Översikt. What is Euro 6? Euro 6 is the latest diesel engine. by the European Commission.

Transkript

1 Diagnos i fordon, OBDII, och generell metodologi Översikt What is Euro 6? Varför diagnos i fordon? Erik Frisk Fordonssystem Institutionen för systemteknik Linköpings universitet 6 november, 4 Lagkrav ställer hårdare och hårdare krav. Ursprungligen or NOx, från and Particulate Matter (PM Kalifornien (CARB) OBD (988)/OBD-II (994) men- basically nu även i soot particle) as being resten av USA/Europa. harmful, and which needed to be Även för lastbilar (5 basic Euro 4, 6 Euro 4, 8 Euro 5, 4 Euro 6) controlled and reduced. illgänglighet, reparerbarhet, mekanikerstöd Stor andel av utsläpp från bilar sker från bilar med felaktiga As a result, over the past years, komponenter i emissionskontrollen (mer än 5% av emissionerna). European engine makers have invested Feltolerant reglering heavily in developing new technology Vad krävs? which has seen the levels of NOx and Diagnos i bilar Introduktion och OBDII Euro 6 is the latest diesel engine Such has been the response of the Katalysator och λ-sensorer emission legislations being driven Purge-systemmanufacturers to the challenge of by the European Commission. Misständning reducing exhaust emissions that the Since 993, when the very first Euro Modellbaserad Euro diagnos 6 diesel engine is cleaner than legislation was introduced for trucks and buses, the European Commission has regulated the amount of pollutants coming out of the tail-pipe of a diesel engine. In particular, the Commission identified two key constituents within the exhaust stream Oxides of Nitrogen Alla komponenter som kan påverka emissioner måste PM diagnostiseras. (as well as other elements such as Euro 6 senaste europeiska lagstiftningen för dieselemissioner ill exempel, i bränslesystemet måste ett hål med.5unburnt mm diameter hydrocarbons) in the exhaust Nya of testprocedurer he arrival of Euro 6 also sees the detekteras (från i OBD-II) Striktare regler all new diesel-engine trucks and buses adoption för OBD, of a speciellt new test för procedure efterbehandlingssystemet for 3 falling dramatically, with a consequent Vad är Euro 6? air coming out of the tail-pipe of a ever before, with permitted NOx levels reduced by 75% compared with the current Euro 5 standard. And thanks to changes governing the way particulates have to be measured, the reduction in PM is closer to 99%! certifying the new generation of low- 4

2 Certifieringscykler och verkligheten European Federation for transport and Environment (6) In fact, NOx emissions have not seen a significant reduction in the last 3 years. hey say part of the reason is that the test cycle relates to a much smaller area of the engine than true road driving conditions. his has allowed manufacturers to tune en- gines to reduce NOx only on the test cycle, a practice known as cycle beating. g/km NOx Emissions NEDC CADC NEDC - certifieringscykel CACD - verklighetsnära cykel Varför On-Board Diagnosis? Mekanikern kan läsa ut den lagrade felkoden och direkt byta ut den felaktiga komponenten. Detta ger effektiv och snabbare service. Om ett fel inträffar under körning kan diagnossystemet, efter att ett fel har detekterats, ändra styrstrategi till limp home. Mer generellt, den felaktiga komponenten kan exkluderas ur reglersystemet och styrssystemet kan använda en suboptimal styrstrategi tills bilen kan bli reparerad..3.. Euro Euro Euro 3 Euro Upime for Solving the Information Problem Diagnossystemet kan upplysa föraren om fel som kan skada motorn så att fordonet kan köras till verkstaden i god tid innan skadan är skedd. Detta är ett sätt att öka tillförlitligheten. Ett fel kan ofta ge ökade emissioner av skadliga avgaser som kan skada miljön. Diagnos i fordon, inte bara lagkrav och on-board he Problem Exempel: In 99, the Environmental Protection Agency in USA estimated that 6% of the total tailpipe hydro-carbon emissions from light-duty vehicles, originated from % of the vehicles with seriously malfunctioning emission control systems. It is important that such faults are detected so that the car can be repaired as quickly as possible. I huvudsak miljö men också tillgänglighet och tillförlitlighet. Motorn kan få service beroende på dess status istället för enligt ett givet serviceschema, och man kan därmed minska kostnaderna. 7 8

