Home

Documento PDF - AMS Tesi di Laurea

1. INIZ LAMBDA VETTORE_LAMBDA_0 INIZ _LAMBDA CONTATORE_VETTORE_0 ESEC _LAMBDA ESEC _LAMBDA FT_0 LAMBDA_VOLTAGE LAMBDA_VOLTAGE ere mZ VETTORE_LAMBDA VETTORE_LAMBDA ___ VETTORE_IN Wei CONTATORE_VETTORE ___j___ z CONTATORE VETTORE m CONTATORELIN erge FK FT Fig 5 11 Secondo blocco adibito alla gestione della soglia dinamica In Fig 5 12 sono visibili le modalit di produzione degli output durante l inizializzazione e durante l esecuzione Il sottoblocco innescato dalla chiamata INIZIALIZZAZIONE VETTORE pone a zero il vettore di scorrimento e la soglia FT mentre fissa ad 1 il contatore delle posizioni riempite nel vettore Il secondo sottoblocco innescato dalla chiamata ESECUZIONE VETTORE provvede alla produzione della soglia dinamica secondo lo schema logico riportato in Fig 5 13 89 Cap 5 Elaborazione del modello diagnostico VETTORE_LAMBDA 0 GI VETTORE_LAMBDA_0 CONTATORE_VETTORE_0 2 CONTATORE_VETTORE_0 FT_0 tE INIZ_LAMBDA FT_0 CL INIZ _LAMBDA ESEC _LAMBDA ESEC _LAMBDA ED LAMBDA_VOLTAGE VETTORE_LAMBDA 4 LAMBDA_VOLTAGE VETTORE_LAMBDA 4 CONTATORE_VETTORE 5 VETTORE_IN CONTATORE_VETTORE D CONTATORE_IN C6 CONTATORE_IN FT Fig 5 12 Inizializzazione ed esecuzione del vettore a scorrimento e della soglia FT Il vettore VETTORE IN di ritorno dall esterno del blocco in esame
2. Best Transition wth New Oxygen Sensor and Catalyzer Worse Transition with New Oxygen Sensor and Catalyzer 12 T T T T T I T T T T T T T T T LAMBDA VOLTAGE INDICATORE CUTOFF LAMBDA VOLTAGE 1 INDICATORE CUTOFF 0 8 0 6 tesi 0 lt 0 4 0 2 0 di fi fi il l fi L fi fi fi AM e TT ll zi Z NN e 185 19 1895 10 1905 131 1915 19 1925 198 115 11155 16 116 5 117 1175 TB 1165 19 1195 120 time s time s BEST TRANSITION vs WORSE TRANSITION E i WORSE TRANSITION BEST TRANSITION 3 ARON Bias T RE re NPE PP o 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 1 time s Fig 4 12 Transizione pi rapida e pi lenta a confronto registrate con sonda e catalizzatore entrambi nuovi 65 Cap 4 Scelta e ottimizzazione dell indice di detezione In merito alla considerazione c descritta in precedenza Paragrafo 4 1 1 occorre specificare che le transizioni studiate comprendono anche quelle che hanno avuto termine con il motore non pi in modalit di cut off Nella Fig 4 12 si evidenzia come l interruzione del cut off prima del termine della transizione possa influire sull andamento della transizione stessa nello specifico confrontando la transizione che fa registrare il pi alto indice terminata in condizioni di cut off con quella che fa registrare l indice pi basso terminata dopo la fine del cut off si pu ben in
3. CD TIPOLOGIA_GUASTO Fig 5 19 Blocco ausiliario per la comunicazione al gestore diagnostico Con questo ultimo paragrafo si ritiene completata la descrizione della struttura del modello Simulink elaborato durante il periodo di tesi 99 Cap 5 Elaborazione del modello diagnostico 100 Cap 6 Simulazioni e test di validazione della strategia Capitolo 6 Simulazioni e test di validazione della strategia 6 1 Introduzione all attivit La parte conclusiva dell attivit trattata nell elaborato stata dedicata alla verifica della robustezza della diagnosi e dell effettivo corretto funzionamento del modello Simulink In prima istanza si voluto verificare il corretto funzionamento del modello in termini di evoluzione analizzando la conformit alle aspettative dell avanzamento e dell andamento di tutti i parametri In secondo luogo prevalsa l esigenza di valutare la congruenza tra i risultati in termine di indice di detezione e dispersione dello stesso tra le analisi effettuate off line nella parte di caratterizzazione sperimentale e gli effettivi risultati del modello diagnostico Per effettuare queste valutazioni si sono aggiunte altre acquisizioni a quelle gi disponibili effettuate questa volta con le seguenti modalit e Treni di cut off in quarta quinta e sesta marcia con differenti portate d aria decrescenti di inizio cut off con catalizzat
4. Possibilit Tempo di Condizioni di CUTOFF TM DTM i TV TCUTOFF TMV 9 diagnosi Diagnosi Cutoff Identifica o meno la Tempo che presenza della A A a Tempo che intercorre ma Rei intercorre tra Tempo di stazionamento x n TERPO spor PRELA tra l inizio del cutoff E A l inizio del cutoff della Sonda a Monte a DEADS AEDS ES sonda a monte Magro della Sonda a Ne 3 i eseguire la diagnosi Sequenza di e la visione dei primi la transizione n valori magri prima che 3 registra un Nan Valle SI la Durata Cut off s della Sonda per essere Cambio Marcia CutOff pacchetti di ossigeno Grasso Magro nella la Sonda a Valle eccesso d aria transizione stata certi di avere solo dalla Sonda a Monte Sonda a Valle nel effettui la transizione asa x A 2 s i registrata NO la EET E A pacchetti di aria s ts transizione non stata SR e T i Di registrataj registrata s 1 1 136 0 392 SI 1 184 1 096 0 788 0 088 1 gt 2 2 0 664 0 332 NO 0 000 0 596 0 000 2 gt 3 3 0 948 0 344 SI 1 172 0 896 0 824 0 276 3 gt 4 4 0 808 0 368 NO 0 000 0 796 0 000 4 gt 5 5 0 408 0 272 NO 0 000 0 400 0 000 5 gt 6 6 1 040 0 844 SI 1 400 1 296 0 552 0 104 CutOff in 6 7 1 848 0 336 NO 0 000 1 504 0 000 CutOff in 5 8 0 336 0 428 NO 0 000 0 400 0 000 cutoff in 4 9 0 236 0 288 NO 0 000 0 300 0 000 4 gt 5 10 19 760 0 624 SI 1 288 19 596 0 660 18 308 e Ea gt Cutoff in 3 11 0 252 0 444 NO 0 000 0 300 0 000 3 gt 2 12 1 188 0 692 NO 0 000 1 400 0 000 Cut
5. 37 gt 3 1 Dinamiche della sonda lambda a valle catalizzatore 37 gt 3 2 Modalit di spegnimento cilindri cut off 41 gt 3 3 Studio dei tempi caratteristici del segnale della sonda 43 gt 3 4 Caratterizzazione influenza del carico regime e marcia 47 Indice gt 3 5 Ottimizzazione della frequenza di campionamento del segnale in tensione della sonda 53 gt 3 6 Conclusioni fase sperimentale di caratterizzazione 55 Capitolo 4 Scelta e ottimizzazione dell indice di detezione 57 gt 4 1 Indice base 57 4 1 1 Indici base ottenuti con sonda e catalizzatore nuovi 59 4 1 2 Indici base ottenuti con sonda e catalizzatore invecchiati 63 gt 4 2 Analisi di sensitivit alla portata d aria 68 4 2 1 Normalizzazione rispetto all integrale della portata d aria 69 4 2 2 Normalizzazione rispetto alla media della portata d aria 70 gt 4 3 Introduzione della soglia dinamica 74 Capitolo 5 Elaborazione del modello diagnostico 77 gt 5 1 Struttura del modello TI gt 5 2 Schedulatore 79 gt 5 3 Abilitazione strategia naturale 80 gt 5 4 Abilitazione strategia forzata 83 gt 5 5 Calcolo e gestione della soglia dinamica 85 gt 5 6 Macchina di diagnosi 92 gt 5 7 Blocchi ausiliari 98 5 7 1 Gestione del tempo rilascio pedale 98 5 7 2 Comunicazione al gestore diagnostico 99 Capitolo 6 Simulazioni e test d
6. Analisi e caratterizzazione sperimentale delle transizioni della sonda lambda TEMPO RILASCIO PEDALE 400 N USEFUL CUT OFF 11 3500 H s I O O e J 3000 H pi n 4 RE SE pr pre pr J E i i i i 2 i aes i i i i 2000 pe pi BL AR ii J 2 i i i l a i RE di i RR E ri J i i H i 1000 pe e J dino a E Aa ni anni J 0 i i i f i 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 Engine Speed rpm Fig 3 10 Punti motore di inizio cut off utili Tempi di rilascio pedale 400 ms TEMPO RILASCIO PEDALE 300 4000 N USEFUL CUT OFF 7 3500 3000 Engine Load mbar S s 1000 500 i i i i i 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 Engine Speed rpm Fig 3 11 Punti motore di inizio cut off utili Tempi di rilascio pedale 300 ms 49 Cap 3 Analisi e caratterizzazione sperimentale delle transizioni della sonda lambda TEMPO RILASCIO PEDALE 200 4000 N USEFUL CUT OFF 5 3500 3000 a su iui esuli 5 f i f 2 E g 5 2000j po pci pai i i i i 2 i pezi di i f i i 14500 H bo boo ii di ii A i HO i 1000 po pe pi 800 EE E E E E mi 0 I I Il i fi 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 Engine Speed r
7. Emissioni normative e sonda lambda 2000 98 69 2005 98 69 2009 98 69 2011 70 156 2016 70 156 0 0 5 0 06 0 08 0 068 Tab 1 2 Limiti europei di emissione per autovetture veicoli di peso inferiore a 2 5 t Euro VI 17 Rappresenta la normativa futura che riguarder tutti i veicoli omologati dal 1 gennaio 2014 e tutti quelli immatricolati dal 1 Gennaio 2016 Va precisato che con l avvento dell Euro II sono stati eliminati i 40 secondi di preriscaldamento catalizzatore a inizio ciclo ECE EUDC comportando necessariamente un aumento delle sostanze inquinanti emesse durante il ciclo Inoltre a partire dall Euro V previsto un limite sulle emissioni di particolato dei motori a benzina a iniezione diretta che funzionano a miscela magra GDI 1 3 1 4 La normativa EOBD European On Board Diagnostic Il veicolo nel corso della sua vita utile pu andare incontro a malfunzionamenti di alcuni componenti o moduli con conseguente aumento delle emissioni e superamento dei valori di soglia imposti dalla normativa di omologazione Per questo motivo necessario imporre degli standard per tutte le case automobilistiche per quanto riguarda la diagnosi e il riconoscimento di alcune tipologie di guasto dei sottoinsiemi emission relevant cio di quei componenti che se non funzionanti possono peggiorare significativamente le emissioni catalizzatore sonda LI Cap 1 Emis
8. 0 D 0 1 2 S 4 1 2 3 d 1 2 9 4 1 23 5 N Test QAH1 3 31 3 33 3 29 2 5 9 s QAH 2 3 35 3 36 3 31 2 56 9 s QAH3 3 32 3 33 3 29 2 53 g s Fig 4 17 Indici a confronto di un set di 4 transizioni selezionate da acquisizioni eseguite con sonda nuova e catalizzatore invecchiato vs 2 5 0 5 INDEX INDEX1 INDEX 2 INDEX3 e OE a 0 9 F 0 9 F J 09 08t 0 8 4 0 84 azt o z J4 oz nel ost J4 ost Fast 05 J Fast J ost o4 J ost ost ost J4 ost J 0 24 02F lt 0 2 F 01H ot J4 oat 12 3 4 i i La Da 2 3 4 N Test QAH1 2 91 4 3 3 27 2 91 9 5 QAH2 3 27 4 3 3 3 3 27 9 s QAH3 2 92 4 3 3 27 2 93 s Fig 4 18 Indici a confronto di un set di 4 transizioni selezionate da acquisizioni eseguite con sonda e catalizzatore entrambi invecchiati ro Cap 4 Scelta e ottimizzazione dell indice di detezione INDEX INDEX 1 INDEX 2 INDEX 3 T T 35 T T r T 3 5 T r 9p l 3 J 3 3 J 8f 4 zl ast di 6 25 d amp l A A a 2 2 J Si gl ls z z gt gt 15 ses 15 J 4 d BF il iL 4 1H 1H a 24 ost 1 ost 05 J 1H J o o o o 1 pi g 4 1203 4 1 DI 4 i 2 9 4 N Test QAH1 3 3 3 16 3 16 3 18 9 s QAH2 3 33 3 35 3 17 3 22 9 s QAH3 3 3 3 15 3 16 3 18 9 s Fig 4 19 Indici a confronto di un set di 4 transizioni selezionate da acquisizioni eseguite con c
9. Fig 6 4 Gaussiane degli indici per due differenti calibrazioni FT ed ST Le Gaussiane cos ottenute risultano sovrapposte lungo un intervallo di valori non trascurabile L esito cos proposto non soddisfacente ma tenendo conto di ci che stato premesso possiamo ancora sperare che per determinate condizioni di abilitazione la dispersione vada a ridursi entro valori accettabili per la diagnosi Occorre inoltre precisare che queste curve 107 Cap 6 Simulazioni e test di validazione della strategia sono state costruite utilizzando i singoli indici elaborati dal modello mentre normalmente la diagnosi cio il paragone con un adeguato valore di soglia viene eseguito sulla media di pi indici Come corollario dell analisi eseguita si pu osservare che eta cio la standard deviation sigma normalizzata rispetto al valore medio mu u tende a mutare in base alla scelta delle soglie FT ed ST questo aspetto sar preso come spunto in uno dei paragrafi successivi per generare un codice di auto calibrazione destinato alla ricerca della coppia di calibrazione che minimizza la dispersione 6 3 2 Dispersione indici sulle nuove acquisizioni Le nuove acquisizioni come gi accennato riguardano una sonda nuova ed una sonda degradata con l utilizzo di software entrambe montate a valle di un catalizzatore nuovo Le simulazioni lanciate hanno analizzato transizioni eseguite a partire da condizion
10. a 4 1 1 1 1 1 1 SOGLIAIN_GRASSO LAMBDA_VALLE aA AERO AMDA VATE DM SOCHATPMASRO SOGLIA_IN_MAGRO RISULTATO DIAGNOSI POSITIVO NEGATIVO 1 4 4 1 1 1 4 4 1 Pa STATO DIAGNOSI NON EFFETTUATA TERMINATA 1 T T T T T T T T 1 ni ni ri 1 ni 1 Fig 2 6 Diagnosi terminata con successo con transizione in grasso 9a Cap 2 Sonda lambda nella diagnosi catalizzatore LAMBDA_TARRGET 1068 dad s z ca x SOGLIA_IN_GRASSO LAMBDA_VALLE mV SOGLIA_IN_MAGRO s FREE sm uM uM MaM sm sd t sa s 2 RISULTATO DIAGNOSI POSITIVO NEGATIVO 1 ua s E s aa t GLI a 2 STATO DIAGNOSI NON EFFETTUATA TERMINATA 1 ue g s e E sd aa t LI s Fig 2 7 Diagnosi terminata con successo con transizione grasso magro EL LAMBDA_TARGET aa na 24 SOGLIA_IN_GRASSO LAMBDA_VALLE mV SOGLIA_IN_MAGRO CLI s 2 24 s CLI s Fig 2 8 Diagnosi terminata con successo OSC stimato gt OSC min 39 Cap 2 Sonda lambda nella diagnosi catalizzatore LAMBDA_TARGET bi s DLI s SOGLIA_IN_GRASSO LAMBDA_VALLE mV SOGLIA_IN_MAGRO sa DL 4a f sa f STATO DIAGNOSI NON EFFETTUATA TERMINATA 1 o amp Gn 28 ad Gal a a s sa t Fig 2 9 Diagnosi terminata con insuccesso OSC stimato lt OSC min La diagnosi del
11. 176 4 tempols tempo s LAMBDA VOLTAGE FT ST CALCOLO DELLA PORTATA ARIA MEDIA 1000 MEDIA PORTATA ARIA PORTATA ARIA LAMBDA VOLTAGE mV 500 g s FT S B d L L L L L L 0 174 8 175 175 2 175 4 175 6 175 8 176 176 2 1764 174 8 175 175 2 175 4 175 6 175 8 176 176 2 1764 tempol s tempol s Fig 6 3 Evoluzione della macchina di diagnosi particolare Dal grafico inerente all evoluzione della macchina di diagnosi si pu accertare il corretto funzionamento dell algoritmo infatti una volta verificate entrambe le condizioni di abilitazione ABILITAZIONE FORZATA FILTRATA e ABILITAZIONE LAMBDA la macchina procede al calcolo della soglia dinamica nell attesa della richiesta di un cut off Alla comparsa della transizione della sonda vengono superate entrambe le soglie FT ed ST e registrati i parametri per il calcolo dell indice Infine avendo raggiunto la soglia calibrabile del NUMERO INDICI la macchina 105 Cap 6 Simulazioni e test di validazione della strategia procede al calcolo dell indice di detezione medio INDICE DIAGNOSI ed emette il risultato che in questo caso equivale all enumerativo 4 dell indicatore STATO STRATEGIA t 176 3 testimone di un sensore con un corretto funzionamento In parallelo a ci negli ultimi due grafici in basso a destra riportata l evoluzione del calcolo della portata aria media
12. 50 Transition Fig 4 5 Indici base ottenuti con sonda e catalizzatore entrambi nuovi FT 650 mV ST 350 mV MEDIUM TIME 60 Cap 4 Scelta e ottimizzazione dell indice di detezione Dispersion of the Index for a New Oxygen Sensor THRESHOLD 600 400 60 40 gt a i SS 20 O O 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Transition Dispersion of the Index for a New Oxygen Sensor MIN 3 1 V s MAX 42 4 V s 60 40 n 20 O O 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Transition Fig 4 6 Indici base ottenuti con sonda e catalizzatore entrambi nuovi FT 600 mV ST 400 mV FAST TIME Dispersion of the Index for a New Oxygen Sensor THRESHOLD 600 400 30 20 gt lt w mei L 10 O O 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Transition Dispersion of the Index fora New Oxygen Sensor MIN 3 2 V s MAX 29 9 V s 40 30 5 20 gn 10 O O 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Transition Fig 4 7 Indici base ottenuti con sonda e catalizzatore entrambi nuovi FT 600 mV ST 400 mV MEDIUM TIME 61 Cap 4 Scelta e ottimizzazione dell indice di detezione Da questa prima carrellata di risultati inerenti al solo caso di sonda e catalizzatori entrambi nuovi possiamo esporre le seguenti considerazioni a Il numero di transizioni utili rilevate aumenta con il restringersi dell intervallo descritto dalle due soglie si evidenzia il massimo di transizioni rilevate con la coppia d
13. Catalizzatore e sonda lambda degradati tramite cicli di misfire Oltre alle classiche configurazioni 1 e 3 fino ad ora considerate le pi realistiche nella vita del veicolo vengono riportate per completezza anche configurazioni pi atipiche come la 2 e la 3 ancora pi insolite Le soglie scelte per il calcolo dell indice sono FT pari a 650 mV e ST pari a 200 mV per tutte le configurazioni testate Questa soglie alternative rispetto agli studi precedenti sono state testate per capire se l inserimento dei flessi nella stima della pendenza possa influire sulla dispersione dell indice Di seguito vengono riportati i risultati per ogni configurazione nello stesso ordine di cui sopra sa INDEE i l pos j Por n RES 35 t q 3 5 ni do q 3 5 A 30 J al J al M al a 25t 4 2 6 4 Db H DIGI f 4 2 18 2 45 2 4 15 F q 1 5 4 1 5F q 15 a 10 H 1 1F J 1F RI sb ost A 0 5t ost 4 5 1 2 3 4 0 n 0 N Test QAH1 E 5 ci 66 i 45 A 28 g s R 2 z 19 12 la 44 g9 s sai 4 ri 01 3 DI cd 54 g s Fig 4 16 Indici a confronto di un set di 4 transizioni selezionate da acquisizioni eseguite con sonda e catalizzatore entrambi nuovi 71 Cap 4 Scelta e ottimizzazione dell indice di detezione Ws 25 0 5 INDEX INDEX 1 INDEX 2 INDEX 3 1 2 as 3m 3 1 25 3 25 0 8 2L J ZI 5 5 5 06 S 15 4 8 0 4 1H J 1 0 2 0 5 J 0 5
14. T LLAJ 0 SIN I C o 200 400 600 800 1000 1200 tempol s INDICE SINGOLO T I fi 0 200 400 600 800 1000 1200 tempof s Fig 6 7 Diagnosi su ciclo ECE EUDC con sonda e catalizzatore invecchiati MARCIA INSERITA T earen 0 100 200 300 400 500 600 1 1 700 800 900 N tempof s LAMBDA VOLTAGE 1000 T T T T T T T T di rea 0 da Att eit m f I C 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 tempof s INDICE SINGOLO 2 1 5 gt 1 0 5 I 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 tempo s Fig 6 8 Diagnosi su ciclo ECE EUDC con sonda e catalizzatore nuovi 112 Cap 6 Simulazioni e test di validazione della strategia Per ottenere questo risultato si pu pensare di calibrare il parametro NUMERO INDICI in base al valore dell OSC indicatore del grado di invecchiamento del sistema di abbattimento variabile attualmente stimata dalla centralina Nello specifico otterremmo per valori OSC gt OSC arger l adottamento di un NUMERO INDICI pari a 2 OSC lt OSCiarge l adottamento di un NUMERO INDICI superiore a 2 6 5 Auto calibrazione delle soglie FT ed ST Con l obiettivo di ridurre il lavoro dei calibratori stato elaborato un codice che permetta di individuare i valori di soglia FT funzione di RATE ed ST che producono la minor dispersione in termini di deviazione standard normalizzata rispetto al valor med
15. avr anche un basso valore dell OSC che si traduce in una differenza molto meno marcata tra i due segnali Questa semplice osservazione consentir di capire la strategia presente in centralina per l autodiagnosi a bordo del dispositivo catalitico 7 2 3 Strategia di diagnosi catalizzatore L obiettivo della diagnosi catalizzatore quello di rilevare il relativo livello di invecchiamento e il conseguente incremento di emissioni soprasoglia La strategia di diagnosi basata sulla stima dell Oxygen Storage Capacity mg Il layout della linea di scarico prevede due sonde lambda la prima 30 Cap 2 Sonda lambda nella diagnosi catalizzatore installata a monte del catalizzatore sulla confluenza dei condotti di scarico dei cilindri ed una seconda posta a valle catalizzatore Intake air pressure and Canister purge valve temperature sensor Throttle device Boost pressure sensor Fuel pump module CAN 4 4 temperature sensor ECU Ambient pressure sensor integrated in ECU QGL To the vehicle Catalyst converter Lambda Lambda Turbo sensor UEGO charger sensor Intercooler Fig 2 4 Layout sistema di controllo motore fonte Magneti Marelli La sonda lambda a monte catalizzatore tipicamente una sonda lineare UEGO e viene utilizzata per il controllo del titolo cio come feedback per l inseguimento del rapporto aria combustibile in cate
