Diagnos i fordon, OBDII, och generell metodik Översikt What is Euro 6? Varför diagnos i fordon? Erik Frisk Fordonssystem Institutionen för systemteknik Linköpings universitet 7 december, 6 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 Selective Catalytic Such has Reduction been the (SCR) response of the emission legislations being driven Katalysator manufacturers och λ-sensorer to the challenge of Purge-system by the European Commission. Misständningreducing exhaust emissions that the air coming out of the tail-pipe of a Since 993, when the very first Euro Modellbaserad Euro diagnos 6 diesel - generell engine metodik is cleaner than legislation was introduced for trucks ever before, with permitted NOx levels 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? 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
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. They say part of the reason is that the test cycle relates to a much smaller area of the engine than true road driving conditions. This has allowed manufacturers to tune engines to reduce NOx only on the test cycle, a practice known as cycle beating. g/km.9.8.7.6.5.4 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 4 5 6 UpTime 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 The 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
Huvudiden bakom OBD-II FTP75 - 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] 8 6 4 4 6 8 4 time [s] Körcykel definieras som start av motor, stopp av motor, och all körning mellan dessa händelser. 9 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. 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 5 diagnoskomponenter härnäst... http://www.arb.ca.gov/msprog/obdprog/obdregs.htm
SCR efterbehandling fo r att reducera NOx O versikt aktiv efterbehandling fo r att reducera NOx Urea injiceras fo r reaktion i SCR-katalysatorn Diagnos i bilar Introduktion och OBDII Selective Catalytic Reduction (SCR) Katalysator och λ-sensorer Purge-system Missta ndning NOx kva ve, vatten och lite CO Modellbaserad diagnos - generell metodik 4 3 SCR-system, tank och doppva rmare Diagnos of SCR-system Komponento vervakning Injektorer Temperatursensorer NOx-sensor Manipulationsdetektering Utspa dning av Urea ( mineralbela ggningar pa injektorer) A terledning av Urea Elektrisk manipulation Metodik Ja mfo r ma tt tankniva med predikterad Urea kristalliseras vid - Titta pa uppva rmningsprofiler fo r temperatursensorerna Prediktera NOx och ja mfo r med uppma tta niva er 5 6
SCR-system Katalysatoro vervakning Om effektiviteten hos katalysatorn ga r under 6%, ma ste diagnossystemet indikera ett fel. Dagens teknik fo rlitar sig pa tva lambda-sensorer. Variationerna, pa grund av oscillationen som a r inducerad av styrsystemet, i lambda-sensorn fo re katalysatorn skall inte finnas i lambda-sensorn efter katalysatorn. Catalyst Off Catalyst On.8.8 λ sensor [V] λ sensor [V] λbc.6.4. λac.6.4..5 Time [s].5.5 Time [s] 7.5 8 Purge-systemet Lambda-sensorerna En fo ra ndring i tidskonstanten eller en offset i lambda-sensorn ma ste detekteras. Detta go rs genom att studera frekvensen, ja mfo ra sensorerna, samt genom att la gga pa stegfo ra ndringar och studera stegsvaret. Diagnos systemet ma ste kunna detektera felaktiga ventiler och a ven la ckage i bra nsletanken. Tekniken som anva nds ha r a r baserad pa aktiva tester. Engine.5 A B C D E F A λ [ ] λbc.95 Intake Manifold λac 3 4 5 6 7 8 Diagnosis Valve EGO sensor [V] Turbo.5 Purge Control Valve Carbon Canister 3 4 Time [s] 5 6 7 8 Fuel Tank 9
Evaporative Systems Monitoring Trycksignalen då tanken är tät Engine 5 Intake Manifold 5 Diagnosis Valve Purge Valve Fuel Tank Diagnosis Valve Carbon Canister Purge Control Valve Turbo Pressure difference [Pa] 5 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. 5 3 5 5 5 t [s] Trycksignalen med ett mm hål Pressure difference [Pa] 5 Diagnosis Valve 5 5 5 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 Teknik är i huvudsak signalbehandling av varvtalssignalen, även accelerometer eller jonström kan användas 68 66 5 θ t 64 6 6 3 5 5 5 t [s] 58 56 3.8834.8836.8838.884.884.8844.8846.8848.885.885.8854 x 5 4
Konsekvens av (kraftig) misständning Konsekvens av (kraftig) misständning from http://www.pawlikautomotive.com/ 5 from http://www.pawlikautomotive.com/ 6 Misständning, mätdata Misständning, forts. Varm motor 48 475 Speed 3 rpm Load.4 g/rev 68 33 47 465 Misfire 66 35 µs 64 46 3 455 t 6 t 45 6 35 445 5 5 5 Sample 58 3 36 Kall start och låg last 56.8834.8836.8838.884.884.8844.8846.8848.885.885.8854 x 5 35 46 48 5 5 54 56 58 6 6 64 66 34 µs 3 3 38 36 34 3 3 38 Misfire 36 5 5 5 Sample Speed 58 rpm Load. g/rev 7 Enkel punkt: mitt i varvtalsområdet ej låg last Svår punkt: kallstart långsam förbränning lågt genererat moment ojämn gång 8
