Mendelova zemědělská a lesnická univerzita v Brně Agronomická fakulta Ústav Provoz techniky a automobilová doprava

Mendelova zemědělská a lesnická univerzita v Brně Agronomická fakulta Ústav Provoz techniky a automobilová doprava

Diagnostické protokoly osobních vozidel v systému zkoušek na válcovém dynamometru Diplomová práce

Vedoucí práce: Ing. Jiří Čupera, Ph.D.

Vypracoval: Jiří Gábriš Brno 2007

PROHLÁŠENÍ Prohlašuji, že jsem diplomovou práci na téma Diagnostické protokoly osobních vozidel v systému zkoušek na válcovém dynamometru vypracoval samostatně a použil jen pramenů, které cituji a uvádím v přiloženém seznamu literatury. Diplomová práce je školním dílem a může být použita ke komerčním účelům jen se souhlasem vedoucího diplomové práce a děkana AF MZLU v Brně.

dne 2.4.2007

Rád bych poděkoval Ing. Jiřímu Čuperovi za odborné vedení a trpělivost při řešení této diplomové práce. Též velmi děkuji operátorovi Ing. Podlipnému za umožnění provedených zkoušek na vozidlové zkušebně MZLU v Brně.

ABSTRAKT Cílem této práce je používání interních měřících systémů a snímačů v autech pro korekci výsledků měření výkonu a točivého momentu na dynamometru. Jde o to, jak dostat informace z ECU, která může poskytnout data ze všech senzorů v reálném čase pro další analýzu. Dnešní vůz může nabídnout dvě možnosti získání údajů ze senzorů. První je založen na znalosti přístupu k CAN-BUS. Druhá možnost je založena na využití diagnostických signálů podle standardů OBD-II . Jde o soubor dokumentů vydaných SAE a ISO, které popisují výměnu digitálních informací mezi palubními ECU zodpovědnými za emise a OBD-II skenovacím nástrojem. OBD-II také běžně odkazuje na fyzický palubní diagnostický systém vozu, který je tvořen jednou nebo více ECU, MIL, DLC a kabeláží, která je propojuje s různými elementy. Díky OBD II můžeme získat a určit chybové kódy, když dojde k selhání systému.

ABSTRACT The goal of the work is the usage of internal measuring systems and signals in the cars for correction of power or torque measurement on the roller stand. The focus is on how to get the information from the electronic control unit which can provide realtime sensor data for the next analysis. A contemporary vehicle can offer two possibilities of sensor values downloading. First of them is based on knowledge about the access to CAN-BUS (Control Area Network – developed by Bosch). The second possibility is based on the usage of diagnostic signals under OBD-II standards for OnBoard Diagnostics, II generation. It is a set of documents issued by SAE and ISO, which describes the interchange of digital information between on-board emissionrelated Electronic Control Units (ECUs) of road vehicles and an OBD-II scan tool. OBD-II also commonly refers to the physical on-board diagnostic system of a vehicle, which consists of an ECU (or multiple ECUs), Malfunction Indicator Light (MIL), Diagnostic Link Connector (DLC), and the wiring that connect the different elements. The ability to get/clear trouble codes, when the trouble code is set.

KLÍČOVÁ SLOVA – KEY WORDS Vozidlová zkušebna

Vehicular test-room

Electronic Control Unit - řídící jednotka motoru On-Board Diagnostics - palubní diagnostiky

Seznam hlavních užitých symbolů a veličin

Označení Jednotka Veličina -2 zrychlení a m.s práce A J úhlové zrychlení ε s-2 síla F N účinnost transformace η elektrický proud I A relativní vlhkost vzduchu ϕ % 2 hmotnostní moment setrvačnosti J kg.m korekční součinitel K hmotnost m kg točivý moment Mt Nm -1 -1 mpe g.kW .h měrná spotřeba paliva hmotnostní hodinová spotřeba -1 paliva Mph kg.h -1 -1 n s , min otáčky motoru tlak p Pa Pe W, kW užitečný (efektivní) výkon motoru přepočtený (redukovaný) výkon Pr W, kW motoru teplo Q J -3 měrná hmotnost, hustota ρ kg.m elektrický odpor R Ω dráha s m čas τ s teplota (Celsiova) t °C teplota (termodynamická) T K elektrické napětí U V -1 rychlost v m.s 3 3 VM m , dm zdvihový objem motoru úhlová rychlost ω s-1 energie W J Pi W, kW indikovaný výkon Pmax W, kW maximální výkon Pz W, kW ztrátový výkon

OBSAH 1. ÚVOD.......................................................................................................................... 8 2. CÍL PRÁCE ................................................................................................................. 9 3. SOUČASNÝ STAV ŘEŠENÉ PROBLEMATIKY .................................................. 10 3.1. Možnosti zpřesnění měření, resp. následné analýzy....................................... 11 Prostředky zpřesnění měření či následné analýzy kvantitativními ukazateli ......... 11 3.2. Výkonové parametry spalovacího motoru ......................................................... 12 3.2.1. Charakteristiky spalovacích motorů ........................................................... 12 3.2.1.1. Otáčková charakteristika...................................................................... 14 3.2.1.2. Zatěžovací charakteristiky ................................................................... 15 3.2.1.3. Regulační (nastavovací) charakteristiky.............................................. 15 3.2.1.4. Úplná charakteristika ........................................................................... 15 3.2.1.5. Zvláštní charakteristiky........................................................................ 16 3.2.2. Princip stanovení (měření) výkonu............................................................. 17 3.2.2.1. Indikovaný výkon ................................................................................ 17 3.2.2.2. Efektivní výkon.................................................................................... 18 3.2.2.3. Ztrátový výkon..................................................................................... 20 3.2.3. Měřící zařízení ............................................................................................ 21 3.2.3.1. Měření na válcové zkušebně................................................................ 23 3.3. Palubní diagnostika v systému zkoušek.............................................................. 28 3.3.1. Základní funkce OBD II / EOBD ............................................................... 33 3.3.1.1. Monitorování funkce kyslíkových sond ............................................... 33 3.3.1.2. Adaptace .............................................................................................. 33 3.3.1.3. Systém recirkulace výfukových plynů (EGR) ..................................... 34 3.3.1.4. Systém sekundárního vzduchu............................................................. 35 3.3.1.5. Kontrola vynechávání zapalování........................................................ 35 3.3.1.6. Chybové kódy ...................................................................................... 37 3.3.2. Komunikace ................................................................................................ 38 3.3.2.1. SAE J1850 ........................................................................................... 38 3.3.2.2. ISO 9141, ISO 14230........................................................................... 39 3.3.3. Diagnostické rozhraní (DLC) ..................................................................... 39 3.3.3.1. Proprietální diagnostické protokoly výrobců....................................... 40 4. MATERIÁL a METODY.......................................................................................... 41 4.1 Hardwarové prostředky......................................................................................... 43 4.1.1. Interpret OBD II.......................................................................................... 43 4.2. Softwarové prostředky....................................................................................... 45 4.2.1. Vývojové prostředí LabView...................................................................... 45 4.2.2. Uživatelské rozhraní programu..................................................................... 46 4.2.3. Testovací módy dle SAE J1979.................................................................. 52 4.2.4. Zdrojové kódy programu pro parametry dle SAE J1979............................ 54 4.2.4.1. PID 0104hex – Vypočtené zatížení motoru........................................... 56 4.2.4.2. PID 0105hex – Teplota chladící kapaliny ............................................. 56 4.2.4.3. PID 0106hex – Krátkodobá korekce dávky paliva ................................ 57 4.2.4.4. PID 0107hex – Dlouhodobá korekce dávky paliva ............................... 57 4.2.4.5. PID 0108hex – Krátkodobá korekce dávky paliva – 2. pozice.............. 57 4.2.4.6. PID 0109hex – Dlouhodobá korekce dávky paliva – 2. pozice............. 58 4.2.4.7. PID 010Ahex – Tlak paliva ................................................................... 58 4.2.4.8. PID 010Bhex – Absolutní tlak v sacím (plnícím) potrubí ..................... 58

4.2.4.9. PID 010Chex – Otáčky motoru ............................................................. 59 4.2.4.10. PID 010Dhex – Rychlost vozidla ........................................................ 59 4.2.4.11. PID 010Ehex – Předstih zážehu 1. válce ............................................. 59 4.2.4.12. PID 010Fhex – Teplota nasávaného vzduchu...................................... 60 4.2.4.13. PID 0110hex – Množství nasávaného vzduchu................................... 60 4.2.4.14. PID 0111hex – Absolutní poloha škrtící klapky.................................. 60 4.2.4.15. PID 0113hex – Pozice kyslíkové sondy .............................................. 61 4.2.5. Ostatní parametry......................................................................................... 62 4.2.6. Chybový stav vozidla.................................................................................... 62 5. VÝSLEDKY a DISKUSE ......................................................................................... 63 5.1. Využití parametrů palubní diagnostiky v praktických ukázkách......................... 63 5.1.1. Vliv polohy škrtící klapky parametry na parametry motoru......................... 63 5.1.2. Vliv oktanového čísla na výkonové vlastnosti motoru............................... 66 5.2.2. Úplné charakteristiky datových výstupů vnitřní diagnostiky ..................... 70 6. ZÁVĚR ...................................................................................................................... 73 7. SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY ....................................................................... 74 8. SEZNAM OBRÁZKŮ............................................................................................... 75 9. SEZNAM TABULEK ............................................................................................... 76 10. PŘÍLOHY ................................................................................................................. 77

1. ÚVOD S neustálým rozvojem automobilového průmyslu, rostou na celém světě i požadavky na oblasti související s provozem motorových vozidel a z nich vzcházející technická opatření jako jsou ABS, ASR, MSR, ESP, řízení airbagů a jiné. Pod zkratkami se skrývají systémy, které pozitivně působí na jízdu vozidla či v případě nehody zmírňují následky. Nezastupitelnou roli v řízení uvedených systémů hrají elektronické obvody. Počátky integrace elektronických obvodů byla nesnadná z důvodu ne příliš vysoké spolehlivosti dané tehdejšími možnostmi výrobní technologie a neopomenutelné kritérium – náklady na „novátorská“ řešení. Evolucí polovodičů v sedmdesátých

letech

a

miniaturizace

v osmdesátých

letech,

která

vyústila

v mikroprocesorové řízení se trend obrátil ve prospěch regulace procesů pomocí elektronických obvodů. Hnacím motorem implementace procesorového řízení byly požadavky splnění legislativních opatření, která nařizovala v tehdejší době drastické snížení škodlivých polutantů, přičemž přidruženým efektem byla nutnost snížení spotřeby fosilních paliv. Vzorem pozitivního environmentalismu v minulosti byla a stále ještě je Kalifornia. Opatření, která vycházela z regulací CARB a následně i z EPA, byla pro automobilové inženýry velmi svazující, avšak dnes lze konstatovat, že vysoce efektivní. „Stará kontinent“ nebyl tak přísný, ale lze si klást otázku, zda-li bylo pozdější přijetí obdobných regulací motivováno vhodnějšími klimatickými podmínkami, nebo se jedná o typickou „evropskou setrvačnost“? Řešit tuto otázku není v dnešní době účelné a veškerou pozornost bychom měli věnovat vývoji pro budoucnost, a to nejen pro sebe, ale pro své děti. Za druhé, vývoj relativně nízkých cen částí elektronických obvodů, které mohly být použity v řízení motoru nebo v jiných aplikacích. V současné době zaznamenávají elektronické obvody vysoký pokrok ve vývoji z důvodů aktivní a pasivní bezpečnosti. Moderní vozidla, které jsou vyráběna špičkovými technologiemi, jsou

stále více

vybavovány elektronickými řídícími jednotkami, které mají na starosti nejen řízení motoru, ale i celou řadu dalších funkcí. Řídící jednotky v automobilech jsou proto dnes vybaveny pamětí závad, do které se ukládají informace o zjištěných závadách. Se slovy elektronické obvody je nerozlučitelně spojen pojem palubní diagnostika. Pomocí palubní diagnostiky je možné snadno vyhodnotit i závady, které se objevují jen zřídka a jinak by se velmi obtížně určovaly. Další obrovskou výhodou palubní diagnostiky (řecké slovo diagnostikos znamená rozpoznávat) je fakt, že umí rozeznávat chybnou 8

funkci systémů, ústrojí a částí vozidel, případně analyzovat jejich příčinu, aniž by docházelo k demontáži a zpětné montáži kontrolovaných částí. To je důležité zejména s ohledem na skutečnost, že každá demontáž a montáž funkčních částí vozidla, urychluje opotřebení již zaběhnutých pohyblivých spojů a částí. v této diplomové práci bude uvedena stručná historie, jednotlivé generační

rozdíly,

ozřejměny principy

funkce palubní diagnostiky OBDI, II, resp. EOBD a možnosti integrace OBD II protokolu do systému zkoušek na válcovém dynamometru MZLU v Brně.

2. CÍL PRÁCE Metodiky zkoušek spalovacích motorů zůstávají po celá desetiletí ve své podstatě stejné. Nedokáží tak plně postihnout inovace a jejich vliv v systému řízení motoru, resp. vozidla. Pasivní i aktivní elektronické části systémů řízení mají velmi často implementovány algoritmy, které se mohou „učit“. Pokud není tato schopnost brána v potaz při zkoušení výkonových parametrů motoru, dochází k závažné chybě v interpretaci výsledků. Tato diplomová práce si klade za úkol minimalizovat chyby ve výsledku výkonových zkoušek nesprávnými postupy u elektronicky řízených systémů, zejména zážehových motorů, a to sledováním datových výstupů řídicí jednotky. Srdcem celé diplomové práce je systém, který bez respektování výrobce vozidla je schopen snímat veličiny a stavová hlášení řízení motoru pro zpřesnění analýzy výsledků měření. Navíc tento systém musí být schopný bezproblémové integrace do programového prostředí měření a řízení válcové zkušebny.