16. cicli di guida su strada ottenute con una vettore con le caratteristiche riportate nella seguente tabella CILINDRATA 1368 cm NUMERO DI CILINDRI 4 in linea NUMERO DI VALVOLE 16 CORSA 84 mm ALESAGGIO 72 mm RAPPORTO DI COMPRESSIONE 9 8 1 SISTEMA DI INIEZIONE MULTI POINT PFI POTENZA MASSIMA 135 CV a 5000 rpm COPPIA MASSIMA 230 Nm a 1750 rpm E C U Magneti Marelli ALIMENTAZIONE Benzina Tabella 3 2 Specifiche motore Cap 3 Analisi e caratterizzazione sperimentale delle transizioni della sonda lambda Nello specifico per individuare l influenza che il tempo di rilascio pedale pu avere sulla frequenza delle transizioni utili lo studio stato eseguito oltre che sull acquisizione con calibrazione standard anche su acquisizioni con un tempo di rilascio pedale fisso riducendolo da un valore di 400 ad uno di 50 ms TEMPO RILASCIO PEDALE STANDARD 4000 T T T T I i N USEFUL CUT OFF 7 3500 pc Lucci zzz 2 e ei N bic FR SET I IA i In _ 8 2000 ii Pi e s a 2 i i n i i a po Pe bi i H H i i jogg iissa pulcini EA AREE E EE EE i i i i hd i Bici VProrntizana ell Calle ci e ina g i i i i i 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 Engine Speed rpm Fig 3 9 Punti motore di inizio cut off utili Tempi di rilascio pedale STANDARD 48 Cap 3
17. ciclo di riferimento ECE EUDC Il segnale in tensione del sensore di ossigeno posizionato a valle catalizzatore ed acquisito dalla centralina viene attualmente utilizzato nella diagnosi del principale componente del sistema di abbattimento emissioni il catalizzatore Questa considerazione serve a giustificare la necessit di eseguire la diagnosi del sensore in esame per assicurarci una corretta stima dell efficienza del catalizzatore Diventa quindi indispensabile disporre di un algoritmo diagnostico per monitorare lo stato di degrado della sonda lambda a valle catalizzatore Introduzione La dissertazione stata organizzata in capitoli strutturati come segue Capitolo I Capitolo Il Capitolo III Capitolo IV Capitolo V Capitolo VI Storia della normativa ed attuali richieste in ambito di omologazione per diagnosi on board Richiami teorici sul funzionamento della sonda lambda Strategia di diagnosi del catalizzatore attualmente implementata con particolare attenzione alle modalit di utilizzo del segnale della sonda lambda a valle catalizzatore Studio e analisi delle attivit sperimentali volte all identificazione della strategia di diagnosi della sonda e alle condizioni di abilitazione della stessa Ottimizzazione dell indice di detezione scelto come risultato della diagnosi e studi di sensitivit su nuovi indici candidati alla sostituzione della versione base Implementazione del modello
18. di diagnosi in Simulink e descrizione della struttura e delle funzionalit dei blocchi che lo costituiscono Risultati ottenuti dall attivit sperimentale di validazione del modello Un ultimo capitolo riassume i risultati ottenuti durante l attivit di stage e propone alcuni spunti per eventuali sviluppi futuri sul modello Cap 1 Emissioni normative e sonda lambda Capitolo 1 Emissioni normativa e sonda lambda 1 1 L inquinamento atmosferico e le emissioni inquinanti Sempre maggiore importanza sta assumendo all interno delle nostre societ l attenzione all ambiente e all impatto che l attivit umana ha sull ecosistema La crescente sensibilizzazione verso le problematiche ambientali ha portato alla ricerca di uno sviluppo che possa coniugare le esigenze quotidiane con la tutela dell ambiente Tra i principali possibili effetti dell inquinamento atmosferico su scala internazionale ricordiamo l effetto serra prodotto dalle crescenti emissioni di anidride carbonica la distruzione di boschi e foreste ad opera delle piogge acide derivanti dalle crescenti emissioni di composti chimici a prevalente reazione acida come gli ossidi di azoto e gli ossidi di zolfo o infine ma non ultimo come importanza il cosiddetto buco dell ozono cio l assottigliamento dello strato di ozono stratosferico a causa delle emissioni di idrocarburi La causa principale dell inquinamento atmos
19. di ricristallizzazione dei metalli nobili A questo proposito le mancate accensioni misfire portando la miscela incombusta al catalizzatore degradano il catalizzatore in conseguenza del fatto che la miscela brucia al suo interno avvelenamento dei siti catalitici e conseguente disattivazione chimica esso dovuto all inevitabile presenza nei gas che attraversano il convertitore di sostanze che reagiscono con la sua parte attiva o che semplicemente si depositano lentamente su di essa tali sostanze sono contenute per esempio nell olio lubrificante fosforo e zinco nella benzina o nella stessa aria prelevata dall ambiente esterno definitiva l efficienza massima solo quando la marmitta catalitica nuova e in condizioni di guida stazionaria tipicamente su percorsi autostradali I punti deboli di questo componente che sottolineano l importanza di un autodiagnosi a bordo possono essere cos riassunti efficacia solo all interno di un preciso range di temperature Nelle cosiddette partenze a freddo la temperatura molto bassa e gli inquinanti prodotti rappresentano la maggior parte delle emissioni prodotte durante l intero trip Viceversa in condizioni di pieno carico temperature eccessivamente elevate provocano la ricristallizzazione e la distruzione dei metalli catalizzatori Inoltre cut off prolungati provocano un forte calo della temperatura dei gas e quindi del catalizzatore con conseguente riduzion
20. il motore sia ancora in modalit di cut off in quanto una ripresa della combustione potrebbe consentire a pacchetti di miscela non pi sola aria di falsare la transizione oggetto di rilevamento e stima Quindi imponendo una durata del cut off TCUTOFF maggiore del ritardo di comparsa della transizione TV i cut off utili si riducono a quelli di durata maggiore e ad un numero di 4 sui 25 totali presenti nell acquisizione In Fig 3 1 i cut off utili alla registrazione della 46 Cap 3 Analisi e caratterizzazione sperimentale delle transizioni della sonda lambda transizione ancora con il motore in modalit cut off sono evidenziati in verde viceversa si usa il colore rosso per quelli in cui il cut off termina prima della comparsa della transizione 3 4 Caratterizzazione influenza del carico regime e marcia Per iniziare a capire quali condizioni motore possano favorire la transizione oggetto di diagnosi sono stati elaborati i grafici sottostanti che riportano le condizioni di carico motore in termini di pressione media collettore e regime motore in termini di velocit dell albero motore registrate in occasione dell inizio dei cut off che hanno consentito la registrazione della transizione Nei grafici sono state inserite anche quelle transizioni in cui il cut off si interrompe prima della fine della transizione in modo da ottenere una pi ampia popolazione di dati Le acquisizioni utilizzate si riferiscono a
21. prodotto direttamente dall algoritmo diagnostico e non lasciato all attuale calibrazione implementata in centralina sar affiancata da una strategia base denominata naturale in cui la gestione del tempo x rilascio pedale governata dall attuale calibrazione standard che wp Cap 3 Analisi e caratterizzazione sperimentale delle transizioni della sonda lambda comunque consente la visione della transizione e conseguentemente la diagnosi del sensore 3 3 Studio dei tempi caratteristici Con lo scopo di ottenere un quadro generale delle tempistiche caratterizzanti i segnali di interesse per la diagnosi stato eseguito uno studio mirato sulle prime acquisizioni resesi disponibili in azienda relative ad un veicolo commerciale equipaggiato con catalizzatore e sonda a valle entrambi nuovi cio al massimo della loro efficienza TEMPI CARATTERISTICI VALUTATI 1 VOLTAGE DOWNSTREAM PROBE LAMBDA UPSTREAM PROBE INDICATORE CUTOFF TCUTOFF j i i j 175 175 5 176 176 5 177 177 5 178 178 5 179 179 5 180 time s Fig 3 6 Intervalli temporali di interesse rilevati Le acquisizioni oggetto di analisi sono state rilevate con calibrazione standard del tempo rilascio pedale cio con la normale calibrazione presente in centralina Aga
22. state selezionate alcune per il calcolo dell indice SINGOLO INDICE ottenuto attraverso la simulazione del modello E stato possibile raccogliere un treno di 21 transizioni utili relative a sonda nuova e di 12 transizioni utili relative a sonda invecchiata In quest analisi gli indici sono stati ricavati a partire dalle pi differenti condizioni motore di inizio cut off e con calibrazioni di tempo rilascio pedale standard Le simulazioni sono state eseguite con due differenti calibrazioni riguardanti il valore delle due soglie per caratterizzare l influenza di questa scelta Gauss distribution differences for Calibration TARGET 98 ST 250 mV T T AGED mu 0 216 sigma 0 087 sta 0 402 T EN BRR SPIE VIII Frari sro plucii euri j AREER NEW mu 1 182 sigma 0 274 eta 0 232 UA ani OAE i sanzenaezensaneszfianeinaerenaonanionae soin ezee eco neazonenaozioniorenionenzenanzes loro di ala a iii iti 0 2 E SA ESA i onosacagflocorezocececicceceneocesecace sco zz ino ceo penoso cononci ne coseno nenoseczonco 0 5 0 0 5 1 1 5 2 2 5 i Gauss distribution differences for Calibration TARGET 96 ST 150 mV a mu 0 34 139 eta 0 409 Oaer leo ila firsesszzssetzazsstszcnisasagesieneztanseri NEW mu 1 274 sigma 0 237 eta 0 186 e e n A I DA4Ap SZ di earn neconeceenenelone fono noneenenecolcneenenoneneneonenee ie le a EEE ETT 0 5 0 0 5 1 1 5 2 25
23. 0 mV al g MMI RATE 96 ST 150 mV gt w 0 05 q 0 QAH 200 150 100 80 60 40 30 kg h Index Dispersion with 5 gear engaged x T T T ol M RATE 98 ST 250 mV S ME RATE 96 ST 150 mV bat AT 0 QAH 200 60 40 30 kg h Index Dispersion with 6 gear De H RATE 98 ST 250 mV g 0 1 RATE 96 ST 150 mV g fni I j i pere 200 100 40 30 kg h Fig 6 5 Indici elaborati dal modello in 4 5 6 marcia al variare della portata d aria per sonda degradata software 109 Cap 6 Simulazioni e test di validazione della strategia I risultati riportati in Fig 6 4 e 6 5 evidenziano nel complesso una dispersione molto simile a quella vista nel paragrafo 6 3 1 meglio apprezzabile in Fig 6 6 paragonando la deviazione standard normalizzata rispetto al valore medio eta si riscontrano in effetti valori simili allo studio effettuato nel sottoparagrafo precedente Un altra importante osservazione risiede nel progressivo aumento dell indice visibile maggiormente nel test con sonda degradata dove il numero di prove maggiore con il ridursi della portata d aria dovuto probabilmente alla riduzione del valore MEDIA PORTATA ARIA Infatti tale parametro nel calcolo dell indice posizionato al denominatore e causa l evidente trend crescente dell indice Questa considerazione sembrerebbe suggerire che la normalizzazione rispetto alla portata d aria funzi
24. 2 3 4 5 6 Gear Engaged Fig 3 16 Marce rilevate all inizio dei cut off utili per tutti i test a disposizione 3 5 Ottimizzazione della frequenza di campionamento del segnale in tensione della sonda Come risultato della diagnosi la strategia dovr essere in grado di elaborare un indice che sia rappresentativo dello stato funzionale della sonda e che come prima linea guida pu essere ricercato nella pendenza della transizione Premesso ci insieme all esigenza di modellare un software che utilizzi la minor potenza computazionale possibile lo studio che riportiamo servito a valutare come la frequenza di campionamento influisca sulla stima della pendenza della transizione che per ora consideriamo come indice di detezione per la diagnosi La centralina attuale ha la possibilit di acquisire i segnali dei sensori presenti nel sistema di controllo a tre differenti intervalli di tempo 4 ms fast 12 ms 53E Cap 3 Analisi e caratterizzazione sperimentale delle transizioni della sonda lambda medium 100 ms slow Sulla base di ci le acquisizioni a disposizione sono state ricampionate secondo i suddetti tempi di campionamento e sono state calcolate le pendenze delle transizioni interpolando il segnale con una retta nell intervallo temporale in cui avviene la transizione grasso magro Scegliendo la pendenza calcolata in modalit fast come quella pi rappresentativa di quella reale sono
25. 3 Cap 4 Scelta e ottimizzazione dell indice di detezione THRESHOLD 600 400 Dispersion of the Index for a Old Oxygen Sensor 6 A bud D 2 O O 5 10 15 20 25 30 35 Test Dispersion of the Index for a Old Oxygen Sensor MIN 0 4 V s MAX 4 9 6 4 gt lt w TES 2 O O 5 10 15 20 25 30 35 Test Fig 4 10 Indici base ottenuti con sonda e catalizzatore entrambi invecchiati FT 600 mV ST 400 mV FAST TIME Dispersion of the Index for a Old Oxygen Sensor THRESHOLD 600 400 nti 5 10 15 20 25 30 Test Dispersion of the Index for a Old Oxygen Sensor eei N n 5 10 15 20 25 30 Index 35 MIN 0 5 V s MAX 4 9 V s 0 35 Test Fig 4 11 Indici base ottenuti con sonda e catalizzatore entrambi invecchiati FT 600 mV ST 400 mV MEDIUM TIME 64 Cap 4 Scelta e ottimizzazione dell indice di detezione Come atteso notiamo che il numero di indici rilevati non varia passando da un campionamento a 4 ms ad uno a 12 ms questo perch i tempi della transizione sono sufficientemente lunghi da consentire la stima dell indice Inoltre salta subito all occhio come la coppia di soglie con FT pari a 650 mV e ST pari a 350 mV porti al rilevamento di un numero molto minore di transizioni utili riconducibile alla difficolt di un sensore invecchiato di raggiungere elevati voltaggi nelle acquisizioni a disposizione
26. 40 45 50 55 60 I tempol s 65 transizione STATO LAMBDA 5 T T ENUMERATIVI id 0 BUFFER TIMER 1 1 BUFFER TIMER 2 3H 2 FILL UPDATE VECTOR 4 DIAGNOSIS 2 I I LAMBDA VOLTAGE FT ST i LAMBDA VOLTAGE ST tempof s Fig 6 1 Evoluzione del calcolo della soglia dinamica 102 Cap 6 Simulazioni e test di validazione della strategia Durante questi secondi di simulazione il calcolo dell indice avviene soltanto in due occasioni bench il segnale in tensione della sonda a valle esegua la transizione tre volte Infatti durante la prima transizione l interruzione del cut off riporta lo stateflow allo stato 0 con conseguente disabilitazione della condizione ABILTIAZIONE LAMBDA ed interruzione della stampa della soglia superiore FT Si pu inoltre notare che il valore della soglia dinamica viene congelato nel passaggio tra stato 2 e 4 cio alla richiesta di cut off e rimane tale fino alla comparsa della transizione e al termine della diagnosi quando viene nuovamente azzerato nell attesa di riempire il TIMER 1 all approvazione della LAMBDA RANGE 6 2 2 Evoluzione della macchina di diagnosi Allo scopo di verificare il corretto funzionamento della macchina di diagnosi sono stati inseriti due indicatori di stato STATO DIAGNOSI e STATO STRATEGIA dei quali occorre elencare il significato dei relativi enumerativi per comprendere l evol
27. 9 y 1900 1900 300 50 50 2016 70 156 wo 1500 750 90 9 9 Tab 1 3 Limiti di emissioni per autovetture veicoli di peso inferiori a 2 5 t secondo EOBD 14 Cap 1 Emissioni normative e sonda lambda Le nuove specifiche introdotte dalla EOBD rispetto alle normative statunitensi possono cos riassumersi gt gt la diagnosi unificata per tutti i costruttori modello a 16 vie i codici di errore sono unificati per tutti i costruttori il che significa che lo stesso tipo di guasto assume lo stesso codice di errore per qualsiasi modello di qualsiasi marca di autovettura lo stesso strumento diagnostico generico SCAN TOOL pu essere utilizzato per rilevare i codici di errore di tutti i veicoli omologati a norma EOBD i codici di errore non forniscono delle indicazioni generiche sul componente ma specificano anche il tipo di avaria che si verificata interruzione corto circuito compatibilit segnale ecc permettendo una diagnosi pi veloce e accurata sono state implementate nel sistema di gestione motore quattro nuove tipologie di diagnosi a Diagnosi catalizzatore consiste nella capacit del sistema di diagnosticare l efficienza del catalizzatore nel corso del suo invecchiamento Il deterioramento dell efficienza di conversione pu essere evidenziato per mezzo dell analisi del segnale proveniente dal sensore di ossigeno posto a valle catalizzatore in parti
28. LOCCHI AUSILIARI Sono presenti due ulteriori blocchi il primo di essi a sfondo bianco provvede alla determinazione del tempo di rilascio pedale da comunicare al controllo coppia in caso di abilitazione della strategia forzata il secondo a sfondo rosso gestisce i codici di guasto prodotti dalla macchina a stati da comunicare al gestore diagnostico i I n t BLOCCHI AUSILIARI SCHEDULATORE ABILITAZIONE STRATEGIA NATURALE ABILITAZIONE STRATEGIA FORZATA SOGLIA DINAMICA MACCHINA DI DIAGNOSI Fig 5 1 Plant del modello diagnostico della sonda a valle catalizzatore 78 Cap 5 Elaborazione del modello diagnostico 5 2 Schedulatore In questo blocco presente una macchina a stati che genera le chiamate a funzione function call per tutti i restanti blocchi presenti nel modello In ingresso troviamo i seguenti task di centralina e ACCENSIONE MOTORE segnale booleano che identifica l evento di motore acceso con la condizione TRUE e GIRO CHIAVE segnale booleano che identifica l evento di chiave su posizione on con la condizione TRUE e EVOLUZIONE 12 ms segnale booleano che produce una condizione TRUE ogni 12 ms mantenuta tale per uno step di simulazione del modello EVOLUZIONE_12_ms D ACCENSIONE_MOTORE GIRO_CHIAVE Y F AC_MOT_A ev_12_ms_al EVENTI_MACCHINA_DIAGNOSI AC_MOT
29. MAGRO entro un certo tempo come in precedenza si dichiara che la diagnosi terminata con risultato positivo Fig 2 7 Nel caso in cui non venga verificata la condizione 5 la tensione della sonda scende al di sotto del valore della SOGLIA _IN_MAGRO dopo un tempo At che viene memorizzato ed utilizzato per stimare la massima capacit di assorbimento di ossigeno OSC f Q e 0 23dt At magro che in condizioni di stabilizzato quali ci troviamo pu essere cos semplificata E OSC Q 0 23 At magro Il valore di OSC cos stimato viene corretto in funzione della portata d aria media e della temperatura del catalizzatore in quanto influenzano 39 Cap 2 Sonda lambda nella diagnosi catalizzatore POSC e in seguito confrontato con un valore di OSC minimo che segna il confine oltre il quale dichiarare non funzionante il catalizzatore 8 Se POSC stimato superiore al minimo consentito la diagnosi viene terminata e dichiarata positiva Fig 2 8 pubblicando un indice che rappresenta lo scostamento dell OSC stimato dal valore massimo ottenibile a catalizzatore nuovo espresso in termini percentuali 9 Nel caso in cui OSC stimato sia inferiore al minimo consentito viene terminata la diagnosi e dichiarata negativa Fig 2 9 pubblicando un indice simile a quello precedente ma relativo allo scostamento non dell OSC stimato ma di quello di confine utilizzato per il confronto LAMBDA_TARGET
