrétní měřící aplikaci.
- 51 -
Tab. č. 6: Parametry A/D převodníků Typ převodníku
Rozlišení (bit)
Rychlost vzorkování (kS/s)
Paralelní
6 až 10
10 000 až 3 000 000
Aproximační
8 až 16
30 až 3 000
Integrační
10 až 27
0,0001 až 1
Sigma-delta
16 až 24
0,01 až 60 000
Z tabulky vyplývají technické parametry převodníků a jejich možné uplatnění. Každý má však specifika, které znemožňují nasazení v jakémkoliv přístrojí. Nezbytným zohledněním je také cena převodníků.
- 52 -
8 EXPERIMENTÁLNÍ OVĚŘENÍ APLIKACE PRO SBĚR DAT A NÁSLEDNÁ POKROČILÁ ANALÝZA VÝSLEDKU Do výčtu stanovišť Ústavu techniky a automobilové dopravy na MZLU v Brně pro měření výkonových parametrů vozidel – válcových dynamometrů – v nedávné době přibyla další zkušebna, resp. byl dokončen vývoj regulace a měřicího software. Zkušebna je určena pro měření všech kategorií vozidel, od osobního automobilu, přes nákladní vozy až po autobusy, a to do výkonu 450 kW na kolech a rychlosti 160km/h. Jedná se o zkušebnu výkonu v provedení tandemových duoválců s obvodem 1000 mm. Brzdný moment vytváří vířivé dynamometry chlazené vzduchem.
8.1 Měření otáček motoru Výkon na kolech vozidla je jednoznačně určen sílou a rychlostí. Pro zobrazení charakteristiky
či výpočtu točivého momentu je nutné znát otáčky motoru. Standardním způsobem jsou otáčky motoru stanoveny z převodového poměru zadávaného, resp. měřeného na základě výsledku testu Otáčky motoru. Tento způsob je ovšem nepřímý a je zatížen chybou skluzu kol na zkušebních válcích. Externí způsoby snímání otáček, které jsou nativně obsaženy v programu vycházejí z následujících modulů: -
palubní diagnostika OBD-2,
-
sběrnice CAN,
-
výpočet ze zvlnění napětí alternátoru. Externí měření jsou kvůli nárokům na výpočty (online FFT analýzy u výpočtu ze
zvlnění napětí generátoru), resp. velikosti datové matice (např. sítě CAN) svěřeny PC externího měření. Z důvodu mobility se jedná o notebook, který obsahuje PCMCIA CAN kartu s dvěma porty, dále nutný RS-232 komunikační port a navíc multifunkční měřicí kartu. Data zpracovaná v notebooku putují po sítí ethernetu do serveru zkušebny, kde jsou ukládání se základní vzorkovací frekvenci. Komunikační protokol staví na bázi DataSocketu, ovšem nové nástroje osmé verze LabVIEW v podobě sdílených proměnných původní protokol v nejbližší době nahradí.
- 53 -
Palubní diagnostika OBD-2 mimo svůj úkol sledování emisní stálosti vozidla taktéž zprostředkovává výstupy měřených hodnot, mezi kterými lze najít i otáčky motoru. Pro osobní vozy nově homologované je povinností integrovat OBD-2 protokol do systému řízení motoru
a
existuje
tedy
relativně
snadná
cesta
k otáčkám
motoru.
Připojení
mikroprocesorového převodníku k 16 pinové diagnostické zásuvce je navázána komunikace s diagnostickým protokolem řídicí jednotky motoru. Software počítače vysílá požadavky na PID 01 (identifikátor parametru) příkazem 0C, jehož odpověď nese dvoubajtovou hodnotu otáček.
Obr. č. 23: Modul OBD-2
Nevýhodou snímání otáček z palubní diagnostiky je nízká frekvence čtených dat, která se pohybuje maximálně v řádu hertzů, což pro některé typy dynamických zkoušek je limitující podmínka. Výrazně vyšší rychlost datového přenosu nabízí sériová sběrnice CAN, která umožňuje přenos s rychlostí až 1 Mbits. Reálná propustnost sběrnic platformy PC by v případě přivedení takto rychlého datového toku a jeho zpracováním v plném vzorkování značně poklesla. Karta National Instruments ovšem nese vlastní procesor, který zprávy filtruje a konvertuje do některé z vybraných číselných soustav a značně ulehčuje práci CPU počítače.
