ПРОФЕССИОНАЛУ - Оборудование

Системы самодиагностики

Со времени внедрения компьютерных систем управления двигателем основным и непосредственным участником диагностики автомобилей являются диагностические сканеры. Вначале большинство из них носили приставку "дилерский", так как доступ к их приобретению имели только СТО, сертифицированные конкретным производителем автомобиля. При этом частичная диагностика, например считывание кодов неисправности, было доступно и без их применения. На значительной части автомобилей тех лет выпуска возможна диагностика ряда электронных систем с помощью персональных компьютеров, несложного аппаратного интерфейса и доступного программного обеспечения. Достаточно развиты диагностические средства на базе КПК для ранних моделей ММС, Toyota, Nissan, Honda, WV и других. Причем программные продукты (в том числе бесплатные) и описания аппаратной реализации доступны в сети Интернета и их использование не составляет большого труда даже для автотехника, решившего заняться диагностикой. И нынче даже старенькую Тойоту можно диагностировать с помощью персонального компьютера (подключением простенького компа к Vf1_контакту её диагностического разъема).

Рассмотрим историю появления, законы и некоторые правила диагностики современного автомобиля. Начало систем самодиагностики (OBD) обычно относят к 1982 году, когда организация по контролю состояния воздушной среды (CARB) штата Калифорния разработала соответствующие требования к системам управления подачей топлива. В них в явном виде указывалось на обязательность наличия в ПО блока управления двигателем микропрограмм проверки состояния навесного оборудования и датчиков. Начиная с 1988 года, все проданные в этом штате автомобили должны были быть оснащены такой системой первого поколения самодиагностики и контроля эмиссии (On-Board Diagnostic, OBD phase I). Её суть состоит в том, что ссоответствующий электронный модуль должен проводить проверку и анализ состояния "подвластных" ему систем, правильность функционирования исполнительных устройств, датчиков. При возникновении неисправности в системе управления двигателем водитель обязательно информируется о такой поломке включением соответствующего индикатора неисправности, который обычно располагался на приборном щитке. Специально оговорено, что индикатор не должен использоваться для других целей.

Для идентификации неисправности использовались так называемые "коды ошибок", которые записывались в память бортового компьютера. Считывание этих кодов возможно различными способами. Например, подсчетом количества миганий лампы индикатора "Check Engine" или считыванием с помощью соответствующего электронного прибора (сканера данных). В дальнейшем эти правила стали федеральными и были распространены на всю страну. А спустя некоторое время стали основой для соответствующих стандартов других регионов.

Приоритет внедрения систем самодиагностики неизвестен, но в праворульном автомобиле внутреннего рынка Японии Toyota Corolla (AE82) с двигателем 4A-GELU, серийно выпускавшемся с октября 1984 по апрель 1987, такая система уже использовалась. Пионером же внедрения систем самодиагностики принято считать Nissan, использовавший в модели 280z 1975 г.в. контроллер управления подачей топлива (L-Jetronic) с элементами самодиагностики.

Основным назначением первого поколения самодиагностики являлось уменьшение эмиссии вредных веществ и повышение качества диагностики и ремонта автомобилей. Эта система характеризовалась тем, что:
— производилась проверка исправности электрических цепей только на обрыв и замыкание;
— имелись известные ограничения возможности проверки состава смеси, подачи топлива и системы рециркуляции выхлопных газов;
— проверялось небольшое количество субсистем;
— не определялись все возможные неисправности;
— предоставлялись небольшие объемы потоков данных о состоянии систем автомобиля;
— каждый производитель использовал собственную систему идентификации кодов неисправности и оригинальные протоколы обмена данными;
— диагностические разъемы отличались конструкцией, назначением контактов и местом их расположения;
— отсутствовали единые критерии включения индикатора неисправности и общих правил его гашения;
— после устранения неисправности была необходима обязательная очистка памяти кодов самодиагностики.