Enkel momentskattare Med J dω dt = T samt dω dt = dω dθ dθ dt = dω dθ ω = d dθ (ω ) så är en enkel momentskattare T J ( ω [θ + θ] ω [θ] ) θ Detektion av misfire, 6-cylindrig motor T.3.....5 75-5 rpm Fault-free Misfire 3 4 5 6 7 8 9 3 4 5 6 Crank angle counter 3-35 rpm Fault-free 75-5 rpm T.3.5. Fault-free Misfire 3 4 5 6 7 8 9 3 4 5 6 Crank angle counter.. Cold starts T. Fault-free. T.. Misfire 3 4 5 6 7 8 9 3 4 5 6 Crank angle counter 9 Misfire. 3 4 5 6 7 8 9 3 4 5 6 Crank angle counter 3 Momentgenereringen starkt arbetspunktsberoende Misständning, forts. 5 5 Cold starts No fault Misfire Skapa larmsignal som med stor sannolikhet detekterar alla misfire samtidigt som den inte larmar i onödan z 5 5 3.5 3 No fault Misfire 5 y 5 Normal 5 5 5 5 5 x.5 Exempel på larmsignal.5 m r = α i T i, där T i är skattat moment vid olika positioner i cykeln. i 3.5 6 4 4 6 TQ/J 3
Misfire Små vinkelfel för hålen ger signifikant förändring i varvtalssignalen Lite eccentriskt monterat svänghjhul ger motsvarande förändringar Kompensering för fel i varvtalssignalen for misfire detection Vinkelfel så små som. kan öka falsklarmen från.% till över 6% i svåra fall. Table 5 Evaluation of misfire detection algorithm on data from vehicle 3. Results are shown from when the misfire detection algorithm isθ calibrated using + data from either vehicle and vehicle respectively. imated torque (7) still varies for difylinders. - Therefore, the data is cat- operating points where the nor- gt torque data are similar. Then, a test d based on the normalized estimated operating point to classify whether are.6 caused by a normal combustion example, in [9] measurements are n cylinder and in speed intervals of pm to 45 rpm which gives number d intervals = 54 operating points. p and speed interval q, let t p = + ],T[k + 3]) T be a vector of nortorque, and corresponding weights w 4 ) T, where the crank angle counts..4 k + 3 for each cylinder are given in test quantity r is given by g s t r = w T p,qt p + (8) ant such that r<when there is a, the fault-free case.. dl threshold in each operating point ptimized -.based on training data usmachines [3]. The thresholdmisfire can be etrequirements set for missed detecalarm.8 rate. e s s.8 Training data Vehicle Vehicle Method FA MD FA MD.6 ywheel tooth angle errors.4 tioned, it is assumed that flywheel The estimated torque () is then a function of the flywheel tooth angle errors with indices i and i +. Note ers is a significant cause of vehicle-ton the flywheel angular velocity (). that i loops in the interval from to.. - ion 7 will show that a significant part n be modeled as flywheel tooth angle During one revolution of the crankshaft, the sum of the 8 6 4 4 6 8 l manufacturing errors result in varilar interval. Thus, the goal is to flywheel errors should r be zero, i.e., heel errors and take them into conmputing the angular velocity () to i =. () X er estimate. Since the angular resolure samples from each crankshaft 35 i= flywheel - error tooth angle error pamated. The flywheel tooth angle er- P This constraint is incorporated into the model by O O Fig. 5. Visualization of how an eccentric mounted flywheel (O )(solidlines)a ectsthetoothangularintervals compared to a centered flywheel (O) (dashedlines). 33 W/o comp..69% (34) %.53% (6) % O -line % %.% (6) % An eccentric mounting of the flywheel will also be visible in the measurements as a periodic angular error which is also captured by the modeled flywheel tooth angle error i as visualized in Fig. 5. The dashed lines represent the angular interval of length when the flywheel is correctly centered (O) and the solid lines eccentric mounted (O ) which results in changed angular interval modeled as. From here on, when talking about flywheel errors, both tooth angular errors and eccentric mounting errors are considered. EKF % %.% (6) % Effekt CG-EKF av vinkelfelskompensering % %.