- 54 -
Ze získaných zkušeností během měření na válcových dynamometrech bylo zjištěno, že většina výrobců nákladních vozidel, autobusů či traktorů, mají-li komunikaci řídicích jednotek řešenu formou CAN-BUS, používají doporučení SAE J1939 (viz obr. č. 24), resp. datový protokol pod tímto standardem. Naprosto rozdílná situace panuje ve sféře osobních automobilů, kde sice je ve většině případů komunikace svěřena CANu či jeho derivátu, ovšem aplikační vrstva protokolu je rozdílná nejen mezi různými výrobci, ale taktéž mezi vývojovými verzemi protokolu jedné značky. Pro potřeby zkušebny je mimo SAE J1939 tedy v programu implementován protokol koncernu VW/Audi/Seat/Škoda.
Obr. č. 24: Modul CAN-BUS
Nejsou-li dostupné otáčky v digitální podobě z výše uvedených zdrojů, pak je třeba je stanovit na základě analogového měření. Existuje mnoho způsobů od kapacitních kleští po velmi sofistikovaná zařízení, určující otáčky na základě analýzy vibrací motoru. Metoda, která vykazuje velmi dobré výsledky je založena na jednoduchém principu sledování zvlnění palubní sítě. Napětí generované alternátorem s sebou nese charakter zrychlení klikového mechanismu. Snímání jeho průběhu a následná analýza signálu určí frekvenci, která slouží jako podklad pro konečný výpočet otáček motoru. Snímání napětí
- 55 -
alternátoru provádí multifunkční karta z produkce National Instruments, která obsahuje 8 analogových vstupů s rozlišením 14 bitů a vzorkováním 48 kHz, dále dva analogové výstupy a 12 digitálních linek. Signál je nejprve filtrován od parazitních frekvencí (obr. č. 25), volnoběžné otáčky Škody Octavie 2.0) a poté zpracován Furiérovou transformací (viz obr. č. 26). Náročnost FFT analýzy na výpočetní výkon je v případě vysoké frekvence vzorkování extrémní, pro stanovení otáček motoru zcela postačuje vzorkování s frekvencí 1kHz.
Obr. č. 25: Filtrování signálu
Obr. č. 26: FFT analýza
- 56 -
Výsledky měření otáček motoru výpočtem FFT analýzy signálu zvlnění palubní sítě v porovnání s hodnotami sběrnice CAN jsou uvedeny v grafu na obrázku 29 s vyznačením dominantní frekvence nesoucí parametr zvlnění palubního napětí. Test byl proveden na Škodě Octavii, přičemž byla sledován charakter průběhu křivky. Ta prezentuje maximální zrychlení nezatíženého motoru při plně otevřené škrticí klapce. Diference mezi křivkami jsou způsobeny náročností výpočtu FFT analýzy a prioritou smyčky signálu zvlnění palubní sítě nad smyčkou CAN-BUSu.
8.1.2 Fourierova transformace Fourierova transformace je vyjádření časově závislého signálu pomocí harmonických signálů, tj. funkcí sin a cos, obecně tedy funkce komplexní exponenciály. Slouží pro převod signálů z časové oblasti do oblasti frekvenční. Signál může být buď ve spojitém či diskrétním čase.
Filtrace ve frekvenční oblasti Použití frekvenční oblasti je založeno na Fourierově teorému, podle něhož každá funkce f(x) může být rozložena na součet kosinusových a sinusových harmonických funkcí, a podobně pro sinus, kde A je amplituda harmonické funkce a je její frekvence (převrácená hodnota periody). Příslušné vzorce jsou uvedeny na obr. č. 27
Filtrace ve frekvenční oblasti sestává ze 3 etap: 1.
Obraz se nejprve Fourierovskou transformací převede do frekvenční oblasti - rozloží se na harmonické funkce (používají se většinou kosinové) - vznikne frekvenční spektrum. Graficky je znázorněno křivkou, kde na vodorovné ose je prostorová frekvence (v jednotkách cykl/centimetr či cykl/pixl) a na svislé ose je amplituda příslušné harmonické funkce této frekvence.