Система первого поколения характеризовалась и тем, что каждый производитель реализовал свое видение алгоритмов проверки, критериев оценки состояния датчиков, исполнительных узлов и системы в целом. Отсутствовала унификация конструкции, назначения контактов и мест расположения диагностических разъемов. Также отсутствовала единая система применяемых названий датчиков и компонентов, используемых единиц измерения. В результате этого автомобили различных марок имели различные перечни кодов неисправностей и несовместимые инструментальные средства для считывания кодов и получения другой информации. Полноценная диагностика электронных систем того поколения была возможна только при обязательном использовании так называемых дилерских сканеров, то есть приборов, специально сделанных производителем для проверки электронных систем своих автомобилей. Так образом создавалась ситуация, при которой обычным станциям (СТО) для работы с машинами различных производителей было необходимо закупать большое количеств этих весьма недешевых приборов. А это отрицательно сказывалось на качестве и стоимости ремонта. Взгляните на разнообразие типов некоторых диагностических разъемов автомобилей тех лет (фото 1).

Системе OBD-I были присущи также и алгоритмические недостатки. Поскольку производилась проверка исправности электрических цепей исполнительных устройств и датчиков только на обрыв и замыкание, то для некоторых датчиков считалось допустимым отсутствие изменений выходных сигналов. Но автомобили тех лет уже использовали функцию адаптации ("adaptive shift"), с помощью которой проводилась коррекция базовых установок для обеспечения оптимального состава топливно-воздушной смеси. Иногда значительные ухудшения некоторых компонентов системы компенсировались слишком большой топливной коррекцией. И хотя система OBD-I поддерживала проверку превышения допустимых пределов изменений базовых установок, далеко не всегда она была в состоянии обеспечить полный контроль. Некоторые уровни ухудшения датчиков положения дроссельной заслонки, регулятора давления топлива, датчика температуры, кислородного датчика оставались незамеченными ею. Например, несмотря на то, что система OBD-I и проверяла состояние кислородного датчика, она часто определяла эту неисправность только после полной его поломки. Неисправность кислородного датчика, при которой его выходное напряжение равно нулю и не зависит от состава смеси, блок управления (БУ) воспринимал только как признак бедной смеси и увеличивал подачу топлива. То есть БУ не проверял соответствие его напряжения режиму двигателя, время переключения (быстродействие датчика) и другие параметры. И только этим объясняется ситуация тех лет, когда при неисправном кислородном датчике лампа "Check Engine" так и не загоралась, и его неисправность выявлялась только при инструментальной проверке. Эти недочеты приводили к увеличению расхода топлива и повышенному загрязнению окружающей среды.

ХАРАКТЕРИСТИКИ СИСТЕМЫ САМОДИАГНОСТИКИ ВТОРОГО ПОКОЛЕНИЯ

Согласно статистике, даже в наше время более 75% объема технического обслуживания и ремонта автомобилей проводится вне дилерских мастерских (СТО). В США в настоящее время независимые техники выполняют примерно 80% всего объема обслуживания и ремонта. В штатах, по данным 2007 года, в этой сфере занято более 5 млн. рабочих мест в почти полумиллионе СТО. Причем следует отметить, что по мере износа автомобилей число обращений в обычные, не уполномоченные станции увеличивается. Понятно, что при этом независимые техники выполняют больший объем ремонта в более старых машинах, для которых выше вероятность поломки и к которым "теряют интерес" центры гарантийного обслуживания. Кроме этого, неизбежная централизация дилерских СТО приводит к увеличению объемов обслуживания и ремонта в обычных мастерских. Например, в США за период 1998 – 2001 количество дилерских СТО уменьшилось на 0.9%, а количество "независимых" техников возросло на 2.3%. Понимание трудностей, связанных с обеспечением доступного и качественного авторемонта и обслуживания, привело к тому, что Американское Агентство по защите окружающей среды (EPA) разработало и опубликовало в сентябре 1989 года проект новых федеральных стандартов второго поколения самодиагностики, известного как OBD-II. Первоначально эта система должна была стать обязательной для автомобилей с 1994 года выпуска. Но в 1991 году были собраны комментарии производителей и проведена коррекция времени ее внедрения. 19 февраля 1993 года EPA приняло дополнительные поправки и опубликовало окончательные правила для автомобилей 1994-1998 года выпуска. При этом производители могли запросить аргументированную отсрочку внедрения на два года. И надо заметить, практически все ею воспользовались. Поэтому система вводилась постепенно и только с 1996 года стала обязательной для всех автомобилей, продаваемых в США. Учитывая огромную емкость американского рынка, производители других регионов были вынуждены "откликнуться" на это требование, и эта система была внедрена de-facto.

