Первый законодательный акт, направленный на решение автомобильных экологических проблем, был принят в 1985 г. в штате Калифорния (США) и получил наименование «Постановление CARB» (California Air Resources Board).  На основе этого постановления в 1988 г. был разработан первый автомобильный экологический стандарт «OBD-I» (Onboard diagnostic-I), который стал обязательным в Калифорнии с 1989 г. Требования стандарта OBD-I сводились к четырем основным пунктам:
- наличие диагностической системы на борту автомобиля обязательно;
- обязательное наличие светового индикатора на щитке приборов автомобиля, предупреждающего о появлении неисправностей в одной из систем управления двигателем;

- бортовая диагностическая система должна записывать, хранить в памяти и выдавать коды ошибок для всех неисправностей, ведущих к увеличению загрязнения окружающей среды;  
- бортовая диагностическая система должна в первую очередь (приоритетно) обнаруживать неисправности клапана рециркуляции выхлопных газов и топливной системы, отказ которых связан с неизбежным загрязнением окружающей среды.

  Для снижения выбросов в атмосферу вредных веществ использовали ряд систем, в частности нейтрализатор. Токсичными компонентами отработавших газов являются углеводороды - несгоревшее топливо), окись углерода и окись азота. Для преобразования этих соединений в нетоксичные служит трехкомпонентный каталитический неитрализатор, установленный в системе выпуска как минимум сразу за выпускным коллектором. 

Нейтрализатор состоит из носителя, заключенного в корпус. Носитель представляет собой керамический материал сотовой конструкции, покрытый тонким слоем катализатора из благородных металлов, например, платины, палладия, родия.

  В нейтрализаторе находятся керамические элементы с микроканалами, на поверхности которых нанесены катализаторы: два окислительных и один восстановительный. Окислительные катализаторы (платина и палладий) способствуют преобразованию углеводородов в водяной пар, а окиси углерода в безвредную двуокись углерода. Восстановительный катализатор (родий) ускоряет химическую реакцию восстановления оксидов азота и превращения их в безвредный азот. 

  Для эффективной нейтрализации токсичных компонентов и наиболее полного сгорания воздушно-топливной смеси необходимо, чтобы на 14,6...14,7 частей воздуха приходилась 1 часть топлива. Такая точность дозирования обеспечивается электронной системой управления двигателя, которая непрерывно корректирует подачу топлива в зависимости от условий работы  и сигнала от датчика концентрации кислорода в отработавших газах. Не допускается работа двигателя с нейтрализатором на этилированном бензине. Это приведет к быстрому выходу из строя нейтрализатора и датчика  кислорода.

Состав отработавших газов бензинового двигателя в зависимости от состава топливовоздушной смеси:
а — без нейтрализатора б — с  нейтрализатором
 

  Применение стандарта OBD-I на практике не было эффективным. Связано это с тем, что электронные системы автоматического управления двигателем (ЭСАУ-Д) были в 80-х годах еще недостаточно совершенными: не осуществлялся мониторинг каталитического нейтрализатора, отсутствовал контроль утечек паров бензина, пропусков воспламенения. Чувствительность и быстродействие диагностических систем OBD-I были недостаточными. Например, к тому времени, когда включался индикатор Check Engine, автомобиль с неисправными средствами очистки токсичных отходов успевал достаточно долго поездить и бесконтрольно загрязнять окружающую среду.
Кроме того, стандарт OBD-I не предъявлял требований к унификации диагностических систем и единообразию их компонентов, что привело к разработке большого числа вариантов бортовых диагностических систем для разных моделей автомобилей. Как следствие, для проведения диагностики различных автомобилей нужно было иметь большое количество разнообразного дорогостоящего специализированного оборудования, соединительных кабелей, адаптеров, сканеров и т.д.