2.
Ve frekvenční oblasti se toto spektrum obrazu násobí vhodnou funkcí nazývanou filtr, což má za následek lokální zvýšení či snížení (nebo dokonce anulování) amplitud příslušných harmonických funkcí - vznikne zfiltrované spektrum.
3.
Toto zfiltrované spektrum se inverzní Fourierovou transformací převede zpět do prostorové oblasti - vzniká filtrovaný obraz.
- 57 -
Obr. č. 27: Matematický postup filtrace v prostorové a frekvenční oblasti Horní část: Metodika filtrace v prostorové oblasti konvolucí s filtrem. Dolní část: Metodika filtrace ve frekvenční oblasti násobením filtrem. Přechod z prostorové oblasti do frekvenční oblasti pomocí Fourierovy transformace je podrobněji ukázán na obr. č. 28. Jsou zde schématicky znázorněny obrazy dvou rozdílných struktur - vlevo je velká kompaktní struktura s pozvolným oblým tvarem, vpravo malá struktura s ostrým profilem. Pod každým tímto obrazem je znázorněna jeho profilová křivka.
- 58 -
Provedeme-li Fourierovu transformaci, budou u velké struktury vlevo dominovat nízké prostorové frekvence harmonického rozkladu, zatímco vysoké frekvence budou zastoupeny jen nepatrně (tj. s nízkou amplitudou). U malé struktury s ostrým profilem (vpravo) bude relativní zastoupení vyšších harmonických frekvencí mnohem vyšší.
Obr. č. 28: Přechod z prostorové oblasti do frekvenční oblasti pomocí Fourierovy transformace pro případ velké kompaktní struktury (vlevo) a malé ostré struktury (vpravo) Z uvedeného vyplývá, že čím více jemných detailů je v obraze, tím vyšší frekvence harmonických funkcí jsou zastoupeny ve frekvenční oblasti. Použijeme-li filtr potlačující vysoké frekvence, odstraňujeme tím z obrazu rušivé šumy. Základním "uměním" je zde zvolit takový filtr, který by potlačil rušivé šumy a přitom zachoval co nejvíce užitečných detailů v obraze.
- 59 -
Otáčky motoru (min -1 )
7000 6500 6000 5500 5000 4500 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 CAN-BUS
500
AC generator
0 0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1,0
1,1
1,2
1,3
1,4
1,5
1,6
1,7
Čas (s)
Obr. č. 29: Srovnání metod měření otáček motoru (alternátor vs. CAN-Bus)
Nově rekonstruovaný válcový dynamometr prošel několika vývojovými etapami, které původnímu zařízení vtiskly nové možnosti měření při současném zvýšení přesnosti měření a komfortu obsluhy. V rámci vývoje byl navržen osvědčený model modulární koncepce, který umožňuje snadnou integraci externích měření tak, jak bylo popsáno výše. Mimo již zmíněných modulů palubní diagnostiky, CAN-BUSu či FFT analýzy signálu palubního napětí je ověřována možnost přímé integrace emisní analýzy, resp. infraanalyzátoru a opacimetru. Vzhledem k počtu kanálů při plném využití datové matice bude do budoucna nutno řešit také výměnný formát dat, které jsou v současné době transformovány do Excelu. [18,28]
- 60 -
9 VLASTNÍ PRÁCE 9.1 Použité prostředky pro měření Zkušebna Měření bylo prováděno ve zkušebně Br4VDM umístěné v areálu MZLU v Brně. Zkušebnu vyrobila firma MEZservis a její základní parametry, a to jak funkční, tak provozní, již byly popsány v kapitole č. 6.
