Softing Automotive Fachartikel

Antriebe und Antrie b s e l e m e n t e
Überwachung der Grenzwerte
Trend zum Onboard-Diagnose-System (OBD) für fahrende Arbeitsmaschinen
Bildquelle: New York State Department of Environmental Conservation
1: Ruß im Diesel-Abgas kann durch den
Einsatz von Diesel-Partikel-Filtern wirksam
reduziert werden
Peter Subke
Die gesetzliche Vorschrift zur
Installation von OBD-Systemen auf
fahrenden Arbeitsmaschinen mit
schweren Dieselmotoren ist nur
noch eine Frage der Zeit.
Dipl.-Ing. Peter Subke, Business-Develoment-Manager,
Softing Automotive Electronics GmbH, Erkrath
18 Mobile Maschinen 1/2011
Neben der Verbesserung der Arbeitsleistung, des Komforts und der Sicherheit
dient der Einsatz elektronischer Systeme
auch der Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs und der Schadstoff-Emissionen.
Obwohl die ständige Überwachung (Onboard-Diagnose, OBD) dieser Systeme für
fahrende Arbeitsmaschinen gesetzlich noch
nicht vorgeschrieben ist, kann nur durch
die Installation eines OBD-Systems die Einhaltung der gesetzlich vorgeschriebenen
Emissions- Grenzwerte dauerhaft sicher gestellt werden.
Was sind DPF, EGR und SCR?
Ein deutlich sichtbares Problem in den Abgasen von Dieselmotoren ist der Anteil an
Ruß (Fachbegriff: Particulate Matter, PM).
Die Reduzierung der PM im Abgas von Dieselmotoren kann durch den Einsatz von
Diesel-Partikel-Filtern (DPF) und speziellen Einspritzsystemen mit höheren Einspritzdrücken erreicht werden.
Nicht sichtbar ist der Anteil an Stickoxiden (NOx). Zur Reduzierung der Stickoxide eignet sich die Abgas-Rückführung
(Exhaust Gas Recirculation, EGR). Dabei
wird ein Teil des Abgases über ein geregeltes
Abgasrückführventil erneut der Verbrennung durch den Motor zugeführt. Generell
besteht ein Zielkonflikt zwischen geringen
Ruß- und Stickoxid- Emissionen. Ruß entsteht bei geringen Brennraumtemperaturen, NOx bei hohen Temperaturen. Um
diesen Zielkonflikt zu lösen setzen die Dieselmotor-Entwickler zunehmend auf eine
Abgasnachbehandlung außerhalb des Motors. Im ersten Schritt wird der Motor auf
maximale Leistung und minimale Rußbildung optimiert, was beides nur bei hohen
Verbrennungstemperaturen möglich ist.
Das dadurch entstandene Stickoxid wird
dann in einem zweiten Schritt mit einem
Reduktionsmittel (Diesel Exhaust Fluid,
DEF) in einem SCR-Katalysator (Selective
Catalytic Reduction, SCR) zu Stickstoff und
Wasser umgewandelt. Ein elektronisches
SCR-Steuergerät stimmt die Menge des eingespritzten Reduktionsmittels (z. B. AdBlue)
auf Motorparameter wie Betriebstemperatur und Drehzahl ab. Dazu kommuniziert
das SCR-Steuergerät mit der Motorelektronik. Diese Datenkommunikation wird als
Onboard-Kommunikation bezeichnet. In
fahrenden Arbeitsmaschinen hat sich SAE
J1939 (Recommended Practice for Serial
Control und Communications Vehicle Network) als Protokoll für die Onboard-Kommunikation zwischen Steuergeräten über
den CAN-Bus etabliert.
Onboard-Diagnose (OBD)
Zur Sicherstellung der bestimmungsgemäßen Funktion überwachen elektronische Steuergeräte nicht nur ihr eigenes
Verhalten, sondern auch die Umgebung, in
die sie eingebettet (embedded) sind. Diese
Steuergerätefunktion wird als Steuergeräte- Eigendiagnose bezeichnet. Bei Auftreten von Fehlern (z. B. Kurzschluss an
einem Ausgang oder unsinnige Eingangsinformationen von Sensoren) können die
Steuergeräte einen Fehlercode (DTC = Diagnostic Trouble Code) in einem internen
Fehlerspeicher ablegen, den Fahrer über
eine Warnlampe (Malfunction Indicator
Light, MIL) darüber informieren, dass ein
Fehler im Abgasreinigungssystem festgestellt wurde, oder sogar Notlauffunktionen
starten.