Таким образом, в 1996 году в США получило жизнь поколение системы самодиагностики известное как OBD-II (On-Board Diagnostic phase II). Это значительно облегчило выполнение задач поиска и локализации неисправностей, упростило ремонт и повысило эффективность и достоверность диагностики. И что немаловажно - обилие режимов работы и возможность анализа выбранных параметров во времени снизило трудоемкость процесса поиска причин неисправности. При этом количество кодов самодиагностики увеличилось в сотни раз, была проведена стандартизация (J1962) назначения контактов диагностического разъема (фото 2) и протоколов обмена данными, что позволило проводить проверки с помощью унифицированных диагностических устройств, доступных любому технику и на каждой СТО. Следует заметить, что законодатели понимали сложности внедрения новых требований. Поэтому некоторая их часть вводилась поэтапно. Например, проверка системы улавливания паров топлива была обязательна в 1996 г. в 20% выпускаемых автомобилей, в 1997 - 40% и только начиная с моделей 1999 года обязательное её наличие во всех. Новые нормы требовали от производителей автомобилей внедрение диагностической системы, которая должна проверять компоненты, влияющие на токсичность и определять любую неисправность, вызывающую превышение порога допустимой эмиссии вредных составляющих выхлопных газов. Сейчас порогом срабатывания принято 1.5-кратное превышение допустимых норм. Характерной особенностью OBD-II является её гибкость и постоянное совершенствование. Несмотря на то, что окончательная редакция проведена в 1996 году, в 1998 и 2002 годах произведена коррекция требований к автомобилям, начиная с 2004 года выпуска. Особое внимание уделено проверкам состояния каталитического преобразователя, нагревательного элемента кислородных датчиков, системы улавливания топливных паров, пропусков воспламенения (осечки зажигания), системы переменного газораспределения и т.д.