Основные сведения о стандарте OBD-II 

  Разработка требований и рекомендаций по стандарту OBD-II велась под эгидой ЕРА (Environmental Protection Agency — агентство по защите окружающей среды при правительстве США) при участии CARB и SAE (Society of Automotive Engineers — Международное общество автомобильных инженеров). Стандарт OBD-II предусматривает более точное управление двигателем, трансмиссией, каталитическим нейтрализатором и т. д. Доступ к системной информации бортового ЭБУ можно осуществлять не только специализированными, но и универсальными сканерами. г 1996 г. все продаваемые в США автомобили стали соответствовать требованиям OBD-II.
  В Европе аналогичные документы традиционно принимаются с запаздыванием по отношению к США. Тем не менее, аналогичные правила EOBD (European On Board Diagnostic) вступили в силу и в Европе с 1 января 2000 г.
  С применением стандартов EOBD и OBD-II процесс диагностики электронных систем автомобиля унифицируется, теперь можно один и тот же сканер без специальных адаптеров использовать для тестирования автомобилей всех марок.

Требования стандарта OBD-II предусматривают:  

- стандартный диагностический разъем;
- стандартное размещение диагностического разъема;  
- стандартный протокол обмена данными между сканером и автомобильной бортовой системой диагностики;
- стандартный список кодов неисправностей;
- сохранение в памяти ЭБУ кадра значений параметров при появлении кода ошибки («замороженный» кадр);
- мониторинг бортовыми диагностическими средствами компонентов, отказ которых может привести к увеличению токсичных выбросов в окружающую среду;
- доступ как специализированных, так и универсальных сканеров к кодам ошибок, параметрам, «замороженным» кадрам, тестирующим процедурам и т. д.;
- единый перечень терминов, сокращений, определений, используемых для элементов электронных систем автомобиля и кодов ошибок.

  Обмен информацией между сканером и автомобилем производится согласно международному стандарту ISO 1941 и стандарту SAE J1850. Стандарт J1979 устанавливает список кодов ошибок и рекомендуемую практику программных режимов работы для сканера.

  В соответствии с требованиями OBD-II бортовая диагностическая система должна обнаруживать ухудшение работы средств доочистки токсичных выбросов. Например, индикатор неисправности Malfunction Indicator Lamp — MIL (аналог прежней лампы | Check Engine) включается при увеличении содержания СО или СН в токсичных выбросах на выходе каталитического нейтрализатора более чем в 1,5 раза по сравнению с допустимыми значениями. Такие же процедуры применяются и к другому оборудованию, неисправность которого может привести к увеличении токсичных выбросов. 

  Программное обеспечение ЭБУ двигателя современного автомобиля многоуровневое. Первый уровень — программное обеспечение функций управления, например реализация впрыска топлива. Второй уровень — программное обеспечение функции электронного резервирования основных сигналов управления при отказе управляющих систем. Третий уровень — бортовая самодиагностика и регистрация неисправностей в основных электрических и электронных узлах и блоках автомобиля. Четвертый уровень — диагностика и самотестирование в тех системах управления двигателем, неисправность в работе которых может привести к увеличению выбросов вредных веществ в окружающую среду. Диагностика и самотестирование в системах OBD-II осуществляется подпрограммой четвертого уровня, которая называется Diagnostic Executive (Diagnostic Executive — исполнитель диагностики, далее по тексту — подпрограмма DE). Подпрограмма DE с помощью специальных мониторов (emission monitor EMM) контролирует до семи различных систем автомобиля, неисправность в работе которых может привести к увеличению токсичности выбросов. Остальные датчики и исполнительные механизмы, не вошедшие в эти семь систем, контролируются восьмым монитором (comprehensive component monitor — ССМ). Подпрограмма DE выполняется в фоновом режиме, т. е. в то время, когда бортовой компьютер не занят выполнением основных функций, — функций управления. Все восемь упомянутых мини-программ — мониторов осуществляет постоянный контроль оборудования без вмешательства человека.

  Каждый монитор может осуществлять тестирование во время поездки только один раз, то есть во время цикла «ключ зажигания включен — двигатель работает — ключ выключен» при выполнении определенных условий. Критерием на начало тестирования могут быть: время после запуска двигателя, обороты двигателя, скорость автомобиля, положение дроссельной заслонки и т.д. 