Steuergeräte mit Funktionen, die das
Schadstoff- Emissionsverhalten beeinflussen (z. B. Motor-Steuergeräte, SCR-Steuergeräte), müssen ihre Umgebung und das
­eigene Verhalten auf Einhaltung der ge­
setzlich vorgeschriebenen EmissionsGrenzwerte überwachen. Diese Überwachungsfunktion ist eine Teilfunktion der
Steuergeräte-Eigendiagnose und wird als
OBD (Onboard- Diagnose) bezeichnet.
Für Personenkraftwagen und leichte
Nutzfahrzeuge ist neben der Einhaltung
von Grenzwerten auch die Installation
eines OBD-Systems seit vielen Jahren gesetzlich vorgeschrieben. Die Hersteller von
Lastkraftwagen und Bussen mit schweren
2: Die MIL (Malfunction Indication Light)
informiert den Fahrer über ein Problem mit
dem Abgasreinigungssystem
Antriebe und Antriebselemente
3: Die Software-Komponenten PC-basierter Servicetester sind international standardisiert
Dieselmotoren befinden sich zurzeit in der
Umstellungsphase: Sie müssen bis Ende
2013 für die Fahrzeugzulassung OBD-Systeme installieren (Euro VI für Europa und
EPA 2010 für USA).
Die EU-Richtlinie 2004/26/EG schreibt
für die Typgenehmigung von Dieselmotoren bzw. von mobilen Maschinen mit Dieselmotoren (z. B. land- und forstwirtschaftliche Maschinen, Baumaschinen, Hebebühnen, Gabelstapler und Mobilkrane, aber
auch Binnenschiffe und Lokomotiven) die
Einhaltung von Emissionsgrenzwerten
(Stage IV) vor, nicht jedoch die Installation
eines OBD-Systems. Das gilt auch für die in
den USA geltenden Vorschriften der CARB
(California Air Resources Board) und der
EPA (Environmental Protection Agency),
die mit EPA Tier IV vergleichbare Emissions-Grenzwerte festlegen. Die EPA hat aber
bereits im März 2007 in einer öffentlichen
Mitteilung „mögliche zukünftige Vorschriften zur Installation eines OBD-Systems
auf nonroad equipment mit heavy-duty
Dieselmotoren“ angekündigt.
Die Grenzwerte EU Stage IV und EPA Tier
IV müssen bis Ende 2013 erreicht werden,
die gesetzliche Vorschrift zur Einführung
von OBD ist nur noch eine Frage der Zeit.
Aufgabe klar definiert
Das OBD-System ist selbst nicht für die Reduzierung der Schadstoffemissionen oder
die Einhaltung von Grenzwerten zuständig,
sondern für die Überwachung der Komponenten, die die Schadstoffemissionen eines
Fahrzeugs beeinflussen, z. B. Motor, Dieselpartikelfilter und Katalysatoren. Die Überwachung stellt sicher, dass die zulässigen
Grenzwerte während des Betriebs eingehalten werden. Aus diesem Grund ist die Installation eines OBD-Systems als Teil der
Steuergeräte-Eigendiagnose auf fahrenden
Arbeitsmaschinen sinnvoll, auch wenn der
Gesetzgeber dies bisher nicht vorschreibt.
Die wesentlichen Funktionen eines OBDSystems sind
n Überwachung der emissions-relevanten
Komponenten und Grenzwerte
n Erkennung von Fehlfunktionen und Abspeichern von Fehlercodes (DTCs)
n g egebenenfalls aktiver Eingriff (z. B.
Leistungsreduzierung)
n Mitteilung an den Fahrer (über MIL)
n Kommunikation mit einem externen Service-Tester
Eine wichtige Funktion des Onboard-Diagnosesystems ist die Fähigkeit zur Kommunikation mit einem externen Service-techniker, in der Regel durch den Anschluss
eines PC-basierten Testers an den CAN-Bus
der Maschine. Die Kommunikation zwischen dem OBD-System und dem Tester
wird als Diagnosekommunikation bezeichnet. Für die Diagnosekommunikation des
Testers mit dem elektronischen System der
Maschine wird heute zunehmend das in der
ISO 14 229 international standardisierte
Diagnoseprotokoll „UDS“ (Unified Diagnostic Services) verwendet. UDS beschreibt 25
Summary
OBD is short for On-Board Diagnostics,
a technology to detect, store, and report
emissions-related malfunctions. For
road vehicles, including trucks and
buses with heavy-duty diesel engines,
OBD is required by law. OBD guarantees
that the legislative requirements
according to EU Stage IV and EPA Tier IV
for emissions of mobile equipment are
met for the entire life of the machine.
Even if not yet mandated by the
legislator, the installation of an OBD
system as part of the electronic selfdiagnostic system of the machine is
economically reasonable: It decreases
down times and saves money.
