Во время обычной эксплуатации автомобиля контроллер периодически тестирует его электрические и электронные компоненты. При обнаружении неисправности контроллер переходит в аварийный режим работы, подставляя в алгоритмы подходящее значение параметра вместо того, которое дает неисправный блок. Например, если контроллер обнаружит неисправность в цепи датчика температуры охлаждающей жидкости, программа установит значение температуры для штатной работы двигателя (обычно 80°C) и будет использовать это значение при реализации управляющих алгоритмов, чтобы автомобиль оставался на ходу. Заметающее значение будет храниться в памяти ЭБУ.
Водитель информируется о неисправности с помощью контрольной лампы CHECK ENGINE (или светодиода), расположенной па панели приборов. Микропроцессор заносит специфический код неисправности в КАМ память ЭБУ. КАМ (Keep Alive Memory) — память контроллера, способная сохранять информацию при отключении питания ЭБУ. Это обеспечивается или подключением микросхем памяти отдельным кабелем к аккумуляторной батарее, или применением малогабаритных перезаряжаемых аккумуляторов, размещенных на печатной плате ЭБУ.
Основные сведения о стандарте OBD-II
Программное обеспечение современных автомобильных бортовых диагностических систем соответствует стандарту OBD-II.
Разработка требований и рекомендаций OBD-II велась под эгидой ЕРА (Environmental Protection Agency — Агентство по охране окружающей среды при правительстве США), при участии CARB (California Air Resources Board — отдел по охране окружающей среды при правительстве штата Калифорния) и SAE (Society of Automotive Engineers — Международное общество автомобильных инженеров). OBD-II предусматривает более точное управление двигателем, трансмиссией, каталитическим нейтрализатором и т. д. Доступ к системной информации ЭБУ можно осуществлять неспециализированными сканерами. С 1996 года все продаваемые в США автомобили соответствуют требованиям OBD-II. В Европе аналогичные документы принимаются традиционно с запаздыванием по отношению к США, тем не менее аналогичные правила вступили в силу с 1 января 2000 года (EOBD — European On Board Diagnostic).
Предприятия автосервиса выигрывают от применения стандарта OBD-II, т. к. процесс диагностики электронных систем автомобиля стандартизируется и можно один и тот же сканер без специальных адаптеров использовать для тестирования автомобилей всех марок (продаваемых в США начиная с 1996 года). Выполнение стандарта OBD-II обеспечивает:
- стандартный диагностический разъем;
- стандартное размещение диагностического разъема;
- стандартный протокол обмена данными между сканером и автомобилем;
- стандартный список кодов неисправностей;
- сохранение в памяти ЭБУ кадра значений параметров при появлении кода ошибки («замороженный» кадр);
- мониторинг бортовыми диагностическими средствами компонентов, отказ которых может привести к увеличению токсичных выбросов в окружающую среду;
- доступ неспециализированных сканеров к кодам ошибок, параметрам, «замороженным» кадрам, тестирующим процедурам и т. д.;
- перечень терминов, сокращений, определений, используемых для элементов электронных систем автомобиля.
Обмен информацией между сканером и автомобилем производится согласно международному стандарту ISO1941 и стандарту SAE J1850. Стандарт J1979 устанавливает список кодов ошибок и рекомендуемую практику программных режимов работы для сканера.
В соответствии с требованиями OBD-II бортовая диагностическая система должна обнаруживать ухудшение работы средств доочистки токсичных веществ в выхлопных газах. Например, индикатор неисправности, в терминологии систем OBD-II лампа Malfunction Indicator Lamp — MIL (аналог прежней Check Engine), включается при увеличении содержания CO или СН в выхлопных газах на выходе каталитического нейтрализатора более чем в 1,5 раза по сравнению с допустимыми значениями. Такие же процедуры применяются и к другому оборудованию, неисправность которого может привести к увеличению загрязнения окружающей среды.
Структура программного обеспечения систем OBD-II
Программное обеспечение ЭБУ двигателя современного автомобиля сложное. Диагностика и самотестирование в системах OBD-I1 осуществляется подпрограммой Diagnostic Executive, часто называемой просто Executive. Executive с помощью специальных программ — мониторов (emission monitor) контролирует до семи различных систем автомобиля, неисправность в работе которых может привести к увеличению загрязнения окружающей среды. Остальные датчики и исполнительные механизмы, не вошедшие в эти семь систем, контролируются восьмым монитором (comprehensive component monitor — ССМ). Executive работает, в фоновом режиме и осуществляет постоянный контроль оборудования с помощью упомянутых программ — мониторов без вмешательства человека.