Zkoušené vozidlo Označení:
Škoda Felicia Combi
Typ:
Škoda Felicia Combi
Kategorie:
M1 - osobní auto
Hnaná náprava:
Přední
Podmínky zkoušky SPZ:
BZL 08-31
Číslo motoru:
není
Operátor:
Ing.Podlipný
Palivo:
Natural 91
Převodový stupeň:
IV
Přední válce:
Ano
Spojka:
Ne
Vývodový hřídel:
bez
Teplota paliva [°C]:
23,0
Teplota spalin (kouřoměr) [°C]:
100
Teplota nasávaného vzduchu[°C]:
28,2
Barometrický tlak [kPa]:
98,6
Relativní vlhkost [%]:
52
Stav tachometru [km]:
131259
Zatížení přední nápravy [kg]: 595 Zatížení zadní nápravy [kg]:
592
- 61 -
9.2 Kroky předcházející samotnému měření 1.
upevnění vozidla podle předepsaných pravidel na zkušební dynamometr Br4VDM,
2.
instalace hardwarových komponent typu: -
měřící karta NI – USB 6009, 14 bit, 48 kHz, 8 AI (analog input) – snímání napětí na LAMBDA sondu,
-
BOSCH - signál ze zapalování,
-
zkušebna – Field point - měření teploty nasávaného vzduchu, měření teploty oleje atd.,
-
RS232 rozhraní - sběr dat z řídicí jednotky.
9.3 Postup zkoušení 9.3.1 Příprava na zkoušku 1.
zahřátí automobilu i vlastní zkušebny na provozní teplotu, které se provádí jízdou proti volným válcům proto, aby se eliminovaly chyby měření v pasivních ztrátách obou soustav,
2.
provedení kalibrační zkoušky, tj. stanovení pasivních ztrát (valivý odpor) sestávající z:
-
testu otáčkoměru – určení obvodové rychlosti válce v rozmezí 1200 – 5000 ot./min,
-
testu tachometru – prováděn do rychlosti 150 km/h.
9.3.2 Dynamická zkouška Provádíme se zařazeným čtvrtým rychlostním stupněm při plně otevřené škrtící klapce, tj. při plně sešlápnutém akceleračním pedálu. Zkouška je prováděna v rychlostním rozsahu 45 až 145 km/h.
- 62 -
45
120
40
V ý k o n [k W ]
30
80
25
60
20 15
40
10
T o č iv ý m o m e n t [N .m ]
100
35
20
5 0 0
1000
2000
3000
4000
5000
0 6000
Otáčky motoru [1/min] Výkon [kW]
Točivý moment [N.m]
Obr. č. 30: Výkon a točivý moment motoru Škoda Felicia 1.3 (dynamická zkouška 01)
45
120
40
V ý k o n [k W ]
30
80
25
60
20 15
40
10
20
5 0 0
1000
2000
3000
4000
5000
0 6000
Otáčky motoru [1/min] Výkon [kW]
Točivý moment [N.m]
Obr. č. 31: Výkon a točivý moment motoru Škoda Felicia 1.3 (dynamická zkouška 02)
- 63 -
T o č iv ý m o m e n t [N .m ]
100
35
45
120
40
V ý k on [k W ]
30
80
25 60
20 15
40
10
T o č iv ý m o m e n t [ N . m ]
100
35
20
5 0 0
1000
2000
3000
4000
5000
0 6000
Otáčky motoru [1/min] Výkon [kW]
Točivý moment [N.m]
Obr. č. 32: Výkon a točivý moment motoru Škoda Felicia 1.3 (dynamická zkouška 03) Dynamická zkouška byla provedena třikrát a to kvůli opakovatelnosti. Na obrázcích
č. 30, 31, 32 je znázorněn výkon a točivý moment motoru Škody Felicia v závislosti na otáčkách. Nejvyšší dosahovaný výkon se pohyboval v rozsahu 40,6 – 42,6 kW při otáčkách 5075 – 5106 min-1. Nejvyšší dosahovaný točivý moment se pohyboval v rozsahu 95 – 95,7 N.m při otáčkách 3142 – 3212 min-1. Korekce výkonu a točivého momentu na atmosférické podmínky byla provedena podle normy ISO DIN 1585 a je uvedena v protokolech v části Přílohy.
9.3.3 Zkouška Vkonst. Zkouška - V konst. I Rychlost je udržována dynamometrem na konstantní úrovni rychlosti 90 km/h při 100% zatížení (dochází k odstavení LAMBDA regulace). Z průběhu analogové podoby signálu z lambda sondy je vidět její poloha – tedy neaktivní. Výše napětí značí výrazně bohatou směs, která je programově nastavena řídicí jednotkou.
