Analizy stopnia implementacji systemu EOBD w samochodach

OCENA SKUTECZNOŚCI DZIAŁANIA GŁÓWNYCH PROCEDUR
DIAGNOSTYCZNYCH ORAZ STOPNIA IMPLEMENTACJI
SYSTEMÓW EOBD W SAMOCHODACH OSOBOWYCH
Z SILNIKAMI ZI PODCZAS BADAŃ HOMOLOGACYJNYCH
Jerzy Merkisz*, Marcin Ślęzak**, Wojciech Gis***
Instytut Transportu Samochodowego, 03-301 Warszawa, ul. Jagiellońska 80
*tel: (22) 675-30-58, faks: (22) 811-09-06, e-mail: [email protected]
**tel: (22) 675-30-58, faks: (22) 811-09-06, e-mail: [email protected]
***tel: (22) 811-32-31 wew. 103, faks: (22) 811-09-06, e-mail: [email protected]
Słowa kluczowe: OBD, EOBD, OBDII, diagnostyka, diagnostyka pokładowa,
procedury diagnostyczne, monitory
Streszczenie. W artykule przedstawiono systemy EOBD zaimplementowane w samochodach osobowych badanych w Polsce podczas badań homologacyjnych w latach 2001-2002; dokonano również
oceny rezultatów testów emisji CO, HC i NOx tych pojazdów. Przedstawiono także wyniki realizacji
monitorów diagnostycznych w testach NEDC na hamowni podwoziowej w różnych temperaturach
otoczenia.
1. WSTĘP
Pierwsza norma OBD (On Board Diagnostic) została opublikowana 19 lutego 1993 r.
przez EPA (Environment Protection Agency). Obecnie OBD II jest stosowany w większości
samochodów osobowych i użytkowych w USA. Jego europejska odmiana – EOBD (European On Board Diagnostic) jest stosowana w pojazdach samochodowych w Europie. W Polsce
skoordynowane prace nad wdrożeniem systemu EOBD rozpoczęły się w Instytucie Transportu Samochodowego.
Podstawowym celem, jaki przyjął ustawodawca, wprowadzając obowiązek stosowania
pokładowych systemów diagnostycznych w samochodach osobowych z silnikami ZI (na terenie Unii Europejskiej od 1 stycznia 2001 r.) jest ograniczenie emisji substancji toksycznych
do środowiska naturalnego. Ograniczenie emisji jest rozumiane jako maksymalne skrócenie
czasu od wykrycia usterki do jej usunięcia.
2. OPIS OBIEKTU BADAŃ ORAZ WARUNKÓW TECHNICZNYCH BADAŃ
Aby potwierdzić skuteczność działania sytemu EOBD, postanowiono dokonać jego
oceny w symulowanych warunkach na hamowni podwoziowej w europejskim cyklu jezdnym
według regulaminu EKG ONZ 83.05. Testy wykonano na samochodzie osobowym przekazanym do Instytutu Transportu Samochodowego w celu wykonania badań homologacyjnych
(parametry techniczne – tab. 1).
Tab. 1. Parametry techniczne obiektu badawczego
Tab. 1. Technical parameters of the tested vehicle
Wymiary i masa:
• Rozstaw osi pojazdu:
• Długość:
• Szerokość:
• Wysokość:
• Dopuszczalna masa całkowita:
Silnik:
• Zasada działania:
• Liczba i układ cylindrów:
• Pojemność skokowa:
• Maksymalna moc silnika
przy prędkości obrotowej:
• Reaktor katalityczny
(liczba, typ):
• Czujniki zawartości tlenu:
Układ napędowy:
• Typ skrzyni biegów:
Nadwozie (typ):
2625 mm
4209 mm
1777 mm
1458 mm
1725 kg
Zapłon iskrowy, czterosuwowy
4, rzędowy
1598 cm3
83 kW przy 6000 min–1
1 szt., trójfunkcyjny
2 szt.
Mechaniczna
Hatchback
Pomiary obiektu wykonano w laboratorium badań emisji spalin Instytutu Transportu
Samochodowego w Warszawie. Do badań wykorzystano aparaturę, która obejmuje:
• jednorolkową hamownię podwoziową z elektryczną symulacją bezwładności, firmy
AVL–Zöllner,
• układ CVS do poboru spalin, firmy AVL,
• zestaw analizatorów spalin do pomiaru stężeń CO, CO2, HC, NO/NOx, oraz O2, firmy AVL,
• komorę do badań w niskich temperaturach wyposażoną w dwurolkową hamownię
podwoziową firmy Jaroš.