Каждый монитор может осуществить тестирование во время поездки, то есть цикла «ключ зажигания включен — двигатель работает — ключ выключен» при выполнении определенных условий. Критерием может быть время после запуска двигателя, обороты двигателя, скорость автомобиля, положение дроссельной заслонки и т. д. Многие тесты выполняются на прогретом двигателе. Производители по-разному устанавливают это условие, например, для автомобилей Ford это означает, что температура двигателя превышает 70°C (158°F) и в течение поездки она повысилась не менее чем на 20°C (36°F)
По различным причинам Executive может задержать выполнение теста:
- отмененные тесты — Executive выполняет некоторые вторичные тесты только если прошли первичные, в противном случае тест нс выполняется;
- конфликтующие тесты — иногда одни и те же датчики и компоненты должны быть использованы разными тестами. Executive нс допускает этого, задерживая один тест до конца выполнения второго;
- задержанные тесты — тесты и мониторы имеют различный приоритет, Executive задержит тест с более низким приоритетом, пока нс выполнит тест с более высоким приоритетом.
В табл. 3.1 приведены условия для выполнения или задержки тестов монитора каталитического нейтрализатора OBD-II совместимых автомобилей Chrysler.
Executive осуществляет три вида тестов:
- пассивный тест означает просто наблюдение (мониторинг) за значениями параметров системы или цепи;
- активный тест реализуется, когда система не проходит пассивный тест. Предполагается подача тест-си гнала и регистрация реакции системы на него. Тест-сигнал должен оказывать минимальное воздействие на текущую работу исследуемой системы;
- если не прошли активный и пассивный тесты. Executive выполнит тест, во время которого режимы двигателя и подсистем могут меняться.
Результаты выполнения тестов передаются от мониторов Executive. Коды ошибок обнаруженной неисправности записываются в память ЭБУ и зажигается лампа MIL, если неисправность подтверждается в двух подряд поездках.
Монитор ССМ контролирует входные и выходные сигналы компонентов и подсистем вне деятельности первых семи мониторов. В зависимости от вида цени ССМ может установить обрыв, замыкание или несоответствие сигнала норме. Проводятся также тесты на «рациональность» для входных и «функциональность» для выходных сигналов, проверяющие соответствие их значений режиму. Например, проверка на рациональность выходного сигнала датчика положения дроссельной заслонки в системе управления впрыском с определением массы воздуха по его объемному расходу предполагает сравнение сигналов с датчиков положения дроссельной заслонки и абсолютного давления во впускном коллекторе. При большем открытии дроссельной заслонки разрежение во впускном коллекторе уменьшается, сигнал с датчика абсолютного давления должен это подтверждать. При нормальной работе сигналы этих двух датчиков соответствуют друг другу, что и проверяется монитором ССМ.
В зависимости от типа ЭБУ монитор ССМ может контролировать следующие устройства:
- датчик массового расхода воздуха;
- датчик температуры охлаждающей жидкости;
- датчик температуры воздуха;
- датчик положения дроссельной заслонки;
- датчик положения коленчатого вала;
- датчик положения распределительного вала;
- бензонасос и т. д.
Обычно Executive включает лампу MIL после обнаружения неисправности в двух подряд поездках.
Посредством первых семи мониторов Executive .контролирует подсистемы автомобиля, неисправности в которых могут увеличить количество выбрасываемых в окружающую среду токсичных веществ. Эти мониторы способны обнаруживать ухудшение характеристик обслуживаемых подсистем, приводящее к превышению норм на токсичность в 1,5 раза. Мониторы обслуживают:
- каталитический нейтрализатор;
- датчики кислорода;
- пропуски воспламенения;
- топливную систему;
- систему улавливания паров топлива в баке;
- систему рециркуляции выхлопных газов;
- систему подачи воздуха в выпускной коллектор.
