Diagnos i fordon, OBDII, och generell metodik Översikt What is Euro 6? Varför diagnos i fordon? Erik Frisk Fordonssystem Institutionen för systemteknik Linköpings universitet 9 december, 5 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 Titta pa uppva rmningsprofiler fo r temperatursensorerna Prediktera NOx och ja mfo r med uppma tta niva er 5 6
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] 7 8 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 9 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.
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] 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 3 from http://www.pawlikautomotive.com/ 4
Konsekvens av (kraftig) misständning Misständning, mätdata Varm motor 48 475 Speed 3 rpm Load.4 g/rev 47 465 µs 46 455 45 445 5 5 5 Sample 36 34 3 Kall start och låg last µs 3 38 36 from http://www.pawlikautomotive.com/ 5 34 3 3 38 36 5 5 5 Sample Speed 58 rpm Load. g/rev 6 Misständning, forts. t 68 66 64 6 6 58 t 33 35 3 35 3 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 56 35 75-5 rpm.8834.8836.8838.884.884.8844.8846.8848.885.885.8854 x 5 46 48 5 5 54 56 58 6 6 64 66.3 Enkel punkt: mitt i varvtalsområdet ej låg last Svår punkt: kallstart långsam förbränning lågt genererat moment ojämn gång 7 T. Fault-free... 3 4 5 6 7 8 9 3 4 5 6 Crank angle counter 8
Detektion av misfire, 6-cylindrig motor Momentgenereringen starkt arbetspunktsberoende.3. Fault-free 75-5 rpm 5 5 Cold starts No fault. T...5 3 4 5 6 7 8 9 3 4 5 6 Crank angle counter 3-35 rpm Fault-free z 5 5 5 Normal T.5 y 5 5 5 5 5 5 x T 3 4 5 6 7 8 9 3 4 5 6... Crank angle counter Cold starts Fault-free. 3 4 5 6 7 8 9 3 4 5 6 Crank angle counter 9 Exempel på larmsignal m r = α i T i, där T i är skattat moment vid olika positioner i cykeln. i 3 Misständning, forts. Skapa larmsignal som med stor sannolikhet detekterar alla misfire samtidigt som den inte larmar i onödan 3.5 3.5.5.5 No fault 6 4 4 6 TQ/J 4.3 Test quantity for misfire detection The normalized estimated torque (7) still varies for different speeds and cylinders. Therefore, the data is categorized in di erent operating points where the normalized estimated torque data are similar. Then, a test θ quantity is designed based on the normalized estimated torque (7) in each operating point to classify whether the measurements are caused by a normal combustion or a misfire. As an example, in [9] measurements are categorized based on cylinder and in speed intervals of 5 rpm from 5 rpm to 45 rpm which gives number of cylinders speed intervals = 54 operating points. For each cylinder p and speed interval q, let t 3 p = (T [k],t[k + ],T[k + ],T[k + 3]) T be a vector of normalized estimated torque, and corresponding weights Kompensering för fel i varvtalssignalen Små vinkelfel för hålen ger signifikant förändring i varvtalssignalen Lite eccentriskt monterat svänghjhul ger motsvarande förändringar Vinkelfel så små som. kan öka falsklarmen från.% till över 6% i svåra fall. + O O Fig. 5. Visualization of how an eccentric mounted flywheel (O )(solidlines)a ectsthetoothangularintervals compared to a centered flywheel (O) (dashedlines). 3 An eccentric mounting of the flywheel will also be visible
from di erent vehicles, not including the data in Table 4. Estimering The av reference vinkelfel algorithm i varvtalssignalen in [9] is here calibrated using training data from both vehicles and. Note that it is.6.6 evaluated on the same vehicles that were used to collect training data. With respect to the reference algorithm,.4.4 the updated misfire detection algorithm with flywheel error adaptation. is calibrated using data from.one vehicle and validated using data from a di erent vehicle at the time to evaluate the flywheel error adaptation. The amount of available data from the three vehicles varies.. as described in Section 3. Therefore, data from vehicles and.4 are used as training data when calibrating.4 the misfire detection algorithm. Data from vehicle 3 in Table 4 are only used as validation.6.6 data. ˆ hold 5 5 5 3 Time For each validation data set in Table 4, the false alarm rate and missed 36/3 = detection olika vinkelfel rate are evaluated both for Fig. 7. Estimated flywheel errors in degrees using EKF (solid lines) compared to the o -line estimation (dashed lines). the o -line used in all operating and on-line points. The flywheel gain K musterror thus beadaptation algorithms. selected Toto quantify achieve a suitable the balance performance between convergence rate and estimation covariance. The constant gain improvement when performing K is given by the flywheel error adaptation, the misfire detection av vinkelfelskompensering, algorithmk is Effekt = PC also T R evaluated zoom without () flywheel error adaptation Riccati equation as a reference, i.e. it is the same misfire where P is the solution to the time-discrete algebraic detection algorithm as in [9] but calibrated using di erent training data. A T PA P A T PC T (CPC T + R) CPA + Q = (3) with A = I and C = @ @ t[p ] =. For each evaluation data set, the EKF and CG-EKF are initialized with no flywheel errors, i.e. ˆ [] =. The process noise and measurement noise covariance matrices are chosen as Q = I and R = I 4.Whenusing on-line flywheel error compensation approaches, the misfire detection algorithm is iterated on the same data set until the flywheel error estimation has converged. 