Cíl práce sestává z několika dílčích výsledků roviny teoretické i praktické a to: •

Rozbor současných možností zpřesnění analytické činnosti při zpracování výsledků výkonových zkoušek na válcovém dynamometru.

•

Popis funkce palubní diagnostiky pod regulací OBD II a využití čtených parametrů či stavových hlášení před začátkem měření i v průběhu.

•

Vyhodnocení vybraných praktických zkoušek s komentáři při nichž data palubní diagnostiky sehrála prvořadou roli v konečném hodnocení.

9

3. SOUČASNÝ STAV ŘEŠENÉ PROBLEMATIKY Spalovací motor je v současnosti nejrozšířenějším zdrojem trakční energie mobilních dopravních prostředků. Princip činnosti tohoto tepelného stroje je všeobecně známý, přesto však nenacházíme uspokojivé odpovědi na řadu otázek spojených s komplikovanými jevy, které se odehrávají během hoření paliva v prostoru válce motoru. Jednotlivé procesy mechanické, termodynamické či termochemické nelze jednoduše oddělovat, protože jsou vázány vzájemným působením a je nutno je zkoumat komplexně. Z důvodu rozsáhlosti a komplikovanosti fyzikálně-chemických vazeb nejsme schopni zavést matematickou formulaci, která by exaktně vyjadřovala celý proces transformace chemické energie paliva v mechanickou práci. Nejefektivnějším způsobem hodnocení práce spalovacího motoru je měření vybraných druhů veličin vnějšího projevu motoru – rotačního pohybu. K tomuto účelu jsou využívána zkušební stanoviště obecně nazývána výkonové zkušebny. Přesnost výsledků měření výkonových parametrů je ovlivněna mnoha faktory, které lze obecně definovat pro všechna laboratorní zařízení a v nich prováděných zkoušek. Jsou to zejména: 1. Lidské faktory, 2. podmínky prostorů a prostředí, 3. zkušební a kalibrační metody, 4. použité měřící (regulační) zařízení, 5. návaznost měření, 6. vzorkování, 7. zacházení se zkušebními a kalibračními položkami. Všechny tyto faktory působí současně, avšak ne všechny lze determinovat a určit jejich vliv na celkovou chybu měření. Práce se opírá pouze o možnost zvýšení přesnosti analýzy měření technickými prostředky v procesu měření, resp. následné analýze. Principiálně tak lze dosáhnout: •

Kvalitativně – zvýšením přesnosti měřícího zařízení,

•

kvantitativně – zvýšením počtu měřených veličin.

Systém měření výkonových parametrů spalovacích motorů zahrnuje i proces regulace zařízení, které je užito k zatěžování motoru, resp. vozidla.

10

3.1. Možnosti zpřesnění měření, resp. následné analýzy Měření výkonových parametrů motorů patří k nejsložitějším disciplínám ve zkušebnictví vozidel. Na měřící zařízení jsou kladeny vysoké nároky na přesnost měření, které je doprovázeno nepříznivými okolnostmi zejména dynamického a tepelného namáhání mechanických, elektrických či elektronických částí zkušebního stanoviště i zkoušeného motoru. v následující kapitole je ve stručnosti vysvětlen způsob, jak kvantitativními ukazateli zpřesnit analýzu výsledků měření, tedy jádro této diplomové práce.

Prostředky zpřesnění měření či následné analýzy kvantitativními ukazateli Důležité hledisko analytické práce po ukončení zkoušek je mimo kvality naměřených veličin i jejich kvantita, resp. množství rozdílných veličin (jedná se o množství veličin nikoli o počet hodnot jednotlivých veličin). Práce si klade za cíl právě zvýšení počtu analyzovaných veličin při měření výkonu motoru na válcovém dynamometru. Vzhledem k charakteru měření výkonových parametrů motoru jsou důležité zejména tyto rozšiřující ukazatele: •

Poloha škrtící klapky,

•

množství nasávaného vzduchu motorem,

•

napětí kyslíkové sondy, resp. poloha lambda regulace,

•

předstih zážehu,

•

adaptační hodnoty korekce dávky paliva,

•

vypočtené zatížení motoru,

•

tlak paliva,

•

absolutní tlak v sání.

Při měření výkonu motoru je třeba také samozřejmě snímat otáčky motoru a dále teplotu nasávaného vzduchu pro následný výpočet korekčního faktoru. Jak využít tyto ukazatele je možné nalézt v kap. 5., kde jsou demonstrovány konkrétní případy měření, kde tyto parametry sehrály klíčovou roli. (Beroun, 2005)

11

3.2. Výkonové parametry spalovacího motoru Na komplexní posouzení práce a hospodárnosti spalovacího motoru se používá několik základních veličin, které svými hodnotami zařazují příslušný spalovací motor na určitou kvalitativní úroveň. Mezi takové veličiny patří hlavně střední efektivní tlak oběhu, výkon motoru, měrné spotřeby provozních látek a účinnost motoru. Pro rychlou a snadnou orientaci v základních provozních veličinách spalovacích motorů se v odborných kruzích, ale i v motoristické veřejnosti nejčastěji používají charakteristiky spalovacích motorů. Výkon spalovacího motoru se posuzuje a dělí z různých hledisek. Pro uživatele spalovacího motoru, respektive stroje nebo automobilu, je v technické dokumentaci základním údajem výkon, a to buď v číselné podobě jako maximální či jmenovitý výkon při (jmenovitých) otáčkách, anebo v grafické formě nejčastěji jako vnější otáčková charakteristika. Z grafického průběhu je možné vyčíst hodnoty výkonu a ostatních důležitých provozních veličin v závislosti například na otáčkách motoru.

3.2.1. Charakteristiky spalovacích motorů

Charakteristiky spalovacích motorů jsou graficky znázorněné závislosti mezi základními veličinami jako jsou výkon Pe, točivý moment Mk, střední efektivní tlak pe, otáčky n, měrná spotřeba paliva mpe, hodinová spotřeba paliva Mph, dále vybraná teplota a tlak, účinnost, veličiny charakterizující exhaláty atd.

Hledisek, podle kterých se charakteristiky dělí, je několik. Základní dělení je podle zvolené nezávislé proměnné veličiny. (Hlavňa a kol.,2000) •

Otáčková charakteristika, znázorňuje závislost výkonu a ostatních důležitých veličin motoru na jeho otáčkách při stálém nastavení ovládacího zařízení (pedálu akcelerátoru) regulujícího výkon motoru.

•

Zatěžovací charakteristika znázorňuje závislost spotřeby paliva, zpravidla měrné mpe (g.kW-1.h-1), respektive dalších důležitých veličin, na některé veličině charakterizující zatížení spalovacího motoru, jako například výkon Pe, stření efektivní tlak pe, točivý moment Mk atd. 12

•

Regulační

(nastavovací) charakteristika znázorňuje závislost

veličin

spalovacího motoru na některé konstrukční veličině, charakterizující seřízení (nastavení) motoru. •

Úplná charakteristika je diagram znázorňující soustavou křivek závislost sledované veličiny na dvou základních veličinách, zanesených na osy souřadnic. Každé křivce diagramu náleží určitá stálá hodnota sledované veličiny jako parametr. Ve skutečnosti to je prostorový diagram.

•

Zvláštní charakteristiky, které popisují vlastnosti a chování spalovacího motoru z jiných hledisek.

Použití charakteristik: •

Při vývoji a výzkumu nového typu spalovacího motoru,

•

při konstrukci zařízení, které spalovací motor používají jako zdroj výkonu,

•

při posuzování stavu motoru a při zjišťování ekonomických ukazatelů,

•

při analýze statických a dynamických vlastností pohonů vozidel a mobilní techniky.

Otáčkové charakteristiky se používají na posuzování vlastností motorů, které pracují s proměnlivými otáčkami. Pouze v některých případech se vystačí s jmenovitou otáčkovou charakteristikou, například při stacionárních motorech. Především při vznětových naftových motorech je při posuzování jejich chování významná ta část otáčkové charakteristiky, kde působí nezávislý autonomní jedno-, dvou- nebo celorežimový regulátor. Zatěžovací charakteristiky se používají převážně při posuzování vlastností motorů, které pracují s konstantními otáčkami. Oba dva tyto druhy charakteristik slouží jako výsledný podklad pro konstrukci úplné charakteristiky motoru. Regulační (nastavovací) charakteristiky se zjišťují při vývojových a prototypových zkouškách s cílem optimálního nastavení motoru pro dané podmínky, respektive posuzování motoru v mimořádných pracovních podmínkách. Úplné charakteristiky mají význam při projektování pohonu. Umožňují komplexní pohled na pracovní oblast motoru, se zobrazením nejpodstatnějších veličin a jejich vzájemný vztah v jednom diagramu. (Hlavňa a kol., 2000)

13

3.2.1.1. Otáčková charakteristika Otáčkové charakteristiky jsou nejpoužívanější nejen v odborných kruzích, ale i na motoristické veřejnosti. Vyskytují se jako součást technické dokumentace motorů, vozidel, pracovních strojů apod., v protokolech z měření, v propagačních materiálech a prospektech výrobců, respektive prodejců atd.

Rozděleny jsou podle více hledisek na: 1. vnější charakteristiky - typické tím, že ovládací zařízení (pedál akcelerátoru), regulující výkon motoru, je nastavené na maximum v celém rozsahu otáček. Podle stupně a způsobu seřízení dodávky paliva se vnější charakteristiky dělí na tyto druhy: •

Absolutní,

•

na hranici kouření,

•

provozní,

•

jmenovitá.

2. částečné charakteristiky - svým průběhem se podobají vnější provozní charakteristice, ale velikostí se odlišují podle nastavení ovládacího zařízení (pedálu akcelerátoru), regulujícího výkon motoru. Částečná charakteristika platí tedy i pro konstantní polohu ovládacího zařízení (pedálu akcelerátoru) regulujícího výkon motoru v celém otáčkovém rozsahu, ale její hodnota je nižší než maximální.

3. zvláštní charakteristiky - zařazené pod skupinu rychlostních, které znázorňují závislosti základních veličin motoru pro určité vybrané režimy, respektive podmínky. Patří sem například: •

vrtulová charakteristika

•

charakteristika motoru s regulátorem

•

charakteristika chodu naprázdno

(Hlavňa a kol., 2000)

14

3.2.1.2. Zatěžovací charakteristiky Zatěžovací charakteristiky se zjišťují měřením spalovacího motoru na zkušebním stavu při udržování konstantních otáček jako parametru. Přitom se mění zátěžový moment z minimální na maximální hodnotu, pomocí změny polohy ovládacího zařízení (pedálu akcelerátoru), regulujícího výkon motoru. Zaznamenává a vyhodnocuje se většinou spotřeba, popřípadě další sledované provozní. Jsou výhodné při posuzování stacionárních motorů, motorů kolejových vozidel, ale slouží také jako podklad na konstrukci úplných charakteristik motorů, při vyhodnocování ztrátového momentu, chodu naprázdno atd. (Hlavňa a kol., 2000)

3.2.1.3. Regulační (nastavovací) charakteristiky Regulační charakteristiky znázorňují závislost provozních veličin spalovacího motoru (Pe, Mk, Mp, mpe…) na některé konstrukční nebo provozní veličině, charakterizující seřízení motoru, například úhel předstihu (předvstřiku), součinitel přebytku vzduchu, otvírací tlak, časování rozvodu, složení směsi apod. Při zjišťování charakteristiky měřením se mění jen sledovaná nezávisle proměnná, ostatní vstupní veličiny se podle možnosti udržují konstantní například otáčky, poloha regulačního orgánu, teploty atd. Regulační charakteristiky se využívají ve sféře výzkumu, vývoje, při navrhování systémů řízení nebo seřizování konstrukčních prvků, které ovlivňují výstupní hodnoty motoru. (Hlavňa a kol., 2000)

3.2.1.4. Úplná charakteristika Na komplexní posuzování spalovacích motorů z hlediska výkonu, momentu, spotřeby, teplot, exhalátů a dalších vedlejších veličin se v praxi uplatňuje úplná (celková) charakteristika, která v jednom diagramu umožňuje zobrazit několik závislostí současně pomocí průsečíkových diagramů. Nedá se získat měřením ani výpočtem přímo, ale je sestavená z otáčkové nebo zatěžovací charakteristiky přenosem bodů vybrané veličiny s konstantní hodnotou do souřadnicového systému pe - n, respektive Mk - n. Na obrázku 3.1. je ukázka úplné charakteristiky přeplňovaného vznětového

15

motoru Škody Octavie 1.9 TDi se zobrazením měrné spotřeby mpe. Tento graf byl sestaven z hodnot hodinové spotřeby vyčtené pomocí palubní diagnostiky.

230

210

190

217

225

220

230

Moment motoru (Nm)

170

240 150

250 130

260

110

270 90

70

300 50

500 30 1600

2100

2600

3100

3600

4100

400

350

4600

Otáčky motoru (min-1)

Obr. 3.1. – Úplná charakteristika měrné spotřeby vozu Škoda Octavia 1.9 TDi

3.2.1.5. Zvláštní charakteristiky •

Výšková charakteristika - vyjadřuje průběh provozních veličin spalovacího motoru v závislosti na nadmořské výšce.

•

Přechodové charakteristiky - znázorňují v závislosti na čase provozních veličin spalovacího motoru v neustálených režimech. Uplatňují se při zkouškách samotných motorů ve zkušebnách při řešení dynamiky pohonů, při řešení problémů řízení a regulace spalovacích motorů v součinnosti s poháněnými spotřebiči atd. (Hlavňa a kol., 2000)

16

3.2.2. Princip stanovení (měření) výkonu Jednotlivé druhy výkonů je v zásadě můžeme zjistit výpočtem, experimentálně anebo kombinací těchto dvou postupů.