30. Merci i VR 0 T S e E D dpf ltd ine fn i 0 0 5 1 1 5 2 25 3 3 5 Fig 6 9 Gaussiane degli indici al variare della soglia FT RATE ed ST 300 mV New downstream probe Gauss distribution with calibration ST 280 mV 1 T T T I I RATE 98 mu 1 182 sigma 0 274 eta 0 232 i i RATE 96 mu 1 413 sigma 0 271 eta 0 192 cai libri naea ai a A adi dai cn RATE 94 mu 1 513 sigma 0 338 eta 0 224 i RATE 92 mu 1 703 sigma 0 397 eta 0 233 08 ibrtiione Ort nni Ain iene e os dae DR os T oc e 04 if i ai Ll bm da ef ff ene di e 02 fn ARL 0a Se TI EAs n 0 i 0 0 5 1 1 5 2 25 3 3 5 Fig 6 10 Gaussiane degli indici al variare della soglia FT RATE ed ST 280 mV sifa Cap 6 Simulazioni e test di validazione della strategia New downstream probe Gauss distribution with calibration ST 240 mV I I RATE 98 mu 1 181 sigma 0 276 eta 0 234 RATE 96 mu 1 394 sigma 0 266 eta 0 191 RATE 94 mu 1 478 sigma 0 313 eta 0 212 mu 1 644 sigma 0 377 eta 0 229 0 9 bol taba fA A be Aee 0 8 e a a a a boca ic a n a os fM SANA iii TE DL 0 1 0 5 1 15 2 25 3 3 5 Fig 6 11 Gaussiane degli indici al variare della soglia FT RATE ed ST 240 mV New downstream probe Gauss distribution with calibration ST 200 mV I mu 1 172 sigm
31. O sufficiente all elaborazione di un valore medio INDICE DIAGNOSI identificativo dello stato del sensore KO Durante i primi secondi del ciclo che ricordiamo prevede il rilevamento delle emissioni a partire dall avviamento il motore non termicamente regimato e le condizioni di abilitazione della diagnosi sono quindi dichiarate FALSE non consentendo l elaborazione di nessun indice Nel secondo caso quello cio di catalizzatore e sonda entrambi nuovi le transizioni utili al calcolo dell indice si riducono a due in quanto l elevato potere assorbente del catalizzatore non consente la visione della transizione generata dai cut off brevi di cambio marcia Le uniche due transizioni visibili sono quelle generate dai cut off attuati nel percorso extraurbano la cui durata permette la saturazione del catalizzatore da parte dell ossigeno e quindi la visione dei pacchetti d aria agli elettrodi della sonda lambda posta a valle Per riuscire a terminare la diagnosi anche su questo ciclo occorrer intervenire sulla soglia NUMERO INDICE che ricordiamo individua un numero di indici da rilevare prima di procedere al calcolo 111 Cap 6 Simulazioni e test di validazione della strategia della media e quindi all evasione del risultato della diagnosi riducendo il suo valore per un sistema di abbattimento di emissioni nuovo MARCIA 6 T T T T T Pamata 1000 1200 tempol s LAMBDA VOLTAGE 1000 T T
32. O INDICI al calcolo di un indice medio INDICE DIAGNOSI che possa ridurre la possibilit di incorrere in falsi allarmi A questo proposito possono essere utilizzati indici ricavati da entrambe le strategie END START gt TEMPO MASSIMO END START lt TEMPO MINIMO yes x NUMERO INDICI 3 no INDICE DIAGNOSI lt SOGLIA INDICE MALFUNCTION NORMAL Fig 5 17 Particolare della sezione I L indice di detezione INDICE DIAGNOSI viene quindi confrontato con il valore di confine SOGLIA INDICE per evadere l esito della diagnosi Nello specifico nel caso di INDICE DIAGNOSI superiore alla SOGLIA INDICE il sensore di ossigeno a valle catalizzatore viene dichiarato funzionante correttamente OK viceversa mal funzionante o invecchiato KO 96 Cap 5 Elaborazione del modello diagnostico Per quel che riguarda gli output della macchina di diagnosi oltre a quelli fino a qui gi descritti troviamo STATO DIAGNOSI E STATO STRATEGIA indicatori degli stati stabili percorsi dallo stateflow utili per verificare il corretto funzionamento in fase di validazione modello CONTATORE INDICE contatore del numero di indici INDICE SINGOLO rilevati utili al raggiungimento del quantitativo stabilito NUMERO INDICI per il calcolo del valore medio INDICE DIAGNOSI SOMMA PORTATA ARIA somma dei valori della portata d aria elaborata dal motore nell intervallo Atz CONTATORE SOMMA contatore del numero di
33. ORE INF lt kg h lt SUP FORTATA_ARIA C gt INF na TEMPERATURA_ACQUA AND ASUTAZONE NATURALE DO2V_CONDNATF INF lt C lt SUP coom D e TEMPERATURA_CATALIZZATORE ABILITAZIONE_NATURALE_FILTRATA E eeo TEMPO A a TIMER N TIMER TIMER ABILITAZIONE_STRATEGIA_NATURALE TIMER_IN Confirmed Timer COND_NAT Fig 5 5 Elaborazione della condizione di abilitazione naturale e naturale filtrata 2 ABILITAZIONE NATURALE FILTRATA ottenuta dal filtraggio della precedente nello specifico si attende che la condizione ABILITAZIONE NATURALE si mantenga vera per un certo intervallo temporale prima di dichiarare la condizione TRUE 99 Cap 5 Elaborazione del modello diagnostico Questo filtraggio viene applicato secondo la logica di Fig 5 5 per evitare un andamento isterico della condizione per quei punti motore vicini alle soglie di abilitazione per implementare attraverso un ritardo una funzione di isteresi SOGLIA CALIBRATA SUL TIMER ABILITAZIONE_NATURALE TIMERLIN Fig 5 6 Filtraggio della condizione ABILITAZIONE NATURALE In questo sottoblocco all insorgere della condizione TRUE viene attivato un commutatore switch che consente di eseguire la differenza fra la variabile tempo e il valore temporale congelato all azionamento del commutatore In questa maniera si produce un timer
34. Off in 2 13 1 840 0 576 NO 0 000 1 996 0 000 CutOff in 2 14 0 124 0 228 NO 0 000 0 200 0 000 2 gt 3 15 0 212 0 256 NO 0 000 0 300 0 000 3 gt 4 16 0 400 0 240 NO 0 000 0 396 0 000 4 gt 5 17 7 904 0 344 SI 0 624 7 800 0 276 7 176 CutOff in 5 gt CutOff in 4 18 3 020 0 500 NO 0 000 2 896 0 000 CutOff in 4 19 1 388 0 252 NO 0 000 1 300 0 000 CutOff in 3 20 2 024 0 472 NO 0 000 1 992 0 000 Cutoff in 3 21 1 764 0 584 NO 0 000 1 700 0 000 CutOff in 4 22 6 172 0 344 NO 0 000 6 000 0 000 CutOff in 3 23 0 196 0 308 NO 0 000 0 204 0 000 3 gt 4 24 4 240 0 572 SI 1 284 4 196 0 708 2 912 CutOff in 4 gt CutOff in 3 25 3 460 0 216 SI 0 520 2 976 0 300 2 456 Sgasata a folle Tab 3 1 Tempi caratteristici rilevati nel caso di sonda e catalizzatore nuovi con calibrazione standard dei tempi rilascio pedale _ 44 Cap 3 Analisi e caratterizzazione sperimentale delle transizioni della sonda lambda Sui 25 cut off eseguiti durante questa prova su strada in soli 7 di questi stato possibile registrare la transizione grasso magro indotta sulla sonda lambda dal cut off Questa bassa frequenza di transizioni rilevate riconducibile all incapacit del segnale in tensione della sonda di risalire verso voltaggi alti Fig 3 7 identificativi di una composizione ricca dei gas di scarico T _LAIBDA VOLTAGE CUTOFF INDICATORI LAHEDA TARGET time s Fig 3 7 Mancate transizioni in salita del segnale in
35. Primo blocco adibito alla gestione della soglia dinamica In Fig 5 9 rappresentato il contenuto del primo blocco per la gestione della soglia dinamica L evoluzione del modello avviene con le seguenti modalit Il segnale in tensione entra all interno del sottoblocco a dal quale viene evasa la condizione LAMBDA RANGE dichiarata TRUE se i valori di tensione sono contenuti all interno di un intervallo identificativo di una miscela grassa allo scarico tipicamente valori compresi tra 700 e 900 mV Viene inoltre evasa la soglia relativa ad un timer utilizzato nello stateflow che verr descritto successivamente Lo stateflow b rappresentato in Fig 5 10 evolve come segue 1 All accensione motore o al giro chiave vengono generate le chiamate a funzione per i blocchi di inizializzazione del vettore a scorrimento INIZIALIZZAZIONE VETTORE e della condizione di abilitazione sul segnale della sonda INIZIALIZZAZIONE LAMBDA ci si ritrova quindi all interno dello stato 0 86 Cap 5 Elaborazione del modello diagnostico 2 3 N 4 n 5 Ad ogni evoluzione a 12 ms per cui si verifica la condizione di stabilit a valori grassi della sonda lambda LAMBDA RANGE TRUE viene incrementato il TIMER 1 fino al raggiungimento della soglia calibrata SOGLIA TIMER 1 verificata la stabilit per suddetto tempo viene inizializzato il TIMER 2 al valore attuale di tempo e si entra nello stato 1 Ad
36. STECHIO 19 Cap 1 Emissioni normative e sonda lambda Lambda assume valore unitario quando la miscela stechiometrica minore dell unit quando c un eccesso di combustibile miscela grassa e maggiore dell unit quando c un eccesso d aria miscela magra La sonda lambda in grado di rilevare la concentrazione di ossigeno all interno dei gas di scarico questa informazione viene trasmessa alla centralina sotto forma di segnale elettrico che contribuisce a regolare l immissione di carburante e aria all interno della camera di combustione Esistono due tipologie principali di sonde lambda HEGO Heated Exhaust Gas Oxygen UEGO Universal Exhaust Gas Oxygen 1 5 1 HEGO Heated Exhaust Gas Oxygen La sonda HEGO detta anche sonda on off stato il primo sensore di ossigeno ad essere costruito Il cuore del sensore costituito da un elettrolita solido che separato dalla zona di transito dei fumi da uno strato di materiale ceramico quest ultimo permeabile agli ioni di ossigeno a partire da una temperatura di 350 C che viene raggiunta grazie al riscaldatore pu anche non esserci Fig 1 8 Sonda lambda on off al biossido di zirconio 4 L elettrolita fornisce una differenza di tensione circa 800 mV quando l ambiente di misura presenta un titolo grasso A lt 1 ovvero quando la differenza di concentrazione di ossigeno tra gas di scarico e aria ambien
37. UNIVERSIT DEGLI STUDI DI BOLOGNA FACOLT DI INGEGNERIA CORSO DI LAUREA IN INGEGNERIA MECCANICA DIEM Dipartimento di Ingegneria delle Costruzioni Meccaniche Nucleari Aeronautiche e di Metallurgia Protocolli di Gestione dei Motori a Combustione Interna M SVILUPPO E VALIDAZIONE SPERIMENTALE DI STRATEGIE PER LA DIAGNOSI DELLA SONDA LAMBDA A VALLE CATALIZZATORE Tesi di Laurea di __ Relatore JACOPO BUCCHI Chiar mo Prof Ing NICOLO CAVINA Correlatori Ing STEFANO SGATTI Ing LUIGI DE LUCA Ing LUCA BETTOLI Ing ENRICO CORTI Chiar mo Prof Ing DAVIDE MORO Sessione III Anno Accademico 2010 2011 Indice Indice Introduzione lt cs sila ARL a 1 Capitolo 1 Emissioni normativa e sonda lambda 3 gt 1 1 L inquinamento atmosferico e le emissioni inquinanti 3 gt 1 2 Cicli di omologazione 5 gt 1 3 Storia della normativa 9 gt 1 4 La normativa EOBD European On Board Diagnostic 11 1 4 1 Type V Test endurance test 17 gt 1 5 La sonda lambda 19 1 5 1 HEGO Heated Exhaust Gas Oxygen 20 1 5 2 UEGO Universal Exhaust Gas Oxygen 22 Capitolo 2 Sonda lambda nella diagnosi catalizzatore 25 gt 2 1 Il catalizzatore trivalente 25 gt 2 2 L Oxygen Storage Capacity OSC 29 gt 2 3 Strategia di diagnosi catalizzatore 30 Capitolo 3 Analisi e caratterizzazione sperimentale delle transizioni della sonda lambda
38. _ END START i FT First Transition Esso esprime il coefficiente ST Second Transition angolare della retta virtuale che parrot minna donano K collega i punti di inizio e termine diagnosi La stima di questo start j j JEND i i coefficiente avviene registrando i Y ms mr nE mo ni m w time s primi valori disponibili a fronte Fig 4 1 Indice di detezione base del superamento delle due soglie RICH e LEAN relative alle due variabili tensione ai capi della sonda e tempo L indice cos calcolato avr le dimensioni di una tensione su un tempo e l unit di misura sar Volt su secondi V s Sulla base di questo primo indice stato eseguito un primo studio con le seguenti finalit 57 Cap 4 Scelta e ottimizzazione dell indice di detezione Ottenere un primo dato sulla dispersione dell indice proposto con lo scopo di capire se gli indici relativi a sonda nuova e invecchiata siano sufficientemente differenti Accertare la possibilit di eseguire il calcolo dell indice con un evoluzione del segnale ogni 12 ms e cio in modalit medium L analisi effettuata ha provveduto al calcolo degli indici per tutte le transizioni utili delle acquisizioni utilizzate in precedenza per la caratterizzazione delle condizioni abilitanti la diagnosi L indice stato calcolato sia in modalit fast che medium e con l appl
39. _1 J 15 15 P L 0 4 1H 1 R Y 05 o s 05 da 0 5 B T 9 0 0 0 E 1 2 1 2 1 2 1 N Test QAH1 0 97814 0 66431 g QAH2 2 738 1 7795 g QAH3 1 7015 0 62515 9 Fig 4 15 Indici a confronto su un set di transizioni selezionate da acquisizioni eseguite con sonda e catalizzatore nuovi e invecchiati Inoltre nel caso di sonda invecchiata i nuovi indici risultano maggiormente dispersi rispetto all indice base In conclusione l adozione di un nuovo indice cos composto non viene presa in considerazione 4 2 2 Normalizzazione rispetto alla media della portata d aria La stessa analisi appena eseguita viene ora riproposta considerando tre nuovi indici in cui la normalizzazione eseguita rispetto al valore medio della portata d aria calcolato sugli stessi intervalli temporali I nuovi indici ottenuti sono RICH LEAN RICH LEAN END START NDEZ END START QAHmean QAHmean 2 RICH LEAN END START QAHmean INDEX1 INDEX3 70 Cap 4 Scelta e ottimizzazione dell indice di detezione Per questo tipo di analisi avendo avuto a disposizione dall azienda nuove acquisizioni sono state selezionate 4 transizioni utili al calcolo dell indice per ognuna delle seguenti configurazioni 1 Catalizzatore e sonda lambda entrambi nuovi 2 Catalizzatore invecchiato 100 000 km e sonda lambda nuova 3 Catalizzatore e sonda lambda entrambi invecchiati 160 000 km 4
40. _2 EV_12_ms_2l EVENTI_ABILITAZIONE_NATURALE ABILITAZIONE_DIAGNOSI ABILITAZIONE_DIAGNOSI AC_MOT_ EV_12_ms EVENTI_ABILITAZIONE_FORZATA AC_MOT_ R EV_12_ms J EVENTI_SOGLIA_DINAMICA Jacoensione vorore AC_MOT_1 AC_MOT_2 AC_MOT_3 AC_MOT_4 STATO I ACCENSIONE_MOTORE GIRO_CHIAVE AC_MOT_1 AC_MOT_2 AC_MOT_3 AC_MOT_4 STATO II EVOLUZIONE_12_ms ABILITAZIONE_DIAGNOSI EV_12_ms_1 EV_12_ms_2 EV_12_ms_3 EV_12_ms_4 Fig 5 2 Schedulatore principale del modello diagnostico 79 Cap 5 Elaborazione del modello diagnostico In merito allo schema dello stateflow Fig 5 2 gli eventi in uscita vengono generati con la seguente sequenza a Al verificarsi della condizione TRUE per motore acceso vengono generate quattro function call dello stesso tipo con conseguente spostamento sul perimetro dello stato II b Al verificarsi della condizione TRUE per l evoluzione a 12 ms e della condizione ABILITAZIONE DIAGNOSI calibrazione che consente o meno l attivazione della diagnosi come in precedenza vengono prodotte quattro function call dello stesso tipo tornando puntualmente sul perimetro dello stato II c Qualora si verificasse una delle condizioni presenti nell anello di retroazione sullo stato I cio la condizione TRUE per l accensione motore o per il giro chiave la macchina si riporta sul perimetro dello stato I esegue il punto a e si posiziona quin
41. a 0 279 eta 0 238 mu 1 368 sigma 0 263 eta 0 192 mu 1 442 sigma 0 313 eta 0 217 mu 1 581 sigma 0 352 eta 0 223 TERE ESS CRE REESE ELE EREDE RIE E I RR CORRA IR III Fig 6 12 Gaussiane degli indici al variare della soglia FT RATE ed ST 200 mV 115 Cap 6 Simulazioni e test di validazione della strategia New downstream probe Gauss distribution with calibration ST 160 mV 1 I I x X _ RATE 98 mu 1 127 sigma 0 259 eta 0 23 i RATE 96 mu 1 297 sigma 0 271 eta 0 209 I a R A RATE 94 mu 1 365 sigma 0 289 eta 0 212 mu 1 472 sigma 0 342 eta 0 232 dgr PRATI RETE DA Ios TIZI TT dna E dd E dfn cf bun A p ee e dip croma stricnina OA pf aai DI T n ine Sf See Mi corre dati officina a 0A bi pifi fili ca RRERE REA ji iii Fig 6 13 Gaussiane degli indici al variare della soglia FT RATE ed ST 160 mV New downstream probe Gauss distribution with calibration ST 120 mV 1 T I I RATE 98 mu 1 084 sigma 0 229 eta 0 211 i A i RATE 96 mu 1 232 sigma 0 235 eta 0 191 pui pi GR TATA S RATE 94 mu 1 313 sigma 0 263 eta 0 201 RATE 92 mu 1 399 sigma 0 298 eta 0 213 0 0 5 1 1 5 2 2 5 3 Fig 6 14 Gaussiane degli indici al variare della soglia FT RATE ed ST 120 mV 116 Cap 6 Simulazioni e test di validazi
42. a di funzionamento di una sonda lineare 4 In caso di divergenza da questo valore mediante l attivazione di un flusso di pompaggio positivo o negativo rispettivamente per miscela magra o ricca sull apposita cella vengono pompati ioni di ossigeno in entrata o in uscita dalla camera di rilevazione finch il valore della tensione della cella di misurazione non corrisponde nuovamente a 450 mV La ip mA corrente pompata I la grandezza di misura che descrive 18 17 13 19 23 23 25 in modo lineare l esatto valore della concentrazione di ossigeno a della miscela e quindi del titolo Fig 1 12 Spesso il segnale Fig 1 12 Corrente pompata Ip in funzione viene convertito in una tensione di lambda 11 facendo circolare la corrente pompata all interno di una resistenza di caratteristiche note 9 Cap 1 Emissioni normative e sonda lambda Questo tipo di sonda utilizzata nei motori a benzina come sonda di regolazione ed posizionata alla confluenza dei condotti di scarico a monte del catalizzatore trova sempre pi applicazione anche nei motori diesel 24 Cap 2 Sonda lambda nella diagnosi catalizzatore Capitolo 2 Sonda lambda nella diagnosi catalizzatore 2 1 Il catalizzatore trivalente L utilizzo dei convertitori trivalenti detti brevemente TWC Three Way Catalyst 6 ha un ruolo determinante nel rispetto
43. aggiornato ogni 12 ms che confrontato con una soglia calibrata fornisce la nuova condizione ABILITAZIONE NATURALE FILTRATA 5 4 Abilitazione strategia forzata In maniera simile al blocco precedente viene elaborata la condizione di abilitazione per la strategia forzata La condizione ABILITAZIONE FORZATA FILTRATA l unico output di questo blocco Tale condizione chiamata TRUE viene inizializzata a zero previo filtraggio ottenuto in maniera analoga alla condizione di abilitazione della strategia naturale quando risultano soddisfatte tutte le specifiche imposte per l abilitazione naturale che si traduce nel verificare la condizione ABILITAZIONE 83 Cap 5 Elaborazione del modello diagnostico NATURALE come TRUE assieme all adempimento delle seguenti condizioni DA lt AC_MOT_3 gt EVENTI lt EV_12_ms_3 gt AC_MOT_30 TIMER_0 EMPO TEMPO ABILITAZIONE_FORZATA CS9 PORTATA_ARIA PORTATA_ARIA E MARCIA ESECUZIONE INIZIALIZZAZIONE EV_12_ms_30 CZ ABILITAZIONE_NATURALE ABILITAZIONE_NATURALE ADNE ABILITAZIONE_FORZATA_FILTRATA Mer VELOCITA_MOTORE TIMER ABILITAZIONE_FORZATA_FILTRATA f Jier Fig 5 7 Blocchi di inizializzazione ed esecuzione per abilitazione strategia forzata a Regime motore VELOCITA MOTORE all interno di un intervallo di valori i cui estremi sono maggiormente circoscrit
44. aglio della coppia si precisa che esso viene prodotto da una mappa 3D la quale in funzione di regime VELOCITA MOTORE e carico motore PORTATA ARIA restituisce il tempo di rilascio pedale per dato punto motore Ol CHIAMATA CONTROLLO COPPIA TENPO_RILASCIO_PEDALE ms E D VELOCITA MOTORE TEMPO_RILASCIO PEDALE TEMPO_RILASCIO_PEDALE PORTATA_ARIA Fig 5 18 Blocco ausiliario per il calcolo del TEMPO RILASCIO PEDALE La mappa utilizzata sar determinata in fase di calibrazione e come gi detto in precedenza dovr mediare all ottimizzazione dei seguenti aspetti v Riduzione dei tempi di diagnosi v Salvaguardia della guidabilit del veicolo 98 Cap 5 Elaborazione del modello diagnostico 5 7 2 Comunicazione al gestore diagnostico Il modulo diagnostico implementato in centralina predisposto a ricevere da svariati modelli di autodiagnosi i parametri visibili in Fig 5 19 che rappresenta il blocco destinato a tale trasmissione a Sigla rappresentativa del componente in oggetto di diagnosi b Risultato della diagnosi TIPOLOGIA GUASTO che nel caso specifico riconducibile ad un corretto OK o non corretto KO funzionamento del sensore c Parametro identificativo del guasto INDICE GUASTO coincidente con l indice di detezione elaborato dalla diagnosi INDICE DIAGNOSI f0 CHIAMATA_MODULO_DIAGNOSTICO DIAGNOSI_SONDA_VALLE INDICE_GUASTO