И в настоящее время ведутся дискуссии о новых дополнениях, сделанных в 2007-2008 годах. Например, рассматривается возможность внедрения интегрального числового показателя Performance Ratio, который характеризовал состояние катализаторов, кислородных датчиков, систем переменного газораспределения и рециркуляции выхлопных газов. Вводится новая категория кодов неисправности (Permanent DTC), и особое внимание уделяется развитию системы OBD-II дизельных двигателей.
В целом система самодиагностики второго поколения характеризуется тем, что:
— предназначена для информирования пользователя машин о возникновении неисправностей, которые приводят к недопустимому увеличению эмиссии (выбросов) вредных веществ;
— непрерывно проверяет исправность электрических цепей и правильность функционирования (допустимость диапазона параметров) исполнительных устройств и датчиков. В режиме реального времени проводит проверки и анализ состояния системы подачи топлива в двигатель и другие системы для обеспечения достаточной экономичности и безопасности движения;
— отслеживает состояния практически всех электронных систем;
— оптимально проверяет системы и компоненты, использует большее количество кодов неисправности (более 10 000 кодов);
— запоминает состояние системы при возникновении неисправности;
— при возникновении неисправности использует алгоритмы активного тестирования;
— стандартизованы коды неисправностей, протоколы обмена данными между электронными системами автомобиля и диагностическим оборудованием, терминология, и т.п. Стандартизирует электрические параметры и протоколы связи в автомобильной промышленности и унифицирует средства диагностики, вводит единую систему идентификации кодов неисправности. Обеспечивает диагностику электронных систем, влияющих на эмиссию вредных выхлопов сертифицированных автомобилей практически всех производителей, с помощью обычных диагностических сканеров широкого применения (Generic Scan Tools);
— индикатор неисправности остается включенным в течение трех последовательных поездок даже после того, как неисправность "самоустранилась";
— коды неисправности, время эксплуатации неисправного двигателя, замороженные данные могут быть стерты из памяти самим БУ, если неисправность не фиксируется в течение 40 циклов прогрева (warm-up) или 100 часов работы двигателя;
— обнаруживает неисправности, которые не являются помехой для нормального движения авто;
— используются 16- и 32-разрядные контроллеры, которые оперируют с более 15 000 констант. Типичный микропроцессор, например, Motorola MPC565, работает с быстродействием до 56 MHz, использует 10 килобайт RAM и более 1 Мбайт flash-памяти. До 40% объема ПО занимают подпрограммы самодиагностики;
— обязательно обеспечивает доступ техников ко всей технической информации по диагностике и ремонту, причем не позднее трех месяцев после ее распространения среди дилерских СТО;
— использование EEP-ROM памяти позволяет проводить модернизацию программного обеспечения ЕСМ (без его замены) и проводить процедуры адаптации системы ("переобучения").
Отметим, что система OBD-II включает в себя не только технические требования к автомобилям, но и регламентирует организацию доступа к технической информации, правила ее размещения (в том числе и в Интернете) и другие организационные мероприятия (SAE J2012, J2008, ISO/DIS 15031). Их основные задачи - улучшение состояния автомобильного парка страны и повышение качества обслуживания и ремонта. Страны Европейского Союза приняли аналогичные стандарты (DIRECTIVE 98/69/EC) значительно позже. EOBD есть европейский эквивалент стандарта OBD-II, в которые хоть и внесены незначительные изменения, но, в целом, за основу приняты американские стандарты. В 2000 году было опубликовано требование о том, чтобы все бензиновые автомобили, продаваемые в пределах Европы с 1 января 2001 года, и дизельные автомобили с 2003 года, должны иметь бортовые диагностические системы для проверки эмиссии и проведения самодиагностики систем (70/220/EEC). Многие изготовители, понимая неизбежность этих требований, оснащали свои автомобили интерфейсами OBD задолго до этого, что говорится, "готовили сани" заранее. Это давало возможность реальной проверки и сбора статистических данных. Иногда в автомобилях одновременно использовались несколько типов диагностических разъемов. Встречаются почти курьезные ситуации. На значительном количестве автомобилей европейского и азиатского рынка устанавливался разъем для подключения сканеров, внешне не отличимый от разъема OBD-II (J1962), но для связи со сканерами использовались либо протоколы предыдущих поколений диагностики, либо несколько модифицированные стандартные протоколы. До сих пор можно встретить недоумение некоторых техников, которые, видя разъем знакомой конструкции, предполагают, что это признак обязательного наличия системы OBD-II. Такой разъем является необходимым, но не достаточным условием использования в конкретном автомобиле этой системы самодиагностики.

Начиная с октября 2002 года автомобили так называемого внутреннего рынка Японии, оснащаются системой JOBD, которая во многом похожа на своих предшественников. Предполагается, что к 2010 году значительная часть азиатских стран введут в действие стандарты токсичности выхлопных газов, которые содержат требования использования систем самодиагностики аналогичные OBD-II. В таблице показаны сроки их внедрения.

Начиная с 2008 года, автомобильные системы пополнились требованием обязательного использования стандартов внутри сетевого обмена информацией (Controller Area Network). Это значительно увеличило как надежность их работы, так и расширило возможности диагностики.

Владимир Петрович ЛЕЩЕНКО

Полная версия см. журнал «Автомастер» №6 2009 год

Перечень основных "диагностических" стандартов

— SAE_J1930/ISO15031 Terms, Definitions, Abbreviations and Acronyms
— SAE J1939 Recommended Practice for a Serial Control & Communications Vehicle Network (J1587/J1708 )
— SAE_J1962/ISO 15031 Diagnostic Connector
— SAE_J1978/ISO 15031_4 Standard definition of an OBD_II scan tool
— SAE_J1979/ISO 15031_5 Standard definition of diagnostic test modes
— SAE J2008 Recommended Organization of Vehicle Service Information
— SAE_J2012/ ISO 15031_6 Diagnostic trouble codes Definitions
— SAE_J2190 Standard definition of diagnostic Test Modes (enhanced)
— J2284/ISO15765_Controller Area Network, Dual wire.