3.2.2.1. Indikovaný výkon a) zjišťování Pi z indikátorového diagramu, kdy indikátorový diagram představuje znázornění průběhu skutečného tlaku ve válci po dobu pracovního cyklu. Součtem jednotlivých ploch (jejich množství je možné zjistit například planimetrem, respektive z milimetrového papíru), které představují v diagramu p-V kladnou a zápornou práci (dostaneme je vynásobením ploch s měrkami objemu a tlaku), se určí indikovaná práce jednoho pracovního cyklu. Podíl indikované práce na jednotku zdvihového objemu (viz obrázek) představuje střední indikovaný tlak příslušného válce. Dle vztahu se při známých konstrukčních a provozních hodnotách spalovacího motoru určí

jeho

indikovaný výkon Pi výpočtem, přičemž je to hodnota ve jmenovitém bodě. b) zjišťování indikovaného výkonu "vypínáním válců" je experimentální metoda, založená na vypínání jednotlivých válců spalovacího motoru z činnosti a odpočítání výkonů před a po něm (zapalování při zážehových motorů, respektive dodávky paliva při vznětových motorech). Podstata měření indikovaného výkonu vychází z následující teoretické úvahy.

Pro všechny válce s počtem k v činnosti platí: k

Pe = kPi - kPz

[W]

,kde: k

Pe – užitečný výkon k počtu válců (W)

k

Pi – indikovaný výkon k počtu válců (W)

k

Pz – ztrátový výkon k počtu válců (W)

17

(3.1.)

,při odpojení funkce jednoho válce bude indikovaný a efektivní výkon generovat k-1 válců, ale ztrátový výkon zůstane teoreticky stejný: k-1

Pe = k-1Pi - kPs

[W]

(3.2.)

,odečtením výše uvedených rovnic získáme hodnoty pro jeden válec: k

Pe - k-1Pe = kPi - k-1Pi = 1Pi

[W]

(3.3.)

,z čehož vyplývá, že naměřený rozdíl efektivního výkonu motoru při zapnuté i vypnuté funkci jednoho válce se rovná indikovanému výkonu tohoto válce. Celkový indikovaný výkon se získá součtem indikovaných výkonů jednotlivých válců ze vztahu: Pi = Σ kPi

[W]

(3.4.)

Přesnost metody je ovlivněna rozdílem mechanických ztrát při spalování a bez spalování v měřeném válci. Obě dvě měření se musí provést při stejných otáčkách klikového hřídele motoru. ( Ondráček, 1989) 3.2.2.2. Efektivní výkon Efektivní výkon se zjišťuje nejčastěji měřením na zkušebním stavu. Lze tak měřit na motorovém dynamometru nebo na válcovém dynamometru, , kde se výkon získá výpočtem z naměřeného výkonu na hnací nápravě vozidla. Při vyhodnocení výkonu spalovacího motoru je ale v tomto případě nutné znát i parametry vozidla, zejména pasivní ztráty v transmisích a dále např. výkon zmařený prokluzem. Potom se efektivní výkon motoru vypočítá:

Pe =

Pk

[W]

ηm

,kde: Pk - výkon naměřený na hnacích kolech (W)

ηm - mechanická účinnost převodů mezi motorem a koly (-)

18

(3.5.)

Pro měření samotného motoru se obvykle budují speciální zkušební stavy a jsou známé především tyto způsoby měření:

Zjišťování Pe měřením mechanických veličin tento způsob využívá dva fyzikální principy. První vychází z definice momentu jako součin síly a ramene:

Mk = F . r

[Nm]

(3.6.)

[W]

(3.7.)

Výkon z této rovnice lze vypočítat: P = 2π . F . r. n ,kde: F - síla, která zachytává točivý moment statoru dynamometru na rameni r (N) n - otáčky dynamometru (s-1)

Tvar signálu Mk a jeho zpracování závisí na použití snímače síly. Snímače s elektrickým výstupem (například tenzometrický) mají různé využití, například umožňují přenos signálu na místo obsluhy, záznam průběhu při měření přechodových režimů, programové řízení momentu atd. Naopak vyhodnocování momentu, založené na mechanickém přenosu měřeného signálu na ukazovací přístroj (pákový převod), umožňuje měření momentu pouze v ustálených stavech.

Druhý způsob měření momentu využívá teorii pružnosti a pevnosti (tenzometrická hřídel, resp. příruba). Velikost přenášeného momentu měrnou hřídelí vyjadřuje vztah (3.8.).

M k = G ⋅ lp ⋅

ϕ

[Nm]

l

19

(3.8.)

,kde: G - modul pružnosti (Pa) Ip - polární moment průřezu (moment setrvačnosti) (m4)

ϕ - úhel zkroucení (rad) I - délka měrné hřídele (m)

Podstata metody je měření úhlu zkroucení měrné hřídele a přenos tohoto signálu na statickou část snímače do vyhodnocovací aparatury. Přenos se může realizovat elektrickými, optickými anebo jinými metodami, přičemž uplatnění mají především bezdotykové metody.

3.2.2.3. Ztrátový výkon Na výzkumné účely je někdy nutné (například při modelování) jednotlivé složky ztrátového výkonu vyjádřit analyticky na základě fyzikální podstaty, jako jsou odpory třecí, hydraulické apod. K nim se přepočítají příkony pomocných zařízení (rozvod, palivový systém apod.), které se též dají popsat za pomoci příslušné teorie a určit jejich hodnotu výpočtem. V praxi se většinou používají experimentální metody zjišťování ztrátového výkonu. Jsou to výhradně měření ve zkušebně na stavech. Dále popsána metoda je zatížená určitými chybami, vyplývajícími ze samotného principu, a proto je nutné i experimentální výsledky brát jen jako přibližné.

Zjišťování Pz protáčením spalovacího motoru je metoda, při které se zastaví přívod paliva do motoru, například propojením palivového okruhu tak, že celý vstřikovaný objem se odvádí zpět do nádrže a spalovací motor se přetáčí připojeným dynamometrem. Zpravidla se používá elektrická soustava, která umožňuje plynulou změnu otáček z nuly do maxima. Vlastní měření velikosti ztrátového výkonu je možné ,buď prostřednictvím elektrických veličin (U, I) hnacího dynamometru, anebo mechanických veličin (Mk, ω) na spojovací hřídeli. Za největší nevýhodu této metody z hlediska přesnosti měření je možné považovat odchylky od skutečného provozu motoru (spalování, teploty). Naopak výhodou je jednoduchost a možnost měření příkonů jednotlivých pomocných zařízení (pohon čerpadel, ventilátorů, elektropříslušenství atd.) jejich postupných odpojováním. 20

3.2.3. Měřící zařízení Ve zkušebnictví motorů (vozidel) se zjišťuje mechanický výkon především při rotačním pohybu (vozidlo na válcové stanici), který nelze přímo měřit. Otáčející se součást přenáší výkon, který se určí ze známého vztahu P = M . ω, kde M (Nm) je točivý moment a ω (s-1)je úhlová rychlost. Výkon při rotačním pohybu lze tedy zjistit měřením točivého momentu a otáček. Pro měření točivého momentu se používá většinou deformačních členů. Moment síly namáhá měřící člen, který převádí napětí na deformaci a měří tenzometrickými snímači nebo snímačem výchylky. Jiné konstrukce využívají změny magnetických vlastností deformačního členu. Pro určení výkonu je nutno zároveň měřit otáčky rotující součásti. Pro měření mechanického výkonu se ve zkušebnictví vozidel používají dynamometry (brzdy, někdy retardér). Označení „brzda“ je v tomto případě odvozeno z toho, že proti točivému (neznámému) momentu působí brzdný moment, jehož velikost buď známe, nebo můžeme měřit. Z hlediska principu maření energie lze dynamometry rozdělit na: 1. elektrické – stejnosměrný elektromotor, střídavý elektromotor (synchronní, asynchronní), vířivý dynamometr 2. hydraulické (vzduchové) 3. třecí – historie

Elektrické dynamometry jsou v podstatě elektrické stroje, které pracují jako elektrické generátory nebo elektromotory s výkyvně uloženém statorem. Výkyvné uložení může být (podobně jako u hydraulických a vířivých brzd) dvojího druhu. Buď je stator zavěšen v ložiskách hřídele rotoru a hřídel rotoru v pevných ložiskách, nebo je stator výkyvně uložen v pevných ložiskách, uložených v statoru. Výhodou elektrických strojů je možnost využít jich ve funkci motorů (elektromotor pohání např. válec na kterém stojí kola vozidla bržděná vozidlovými brzdami). Elektromagnetické vířivé brzdy jsou založeny na působení vířivých proudů. Velikost brzdného momentu se reguluje velikostí budícího proudu přiváděného do budících cívek. Výkyvné uložené těleso obsahuje ozubený pólový kotouč. Dále těleso obsahuje budící vinutí a chladicí komory, kterými protéká voda. Při přítoku stejnosměrného proudu budícím vinutím vzniká magnetické pole. Toto pole je v zubech pólového kotouče statické, tzn. obíhá spolu s pólovým kotoučem, ve stěnách chladicích komor přivrácených ke kotouči však toto pole pulsuje s frekvencí, která odpovídá 21

frekvenci otáčejících se zubů. Tím vznikají ve stěnách komor vířivé proudy, které vytvářejí vstřícné pole a brzdí rotor. Odbržděná energie se odvádí do chladicích komor ve formě tepla. Magnetické silokřivky procházejí zuby pouze v axiálním směru. Proto může být pólový kotouč poměrně úzký, čímž se v porovnání s jinými konstrukcemi získá malý moment setrvačnosti. Konstrukce vířivé brzdy je symetrická a brzda se může proto otáčet oběma směry. Elektromagnetická vířivá brzda naproti elektrickým dynamometrům stejnosměrným či střídavým nemůže pohánět motor, resp. válce, ale pouze zatěžovat (brzdit). Hydraulické dynamometry se vyznačují tím, že pohybová energie dodávané hnacím strojem se mění v teplo vnitřním třením částic kapaliny (brzdy hydraulické) nebo plynu (brzdy vzduchové). Točivý moment brzdy je úměrný čtverci otáček rotoru brzdy, protože síly vyvolané vnitřním třením – v podstatě aerodynamický odpor – jsou přibližně úměrné čtverci rychlosti proudění. Voda v brzdě slouží současně jako pracovní médium i jako chladicí prostředek. Přes přívod se voda rovnoměrně rozděluje do kruhových komor a otvory ve statorových lopatkách protéká do vířivých komor. Otáčející se rotor víří vodu v těchto komorách a tím přeměňuje odbržděný výkon zkoušeného zařízení v tepelnou energii. Točivý moment, který brzda odebírá, je při konstantních otáčkách závislý na stupni naplnění vířivých komor. Plnění komor je závislé na poloze servoventilu, který je umístěn na tělese brzdy a ovládán motorkem. Po zmaření energie vytéká ohřátá voda z vířivých komor přes obě kruhové mezery mezi statorem a dvojitým rotorem. Přes servoventil pak voda odtéká do odpadu. v průběhu přeměny energie přenáší voda točivý moment z dvojitého rotoru na oba statory, které jsou upevněny ve výkyvném tělese brzdy. Toto těleso se pákou opírá o siloměrné zařízení (mechanické váhy, pneumatický nebo elektrický siloměr). (Čupera, 2005)

22

3.2.3.1. Měření na válcové zkušebně Měření na válcové zkušebně s sebou nese významné pozitivum v tom, že není třeba demontovat pohonnou jednotku z vozidla na zkušební stav. Kola vozidla pohání válce dynamometru, který klade rotačnímu pohybu odpor, jeho výše pak slouží k vyjádření výkonu, resp. točivého momentu dle principů uvedených v kap.3.3. Ačkoliv se do celého systému měření vnáší více chyb, z pohledu vozidla se jedná o objektivnější měření výkonu, který je možné využít k pohybu vozidla. Díky možnostem mikroprocesorové techniky došlo k významnému zlepšení vlastností válcových dynamometrů a to zejména nahrazení mechanických vazeb digitálním řízením. 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. Typickým, dále popsaným, systémem je zkušebna principiálně shodná se zkušebnou

Ústavu

techniky a automobilové

dopravy MEZ 4VDM

E120-D.

Dvounápravová monoválcová zkušebna je tvořena čtyřmi samostatnými válci (každé odpovídá jednomu kolu), každý válec je poháněn brzděn stejnosměrným pohonem. Úkolem zkušebny je zajistit splnění těchto podmínek: Vozidlo při jízdě na vozovce musí překonávat následující síly, které jsou obecně závislé na rychlosti vozidla (3.9.)

F = Fok + Fcx + Fs + mc ⋅

dv dt

[N]

(3.9.)

,kde: Fok - valivý odpor kol vozidla (N) Fcx - vzdušný odpor vozidla (N) Fs - odpor stoupání (N) mc.dv/dt - odpor zrychlení (N) ,přičemž všechna kola vozidla se musí točit stejnými otáčkami (rychlost vozidla)

23

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. 3.2. – Schéma spojení měničů v regulaci jízdy po vozovce

Naopak v případě digitálního řízení každého elektromotoru jsou z mechanického spojení aplikovány pouze meziválcové spojky viz obr. 3.2.. Digitální měniče odpovídající přední jsou přepnuty do momentové regulace a regulují na hodnotu síly z rovnice (3.9.), skutečná rychlost otáčení přední osy je předána jako požadovaná rychlost měniči levého zadního válce (elektrická hřídel) a proud (ekvivalentní momentu) 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 (3.9.). 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

24

hmotností vozidla a zrychlení je vypočteno z měřené rychlosti. Otáčky válců lze přesně měřit jen pomocí digitální techniky.