45. anche alla 13 Cap 1 Emissioni normative e sonda lambda rilevazione del tipo di avaria in corso e all applicazione di un adeguata strategia di emergenza recovery volta a compensare il funzionamento difettoso assicurando una guidabilit accettabile del veicolo anche se con prestazioni ridotte Per verificare il rispetto della normativa EOBD l autorit certificatrice deve accertare che nei veicoli che abbiano percorso una distanza maggiore rispetto alla Type V durability distance che verr trattato in seguito il sistema OBD segnali il malfunzionamento all utente prima che le emissioni del veicolo superino le soglie consentite che differiscono da quelle relative all omologazione sul ciclo ECE EUDC Le Tab 1 2 e 1 3 riportano i valori di soglia per gli idrocarburi non metanici NMHC che vengono inseriti in sostituzione dell intera classe degli idrocarburi a partire dalla normativa Euro V La scelta di non porre vincoli circa la quantit di metano si spiega tenendo conto che si tratta di un gas normalmente presente e prodotto in natura meno dannoso per l essere umano rispetto agli altri idrocarburi utilizzati come carburanti 9 PM Emissioni EOBD is Tipo di motore B Benzina B D D Diesel Massa di Massa di Massa di Massa di Normative monossido di ossidi di idrocarburi particolato carbonio azoto non metanici Euro 2000 05 98 69 yry 3200 3200 600 1200 180 Euro 2009 98 6
46. atalizzatore e sonda lambda degradati tramite misfire indotti e conseguente ossidazione nel combustibile del catalizzatore Analizzando nell insieme i risultati ottenuti con le varie configurazioni possiamo desumere 1 seguenti aspetti v La dispersione dell indice viene abbondantemente a ridursi per gli indici calcolati su acquisizioni relative a sonda e catalizzatore entrambi nuovi segno che l ipotesi di influenza della portata d aria sull indice azzeccata v La dispersione dell indice si mantiene ancora buona se viene sostituito il catalizzatore nuovo con uno invecchiato soprattutto se si mantiene ampio l intervallo temporale per il calcolo della media Infatti l indice 2 risulta quello con una minor dispersione in quanto il valore di portata medio calcolato su At accorpa nel calcolo della media anche i valori di portata relativi alle dinamiche di svuotamento del collettore 73e Cap 4 Scelta e ottimizzazione dell indice di detezione ottenendo un indice maggiormente influenzato dalle condizioni di portata ad inizio cut off v Nelle ultime due configurazioni i nuovi indici lasciano praticamente invariata la dispersione va osservato come gi analizzato nel capitolo precedente che gli indici base relativi a sonda e catalizzatore invecchiati configurazione 3 presentano una dispersione ridotta rispetto a quella generata dagli stessi indici base relativi a sonda e catalizzatori nuovi configu
47. cambi marcia o da rilascio pedale per lo sfruttamento del cosiddetto freno motore da parte dell utente causano un corrispondente numero di transizioni del segnale in tensione della sonda a valle catalizzatore come apprezzabile in Fig 3 1 ad esempio tra t 80 s e t 85 s oppure tra t 100 s e t 105 s L algoritmo di diagnosi sar basato proprio sullo studio di queste transizioni che si verificano con ripetitivit all interno del singolo trip e che sono influenzate dallo stato di salute della sonda ma non solo 37 Cap 3 Analisi e caratterizzazione sperimentale delle transizioni della sonda lambda 5 LAMBDA VOLTAGE SIGNAL 1 2 rea pri AAA RIMANI AMI RARARI IAA A ARI AIMAN ZARA ARA MARI SIMANA AMI AA MALA NA MMI aniram nine nen Nemi ni enni T e E E E E fto na de sali laionani gno E EE m E I E a E A E e OE A E E E E E A AR J SF 060 ti o A iE l 0 4L 4 f 1 100 10 1 f 1 1 A 1 1 H J E E E E ONE E O A o S Ri E a olo T Sdf R 0 I I i j j 20 40 60 80 100 120 140 160 180 time s Fig 3 1 Dinamiche del segnale in tensione della sonda a valle catalizzatore In particolare le principali variabili di influenza sulla transizione possono essere cos riassunte v Oxygen Storage Capacity OSC le modalit di assorbimento e di rilascio dell ossigeno da parte del catalizzatore determinano un effetto filtrante sul
48. catalizzatore viene abilitata solo una volta durante il singolo viaggio trip infatti una volta ottenuto un risultato dalla diagnosi questa non viene riattivata fino al successivo avviamento 36 Cap 3 Analisi e caratterizzazione sperimentale delle transizioni della sonda lambda Capitolo 3 Analisi e caratterizzazione sperimentale delle transizioni della sonda lambda 3 1 Dinamiche della sonda lambda a valle catalizzatore Il sensore che si intende diagnosticare una sonda lambda HEGO tipo on off ed il suo funzionamento come gi descritto nel Cap 1 prevede la generazione di un segnale in tensione che si mantiene su valori alti gt 800mV nel caso di rilevamento di una miscela dei gas di scarico di composizione ricca A lt 1 mentre si porta a valori vicini allo zero quando la composizione magra A gt 1 Durante il normale funzionamento il titolo della miscela all interno del cilindro si mantiene molto vicino al valore stechiometrico per l intero campo di funzionamento del motore Questo leggero scostamento dallo stechiometrico non sufficiente ad abbassare il segnale di tensione della sonda a valori prossimi allo zero ma in condizioni di cut off l interruzione dell iniezione porta all innalzamento del rapporto aria combustibile causando la comparsa di una transizione del segnale elettrico della sonda a valle verso valori di tensione pi bassi circa 0 0 2 V I ripetuti cut off generati da
49. cit pi elevate stato introdotto un nuovo ciclo di omologazione il 91 441 che in pratica aggiunge al percorso precedente un tratto a maggiore velocit cos da portare la distanza totale a 11 Km la velocit media a 32 5 Km h e la massima a 120 Km h Questo ciclo viene identificato con la sigla ECE EUDC o NEUDC New European Driving Cycle dove ECE sta per Economic Commission for Europe e rappresenta la parte di ciclo urbano a bassa velocit mentre EUDC sta per Extra Urban Driving Cycle e rappresenta la parte extra urbana del ciclo realizzata a velocit maggiori Il ciclo ECE 15 Fig 1 1 Cap 1 Emissioni normative e sonda lambda noto anche come UDC Urban Driving Cycle stato scelto per rappresentare le condizioni di guida in citt caratterizzato da basse velocit del veicolo bassi carichi motore e basse temperature dei gas di scarico Il ciclo EUDC Fig 1 2 stato aggiunto dopo quattro ripetizioni del ciclo ECE 15 per simulare le condizioni di guida extraurbane con modalit di guida pi aggressive e a velocit pi elevate La Fig 1 3 riporta il ciclo ECE EUDC nel suo complesso mentre la Tab 1 1 riassume i parametri di entrambi i cicli ECE ed EUDC 9 Speed kmh Fig 1 1 Ciclo ECE Cap 1 Emissioni normative e sonda lambda 120 80 60 Speed kmh 40 20 O 100 200 300 400 Time Fig 1 2 Ciclo EUDC misu
50. colare confrontandolo con il segnale della sonda a monte al diminuire dell efficienza catalizzatore esso passa da un andamento poco variabile nel tempo ad oscillazioni sempre pi simili a quelle del sensore a monte b Diagnosi fuel system con questa diagnosi il sistema segnala che la centralina non in grado di mantenere il valore stechiometrico senza poter associare il problema ad un elemento specifico 15 Cap 1 Emissioni normative e sonda lambda c d Diagnosi misfire il sistema deve essere in grado di diagnosticare le mancate combustioni che se non individuate e gestite di conseguenza inibizione iniezione del dato cilindro e controllo alimentazione fuel in catena aperta provocano il danneggiamento del catalizzatore e la deriva delle emissioni Diagnosi sonda lambda capacit del sistema di diagnosticare il corretto funzionamento del sensore di ossigeno nei gas di scarico per ora EuroV limitato al solo sensore posto a monte del catalizzatore Fig 1 6 Strumento diagnostico SCAN TOOL 8 Il sensore di ossigeno rilevando le rapide variazioni di ricchezza della miscela elaborata dal motore emette segnali di tensione continuamente variabili nel tempo alla centralina elettronica che regola di conseguenza la durata di apertura degli iniettori Con il suo invecchiamento la risposta ai cambiamenti di titolo diventa sempre pi lenta con ovvie conseguenze sulla prontezza di interven
51. dei limiti sulle emissioni previste dalle normative essi hanno la funzione di purificare i gas di scarico favorendo le reazioni dei componenti indesiderati Sfruttando il principio della catalisi chimica permettono di ossidare CO e HC e allo stesso tempo ridurre gli ossidi di azoto non eliminabili per via termica Dal punto di vista chimico il catalizzatore una sostanza impiegata per facilitare reazioni D SONDA LAMBDA A MONTE lineare chimiche alle quali non partecipa e che senza di esso non avrebbero luogo o si svolgerebbero con estrema lentezza I prodotti delle suddette reazioni chimiche sono vapor d acqua H20 anidride carbonica CO2 e CATALIZZATORE azoto composti non nocivi per la salute umana Questo strumento di abbattimento delle emissioni viene SONDA LAMBDA B A VALLE M omlott Fig 2 1 Layout catalizzatore 4 normalmente installato nel primo tratto del sistema di scarico in prossimit del motore per ridurre i tempi di light off condizione termica in corrispondenza della quale si raggiunge il 50 dell efficienza di conversione E costituito da un involucro esterno metallico che guida i gas combusti attraverso un letto di catalisi in cui 25 Cap 2 Sonda lambda nella diagnosi catalizzatore vengono a contatto con il materiale attivo distribuito su una vasta area in modo da favorire l adsorbimento dei reagenti gassosi In genere si uti
52. di sul perimetro dello stato II Gli eventi generati da questa esecuzione sono nel complesso otto quattro relativi all evento accensione motore e quattro relativi all evoluzione a 12 ms i quali vengono uniti a coppie e inviati ai blocchi del modello per gestire rispettivamente le inizializzazioni e le esecuzioni degli stessi 5 3 Abilitazione strategia naturale Nel blocco descritto in questo paragrafo viene elaborata la condizione di abilitazione per la strategia naturale la quale verr continuamente aggiornata e comunicata alla macchina di diagnosi Al suo interno Fig 5 3 sono presenti un blocco destinato all inizializzazione degli output all avviamento motore Fig 5 4 ed un blocco addetto alla produzione degli output ad ogni esecuzione prodotta dallo schedulatore cio ogni 12 ms Fig 5 5 80 Cap 5 Elaborazione del modello diagnostico lt AC_MOT_2 gt EVENTI lt EV_12_ms_2 gt AC_MOT_2 TIMER O ABILITAZIONE_NATURALE _0 ABILITAZIONE_NATURALE_FILTRATA_0 TEMPO INIZIALIZZAZIONE VELOCITA _MOTORE VELOCITA MOTORE gt le Nerg el ABILITAZIONE_NATURALE ABILITAZIONE_NATURALE PORTATA_ARIA PORTATA_ARIA TEMPERATURA_ACQUA TEMPERATURA_ACQUA ABILITAZIONE_NATURALE_FILTRATA J TEMPERATURA_CATALIZZATORE ABILITAZIONE_NATURALE_FILTRATA TEMPERATURA_CATALIZZATORE TIMERLIN ESECUZIONE Fig 5 3 B
53. e dell efficienza di conversione reazioni indesiderate possono portare alla formazione di acido solforico a causa dello zolfo presente nella benzina di ammoniaca e di protossido di azoto N30 28 Cap 2 Sonda lambda nella diagnosi catalizzatore rilascio di metalli nobili nell atmosfera Nonostante le quantit di platino palladio e rodio impiegate siano minime e nonostante questi metalli non siano consumati durante il funzionamento studi europei hanno dimostrato che una minima parte di essi viene rilasciata nell ambiente in seguito a processi di degradazione sia termica che meccanica Fenomeno da non trascurare vista l estrema tossicit di questi metalli l abbattimento teorico dei gas tossici per un dispositivo perfettamente funzionante su ciclo extraurbano al 90 sul CO e all 80 sugli NO ma la completa ossidoriduzione delle specie inquinanti non impedisce la loro degradazione e ricombinazione chimica a valle del sistema di abbattimento di emissioni L aggiunta nella benzina cosiddetta verde di metilterbutiletere MTBE ed etilterbutiletere ETBE determina inoltre la liberazione di formaldeide ed acetaldeide in conseguenza della quale aumenta anche il protossido di azoto uno dei principali responsabili dell effetto serra 2 2 L Oxygen Storage Capacity OSC L OSC rappresenta la capacit del catalizzatore di immagazzinare ossigeno in condizioni di titolo magro e di rilasciarlo in condizio
54. elaborata dal motore nell intervallo di rilevanza At da cui risulta visibile l incremento del parametro SOMMA PORTATA ARIA con 1 valori di portata registrati ogni 12 ms e l incremento del CONTATORE SOMMA destinati al calcolo del parametro MEDIA PORTATA ARIA prontamente adoperato per il calcolo dell indice 6 3 Dispersione degli indici di detezione Il passaggio successivo per la validazione del modello prevede l accertamento di una sufficiente distinzione fra gli indici elaborati dall algoritmo nel caso di una sonda nuova o invecchiata Il perseguimento di questo proposito stato limitato dalla carenza di acquisizioni in riferimento ad una sonda invecchiata in maniera naturale Premesso ci in prima approssimazione verranno trattati gli indici calcolati sulle ridotte acquisizioni a disposizione pur con la conseguente scarsa attendibilit dei risultati ottenuti In secondo luogo verranno proposti degli indici calcolati su delle nuove acquisizioni eseguite su sonda nuova e degradata tramite software Magneti Marelli con l obiettivo di valutare la dispersione nei due casi e senza dare peso alla lontananza fra le Gaussiane probabilistiche in quanto non rispecchia la reale distinzione fra gli indici di sonde nuove ed invecchiate 106 Cap 6 Simulazioni e test di validazione della strategia 6 3 1 Dispersione indici delle acquisizioni a disposizione Dalla totalit delle acquisizioni disponibili ne sono
55. engono percorsi nel caso di fuoriuscita del segnale in tensione della sonda dal range di stabilit LAMBDA RANGE FALSE Questo ramo non presente sull ultima evoluzione a 12 ms in quanto abbiamo gi attivato la strategia di diagnosi e l insorgere della transizione obbliga inevitabilmente il segnale della sonda ad uscire dall intervallo di stabilit AC_MOT 4 INIZ_LAMDA INIZ_VETTORE START_ TEMPO START_2 TEMPO TIMER_i OTIMER_2 C ASILITAZIONE_LAMBDA FALSE i A T4 EV_12 ms 4 c no INIZ_LAMISDA INIZ_VETTORE fzon RANGE FALSE ART_1 TEMPO START_i TEMPO ul 1 MODALITA _MOTORE CUTOFF MODALITA _MOTORE CUTOFF DIAGNOSI TRUE Fig 5 10 Stateflow b di controllo e gestione della soglia dinamica 88 Cap 5 Elaborazione del modello diagnostico Passiamo ora ad analizzare il secondo blocco Fig 5 11 quello responsabile della specifica II Come input oltre al segnale in tensione della sonda LAMBDA VOLTAGE troviamo le chiamate a funzione per l inizializzazione INIZIALIZZAZIONE LAMBDA e esecuzione ESECUZIONE LAMBDA relativa al riempimento e aggiornamento del vettore L output principale finalit del blocco rappresentato dalla soglia FT ma vengono pubblicati anche il vettore a scorrimento VETTORE LAMBDA e il contatore delle posizioni riempite del vettore CONTATORE VETTORE per verificare in fase di validazione modello la corretta evoluzione
56. entificare un invecchiamento del sensore condizione per cui i tempi di transizione si allungano 62 Cap 4 Scelta e ottimizzazione dell indice di detezione 4 1 2 Indici base ottenuti con sonda e catalizzatore invecchiati A questo punto vengono di seguito riportati i risultati ottenuti dall analisi del segnale di una sonda lambda invecchiata montata sulla stessa vettura ed acquisita durante un ciclo di omologazione completo ECE EUDC posta a valle di un catalizzatore con 100 000 km di vita alle spalle Dispersion of the for a Old Oxygen Sensor THRESHOLD 650 350 T T T T T T T T T T T T l s I l I I 1 2 a 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 Test 5 T T Index E Dispersion of the Index for a Old Oxygen Sensor MIN 0 8 V s MAX 4 8 V s 5 T T T T T T T T T T T T T T Index Fig 4 8 Indici base ottenuti con sonda e catalizzatore entrambi invecchiati FT 650 mV ST 350 mV FAST TIME Dispersion ofthe for a Old Oxygen Sensor THRESHOLD 650 350 5 T T T T T T T T T T T T T T Index 1 2 5 6 8 9 10 11 12 13 15 Test Dispersion of the Index for a Old Oxygen Sensor MIN 0 8 V s MAX 4 9 V s 5 T T T T T T T T T T T E T T 4H al 3f si 5 L al i l l l i i 2 3 4 5 6 T 8 9 10 m 12 13 14 15 Fig 4 9 Indici base ottenuti con sonda e catalizzatore entrambi invecchiati FT 650 mV ST 350 mV MEDIUM TIME 6
57. etare l analisi sulle condizioni ottimali per l abilitazione della diagnosi stato rilevata per ogni cut off utile a disposizione la marcia ingranata prima della richiesta dello stesso Da questo tipo di studio vorremmo riscontrare ed i risultati in Fig 3 16 lo dimostrano la possibilit di eseguire la diagnosi con cut off avviati a partire da marce alte questo in quanto nella strategia forzata in cui si riduce il tempo di rilascio pedale per abbreviare i tempi di diagnosi ci si aspetta una minor ripercussione sulla guidabilit nel caso in cui l inerzia del veicolo sia sufficientemente elevata da non generare bruschi rallentamenti legati al taglio della coppia erogata cio in situazioni di sufficiente velocit del veicolo garantita per appunto dalle marce pi alte 52 Cap 3 Analisi e caratterizzazione sperimentale delle transizioni della sonda lambda 1 Gear 3 2 Gear4 3 Gear 9 4 Gear 8 5 Gear 9 6 Gear13 Tempo Rilascio Pedale STANDARD Tempo Rilascio Pedale 400 35001 iris ireland a Tempo Rilascio Pedale 300 Tempo Rilascio Pedale 200 Tempo Rilascio Pedale 100 Tempo Rilascio Pedale 50 GITE iI AREON OOREEN VANONT OER R A 2 E z i a g 2000 i CORO PEIR O EAO A ETES TITANIO PAT E A E EE OT A O E TO 2 i g i to t 5 i di 1500 H i n i t 3 ADOGiE ii ni i t 500 n x 0 i j I i i j 0 1
58. ferico delle aree urbane da ricondursi ai gas di scarico degli autoveicoli che concorrono almeno nelle realt pi evolute ad un maggiore contributo rispetto al riscaldamento domestico e alle attivit industriali e o tecnologiche Con il termine emissioni nel caso di autoveicoli si intende tutto ci che contenuto nei gas di scarico di un motore a combustione interna in funzione ossia i prodotti di combustione completa o incompleta Durante il processo di combustione i principali elementi che reagiscono convertendo energia chimica in energia termica e meccanica sono l ossigeno O2 e l azoto N2 contenuti nell aria aspirata e l idrogeno H2 e il carbonio C che costituiscono gli idrocarburi contenuti nella benzina Se i prodotti della Cap 1 Emissioni normative e sonda lambda combustione fossero vapor d acqua H20 anidride carbonica CO2 e azoto N2 cio sostanze considerate non direttamente dannose per l ambiente e per l uomo l autoveicolo sarebbe ritenuto non inquinante Allo scarico per si trovano altri prodotti legati alla parziale combustione dei reagenti ed a reazioni di diversa natura avvenute sia durante sia dopo il processo di combustione I principali gas inquinanti ritenuti dannosi e oggetto di limitazione dalle normative imposte dai Governi di alcuni paesi sono gt il monossido di carbonio CO gt gli idrocarburi incombusti HC gt gli ossidi di azoto NO Il monoss