Badany obiekt posiadał zaimplementowane główne procedury diagnostyczne:
• monitor wypadania zapłonów,
• monitor czujników zawartości tlenu,
• monitor reaktora katalitycznego,
• monitor elementów systemowych.
Rejestrację parametrów związanych z realizacją procedur diagnostycznych przeprowadzono z użyciem czytnika EOBD – AMX 550, który otrzymał złoty medal na Międzynarodowych Targach Poznańskich „Poznań Motor Show – 2001”. Z wykorzystaniem skanera
AMX 550 odczytywano kody błędów systemu EOBD (rys. 1).
Protokołem transmisji danych, który był wykorzystywany do komunikacji z głównym
sterownikiem samochodu był ISO 14230. Możliwe inne protokoły transmisji danych oraz
popularność ich stosowania przedstawiono na rys. 2.
Rys. 1. Widok ogólny testerów EOBD – AMX 540 i AMX 550
Fig. 1. AMX 540 and AMX 550 EOBD tester – general overview
PWM
VPW
ISO
14230
ISO 9141
Rys. 2. Częstotliwość występowania protokołów transmisji danych w nowo homologowanych
samochodach w Polsce
Fig. 2. Frequency of application of data transmission protocol in new type approved vehicles in Poland
3. BADANIA NA HAMOWNI PODWOZIOWEJ PODCZAS EUROPEJSKIEGO
CYKLU JEZDNEGO NEDC
Na podstawie wyników badań przedstawionych na rys. 3–5, można stwierdzić, że system EOBD niemal do końca trzeciej fazy cyklu UDC (Urban Driving Cycle) nie nadzoruje
żadnych badanych elementów ryzyka emisyjnego pojazdu (w temperaturze otoczenia –12oC,
w której samochód był kondycjonowany następuje to dopiero w cyklu pozamiejskim EUDC
(Extra Urban Driving Cycle)). Zgodnie z regulaminem EKG ONZ 83.05 producent pojazdu
może spowodować nieuaktywnianie się systemu EOBD w temperaturach poniżej –7oC,
w których samochód był kondycjonowany przed uruchomieniem silnika. Należy jednak
[km/h]
Prędkość
pojazdu
120
Część pierwsza
Ukończenie monitora
wypadania zapłonu
Część druga
Ukończenie
monitora
czujników tlenu
Ukończenie
monitora
elementów
systemowych
Ukończenie
monitora
reaktora
katalitycznego
100
Podstawowy
cykl miejski
136 s
podstawowego
cyklu
pozamiejskiego,
916 s po
rozpoczęciu testu
70
50
35
32
15
195
195
195
195
400
[s]
1180
Ukończenie monitora wypadania
zapłonu - dystans 3 707 m
Czas
235 s
podstawowego
cyklu
pozamiejskiego,
1015 s po
rozpocziu testu
Ukończenie monitora czujników telenu
- dystans 4 949 m
Ukończenie monitora elementów systemowych
- dystans 5 873 m
Ukończenie monitora reaktora katalitycznego
- dystans 7 497 m
Rys. 3. Realizacja monitorów w teście NEDC w temperaturze 22oC
Fig. 3. Monitor realisation during the NEDC cycle at ambient temperature of 22oC
[km/h]
Prędkość
pojazdu
Część pierwsza
Część druga
Ukoñczenie
Ukoñczenie monitora monitora czujnika
tlenu
wypadania zap³onu
120
Ukończenie monitora
elementów
systemowych
Ukończenie
monitora
reaktora
katalitycznego
100
Podstawowy
cykl miejski
70
50
35
32
15
195
195
195
195
1180
400
[s]
Czas
Ukończenie monitora wypadania
zapłonu - dystans 3 540 m
Ukoñczenie monitora czujników tlenu
- dystans 4 956 m
Ukoñczenie monitora elementów systemowych
- dystans 5 850 m
Ukoñczenie monitora reaktora katalitycznego
- dystans 7 364 m
Rys. 4. Realizacja monitorów w teście NEDC w temperaturze –7oC
Fig. 4. Monitor realisation during the NEDC cycle at ambient temperature of –7oC
[km/h]
Prędkość
pojazdu
Cześć pierwsza
Część druga
Ukończenie
monitora
elementów
systemowych
120
100
Podstawowy
cykl miejski
70
50
35
32
15
195
195
195
195
400
[s]
1180
Ukończenie monitora elementów systemowych
Czas
140 s cyklu
pozamiejskiego, 920 s
po rozpoczęciu testu
Rys. 5. Realizacja monitorów w teście NEDC w temperaturze –12oC
Fig. 5. Monitor realisation during the NEDC cycle at ambient temperature of –12oC
pamiętać, że test NEDC pojazdu zgodnie z regulaminem EKG ONZ 83.05 wykonuje się po
uprzednim jego kondycjonowaniu (w przypadku pojazdów z silnikami o zapłonie iskrowym),
a więc wszystkie procedury diagnostyczne są już wtedy wykonane. Prowadzenie np. jazd
próbnych przy badaniach na stacjach kontroli pojazdów po wykasowaniu kodów błędów, przy
wykorzystaniu standardowych czytników EOBD tzw. Generic Scan Tools, wydaje się być
jednak nieodzownym dla wykonania wszystkich zaimplementowanych w pojeździe procedur
diagnostycznych.