Weitere Informationen www.vfv1.de/25307630 
Antriebe und Antrie b s e l e m e n t e
Servicetester
Internationale Standards
ISO 15031
Communication between vehicle and external test equipment for emissionsrelated diagnostics ISO 15031-5: Emissions-related diagnostic services
ISO 15765
Diagnostics on Controller Area Networks (CAN) ISO 15765-4: Requirements for emissions-related services
ISO/DIS 27145
(Draft) Implementation of World-Wide Harmonized On- Board Diagnostics (WWH-OBD) communication requirements
ISO 22900
Modular Vehicle Communication Interface (MVCI) Teil 2: Diagnostic protocol data unit application programmer interface (DP-DU API) Teil 3: Diagnostic server application programmer interface (D-Server API)
ISO 22901
Open Diagnostic Data Exchange (ODX) Teil 1: Data model specification Teil 2: Emissions-related diagnostic data in ODX format
SAE J1939
Serial Control and Communications Vehicle Network Teil 21: Data Link Layer Teil 73: Application layer - Diagnostics
parametrierbare Dienste (Services), die der
Servicetechniker über den CAN-Bus an die
Maschine senden kann und die dazu gehörenden Antworten.
Auch für die Diagnosekommunikation
mit dem OBD-System wird ein international standardisiertes Protokoll eingesetzt:
ISO 15 031 (Communication between vehicle and external equipment for emissionsrelated diagnostics). ISO 15 031 Teil 5 beschreibt OBD-Dienste (Services), zum Beispiel zum Lesen der Diagnostic Trouble
Codes (DTCs) und zum Löschen des Fehlerspeichers.
In der Regel werden auch die OBD-Dienste über den CAN-Bus übertragen. Die
Technologie dazu wird in ISO 15 765-4 (Diagnostics on Controller Area Network (CAN)
– Teil 4: Requirements for emissions-related
services) spezifiziert und die Protokollbezeichnung lautet ISO 15 031-5 auf ISO
15 765-4.
SAE J1939 basiert auf CAN. Für den Fall,
dass SAE J1939-21 bereits für die Onboard-
Kommunikation im Einsatz ist, kann die
Diagnosekommunikation gemäß SAE
J1939-73 ablaufen. Die Protokollbezeichnung für die Diagnosekommunikation mit
dem OBD-System in einem SAE J1939 basierenden Fahrzeug lautet ISO 15 031-5 auf
SAE J1939-73.
Im Rahmen einer weltweiten Vereinheitlichung der OBD-Standards für Heavy-DutyDieselmotoren hat das World Forum for
Harmonization of Vehicle Regulations
(WP29) der United Nations (UN) bereits im
November 2001 entschieden, die Working
Party on Pollution and Energy (GRPE) mit
der Erstellung einer Global Technical Regulation (GTR) zu beauftragen. Ein Ergebnis ist
die ISO 27 145 = Implementation of WorldWide Harmonized On-Board Diagnostics
(WWH-OBD) communication requirements,
die 2010 als DIS (Draft International Standard) veröffentlicht wurde. ISO 27 145 adaptiert das Diagnoseprotokoll UDS (Unified
Diagnostic Services) auf CAN, ist aber bis
heute nicht im praktischen Einsatz.
Auch die Komponenten PC-basierter Servicetester sind international standardisiert.
Der D-Server (Bild 3) verbindet die Datenbasis mit der Benutzeroberfläche des Servicetesters und dem VCI (Vehicle Communication Interface). Das VCI dient der Verbindung des PCs mit dem CAN-Bus der Maschine und ist üblicherweise über USB,
Ethernet oder WLAN mit dem PC verbunden. Die Schnittstellen des D-Servers sind
in der ISO 22 900 (Modular Vehicle Communication Interface) standardisiert und
werden als D-Server API und D-PDU API
bezeichnet.
Der D-Server ist als Off-The-Shelf Produkt
bei Softing Automotive Electronics verfügbar. Auf der D-Server API können Anwendungsprogrammierer individuelle Serviceanwendungen aufsetzen, ohne sich mit
den Details der Diagnosekommunikation
auseinander zu setzen.
Darüber hinaus stehen Erweiterungen
der D-Server API (z. B. eine LabView-Bibliothek) zur Verfügung. Die D-PDU API dient
dazu, VCIs unterschiedlicher Hersteller an
den D-Server anschließen zu können.
Auch das Datenformat des Servicetesters
ist mit ISO 22 901 (Open Diagnostic Data
Exchange, ODX) international standardisiert. Die Datenbasis beschreibt die Diagnosefähigkeit der Maschine und beinhaltet
unter anderem die zur Verfügung stehenden Services (UDS und OBD) und die Kommunikationsparameter für den CAN-Bus
(z. B. die Baudrate). Sie kann aber auch
Routinen und Abläufe (z. B. für die Flashprogrammierung) enthalten.
Softing 25519510 www.vfv1.de/25519510
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Weitere Informationen www.vfv1.de/24209120 