  Многие тесты выполняются на прогретом двигателе. Производители по-разному устанавливают это условие, например, для автомобилей Ford это означает, что температура двигателя превышает 70 "С (158 °F) и в течение поездки она повысилась не менее, чем на 20 °С (36 °F).
Подпрограмма DE устанавливает порядок и очередность про¬ведения тестов:

- Отмененные тесты — подпрограмма DE выполняет некоторые вторичные тесты (тесты по программному обеспечению второго уровня) только, если прошли первичные (тесты первого уровня), в противном случае тест не выполняется, т. е. происходит отмена теста.
- Конфликтующие тесты — иногда одни и те же датчики и компоненты должны быть использованы разными тестами. Подпрограмма DE не допускает проведения двух тестов одновременно, задерживая очередной тест до конца выполнения предыдущего.
- Задержанные тесты — тесты и мониторы имеют различный приоритет, подпрограмма DE задержит выполнение теста с более низким приоритетом, пока не выполнит тест с более высоким приоритетом.

Подпрограмма DE осуществляет три вида тестов:
- Пассивный тест, когда выполняется простое наблюдение (мониторинг) за значениями параметров системы или цепи.
- Активный тест реализуется вслед за пассивным, когда система не проходит пассивный тест. При этом осуществляется подача тест-сигнала и регистрация реакции системы на него. Тест-сигнал должен оказывать минимальное воздействие на текущую работу исследуемой системы.
- Совмещенный тест. Если активный и пассивный тесты не проходят, то подпрограмма DE выполнит тест, во время которого режимы двигателя и его подсистем могут меняться.

Результаты выполнения тестов, полученные с помощью мониторов, кодируются подсистемой DE. Коды ошибок обнаруженной неисправности записываются в память ЭБУ, и зажигается лампа MIL, если неисправность подтверждается в двух поездках подряд.

  Восьмой монитор (ССМ) контролирует входные и выходные сигналы компонентов и подсистем вне деятельности первых семи мониторов. В зависимости от вида цепи ССМ может установить обрыв, замыкание или несоответствие сигнала норме. Проводятся также тесты на «рациональность» для входных и «функциональность» для выходных сигналов. Эти тесты проверяют соответствие сигналов их штатным значениям в различных режимах работы системы.

  Например, проверка на рациональность выходного сигнала датчика положения дроссельной заслонки в системе Управления впрыском топлива с определением массы воздуха по его объему (speed density) предполагает сравнение сигнала с проверяемого датчика (положения дроссельной заслонки) с сигналом датчика абсолютного давления во впускном коллекторе. По мере открывания дроссельной заслонки разрежение во впускном коллекторе уменьшается, сигнал с датчика абсолютного давления должен это подтверждать. При нормальной работе сигналы этих двух датчиков соответствуют друг другу, что и проверяется монитором ССМ.
В зависимости от типа ЭБУ ССМ может контролировать следующие устройства:
- датчик массового расхода воздуха;
- датчик температуры охлаждающей жидкости;
- датчик температуры воздуха;
- датчик положения дроссельной заслонки;
- датчик положения коленчатого вала;
- датчик положения распределительного вала;
- бензонасос.
Обычно подпрограмма DE включает лампу MIL после обнаружения неисправности в двух поездках подряд.
С помощью сети EMM подпрограмма DE контролирует подсистемы автомобиля, неисправность которых может увеличить количество выбрасываемых в окружающую среду токсичных веществ. Мониторы EMM способны обнаружить ухудшение характеристик обслуживаемых подсистем, приводящее к превышению норм на токсичность в 1,5 раза.

Мониторы EMM контролируют:
- каталитический нейтрализатор;
- датчики кислорода;
- пропуски воспламенения;
- топливную систему;
- систему улавливания паров топлива;
- систему рециркуляции выхлопных газов;
- систему подачи воздуха в выпускной коллектор.