Таблица 3.1
Разрешающие критерии
- Температура охлаждающей жидкости более 75°C (170°F)
- Скорость автомобиля превышает 20 миль в час более чем 2 минуты
- Дроссельная заслонка открыта
- Система управления двигателем работает в режиме с обратной связью
- Обороты двигателя в пределах 1248... 1952 для автоматической коробки передач и 1248...2400 — для ручной
- Напряжение на выходе датчика абсолютного давления во впускном коллекторе в пределах 1,5...2,6 В
Критерии отмены
- Наличие кодов ошибок из-за пропусков воспламенения
- Наличие кодов ошибок, установленных монитором датчиков кислорода
- Наличие кодов ошибок из-за неисправности датчика кислорода на входе каталитического нейтрализатора
- Наличие кодов ошибок из-за неисправности датчика кислорода на выходе каталитического нейтрализатора
- Наличие колов ошибок из-за работы топливной системы на переобогащенной смеси
- Наличие кодов ошибок из-за работы топливной системы на переобедненной смеси
- Система управления двигателем работает в аварийном режиме, имеются коды ошибок из-за датчиков абсолютного давления во впускном коллекторе, положения дроссельной заслонки или температуры охлаждающей жидкости
- Наличие кодов ошибок из-за рациональности сигнала датчика кислорода на входе каталитического нейтрализатора
- Наличие кодов ошибок из-за рациональности сигнала датчика кислорода на выходе каталитического нейтрализатора
Конфликты
- Работает монитор системы рециркуляции выхлопных газов
- Работает монитор системы улавливания паров бензина в баке
- Двигатель заведен менее 60 секунд тому назад
- В предыдущей поездке был получен код ошибки из-за пропуска воспламенения
- В предыдущей поездке монитором датчиков кислорода был получен код ошибки
- В предыдущей поездке был получен код ошибки из-за неисправности нагревателя входного датчика кислорода
- В предыдущей поездке был получен код ошибки из-за неисправности нагревателя выходного датчика кислорода
- В предыдущей поездке был получен код ошибки из-за работы топливной системы с переобедненной смесью
- В предыдущей поездке был получен код ошибки из-за работы топливной системы с переобогащенной смесью
Условие задержки
- Данные, полученные монитором, не записываются до окончания действия монитора датчиков кислорода
Монитор каталитического нейтрализатора
Современные газоанализаторы — это достаточно сложные, громоздкие и дорогостоящие устройства и поэтому на автомобилях не устанавливаются. Для контроля исправности каталитического нейтрализатора на его выходе установлен второй датчик кислорода (см. рис. 2.16). Система управления подачей топлива в двигатель является релейным стабилизатором стехиометрического состава ТВ-смеси, который колеблется около стехиометрического значения с частотой 4...10 Гц, что отслеживается сигналом с входного по отношению к каталитическому нейтрализатору датчика кислорода. Этот сигнал колеблется между уровнями 0,1...0,9 В на частоте 4...10 Гц в соответствии с изменениями концентрации кислорода в выхлопном газе. В исправном нейтрализаторе кислород участвует в химических реакциях, его концентрация в выхлопном газе уменьшается, поэтому в выходном сигнале датчика кислорода на выходе нейтрализатора практически нет колебаний (см. рис. 2.17, поз. 2). Чем более неисправен (отравлен) нейтрализатор, тем более похожи сигналы входного и выходного датчиков. В зависимости от системы монитор каталитического нейтрализатора или просто подсчитывает и сравнивает частоты колебаний этих сигналов, или производит статистическую обработку. Монитор через Executive запишет код ошибки при обнаружении неисправности в трех подряд поездках.
Монитор датчиков кислорода
Монитор проводит различные тесты в зависимости от того, где расположен датчик — на входе или на выходе каталитического нейтрализатора. Для обоих датчиков проверяется исправность цепей нагревателей. Для датчика кислорода на входе нейтрализатора проверяются напряжения по высокому и низкому уровням сигнала и частота переключений. Частота определяется по числу пересечений сигналом с датчика среднего уровня 450 мВ за определенное время; измеренное значение сравнивается с полученным в предыдущем тесте. Кроме того, монитор определяет длительность фронтов сигнала, т. е. переходов «обедненная смесь — обогащенная смесь» и «обогащенная смесь — обедненная смесь». Обычно фронт «обедненная смесь — обогащенная смесь» короче. Монитор определяет также среднее время реакции датчика кислорода на входе нейтрализатора.
Для датчика кислорода на выходе нейтрализатора, сигнал которого почти не флуктуирует, монитор проводит два теста. Для обогащенной смеси монитор следит за тем, чтобы сигнал с выходного датчика кислорода имел фиксированное низкое значение, а при обедненной смеси — фиксированное высокое значение.
Для обоих датчиков кислорода монитор включит лампу MIL и запишет код ошибки при обнаружении неисправности в двух подряд поездках.
Монитор пропусков в системе зажигания
Причиной пропусков могут быть недостаточная компрессия, несоответствующее количество подаваемого в цилиндры топлива, слабая искра и т. д. Пропуски приводят к увеличению количества углеводорода (СН) в выхлопных газах на входе каталитического нейтрализатора, что ускоряет его деградацию и увеличивает содержание токсичных веществ в выхлопе.