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. First, the misfire detection algorithm is evaluated using data from vehicle 3. The algorithm is evaluated, both when calibrated using data from vehicle and from vehicle, which will be referred to as case one and two ˆ 5 5 5 3 Time Fig. 8. Estimated flywheel errors in degrees using CG-EKF (solid) with Q = 9 I compared to errors found by o line estimation 33 (dashed). However, since the filter uses a constant gain K initial convergence rate can not vehicle be specified 3 (light as for thegrey). EKF which is controlled by the initial value of the state estimate covariance matrix PSummering.Onemethodtomimic the fast initial convergence rate is to use a large gain K in the beginning and then change OBD-II to a smaller huvudidén gain after some time when the estimated flywheel errors are assumed to have converged. Emissioner Körcykel 6.4 detection algorithm summary MIL The misfire detection algorithm is now DTCevaluated with the error adaptation included. How to Freeze calibrate frame the misfire detection algorithm is not covered in this work but data the details of the procedure are described, in katalysatorövervakning, [9]. The λ-sensorerna, purgesystemet misfire detection algorithm is divided into two parts: the o -line calibration of the algorithm Omkonfigurera using trainingregulatorer data efter felsituation and the on-line misfire detection. Depending on flywheel error estimation approach, the corresponding steps Reconfiguration are mechanisms Fault monitoring included in the algorithm summarized below. Note that cold starts are not considered in this work but can easily Known controls be included as described in the original algorithm. First, the updated o -line calibration part is summarized as pr αr uth ṁat ṁac follows where the new added steps Driver are highlighted Torque Pressure in Throttle Intake Throttle bold. manager controller servo Manifold () Use training data from one vehicle, covering all speeds 35 and loads in the operating range, to compute normalized estimated torque (7). () Choose a number of speed intervals such that mis- EKF % %.% (6) % Effekt CG-EKF av vinkelfelskompensering % %.% (6) % p(r) Fault-free..8.6.4. Fault-free 8 6 4 4 6 8 Fig.. Histograms of the test quantity, calibrated using data from vehicle, with (dark grey) and without flywheel 34 error compensation (light grey) when evaluated on data from without flywheel error adaptation (light grey) are shown in Fig. and Fig. for case one and two, respectively. The figures show when the CG-EKF is used in the flywheel error adaptation to estimate the flywheel errors and in both cases the EKF gives similar performance. The improved misfire detection performance is visible as the separation between both fault-free data and misfire data, and the threshold, have increased when compensating for the flywheel errors. The estimated flywheel errors in case one are shown in Table 3 which are considered a significant di erence between the vehicles. The same magnitudes of the flywheel errors are also found when estimating the errors in case two. This shows Me that Engine the flywheel error adaptation significantly improves the αth pim performance in both cases, as shown in Table 5. 4 6 8 Evaluation on data from vehicle 3 shows that the perfor- r threshold 36
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,... 37 Översikt Diagnos i bilar Introduktion och OBDII Selective Catalytic Reduction (SCR) Katalysator och λ-sensorer Purge-system Misständning Modellbaserad diagnos - generell metodik 38 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: Trycksensor trasig 39 4
4 4 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! 43 44
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 45 46 Omkonfigurera regulatorer efter felsituation Traditionell 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 Torque manager p im p r Pressure controller α th α r Throttle servo Known controls u th ṁ at ṁ ac Intake Throttle Manifold Engine M e 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. 47 48
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 4 5 5 5 3 35 4 45 5 r = y y r = y f (y 3 ) r 3 = y f (y 3 ) 5 5 5 5 5 3 35 4 45 5 49 5 Var byter mätsignalen svängningsfrekvens? Felisolering 4 4 5 5 5 3 35 4 45 5 8 6 4 5 5 5 3 35 4 45 5 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 5 5
Exempel: Diagnos pa en produktionsmotor Exempel pa analytisk redundans i motorn Intercooler boost leak Intercooler boost leak T manifold leak Wth pb Whfm y y y 3 x T manifold leak z Wth pb Samma ta nk som fo r det enkla fallet, bara mer avancerade modeller q Turbo Wcyl = f (n, pm ) Wcyl Wth = f (α, pm, pb ) Turbo 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. 54 53 Modellering Felmodellering: La ckage innan/efter trottel Samma typ av medelva rdesmodell som ni redan sett i kursen anva nds a ven ha r. Tex. 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 T 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. 4 95 5 5 6 4 55 pboost [kpa] delta manifold air [g/s] Wth delta boost air [g/s] 6 Kth pboost pman Ψ( ) = pboost T 3 4 5 6 pman [kpa] 7 8 9 56
Övervakning av industriell gasturbin från Siemens Övervakning av industriell gasturbin från Siemens [%] Health parameter η C efficiency deviation for C T a T b 4 Nov Dec Jan Feb Mar Apr t [%] T a T b 57 4 May Jun Jul Aug Sep Oct t 58 Överblick av ett diagnossystem Observationer Diagnos Diagnoser System Signalbehandling Linjär och olinjär reglerteori Linjär algebra Statistik/sannolikhetslära Observatörsteori Logik/AI Logik Artificiell intelligens Sannolikhetslära 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. 59 6
Diagnos i fordon, OBDII, och generell metodik Erik Frisk Fordonssystem Institutionen för systemteknik Linköpings universitet 9 december, 5 6