Válcové zkušebny nové generace jsou charakterizovány těmito znaky: •

Velkým průměrem válcům - minimální průměr válců je více než 0,5 m u dvojic a 1 m u monoválců ( MZLU v Brně = 1,2m),

•

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,

•

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.

Seznam testů, které moderní válcové zkušebny standardně obsahují: Zkoušky hnacího ústrojí (spalovacích motorů) •

V = konstantní - standardní způsob měření otáčkových charakteristik motorů

vozidel. •

F = konstantní - standardní způsob měření zatěžovacích charakteristik motorů

vozidel. •

Vnější otáčková - standardní způsob měření vnější rychlostních charakteristik

motorů vozidel v regulaci v = konstantní. •

Simulace vozovky - simulace jízdy (road load).

•

Jízdní zkoušky - vychází z předchozí, ale je doplněna funkcemi pro jízdu podle

předem předepsané charakteristiky v čase jako např. u exhalačních testů EHK.

25

•

Akcelerační zkouška - zkouška pro měření vnější rychlostní charakteristiky

dynamickou metodou.

Zkoušky brzdové soustavy •

Pomaluběžné zkoušky - zkoušení brzdové soustavy dle metodiky platné pro

STK, doplněná o možnost měření brzdění 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 brzdění vozidla z počáteční rychlosti až

do zastavení. •

ABS - obdoba předešlé zkoušky, ale s vyhodnocením reálného chování ABS.

Kalibrační testy •

Určení pasivních ztrát pro zkoušky brzd - slouží k určení pasivních ztrát

nezávisle pro, každé kola. •

Určení pasivních ztrát pro zkoušky výkonu - slouží k určení pasivních ztrát

pouze hnaných náprav.

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. Díky řešení válcové zkušebny je možno dále simulovat průjezdy zatáčkou, a tak sledovat rozdělení sil diferenciálu(ů).

Konstrukční řešení válcového dynamometru ÚT AD Konstrukční řešení vychází z tuhých základních rámů, na kterých jsou umístěny ložiska 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

26

rozvoru, společně s přední osou vozidlového dynamometru VDU E120 - T. Spojení levého a pravého válce zajišťuje elektricky ovládaná frikční spojka. Rozpojení pravého a levého válce umožňuje dynamické měření brzdných sil z vysokých rychlostí. Propojení válcových jednotek s el. dynamometry typu SDS 225 5604 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. Obě osy jsou umístěny na konstrukci z ocelových profilů upevněné na základním rámu, který je zalit betonem na dně montážní jámy. Na základním rámu jsou rovněž uchyceny podpěry pevného a posuvného krytí vozidlového dynamometru. v podlaze okolo montážní jámy jsou zality kotvící drážky pro upevnění úvazků vozidla. Celá plocha okolo vozidlového dynamometru je v rovině podlahy překryta ocelovými krycími plechy. Přívod chladícího vzduchu do montážní jámy je vyústěn pod jednotlivými osami uprostřed (v zapuštěném kanálu). Před zkoušeným vozidlem je umístěn ventilátor náporového chlazení s usměrňovací hubicí, připojený pohyblivým přívodem do zásuvky spínané přes ovládací klávesnici z kabiny vozidla. v tabulce 3.1. jsou uvedeny základní parametry zkušebny Ústavu techniky a automobilové dopravy.

Tab. 3.1. – Základní mechanické vlastnosti dynamometru 4VDM E120-D -1

Max. zkušební rychlost [km.h ] Max. výkon na nápravu [kW] Max. tlak na nápravu [kg] Průměr válců [m] Šířka válců [mm] Mezera mezi válci [mm] Setrvačná hmotnost válců (každá náprava) [kg] Min. rozvor [mm] Max. rozvor [mm] Zatížitelnost krytí v místě jízdy [kg] v místě chůze [kg] Tlakový vzduch [bar] -1 Rozsah měření rychlosti [km.h ] Rozsah měření sil [kN] -1 Přesnost měření rychlosti [km.h ]

200 240 2000 1,2 600 900 1130 2000 3500 2000 500 min. 4 0 - 200 4x

Přesnost měření sil [%] Přesnost regulace rychlosti [%] Přesnost regulace síly [%]

±5 ± 0,01 ± 0,25 ± 0,1 ± 0,5

27

3.3. Palubní diagnostika v systému zkoušek Palubní diagnostika vznikla za účelem monitorování všech parametrů vozidla, které mají vliv na konečné složení spalin z hlediska objemu sledovaných škodlivin (CO, CHx, NOx, PT). v podobě OBD II se jedná o sledování všech částí, které mají byť i nepatrný vliv na zhoršení emisních vlastností vozidla. Nevztahuje se tedy jen přímo k motoru a procesu přípravy směsi, spalování a následné katalýze výfukových plynů, ale jsou vyhodnocovány i možné úniky paliva, ať již přímé nebo odparem z palivové nádrže. Všechna tato měření a vyhodnocování provádí řídicí jednotka (dále jako ECU, ECM či český ekvivalent EŘJ), která analogové veličiny převádí do digitální podoby a permanentně srovnává s hodnotami očekávanými, které má uloženy v paměti EEPROM (FLASH) v podobě datových matic, tzv. řídících map (základní schéma řídicí jednotky je na obr. 3.3.). v případě neshody tyto jevy registruje a podle druhu signálu provede buď následné korekce, případně vlastní adaptaci nebo vyhodnotí stav jako závadu a dá pokyn k rozsvícení kontrolky MIL. Tento popis je však velmi zjednodušený, neboť je nutno si uvědomit množství signálu přiváděných do řídicí jednotky, kdy mikroprocesor musí provést určení jejich priority, tzn. stanovení hlavních řídících veličin, provedení korekcí a následných výpočtů s „odskokem“ pro porovnání či získání dat v paměti eprom, vyhodnocení stavu a následného regulačního zákroku s očekáváním následné zpětnovazební informace. Z toho plyne další funkce OBD II, a to sledování stavu signálu vlastních akčních členů a to buď přímo na základě průběhu signálu, či nepřímo pomocí jiného indikátoru.

Obr. 3.3. – Základní schéma ECU

28

Na obr. 3.4. je znázorněno množství komponent, které jsou systémem OBDII „hlídána“ či vyhodnocována. v tomto provedení jsou všechny signály zpracovávány řídicí

jednotkou

motoru,

dnes

se

však

objevují

systémy

se

separátními

mikroprocesorovými jednotkami jednotlivých kontrolérů a indikátorů, které jsou s hlavní řídicí jednotkou spojeny datovou sítí, např. CAN. (Štěrba, 2004)

Obr. 3.4. – Schéma monitorovaných komponent systémem OBDII

Standardy palubní diagnostiky Důvodem, proč se vůbec zavedla palubní diagnostika, byl dále neudržitelný stav ovzduší v centrální Kalifornii a zejména v oblasti Los Angeles. Zčásti bylo toto „zamoření“ způsobeno nepříznivými klimatickými podmínkami spolu s přírodními katastrofami, ale majoritním znečišťovatelem byla vysoká koncentrace automobilové dopravy v této lokalitě. v roce 1966 zde byly zavedeny povinné emisní kontroly vozidel, které platily v celé federaci od roku 1968. Roku 1970 Kongres Spojených států amerických ustanovil instituci EPA (Environmental Protection Agency), která mimo jiné také provádí dozor nad plněním emisních předpisů motorových vozidel.

29

OBD I Jako první kdo zavedl vlastní kontroly vozidla byla společnost General Motors (GM), která již v roce 1981 ve svých automobilech používala systém Computer Command Control. Ostatní výrobci také samozřejmě kopírovali trend častějšího využívání elektronických komponent řízení motoru s monitoringem všech částí relevantních k exhalacím. Tyto systémy však trpěly nedostatkem jakékoliv vzájemné kompatibility, a proto v dubnu 1985 pověřená státní instituce CARB (California Air Resource Board) schválila v Kalifornii systém regulací známých jako OBD (On Board Diagnostic), úplně "Malfunction and Diagnostic System for 1988 and Subsequent Model Year Passenger Cars, Light-Duty Trucks, and Medium-Duty Vehicles with Three-Way Catalyst Systems and Feedback Control.". Tyto předpisy vstoupily v platnost roku 1988 a všechna nová osobní a malá dodávková vozidla musela splňovat všechny technické předpisy spojené s OBD. Jednalo zejména o systémy, které významně ovlivňují složení výfukových plynů a zpětnovazebně dávají signál řidiči při zjištění závady indikační kontrolkou MIL (Malfunction Idicator Lamp) na přístrojové desce – viz obr. 3.5. Při detekci závady se současně s rozsvícením kontrolky MIL ukládají do paměti řídicí jednotky kódy chyb DTC (Diagnostic Trouble Codes). Pomocí těchto kódů byla zjednodušena diagnostika poruchy pro servisní organizace. (Čupera, 2005)

Obr. 3.5. – Hlavní rysy OBD I

30

OBD II Přestože systém OBD i (běžně užívané označení palubní diagnostiky 1. generace) velmi významně ovlivnil dění na poli diagnostiky, nemohl díky své koncepci udržet krok s invazí elektroniky v automobilovém průmyslu na počátku 90tých let. Bylo nutno sestavit nové standardy, které se již nebudou zaměřovat jen na elektrické a elektronické obvody vozidla, ale budou kontrolovat i pasivní komponenty, které významně ovlivňují složení spalin (např. katalyzátor). Nově se i při závadě zapíší podmínky (Freeze Frame). v roce 1994 se automobilky zavázaly, že jejich vozidla budou nejméně 50 000 mil emisně stálé s tím, že v budoucnu se zvýší tato hodnota na 100 000 mil. Značnou měrou se již při vývoji nové normy OBD II uplatnila instituce SAE (Society of Automotive Engineers), která vytvořila standardy pro periferii (diagnostické rozhraní) – DLC (Data Link Connector, SAE J1962) a zejména navrhla komunikační protokol mezi řídicí jednotkou motoru a diagnostickým přístrojem (SAE J1850). v letech 1994 až 1996 se postupně systém OBD II implementoval do nových vozidel a od 1. ledna 1996 je povinný v celé federaci. Filozofie OBD II se vůči své první generaci nezměnila, ale z hlediska technického provedení je OBD II doslova revolucí. (Čupera, 2005)

Obr. 3.6. – Hlavní rysy OBD II

31

EOBD Systém EOBD je de facto evropská obdoba OBD II. Z technického hlediska se od americké specifikace liší minimálně. Značný rozdíl je ovšem v platnosti a uvedení EOBD do legislativy. Povinnost začlenění EOBD ve vozidlech je dána předpisem 98/69/ES, který byl schválen v roce 1998 s platností od roku 2000 spolu s novým emisním předpisem „Euro 3“. Zatímco v USA systém OBDII platil od zahájení své působnosti pro osobní, lehká dodávková a dodávková vozidla bez rozlišení typu motoru (zážehový, vznětový), při zavádění EOBD se stanovily termíny platnosti nejen dle druhu vozidla a celkové hmotnosti, ale i podle spalovaného druhu paliva. (Čupera, 2005)

Funkční schopnost systému EOBD musí být zaručena po celou dobu životnosti vozidla. Pro schválení nového vozidla musejí výrobci zaručit, že emisní limity dané normou Euro III budou dodrženy nejméně do ujetí 80 000 km (nově 120 000 km) nebo po dobu pěti let. Kontrolka emisí MIL je umístěna na přístrojové desce a její symbol je mezinárodně normován. Kontrolka se má vždy rozsvítit při zapnutí zapalování.

OBD III Ve stádiu vývoje je v současnosti další verze OBD a to Level III. Rozdíl oproti OBD II spočívá v integraci bezdrátového vysílače do vozidla, jehož úkolem je zprostředkovávat informace uložené v PID03, tedy paměti závad. v koncepci, kterou navrhla CARB, se radiově přenáší počet chybových kódů, jejich znění a dále VIN vozidla. Důvod proč vzniká OBD III je pouze ekonomický. v rozsáhlých studiích bylo zjištěno, že 75% vozidel v Kalifornii je emisně v toleranci a nedochází k rozsvícení kontrolky MIL. Stále nevyřešenou otázkou zůstává bezpečnost systému, neboť moderní systémy ve vozidlech jsou svázány i s daty GPS, které umožňuji lokalizaci vozidla, či snadnou přístupnost např. rychlosti vozu. (Čupera, 2005)

32

3.3.1. Základní funkce OBD II / EOBD 3.3.1.1. 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 se čtyři základní parametry:

Čas odezvy kyslíkové sondy. ECM sleduje dobu odezvy při přechodu z bohaté směsi na chudou a naopak na sondě před katalyzátorem. Čas odezvy signálu kyslíkové sondy v průběhu regulace. Rozšíření času odezvy o sledování dynamiky signálu během regulačního zásahu. Čas aktivace kyslíkové sondy. 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. 3.3.1.2. Adaptace

Kromě uvedených testů kyslíkových sond a katalyzátorů se dále provádějí korekce na okolní a časové vlivy (obr. 3.7.). 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. 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.

33

Obr. 3.7. – Příklad adaptace při netěsnosti sání (mezní stav z pohledu OBDII)

Mimo výše uvedené se dále sledují zkraty a přerušení vedení signálů lambda sondy, vyhřívání (vyhřívací proud) a vnitřní odpor.

3.3.1.3. 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. Regulační veličinou ventilu přepouštění je podtlak v sání (MAP) nebo

34

množství nasátého vzduchu (MAF) spolu s otáčkami motoru. Kontrola systému EGR se provádí buď vyhodnocením signálu MAP nebo MAF při deceleraci, případně měřením zdvihu ventilu EGR pomocí potenciometru nebo pomocí teplotního snímače integrovaného do vlastního ventilu. (Ždánský a kol., 2003) 3.3.1.4. 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. 3.3.1.5. 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. Obr. 3.8. ukazuje logický přístup řídicí jednotky při zjištění vynechávání zapalování. Je nutno upozornit, že toto sledování je kontinuální a je na něj kladena vysoká priorita.