Монитор каталитического нейтрализатора.  
Газоанализаторы на автомобилях не устанавливаются по экономическим соображениям. Для контроля исправности каталитического нейтрализатора на его выходе установлен второй датчик кислорода (рис. 1). Система управления подачей топлива в двигатель содержит релейный стабилизатор стехиометрического состава топливовоздушной смеси (ТВ-смеси), который формирует сигнал для коррекции длительности впрыска и реализован с применением первого (входного по отношению к нейтрализатору) датчика кислорода. Сигнал этого датчика колеблется между уровнями 0,1—0,9 В на частоте 4—10 Гц в соответствии с изменениями концентрации кислорода в выхлопных газах. В исправном нейтрализаторе кислород участвует в химических реакциях, его концентрация в выхлопных газах уменьшается, как следствие сигнал второго датчика кислорода (на выходе нейтрализатора) имеет очень маленькую амплитуду или другую частоту колебаний. Чем больше неисправен (отравлен) нейтрализатор, тем более похожи сигналы входного и выходного датчиков (они совпадают как по амплитуде, так и по частоте). В зависимости от типа измерительной системы монитор каталитического нейтрализатора или просто подсчитывает и сравнивает частоты колебаний двух сигналов, или производит статистическую обработку. Монитор через подпрограмму DE запишет код ошибки при обнаружении неисправности в трех поездках подряд.

1) осциллограмма сигнала зонда перед катализатора 2) осциллограмма сигнала зонда после катализатора

  Монитор датчиков кислорода реализует различные тесты в зависимости от того, где расположен датчик, — на входе или на выходе каталитического нейтрализатора. Для обоих датчиков проверяется исправность цепей нагревателей. Для датчика кислорода на входе нейтрализатора проверяются напряжения по высокому и низкому уровням сигнала и частота переключений. Частота определяется по числу пересечений сигналом с датчика среднего уровня 450 мВ за определенное время. Полученное значение сравнивается со значением в предыдущем тесте. Кроме того, монитор определяет длительности фронтов сигнала, т. е. длительность перехода «обедненная смесь — обогащенная смесь» и обратного перехода «обогащенная смесь — обедненная смесь». Обычно фронт «обедненная смесь — обогащенная смесь» короче. Монитор определяет также среднее время реакции датчика кислорода на входе нейтрализатора.
  Для датчика кислорода на выходе нейтрализатора, сигнал с которого почти не флуктуирует, монитор проводит два теста: для обогащенной смеси монитор следит за тем, чтобы сигнал имел фиксированное низкое значение, а при обедненной смеси — фиксированное высокое значение.
  Для обоих датчиков кислорода монитор включает лампу MIL и записывает код ошибки при обнаружении неисправности в двух поездках подряд.

Монитор пропусков в системе зажигания. Причиной пропусков могут быть: недостаточная компрессия, несоответствующее количество подаваемого в цилиндры топлива, неисправная свеча зажигания, плохая (слабая) искра. Пропуски приводят к увеличению количества углеводорода (СН) в выхлопных газах на входе каталитического нейтрализатора, что ускоряет его деградацию и увеличивает содержание токсичных веществ в выхлопе. 

  При пропуске воспламенения давление в цилиндре во время рабочего хода ниже нормы, движение поршня и коленчатого вала замедляется. Именно по этим признакам монитор определяет наличие пропуска. Информация снимается с датчика положения коленчатого вала. Равномерное следование импульсов с выхода датчика положения коленчатого вала  при пропуске зажигания нарушается, и несколько импульсов подряд будут иметь большую длительность. Сравнение выходных сигналов от двух датчиков (положения распределительного и коленчатого валов) позволяет идентифицировать цилиндр с пропуском.

  Монитор учитывает возможность вибраций на плохих дорогах. Для повышения помехозащищенности в системе имеются программные счетчики. Для каждого цилиндра в счетчиках хранится число пропусков за последние 200 и 1000 оборотов распределительного вала. Каждый раз, когда монитор фиксирует пропуск, подпрограмма DE опрашивает счетчики и сравнивает содержимое счетчиков с предыдущими показателями. Монитор не допускает переполнения счетчиков. 

  Монитор различает неисправности, когда пропуски воспламенения могут вывести из строя каталитический нейтрализатор, а также когда нормы на токсичность превышены более чем в 1,5 раза. Подпрограмма DE немедленно запишет в память ЭБУ код ошибки. Лампа MIL будет мигать, если в более 15% случаев за время последних 200 оборотов были зафиксированы пропуски. В терминах стандарта OBD-II это неисправность (и код ошибки) типа А.

  Неисправность (и код ошибки) типа В устанавливается, если в двух подряд поездках монитор зафиксировал более 2% пропусков на 1000 оборотов. В этом случае подсистема DE включает лампу MIL постоянно и записывает соответствующие коды ошибок в память ЭБУ. 

