Diagnos i fordon, OBDII, och generell metodologi Översikt What is Euro 6? Varför diagnos i fordon? Erik Frisk Fordonssystem Institutionen för systemteknik Linköpings universitet december, 3 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. Tillgänglighet, 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 Till exempel, i bränslesystemet måste ett hål med.5unburnt mm diameter hydrocarbons) in the exhaust Nya of testprocedurer The 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
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. 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. 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. 5 ing the Information Problem Diagnos i fordon, inte bara lagkrav och on-board Huvudiden bakom OBD-II 6 Motorn kan få service beroende på dess status istället för enligt ett givet serviceschema, och man kan därmed minska kostnaderna. 7 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. n Information AB. All rights reserved. Kodning: Programvaran och data måste krypteras för att hindra att obehöriga får tillträde till mjukvaran i styrsystemet. 8
FTP75 - en certifieringscykel vehicle speed [km/h] Körcykel 8 6 4 4 6 8 4 time [s] definieras som start av motor, stopp av motor, och all körning mellan dessa händelser. Körcykler och certifiering FTP 75 The US federal test procedure FTP 75 for emission and diagnostic tests. Tre 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 Trouble Code (DTC) 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. 9 Felkoden och freeze frame raderas efter 4 felfria körcykler. Krav Översikt 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... Diagnos i bilar Introduktion och OBDII Katalysator och λ-sensorer Purge-system Misständning Modellbaserad diagnos http://www.arb.ca.gov/msprog/obdprog/obdregs.htm
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 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. λ [ ].5.95 A B C D E F A 3 4 5 6 7 8 λ bc λ ac λ sensor [V].6.4..5.5 Time [s] λ sensor [V].6.4..5.5 Time [s] EGO sensor [V].5 3 4 5 6 7 8 Time [s] 3 4 Purge-systemet Diagnos systemet måste kunna detektera felaktiga ventiler och även läckage i bränsletanken. Tekniken som används här är baserad på aktiva tester. Engine Evaporative Systems Monitoring Diagnosis Valve Engine Intake Manifold Turbo Intake Manifold Fuel Tank Carbon Canister Purge Control Valve Diagnosis Valve Fuel Tank Carbon Canister Purge Control Valve Turbo 5 The 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., Title 3. 6
Trycksignalen då tanken är tät Trycksignalen med ett mm hål 5 5 Diagnosis Valve Diagnosis Valve 5 Purge Valve 5 Purge Valve Pressure difference [Pa] 5 5 Pressure difference [Pa] 5 5 5 5 3 5 5 5 t [s] 3 5 5 5 t [s] 7 8 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 Teknik är i huvudsak signalbehandling av varvtalssignalen, även accelerometer eller jonström kan användas Konsekvens av (kraftig) misständning 68 66 64 θ t 6 6 58 56.8834.8836.8838.884.884.8844.8846.8848.885.885.8854 x 5 9 from http://www.pawlikautomotive.com/
Konsekvens av (kraftig) misständning Misständning, mätdata Varm motor 48 475 Speed 3 rpm Load.4 g/rev 47 465 Misfire µs 46 455 45 445 5 5 5 Sample 36 34 3 Kall start och låg last µs 3 38 36 Misfire from http://www.pawlikautomotive.com/ 34 3 3 38 36 5 5 5 Sample Speed 58 rpm Load. g/rev Misständning, forts. Momentgenereringen starkt arbetspunktsberoende 68 33 5 5 Cold starts No fault Misfire 66 35 64 z 5 t 6 t 3 6 35 5 58 56 3 5 Normal.8834.8836.8838.884.884.8844.8846.8848.885.885.8854 x 5 35 46 48 5 5 54 56 58 6 6 64 66 y 5 5 5 5 5 5 x Enkel punkt: mitt i varvtalsområdet ej låg last Svår punkt: kallstart långsam förbränning lågt genererat moment Exempel på larmsignal m r = α i T i, där T i är skattat moment vid olika positioner i cykeln. i ojämn gång 3 4