35

Obr. 3.8. – Blokový diagram při zjištění výpadku 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 (obr. 3.9.).

Obr. 3.9. – Snímání úhlového zrychlení pro určení výpadku zapalování

36

Předchozí postup je založen na snímání rovnoměrnosti chodu motoru. v provozu ovšem dochází ke značnému rozptylu hodnot a to zejména vlivem torzních kmitů, např. od nerovného povrchu vozovky. Tento efekt lze odstranit buď snímáním rychlosti kol, resp. zrychlení pomocí snímače ABS či využitím senzorů zrychlení ESP, nebo je na data aplikován poměrně složitý statistický algoritmus k rozlišení výpadků zapalování od torzních kmitů přenesených od nerovností.

3.3.1.6. 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).

37

Tab. 3.2. – Rozdělení chybových kódů hnacího ústrojí podle jednotlivých systémů P0xxx P01xx P02xx P03xx P04xx P05xx P06xx P07xx P08xx P09xx P00xx P1xxx P11xx P12xx P13xx P14xx P15xx P16xx P17xx P18xx P19xx

Kódy nezávislé na výrobci (pod ISO/SAE) Odměřování vzduchu nebo paliva Odměřování vzduchu nebo paliva Systém zapalování, poruchy zapalování Přídavné zařízení pro snížení emisí Rychlost vozidla, nastavení volnoběhu a ostatní výstupní signály Palubní počítač a ostatní výstupní signály Převodovka Převodovka Volné pro ISO/SAE Volné pro ISO/SAE Kódy zadávané výrobcem (volně volitelné) Odměřování vzduchu nebo paliva Odměřování vzduchu nebo paliva Systém zapalování, poruchy zapalování Přídavné zařízení pro snížení emisí Rychlost vozidla, nastavení volnoběhu a ostatní výstupní signály Palubní počítač a ostatní výstupní signály Převodovka Převodovka Kategorie ISO/SAE

P20xx

Kategorie ISO/SAE

3.3.2. Komunikace Bezesporu největší rozdíly mezi generacemi palubní diagnostiky či mezi její americkou a evropskou specifikací je v komunikaci. Vzhledem k časové posloupnosti budou nejprve uvedeny normy „americké“ specifikace fyzické vrstvy protokolu pro OBD-II. Přehled fyzických zapojení protokolu OBD II je v tabulce 3.3. 3.3.2.1. 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 38

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. 3.3.2.2. 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 91412. 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.

3.3.3. Diagnostické rozhraní (DLC) Komunikační propojení mezi vedením palubní diagnostiky a testerem je zásuvka/zástrčka dle standardu SAE J1962 a její fyzické provedení je stejné pro všechny vozy OBDII/EOBD. Rozdíl je ovšem v zapojení komunikačních kanálů (obr. 3.10.).

Obr. 3.10. – Diagnostické rozhraní OBD II / EOBD

39

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.

3.3.3.1. Proprietální diagnostické protokoly výrobců Diagnostické protokoly vznikaly již před ustanovením OBD II jako standardu. Jak bylo zmíněno, první automobilkou, která integrovala komunikaci mezi řídicí jednotkou a diagnostickým přístrojem, byla společnost GM stojící za zrodem diagnostického protokolu ALDL (Assembly Line Diagnostic Link). Také ostatní automobilky začaly vyvíjet vlastní diagnostické protokoly, které mnohdy byly postaveny na fyzické vrstvě ISO 9141, ale aplikačně rozdílné (KW 1281 či KW82). Proto samozřejmě každý výrobce musel dodávat i vlastní diagnostické přístroje. OBD II tento neduh zčásti odstranilo. Ovšem jen kam až šahá jeho působnost, tedy pouze k systémům, které mohou ovlivňovat emise vozidla. Dnešní automobil je zcela ovládán elektronickými částmi a i ty podléhají diagnostice. Systémy ABS, ESP či komfortních komponent jsou stále diagnostikovatelné pomocí protokolů výrobců vozidel. Rozličnost jednotlivých protokolů nejspíše bude pokračovat i nadále, kdy výrobci přecházejí na vyšší úrovně komunikačních linek, např. CAN-BUS.

40

4. MATERIÁL a METODY Parametry řízení motorů tak, jak je koncipováno v této práci (viz obr. 4.1.), je založeno na nepřímé metodě, resp. jejich měření provádí systém řízení motoru, který je po žádosti přes sériovou linku diagnostické přípojky zprostředkovává do osobního počítače. K tomuto účelu jsem vyvinul software v programovém prostředí LabVIEW, který je však navrhován pro budoucí rozšíření i jiných měření (CAN-BUS, LIN aj.). Celý systém se pak skládá z hardwarové části – interpretu a vlastního software. Všechny zkoušky systému sběru dat z OBD II proběhly při rozličných režimech zatížení na válcovém dynamometru, přičemž vozidlo, které sloužilo jako objekt vývoje, bylo tuzemské provenience – Škoda Octavia 2.0.

Obr. 4.1. – Schéma systému sběru dat z palubní diagnostiky OBD II

41

Obr. 4.2. – Integrace OBD do zkušebny MZLU.

42

4.1 Hardwarové prostředky 4.1.1. Interpret OBD II K realizaci komunikace mezi OBD II a digitální linkou na straně PC je potřeba převodník, který konvertuje data v mezi oběma typy sběrnic. Ačkoliv jsou obě svým přenosem sériové, je nutno měnit úrovně ze sériové sběrnice PC na TTL pro OBD II. Tento způsob komunikace je možné u běžného PC uskutečnit dvěma způsoby: 1. USB sběrnicí 2. COM portem Ačkoliv první z nich je novější technologicky, byla použita druhá alternativa a to z důvodu snazšího programování a hlavně kvůli snadné dostupnosti sériových portů, které stále výrobci počítačů integrují na základní desky. Z pohledu přístupu na sběrnici OBD II je možné oddělit pouze úrovně RS-232/TTL a komunikovat s vozidlem pomocí celého příkazu podle normy SAE. Tento způsob je sice jednodušší z hlediska konstrukce převodníku, ale velmi pracný v programování aplikace na straně PC, kdy je nutné vysílat nejen hlavičky zprávy, ale hlavně sběrnici inicializovat a v definovaném čase budit. Druhým, v tomto projektu využitým, způsobem je zprostředkovávat data mikroprocesoru, který je naprogramován tak, aby sám obsahoval smyčku buzení sběrnice OBD II a dále znal konstrukci hlaviček zpráv pod normami ISO 9141, resp. ISO 14230. Tento obvod je dostupný a jeho komerční označení je ELM XXX, přičemž XXX je číselné označení fyzické vrstvy protokolu tak, jak je uvedeno v kapitole 2.3.1. Zapojení dle normy ISO nese název ELM 323. Konektivita převodníku je uskutečněna přes RS-232, tedy sériový port. Sériový port nabízí několik možností vlastní konfigurace. Interpret je ovšem koncipován na následující konfiguraci: Komunikační rychlost: 9,6 kbps Počet datových bitů: 8 Řízení toku: žádné Parita: bez Počet stop bitů: 1

43

Obr. 4.3. – Převodník OBD II/RS-232 včetně diagnostického konektoru

Obr. 4.4. – Postup inicializace sběrnice

44

4.2. Softwarové prostředky 4.2.1. Vývojové prostředí LabView

LabVIEW, v současné verzi 8.2.1, je programovací vývojové prostředí společnosti National Instruments. Patří do stejné kategorie prostředků programování jako prostředí C, resp. C++, Visual Basic, platformě .NET či podobně koncipované systémy vývoje aplikací. Prostředí LabVIEW se však od nich odlišuje v jednom zásadním směru. Ostatní programovací prostředky používají programovací jazyky vystavěné na základech textových příkazů, které pak jsou interpretovány jako zdrojový kód, LabVIEW však používá programovací jazyk G k vytváření programů ve formě blokových diagramů. Vývojové prostředí LabVIEW je dostupné pro operační systémy Microsoft Windows NT/2000/XP, Linux, Mac OS X a Sun Solaris. LabVIEW, stejně jako C nebo Basic, je programovací systém pro obecné použití s rozšiřujícími knihovnami funkcí pro jakoukoliv programovací úlohu. Prostředí LabVIEW obsahuje knihovny pro získávání dat, ovladače měřících přístrojů, prostředky pro analýzu dat, prezentaci dat a pro jejich uchovávání včetně podpory konceptu XML. Obsahuje též klasické programovací nástroje, kterými lze nastavit místa přerušení běhu programu breakpointy, animovat chod sledu příkazů, aby bylo zřejmé, jak data procházejí programem a krokovat program pro snazší odlaďování a vývoj.

45

4.2.2. Uživatelské rozhraní programu

Obr. 4.5. – Panel Inicializace

Na obrázku 4.5. je zobrazen základní panel celé aplikace. Zde je možné vybrat sériový port na kterém je připojen převodník a dále jej inicializovat. Bezprostředně po stisknutí tohoto tlačítka dojde k resetu mikroprocesoru uvnitř převodníku a nastavení parametrů echa. Pokud je vozidlo identifikováno jako OBD II kompatibilní, pak je vypsán i status sběrnice. Rozkladem datové odpovědi na příkaz 01 00hex jsou zjištěny podporované parametry podle SAE J1979 a následně vypsána i verze OBD II. Značí-li výpis parametrů, že jsou podporovány i další PIDy – poslední indikátor – je vhodné přejít do panelu Rozšířené parametry a zjistit, které jsou dostupné ze specifikace dle SAE J2190. Tlačítko Reset aplikace slouží k restartu aplikace, dostane-li se do smyčky vlivem vnějších okolností, např. nekorektním chováním operačního systému při přístupu na port apod.

46

Obr. 4.6. – Panel Statusu komponent

V přípravě zkoušek je nezbytně nutné provést výpis komponent, tzv. status. Jak plyne z obrázku 4.6. jedná se o dvě pole. První ukazuje status komponent, jejich podporu monitorování pod standardem OBD II, resp. ověření funkčnosti či proběhlého funkčního testu. Druhé pole je klíčové pro zkoušky výkonu. Z algoritmu řízení dávkování paliva plyne, že v průběhu normálního provozního režimu je smyčka lambda regulace uzavřena, ovšem při akceleraci, deceleraci a v režimu plného zatížení se smyčka otevírá. Sledování stavu je důležité před zkouškou i v průběhu zkoušky.

47

Obr. 4.7. – Panel DTC (diagnostických chybových kódů)

Jednou z rozhodujících podmínek k realizaci zkoušky výkonu je bezchybný stav řízení motoru. Obrázek 4.7. ukazuje panel DTC, tedy chybových kódů. Je vyčten počet chybových kódů a dále je přiřazen i popis závady včetně jejího označení podle standardu SAE J2012. Popis závad je uložen v čárkou odděleném textovém formátu s příponou *.csv a lze ho nalézt v adresáři Others. Při respektování oddělovače lze dopisovat další kódy, zejména pak chybové kódy výrobců. v základním provedení je popsáno 466 chybových kódů závad, ovšem celkový rozsah se zahrnutím kódů výrobce může být i několik tisíc.

48

Obr. 4.8. – Panel Lambda regulace

Na obrázku 4.8. se nachází obrazovka panelu Lambda regulace. Tento panel je výhodné využít při sledování polohy lambda regulace. v grafu je vynesena křivka napěťové charakteristiky lambda snímače. v další etapě vývoje bude provedena také korekce na teplotu snímače, jelikož ta výrazně ovlivňuje interpretaci napětí na hodnotu lambda. Indikátor také zobrazuje aktuální směšovací poměr. Je možné vybrat snímač a také druh paliva. v tab. 4.1. jsou uvedeny typy a hodnoty stechiometrického poměru. (www.motordiag.cz) Tab. 4.1. – Vlastnosti paliv ve výběru panelu Lambda regulace -1

Palivo

Stechiometrický poměr (kg.kg )

Benzín LPG (propan-butan) CNG (zemní plyn) Metanol Etanol

14,7 15,5 17,2 6,4 9

49

Obr. 4.9. – Panel Měření

Na obrázku 4.9. je zobrazen panel Měření. Ten je klíčovou částí celé aplikace. Jsou zde vyneseny číselné indikátory jednotlivých parametrů. Dají se libovolně zapínat i vypínat. v dolním rohu je umístěn ukazatel frekvence čtení, resp. času cyklu k přečtení všech předvolených parametrů. Z panelu měření je možné logovat do základního textového souboru nebo je možné data uchovávat v souboru *.xls pro další zpracování v tabulkovém procesoru Microsoft Excel či kompatibilním programu. Pod tlačítkem Panel ukazatelů (viz obrázek 4.10.) se skrývá také grafická podoba čtených parametrů. Pokud není příslušný parametr aktivován v panelu Měření, pak je i grafický indikátor neaktivní v panelu ukazatelů. Výběr parametrů v Panelu ukazatelů je zúžen na základní údaje, aby nedocházelo k matení uživatele velkým počtem údajů.

50

Obr. 4.10. – Grafické indikátory na Panelu ukazatelů

Obr. 4.11. – Panel Spotřeba paliva

Na obrázku 4.11. je znázorněn panel Spotřeba paliva. Nejedná se o čtení parametru spotřeby z OBD II, ale už o nástavbovou aplikaci nad rámec základní aplikace. Pouze 51

ve stručnosti lze říci, že je založena na znalosti obecně platných zákonitostí elektronicky řízené tvorby směsi. Je sledován parametr množství nasávaného vzduchu a dále krátkodobá a dlouhodobá korekce dávky paliva a z těchto údajů je vypočtena hodinová spotřeba. Pokud je zapnut i režim dráhové spotřeby, je vyčítána i rychlost vozidla k patřičnému výpočtu. Opět zde lze nalézt tlačítko pro výběr paliva, jehož charakteristika je shodná s údaji v tab. 4.4.