59. fissato all inizio dell attivit teorico sperimentale ovvero la realizzazione di un modello in grado di diagnosticare lo stato della sonda lambda posta a valle catalizzatore pu ritenersi al termine dell attivit di Tesi sufficientemente raggiunto In particolare il sistema di diagnosi rileva correttamente la globalit delle transizioni utili simulate sul modello grazie alle acquisizioni a disposizione confermando il corretto comportamento dell algoritmo A sostegno di ci stata anche validata la possibilit di eseguire la diagnosi all interno del ciclo di omologazione ECE EUDC con i dovuti accorgimenti descritti in precedenza per una sonda nuova Inoltre le analisi sulla dispersione proposte sembrano promettere una buona separazione dell indice eliminando la possibilit di incappare in falsi allarmi A questo proposito sarebbe utile ottenere delle nuove acquisizioni principalmente con catalizzatore e sonda invecchiati per aumentare la popolazione degli indici da cui poter ricavare curve probabilistiche pi attendibili Ulteriori sviluppi del presente lavoro richiederebbero in particolare di 1 Completare la sezione di dialogo del modello con il controllo coppia per la correzione del tempo rilascio pedale strategia forzata Occorrer quindi modificare l attuale modello per l attuazione del cut off con l inserimento di un flag che attivi la riduzione del tempo di rilascio pedale 2 Validare il model
60. i di portata aria fissate ripetute per la quarta la quinta e la sesta marcia Nel caso di sonda nuova stato eseguito un cut off per ognuno dei seguenti valori di portata d aria 200 150 100 80 60 40 30 kg h Per quanto riguarda la sonda degradata software il numero di cut off salito a 3 in alcuni casi 4 per ogni valore di portata Il tempo di rilascio pedale imposto di 100 ms tempo piuttosto basso in concordanza con una strategia forzata Gli indici sono stati calcolati con due differenti calibrazioni per le soglie FT ed ST riportati in rosso e blu 108 Cap 6 Simulazioni e test di validazione della strategia Index Dispersion with 4 gear engaged i ME RAEE 98 ST 250 mV ME RATE 96 ST 150 mV 25 T 15F SII rE QAH 200 150 100 80 60 40 30 kg h Index Dispersion with 5 gear caa 1 INDEX V g 2 5 I T 2b pr 98 s 250 mV af S RE RATE 96 150 mV LET ini tF mi 0 QAH 30 kg h Index a with 6 gear cron 2 5 I T l RATE 98 sT 250 mV J Tao ME RATE 96 ST 150 mV di 1 5 1 L E E 0 QAH 80 60 40 30 kg h Fig 6 5 Indici elaborati dal modello in 4 5 6 marcia al variare della portata d aria ottenuti con sonda nuova Index Dispersion with 4 gear engaged T T o1 E RATE 98 ST 25
61. i ossidazione di CO ed HC Pi precisamente l efficienza di conversione definita con la relazione sotto riportata di tutti e tre gli inquinanti si mantiene superiore all 80 Fig 2 3 solo se il motore viene 26 Cap 2 Sonda lambda nella diagnosi catalizzatore alimentato con un rapporto aria combustibile attorno al valore stechiometrico variabile tra 14 6 e 14 7 a seconda della composizione della benzina Xin Xour Xin I rwc x E 100 Er NOx co HC ii Fa Campo di funzionamento ottimale Miscela ricca Miscela povera Efficienza di conversione 20 13 14 14 7 15 16 Rapporto aria combustibile Fig 2 3 Efficienza di catalisi del catalizzatore trivalente 6 Nonostante i tempi di risposta dei sistemi di iniezione diretta si siano cospicuamente ridotti per particolari condizioni di guida ottenute spesso su un ciclo di guida urbano rapide accelerazioni e decelerazioni il rapporto aria combustibile si allontana dal valore ottimale causando un aumento delle emissioni inquinanti 11 Inoltre nel tempo diversi fattori provocano una progressiva perdita di funzionalit del convertitore catalitico tra cui 27 Cap 2 Sonda lambda nella diagnosi catalizzatore h SA In sinterizzazione termica fenomeno provocato dalle alte temperature raggiunte nel catalizzatore in condizioni di carico elevato per cui si avvia un processo
62. i soglie 600 mV e 400 mV in quanto valori di soglia superiore FT eccessivamente alti e di soglia inferiore ST esageratamente bassi non permettono di rilevare quelle transizioni che non iniziano e non terminano da valori convenzionali della tensione della sonda per miscela grassa e magra b L evoluzione del segnale in medium time ha buoni risultati solo nel primo caso relativo cio a FT pari 750 mV e ST pari a 150 mV In tale situazione i due punti individuati dalle coppie di variabili di tempo e tensione di inizio e fine diagnosi sono sufficientemente distanti da permettere una corretta stima del coefficiente angolare Negli altri due casi rispettivamente con soglie FT pari a 650 e 600 mV e ST pari a 350 e 400 mV si osserva una perdita di transizioni utili al calcolo dell indice che aumenta nell ultimo caso dove il tempo tra inizio e fine diagnosi molto ridotto c La dispersione dell indice calcolato molto alta in tutti i test eseguiti pur trattandosi di transizioni eseguite dalla stessa sonda Va sottolineato che pur avendo una perdita di transizioni utili alla stima dell indice con un evoluzione a 12 ms le acquisizioni fin qui analizzate si riferiscono ad un sensore nuovo condizione che riduce abbondantemente i tempi della transizione per cui ancora pensabile di mantenere valido questo tempo di campionamento per l evoluzione della diagnosi soprattutto se si considera il nostro interesse ad id
63. i validazione della strategia 101 gt 6 1 Introduzione all attivit 101 gt 6 2 Risultati della diagnosi 102 II Indice 6 2 1 Evoluzione della soglia dinamica 102 6 2 2 Evoluzione della macchina di diagnosi 103 gt 6 3 Dispersione degli indici di detezione 106 6 3 1 Dispersione indici delle acquisizioni a disposizione 107 6 3 2 Dispersione indici sulle nuove acquisizioni 108 gt 6 4 Diagnosi sul ciclo ECE EUDC 111 gt 6 5 Auto calibrazione delle soglie FT ed ST 113 Conclusioni e sviluppi futuri sssssssssssss e 119 Bibliografia arse turbe nar rinii dee AZ III Introduzione Introduzione La presente tesi sviluppata presso la Magneti Marelli Powertrain S p A di Bologna si occupa dello sviluppo di una strategia destinata al riconoscimento del malfunzionamento della sonda lambda posizionata a valle catalizzatore di un motore endotermico alternativo a combustione interna ad accensione comandata Le normative antinquinamento impongono ai costruttori limiti sempre pi stringenti sulle emissioni e ormai da molti anni vi anche l obbligo di rilevare mediante un sistema di autodiagnosi a bordo del veicolo i componenti del sistema controllo motore in stato di avaria o invecchiamento In particolare la normativa richiede la diagnosi di quei componenti il cui malfunzionamento produce un innalzamento delle emissioni inquinanti al di sopra delle soglie imposte sul
64. iagnosi L algoritmo diagnostico prevede le due strategie naturale e forzata disposte in parallelo la prima coppia di condizioni di abilitazione ABILITAZIONE NATURALE FILTRATA e ABILITAZIONE LAMBDA o ABILITAZIONE FORZATA FILTRATA e ABILITAZIONE 93 Cap 5 Elaborazione del modello diagnostico LAMBDA verificata individua quale delle due strategie attivare Nel caso in cui dovessero verificarsi contemporaneamente entrambe le condizioni abilitanti la strategia naturale e forzata la precedenza viene attribuita alla strategia forzata in quanto quella che consente i minori tempi di diagnosi Inoltre se dall abilitazione della strategia naturale alla richiesta di cut off da parte dell utente dovesse risultare verificata la condizione di abilitazione per la strategia forzata anche in questo caso si procede a concederle la priorit La strategia riportata nello schema a blocchi di Fig 5 16 ed quasi identica nei due casi se non per l aggiunta nella strategia forzata di una chiamata a funzione verso un blocco ausiliario adibito all elaborazione del tempo di rilascio pedale da comunicare al controllo coppia L evoluzione dell algoritmo prevede una volta verificate le condizioni di abilitazione l attesa del cut off che originer la transizione grasso magro oggetto di valutazione All attuazione del cut off viene interrotto il calcolo della soglia dinamica e viene congelato l ultimo valore calcolat
65. ibile per la conversione in energia meccanica di parte della sua energia chimica Non nociva n tossica per l uomo ma ultimamente viene considerata come un clima alterante perch le grandi quantit prodotte dall attivit umana contribuiscono al riscaldamento globale I primi tre componenti della lista precedente sono invece in una certa quantit eliminabili anche se non completamente e smaltibili attraverso un efficace sistema catalitico di trattamento dei gas di scarico presente sulle vetture Tra le emissioni inquinanti ritroviamo anche composti solidi come il particolato PM Particulate Matter Con questo termine s indica l insieme di particelle solide e liquide generate dal processo di combustione e portate in sospensione dai gas di scarico Si tratta di particelle di carbonio su cui si sono condensati alcuni idrocarburi provenienti dal carburante e dal lubrificante La loro pericolosit deriva dalle ridotte dimensioni tra 0 1 e 1 um che ne facilita l inalazione ed il trattenimento negli alveoli polmonari La formazione di questo inquinante legata ad una combustione di tipo diffusivo tipica delle applicazioni diesel e GDI 1 1 2 Cicli di omologazione Per misurare le emissioni inquinanti di un auto e poterle comparare con quelle di altre vetture nelle stesse condizioni d uso o con specifiche soglie predefinite si utilizzano particolari test i cosiddetti cicli di omologazione Tali test av
66. icazione di coppie di soglie differenti Il seguente schema riassume 1 test effettuati _FT 750 mV _ FASTTIME 4ms ST 150 mV MEDIUM TIME 12ms Ein NEW Catalystand Oxygen Sensor FT 650 mV _y FASTTIME 4 ms OSC 600 700 mg ST 350 mV ia MEDIUM TIME 12ms FT 600mV FASTTIME 4ms ST 400 mV ___m_ MEDIUMTIME 12ms FT 650 mV __ FASTTIME 4ms ST 350 mV __m_ MEDIUMTIME 12ms AGED Catalystand Oxygen Sensor E 160 000 km FT 600 mV gt FAST TIME 4 ms ST 400mV MEDIUMTIME 12ms E possibile notare che per le acquisizioni relative ad una sonda invecchiata non stato possibile eseguire il test con le soglie FT e ST pari a 750 e 150 mV in quanto il segnale della sonda a causa dell invecchiamento non riesce a risalire ai valori di tensione normalmente auspicabili per una composizione grassa dei gas di scarico I risultati ottenuti vengono qua sotto riportati tramite due istogrammi il primo riporta gli indici calcolati secondo l ordine sparso di studio mentre nel secondo tali indici sono riordinati in senso crescente per meglio evidenziare la dispersione dell indice 58 Cap 4 Scelta e ottimizzazione dell indice di detezione 4 1 1 Indici base ottenuti con sonda e catalizzatore nuovi THRESHOLD 750 150 Cispersion of he Index fora New Oxygen Sersor 40 vu ba E pi li ol ili lil ill MANAF adill o 5 10 15 20 25 30 35 40 Tran
67. ido di carbonio CO inodore ha una densit simile a quella dell aria e si forma a causa della combustione incompleta della benzina aspirata dal motore nell uomo causa mal di testa vertigini ed anche morte in quanto altera la capacit del sangue di trasportare e rilasciare ossigeno ai tessuti E altamente tossico per gli esseri umani anche in basse concentrazioni Gli idrocarburi incombusti HC si formano anch essi dalla combustione incompleta della benzina alcuni idrocarburi possono risultare cancerogeni altri possono causare irritazioni ed altri ancora sono altamente tossici Gli ossidi di azoto NO comprendono il monossido di azoto NO e il biossido di azoto NO le modalit di formazione di questi ossidi sono differenti ma la quota pi importante generata dall azoto contenuto nell aria che alle alte temperature raggiunte in camera di combustione si lega con l ossigeno Gli ossidi di azoto risultano irritanti per le vie respiratorie possono essere tossici sono responsabili del buco dell ozono e se esposti alle radiazioni solari si combinano con gli idrocarburi incombusti formando smog una successiva reazione di questi Cap 1 Emissioni normative e sonda lambda ossidi con l acqua genera l acido nitrico uno dei responsabili del fenomeno delle piogge acide L anidride carbonica CO2 costituisce un prodotto ineliminabile della combustione generato dall ossidazione del combust
68. imo valore di tempo di diagnosi END START per ritenere valido l indice calcolato NUMERO INDICI quantitativo di indici INDICE SINGOLO da rilevare prima di evadere l indice medio di detezione INDICE DIAGNOSI SOGLIA INDICE valore identificativo del confine tra una sonda con corretto funzionamento ed una mal funzionante invecchiata lt ABI I I A ABILITAZIONE LAMBDA gt lt FT gt ST P TEMPO_MASSIMO TEMPO_MINIMO NUMERO_INDICI ABILITAZIONE NATURALE_FILTRATA ABITAZIONE NATURALE FILTRATA ILITAZIONE_FORZATA_FILTRATA ABUTAZIONE FORZATA FILTRATA BILITAZIONE_LAMSDA SOGLIA_INDICE FOGLIA INDI a STATO_DIANGOSI3TATO_DIANGOSI si nails STATO_STRATEGIA STATO_STRATEGIA mene da TAR CO Po STAAT IEND START END START INDICE SINGOLO DCE SINGOLO a 5 CONTATORE_INDICE INDICE_DIANGOSI SOMMA_PORTATA_ARIA CONTATORE_SOMMA MEDIAA_PORTATA_ARIA INDICE_GUASTO TIPOLOGIA_GUASTO FINE_DIAGNOSI CHIAMATA_MODULO_DIAGNOSTI MACCHINA DI DIAGNOSI RAR SEB CONTATORE_INDICE INDICE_DIAGNOSI CI INDICE_DIAGNOSI BOMBA PORIARA ARIA SOMMA_PORTATA_ARIA CONTATORE_SONMA CONTATORE SOMMA MEDIA FORTATA ARA 2 GLIO R MEDIA_PORTATA_ARIA ITIPOLOGIA_GUASTO FINE_DIAGNOSI ana CHIAMATA_CONTROLLO_COPPIA ICHIAMATA_CONTROLLO_COPPIA CHIAMATA_MODULO_ DIAGNOSTICO La Fig 5 15 Input e Output della macchina a stati responsabile della d
69. io In pratica il codice simula le recenti acquisizioni riguardanti sonda e catalizzatori nuovi eseguite in quarta quinta e sesta marcia al variare della portata d aria modificando per ogni simulazione il valore delle calibrazioni RATE ed ST Gli indici ricavati vengono elaborati per la generazione di Gaussiane che semplificano l individuazione della coppia di calibrazione che meglio riduce la dispersione Nel singolo grafico vengono paragonate le Gaussiane ottenute mantenendo fissa la soglia FT e facendo variare la soglia FT agendo sul parametro RATE Si pu osservare che gt A parit di FT RATE la dispersione in termini di deviazione standard normalizzata rispetto al valor medio eta tende a diminuire con l abbassarsi del valore della seconda soglia I valori pi bassi vengono registrati per ST pari a 40 mV 113 Cap 6 Simulazioni e test di validazione della strategia gt A parit di ST la dispersione non sembra avere un andamento direttamente proporzionale o inversamente proporzionale al variare della FT RATE New downstream probe Gauss distribution with calibration ST 300 mV I I I RATE 98 mu 1 181 sigma 0 275 eta 0 233 RATE 96 mu 1 416 sigma 0 265 eta 0 187 RATE 94 mu 1 517 sigma 0 332 eta 0 219 0 9 hoc haf AA i RATE 92 mu 1 707 sigma 0 39 eta 0 228 os Caa a a COE OE Pi E E D ANAS porn
70. l cutoff all inizio della transizione per catalizzatore nuovo e invecchiato In Fig 3 2 sono state verificate sperimentalmente le differenti tempistiche di ritardo per un gruppo di transizioni scelte a campione 90 Cap 3 Analisi e caratterizzazione sperimentale delle transizioni della sonda lambda Altri due importanti fattori che incidono sulla risposta di questo sistema sono il carico motore e il regime motore In particolare ci si aspetta una transizione pi ripida e con tempi di attraversamento soglia minori nei punti motore ad alto carico e regime viceversa ci aspetteremo una transizione meno ripida e temporalmente pi ritardata per i punti motore a pi basso carico e regime Il principale fattore che influenza la transizione della sonda ed in particolare la sua ripidezza sicuramente lo stato di invecchiamento e degrado del sensore stesso va ricordato infatti che alcune parti del sensore vengono lambite direttamente dai gas di scarico che oltre a contenere componenti in grado di scatenare attacchi chimici si trovano ad elevate temperature che fluttuano ampiamente a seconda delle condizioni di funzionamento del motore provocando tensioni e stress termico sui materiali che costituiscono il sensore La conseguenza di ci consiste in un aumento dei tempi di risposta della sonda nella misura del titolo dei pacchetti di gas o in altre parole nell aumento della costante di tempo della funzione di trasferi
71. l regime minimo per 15 secondi All interno di ogni ciclo sono presenti 5 decelerazioni dalla velocit massima di ciclo Tab 1 4 fino alla velocit di 32 km h CICLO Lio Ze eZ 38 9 10 ge 64 48 64 64 56 48 56 72 56 89 113 km h Tab 1 4 Massime velocit di ciclo Il percorso seguito durante uno dei cicli ripetuti riportato di seguito AE Cap 1 Emissioni normative e sonda lambda 0 6 km km0e o 4 7 km 4 2 km 1 1 km Decelerata a 32km h Decelerata a 32km h e accelerata fino av e accelerata tino a v 2 1 km massima di ciclo massima di ciclo Arrivo e partenza Decelerata a 32km h e accelerata fino av massima di ciclo Arresto e accelerazione z f he Decelerata a 32km h fino a v massima ciclo A 31 k e accelerata fino a v 3 1 km massima di ciclo Decelerata a 32km h e accelerata fino av massima di ciclo Arresto e accelerazione fino av massima ciclo Fig 1 7 Schema di guida per Type V Test Nel caso il test venga effettuato al banco a rulli e non su strada necessario che vengano riprodotte e simulate le inerzie e le resistenze aerodinamiche del veicolo Il sistema di raffreddamento del veicolo deve inoltre garantire temperature di funzionamento simili a quelle ottenibili nella prova su strada All inizio della prova ed ogni 10 000 k
72. li indici presentati nelle Fig 4 12 e 4 13 si pu osservare che il range di dispersione dell indice per le due condizioni di sonda e catalizzatore tende a ridursi considerevolmente potendoci augurare che gli indici siano sufficientemente diversi da permettere il riconoscimento di un sensore mal funzionante Nei prossimi paragrafi verranno eseguite delle analisi di sensitivit dell indice alla portata d aria elaborata dal motore per capire se un eventuale normalizzazione rispetto alla portata d aria possa ridurre la dispersione degli indici fattore identificativo della robustezza e qualit dell algoritmo diagnostico 67 Cap 4 Scelta e ottimizzazione dell indice di detezione 4 2 Analisi di sensitivit alla portata d aria Come gi descritto in precedenza tra 1 parametri di influenza sulla transizione grasso magro della sonda il regime e il carico di inizio cut off sono quelli che descrivono le modalit di trasporto dei pacchetti d aria verso la sonda questi due parametri governano le dinamiche di svuotamento collettore e di conseguenza le tempistiche di trasporto e la massa trasferita al catalizzatore In particolare quest ultimo parametro identificativo del carico motore spinge a pensare che transizioni della sonda generate da alte portate abbiano tempi di discesa minori rispetto a transizioni generate da basse portate d aria Un primo approccio per la verifica di questa ipotesi stato que
73. lizza un supporto poroso monolite ceramico a celle passanti o supporto in lamiera di acciaio fittamente pieghettata e avvolta sulla cui superficie viene depositato un materiale refrattario ad alta porosit washcoat in genere a base di allumina cerio e zirconio a sua volta impregnato di materiale catalizzante Quest ultimo una combinazione di tre metalli nobili palladio Pd e platino Pt per catalizzare le reazioni di ossidazione di HC e CO e rodio per catalizzare le reazioni di riduzione degli NO La quantit di metalli attivi presente nel catalizzatore circa 1 1 2 in peso rispetto al Allumina Pi Pd Rh Ce washcoat 18 Fig 2 2 Schema di funzionamento del La cinetica chimica delle catalizzatore fonte Internet reazioni di ossidoriduzione realizzate nei convertitori catalitici impone un set di condizioni necessarie al funzionamento ottimale del dispositivo esso infatti perde rapidamente efficacia se si opera al di fuori di un certo intervallo di temperature e di un campo ristretto del rapporto aria combustibile Per far s quindi che il convertitore catalitico possa svolgere la sua funzione trivalente con un elevata efficacia necessario che il motore sia alimentato con un rapporto di miscela molto vicino allo stechiometrico un eccesso di ossigeno libero nei gas combusti renderebbe difficile la riduzione degli NO mentre un suo difetto farebbe diminuire la probabilit d