Монитор топливной системы. ЭБУ в режиме работы с обратной связью осуществляет стабилизацию стехиометрического состава топливовоздушной (ТВ) смеси. Это релейная стабилизация, т. е. состав смеси постоянно колеблется между уровнями в диапазоне «богатая смесь — бедная смесь», но в среднем состав поддерживается стехиометрическим. Частота колебаний не более 10 Гц. 

  При релейной стабилизации стехиометрического состава ТВ-смеси ЭБУ постоянно меняет его в пределах ±20%. Это нормально, такие переключения состава смеси требуются и для работы каталитического нейтрализатора. Колебания состава смеси отражаются мгновенными значениями коэффициента коррекции топливоподачи. Эти значения колеблются относительно среднего в интервале ±20% при нормальной работе. При отключении зажигания мгновенные значения коэффициентов коррекции подачи топлива не сохраняются. 

  Во время эксплуатации автомобиля в двигателе накапливаются различные изменения характеристик, которые компьютер в ЭБУ компенсирует, изменяя средние значения коэффициентов топливокоррекции, хранящиеся в памяти ЭБУ. Коэффициент коррекции топливоподачи +21% означает, что ЭБУ подает в двигатель в среднем на 21% больше топлива для поддержания стехиометрического состава смеси, чем требуется по расчету для данного режима (или определено экспериментально для заведомо исправного двигателя). В данном случае причиной может быть, например, утечка разрежения в зоне впускного коллектора, что приводит к появлению дополнительного воздуха, для компенсации которого ЭБУ увеличивает подачу топлива в цилиндры на 21%. 

  Из сказанного ясно, что ЭБУ определяет текущее значение Коэффициента топливокоррекции как сумму среднего значения, хранящегося в памяти ЭБУ, и мгновенного значения, зафиксиро¬ванного системой в данный момент времени.

  Информация о средних значениях коэффициента топливокоррекции нужна при диагностике и входит в число параметров, получаемых от ЭБУ сканером. На устаревших автомобилях значения коэффициентов топливокоррекции нормировались рядом чисел в пределах от 0 до 255, или в процентах 0...100%.
  Для контроллера МР7.0Н установленного на автомобиле ВАЗ 2110, средние значения коэффициентов коррекции топливоподачи задаются в диапазоне ±0,45. Для систем OBD-II значения нормированы в пределах ±100%. Для системы OBD-2 значения в середине диапазона (128 отсчетов, или 50%, или 0%) соответствуют оптимальному режиму работы исправного двигателя, когда никакой коррекции базовых значений калибровочной Диаграммы в осях «обороты — нагрузка двигателя» не производится.

Шкала коэффициентов топливокоррекции 

  Монитор топливной системы отслеживает средние и мгновенные значения коэффициентов коррекции топливоподачи. Но возможности коррекции не беспредельны. Когда ЭБУ посредством изменения подачи топлива уже не может компенсировать накапливающиеся неисправности (что чаще всего наблюдается на двигателе со значительным пробегом), загорается лампа MIL и заносятся в память соответствующие коды ошибок.

Монитор системы улавливания паров бензина контролирует объем паров топлива, поступающих из адсорбера во впускной коллектор и тем самым следит за исправностью системы, а также фиксирует утечки паров бензина при их возникновении.
Пары топлива поступают из герметизированного бака в адсорбер с активированным углем объемом около 1 л, где накапливаются. При нормальной работе системы и при определенных условиях, например при равномерном движении автомобиля, ЭБУ открывает электромагнитный клапан продувки адсорбера, пары топлива засасываются с воздухом во впускной коллектор и сжигаются в цилиндрах двигателя. Без принятия подобных мер испарение топлива может прибавить до 20% к общему количеству токсичных веществ, выбрасываемых автомобилем в окружающую среду.

Система улавливания паров бензина
 

  При открытом клапане продувки адсорбера и закрытом клапане подвода воздуха монитор контролирует объемный расход паров топлива по сигналу датчика давления в бензобаке. При закрытом клапане продувки адсорбера по показаниям датчика давления паров топлива в баке определяется интенсивность утечки. Утечка может иметь место в пробке бензобака, в адсорбере, в клапанах и в соединительных шлангах.
Если в двух подряд поездках будут зафиксированы неисправности, подпрограмма DE включит лампу MIL и запишет коды ошибок.

