Описание

Тестирование контроллеров ШДК Innovate и AEM UEGO

В Марте 2013 появилась идея проверить динамику работы контроллеров ШДК AEM в сравнении с Innovate LC-1. В принципе тормознутость AEM была известна задолго до этого теста, она замечалась при настройке машин с контроллером AEM UEGO когда одновременно были включены и активны обе лямбды LC1 и AEM, однако в форумах до сих пор встречаются упертые личности которые отрицают это, так например в марте на Drom на очередном обсуждении http://forums.drom.ru/gt-forum/t1151932376.html я привел довольно общеизвестный рисунок, сравнения технологии контроля ШДК AEM и Innovate.

Рисунок чрезвычайно возмутил владельцев АЕМ-а, вызвав у них очередной приступ батхерта. В итоге я решил сделать еще одно независимое исследование того, что и так всем известно и просто купил новый контроллер AEM UEGO по оптовой цене, чтоб уже в тепличных условиях самому измерить его реакцию.

Для начала стоит понимать, что оба контроллера работают принципиально по разному на уровне методики. Оба прибора производятся и продаются в США и очевидно обладают патентной чистотой. АЕМ использует классический PID регулятор для которого выходом является ток ячейки насоса (Ip) а ошибкой - отклонение напряжения в sense ячейке от базовых 0.45v, лямбда соответственно является функцией тока накачки Lambda=f(Ip) c коррекцией по калибровочному резистору. У Innovate совершенно другой собственный алгоритм, про него лучше всех расскажет один из разработчиков оборудования Innovate - Klaus, (перевод мой, исходный текст взят с форума innovate):

Приборы LM-1 или LC 1 не используют функцию лямбда=f(Ip), они используют абсолютно другой способ определить Лямбду, не основанный на измерении Ip. Как вы знаете, функция Лямбда = f (Ip) от сенсора к сенсору меняется, и разные производители контроллеров ШДК и систем управления используют разные "стандартные" калибровочные f(Ip). Калибровочный резистор в сенсоре позволяет внести поправку для конкретного датчика - но к сожалению только в одной точке (фабричная калибровка при лямбда=1.7)

LM-1/LC-1 используют запатентованный innovate принцип измерения. На ячейку pump подается постоянный положительный Ip, как только потенциал на ячейке sense станет немного выше 0.45v - Ip реверсируется и на pump ячейку подается отрицательный потенциал, пока sense не станет немного ниже 0.45v. После чего цикл повторяется. Поскольку для данного датчика скорость потока постоянна при постоянном значении Ip вы имеете колебания полярности с частотой 50-200Hz (LM-1) или 100-500Hz (LC-1). Газ в камере измерения меняется в небольших количествах, эти изменения сосредоточенны вокруг точки стехиометрии. Скорость колебания тока, и скорость измерения, зависит от реакции датчика, а не от контура обратной связи.
Это - базовые принципы сигма дельта АЦП. "Компаратором" - является sense ячейка, "обратная связь D/A" - является ячейка pump, а "интегратором" - камера измерения. За исключением того, что в этом случае аналоговое значение - непосредственно выхлопные газы, а не напряжение или ток.

Ячейку насоса рассматривают как полупроводник с низкой подвижностью (по сравнению с кремнием или GaAs).

Duty cycle (DC) рассчитывается как DC=(t1 - t2) / (t1 + t2). Таким образом, диапазон +-1. Времена t1 и t2 измеряются с 16ти битной точностью.

Лямбда может быть рассчитана по содержанию O2 в выхлопных газах.

Лямбда = (O2 % воздуха) / (O2 % воздуха - O2 % выхлопа) или:

Лямбда = (парциальное давление O2 в воздухе) /(парциальное давление O2 в воздухе - парциальное давление O2 в выхлопе.)

Математический эквивалент нашего принципа, управления с постоянным Ip и колеблющимся знаком:

Лямбда = DCair / (DCair - DCexhaust).