3 Huvudiden bakom OBD-II FP75 - en certifieringscykel En lampa i instrumentpanelen, Malfunction Indicator Light (MIL) måste tändas om det uppstår ett fel som ge emissioner som ligger 5% över gränserna. MIL skall när den är tänd visa frasen Check Engine or Service Engine Soon. Standarder: scantool, kontakter, kommunikation, och protokoll som används för att överföra data mellan diagnossystemet och mekanikern. Kodning: Programvaran och data måste krypteras för att hindra att obehöriga får tillträde till mjukvaran i styrsystemet. vehicle speed [km/h] Körcykel time [s] definieras som start av motor, stopp av motor, och all körning mellan dessa händelser. 9 Körcykler och certifiering FP 75 he US federal test procedure FP 75 for emission and diagnostic tests. re faser. Kombineras med SHED (Sealed Housing for Evaporative Determination). När ett fel detekteraras, måste MIL tändas och en felkod lagras i styrenheten senast vid slutet av nästa körcykel under vilken händelsen inträffade. Diagnostic rouble Code (DC) Freeze frame data Freeze frame data är all information som är tillgänglig om nuvarande status på motorn och reglersystemet. Efter tre konsekutiva felfria körcykler, skall MIL lampan släckas. Felkoden och freeze frame raderas efter 4 felfria körcykler. Krav Alla givare och ställdon som är kopplade till motorns styrsystem. Givare och ställdon måste kollas mot deras gränsvärden. Värdena måste vara konsistenta med varandra. Dessutom måste ställdonen kontrolleras med aktiva tester. Exempel: Massflödesgivare, tryckgivare, varvtalsgivare, och gasspjäll. Även: Detaljerade specifikationer för katalysatorer, luftkonditioneringssystemets kylmedium, bränslesystemet, och EGR systemet. Och 4 viktiga diagnoskomponenter härnäst...

4 Översikt Diagnos i bilar Introduktion och OBDII Katalysator och λ-sensorer Purge-system Misständning Katalysatorövervakning Om effektiviteten hos katalysatorn går under 6%, måste diagnossystemet indikera ett fel. Dagens teknik förlitar sig på två lambda-sensorer. Variationerna, på grund av oscillationen som är inducerad av styrsystemet, i lambda-sensorn före katalysatorn skall inte finnas i lambda-sensorn efter katalysatorn..8 Catalyst Off.8 Catalyst On λ bc λ ac Modellbaserad diagnos λ sensor [V].6.4 λ sensor [V] ime [s].5.5 ime [s] 3 4 Lambda-sensorerna En förändring i tidskonstanten eller en offset i lambda-sensorn måste detekteras. Detta görs genom att studera frekvensen, jämföra sensorerna, samt genom att lägga på stegförändringar och studera stegsvaret..5 A B C D E F A Purge-systemet Diagnos systemet måste kunna detektera felaktiga ventiler och även läckage i bränsletanken. ekniken som används här är baserad på aktiva tester. Engine λ [ ].95 λ bc λ ac Intake Manifold EGO sensor [V] ime [s] Fuel ank Diagnosis Valve Carbon Canister Purge Control Valve urbo 5 6

5 Evaporative Systems Monitoring rycksignalen då tanken är tät Engine 5 Intake Manifold 5 Diagnosis Valve Purge Valve Fuel ank Diagnosis Valve Carbon Canister Purge Control Valve urbo Pressure difference [Pa] 5 5 he OBDII system shall detect an evaporative system malfunction when the complete evaporative contains a leak or leaks that cumulatively are greater than or equal to a leak caused by a.4diameter orifice. - California Air Resource Board, OBDII regulations, section 968., itle t [s] 8 rycksignalen med ett mm hål Pressure difference [Pa] 5 Diagnosis Valve Purge Valve Misständning (misfire) Viktig för att den (snabbt) kan skada katalysatorn, ojämn motorgång Vid misfire måste MIL blinka Diagnossystemet måste kunna detektera ett enskilt misfire och bestämma cylindern eknik är i huvudsak signalbehandling av varvtalssignalen, även accelerometer eller jonström kan användas θ t t [s] x 5