4.2.3. Testovací módy dle SAE J1979 SAE J1979 (Diagnostic Test Modes) udává 9 zkušebních modů, které jsou zcela nezávislé na použitém protokolu. Prvních pět modů jsou uzpůsobeny kontrole emisí, ostatní s ní víceméně souvisí. v tab. 4.2.3.1. jsou uvedeny testovací módy a jejich charakter.

Tab. 4.2. – Označení modů dle SAE J1979

MOD Popis 1

Aktuální hodnoty

2

Freeze Frame (provozní podmínky při vzniku závady)

3

Zapsané DTC

4

Výmaz DTC

5

Výsledky testů lambdasond (nejsou-li všechny Readiness)

6 7

Výsledky kontinuálních testů kontrolních systémů Výsledky přerušovaných testů kontrolních systémů sledování sporadických závad

8

Kontrolní modus (využívá výrobce)

9

Informace o vozidle (VIN, CIN, CVN)

52

Modus 1 Tento mod popisuje základní stav systému. Sleduje veškeré vstupní i výstupní signály a zejména připravenost systémů (Readiness-Code). Výsledné hodnocení je k dispozici teprve po skončení Readiness (cyklus podobný FTP)

Modus 2 Zde jsou uložena tzv. Freeze Frame, tedy podmínky při nichž nastala závada. Zápis podmínek se vztahuje na závadu s vyšší prioritou, přičemž je možné uložit z PID maximálně šest hodnot vztahujících se k povaze závady.

Modus 3 Pro systém OBD II byly specifikovány dva druhy paměti pro záznam DTC. v tomto modu se nacházejí kódy chyb, které od svého vzniku prokazatelně zhoršují emisní vlastnosti vozu. Dále jsou zde zapsány chyby z Modu 7, tedy sporadické. V každém případě dojde k rozsvícení MIL. Pokud vozidlo úspěšně absolvuje třikrát Readiness, pak kontrolka zhasne a po čtyřiceti cyklech dojde k automatickému vymazání závady z paměti.

Modus 4 V tomto modu lze provést výmaz DTC z jakéhokoliv systému Powertrain, tedy Modus 3, Freeze Frame (Modus 2), hodnoty zkoušek lambdasond (Modus 5).

Modus 5 Zde jsou uloženy data z poslední zkoušky lambdasond. Ukládají se prahová napětí, přechodové časy, maximální a minimální napětí. Mod 5 je využíván ke zrychlené kontrole emisí bez nutnosti dokončení Readiness.

Modus 6 Je vyhrazen výrobci.

Modus 7 V tomto Modu jsou uloženy nepotvrzené chybové stavy, které systém OBD II sleduje pro další vyhodnocení, zda-li se jedná o závadu – přesun do Modu 3, či se jedná o sporadickou závadu. 53

Modus 8 Je vyhrazen výrobci. Doporučuje se pro test akčních členů.

Modus 9 Slouží především k identifikaci vozidla (VIN-Vehicle Identification Number, CIN – Calibration Identification Number, CVN – Calibration Verification Number).

Další módy jsou dostupné ve standardu SAE J2190.

4.2.4. Zdrojové kódy programu pro parametry dle SAE J1979 V předchozí kapitole byly uvedeny testovací módy, které jsou dostupné ze specifikace SAE J1979. Jejich úloha již byla popsána, nicméně je nutné si říci, že pro zpřesnění analýzy výsledků měření jsou důležité jen údaje z módu 1. Pro přístup do tohoto módu se používá příkaz 01hex (pro mód 2 02hex atd.), což je první část příkazu pro interpret. Dále musí být odeslána cílová adresa, ze které bude očekávána odpověď. Tato část je taktéž součástí regulace SAE J1979. v tab. 4.3. je uveden výčet parametrů módu 1. Analogicky pak celý příkaz zní: 01 04hex pro příjem vypočtené hodnoty zatížení (v hexadecimálním tvaru). Jelikož by mohlo docházet k matení v případě, že by byl udáváno pouze číselné označení parametru, tedy 04, což by mohl být i příkaz pro výmaz DTC, bude dále udáván celý řetězec, který vede k zisku hodnoty tohoto parametru, a to ve tvaru 0104 (mód 01, parametr 04).

54

Tab. 4.3. – Popis PID dle SAE J1979

PID 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0A 0B 0C 0D 0E 0F 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 1A 1B 1C 1D 1E 1F 20

Popis Standardní PIDy, 01 - 20 MIL-Status, počet dostupných chybových kódů DTC s Freeze Frame Status vstřikování Vypočtená hodnota zatížení Teplota chladící kapaliny Krátkodobé adaptace paliva Bank 1 Dlouhodobé adaptace paliva Bank 1 Krátkodobé adaptace paliva Bank 2 Dlouhodobé adaptace paliva Bank 2 Tlak paliva Absolutní tlak v sacím potrubí Otáčky motoru Rychlost Předstih (předvstřik) Teplota nasávaného vzduchu Průtokový poměr MAF senzoru Poloha škrtící klapky Systém sekundárního vzduchu Uspořádání lambdasond Napětí na lambdasondě Bank 1, senzor 1 Krátkodobá adaptace paliva Bank 1, senzor 1 Napětí na lambdasondě Bank 1, senzor 2 Krátkodobá adaptace paliva Bank 1, senzor 2 Napětí na lambdasondě Bank 1, senzor 3 Krátkodobá adaptace paliva Bank 1, senzor 3 Napětí na lambdasondě Bank 1, senzor 4 Krátkodobá adaptace paliva Bank 1, senzor 4 Napětí na lambdasondě Bank 2, senzor 1 Krátkodobá adaptace paliva Bank 2, senzor 1 Napětí na lambdasondě Bank 2, senzor 2 Krátkodobá adaptace paliva Bank 2, senzor 2 Napětí na lambdasondě Bank 2, senzor 3 Krátkodobá adaptace paliva Bank 2, senzor 3 Napětí na lambdasondě Bank 2, senzor 4 Krátkodobá adaptace paliva Bank 2, senzor 4 OBD kompatibilita Umístění lambdasondy Statut nápovědy Power Take Off (PTO) Status Čas od startu Nadstandardní PIDy, 21 - 40

55

4.2.4.1. PID 0104hex – Vypočtené zatížení motoru Zatížení motoru je vypočítáváno z průtoku vzduchu sacím potrubím a pokud je dostupná hodnota nadmořské výšky, pak je na tuto veličinu korigována. Standard OBD II přímo nenařizuje užití průtokoměru vzduchu do motoru či snímání tlaku v sacím potrubí, ale ve většině případů z nich vychází. Výpočet zatížení je dle SAE J1979 dán: CLV =

CA AP ⋅ ⋅100 PA BP

[%]

(4.1.)

,kde: CLV– calculated load value – vypočtené zatížení motoru (%) CA – current airflow – momentální průtok vzduchu (g.s-1) PA – peak airflow – maximální průtok vzduchu při 100% otevření škrtící klapky vztažen na hladinu moře (g.s-1) AP – atmospheric pressure – atmosférický tlak vztažen na hladinu moře (kPa) BP – barometric pressure – standardní tlak (kPa) Revize 2002 SAE J1979 uvádí standardní podmínky a vztah koriguje teplotou okolního vzduchu. Kalkulovaná hodnota zatížení odpovídá procentu z maximálního momentu při daných otáčkách. u vznětových motorů je z důvodu kvalitativní regulace výkonu vztažena tato hodnota k průtoku paliva namísto vzduchu. Charakteristika PID 0104 je uvedena v tab. 4.4. Tab. 4.4. – vlastnosti PID0104 PID 0104

Délka 1 byte

Minimální hodnota 0%

Maximální hodnota 100%

Transformační funkce *100/255 %

4.2.4.2. PID 0105hex – Teplota chladící kapaliny V analytické práci po ukončení zkoušek je potřeba sledovat zejména podmínky měření. Jednou ze základních hodnot nad rámec veličin pro korekci výkonu je i teplota chladící kapaliny motoru. v tabulce 4.5. jsou uvedeny vlastnosti parametru PID0105. Tab. 4.5. – vlastnosti PID0105 PID 0105

Délka 1 byte

Minimální hodnota -40°C

Maximální hodnota Transformační funkce 215°C Rozlišení 1°C, offset 40°C

56

4.2.4.3. PID 0106hex – Krátkodobá korekce dávky paliva Krátkodobá korekce paliva je mechanismus obohacování směsi z provozních důvodů a v běžném provozu se mění neustále se změnou jízdního režimu a okolních podmínek. Její hodnota je udávána v procentech a značí přírůstek či úbytek dávkovaného paliva vůči základní dávce paliva. Vlastnosti PIDu0106 lze nalézt v tabulce 4.6. Tab. 4.6. – vlastnosti PID0106 PID 0106

Délka 1 byte

Minimální hodnota -100 %

Maximální hodnota 99,22 %

Transformační funkce *100/128-100

4.2.4.4. PID 0107hex – Dlouhodobá korekce dávky paliva Dlouhodobá korekce paliva reaguje na absolutní změny v řízení dávky paliva. Pokud krátkodobá korekce překročí své limity a řídící jednotka provedla dostupné funkční testy snímačů a aktuátorů kvůli zpětnovazební kontrole a nedále je potřeba ochudit či obohatit směs, pak se provede dlouhodobá korekce dávky paliva. Toto platí pouze do určitého limitu, kdy pak ECU reaguje rozsvícením kontrolky MIL na palubní desce, neboť v systému je vážná závada. Tabulka 4.7. reprezentuje vlastnosti parametru 0107.

Tab. 4.7. – vlastnosti PID0107 PID 0107

Délka 1 byte

Minimální hodnota -100 %

Maximální hodnota 99,22 %

Transformační funkce *100/128-100

4.2.4.5. PID 0108hex – Krátkodobá korekce dávky paliva – 2. pozice

U motorů s uspořádáním do V, resp. W, jsou separátně řízeny palivové rampy. Těmto pozicím se běžně říká Bank, bližší popis včetně schémat lze nalézt v kap. 4.2.4.15. Vlastnosti PIDu 0108 jsou uvedeny v tab. 4.8.

Tab. 4.8. – vlastnosti PID0108 PID 0108

Délka 1 byte

Minimální hodnota -100 %

Maximální hodnota 99,22 %

57

Transformační funkce *100/128-100

4.2.4.6. PID 0109hex – Dlouhodobá korekce dávky paliva – 2. pozice Pro parametr 0109 platí stejné vlastnosti jako jsou uvedeny v předchozích kapitolách. Charakteristika PIDu 0109 je uvedena v tabulce 4.9. Tab. 4.9. – vlastnosti PID0109 PID 0109

Délka 1 byte

Minimální hodnota -100 %

Maximální hodnota 99,22 %

Transformační funkce *100/128-100

4.2.4.7. PID 010Ahex – Tlak paliva Tlak paliva hraje výraznou roli pro konečné složení směsi paliva a vzduchu zážehového motoru. Je třeba si uvědomit, že změna tlaku se promítá tím způsobem, že základní dávka paliva je dána dobou otevření vstřikovacího ventilu. Korekce se provádí zejména zpětnovazební regulací. Jakákoliv odchylka systémového tlaku paliva je nejprve korigována krátkodobou korekcí dávky paliva, dále dlouhodobou korekcí a nebude-li možné dosáhnout požadované hodnoty lambda, bude oznámen chybový stav. Toto je sledováno zejména v oblasti bohaté směsi, ale z hlediska principu je možné spíše očekávat snížení systémového tlaku, kdy naopak dochází k ochuzení směsi. Vliv chudé směsi na tvorbu CHx je dobře znám a vysoká hodnota v oblasti výrazně bohaté či výrazně chudé směsi je téměř totožná. Charakteristika parametru 0109 je uvedena v tabulce 4.10. Tab. 4.10. – vlastnosti PID0109 PID 010A

Délka 1 byte

Minimální hodnota 0 kPa

Maximální hodnota 765 kPa

Transformační funkce *3

4.2.4.8. PID 010Bhex – Absolutní tlak v sacím (plnícím) potrubí

Znalost absolutního tlaku v sacím či plnícím potrubí je nutná pro korekci dávky paliva na změnu nadmořské výšky. v průběhu zkoušek různých výrobců vozidel bylo zjištěno, že výklady pojmu absolutní tlak jsou rozličné. Zejména u přeplňovaných motorů dochází často k matení, neboť je místo absolutního tlaku zobrazován přetlak v plnícím potrubí vůči atmosférickému tlaku. Vlastnosti PIDu 010B jsou uvedeny v tabulce 4.11. 58

Tab. 4.11. – vlastnosti PID010B PID 010B

Délka 1 byte

Minimální hodnota 0 kPa

Maximální hodnota 255 kPa

Transformační funkce *1

4.2.4.9. PID 010Chex – Otáčky motoru Otáčky motoru jsou zcela jistě základním parametrem. Je také jedním z parametrů, který je interpretován v 16 bitovém rozlišení. v integrované podobě systému zkoušek na válcovém dynamometru může spolehlivě nahradit původní metody měření otáček motoru. Vlastnosti tohoto parametru jsou uvedeny v tab. 4.12. Tab. 4.12. – vlastnosti PID010C PID 010C

Délka 2 byte

Minimální hodnota -1 0 ot.min

Maximální hodnota -1 16 383,75 ot.min

Transformační funkce *0,25

4.2.4.10. PID 010Dhex – Rychlost vozidla Parametr 010D udává rychlost vozidla s rozlišením 1 km.h-1. Tento PID je použit k výpočtu dráhové spotřeby aplikace Spotřeba paliva. Vlastnosti parametru lze nalézt v tab. 4.13. Tab. 4.13. – vlastnosti PID010D PID 010D