- 64 -
90 80
Lambda [V], Doba vstřiku [ms]
5 70 4
60 50
3 40 2
30 20
1 10 0
Předstih zážehu [°], Otev ření škrtící klapky [%]
6
0 0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
4,5
5,0
Čas [s]
Lambda [V]
Doba vstřiku [ms]
Předstih zážehu [°]
Otevření škrtící klapky [%]
Obr. č. 33: Škoda Felicia 1.3 (zkouška Vkonst. 01)
Zkouška – V konst. II Zkouška V Konst. se opakuje při stejné konstantní rychlosti 90 km/h, ale nižším, cca 70% zatížení (nedochází k odstavení LAMBDA regulace). Z obrázku 34 plyne nutné použití analogových signálů z lambda sondy, neboť odezva palubní diagnostiky je velmi malá (cca. 1vzorek za sekundu) a nedokáže podat reprezentativní obraz procesu zpětnovazební
4
40
4
35
3
30
3
25
2
20
2
15
1
10
1
5
0
0 0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
4,5
5,0
Čas [s]
Lambda [V]
Lambda Faktor [-]
Doba vstřiku [ms]
Obr. č. 34: Škoda Felicia 1.3 (zkouška Vkonst. 02)
- 65 -
Předstih zážehu [°]
Otevření škrtící klapky [%]
Předstih zážehu [°], Otev ření škrtící klapky [%]
Lambda [V], Lmbda faktor [-], Doba vstřiku [ms]
regulace složení směsi.
Předstih zážehu [°]
40 35 30 25 20 15 10 5 0 0
2
4
6
8
10
Čas [s] Předstih zážehu při 70% zatížení [°]
Předstih zážehu při 100% zatížení [°]
Obr. č. 35: Předstih zážehu motoru Škoda Felicia 1.3 Z grafu na obrázku 35 je patrný razantní pokles předstihu zážehu při plně otevřené škrticí klapce. Tento pokles je záměrný, vzhledem k nebezpečí výskytu detonačního hoření, které v případě testovaného vozu není jinak monitorováno, resp. chybí zpětnovazební regulace ze snímače klepání. V případě plně otevřené škrticí klapce je navíc neaktivní lambdaregulace,
Otevření škrtící klapky [%]
což způsobuje výrazné omezení vstupních údajů pro regulaci spalovacího procesu. 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0
2
4
6
8
10
Čas [s] Otevření škrtící klapky při 70% zátěži [%]
Otevření škrtící kllapky při 100% zátěži [%]
Obr. č. 36: Otevření škrtící klapky motoru Škoda Felicia 1.3
Na obrázku 36 jsou znázorněny průběhy natočení škrticí klapky při 70% a 100% zatížení motoru, které je vypočteno na základě právě otevření a aktuálních otáček s korekcí na podtlak v sání. Disproporce mezi polohou klapky a zatížením je plně korespondující s uvedeným
- 66 -
systémem vstřikování Bosch Monomotronic. Pokud bychom tuto hodnotu sledovali u nových systémů s elektrickým nastavením škrticí klapky, pak bychom dospěli ke značné diferenci, neboť tato vozidla v algoritmu řízení spalovacího procesu používají jako pole proměnných emisní hodnoty ve jednotlivých stavech motoru, zvláště v přechodových režimech motoru.
Pro sběr dat ve zkušebně na MZLU v Brně (která byla detailně popsána v kapitole 6) bylo využito dvou systémů, a to digitální komunikace s řídicí jednotkou pomocí RS232 rozhraní a sběru analogového signálu ze snímačů pomocí měřící karty NI – USB 6009.
Digitální komunikace - pro palubní diagnostiku provedenou pomocí VAG protokolu (KW 1281) byla
prostřednictvím programu VAG – COM (shareware) při vzorkovací
rychlosti 1 S/s čtena data jako jsou doba vstřiku, LAMBDA faktor, předstih zážehu, otáčky motoru, otevření škrticí klapky atd.
Analogové signály - snímání napětí z LAMBDA sondy pomocí měřící karty NI -USB 6009 probíhalo na frekvenci 10 kHz. V serveru externího měření běžela aplikační smyčka, která prováděla průměrování na frekvenci 20 Hz a dále odesílala data do zkušebny.