W wyniku rejestracji chwili wykonania poszczególnych procedur diagnostycznych okazało się, że dopiero w trzecim elementarnym miejskim cyklu jezdnym po przebyciu drogi
odpowiednio 3707 m i 3540 m (–7oC) następuje wykonanie procedury diagnostycznej wypadania zapłonów (przy wcześniejszym wykasowaniu wszystkich monitorów emisyjnych systemu EOBD). Pozostałe procedury diagnostyczne (czujników tlenu, elementów systemowych,
sprawności reaktora katalitycznego (przebyta droga ponad 7,3 km)) są wykonywane w piątym, pozamiejskim cyklu jezdnym.
Na rysunkach 6 i 7 przedstawiono uzyskane emisje substancji zanieczyszczających (CO,
HC, NOx) otrzymane odpowiednio dla przypadków przedstawionych na rys. 3–5 w porównaniu z emisjami tych substancji podawanymi przez producenta pojazdu oraz wartościami dopuszczalnymi emisji według regulaminu EKG ONZ 83.05.
Z analizy rys. 8 wynika także, że emisja CO i HC w całym cyklu UDC w temperaturach
o
–7 C i –12oC jest dla badanego pojazdu wyższa odpowiednio 39 (CO), 34 (HC), 6 (NOx) razy
od emisji tych substancji w temperaturze wykonywania testu +23oC.
Należy przy tym zauważyć, że tylko w pierwszej 195-sekundowej fazie cyklu miejskiego UDC testu NEDC (New European Driving Cycle) jest emitowane średnio ok. 90% CO
i 80% HC w stosunku do emisji całkowitej tych substancji w ww. teście. W ujemnych temperaturach otoczenia, największy wpływ temperatury, w której samochód był kondycjonowany
przed uruchomieniem silnika, na emisję występuje w pierwszej fazie cyklu UDC. Emisja CO
i HC w tej fazie jest dla temperatury –7oC wyższa odpowiednio około 11 do 16,5 razy i 3 do 7
razy, a dla temperatury –15oC odpowiednio 14 do 17 razy i 4 do 7,5 razy niż dla temperatury
+22oC.
W wyniku otrzymanych wyników należy potwierdzić skuteczność działania systemu
EOBD badanego obiektu w zakresie temperatur otoczenia (–7oC ÷ 23oC).