При пропуске воспламенения давление в цилиндре во время рабочего хода ниже нормы движение поршня и коленчатого вала замедляется. Именно по этим признакам монитор определяет наличие пропуска. Информация поступает отдатчика положения коленчатого вала. Равномерное следование импульсов с выхода датчика положения коленчатого вала (рис. 3.7) нарушается при пропуске, несколько импульсов подряд будут иметь увеличенную длительность. Сравнение выходных сигналов отдатчиков положения распределительного и коленчатого валов позволяет идентифицировать цилиндр с пропуском.
Рис. 3.7. Схема определения пропусков в системе зажигания
Монитор учитывает возможность вибраций на плохих дорогах. Для повышения помехозащищенности организованы программные счетчики пропусков воспламенения для каждого цилиндра в отдельности. В этих счетчиках хранится число пропусков за последние 200 и 1000 оборотов распределительного вала. Каждый раз, когда монитор фиксирует пропуск, Executive опрашивает счетчики, определяя, не отличается ли содержимое проверяемого счетчика от других. Монитор не допускает переполнения счетчиков.
Монитор различает неисправности, когда пропуски воспламенения могут вывести из строя каталитический нейтрализатор и когда нормы на токсичность превышены более чем в 1,5 раза. Executive немедленно запишет в память ЭБУ код ошибки и лампа MIL будет при этом мигать, если в более 15% случаев за время последних 200 оборотов были зафиксированы пропуски. В терминах OBD-II — это неисправность и код ошибки типа А.
Неисправность типа В и код ошибки устанавливаются, если в двух подряд поездках монитор зафиксировал более 2% пропусков на 1000 оборотов. В этом случае Executive включает лампу MIL постоянно и записывает соответствующие коды ошибок в память ЭБУ.
Монитор топливной системы
ЭБУ в режиме работы с обратной связью осуществляет стабилизацию стехиометрического состава топливной смеси. Это релейная стабилизация, т. е. состав смеси постоянно колеблется между уровнем «богатая смесь — бедная смесь», по в среднем состав поддерживается стехиометрическим. Частота колебаний около 10 Гц.
При релейной стабилизации стехиометрического состава ТВ-смеси ЭБУ постоянно меняет этот состав в пределах±20%. Это нормально, такие переключения состава ТВ-смеси требуются и для устойчивой работы каталитического нейтрализатора. Колебания состава ТВ-смеси отображаются мгновенными значениями коэффициента коррекции топливоподачи. Эти значения колеблются относительно среднего в интервале±20% при нормальной работе. При отключении зажигания мгновенные значения коэффициентов коррекции подачи топлива нс сохраняются.
За время длительной эксплуатации в двигателе автомобиля накапливаются различные изменения параметров и характеристик, которые компьютер компенсирует, изменяя средние значения коэффициентов топливокоррекции, которые хранятся в памяти ЭБУ. Коэффициент коррекции топливоподачи +21% означает, что ЭБУ подает в двигатель в среднем на 21% больше топлива для поддержания стехиометрического состава смеси, чем требуется по расчету для того же режима (или определено экспериментально для заведомо исправного двигателя). В данном случае причиной может быть, например, утечка разрежения, что приводит к появлению дополнительного воздуха, для компенсации которого ЭБУ вводит больше топлива в цилиндры (на 21% больше).
Таким образом, текущее значение коэффициента топливокоррекции равно сумме среднего и мгновенного значений.
Информация о средних значениях коэффициента топливокоррекции нужна при диагностике, естественно, она входит в число параметров, получаемых от ЭБУ сканером. На устаревших автомобилях значения коэффициентов топливокоррекции нормировались в пределах 0...255 отсчетов или 0...100%. Для контроллера МР7.0Н автомобиля ВАЗ средние значения коэффициентов коррекции подачи топлива могут быть в диапазоне±0,45. Для систем OBD-II значения нормированы в пределах±100 (рис. 3.8). Значения из середины диапазона, т. е. 128 отсчетов или 50% (0% для OBD-II) соответствуют оптимальному режиму работы исправного двигателя, где никакой коррекции базовых значений калибровочной диаграммы в осях «обороты — нагрузка двигателя» не производилось.
Рис. 3.8. Шкала коэффициентов топливокоррекции
Монитор топливной системы отслеживает средние и мгновенные значения коэффициентов коррекции топливоподачи. В случае, когда ЭБУ посредством коррекции подачи топлива уже не может компенсировать накапливающиеся неисправности, загорается лампа MIL и заносятся в память соответствующие коды ошибок.
Монитор системы улавливания паров бензина
Монитор контролирует объем паров топлива, поступающий из адсорбера во впускной коллектор, и утечки из этой системы.