74. llo di calcolare per un set di transizioni caratterizzate da condizioni di carico motore differenti tre nuovi indici normalizzati rispetto all integrale della portata d aria calcolato in tre intervalli temporali differenti Un secondo approccio che a differenza del primo ha portato a buoni risultati prevede il calcolo di ulteriori tre nuovi indici normalizzati non pi rispetto all integrale ma rispetto alla media del valore di portata d aria calcolato sugli stessi intervalli temporali precedenti T T T T T T ak I Sonda a Valle V I Lambda a monte pel Li gt Catoff x I A4t3 l I 1 7 l Ei Ji x I Tr _e ieagee sean RICH fa E l osf fa r apria ja E LEAN E LI E RA E a o i rp tl 402 1 x T I I 05 i i fi i i i i SIART ce 174 6 174 8 175 175 2 17 5 4 P 175 8 176 176 2 At1 176 4 Fig 4 14 Intervalli temporali per il calcolo dei nuovi indici 68 Cap 4 Scelta e ottimizzazione dell indice di detezione La normalizzazione in entrambi i casi proposti viene eseguita acquisendo il segnale di portata aria QAH su tre differenti intervalli temporali e Atl tempo che intercorre tra la visione della prima soglia FT e la seconda ST e At2 tempo che intercorre tra l inizio del cut off e la visione della seconda soglia ST e At3 tempo che intercorre tra la registrazione del lambda della sonda a m
75. lo in vettura per controllare il corretto funzionamento dello stesso anche on board 119 Cap 6 Simulazioni e test di validazione della strategia 3 Valutare la possibilit di inserire una tabella correttiva in merito alla 4 normalizzazione rispetto alla portata d aria dell indice con lo scopo di ridurne la dispersione questo proposito richieder l esecuzione di un elevato quantitativo di test in vettura da cui desumere le adeguate correzioni da applicare in base al punto motore Identificare un modello di correzione dell OSC stimato laddove viene riconosciuto un invecchiamento della sonda lambda che ricordiamo concorre alla stima dell OSC nella diagnosi catalizzatore 120 1 2 3 4 5 6 7 8 9 li nn i ln LL ln Bibliografia Legislazione Internazionale Unione Europea Inquinamento atmosferico autoveicoli leggeri LI 11 711 1 222 2004 CARB 1987 California Air Resources BOARD http www arb ca gov California s OBD II Title 13 California Code of regulation section 1968 Malfunction and diagnostic system requirements for 2004 and subsequent model year passenger cars light duty trucks and medium duty vehichles and engines OBD II 2003 Enciclopedia virtuale Wikipedia John B Heywood Internal Combustion Engine Fundamentals Mario balenovic Modeling and Model Based Control of a Three Way Cataly
76. locchi di inizializzazione ed esecuzione per l abilitazione strategia naturale Le inizializzazioni sono imposte a zero quindi FALSE per le condizioni di abilitazione mentre il TIMER inizializzato al valore della variabile TEMPO De TEMPO TIMER_O ES p ABILITAZIONE_NATURALE_O EZ pe ABILITAZIONE_NATURALE_FILTRATA_O Fig 5 4 Inizializzazioni del modulo di abilitazione strategia naturale Gli output sono rappresentati da due condizioni booleane 1 ABILITAZIONE NATURALE la quale viene dichiarata TRUE quando vengono soddisfatte le seguenti condizioni 81 Cap 5 Elaborazione del modello diagnostico a Regime motore VELOCITA MOTORE all interno di un intervallo di valori i cui estremi sono calibrazioni scelte in base alle considerazioni emerse dall analisi effettuata nel Cap 3 b Carico motore PORTATA ARIA all interno di un intervallo di valori i cui estremi sono calibrazioni scelte come per il regime motore c Temperatura del fluido refrigerante TEMPERATURA ACQUA al di sopra di un valore di soglia calibrabile che consenta di stabilire che il motore sia termicamente stabilizzato d Temperatura del sistema catalitico TEMPERATURA CATALIZZATORE contenuta all interno di un intervallo di valori per cui il sistema si possa considerare sufficientemente efficiente 0 EV_12_ms 2 ABILITAZIONE_NATURALE INF lt rpm lt SUP VELOCITA_MOT
77. m 400 km le emissioni allo scarico vengono misurate Se il veicolo equipaggiato con un sistema di rigenerazione la misurazione deve essere effettuata quando la rigenerazione non in corso 18 Cap 1 Emissioni normative e sonda lambda Tutte le rilevazioni delle emissioni sono poi rappresentate su un grafico in funzione della distanza percorsa e interpolate tramite il metodo dei minimi quadrati I dati ottenuti vengono ritenuti accettabili ai fini del calcolo del fattore di deterioramento delle emissioni solo se i punti interpolati da questa linea a 6400 e a 80 000km sono al di sotto di un certo valore di soglia Per ogni specie inquinante rilevata allo scarico viene calcolato un fattore di deterioramento delle emissioni dove Mi indica la massa di inquinanti emessi in g km per la specie considerata ottenuta dall interpolazione a 6 400km analogamente Mi ottenuto dall interpolazione a 80 000km 9 1 5 La sonda lambda La sonda lambda un sensore indispensabile per conoscere la composizione dei gas di scarico e quindi per mantenere il rapporto di miscela kg aria kg combustibile entro l intervallo di efficienza ottimale del catalizzatore Il compito di questo sensore introdotto negli anni 80 per il controllo motore quello di facilitare la regolazione del rapporto di miscelazione identificato appunto con la lettera greca lambda Maria p Di M hel B ALIF 6 A F M fuel
78. mento G s tra il titolo dei pacchetti oggetto di misura ingresso e il titolo misurato dalla sonda uscita TRASFORMATA USCITA _ A F misurao S _ 1 A F cate 8 1 Tsonpa S G s TRASFORMATA INGRESSO Nella figura sottostante Fig 3 3 visibile la differenza tra il segnale di una sonda nuova ed il segnale dello stesso tipo di sonda ma trattato via software per simularne la degradazione 40 Cap 3 Analisi e caratterizzazione sperimentale delle transizioni della sonda lambda Fig 3 3 Confronto di transizione tra sonda nuova sinistra e degradata software destra Per quanto riguarda l influenza della modalit di spegnimento dei cilindri occorre approfondire maggiormente l argomento che viene trattato nel paragrafo successivo 3 2 Modalit di spegnimento cilindri Cut Off Attualmente in vettura per la gestione delle modalit di esecuzione dello spegnimento dei cilindri presente una strategia calibrata Fig 3 4 tale da eseguire un taglio di TABELLA TEMPI RILASCIO PEDALE coppia che NON vercema MOTORE TEMPO RILASCIO PEDALE comprometta le condizioni MARCIA di comfort per gli utenti Fig 3 4 Tabella gestione tempi di rilascio pedale Nello specifico in funzione del regime motore e della marcia inserita nell istante in cui viene richies
79. na chiusa closed loop A differenza di questa la seconda sonda lambda di tipo on off HEGO ed il suo segnale in tensione oltre che per la diagnosi catalizzatore viene introdotto con bassa priorit nel sistema di controllo titolo 7 La diagnosi viene abilitata quando viene riconosciuto uno stabilizzato In particolare il motore e i suoi componenti devono essere termicamente regimati e devono essere verificate condizioni di carico e regime stabili Durante la marcia al verificarsi delle suddette condizioni viene attivata la strategia ora descritta a seguito di una variazione del titolo prima in grasso A lt 1 e a poi in magro gt 1 il catalizzatore risponde in maniera differente a 31 Cap 2 Sonda lambda nella diagnosi catalizzatore seconda del suo stato di invecchiamento e la sonda a valle ne registra la conseguente risposta Nello specifico registreremo due comportamenti riportati in maniera qualitativa in Figura 2 5 nel caso di catalizzatore nuovo l elevata efficienza catalitica del convertitore far registrare alla sonda a valle un segnale di tensione che non ricalca A A F ratio P andamento di titolo imposto dalla strategia in quanto nella fase a titolo ricco il catalizzatore ha A Down_stream New Catalyst provveduto al ossidazione degli HC presenti con ossigeno stoccato dagli Time ossidi di cerio ristabilendo le A Down_stream Aged Catalyst condizioni stechiome
80. necessita di essere aggiornato ad ogni evoluzione a 12 ms La procedura di aggiornamento prevede in primo luogo l annullamento del primo elemento del vettore e lo shift dei restanti elementi di una posizione Questa operazione nel modello viene eseguita dalle sezioni a e b evidenziate in blu in Fig 5 14 Xelsjals h9 e2 na n Fig 5 13 Aggiornamento del vettore a scorrimento del segnale della sonda 90 Cap 5 Elaborazione del modello diagnostico fO ESEC _LAMBDA RA fo __ aio sa ea hi u Y vo 2 1 DMENSIONE Erano a 1 1 DIMENSIONE 1 1 LAMBDA_VOLTAGE C1 VETTORE_LAMBDA C2 CONTATORE_IN 2 CONTATORE_VETTORE Fig 5 14 Gestione ed aggiornamento del vettore a scorrimento e calcolo della soglia dinamica FT 91 Cap 5 Elaborazione del modello diagnostico La sezione a seleziona gli elementi posizionati dal secondo indice all ultimo generando un vettore che entra nella sezione b dove viene ricollocato sullo stesso vettore di partenza a partire dalla prima posizione fino alla penultima Dopo queste due operazioni non rimane che aggiornare l ultima posizione del vettore con il nuovo valore di tensione della sonda a valle LAMBDA VOLTAGE eseguito nella sezione c Nella sezione arancione viene incrementato il contatore che identifica il riempimento del vettore Ad ogni esecuzione il contatore che ricordiamo essere inizializza
81. ni di titolo ricco Questo parametro presenta il suo valore massimo con un catalizzatore a inizio vita grazie all azione dell ossido di cerio che durante il funzionamento oscilla tra lo stato ossidato e quello ridotto a seconda del contatto con gas in eccesso o difetto di ossigeno Durante il normale funzionamento e con il conseguente deterioramento la quantit di ossido di cerio all interno della matrice catalizzante tende a ridursi a causa dei 29 Cap 2 Sonda lambda nella diagnosi catalizzatore fenomeni descritti nel paragrafo precedente e di conseguenza diminuisce la sua capacit di immagazzinare e rilasciare ossigeno L Oxygen Storage Capacity pu essere stimata misurando il ritardo che presenta il segnale in tensione della sonda a valle nell inseguire quello della sonda a monte a seguito di una transizione ricco magro del titolo 2 Ana n 2 OSC Q ju A 3 033 Q At magro dove Q la portata massica di ossigeno libero nei gas di scarico la quale pu essere legata alla portata massica d aria elaborata dal motore Q secondo la relazione appena vista L importanza di questo parametro consiste nel suo legame con l efficienza di catalisi un catalizzatore nuovo con un elevata efficienza di conversione avr un elevato valore dell OSC che si traduce con una differenza marcata tra i segnali delle due sonde viceversa un catalizzatore deteriorato con una bassa coefficienza di conversione
82. ntralina in chiamate a funzione gestisce quindi le chiamate a tutti i blocchi presenti nel modello ABILITAZIONE STRATEGIA NATURALE Blocco contenente le condizioni di abilitazione per la strategia naturale cio quelle necessarie ad attivare il calcolo dell indice senza modificare l attuale calibrazione dei tempi rilascio pedale presente in centralina ABILITAZIONE STRATEGIA FORZATA Blocco del tutto analogo al precedente per l abilitazione della strategia forzata tale per cui si prevede l individuazione di tempi rilascio pedale minori con la pretesa di ridurre i tempi di diagnosi CALCOLO E GESTIONE DELLA SOGLIA DINAMICA Funzione assolta da due blocchi posti in serie Il primo dei due ha il compito controllare che il segnale della sonda stia registrando valori di miscela grassi generando cos una condizione di abilitazione per la diagnosi Il secondo procede al calcolo del valore della soglia FT il quale verr dato in pasto alla macchina a stati assieme alle condizioni di abilitazione 77 Cap 5 Elaborazione del modello diagnostico MACCHINA DI DIAGNOSI Rappresenta il cuore della diagnosi ed costituita da una macchina a stati finiti nella quale avviene il calcolo dell indice di detezione secondo una delle due strategie consentite naturale e forzata e il confronto di questo con un valore di soglia Gli ouput finali saranno il valore dell indice calcolato e il risultato positivo negativo della diagnosi B
83. o tramite l elaborazione della condizione LAMBDA RANGE II esigenza di generare un valore medio del segnale LAMBDA VOLTAGE da cui calcolare il valore della soglia FT in termini percentuali Per svolgere ci stato introdotto un vettore a scorrimento aggiornato ad ogni esecuzione 12 ms e costruito con un certo numero di campioni del valore LAMBDA VOLTAGE allo scopo di derivarne il valore medio e successivamente la frazione percentuale da attribuire alla soglia FT Le operazioni compiute da questo modulo vengono eseguite da due blocchi posti in serie Il primo che si procede ad analizzare costituito da una macchina a stati che soddisfa la specifica I e genera le chiamate a funzione per il riempimento e l aggiornamento del vettore a scorrimento 85 Cap 5 Elaborazione del modello diagnostico ap EVENTI LAMBDA_RANGE L msn AMBDA_RANGE ABIUITAZIONE_LAM _ DI b ABILITAZIONE_LAMBDA LAMSDA_VOLTAGE LAMBDA RANGE SOGLIA TIMER 1 socua mmer STATO Lamao T LAMBDA_VOLTAGE a STATO_LAMBDA LAMEDA_EVENTI SOGUIA_TIMER_2 ISOGLIA_TIMER_2 INZZIALIZZAZIONE VETTORE INZIALIZZAZIONE_VETTORE Lambda_Enabling E MODAL TA MOTORE REMPIMENTO_ VETTORE T MODAITA_MOTORE RIEMPIMENTO_VETTORE fE _________ remeo INIZIALIZZAZIONE_LAMBDA TEMPO LAMBDA_EVENTI TED _____ Y YINE_DIAGNOSI ESECUZIONE_LAMBDI FINE_DIAGNOSI va pi CONTROLLO_LAMBDA Fig 5 9
84. o della soglia FT Al superamento di tale soglia vengono memorizzati il tempo START e la tensione della sonda lambda RICH in maniera simile si congelano anche il tempo END e la tensione LEAN registrate al supermento della seconda soglia ST Parallelamente a questa operazione stato calcolato il valore di portata d aria media nell intervallo temporale At da inizio cut off alla seconda transizione ST Al superamento della seconda soglia sono quindi disponibili tutti i parametri per il calcolo dell indice di detezione secondo l espressione qui riportata 94 Cap 5 Elaborazione del modello diagnostico za z AN INDICE SINGOLO MEND START vg QAH nean At MALFUNCTION Fig 5 16 Schema a blocchi dell algoritmo di diagnosi L indice appena calcolato subisce il seguente trattamento Viene scartato se la differenza END START inferiore o superiore a delle soglie calibrate denominate rispettivamente TEMPO MINIMO E 95 Cap 5 Elaborazione del modello diagnostico TEMPO MASSIMO Questo espediente auspicabile possa eliminare falsi allarmi dettati da particolari condizioni quali per esempio spike del segnale elettrico della sonda a valle durante la fase di transizione verso il magro o una risalita del segnale in tensione della sonda durante la transizione per fenomeni non presi in considerazione Viene memorizzato un numero di indici sufficienti NUMER
85. o di transizioni legato alla riduzione del tempo di rilascio pedale A prescindere da questo tempi di rilascio pedale ridotti permettono la registrazione della transizione in tempi pi brevi e quindi pi probabilit di terminare la diagnosi prima del termine del cut off Si riconosce infine che il numero di transizioni rilevabili per ogni acquisizione legato oltre che a tutti i fattori discussi fino ad ora allo stile di guida dell utente ed in particolare alle modalit di utilizzo del pedale dell acceleratore Dalle prime analisi fatte sulle condizioni operative in cui la diagnosi avrebbe maggior probabilit di successo possiamo identificare come 51 Cap 3 Analisi e caratterizzazione sperimentale delle transizioni della sonda lambda visibile in Fig 3 15 una nuvola di punti motore ottimali di inizio cut off nell intorno dei 3000 3500 giri min e con livelli di carico nell intorno di 1500 mbar di pressione collettore 4000 r Tempo Rilascio Pedale STANDARD Tempo Rilascio Pedale 400 3500 3 Tempo Rilascio Pedale 300 a Tempo Rilascio Pedale 200 s Tempo Rilascio Pedale pg Tempo Rilascio Pedale 50 3000 __ 2500 ez g 2000 i l D H 1500 v ganni 1000 y 500 0 i i I i j j 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 Engine Speed rpm Fig 3 15 Riassunto di tutti i punti motore di inizio cut off utili analizzati Per compl
86. o grafico di Fig 6 2 come vengano calcolati due indici entrambi ottenuti tramite strategia forzata che ricordiamo per ora opera allo stesso modo della naturale portando il CONTATORE INDICE al valore 2 quarto grafico A t 57 5 s e t 61 s si nota come al verificarsi delle condizioni di attivazione di entrambe le strategie la precedenza di abilitazione venga attribuita a quella forzata Durante la simulazione la macchina a stati evolve verso la strategia naturale una volta 104 Cap 6 Simulazioni e test di validazione della strategia sola t 57 s senza riuscire a calcolare l indice a causa della ridotta durata del cut off che non permette di eseguire la transizione Analizziamo ora con l aiuto di Fig 6 3 la particolare evoluzione della macchina di diagnosi nello studio di una singola transizione utile al calcolo dell indice medio e quindi al termine della diagnosi ABILITAZIONE STRATEGIA FORZATA INDICI CALCOLATI INDICE SINGOLO INDICE DIAGNOSI CONTATORE INDICE i 174 8 175 175 2 175 4 175 6 175 8 176 176 2 176 4 i 174 8 175 175 2 175 4 175 6 175 8 176 176 2 176 4 tempol s tempol s EVOLUZIONE MACCHINA DI DIAGNOSI SOMMA E CONTEGGIO DELLA PORTATA ARIA STATO DIAGNOSI STATO STRATEGIA _ SOMMA PORTATA ARIA CONTATORE SOMMA g s 0 174 8 175 175 2 175 4 175 6 175 8 176 176 2 176 4 174 8 175 175 2 175 4 175 6 175 8 176 176 2
87. odotta l obbligatoriet di un sistema di autodiagnosi a bordo che segnali i malfunzionamenti di quei componenti definiti emission relevant cio che incrementano le emissioni nocive EOBD European On Board Diagnostic La Cap 1 Emissioni normative e sonda lambda presenza di una spia deve segnalare che l auto sta inquinando pi del consentito Questo obbligo vale per le vetture a benzina mentre a quelle diesel viene dato tempo fino al 2003 per installare il sistema EOBD Euro IV 15 Dal 1 gennaio 2006 le auto nuove sono immatricolabili solo se rispettano il nuovo valore di soglia di inquinamento definito dalla direttiva 98 69 B I limiti d inquinanti concessi sul ciclo sono nettamente inferiori ed i costruttori vengono costretti a grandi sforzi per rientrare nei valori di tolleranza Inoltre viene stabilito che non sar possibile aggiornare alle nuove direttive auto omologate nel rispetto di direttive precedenti Euro V 16 Dal 1 gennaio 2011 tutte le auto immatricolate devono rispettare questa direttiva sempre pi stringente dal punto di vista delle emissioni CO NOx NMHC HC NOx Emissioni g km g km g km g km Tipo di motore B Benzina B D B D B D D Diesel Somma Massa di Massa a Massa di idrocarburi delle i Massa di Normative monossido ossidi di masse di di carbonio azoto non HC e Particolato metanici NOx 10 Cap 1