Sběr dat Externí data
Datasocket
Ethernet
Zkušebna
přenosový protokol
Vkládání dat
Externí data
Příklad na klepání Na serveru externího měření se hodnoty (analog + CAN) vkládají pro další analýzu. Ukládají se nepřímo v binární podobě.
- 67 -
10 ZAVĚR Dnešní doba klade důraz na komponenty zajišťující zejména bezpečnost vozu, ale nesmí být opomíjen ekonomický a ekologický provoz, proto vlastnosti jako bezvadnost, spolehlivost, ekologicky a ekonomicky příznivý provoz by měla u dnešních motorových vozidel býti již standardem. Na dosažení těchto vlastností se nejvíce podílí výrobce a konstruktér, avšak k udržení těchto vlastností nestačí pouze motorové vozidlo používat podle výrobcem stanovených pravidel, ale je nutné dbát zejména o péči vozu a controling jeho funkčních komponent. V současné době jsme svědky obrovského rozvoje informačních technologií. Tento s sebou jako v každém oboru, tak i v oboru motorových vozidel, nese nejen pozitivní, ale i negativní dopady. V oboru motorových vozidel vede paradoxně k mnohem vyšší poruchovosti, na druhé straně však zvyšuje pohodlí zákazníka a oboru údržby a oprav vozidel poskytuje širší varietu i větší množství dat využitelných pro analýzu stavu vozidla, a jeho případných poruch. Obor zabývající se diagnostikou motorových vozidel je poměrně složitou disciplínou, která se netýká jen sběru dat, ale i jejich vyhodnocením. Zhodnocení takto získaných dat bývá
často složitější, než jejich samotný sběr (FFT analýza apod.). Pro sběr a analýzu dat je v současné době nejvíce užíváno CAN BUS a OBD II (popsány v kapitole 5.2). Důležité hledisko analytické práce po ukončení zkoušek je mimo kvality naměřených veličin i jejich kvantita, resp. množství snímaných veličin. V měření jsem uplatnil dříve popsané teoretické metody, byla navázána komunikace s řídicí jednotkou, a to jak analogově, tak digitálně. Použitím jak digitálního, tak analogového zpracování dat došlo ke zpřesnění určitých parametrů, zejména na základě analýzy analogově měřených veličin na LAMBDA sondě, což přehledně ukazuje tab. č. 33 a tab. č. 34. Zde je znázorněn rozdíl mezi fungováním LAMBDA sondy při 100% a 70% zatížení. V práci je poukazováno zejména na to, že i v době digitalizace má své opodstatnění analogový signál, který napomáhá k zpřesnění naměřených dat.
- 68 -
SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY A ZDOJŮ 1.
ONDRÁČEK, J.: Traktory a automobily I. Vysoká škola zemědělská v Brně, Brno, 1988
2.
KADLEČEK, B.: Habilitační práce - Systém péče o spalovací motory z hlediska vlivu na životní prostředí a ekonomiku provozu. Česká zemědělská univerzita v Praze, 2003
3.
PEJŠA, L., KADLEČEK, B., OTTO, K.: Kvazistatický způsob zatěžování motorů a jeho využití při měření spotřeby paliva a emisí. COST 319, 1998
4.
PEJŠA, L., KADLEČEK, B.: Metoda měření na volných válcích pro testování emisí, spot řeby paliva a technického stavu motorů nákladních automobil ů ,
traktor ů
a speciálních vozidel. Zpráva z projektu COST 346.10, Česká zemědělská univerzita, Praha, prosinec 2001 5.
PEJŠA, L., LACINA, J., JURČA, V., KADLEČEK, B.: Technická diagnostika. Česká zemědělská univerzita v Praze, Technická fakulta. Praha, 1995. ISBN 80-213-0249-6
6.
TAKÁTS, M.: Měření emisí spalovacích motorů. Vydavatelství ČVUT, Praha, 1997. ISBN 80-01-01632-3
7.
ČSN 30 2008, Zkoušky na brzdovém stanovišti
8.
ČSN 30 0027, Základní automobilové názvosloví. Motory vozidel. Definice základních pojmů
9.
HLAVŇA, V. A KOL.: Dopravný prostriedok – jeho motor, Žilinská univerzita, 2000, ISBN 80-7100-665-3
10.