Пары топлива поступают из бака (рис. 3.9) в адсорбер с активированным углем объемом около 1 л, где накапливаются и при определенном условии, например при равномерном увеличении скорости движения автомобиля, ЭБУ открывает электромагнитный клапан продувки адсорбера, пары топлива засасываются с воздухом во впускной коллектор и сжигаются в цилиндрах двигателя. Без принятия подобных мер испарение топлива даст до 20% общего количества токсичных веществ, выбрасываемых автомобилем в окружающую среду.
Рис. 3.9. Схема улавливания паров топлива в баке
Монитор контролирует объемный расход паров топлива но сигналу датчика давления в бензобаке (рис. 3.9). При этом клапан продувки адсорбера открыт, а клапан подвода атмосферного воздуха в адсорбер закрыт. При закрытом клапане продувки адсорбера по показаниям датчика давления паров топлива в бакс определяется интенсивность утечки.
Если в двух подряд поездках будут зафиксированы неисправности, Executive включит лампу MIL и запишет коды ошибок.
Монитор системы рециркуляции выхлопных газов
Система рециркуляции выхлопных газов (exhaust gas recirculation — EGR) предназначена для уменьшения содержания окислов азота (NO) в выхлопных газах. В присутствии солнечного света NOX вступают в реакцию с углеводородом, образуя канцерогенный фотохимический смог.
Впервые система EGR была применена на автомобилях Chrysler в 1972 году. Окислы азота возникают при температуре в камере сгорания выше 1370°C (2500°F). При некоторых режимах работы двигателя, когда не производится отбор полной мощности, например, при равномерном движении по шоссе, допустимо снизить температуру сгорания рабочей смеси, т. е. пойти на уменьшение мощности. Это достигается введением небольшого количества (6...10%) выхлопных газов из выпускного во впускной коллектор. Выхлопные газы практически не содержат кислорода и поэтому разбавляют ТВ-смесь, не изменяя коэффициент β (соотношения воздух/топливо), но заметно понижают температуру горения.
С 80-х годов EGR стала частью электронной системы управления двигателем.
Монитор EGR контролирует эффективность работы системы рециркуляции выхлопных газов. Во время теста открывается и закрывается клапан EGR и наблюдаются реакции контрольного датчика. Выходной сигнал контрольного датчика сравнивается со значениями из калибровочной таблицы, определяется эффективность системы EGR, при неудовлетворительных результатах монитор запишет в память ЭБУ соответствующие коды ошибок. В качестве контрольного датчика могут быть использованы различные устройства.
На автомобилях Chrysler контролируется изменение выходного напряжения датчика кислорода. При закрывании клапана EGR содержание кислорода в выхлопных газах повышается и, как следствие, напряжение на выходе датчика кислорода уменьшается. Монитор запишет код ошибки, если это напряжение уменьшилось недостаточно.
Ford использует по крайней мере два типа контрольных датчиков в зависимости от модели. В одном варианте применяется тсрморсзистор с отрицательным коэффициентом сопротивления, установленный на входном патрубке EGR. Монитор контролирует температуру выхлопных газов при открытом и закрытом клапане. Для исправной системы напряжение на тсрморсзисторе уменьшится, когда клапан открывается. Если изменение напряжения не соответствует заложенному в таблицу значению, монитор запишет в память ЭБУ код ошибки. В другом варианте в трубе между EGR и впускным коллектором делается вставка с калиброванным отверстием и измеряется дифференциальное давление по обе его стороны. Когда клапан EGR открывается, это давление убывает, что фиксируется монитором посредством датчика дифференциального давления. Когда клапан EGR закрыт, давление по обе стороны вставки должно быть одинаковым.
На автомобилях General Motors в качестве контрольного используется Датчик абсолютного давления во впускном трубопроводе, где давление изменяется при открывании клапана EGR.
Монитор инжекции вторичного воздуха (AIR-monitor) в каталитический нейтрализатор
Каталитические нейтрализаторы со вторичной инжекцией воздуха для ускорения их разогрева при пуске двигателя используются не на всех автомобилях, соответственно в программном обеспечении не всех ЭБУ имеются такие мониторы.
Монитор контролирует во время теста исправность клапана и байпасного канала, количество проходящего в нейтрализатор воздуха. Для идентификации проходящего через клапан воздуха большинство производителей используют датчик кислорода на входе нейтрализатора. Разумеется, Executive задерживает выполнение теста монитора AIR, пока нс выполнится тест монитора датчиков кислорода. Как и для всех остальных мониторов, Executive включает лампу MIL и записывает коды ошибок в память ЭБУ при обнаружении неисправности в двух поездках подряд.