88. ogni evoluzione a 12 ms viene riempita una posizione del vettore di scorrimento fino all esaurimento di un tempo SOGLIA TIMER 2 calibrato come segue all interno del blocco a SOGLIA TIMER 2 DIMENSIONE 12 ms dove DIMENSIONE rappresenta il numero di campioni del segnale in tensione della sonda che si intende utilizzare per il calcolo del valore medio In altre parole SOGLIA TIMER 2 rappresenta il tempo espresso in ms necessario al riempimento del vettore a scorrimento Una volta riempito il VETTORE LAMBDA viene dichiarata TRUE la condizione ABILITAZIONE LAMBDA e si entra nello stato 2 Dallo stato 2 si attende l attuazione del cut off da parte dell utente evadendo ogni 12 ms una chiamata a funzione ESECUZIONE LAMBDA per l aggiornamento del vettore Al verificarsi del cut off si entra nell ultimo stato 4 da cui si attende la transizione della sonda e quindi il termine della diagnosi FINE DIAGNOSI TRUE per poter tornare nello stato 0 dopo aver resettato a FALSE la condizione ABILITAZIONE LAMBDA Qualora durante l attesa della transizione il cut off dovesse interrompersi in coerenza con quanto stabilito in precedenza viene interrotta la diagnosi e si ritorna allo stato stabile 0 87 Cap 5 Elaborazione del modello diagnostico Oltre all anello di reset presente sul macrostato dello stateflow sono presenti due rami di ritorno allo stato 0 a valle delle evoluzioni a 12 ms che v
89. ollare assieme alle modalit con cui codificarli La segnalazione della natura dei problemi avviene tramite codici standard Diagnostic Trouble Codes DTC che permettono di identificare e risolvere rapidamente i malfunzionamenti del veicolo Accanto alle segnalazioni di avarie base imposte obbligatoriamente dalla normativa possibile aggiungerne altre a discrezione del costruttore 12 Cap 1 Emissioni normative e sonda lambda A partire dagli anni 2000 per le omologazioni e dal 2001 per quanto riguarda le immatricolazioni dei soli veicoli a benzina anche la Comunit Europea con l ingresso della Euro II ha deciso di Fig 1 4 Connettore OBD Mercedes classe A del 99 fonte Internet regolamentare l autodiagnosi a bordo introducendo la European On Board Diagnostic EOBD che trae origine dalla OBD II concepita dagli Stati Uniti e che prevede la presenza di una spia sul quadro strumenti MIL Malfunction Indicator Lamp di colore arancione che indica l eventuale malfunzionamento dei sistemi di controllo elettronico del motore CIRCUITO SONDA LAMBDA BENZINA CIRCUITO g POMPA ARIA A MONTE ANTIEVAPORAZIONE CATALIZZATORE Fig 1 5 Principali elementi emission relevant oggetto di diagnosi fonte Magneti Marelli La suddetta normativa non sancisce soltanto l obbligatoriet della segnalazione ottica dello stato di avaria ma la estende
90. ona bene ai medi ed alti carichi ma alle basse portate la correzione sembra non essere sufficiente a livellare l indice Index Dispersion with calibration TARGET 98 ST 250 mV Index Dispersion with calibration TARGET 96 ST 150 mV 120 rea 12 pena 4 Gear mu 0 067 sigma 0 019 eta 0 276 4 Gear mu 0 055 sigma 0 015 eta 0 276 5 Gear mu 0 074 sigma 0 017 eta 0 235 5 Gear mu 0 061 sigma 0 014 eta 0 233 6 Gear mu 0 073 sigma 0 024 eta 0 324 6 Gear mu 0 061 sigma 0 019 eta 0 301 glia i ii i 0 02 0O 002 004 006 008 01 012 014 Fig 6 6 Gaussiane degli ottenuti con sonda degradata software 110 Cap 6 Simulazioni e test di validazione della strategia Infine si pu verificare che partendo dalle stesse condizioni di portata la dispersione dell indice risulta accettabile ai fini della diagnosi risultato quest ultimo di notevole importanza 6 4 Diagnosi sul ciclo ECE EUDC Di notevole interesse per un ipotetico cliente interessato all acquisto di un modello autodiagnostico la capacit di diagnosi sul ciclo di omologazione ECE EUDC A questo proposito si tentato di validare il modello su alcuni cicli di omologazione ottenuti con sonda e catalizzatori entrambi invecchiati ed entrambi nuovi Nel primo caso la diagnosi viene completata con successo in quanto viene rilevato un numero di indici INDICE SINGOL
91. one della strategia New downstream probe Gauss distribution with calibration ST 80 mV I I RATE 98 mu 1 003 sigma 0 195 eta 0 194 RATE 96 mu 1 124 sigma 0 208 eta 0 185 RATE 94 mu 1 18 sigma 0 221 eta 0 187 RATE 92 mu 1 243 sigma 0 262 eta 0 211 0 9 Fig 6 15 Gaussiane degli indici al variare della soglia FT RATE ed ST 80 mV New downstream probe Gauss distribution with calibration ST 40 mV I I I RATE 98 mu 0 856 sigma 0 155 eta 0 182 _ RATE 96 mu 0 932 sigma 0 159 eta 0 171 RATE 94 mu 0 965 sigma 0 168 eta 0 174 RATE 92 mu 0 992 sigma 0 186 eta 0 187 bic E A LA A Fig 6 16 Gaussiane degli indici al variare della soglia FT RATE ed ST 40 mV 117 Cap 6 Simulazioni e test di validazione della strategia In tutti i test si evidenzia un minimo per valori di RATE del 96 In conclusione di queste analisi effettuate su un numero considerevole di transizioni possiamo affermare che la coppia di soglie che minimizza la dispersione dell indice per una sonda nuova quella composta da RATE pari a 96 ed ST pari a 40 mV Queste brevi considerazioni potranno essere consegnate ai calibratori in modo da ridurre i tempi di caratterizzazione della strategia 118 Conclusioni e sviluppi futuri Lo scopo che era stato pre
92. oni limitate nel controllo del motore in quanto permette di mantenere efficiente il sistema di controllo titolo solo per valori stechiometrici Nel layout di un attuale sistema di scarico questa sonda la ritroviamo posizionata a valle del catalizzatore e viene utilizzata per scopi di diagnosi del catalizzatore 1 5 2 UEGO Universal Exhaust Gas Oxygen Con l esigenza di ridurre i consumi e le emissioni inquinanti emersa la necessit di controllare il funzionamento dei motori ad accensione comandata anche al di fuori del punto di funzionamento stechiometrico A 1 A tale scopo stata sviluppata la sonda UEGO detta anche sonda lineare o a banda larga la quale misura con maggiore precisione le variazioni di concentrazione di ossigeno all interno dei gas di scarico In particolare in grado di fornire un segnale proporzionale al titolo della miscela permettendo controlli in catena chiusa anche con lambda non stechiometrici A 1 Il sensore costituito da due celle una di misura e una di pompaggio Con l ausilio della cella di misura il tenore di ossigeno del gas di scarico che si trova nella camera di rivelazione viene misurato e confrontato con un valore nominale di 450 mV per determinare se la miscela analizzata grassa o Magra 22 5 Cap 1 Emissioni normative e sonda lambda Gas di scarico Cella di pompaggio Riscaldatore A a A A A A Na la A Fig 1 11 Struttura e schem
93. onte in battuta titolo magro e la visione della seconda soglia ST L utilizzo di questi intervalli temporali risulter pi chiaro nel paragrafo SUCCESSIVO 4 2 1 Normalizzazione rispetto all integrale della portata d aria La normalizzazione rispetto all integrale della portata d aria sugli intervalli temporali riportati nella figura precedente d luogo a questi tre nuovi indici RICH LEAN RICH LEAN inve END START are END START Sa QAH Satz QAH RICH LEAN TOTE END START Jars QAH Gli indici ottenuti dalle transizioni selezionate sono visibili nella Fig 4 15 in cui viene riportato anche il valore assunto dall integrale della portata in ogni transizione e per ogni indice Questo primo tentativo di correlare la transizione alla portata d aria non ha portato a nessun risultato utile infatti la correlazione tra transizione ed integrale della portata d aria non sembra apparire per nessuno dei tre intervalli oggetto di studio 69 Cap 4 Scelta e ottimizzazione dell indice di detezione INDEX INDEX 1 INDEX 2 INDEX 3 N 00 5 lt 119 E c w A 3 150 i ar j P A 2 100 R L 4 o Y wo sot B s E To 0 0 123 N Test QAH1 0 20511 0 15981 0 18568 9 QAH2 6 7304 15 2566 7 6323 g QAH3 4 6356 13 2043 4 3251 g INDEX INDEX 1 INDEX 2 INDEX 3 A n 3 1 3 G C 25 ie 25 E A 15 J D T si E 2 amp A
94. ore e sonda entrambi nuovi e Stessa tipologia di prova ampliando il numero di cut off per un catalizzatore nuovo ed una sonda degradata software Come ultima trattazione stato elaborato un codice automatizzato per la calibrazione delle due soglie FT definita da RATE ed ST con lo scopo di evidenziare quale coppia di soglie produce la minor dispersione dell indice e allo stesso tempo mantiene sufficientemente distanti le gaussiane relative a sonda nuova e sonda invecchiata 101 Cap 6 Simulazioni e test di validazione della strategia 6 2 Risultati della diagnosi In questo paragrafo vengono riportati gli andamenti delle principali variabili elaborate dall algoritmo ottenuti inserendo le acquisizioni relative a sonda e catalizzare entrambi nuovi come input al modello La calibrazione del tempo rilascio pedale quella standard attualmente implementata in centralina Inoltre le due strategie naturale e forzata sono abilitate da condizioni differenti ma nella loro esecuzione sono identiche poich stiamo simulando fuori vettura 6 2 1 Evoluzione della soglia dinamica Il primo punto su cui ci soffermiamo la verifica dell efficienza di calcolo della soglia dinamica FT RATE In relazione alla Fig 6 1 viene riportato nel primo grafico un indicatore degli stati stabili occupati dallo stateflow di Fig 5 10 e nel secondo l evoluzione delle due soglie per lo studio della 35
95. pm Fig 3 12 Punti motore di inizio cut off utili Tempi di rilascio pedale 200 ms 4000 TEMPO RILASCIO PEDALE 100 3500 3000 2500 2000 Engine Load mbar 1500 1000 500 I N USEFUL CUT OFF 10 I l 1 1 1 1000 2000 3000 4000 5000 6000 Engine Speed rpm Fig 3 13 Punti motore di inizio cut off utili Tempi di rilascio pedale 100 ms 50 Cap 3 Analisi e caratterizzazione sperimentale delle transizioni della sonda lambda TEMPO RILASCIO PEDALE 50 4000 T T T T I N USEFUL CUT OFF 9 3500 E E CCOCOOOIOOIOIIRILO Le 3000 n n TIRO OOOI IISSOCTTTSOTOTTTUSTE B E E il i ES RIONERO ORARIO RO I IA I 4 i 4500 obesi iii diri iii Li i a E E E lt E E E E E J ni i i i i i i 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 Engine Speed rpm Fig 3 14 Punti motore di inizio cut off utili Tempi di rilascio pedale 50 ms Dai risultati riportati per quanto ridotti siano i campioni di studio si osserva subito che il riconoscimento della transizione avviene con una buona frequenza per i medi regimi e per condizioni di carico sufficientemente ampie Inoltre in seconda battuta si pu osservare che la frequenza dei cut off utili rilevati non inversamente proporzionale al tempo di rilascio pedale in altre parole non si evidenzia un aumento di rilevament
96. quindi state paragonate le pendenze ottenute con i ricampionamenti in modalit medium e in slow ERRORE 12 ms ERRORE 100 ms ACQUISIZIONI ANGOLO MEDIO per singola acq deg Rispetto al Rispetto al Tempo Rilascio Campionata Campionata Campionata campionamento a campionamento a Pedale a4ms a 12 ms a 100 ms 4ms 4ms STANDARD 86 1137 86 4144 60 6925 0 35 29 52 400 85 8652 86 8849 61 0535 1 19 28 90 300 85 6756 87 4638 60 3776 2 09 29 53 200 84 0205 84 0636 59 6397 0 05 29 02 85 693 86 6679 60 6882 1 14 29 18 85 2139 84 2384 62 6507 1 14 26 48 ERRORE MEDIO 0 61 Tab 3 2 Pendenze medie rilevate per ogni test ed errori di risoluzione Come risultato emerso che il campionamento in medium nei limiti di tolleranza ed ancora con buona precisione rappresentativo del reale andamento della transizione 54 Cap 3 Analisi e caratterizzazione sperimentale delle transizioni della sonda lambda 3 6 Conclusioni fase sperimentale di caratterizzazione Come emerso dai paragrafi precedenti l insieme di prove sperimentali a disposizione ha permesso di studiare le migliori condizioni di abilitazione per la diagnosi In definitiva si scelto un campo di punti motore per l abilitazione della diagnosi denominata naturale molto ampio limitato solamente dai confini imposti da particolari condizioni motore sulle q
97. ra Druna km aoao 1952780 Extra Urban Cycle A i i 390 585 Time secs Cap 1 Emissioni normative e sonda lambda 1 3 Storia della normativa L entit degli effetti negativi prodotti dai veicoli ha da tempo orientato le autorit governative nazionali e sovranazionali a sviluppare e perfezionare una serie di norme e regolamenti il cui obiettivo quello di rendere sempre pi compatibile l uso di veicoli stradali con una logica di sviluppo che non produca danni irreversibili n alla collettivit n all ecosistema L Unione Europea ha emanato una serie di norme caratterizzate da numeri progressivi che identificano 1 passaggi di adattamento per realizzare vetture sempre meno inquinanti Furo I 12 E la direttiva che ha introdotto l obbligatoriet del catalizzatore per l abbattimento delle emissioni inquinanti La rispettano tutti i veicoli immatricolati a partire dal 1 gennaio 1993 In pratica costituisce lo spartiacque tra vetture ecologiche e non Euro I 13 Rappresenta il secondo step nella corsa alla limitazione degli inquinanti ed rispettata da tutti i veicoli immatricolati all incirca dal 96 Un auto Euro II produce una quantit inferiore di specie inquinanti rispetto ad una vettura Euro I e potr continuare a circolare anche in futuro Euro II 14 Dal 1 gennaio 2001 le auto nuove possono essere immatricolate solo se rispettano la direttiva 98 69 Viene intr
98. razione 1 ed in generale il nostro scopo ottenere una sufficiente diversificazione tra gli indici prodotti dalle due configurazioni per garantire una corretta diagnosi del sensore v Paragonando il secondo indice delle configurazioni 1 e 3 notiamo che esso si mantiene al di sopra dei 2 V g per sonda e catalizzatore nuovi e si posiziona al di sotto di 1 V g per sonda e catalizzatore invecchiati In base alle considerazioni fatte la scelta dell indice di detezione ricaduta sul secondo dei nuovi indici proposti cio quello che prevede la normalizzazione rispetto alla media della portata d aria calcolata dall inizio del cut off al termine della diagnosi coincidente con il superamento della seconda soglia cos esprimibile RICH LEAN END START O V g Indice Strategia mean At 4 3 Introduzione della soglia dinamica Come emerso nel corso dei paragrafi precedenti il valore assunto dall indice per data transizione varia in funzione della scelta delle soglie FT e ST Nell analizzare tutte le acquisizioni a disposizione ci si accorge che i 74 Cap 4 Scelta e ottimizzazione dell indice di detezione valori di tensione di inizio transizione non sono sempre gli stessi ma sono notevolmente diversificati specialmente quelli relativi ad un sensore invecchiato che necessita di un maggior tempo per inseguire il titolo dei gas oggetto di misura Attualmente il calcolo dell indice pre
99. sioni normative e sonda lambda lambda ecc per gli altri sistemi quali ad esempio airbag e climatizzatore l autodiagnosi invece non standard e viene definita a piacimento da ogni costruttore automobilistico Dal 1988 il California Air Resources Board CARB 2 impose a tutti i veicoli a benzina un autocontrollo OBD On Board Diagnostic di alcuni componenti fondamentali nella limitazione delle emissioni inquinanti Questa richiesta faceva capo allo standard OBD I che costituiva il primo input normativo alla diagnostica degli apparati costituenti il veicolo Questa prima iniziativa fu limitata dalla carenza di specifiche tecniche comuni per quanto riguardava il tipo di connettore da utilizzare per ottenere le informazioni diagnostiche dal veicolo e dalle difficolt tecniche nell ottenere informazioni affidabili e standardizzate riguardo le emissioni per ogni tipo di veicolo allora in commercio Nel 1994 venne introdotta la OBD II 3 che and a sostituire la precedente OBD I imponendo l utilizzo di un connettore diagnostico standardizzato suggerito dalla Society of Automotive Engineers SAE e imponendo una serie di test diagnostici da eseguire Il nuovo connettore Fig 1 4 presenta 16 pin alcuni dei quali con funzioni preposte costanti per tutti i veicoli pin 4 e 5 terra pin 16 tensione di batteria mentre gli altri sono a discrezione del costruttore La normativa fornisce un elenco di parametri motoristici da contr
100. sition Dispersion of tha Index for a New Cxygen Sensor MIN 5 2 V s MAX 42 2 V s 60 40 x w T 20 O o 5 10 15 20 25 30 35 40 ransition Fig 4 2 Indici base ottenuti con sonda e catalizzatore entrambi nuovi FT 750 mV ST 150 mV FAST TIME THRESHOLD 750 150 Dispersion of the Index for a New Oxygen Sensor 60 40 gt T Si 20 n O 5 10 15 20 25 30 35 40 Transition Dispersion of the Index for a New Oxygen Sensor MIN 5 2 V s MAX 42 2 V s 60 40 d 5 A 20 O O 5 10 15 20 25 30 35 40 Transition Fig 4 3 Indici base ottenuti con sonda e catalizzatore entrambi nuovi FT 750 mV ST 150 mV MEDIUM TIME 59 Cap 4 Scelta e ottimizzazione dell indice di detezione THRESHOLD 650 350 mV Dispersion of the for a New Oxygen Sensor 60 40 d n 20 o O 5 10 15 20 25 30 SO 40 45 50 Transition Dispersion of the Index for a New Oxygen Sensor MIN 3 8 V s MAX 54 1 V s 60 40 gt DD mei n 20 m O 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Transition Fig 4 4 Indici base ottenuti con sonda e catalizzatore entrambi nuovi FT 650 mV ST 350 mV FAST TIME Dispersion of the for a New Oxygen Sensor THRESHOLD 650 350 60 40 gt lt 5 20 o O 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Transition Dispersion of the Index for a New Oxygen Sensor MIN 3 8 V s MAX 42 2 V s 60 40 mv ui teo 20 n O 5 10 15 20 25 30 35 40 45
101. te 20 Cap 1 Emissioni normative e sonda lambda elevata viceversa il voltaggio si azzera quando la miscela presenta un eccesso d aria A gt 1 Il segnale elettrico in uscita dal sensore in funzione di ovvero la sua caratteristica statica si presenta in questo modo si U 12V 800 a 2a 220 C SS Sia 2 400 B 200 0 8 1 0 1 2 1 4 1 6 1 8 2 0 Excess air factor A Fig 1 9 Curva caratteristica del range di funzionamento di una sonda HEGO a Miscela Ricca b Miscela Magra fonte Internet 9 0 9 0 0 0 Elettrodo al 00 00 00 00 platino Aria di riferimento Elettrodo al platino Gasdiscio Ao OA 0 Oo Fig 1 10 Struttura e schema di funzionamento della sonda al biossido di zirconio 4 x Il lato interno del sensore a contatto con l aria dell ambiente di riferimento mentre il lato esterno si trova a contatto con i gas combusti Entrambi i lati sono rivestiti da un sottile strato poroso di platino che funge da elettrodo L ossido di zirconio favorisce la transizione degli ioni ossigeno permettendo la generazione di un potenziale tra i due elettrodi di 21 Cap 1 Emissioni normative e sonda lambda platino Infatti quando la sonda raggiunge la temperatura di esercizio gli ioni ossigeno si spostano all interno dell elettrolita generando una differenza di potenziale elettrico Questa tipologia di sonda permette prestazi
102. tensione della sonda Il segnale in tensione riesce a risalire per poi eseguire la transizione grasso magro solo quando la strategia di controllo titolo attua un rapporto aria combustibile particolarmente grasso ad esempio t 35 s Figura 3 7 Nelle altre condizioni operative evidentemente pur essendo in condizioni di titolo grasso l elevato ossigeno accumulato dal catalizzatore che ricordiamo possiede 1 OSC massimo della sua intera vita non consente alla sonda di registrare gas di composizione grassa all uscita del catalizzatore In base a queste considerazioni nasce l esigenza di inserire tra 45 Cap 3 Analisi e caratterizzazione sperimentale delle transizioni della sonda lambda le condizioni abilitanti la verifica di valori di tensione della sonda corrispondenti ad un titolo grasso In parallelo alla perdita di queste transizioni altre se ne perdono durante i cut off generati da cambi marcia che per la loro breve durata non permettono al segnale in tensione della sonda di completare la transizione Fig 3 8 1 5 T T LAHEDA VOLTAGE CUTOFF INDICATO LAMBDA TARGET 0 5 Acq 0 5 25 30 35 40 45 50 time s Fig 3 8 Mancate transizioni in discesa del segnale in tensione della sonda Un ulteriore vincolo che riduce ulteriormente i cutoff utili alla diagnosi del sensore stato imporre che per tutta la durata della transizione del segnale della sonda