6 Konsekvens av (kraftig) misständning Konsekvens av (kraftig) misständning from from Misständning, mätdata Misständning, forts. Varm motor Speed 3 rpm Load.4 g/rev µs t 6 t Sample Kall start och låg last x µs Sample Speed 58 rpm Load. g/rev 3 Enkel punkt: mitt i varvtalsområdet ej låg last Svår punkt: kallstart långsam förbränning lågt genererat moment ojämn gång 4

7 Enkel momentskattare Med J dω dt = samt dω dt = dω dθ dθ dt = dω dθ ω = d dθ (ω ) så är en enkel momentskattare J ( ω [θ + θ] ω [θ] ) θ Detektion av misfire, 6-cylindrig motor rpm Fault-free Crank angle counter 3-35 rpm Fault-free 75-5 rpm.3.5. Fault-free Crank angle counter.. Cold starts. Fault-free Crank angle counter Crank angle counter 6 Momentgenereringen starkt arbetspunktsberoende Misständning, forts. 5 5 Cold starts No fault Skapa larmsignal som med stor sannolikhet detekterar alla misfire samtidigt som den inte larmar i onödan z No fault 5 y 5 Normal x.5 Exempel på larmsignal.5 m r = α i i, där i är skattat moment vid olika positioner i cykeln. i Q/J 8

8 Summering OBD-II huvudidén Emissioner Körcykel MIL DC Freeze frame data, katalysatorövervakning, λ-sensorerna, purgesystemet Omkonfigurera regulatorer efter felsituation Översikt Diagnos i bilar Introduktion och OBDII Katalysator och λ-sensorer Purge-system Misständning Reconfiguration mechanisms Known controls Fault monitoring Modellbaserad diagnos Driver orque manager pr Pressure controller αr hrottle servo uth ṁat ṁac Intake hrottle Manifold Engine Me αth pim 9 3 Vad är diagnos? Diagnos är att automatiskt, och helst under normal drift, detektera fel. (ibland) isolera fel, dvs. peka ut vilken komponent som är trasig. Varför diagnos i andra tillämpningar? Styrdator Fel inträffar Felkod: rycksensor trasig 3 3

9 33 34 Ett svårt problem En ansenlig del av styrsystemskoden är diagnoskod (mer än 5% är vanligt) Något som ofta görs efteråt och i mån av tid vill man nu göra parallellt med övrig konstruktion. Konstruktion för diagnos (ex.vis sensorplacering, val av sensorer etc.) Metodik krävs men saknas! 35 36

10 Vad är diagnos? Feltolerant reglering control inputs disturbances Plant observations Diagnosis System diagnosis statement Faults Fault Diagnosis Faults Faults faults Command (Reference) Governor Feedforward Controller Actuators System Sensors Diagnos Givet observationer, en diagnos är en utsaga om komponenternas tillstånd som kan förklara observerat beteende. Diagnossystem Givet observationer: Hitta alla diagnoser. alla diagnoser = f (observationer) Feedback Controller Reconfiguration Mechanism Feltolerant reglering Omkonfigurera regulatorer efter felsituation raditionell diagnos och modellbaserad diagnos hårdvaruredundans tröskling av mätsignaler (limit-checking) Reconfiguration mechanisms Fault monitoring hastighetsbegränsning av fysikaliska storheter (rate-limit) ofta olika begränsningar i olika arbetsområden Driver orque manager p im p r Pressure controller α th α r hrottle servo Known controls u th ṁ at ṁ ac Intake hrottle Manifold Engine M e raditionell diagnos är modellbaserad diagnos. Bara med väldigt enkla modeller. Med mer avancerade modeller så kan man öka diagnosprestandan: snabbare detektion, mer exakt felisolering, färre falsklarm etc. Allt till priset av mer modellarbete och svårare designuppgifter. Möjligheten finns också att minska antalet sensorer, både för reglering och diagnos. 39 4