% (6) % p(r) To compensate for the flywheel errors when estimating the torque, (5) is reformulated using Fault-free (9) as T [k i, i+ ]= J + i+ t[k+] + i t[k]. () + i+ Fig.. Histograms of the test quantity, calibrated using data from vehicle, with (dark grey) and without flywheel error compensation (light grey) when evaluated on data from threshold Estimering av vinkelfel i varvtalssignalen ˆ.6.4...4.6 hold 5 5 5 3 Time 36/3 = olika vinkelfel Fig. 7. Estimated flywheel errors in degrees using EKF (solid lines) compared to the o -line estimation (dashed lines). used in all operating points. The gain K must thus be selected to achieve a suitable balance between convergence rate and estimation covariance. The constant gain K is given by K = PC T R () where P is the solution to the time-discrete algebraic Riccati equation Effekt av vinkelfelskompensering, zoom A T PA P A T PC T (CPC T + R) CPA + Q = (3) with A = I and C = @ @ t[p ] =. A similar comparison with the o -line approach as in Fig. 7 is shown in Fig. 8. Data from vehicle is used for generating the reference torque maps (3) and flywheel error estimation is performed using data from vehicle 3. The same covariance matrices used in the EKF, Q = 9 I and R = I 4, are also used when computing the constant gain (). The CG-EKF starts to converge to the same solution as the o -line solution but the convergence rate is slower compared to the EKF and the estimation covariance is larger. In Fig. 9, the estimate ˆ from the CG-EKF is shown after it has converged to the o -line solution. r Another example of converged estimated flywheel errors is shown in Fig. where a CG-EKF is used with Q = I. The estimation variances are lower compared to Fig. 9 but the initial convergence rate is slower compared to Fig. 8. 8 6 4 ˆ.6.4...4.6 5 Fig. 8. Estimated flyw (solid) with Q = line estimation 34 (dashe However, since the initial convergence r EKF which is contro estimate covariance the fast initial conv K in the beginning after some time whe assumed to have con 6.4 Misfire detectio The misfire detectio the error adaptation fire detection algorit the details of the p misfire detection alg o -line calibration o and the on-line misfi error estimation app included in the algor cold starts are not co be included as descr the updated o -line follows where the n bold. () Use training d speeds 36 and loa pute normalize () Choose a numb
Summering OBD-II huvudidén Emissioner Körcykel MIL DTC Freeze frame data Misfire, katalysatorövervakning, λ-sensorerna, purgesystemet Omkonfigurera regulatorer efter felsituation Driver Torque manager Reconfiguration mechanisms pim pr Pressure controller αth αr Throttle servo Known controls Fault monitoring uth ṁat ṁac Intake Throttle Manifold Engine Me 37 Fordonsdiagnos bortom OBD OBD övervakning av emissionsrelaterade komponenter och funktioner starkt reglerat litet driv från tillverkar att uppnå annat än vad som måste uppnås och helst inte ens det... Annan fordonsdiagnostik och nya tjänster säkerhet autonomi nya komponenter, hybridisering nya affärsmodeller inom tunga fordon sälj tillgänglighet fleet management individbaserade underhållsplaner, Condition Based Maintenance (CBM) service är ingen liten marknad, gör den mer effektiv vill inte blanda OBD och annan (diagnos-)funktionalitet. Emissionsklassas funktionerna så skall de certifieras historiska data, data mining och machine learning (statistik), AI-metoder,... 38 Översikt Diagnos i bilar Introduktion och OBDII Selective Catalytic Reduction (SCR) 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 - generell metodik 39 4
Varför diagnos i andra tillämpningar? 4 4 43 44
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) 45 Feltolerant reglering 46 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 47 48
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 ) 49 5 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 5 5
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. 53 54 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. 55 56
La ckage Felmodellering: La ckage innan/efter trottel 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 6 4 3 4 5 6 pman [kpa] 7 8 9 57 Exemple: Volvo-motor pboost [kpa] delta manifold air [g/s] pb pamb ) WboostLeak = kb Ψ( pb T WHFM = Wth + WboostLeak delta boost air [g/s] 6 58 Exemple: Volvo-motor, ko rcykel EPA Highway Fuel Economy Test Cycle (HWFET) 9 8 Velocity [km/h] 7 6 5 4 3 4 6 8 4 t [min] 59 6
Exemple: Volvo-motor, residual vid % fel i massflödessensorn Övervakning av industriell gasturbin från Siemens 3 Fault in air-flow sensor (%) 3.5 Residual distribution.5 3.5.5.5.5 -.5.5-4 6 8 4 - -.5.5.5.5 3 t [min] r 6 6 Övervakning av industriell gasturbin från Siemens Överblick av ett diagnossystem [%] Health parameter η C efficiency deviation for C T a Observationer Diagnos Diagnoser System T b 4 Nov Dec Jan Feb Mar Apr t Signalbehandling Logik/AI [%] T a Linjär och olinjär reglerteori Linjär algebra Statistik/sannolikhetslära Observatörsteori Logik Artificiell intelligens Sannolikhetslära T b 4 May Jun Jul Aug Sep Oct t 63 64
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. 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. Diagnos i fordon, OBDII, och generell metodik Erik Frisk Fordonssystem Institutionen för systemteknik Linköpings universitet 7 december, 6 65 66