Misständning, forts. Skapa larmsignal som med stor sannolikhet detekterar alla misfire samtidigt som den inte larmar i onödan 3.5 3.5 No fault Misfire Summering OBD-II huvudidén Emissioner Körcykel MIL DTC Freeze frame data Misfire, katalysatorövervakning, λ-sensorerna, purgesystemet Omkonfigurera regulatorer efter felsituation.5 Reconfiguration mechanisms Fault monitoring Known controls.5 Driver Torque manager pr Pressure controller αr Throttle servo uth ṁat ṁac Intake Throttle Manifold Engine Me αth 6 4 4 6 TQ/J 5 pim 6 Översikt Diagnos i bilar Introduktion och OBDII Katalysator och λ-sensorer Purge-system Misständning 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. Fel inträffar Styrdator Felkod: Trycksensor trasig Modellbaserad diagnos 7 8
Varför diagnos i andra tillämpningar? 9 3 3 3
Ett svårt problem Vad är diagnos? control inputs 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! disturbances faults Plant observations Diagnosis System diagnosis statement 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) 33 Feltolerant reglering 34 Feltolerant reglering Omkonfigurera regulatorer efter felsituation Fault Diagnosis Faults Faults Faults Reconfiguration mechanisms Fault monitoring Command (Reference) Governor Feedforward Controller Actuators System Sensors Known controls Driver Torque manager p r Pressure controller α r Throttle servo u th ṁ at ṁ ac Intake Throttle Manifold Engine M e Feedback Controller p im α th Reconfiguration Mechanism 35 36
Traditionell diagnos och modellbaserad diagnos hårdvaruredundans tröskling av mätsignaler (limit-checking) hastighetsbegränsning av fysikaliska storheter (rate-limit) ofta olika begränsningar i olika arbetsområden Traditionell 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. 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! y y y3 x z r = y y r = y f (y 3 ) r 3 = y f (y 3 ) 37 38 Var byter mätsignalen nivå? Var byter mätsignalen svängningsfrekvens? 4 4 4 5 5 5 3 35 4 45 5 4 5 5 5 3 35 4 45 5 5 5 5 5 5 3 35 4 45 5 8 6 4 5 5 5 3 35 4 45 5 39 4
Felisolering Exempel: Diagnos på en produktionsmotor y = u y = 4u + Antag y, y och u är kända, då kan tre residualer bildas boost leak Intercooler Whfm y y y3 x z 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 pb T manifold leak Wth Wcyl q pm Turbo Samma tänk som för det enkla fallet, bara mer avancerade modeller f f f u r X X r X X r 3 X X n Lite olika typer av fel, kräver olika typer av modeller och därmed olika typer av signalbehandling. 4 4 Exempel på analytisk redundans i motorn Modellering Whfm Intercooler boost leak T Turbo manifold leak Wth W cyl = f (n, p m ) q pb pm n Wcyl W th = f (α, p m, p b ) Statiskt så gäller att W hfm = W th = W cyl om allt fungerar. r = W hfm W th = W hfm f (α, p m, p b ) r = W hfm W cyl = W hfm f (n, p m ) r 3 = W cyl W th = f (n, p m ) f (α, p m, p b ) Samma typ av medelvärdesmodell som ni redan sett i kursen används även här. Tex. flödet förbi trotteln modelleras av där Ψ( p man p boost ) = W th = K thp boost Ψ( p man ) T p boost κ κ κ ( κ+ { ( ) ( ) κ+ } pman κ p boost pman κ p boost om ) κ+ κ ( ) ( pman p boost κ+ f.ö. ) κ κ Dessa är alla känsliga för olika fel möjlighet till felisolation. 43 44
Felmodellering: La ckage innan/efter trottel O vervakning av industriell gasturbin fra n Siemens Inte bara felfritt fall beho ver modelleras, a ven felen som ska detekteras och isoleras beho ver modelleras. da r kb a r effektiv area hos la ckan. 4 95 5 5 pboost [kpa] 6 delta manifold air [g/s] pb pamb ) WboostLeak = kb Ψ( pb T WHFM = Wth + WboostLeak delta boost air [g/s] 6 4 3 4 5 6 pman [kpa] 7 8 9 45 O vervakning av industriell gasturbin fra n Siemens 46 O verblick av ett diagnossystem Health parameter ηc efficiency deviation for C [%] Observationer Diagnos System Diagnoser Ta Tb 4 Nov Signalbehandling t Jan Dec Mar Feb Logik/AI Apr [%] Linjär och olinjär reglerteori Linjär algebra Statistik/sannolikhetslära Observatörsteori Ta Logik Artificiell intelligens Sannolikhetslära Tb 4 t May Jun Jul Aug Sep Oct 47 48
TSFS6: Diagnos och övervakning Om det låter intressant så rekommenderas vår kurs: TSFS6, Diagnos och övervakning är en unik kurs i Sverige, inget annat lärosäte erbjuder en kurs helt inriktad mot diagnos. 6hp. Börjar i mars. Teoretisk 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. 49