DCair (duty cycle в воздухе) - то, что LM-1/LC-1 измеряют и запоминают в течении калибровки на свободном воздухе! Это значение меняется если меняется парциальное давление кислорода в воздухе. Но поскольку используются одновременно и положительные и отрицательные токи и, Лямбда, изменяется намного меньше, чем с прямым Ip базированным измерением. Отклонение связанно с различиями в эффективности ячейки насоса (функция атмосферного давления) между положительным и отрицательным Ip, не полным отклонением Ip как функция атмосферного давления. Калибровка по свободному воздуху позволяет исключить влияние высот над уровнем моря и давлений воздуха. Если смесь богатая - DCexhaust становится отрицательным. Это эквивалентно виртуальному недостаточности O2 по сравнению с стехиометрией, или может быть замечено как виртуальное отрицательное парциальное давление О2. Из-за различия энергий активации для каталитического окисления и восстановления, коэффициент для приведения результатов испытания к стандартным условиям должен быть применен к вышеупомянутой формуле для Лямбды при использовании "отрицательных" парциальных давлений. При работе с калибровочными газами и различными датчиками (NTK Bosch) в различных условиях при различном использовании, мы обнаружили, что коэффициент для приведения результатов испытания к стандартным условиям, это 6-ти значная константа (одинаковая для датчиков Bosch и NTK).

Преимущества этого принципа измерения:

a) Максимальная задержка измерения, для корректного отображения 2 цикла, а не приблизительно 5*T63 для аналогового Ip измерения (для ошибки измерения <1 % при смене шага). Типичный быстрый аналоговый Ip измеритель имеет T63 приблизительно 100msec. (T63 - время определяемое изготовителем измерителя на основе аналогового Ip.)

b) Независимость от допусков функции Lambda=f(Ip) в конкретном датчике.

c) Низкий over/under swing.

d) Нет необходимости "настройки" PID регулятора для критического демпфирования. Которую так или иначе невозможно сделать правильно, потому, что скорость реакции датчика с возрастом падает, (датчик стареет).

e) Пере калибровка затрагивает весть диапазон измерений а не только одну точку. Калибровка корректна для текущего датчика и текущих атмосферных условий.

f) Независимость от датчика или допусков в аналоговой части. Производится измерение в основном времени, независимое от электрических допусков. Измерение времени с сегодняшними кварцевыми резонаторами возможно с точностью до <6 ppm в то время как никакие аналоговые сигналы не возможно измерить точнее 1-2 %.

g) Отсутствие шума в диапазоне около стехиометрии. Поскольку Лямбда = f (Ip) обладает высокой чувствительностью в стехиометрии, системы базированные на Ip имеют тенденцию создавать помехи в виде шума при измерении в диапазоне лямбда около 1.0.

h) Отсутствие чувствительности к "продувке богатой смесью". Согласно исследованию Bosch, углерод или другие частицы в богатом выхлопе могут быть электростатически абсорбированы поверхностью насосной ячейки и частично закрыть ее при работе двигателя на смесях <0.8. Это как правило приводит к медленному дрейфу Ip к более высоким значениям, хотя смесь остается богатой, потому что контур обратной связи должен компенсироваться из за более низкой активной поверхности.
Решение, снова согласно исследованию Bosch, состоит в том, чтобы время от времени инвертировать ток насоса время в богатой смести, чтобы сбросить абсорбированные частицы. Изменение тока насоса - уже часть нашего принципа измерения, поэтому частицы не могут электростатически абсорбироваться. Кроме того, даже если бы они каким то образом и появились - в результате
изменилась бы частота цикла (время реакции сенсора) а не его duty (критерий показателей смеси).

Klaus (innovate motorsport).

Ссылка на оригинальный патент в базе google с полным и подробным описанием метода и прибора его реализующего на английском языке http://www.google.com/patents/US6978655

AEM не порадовал с ходу, для начала он как оказалось принципиально не видит смесей богаче 10.0 тот же Innovate в теории способен увидеть 7.3 а на практике я точно помню что видел смеси около 8.7-9.0 без проблем - а это достаточно важный участок диапазона в некоторых случаях. Т.е. при настройке с AEM ориентироваться на смеси 10.0 и богаче нельзя в принципе поскольку любая смесь богаче 10.0 в конечном счете отображается как 10.0, все это не лучшим образом влияет и на время настройки.