Системы рециркуляции выхлопных газов. Система рециркуляции выхлопных газов (exhaust gas recirculation — EGR) предназначена для уменьшения содержания окислов азота (N0,) в выхлопных газах. В присутствии солнечного света NOX вступает в реакцию с углеводородом, образуя канцерогенный фотохимический смог.
Впервые система EGR была применена на автомобилях Chrysler в 1972 г. Окислы азота возникают при температуре в камере сгорания выше 1370 "С (2500 DF). При некоторых режимах работы двигателя, когда не производится отбор полной мощности, например, при равномерном движении по шоссе, допустимо снизить температуру сгорания рабочей смеси, т. е. пойти на уменьшение мощности. Это достигается введением небольшого количества (6—10%) инертных выхлопных газов из выпускного в впускной коллектор. Инертный газ разбавляет топливовоздушная смесь, не изменяя соотношения воздух/топливо. 

  С 80-х годов EGR стала частью электронной системы автоматического управления двигателем (ЭСАУ-Д). EGR контролирует эффективность работы системы рециркуляции выхлопных газов. Во время теста открывается и закрывается клапан EGR и наблюдается реакция контрольного датчика. Выходной сигнал контрольного датчика сравнивается со значениями из калибровочной таблицы хранящейся в памяти ЭБУ, и определяется эффективность системы EGR. При неудовлетворительных результатах монитор запишет в память ЭБУ соответствующие коды ошибок.
  В качестве контрольного датчика могут быть использованы различные устройства. На автомобилях Chrysler контролируется изменение выходного напряжения датчика кислорода. При нормальной работе системы рециркуляции после закрытия клапана EGR содержание кислорода в выхлопных газах повышается и напряжение на выходе датчика кислорода уменьшается. Монитор запишет код ошибки, если это напряжение уменьшится недостаточно.
Для автомобилей Ford используют по крайней мере два типа контрольных датчиков (в зависимости от модели). В одном варианте применяется терморезистор с отрицательным коэффициентом сопротивления, установленный на входном патрубке клапана системы EGR. С помощью терморезистора монитор контролирует температуру выхлопных газов при открытом и закрытом клапане. Для исправной системы напряжение на терморезисторе уменьшится, когда клапан открывается. Если изменение напряжения не соответствует значению, заложенному в память, монитор запишет код ошибки.
В другом варианте в трубе между клапаном EGR и впускным коллектором делается вставка с калиброванным отверстием для измерения дифференциального давления. Когда клапан EGR открывается, это давление возрастает, что фиксируется монитором с помощью датчика дифференциального давления. Когда клапан EGR закрыт, давление по обе стороны вставки становится одинаковым.
На автомобилях General Motors в качестве контрольного используется датчик абсолютного давления во впускном трубопроводе, где давление изменяется при открывании клапана EGR.

  Систеама инжекции вторичного воздуха (AIR monitor). Каталитические нейтрализаторы со вторичной инжекцией воздуха используются не на всех автомобилях, соответственно в программном обеспечении не всех ЭБУ имеются такие мониторы.
AIR-монитор контролирует во время теста исправность клапана я байпасного канала, а также количество проходящего в нейтрализатор воздуха. Для оценки количества прошедшего через клапан в нейтрализатор воздуха большинство производителей используют датчик кислорода на входе нейтрализатора. Подпрограмма DE задерживает выполнение теста монитора AIR, пока не выполнится тест монитора датчиков кислорода. Как и для всех остальных мониторов, подпрограмма DE включает лампу MIL и записывает коды ошибок в память ЭБУ при обнаружении неисправности в двух поездках подряд.

Отслеживание параметров всех систем ЭБУ, можно при помощи диагностических сканеров. Сканер предназначен для выполнения диагностических операций различных систем управления, в частности двигателя. Диагностические приборы и сканеры   способны вывести информацию как в цифровом так и в графическом виде.   

По материалам В.Ф. Яковлева