Délka 1 byte

Minimální hodnota -1 0 km.h

Maximální hodnota -1 255 km.h

Transformační funkce *1

4.2.4.11. PID 010Ehex – Předstih zážehu 1. válce Předstih zážehu je vztažen k prvnímu válci a v následné analýze výsledku měření i klíčový parametr. Parametr 010E je zcela jistě nejjednodušším způsobem, jak zjistit hodnotu předstihu zážehu. Zejména dnes, kdy jsou prvky zapalování integrovány do zapalovacích lišt. Charakteristika PIDu010E je uvedena v tabulce 4.14. Tab. 4.14. – vlastnosti PID010E PID 010E

Délka 1 byte

Minimální hodnota - 64 °p řed HÚ

Maximální hodnota +63,5 °p řed HÚ

59

Transformační funkce *0,5-64

4.2.4.12. PID 010Fhex – Teplota nasávaného vzduchu

Závislost teploty nasávaného vzduchu na schopnost plnění, resp. efektivní výkon motoru je obecně známa. Standardizace podmínek měření je založena také na sledování nasávaného vzduchu motorem. Parametr 010F umožňuje číst teplotu nasávaného vzduchu s rozlišením 1°C, jak je vidět z tab. 4.15. Tab. 4.15. – vlastnosti PID010F PID 010F

Délka 1 byte

Minimální hodnota -40 °C

Maximální hodnota 215 °C

Transformační funkce *1-40

4.2.4.13. PID 0110hex – Množství nasávaného vzduchu

Množství nasávaného vzduchu je základní řídící veličinou pro stanovení odpovídající dávky paliva. Z hlediska důležitosti je pak také uzpůsobena charakteristika tohoto parametru – viz tab. 4.16.. Je interpretován v 16 bitovém rozlišení v kroku 0,01 g.s-1. Všechny aplikační nástavby tak, jak jsou uvedeny v kap. 5, jsou založeny na tomto parametru. Diagram zdrojového kódů je ukázán na obr. 4.16. Tab. 4.16. – vlastnosti PID0110 PID 0110

Délka 2 byte

Minimální hodnota -1 0 g.s

Maximální hodnota -1 655,35 g.s

Transformační funkce *0,01

4.2.4.14. PID 0111hex – Absolutní poloha škrtící klapky Poloha škrtící klapky je důležitý parametr, které je užíván zejména při měření úplných charakteristik. Je interpretován percentuálně jako podíl aktuálního úhlu otevření škrtící klapky k maximálnímu možnému. Vlastnosti tohoto parametru jsou uvedeny v tab. 4.17.

Tab. 4.17. – vlastnosti PID0111 PID 0111

Délka 1 byte

Minimální hodnota 0%

Maximální hodnota 100 %

60

Transformační funkce *100/255 %

4.2.4.15. PID 0113hex – Pozice kyslíkové sondy Ačkoliv parametr 0113 není přímo zobrazen na panelu Měření, je nutné vyčíst pozici umístění lambdasondy. Její poloha je bitově kódována podle schématu:

10000000 01000000 00100000 00010000 00001000 00000100 00000010 00000001

Bank 1, senzor 1 Bank 1, senzor 2 Bank 1, senzor 3 Bank 1, senzor 4 Bank 2, senzor 1 Bank 2, senzor 2 Bank 2, senzor 3 Bank 2, senzor 4

Jelikož neexistuje ekvivalentní český pojem pro anglické slovo Bank, je udáváno souhlasně s anglickou verzí. Na obrázku 4.12. je ukázáno schéma lokalizace kyslíkové sondy ve výfukovém traktu.

Obr. 4.12. – Lokalizace polohy kyslíkové sondy

61

4.2.5. Ostatní parametry Jelikož od vzniku standardu SAE J1979 uběhla poměrně dlouhá doba, bylo nutné odstranit některé nešvary, které tato nemohla postihnout z důvodu neznalosti budoucích technologií. Zejména v oblasti snímačů došlo k zásadním změnám, a proto byl standard SAE J1979 aktualizován, resp. došlo k zavedení SAE J2190, kde je mimo uvedení nových testovacích módů, také zvýšen počet dostupných parametrů. 4.2.6. Chybový stav vozidla Nezbytnou částí přípravy vozidla k výkonovým zkouškám je diagnostika řízení motoru. Vozidlo, které má být podrobeno zkoušce, v žádném případě nesmí vykazovat chybový stav, který aktivoval kontrolku MIL. Obecně však platí, že každé vozidlo, byť bez OBD II, by mělo být podrobeno sériové diagnostice před vlastním zkoušením. Kontrola a výčet chybových stavů včetně popisu je možný z panelu DTC. Jak bylo popsáno v kap. 3.3.1.6., závazné chybové kódy jsou typu P (Powertrain). Standard SAE J1979 využívá osmi bitů k reprezentaci chybového stavu vozidla.

62

5. VÝSLEDKY a DISKUSE Vzhledem k povaze diplomové práce je třeba hodnotit výsledky na praktických ukázkách z měření na válcovém dynamometru. K praktickým zkouškám byl využit osobní automobil Škoda Octavia 2.0 se čtyřválcovým zážehovým motorem – viz obr. 5.1. Škoda Fábie 1.4 MPi – 50kW viz obr. 5.5.. Oba vozy jsou vybaveny OBD II, resp. evropskou podobou EOBD. Výkon byl měřen na válcovém dynamometru BR4VDM na Ústavu techniky a automobilové dopravy, který umožňuje měřit výkon 240 kW na nápravu při rychlosti až 200 km.h-1. Dále jsou uvedeny konkrétní případy výkonových zkoušek, kde zásadní roli v analytické činnosti sehrály datové výstupy palubní diagnostiky OBD II.

5.1. Využití parametrů palubní diagnostiky v praktických ukázkách V následujících kapitolách budou prezentovány vybrané praktické ukázky, kdy klíčovou roli při analýze výsledků měření sehrála palubní diagnostika. 5.1.1. Vliv polohy škrtící klapky parametry na parametry motoru U této zkoušky bylo použito již zmíněné vozidlo střední třídy Škoda Octavie 2.0 (obr. 5.1.) s automatickou převodovkou, která tu sehrála ne úplně optimální roli.

Obr. 5.1. – Škoda Octavia 2.0 na vozidlovém dynamometru BR4VDM

63

Nejprve jsme zahřáli olej motoru na požadovanou teplotu 90°C, přičemž se zahřála zkušebna na provozní teplotu. Dále přichází zjištění pasivních ztrát automobilu, čímž se myslí, jakou sílu musí vyvíjet zkušebna na udržení určité rychlosti automobilu. Měření probíhalo na třetí rychlostní stupeň, který nebyl tak snadný udržet v určitých otáčkách motoru jelikož automatická převodovka se snažila řadit dle svého naprogramování. Pomocí diagnostického protokolu byla kontrolována poloha otevření škrtící klapky vzduchu

a to nejprve na 100% dále 70%, 50%,30%, 40% a nakonec na 75%. Cílem

této zkoušky bylo vyhodnotit změny parametrů jakou jsou točivý moment [N] (obr. 5.2.), výkon motoru [kW] (obr.5.3.), Lambda (obr. 5.4.) atd. v závislosti na určitých otáček motoru v rozpětí 2800 až 6300 ot.min-1 při dané poloze škrtící klapky.

Vliv točivého momentu na otáčkách motoru při určité poloze škrtící klapky 150,0

Točivý moment [N.m]

125,0 100,0 75,0

100% 70% 50% 30% 40% 75%

50,0 25,0 0,0 2800 3300 3800 4300 4800 5300 5800 6300 Otáčky motoru [1/min]

Obr. 5.2. – Točivý moment motoru Škoda Octavie 2.0 Z grafu lze vyčíst závislost Mt na otáčkách motoru při různém nastavení škrtící

klapky. Maximální hodnoty kroutícího momentu se u všech křivek nacházejí v jiných hodnotách otáček motoru s klesající tendencí. Tento graf ukazuje jednu zajímavou skutečnost. Křivka u otevření klapky na 75% nabývá větších hodnot jak otevření na 100% v rozmezí 3300-5500 min-1. Z čehož plyne že kroutící moment je větší při 75% otevření škrtí. klapky než u 100% otevření klapky.

64

Vliv výkonu motoru na otáčkách motoru při určité poloze škrtící klapky 80,0

Výkon motoru [kW]

70,0 60,0 50,0 40,0

100% 70% 50% 30% 40% 75%

30,0 20,0 10,0 0,0 2800 3300 3800 4300 4800 5300 5800 6300 Otáčky motoru [1/min]

Obr. 5.3. – Výkon motoru Škoda Octavie 2.0 Výkony motoru na obrázku 5.3. nabývají nejvyšších hodnot mezi 4000-5580 min-1.

Jako na předešlém obrázku se i tady vyskytuje skutečnost že výkon motoru je vyšší za otevření škrtící klapky na 75% jak na 100%.

Lambda

Vliv lambdy na otáčkách motoru při určité poloze škrtící klapky

1,20 1,15 1,10 1,05 1,00 0,95 0,90 0,85 0,80 0,75 0,70 0,65 0,60 2800 3300 3800 4300 4800 5300 5800 6300

100% 70% 50% 30% 40% 75%

Otáčky motoru [1/min]

Obr. 5.4. – Průběh součinitele Lambda motoru Škoda Octavie 2.0

65

5.1.2. Vliv oktanového čísla na výkonové vlastnosti motoru

Cílem zkoušky bylo zhodnotit vliv používaného paliva na technické parametry vozidla. Je třeba upozornit, že výsledky se vztahují na konkrétní vozidlo, resp. výsledky platí pro danou konstrukci motoru. v tomto případě byla vybrána Škoda Fabia s motorem 1.4 MPi – 50kW (viz obr. 5.5.). Motor Fabie vychází z původní škodovácké koncepce třikrát uložené klikové hřídele a řízení motoru je přenecháno systému Simos 3PB. Kompresní poměr motoru je 10:1, což je poměrně vysoká hodnota. Důležitým hlediskem očekávání změny výkonových parametrů je sledování detonačního spalování snímačem klepání. Pokud se jedná o starší vozidlo bez této regulace na hranici klepání, tak nelze očekávat jakékoliv postřehnutelné zvýšení výkonu. Naproti tomu lze u adaptabilního systému řízení motoru předpokládat významný posun hodnot předstihu zážehu a tím i pokles či růst výkonu oběma směry podle aktuálních podmínek hoření ve spalovacím prostoru. a jednou z podmínek může být i oktanové číslo benzínu.

Obr. 5.5. – Škoda Fabia na vozidlové zkušebně MZLU v Brně

Celý experiment se prováděl v laboratořích Ústavu techniky a automobilové dopravy. Metoda spočívala v měření výkonu na válcovém dynamometru při vnější otáčkové charakteristice a při současném logování parametru předstihu zážehu, jakožto prvotního ukazatele, který svojí změnou reaguje na výskyt detonačního spalování. Normovaným palivem Škody Fabie je Natural 95 a výrobce v dokumentaci uvádí pokles výkonu při spalování Naturalu 91. Proto také výběr zkoušených paliv se soustředil na benziny s oktanovým číslem 91, dále 95 a 100. Postup byl zvolen 66

s ohledem na „kontaminaci“ paliva palivem s jiným oktanovým číslem a po jednotlivých vzorcích byla vždy nádrž otevřena v místě palivového čerpadla a odsáta. Po této proceduře byla naplněna částí vzorku a proveden „falešný“ test, aby bylo eliminováno zkreslení mísením zbytků paliva ve vedení a palivové rampě. Teprve poté bylo do nádrže čerpáno zkoušené palivo. Testy proběhly třikrát na každý typ benzínu a byly taktéž statisticky vyhodnoceny.

Vliv oktanového čísla na výkon motoru Výkon motoru kor. [kW]

50 45 40 35 30 25 20 15 10 Natural_91 Natural_95

5

BA_oč.100 0 0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

5000

5500

6000

Otáčky [min -1]

Obr. 5.6. – Výkon motoru Škoda Fabia 1.4

Z obr. 5.6. je patrné, že v celém rozsahu otáček nedošlo k výrazným změnám ve výkonu, pouze v oblasti mezi 2500 min-1 a 3000 ot.min-1 je vidět malý posun benzínu s oč. 95 a 100. Z grafu je také zřejmé, že byl naměřen nižší výkon nežli je výrobcem deklarován (50 kW při 5000 ot.min-1). Tato skutečnost je dána tepelným zatížením a snížením účinnosti plnění válce s poklesem hustoty vzduchu nasávaného motorem. K tomuto negativnímu jevu dochází i přesto, že automobil byl chlazen dvěma náporovými ventilátory o celkovém příkonu cca 10 kW. Také nutno brát v potaz, že automobil byl již provozován více než 54 tis. km, což se může odrazit ve výsledku zkoušky.

67

Točivý moment motoru kor. [Nm]

Vliv okta nové ho čísla na točivý m om e nt m otoru 120 110 100 90 80 70 60 50 40 30 20

Natural_91 Natural_95

10

BA_oč.100 0 0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

5000

5500

6000

Otá čky [min -1]

Obr. 5.7. – Točivý moment motoru Škoda Fabia 1.4

Průběh točivého momentu – viz obr. 5.7. – vykazuje rozdíl v oblasti otáček 2700 ot.min-1. Natural 91 nedosahuje maximálních hodnot jako Natural 95 či palivo s oktanovým číslem 100. v materiálech výrobce udává maximální hodnotu točivého momentu 120 Nm při 2500 ot.min-1. Tato hodnota nebyla dosažena ze stejného důvodu, jako bylo uvedeno v komentáři výkonu motoru.