Так же смутил всего один десятичный знак после точки в выводе на последовательный порт, т.е. дискретность показаний AFR=0.1, у инновейта дискретность вывода = 14.7/1000=0.0147 т.е. она превышает дискретность АЕМ аж на порядок!

Ну ладно - это все лирика, пора мерить динамику приборов.

Принцип действия собранного на скорую руку стенда для измерения динамики сенсоров следующий. Камера куда вкручены 2 зонда ШДК продувается сжатым воздухом. Затем с помощью трехвходового клапана канал воздуха запирается и в камеру подается референсная смесь газов соответствующая показаниям по составу смеси примерно 14.7+-, показания обоих датчиков (причем для innovate - по обоим аналоговым каналам) считываются с помощью микроконтроллера с АЦП и передаются по протоколу USB 2.0 в PC вместе с метками реального времени, логи выводятся в CVS формате, обрабатываются в excel и ecuedit. Как вариант 2-м газом выступает пропан-бутан в котором смесь на пределе является максимально богатой.

Вид стенда для тестирования ШДК.

Редукторы тестовых газов для регулировки расхода и давлений.

Трехвходовой клапан и адаптер для 2-х ШДК Bosch.

Контроллер ШДК Innovate LC-1.

Контроллер ШДК AEM Uego.

4-х канальный AЦП с USB 2.0.

Источники питания контроллеров ШДК и клапана.

Прогрев обоих зондов. Питание подано на метке времени 3.5сек Innovate прогревался немного дольше до 33сек AEM на 3 сек быстрее с артефактным глюком в показаниях на 19 секунде.

Ну и собственно главная картинка ради чего все и делалось. Что бы вы думали - задержка в реакции у AEM относительно Innovate не 200мс (как в рекламе innovate) а целых 328мс - т.е. все на самом деле гораздо хуже чем могло бы казаться и поэтому отсутствие реакции на топливо ускорнасосов теперь очень просто подтверждается опытом. Так же следует заметить про показания в установившемся состоянии - они разные и сильно. Я не буду сейчас затрагивать вопрос у кого они точнее - пока у меня нет никаких механизмов это определить. Возможно позже.

Так же обратим так же внимание на участок 57-66 сек - состав смеси там естественно никак не меняется, однако по нему можно оценить качество информации о нем с обоих приборов.

В обоих каналах АЦП подключенных к innovate дисперсия +-2 дискреты измерения.

В единственном канале АЕМ дисперсия достигает +-5 дискрет измерения.

Среднеквадратичные отклонения для строк 2284:2620 файла лога составляют:

Innovate - канал 1 0,068578

Innovate - канал 2 0,06611

Причина как мне видится в том, что в Inovate на вывод аналогового сигнала используется отдельный двухкнальный 10ти битный ЦАП analog devices и продуманная развязка от земли, в AEM применено более дешевое решение.

031913.csv исходный файл с измерениями.

Для этого теста в логер был заведен так же и сам управляющий сигнал клапана (напряжение на клапане через делитель) и несколько уменьшена дискретность времени лога. Далее в ручную симулировался дребезг газового клапана. Реакцию на этот дребезг отражал только LC-1. Сама же реакция на продувку пропаном у АЕМ явно лучше чем на стехиометрию (по видимому PID форсирует) но отставание от инновейта есть и в этом случае как раз наши искомые 150-200мс в первой картинке "рекламы".

В марте 2013 года протокол поддержки сенсоров AEM UEGO был добавлен во все билды ПАК "Матрица", при желании вы можете запросить ПО с такой поддержкой, однако контроллеры ШДК AEM не являются рекомендованными для работы с ПАК "Матрица". Их использование может привести к некорректной работе алгоритмов и возможно потребует изменения констант отвечающих за настройку топливоподачи.

(c) Maxi(РПД) 2013 Копирование материалов ресурса без разрешения автора запрещено.