2,5
UDC
2,3
EUDC
2,0
NEDC
NEDC ze współczynnikiem pogorszenia
1,5
dopuszczalny limit zgodnie
z regulaminem R83.05
Dane producenta
samochodu
1,0
0,766
0,624
0,52
0,5
0,379
0,2
0,15
0,094
0,087
0,024
0,047
0,057
0,0
CO [g/km]
0,13
0,098
0,002
NOx [g/km]
0,063
0,075
0,047
HC [g/km]
Rys. 6. Emisja samochodu osobowego podczas europejskiego cyklu jezdnego NEDC (UDC + EUDC)
Fig. 6. Passenger car emissions during the NEDC (UDC and EUDC) cycle
16
15
UDC (–7°C)
14
EUDC (–7°C)
NEDC (–7°C)
12
UDC (–12°C)
EUDC (–12°C)
10
NEDC (–12°C)
7,575
8
dopuszczalny limit zgodnie
z Regulaminem R83.05
6,388
6
Dane producenta
samochodu
4
3,147
2,959
2,83
2,436
1,8
2
1,412
0,532
0,161
0,115
0
CO [g/km]
0,025
0,889
1,088
0,018
HC [g/km]
Rys. 7. Emisja samochodu osobowego podczas europejskiego cyklu jezdnego w komorze
niskich temperatur (–7oC) w porównaniu z emisją w temperaturze –12oC
Fig. 7. Passenger car emissions during the NEDC (UDC and EUDC) cycle in a low temperature chamber
(at ambient temperature of –7oC) compared to –12oC
4,5
UDC - samochód sprawny
4,0
EUDC - samochód sprawny
3,859
3,857
NEDC - samochód sprawny
3,5
NEDC ze współczynnikiem pogorszenia - samochód sprawny
3,216
3,0
UDC - odłączony czujnik tlenu przed katalizatorem
EUDC - odłączony czujnik tlenu przed katalizatorem
2,5
2,104
2,0
NEDC - odłączony czujnik tlenu przed katalizatorem
wzrost emisji
39 razy !
NEDC ze współczynnikiem pogorszenia - odłączony czujnik
tlenu przed katalizatorem
1,5
1,0
wzrost
emisji
6 razy !
0,5
0,088 0,08 0,083 0,099
0,526
0,515
wzrost emisji
34 razy !
0,415
0,261
0,096 0,066 0,077 0,092
0,0
CO [g/km]
0,429
NOx [g/km]
0,205
0,281
0,338
0,009 0,007 0,008 0,01
HC [g/km]
Rys. 8. Emisja samochodu osobowego podczas europejskiego cyklu jezdnego
w porównaniu z emisją przy odłączonym czujniku tlenu przed katalizatorem
Fig. 8. Passenger car emissions during the NEDC (UDC and EUDC) cycle,
as compared to the emissions with the first oxygen sensor disabled
4. WNIOSKI
W wyniku przeprowadzonej analizy można stwierdzić, że skuteczność działania pokładowych systemów diagnostycznych została doświadczalnie potwierdzona. Nieskuteczne działanie systemu zauważono jedynie w temperaturach wykonywania testu poniżej –7oC co nie
jest z punktu widzenia przepisów w żaden sposób sankcjonowane. Kierunek dalszych prac
badawczych powinien rozwiązać kwestię ograniczenia emisji toksycznych składników spalin
w niskich temperaturach (poniżej –7oC). Celowym wydaje się również opracowanie uproszczonego testu drogowego z przeznaczeniem dla samochodów, w którym dokonano skasowania statusu wykonania procedur diagnostycznych, aby potwierdzić prawidłowość wykonanej
naprawy.
LITERATURA
1. Regulation No. 83. Uniform Provisions Concerning the Approval of Vehicles with regard
to the Emission of Pollutants according to Engine Fuel Requirements.
2. Merkisz J., Mazurek S.: Pokładowe systemy diagnostyczne pojazdów samochodowych.
WKŁ Warszawa 2002.
3. Merkisz J., Ślęzak M., Gis W.: System diagnostyki pokładowej OBD. Konferencja Naukowa z okazji 50-lecia Instytutu Transportu Samochodowego pt. Determinanty i kierunki
rozwoju badań naukowych transportu samochodowego. Warszawa 2002.
4. Merkisz J., Ślęzak M., Gis W.: Poziom implementacji systemów OBD w homologowanych pojazdach w Polsce. Konferencja Naukowa pt. Diagnostyka Samochodowa 2002.
Rydzyna 2002.
EFFECTIVENESS APPRAISAL OF THE MAIN DIAGNOSTIC PROCEDURES
AND EOBD SYSTEM IMPLEMENTATION LEVEL IN PASSENGER CARS
WITH SPARK IGNITION ENGINES DURING TYPE APPROVAL TESTS
Abstract. The paper sheds some light on EOBD system implemented in passenger cars tested for type
approval in the years 2001–2002 in Poland. It also evaluates emission tests result (CO, HC and NOx
exhaust components) of these vehicles. The results of diagnostic monitor realisation during the NEDC
cycle chassis dyno tests in various ambient temperatures have been presented.