Předstih zážehu [°p řed HÚ]

Vliv okta nové ho čísla na pře dstih zá že hu -30,00

-25,00

-20,00

-15,00

-10,00

Natural_91 Natural_95

-5,00

BA_oč.100 0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

5000

5500

6000

0,00 Otá čky [min -1]

Obr. 5.8. – Předstih zážehu motoru Škoda Fabia 1.4

68

Snižování předstihu zážehu je vnějším projevem řídicí jednotky, z kterého lze usuzovat na vznik detonačního hoření. a jak je vidět na obr. 5.8., tak k tomuto regulačnímu zásahu došlo v nižším rozsahu otáček u Naturalu 91. Toto palivo má nižší odolnost proti detonačnímu spalování a výsledky měření korespondují s poklesem točivého momentu, resp. výkonu motoru zejména v oblasti maximálního točivého momentu. Škoda, že adaptace předstihu nepokryla také paliva s vyšším oktanovým číslem a výsledky Naturalu 95 a benzínu s oč. 100 jsou totožné.

Emise CO [%]

Vliv okta nové ho čísla na em ise CO 5,0 4,5 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 Natural_91 Natural_95

0,5

BA_oč.100 0,0 0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

5000

5500

6000

Otáčky [min -1]

Obr. 5.9. – Průběh emise CO motoru Škoda Fabia 1.4

Velkým překvapením je průběh emise CO – viz obr. 5.9. Na první pohled je patrný pokles oxidu uhelnatého se vzrůstem oktanového čísla a rozdíl mezi Naturalem 91 a benzínem s oktanovým číslem 100 je více než markantní. Ke značnému poklesu došlo v oblasti maximálního točivého momentu, kde jsou soustředěny všechny síly konstruktérů

motorů

k minimalizaci

škodlivin

v exhalátech.

Lze

říci,

že

u vysokooktanového benzínu je použito odlišných aditiv, které se podílí na oxidačních reakcích. Dochází-li k nim přímo ve spalovacím prostoru či při katalýze by byla spekulace, ale výsledek lze hodnotit jenom kladně.

69

Lambda [-]

Vliv okta nové ho čísla na součinite l la mbda 1,00

0,95

0,90

0,85

0,80

0,75

Natural_91 Natural_95 BA_oč.100

0,70 0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

5000

5500

6000

Otá čky [min -1]

Obr. 5.10. – Průběh součinitele přebytku vzduchu lambda motoru Škoda Fabia 1.4

Součinitel přebytku vzduchu – průběh na obr. 5.10. – je svázán s předchozím grafem emise CO. Jeho hodnota je vypočtena z konečného složení spalin za katalyzátorem z Brettschneiderova vzorce bez respektování emisí NOx. Provedený test se nesnažil jakkoliv komplexně posuzovat paliva, ale smyslem bylo srovnání výkonových parametrů při změně paliva a jeho oktanového čísla v provozních podmínkách automobilu Škoda Fabia 1.4. Klíčovou roli v analýze výsledků sehrála palubní diagnostika. Parametr předstihu zážehu jasně deklaroval vznik detonačního spalování u Naturalu 91 v oblasti maximálního točivého momentu. Uvedený automobil nevykazoval žádné výrazné rozdíly výkonu při spalování paliv s různým oktanovým číslem (91, 95, 100). Analýza spalin prokázala, že u hoření paliva s oktanovým číslem 100 došlo k výraznému poklesu CO ve spalinách. Je to velmi příjemné zjištění, protože každé snížení toxických či karcinogenních látek zmenšuje rizika pro populaci i další generace. 5.2.2. Úplné charakteristiky datových výstupů vnitřní diagnostiky

Palubní diagnostiky lze s výhodou použít také pro sestavení úplných charakteristik. Mimo známých parametrů, jako je měrná spotřeba paliva či emise výfukových plynů zanesených v souřadnicích položených z prostoru do dvourozměrné plochy, je možné

70

také zakreslit například průběh objemové účinnosti – viz obr. 5.11. nebo pole předstihu zážehu, jak je vidět z obr. 5.12.

Točivý moment [Nm]

Průběh objemové účinnosti motoru AQY (2.0 8V 85 kW) 150 145 140 135 130 125 120 115 110 105 100 95 90 85 80 75 70 65 60 55 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 3000

90% 85% 80% 75 % 70% 65 % 60 % 55 % 50 %

3500

4000

4500

5000

5500

6000

6500 -1

Otáčky [min ]

Obr. 5.11. – Úplná charakteristika objemové účinnosti motoru Škoda Octavia 2.0

V grafu na obrázku 5.11. je znázorněn průběh objemové účinnosti. Tato je vypočtena ze znalosti množství nasávaného vzduchu motorem díky parametru PID 0110. Je-li znám zdvihový objem, pak se jedná o velmi jednoduchou úlohu. Průběh objemové účinnosti je překvapivý, neboť dosahuje vysoké hodnoty i ve vyšších otáčkách. Tento fakt ovšem plně koresponduje s plochou křivkou točivého momentu.

71

To čivý moment [N m]

Průběh předstihu zážehu ve °p řed HÚ motoru AQY (2.0 8V 85 kW) 150 145 140 135 130 125 120 115 110 105 100 95 90 85 80 75 70 65 60 55 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 3000

15°

20°

10°

25°

30° 35° 40°

3500

4000

4500

5000

5500

6000

6500 -1

Otáčky [min ]

Obr. 5.12. – Úplná charakteristika předstihu zážehu motoru Škoda Octavia 2.0

72

6. ZÁVĚR Zkoušení spalovacích motorů je neodmyslitelnou částí vývoje a výzkumu v této oblasti. Progresivní zavádění nových technologií do řízení motoru vyžaduje nové postupy v provádění zkoušek dle platných regulací. Je nutno dodržovat podmínky zkoušek a zároveň respektovat požadavky elektronických systémů řízení motoru. Hlavní pozornost je soustředěna na zpřesnění měření, resp. následné analýzy výsledků měření výkonových parametrů díky ukazatelům, které nesou důležité veličiny ovlivňující celkový výsledek zkoušky. Ve své podstatě se nejedná o přímou metodu měření těchto parametrů, což ani mnohdy bez využití složitých metod či nástrojů nelze, ale využívá vlastních systémů řízení motoru. Tyto parametry jsou charakterem vstupní (otáčky, množství nasávaného vzduchu či podtlak v sacím potrubí, poloha akcelerátoru, teplota motoru, teplota nasávaného vzduchu) ale i výstupní (předstih zážehu nebo adaptace dávky paliva). 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. Nadto jsou tyto hodnoty 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 této diplomové práce. Zpřístupnit vstupní i výstupní parametry řízení motoru při měření výkonu a dále sledovat bezchybný stav vozidla z pohledu pohonného ústrojí. 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. Díky přijetí OBD II jako standardu palubní diagnostiky jsou tyto údaje dostupné dnes pro všechna nová vozidla. Výběr metody, který by dokázal zpřesnit analýzu výsledků měření, se zúžil pouze na několik málo použitelných principů. Jedním z nich je i využít palubní diagnostiky jako zprostředkovatele dat pro analýzu výsledků měření. Značná pozornost byla věnována nejen funkčnosti aplikace, která tato data předává do PC uživateli, ale také jednoduchosti implementace programu jako modulu do software měření a řízení válcového dynamometru Ústavu techniky a automobilové dopravy MZLU v Brně. Toho bylo dosaženo použitím stejného vývojového prostředí, a to produktu LabVIEW společnosti National Instruments.

73

7. SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY 1. BEROUN, S. A KOL.:

Vliv seřízení motoru a druhu paliva na parametry

pracovního oběhu, MOTORSYMPO 01, ČVUT v Praze, ÚVMV Praha, VCJB Praha, 2001, pp.9 (143-151), ISBN 80-01-02382-6 2. ČUPERA JIŘÍ.: DISERTAČNÍ PRÁCE – Palubní dianostika, MZLU v Brně. 164 s.HLAVŇA, V. A KOL.: Dopravný prostriedok – jeho motor, Žilinská univerzita, 2000, 442 s., ISBN 80-7100-665-3 3. HLAVŇA, V. A KOL.: Dopravný prostriedok – jeho motor, Žilinská univerzita, 2000, 442 s., ISBN 80-7100-665-3 4. ONDRÁČEK, J.: Mobilní energetické prostředky i (Návody do cvičení), VŠZ v Brně, 1989 5. ONDRÁČEK, J.: Zařízení a měřící technika pro zkoušení motorů, VŠZ v Brně, 1981 6. 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 7. ŠTERBA, P.: Elektrotechnika a elektronika automobilů, 1.vyd. Brno: Computer Press, 2004. 182s. ISBN 80-251-0211-4 8. VLK, F.: Dynamika motorových vozidel, Nakladatelství Vlk v Brně, 2001, ISBN 80-238-5273-6 9. ŽDÁNSKÝ a KOL. :Elektrotechnika. Motorových vozidel. BRNO : Avid s.r.o., 2003. 153 s. ISBN 17903/2002-23. 10. http://www.motordiag.cz/motordiag/motordiag/uvod/ 11. http://www.auto-mobil.cz/Images/clanky/5_05_Autodiagnostika.pdf 12. http://www.bosch.cz/press/detail 13. http://www.af.mendelu.cz/technika. Nepublikované materiály z výkonových zkoušek na válcovém dynamometru ÚT a AD MZLU v Brně.

74

8. SEZNAM OBRÁZKŮ Obr. 3.1. – Úplná charakteristika měrné spotřeby vozu Škoda Octavia 1.9 TDi ...........16 Obr. 3.2. – Schéma spojení měničů v regulaci jízdy po vozovce ...................................24 Obr. 3.3. – Základní schéma ECU ..................................................................................28 Obr. 3.4. – Schéma monitorovaných komponent systémem OBDII ..............................29 Obr. 3.5. – Hlavní rysy OBD I........................................................................................30 Obr. 3.6. – Hlavní rysy OBD II ......................................................................................31 Obr. 3.7. – Příklad adaptace při netěsnosti sání (mezní stav z pohledu OBDII) ...........34 Obr. 3.8. – Blokový diagram při zjištění výpadku zapalování .......................................36 Obr. 3.9. – Snímání úhlového zrychlení pro určení výpadku zapalování.......................36 Obr. 4.1. – Schéma systému sběru dat z palubní diagnostiky OBD II ...........................41 Obr. 4.2. – Integrace OBD do zkušebny MZLU. ..........................................................42 Obr. 4.3. – Převodník OBD II/RS-232 včetně diagnostického konektoru .....................44 Obr. 4.4. – Postup inicializace sběrnice..........................................................................44 Obr. 4.5. – Panel Inicializace..........................................................................................46 Obr. 4.6. – Panel Statusu komponent..............................................................................47 Obr. 4.7. – Panel DTC (diagnostických chybových kódů).............................................48 Obr. 4.8. – Panel Lambda regulace.................................................................................49 Obr. 4.9. – Panel Měření.................................................................................................50 Obr. 4.10. – Grafické indikátory na Panelu ukazatelů....................................................51 Obr. 4.11. – Panel Spotřeba paliva .................................................................................51 Obr. 4.12. – Lokalizace polohy kyslíkové sondy ...........................................................61 Obr. 5.1. – Škoda Octavia 2.0 na vozidlovém dynamometru BR4VDM .......................63 Obr. 5.2. – Točivý moment motoru Škoda Octavie 2.0..................................................64 Obr. 5.3. – Výkon motoru Škoda Octavie 2.0 ................................................................65 Obr. 5.4. – Průběh součinitele Lambda motoru Škoda Octavie 2.0 ...............................65 Obr. 5.5. – Škoda Fabia na vozidlové zkušebně MZLU v Brně.....................................66 Obr. 5.6. – Výkon motoru Škoda Fabia 1.4 ....................................................................67 Obr. 5.7. – Točivý moment motoru Škoda Fabia 1.4 .....................................................68 Obr. 5.10. – Průběh součinitele přebytku vzduchu lambda motoru Škoda Fabia 1.4....70 Obr. 5.11. – Úplná charakteristika objemové účinnosti motoru Škoda Octavia 2.0 ......71 Obr. 5.12. – Úplná charakteristika předstihu zážehu motoru Škoda Octavia 2.0 ...........72

75

9. SEZNAM TABULEK Tab. 3.1. – Základní mechanické vlastnosti dynamometru 4VDM E120-D .................. 27 Tab. 3.2. – Rozdělení chybových kódů hnacího ústrojí podle jednotlivých systémů..... 38 Tab. 4.1. – Vlastnosti paliv ve výběru panelu Lambda regulace.................................... 49 Tab. 4.2. – Označení modů dle SAE J1979 .................................................................... 52 Tab. 4.3. – Popis PID dle SAE J1979............................................................................. 55 Tab. 4.4. – vlastnosti PID0104 ....................................................................................... 56 Tab. 4.5. – vlastnosti PID0105 ....................................................................................... 56 Tab. 4.6. – vlastnosti PID0106 ....................................................................................... 57 Tab. 4.7. – vlastnosti PID0107 ....................................................................................... 57 Tab. 4.8. – vlastnosti PID0108 ....................................................................................... 57 Tab. 4.9. – vlastnosti PID0109 ....................................................................................... 58 Tab. 4.10. – vlastnosti PID0109 ..................................................................................... 58 Tab. 4.11. – vlastnosti PID010B..................................................................................... 59 Tab. 4.12. – vlastnosti PID010C..................................................................................... 59 Tab. 4.13. – vlastnosti PID010D..................................................................................... 59 Tab. 4.14. – vlastnosti PID010E ..................................................................................... 59 Tab. 4.15. – vlastnosti PID010F ..................................................................................... 60 Tab. 4.16. – vlastnosti PID0110 ..................................................................................... 60 Tab. 4.17. – vlastnosti PID0111 ..................................................................................... 60

76

10. PŘÍLOHY

77