103. tezione _ LAMBDA VOLTAGE V _ INDICATORE CUTOFF l 175 5 Time s 0 E i 174 174 5 175 175 5 176 176 5 177 Time s Fig 4 20 Schema definitivo di calcolo dell indice di detezione La Fig 4 20 riassume lo schema di calcolo dell indice di detenzione A partire da t 175 s istante in cui viene richiesto il cut off viene attivato il calcolo della media della portata d aria fino al superamento della soglia ST Il valore della prima soglia FT viene pesato in percentuale sul valore di tensione medio della sonda calcolato su una determinata finestra e aggiornato fino all attivazione del cut off L ultimo valore aggiornato della soglia FT viene utilizzato assieme alla soglia costante ST per il congelamento al superamento delle soglie dei parametri necessari al calcolo dell indice Una volta memorizzati tutti i parametri necessari si procede al calcolo dell indice di detezione 504 Cap 5 Elaborazione del modello diagnostico Capitolo 5 Elaborazione del modello diagnostico 5 1 Struttura del modello In questo paragrafo vengono scorsi rapidamente i principali blocchi strutturali del modello il cui plant riportato in Fig 5 1 per poi passare nei paragrafi successivi all analisi dettagliata di ogni singolo blocco SCHEDULATORE Si tratta di una macchina a stati finiti che traduce gli eventi primari cio i task di ce
104. ti rispetto alla strategia naturale per incrementare la probabilit di concludere la diagnosi 0 EV_12_ms_3 gt ABILITAZIONE_NATURALE INF lt rpm lt SUP VELOCITA MOTORE INF lt kg h lt SUP PORTATA_ARIA MARCIA x FALSE TRUE ABITAZIONE FORZATA ITIMER_IN ABIUTAZIONE_FORZATA FILTRATA Confirmed Timer COND_FORC ABILITAZIONE_FORZATA_FILTRATA TIMER Fig 5 8 Elaborazione della condizione di abilitazione forzata filtrata 84 Cap 5 Elaborazione del modello diagnostico b Carico motore PORTATA ARIA all interno di un intervallo di valori i cui estremi sono calibrazioni scelte come per il regime motore c Marcia inserita MARCIA sufficientemente alta da minimizzare la ripercussione nella riduzione del tempo rilascio pedale sulla guidabilit del veicolo La condizione ABILITAZIONE FORZATA FILTRATA assieme alla ABILITAZIONE NATURALE FILTRATA vengono entrambe inviate alla macchina a stati addetta alla diagnosi vera e propria 5 5 Calcolo e gestione della soglia dinamica L adozione di una strategia di calcolo per la determinazione della prima soglia FT in funzione del valore in tensione della sonda precedente alla transizione implica la disposizione dei seguenti punti I necessit di verificare che il segnale in tensione della sonda LAMBDA VOLTAGE sia stabilizzato su condizioni di titolo grasso ottenut
105. tic Converter PhD thesis Eindhoven Technische universiteit Eindhoven 2002 Isao Tan Mari Yamamoto Koji Yamada Hirohisa Tanaka Influence of Oxygen Storage Characteristics on Automobile Emissions SAE paper 1999 01 1076 1999 ScanTool net LLC http www scantool net Normativa UN ECE Regulation 83 121 10 Jeffery S Hepburn Douglas A Dobson Carolyn P Hubbard Steven O Guldberg Eva Thanasiu William L Watkins Beverly D Burns and Haren S Gandi A Review of the Dual EGO Sensor Method for OBD II Catalyst Efficiency Monitoring SAE paper 942057 1994 11 Nicol Cavina Appunti del corso di Protocolli di Gestione dei Motori a Combustione Interna M 2010 12 Direttiva 91 441 EEC o 93 59 EEC 13 Direttiva 94 12 EC o 96 69 EC 14 Direttiva 98 69 EC 15 Direttiva 98 69 EC 16 Direttiva 70 156 EC 17 Direttiva 70 156 EC 18 C Buratti E Moretti Strumenti tecnologici per la riduzione delle emissioni da autoveicoli 122
106. titolo della miscela in uscita rispetto a quella in ingresso nel catalizzatore v Punto motore di inizio cut off il carico e il regime motore definiscono la quantit e le modalit di trasporto dei pacchetti d aria durante l attuazione di un cut off v Stato di degrado della sonda lambda caratteristica che si desidera identificare e quindi isolare il pi possibile dalle altre 38 Cap 3 Analisi e caratterizzazione sperimentale delle transizioni della sonda lambda v Modalit di spegnimento dei cilindri caratteristica influenzante la dinamica della transizione in particolare il ritardo di comparsa della stessa rispetto alla richiesta di cut off Analizzando singolarmente questi fattori e partendo dallo stato di efficienza del catalizzatore descritto dall OSC possiamo affermare che un catalizzatore nuovo caratterizzato quindi da un elevato valore dell OSC causer un ritardo sulla comparsa della transizione dovuta all immagazzinamento dei primi pacchetti d ossigeno resisi disponibili con il cut off Per un catalizzare degradato invece il ritardo andr riducendosi in funzione della continua e progressiva riduzione dell OSC TEMPI DI RITARDO TRA L AVVIO DEL CUTOFF E L INIZIO DELLA TRANSIZIONE Time s i CATALIZZATORE NUOVO CATALIZZATORE VECCHIO i i i i i i 0 1 2 3 4 5 6 N CUTOFF Fig 3 2 Tempi di ritardo sulla comparsa della transizione dall avvio de
107. to il cut off stata calibrata una tabella Fig 3 4 che come uscita presenta il tempo di rilascio pedale ottimale per data condizione di funzionamento in ottica di quello detto in precedenza sul preservamento della guidabilit _ 41 Cap 3 Analisi e caratterizzazione sperimentale delle transizioni della sonda lambda Questa calibrazione che chiameremo standard prevede l attribuzione di tempi di rilascio pedale variabili tra i 50 e 800 ms Quest ultimo descrive il tempo che intercorre tra la richiesta del cut off e l effettivo spegnimento di tutti i cilindri del motore Coppia richiesta dall utente gt a E Tempo di Rilascio Pedale time ms FIG 3 5 Strategia di gestione coppia alla richiesta di cut off Da questo segue che l entit di questo parametro influenza il tempo di ritardo sulla comparsa della transizione stimato a partire dall inizio del cutoff si pu quindi dedurre che tempi di rilascio pedale ridotti porterebbero ad un contenimento dei tempi di diagnosi Questa considerazione ha suggerito la ricerca di una strategia che permettesse in determinate condizioni di minimizzare il tempo di comparsa della transizione e quindi il tempo di rilascio pedale senza per parallelamente compromettere la guidabilit Questa particolare strategia denominata forzata in virt del fatto che il tempo di rilascio pedale per la gestione del taglio cilindri verr
108. to al valore unitario viene incrementato di 1 fino al raggiungimento della dimensione del vettore a scorrimento A questo punto il vettore completamente riempito il contatore viene congelato al suo attuale valore tramite l attivazione di un commutatore e viene attivato un secondo commutatore posto nella sezione verde adibita al calcolo della soglia Viene quindi calcolato il rapporto tra la somma degli elementi del vettore e la dimensione del vettore stesso determinando infine la soglia che si ottiene moltiplicando la media appena calcolata per la calibrazione RATE percentuale sul valore stabile della sonda alla quale ci interessa fissare la soglia FT Un primo valore che sembra emergere dalle simulazioni off line 96 anche se il valore finale sar il risultato di una campagna di acquisizioni a bordo veicolo La soglia FT cos calcolata viene inviata alla macchina di diagnosi per il calcolo dell indice di detezione 5 6 Macchina di diagnosi In questo complicato stateflow di cui si riporter soltanto lo schema logico per motivi di segreto aziendale viene applicata la strategia di detezione dell indice descritta nel Capitolo 4 Come input la macchina a stati riceve 92 Cap 5 Elaborazione del modello diagnostico oltre alle condizioni di abilitazione descritte in precedenza le seguenti calibrazioni ST valore della seconda soglia della transizione e TEMPO MASSIMO e TEMPO MINIMO massimo e min
109. to nelle correzioni del rapporto di miscela aria combustibile gt La diagnosi viene disattivata in alcune particolari condizioni di funzionamento del veicolo nelle quali viene meno l affidabilit del risultato diagnostico livello di carburante inferiore al 20 temperatura ambiente inferiore a 7 C 16 Cap 1 Emissioni normative e sonda lambda altitudine superiore a 2500 metri sul livello del mare in veicoli flex fuel o veicoli a gas mono bi fuel per un minuto dopo il rifornimento in modo tale che la ECU possa riconoscere la qualit e la composizione del combustibile in veicoli bi fuel per i 5 secondi successivi al cambio di combustibile per permettere l aggiustamento dei parametri del motore Inoltre il costruttore pu disabilitare la diagnosi in altre condizioni di temperatura atmosferica e o per un tempo pi lungo dopo il cambio di combustibile se pu dimostrare con dati e valutazioni ingegneristiche che in queste particolari condizioni si potrebbero avere mancate diagnosi 9 1 4 1 Type V test endurance test 9 Questo test effettua un invecchiamento tramite utilizzo del veicolo per 80 000 km che pu essere realizzato su apposito circuito su strada o al banco a rulli Il totale della distanza viene percorso ripetendo serie di 11 cicli da 6 km ciascuno durante i primi 9 cicli di ogni serie il veicolo viene fermato a met del ciclo con il motore tenuto a
110. triche mentre nella fase con titolo magro l eccesso di ossigeno x presente stato Time Fig 2 5 Risposta della sonda alla strategia di immagazzinato ad opera diagnosi fonte Magneti Marelli dell ossidazione del cerio Viceversa nel caso di catalizzatore degradato la ridotta efficienza catalitica far registrare un segnale di tensione molto pi simile ai gradini di titolo imposti dalla strategia per cui l effetto filtrante del catalizzatore sar meno evidente I passi attraverso i quali evolve la diagnosi possono essere cos schematizzati 1 Il rapporto aria combustibile viene ridotto per portare il titolo in grasso 59 Cap 2 Sonda lambda nella diagnosi catalizzatore Se la sonda a valle non raggiunge la soglia calibrata SOGLIA IN GRASSO entro un certo tempo si deduce che il potere filtrante del catalizzatore molto elevato e si associa questa considerazione ad un catalizzatore efficiente per cui si dichiara la diagnosi terminata con risultato positivo Fig 2 6 Nel caso in cui la condizione 2 non venga verificata al raggiungimento della SOGLIA IN GRASSO viene mantenuto ancora il titolo in grasso per un tempo calibrato in modo da garantire il consumo per ossidazione di HC dell ossigeno immagazzinato Il rapporto aria combustibile viene incrementato portando il titolo in magro Se la sonda a valle non raggiunge la soglia calibrata SOGLIA_IN_
111. tuire un importante parametro di influenza sulla dispersione degli indici registrati fino ad ora In base a quanto appena evidenziato apparso interessante verificare in che modo varia la dispersione dell indice se si escludono le transizioni che non terminano in condizioni di cut off Questo nuovo approccio stato applicato ai due casi studiati sonda e catalizzatore nuovi sonda e catalizzatori invecchiati scegliendo dei valori delle soglie FT e ST rispettivamente pari a 650 e 350 mV I risultati sono qui di seguito riportati Dispersion of the for a New Oxygen Sensor THRESHOLD 650 350 30 20 a goi Ae 10 O O 5 10 15 20 25 30 Transition Dispersion of the Index for a New Oxygen Sensor MIN 9 4 V s MAX 29 9 V s 30 20 sa ai 10 O O 5 10 15 20 25 30 Transition Fig 4 13 Indici base ottenuti da transizioni terminate in cut off con sonda e catalizzatore entrambi nuovi FT 650 mV ST 350 mV MEDIUM TIME 66 Cap 4 Scelta e ottimizzazione dell indice di detezione Dispersion of the for a Old Oxygen Sensor THRESHOL 650 350 a 2 a ed lt 1 O 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Test Dispersion of the Index for a Old Oxygen Sensor MIN 0 8 V s MAX 2 4 V s Index 1 2 3 4 5 6 7 5 9 Test Fig 4 13 Indici base ottenuti da transizioni terminate in cut off con sonda e catalizzatore entrambi invecchiati FT 650 mV ST 350 mV MEDIUM TIME Dall analisi deg
112. uali non pensabile di attivare la diagnosi funzionamento al minimo e in condizioni di pieno carico a regimi elevati Per l abilitazione della diagnosi forzata si scelta invece un area di punti motore pi della ristretta sottoinsieme precedente Fig 3 17 e limitata a Natural Strategy Forced Strategy Fig 3 17 Zone di funzionamento motore di abilitazione della diagnosi quei punti motore che hanno un alta probabilit di registrare la transizione e che influiscono meno sulla guidabilit del veicolo regimi e carichi medio alti e marce alte Nel capitolo successivo verr presentato l indice scelto per la descrizione della transizione e come si evoluto a seguito di studi mirati per ridurne al minimo la dispersione 55 Cap 3 Analisi e caratterizzazione sperimentale delle transizioni della sonda lambda 56 Cap 4 Scelta e ottimizzazione dell indice di detezione Capitolo 4 Scelta e ottimizzazione dell indice di detezione 4 1 Indice base La strategia di diagnosi prevede l elaborazione di un parametro in grado di rappresentare al meglio la dinamica della transizione del segnale in tensione della sonda Come punto di partenza stato scelto un indice di estrema semplicit che fosse rappresentativo della pendenza della transizione cos definito E T T T I LAMBDA VOLTAGE RICH LEAN INDICE BASE
113. uzione dello stateflow ENUMERATIVI MACCHINA DI DIAGNOSI STATO DIAGNOSI STATO STRATEGIA 0 gt ATTESA ABILITAZIONE 0 gt ATTESA ABILITAZIONE 1 gt ATTESA CUT OFF FORZATA 1 gt STRATEGIA FORZATA 2 gt ATTESA CUT OFF NATURALE 2 gt STRATEGIA NATURALE 4 gt ATTESA PRIMA SOGLIA FT 4 gt RISULTATO DIAGNOSI OK 8 gt ATTESA SECONDA SOGLIA ST 8 gt RISULTATO DIAGNOSI KO 1 6 gt TERMINE DIAGNOSI 103 Cap 6 Simulazioni e test di validazione della strategia _ ABILITAZIONE NATURALE FILTRATA _ ABILITAZIONE LAMBDA ABILITAZIONE STRATEGIA NATURALE 35 40 45 50 55 60 65 tempo s ABILITAZIONE FORZATA FILTRATA ABILITAZIONE STRATEGIA FORZATA ABILITAZIONE LAMBDA 35 40 45 50 55 60 65 tempols STATO DIAGNOSI EVOLUZIONE MACCHINA DI DIAGNOSI LAMBDA VOLTAGE 10 T I T T si J 0 35 40 45 50 55 60 65 l tempo s INDICE SINGOLO CONTATORE INDICE INDICI CALCOLATI 5 40 45 50 55 60 65 tempol s Fig 6 2 Evoluzione della macchina di diagnosi Occorre specificare che con l enumerativo 16 che rappresenta il termine della diagnosi si intende l ottenimento del NUMERO INIDICE stabilito per il calcolo dell indice di detezione medio che in questo ritaglio di simulazione non viene raggiunto in quanto superiore a 2 In base agli enumerativi appena descritti per l indicatore STATO DIAGNOSI si nota dal terz
114. valori di portata costituenti la somma MEDIA PORTATA ARIA QAHmean valore medio della portata d aria nell intervallo At ottenuto come rapporto dei due precedenti output INDICE GUASTO e TIPOLOGIA GUASTO parametri da comunicare al modulo diagnostico riguardanti rispettivamente l indice calcolato INDICE DIAGNOSI e il risultato della diagnosi OK KO FINE DIAGNOSI flag prodotto per avvisare il blocco adibito alla produzione della soglia dinamica del termine della diagnosi CHIAMATA CONTROLLO COPPIA chiamata a funzione per attivare la comunicazione del tempo rilascio pedale al controllo coppia CHIAMATA MODULO DIAGNOSTICO chiamata a funzione per attivare la comunicazione con il modulo diagnostico 97 Cap 5 Elaborazione del modello diagnostico 5 7 Blocchi ausiliari Gli ultimi due blocchi che completano la presentazione del modello riguardano il calcolo del tempo di rilascio pedale per la strategia forzata e la comunicazione del risultato della diagnosi al modulo diagnostico 5 7 1 Gestione del tempo rilascio pedale Una volta abilitata la strategia forzata la macchina di diagnosi nell attesa del taglio cilindri evade una chiamata a funzione CHIAMATA CONTROLLO COPPIA che innesca il blocco riportato in Fig 5 18 addetto alla produzione di un TEMPO RILASCIO PEDALE da comunicare al controllo coppia In base alle considerazioni gi effettuate sulla scelta di questo parametro governante la dinamica di t
115. vede l adozione di due soglie definite come calibrazioni costanti al superamento delle quali viene memorizzato il primo valore disponibile di tensione sonda e il valore temporale corrispondente per il calcolo dell indice Dall unione di queste due considerazioni si pu desumere che la porzione di transizione della quale si stimer la pendenza nel calcolo dell indice differente in termini qualitativi a seconda del valore di tensione di inizio della discesa Questo implica che a parit di dinamica di transizione della sonda l indice risente anche di questo parametro Con lo scopo di eliminare questa dipendenza stato scelto di attribuire alla prima soglia FT non pi una calibrazione costante ma un valore calcolato come percentuale sul segnale stabile in tensione della sonda a valle prima dell inizio del cut off Per quel che riguarda la seconda soglia ST essa viene mantenuta ad un valore costante in quanto il valore di tensione in cui termina la transizione nella maggior parte dei casi analizzati un valore nullo in questi casi l adozione di una soglia fissa non influisce sull entit di porzione di transizione analizzata Rimane da specificare che nel caso di termine del cut off prima del superamento della seconda soglia ST la diagnosi viene terminata e quindi la transizione in esame non viene considerata per il calcolo dell indice di detezione Bee Cap 4 Scelta e ottimizzazione dell indice di de
116. vengono in apposite camere climatizzate con il veicolo fermo e le ruote motrici collocate su speciali rulli la cui resistenza Cap 1 Emissioni normative e sonda lambda al rotolamento pu essere regolata per simulare la potenza motrice assorbita dall inerzia del sistema dal rotolamento dei pneumatici e dalle resistenze aerodinamiche La vettura viene guidata seguendo un tracciato che fissa in modo rigoroso istante per istante la velocit da mantenere e la marcia del cambio da utilizzare Al terminale dell impianto di scarico viene collegata un attrezzatura che consente di raccogliere i gas combusti in appositi sacchi Successivamente l analisi chimica di questi gas permette di individuare la quantit in grammi di ogni elemento inquinante tale valore viene poi rapportato alla lunghezza del percorso ottenendo cos la quantit di sostanza inquinante mediamente emessa per chilometro espressa in g km Attualmente esistono diversi cicli standard tra cui i pi importanti sono 5 e riproducono l utilizzo medio delle vetture in Europa Stati Uniti e Giappone Fino a qualche tempo fa in Europa veniva utilizzato il ciclo di omologazione ECE R15 04 che prevedeva la percorrenza di una distanza di 1013 metri da ripetere quattro volte consecutivamente con velocit media di 18 7 Km h velocit massima di 50Km h e con il motore funzionante al minimo per il 31 del tempo di prova Per tenere conto anche del comportamento a velo

Documento PDF - AMS Tesi di Laurea

Contents

Download Pdf Manuals

Related Search

Related Contents