11 Redundans, modeller och modellbaserad diagnos Förutsättningen för all diagnos är redundans som kan tillhandahållas av: Extra hårdvara, exempelvis flera sensorer som mäter samma storhet Modeller! Var byter mätsignalen nivå? 4 y y y3 x z r = y y r = y f (y 3 ) r 3 = y f (y 3 ) Var byter mätsignalen svängningsfrekvens? Felisolering y = u y = 4u + Antag y, y och u är kända, då kan tre residualer bildas r = y u, r = y 4u, r 3 = y y + Alla är då ekvationerna är uppfyllda, dvs. processen uppför sig som förväntat. De tre residualerna reagerar olika på fel i sensorer och aktuatorer Isolationsmöjligheter f f f u r X X r X X r 3 X X 43 44

12 Exempel: Diagnos pa en produktionsmotor Exempel pa analytisk redundans i motorn Intercooler boost leak Intercooler boost leak manifold leak Wth pb Whfm y y y 3 x manifold leak z Wth pb Samma ta nk som fo r det enkla fallet, bara mer avancerade modeller q urbo Wcyl = f (n, pm ) Wcyl Wth = f (α, pm, pb ) urbo Wcyl Whfm q pm n Statiskt sa ga ller att Whfm = Wth = Wcyl om allt fungerar. pm r = Whfm Wth = Whfm f (α, pm, pb ) n r = Whfm Wcyl = Whfm f (n, pm ) r3 = Wcyl Wth = f (n, pm ) f (α, pm, pb ) Lite olika typer av fel, kra ver olika typer av modeller och da rmed olika typer av signalbehandling. Dessa a r alla ka nsliga fo r olika fel mo jlighet till felisolation Modellering Felmodellering: La ckage innan/efter trottel Samma typ av medelva rdesmodell som ni redan sett i kursen anva nds a ven ha r. ex. flo det fo rbi trotteln modelleras av Inte bara felfritt fall beho ver modelleras, a ven felen som ska detekteras och isoleras beho ver modelleras. da r pb pamb WboostLeak = kb Ψ( ) pb WHFM = Wth + WboostLeak s κ+ κ pman κ pman κ pboost κ pboost κ κ pman pman om pboost κ+ Ψ( )= pboost r κ+ κ κ κ+ f.o. da r kb a r effektiv area hos la ckan pboost [kpa] delta manifold air [g/s] Wth delta boost air [g/s] 6 Kth pboost pman Ψ( ) = pboost pman [kpa]

13 Övervakning av industriell gasturbin från Siemens Övervakning av industriell gasturbin från Siemens [%] Health parameter η C efficiency deviation for C a b 4 Nov Dec Jan Feb Mar Apr t [%] a b 49 4 May Jun Jul Aug Sep Oct t 5 Överblick av ett diagnossystem Observationer Diagnos Diagnoser System Signalbehandling Linjär och olinjär reglerteori Linjär algebra Statistik/sannolikhetslära Observatörsteori Logik/AI Logik Artificiell intelligens Sannolikhetslära SFS6: Diagnos och övervakning Om det låter intressant så rekommenderas vår kurs: SFS6, Diagnos och övervakning är en unik kurs i Sverige, inget annat lärosäte erbjuder en kurs helt inriktad mot diagnos. 6hp. Börjar i mars. eoretisk och metodikinriktad. Närmast tvärvetenskaplig kurs. Använder kunskap från många olika ämnen, till exempel: reglerteknik/signalbehandling, statistik/sannolikhetslära, och logik/artificiell intelligens. Kurs inom ett mycket forskningsintensivt ämne. Kursinnehåll nära forskningsfronten. Många möjligheter till exjobb. 5 5