ISO 9141 - Road vehicles -- Diagnostic systems -- Requirements for interchange of digital information, 1989
11.
ISO 1941-2 - Road vehicles -- Diagnostic systems -- Part 2: CARB requirements for interchange of digital information, 1994
12.
ISO 9141-3 - Road vehicles -- Diagnostic systems -- Part 3: Verification of the communication between vehicle and OBD II scan tool, 1998
13.
ISO 14230-1 - Road vehicles -- Diagnostic systems -- Keyword Protocol 2000 -- Part 1: Physical layer, 1999
14.
ISO 14230-2 - Road vehicles -- Diagnostic systems -- Keyword Protocol 2000 -- Part 2: Data link layer, 1999
15.
ISO 14230-3 - Road vehicles -- Diagnostic systems -- Keyword Protocol 2000 -- Part 3: Application layer, 1999
- 69 -
16.
ISO 14230-4 - Road vehicles -- Diagnostic systems -- Keyword Protocol 2000 -- Part 4: Requirements for emission-related systems, 2000
17.
ISO 1585 - Postup stanovení čistého výkonu, 1992
18.
KADLEC, K, KMÍNEK, M: MĚŘICÍ A ŘÍDICÍ TECHNIKA, Elektronický učební text, 2005
19.
ONDRÁČEK, J.: Mobilní energetické prostředky I (Návody do cvičení), VŠZ v Brně, 1989
20.
ONDRÁČEK, J.: Zařízení a měřící technika pro zkoušení motorů, VŠZ v Brně, 1981
21.
SAE J1850 - Class B Data Communications Network Interface, 2001
22.
SAE J1962 - Diagnostic Connector Equivalent to ISO/DIS 15031-3, 2001
23.
SAE J1978 - OBD II Scan Tool -- Equivalent to ISO/DIS 15031-4, 2001
24.
SAE J1979 - E/E Diagnostic Test Modes -- Equivalent to ISO/DIS 15031-5, 2002
25.
SAE J2012 - Diagnostic Trouble Code Definitions Equivalent to ISO/DIS 15031-6, 2002
26.
SAE J2190 - Enhanced Diagnostic Test Modes, 1993
27.
SAE J2178 - Class B data communication network messages, 2004
28.
SEDLÁK, P., ČUPERA, J., BAUER, F.: Měření parametrů motoru s využitím diagnostických signálů elektronické řídicí jednotky, Sborník přednášek KOKA 2004, ISBN 80-7157-776-6
29.
STODOLA, J: Diagnostika motorových vozidel, Sylaby k přednáškám, VUT v Brně, 2003
30.
ŠTERBA, P.: Elektrotechnika a elektronika automobilů, 1.vyd. Brno: Computer Press, 2004. 182s. ISBN 80-251-0211-4
31.
VLK, F.: Dynamika motorových vozidel, Nakladatelství Vlk v Brně, 2001, ISBN 80238-5273-6
32.
VLK, F.: Zkoušení a diagnostika motorových vozidel, Nakladatelství Vlk v Brně, 2001, ISBN 80-238-6573-0
33.
www.scantool.net
34.
www.ross-tech.com
35.
www.devcom.cz
36.
www.bosch.cz
37.
www.avlcechy.cz
38.
www.univer.cz
39.
www-dt.fme.vutbr.cz/ice/Software/BR4VDM/CBR4VDM.htm - 70 -
40.
www.obd-2.de
41.
http://auto-diagnostika.com/
42.
ČUPERA, J.: Disertační práce – Metody zpřesňující zkoušení vozidel, MZLU v Brně, 2005
Nepublikované materiály z výkonových zkoušek na válcovém dynamometru ÚT a AD MZLU v Brně.
- 71 -
SEZNAM OBRÁZKŮ Obr. č. 1: ELM327 OBD II - Multiprotocol ScanTool ........................................................... 18 Obr. č. 2: ScanDi – Tool .......................................................................................................... 18 Obr. č. 3: TS Pro....................................................................................................................... 19 Obr. č. 4: TS02 - diagnostik ..................................................................................................... 19 Obr. č. 5: Diagnostický přístroj AVL DiSCAN 8000 .............................................................. 19 Obr. č. 6: Diagnostický systém Autocom ADP186 ................................................................. 21 Obr. č. 7: Diagnostické rozhraní OBD II / EOBD ................................................................... 27 Obr. č. 8: Možnosti umístění diagnostické zásuvky v automobilu .......................................... 27 Obr. č. 9: Distribuovaný systém měření na válcovém dynamometru MZLU v Brně .............. 28 Obr. č. 10: Komunikační vrstvy podle OSI (Open Systems Interconnection) ......................... 29 Obr. č. 11: Systém vedení K s obousměrnou komunikací ....................................................... 31 Obr. č. 12: Požadované úrovně signálu dle ISO ...................................................................... 31 Obr. č. 13: Schéma zapojení pro komunikaci .......................................................................... 32 Obr. č. 14: Válcová zkušebna................................................................................................... 37 Obr. č. 15: Schéma spojení měničů v regulaci jízdy po vozovce............................................. 40 Obr. č. 16: Půdorysný pohled na válcovou zkušebnu .............................................................. 42 Obr. č. 17: Pohled na válcový dynamometr moderní koncepce (MZLU v Brně).................... 43 Obr. č. 18: Konstrukční provedení válcového dynamometru (MZLU v Brně)........................ 43 Obr. č. 19: Digitální a analogový osciloskop ........................................................................... 45 Obr. č. 20: Stanovení doby náběhu .......................................................................................... 46 Obr. č. 21: Podvzorkování signálu – nesplnění podmínky Nyquist-Shannonova pravidla...... 47 Obr. č. 22: Průběh konverze signálu z analogové do digitální podoby.................................... 50 Obr. č. 23: Modul OBD-2 ........................................................................................................ 54 Obr. č. 24: Modul CAN-BUS................................................................................................... 55 Obr. č. 25: Filtrování signálu ................................................................................................... 56 Obr. č. 26: FFT analýza............................................................................................................ 56 Obr. č. 27: Matematický postup filtrace v prostorové a frekvenční oblasti ............................. 58 Obr. č. 28: Přechod z prostorové oblasti do frekvenční oblasti ............................................... 59 Obr. č. 29: Srovnání metod měření otáček motoru (alternátor vs. CAN-Bus)......................... 60 Obr. č. 30: Výkon a točivý moment motoru Škoda Felicia 1.3 (dynamická zkouška 01) ....... 63 Obr. č. 31: Výkon a točivý moment motoru Škoda Felicia 1.3 (dynamická zkouška 02) ....... 63 Obr. č. 32: Výkon a točivý moment motoru Škoda Felicia 1.3 (dynamická zkouška 03) ....... 64
- 72 -
Obr. č. 33: Škoda Felicia 1.3 (zkouška Vkonst. 01)................................................................. 65 Obr. č. 34: Škoda Felicia 1.3 (zkouška Vkonst. 02)................................................................. 65 Obr. č. 35: Předstih zážehu motoru Škoda Felicia 1.3 ............................................................. 66 Obr. č. 36: Otevření škrtící klapky motoru Škoda Felicia 1.3.................................................. 66
- 73 -
SEZNAM TABULEK Tab. č. 1: Přehled metod měření výkonových parametrů motorů ............................................ 10 Tab. č. 2: Rozdělení chybových kódů hnacího ústrojí podle jednotlivých systémů ................ 26 Tab. č. 3: Fyzická vrstva komunikačního protokolu ................................................................ 33 Tab. č. 4: Parametry dynamometru 4VDM E120-D ............................................................... 44 Tab. č. 5: Vztah mezi rozlišením a nejm. dílkem při konverzi signálu do digitální podoby ... 49 Tab. č. 6: Parametry A/D převodníků ...................................................................................... 52
SEZNAM PŘÍLOH Příloha č. 1: Kalibrační list tachometru Příloha č. 2: Kalibrace závislosti rychlosti vozidla a otáček motoru Příloha č. 3: Dynamická zkouška 01 Příloha č. 4: Dynamická zkouška 02 Příloha č. 5: Dynamická zkouška 03 Příloha č. 6: Vkonst. zkouška 01 Příloha č. 7: Vkonst. zkouška 02 Příloha č. 8: Vkonst. zkouška 03
- 74 -
