Jak software ovlivňuje emise?

Datum 18. září 2015 se dost možná zapíše do historie automobilového průmyslu jako černá sobota. V tento den americká Agentura pro ochranu životního prostředí EPA obvinila automobilku Volkswagen, že používá zařízení, které dokáže oklamat měřící systémy emisí, tak aby vozidla při homologačním měření lépe prošla přísnými testy.

Okamžitě po tomto oznámení se kolem celé problematiky nejen na internetu, ale všude v médiích, strhla neuvěřitelná informační přestřelka. Vyšlo obrovské množství článků, které popisují ekonomické i ekologické dopady tohoto zjištění, kterým se proto my v tomto článku věnovat nebudeme (obsáhlé články můžete přečíst např. na iDnes nebo Novinky.cz).

Ve všech článcích se ale velmi málo mluví o tom, jak bylo technicky možné provést oklamání měřících systémů a snížit emise pouze v případě, kdy je vozidlo testováno. Musíme však podotknout, že netvrdíme, že naše závěry obsažené v tomto článku skutečně výrobci takto využívají. Jde pouze o zamyšlení, co je z hlediska softwaru možné. Pro potvrzení těchto teorií bychom museli provést důkladnější testy s přesnou kontrolou konkrétních jednotlivých map softwaru, o kterých budeme mluvit.

Co je podstatou skandálu

Hlavní podstatou skandálu je vysoká míra emisí oxidů dusíku. Nadměrné hodnoty automobily vykazují ale jenom při normálním provozu. Při oficiálním měření na speciální válcové zkušebně, využívané na měření emisí a spotřeby, jsou hodnoty plně v toleranci všech testovaných veličin. Je tedy jasné, že automobil pozná, že je právě oficiálně měřen a upraví chod motoru tak, aby splňoval vše, co má.

Jakých motorů se skandál týká

Skandál se týká motorů typu EA189 koncernu VW, což jsou agregáty 2.0 TDI CR a 1.6 TDI CR. Tedy vlastně motory, jejichž kód začíná písmenem C. Americká zpráva sice hovoří konkrétně pouze o testovaných motorech 2.0 TDI CR u vozidel Jetta, Beetle, Golf, Passat a Audi A3, což ovšem neznamená, že nedojde k rozšíření i o další motorizace.

Některá média spekulují o tom, že postiženy by měli být všechny motorizace u všech koncernových značek, tedy i Škoda, včetně motorů 1.6 TDI CR s kódy motorů CAYA, CAYB a CYAC. Tato motorizace má ale na rozdíl od dvoulitrů vstřikování i řídící jednotku Continental PCR2.1, zatímcto zmiňované dvoulitry používají řízení motoru Bosch (jednotky EDC17C46 a EDC17CP14). Ačkoli tyto motory mají stejné označení EA189, rozhodně nelze mluvit o tom, že by všechny byly stejné. Osobně si nemyslíme, že by se podvodný software objevil u jednotek dvou různých výrobců s rozdílným typem vstřikování. Důkazy ale samozřejmě nemáme a další vyšetřování ukáže.

Jaké hodnoty motory překračují

Americká zpráva hovoří o všech měřených údajích poměrně obsažně. Během testování byly měřeny hodnoty oxidů dusíku (NOx), uhlovodíky, oxid uhelnatý, uxid uhličitý, prachové částice a některé další chemické látky. Ze všech měřených údajů měly být překročeny právě jen oxidy dusíku (NOx) a to 20 - 40násobně, dle typu vozu, což je poměrně razantní.

Jak píše např. magazín iDnes, dosažení limitů oxidů dusíku je pro moderní dieselové motory nejsložitější. Vznikají zejména za předpokladu, kdy je ve válci vysoká teplota. Vysoké teplotě válce napomáhá vysoký tlak paliva i vysoký tlak vzduchu. Vzduch vlastně v případě oxidů dusíku hraje hlavní roli. Právě při jeho nadbytku dochází ke vzniku NOx nejvíce. Velkou roli hrají ale také otáčky motoru. Čím déle je směs ve válci, tím více času má pro vznik oxidů dusíku. Nejrizikovější jsou proto otáčky v režimu nejvyššího kroutícího momentu kolem 1800 - 2000 otáček, kdy má vozidlo nejvyšší dávkování paliva, zároveň nejvyšší plnící tlak turbodmychadla a relativně dost času na to, aby ve válci mohli tyto zplodiny vzniknout.

Jaká pozitiva plynou z vysokých hodnot NOx?

Asi základní otázka, kterou najdeme v mnoha diskusích u článků, ale nikde nenacházíme odpověď. Inženýři z VW rozhodně nezvyšovali oxidy dusíku jen tak z legrace. Výsledkem takto nastaveného motoru musí být nějaký jiný pozitivní cíl, který se snažila automobilka dosáhnout. Automobilový průmysl je byznys, takže se všichni snaží dosáhnout co nejlepších prodejů. Existují tedy pouze dva možné důvody, proč se k takovému postupu Volkswagen uchýlil. Lepší výkon motoru, resp. lepší charakteristika chování vozidla a nebo nižší spotřeba paliva.

Oba tyto aspekty jsou bezesporu silným tahákem pro spotřebitele a v obou těchto stránkách motory TDI vynikají. Málokterá automobilka nabízí motory s kultivovaným chodem, dobrou charakteristikou výkonu v celém spektru otáček a zároveň spotřebou pohybující se kolem 5 litrů při téměř jakémkoli stylu jízdy. Vypadá to, že se těchto konkurenčních výhod vývojáři nechtěli vzdát ani ve chvíli, kdy se výrazně zpřísňují emisní limity.

Jak vozidlo pozná, že je oficiálně měřeno

Zařízení, které dokáže odhalit, že je vůz právě měřen na homologační zkušebně emisí (nepleťme si s běžným emisním testem na STK), si nelze představit jako krabičku, která je schována kdesi v autě. Systém detekce je umístěn přímo v řídící jednotce motoru, resp. v řídícím softwaru, o kterém se budeme bavit dále v našem článku.

Způsobů, jak může vozidlo odhalit specifický režim měření, je více. První informace mluvily o tom, že u novějších vozidel vybavených GPS navigací, může vozidlo využít ztráty družicového signálu jako informaci, že je vozidlo umístěno uvnitř budovy. Pokud vozidlo nemá GPS signál, je buď v tunelu a nebo někde v místnosti, kde hrozí riziko, že by mohlo být měřeno na válcové zkušebně. Tento způsob samozřejmě není možné vyloučit, nicméně ne všechny vozy jsou GPS systémem vybaveny a inženýři z VW jistě chtěli mít jistotu, že detekce měření bude jistá.

Přichází tak na řadu daleko jednodušší způsob a to je údaj ze snímače úhlu řízení, kterým jsou vybaveny všechny vozy. Na válcové stolici jedete totiž stále rovně a pro řídící jednotku tak není těžké vyhodnotit, že je to velmi nestandardní situace. Těžko byste v provozu vydrželi jet déle než 200 metrů s volantem bez hnutí. I na velmi dlouhé rovince budete směr vozu mírně korigovat a dojde k natočení volantu o více než 1 stupeň. Snadná identifikace toho, že se s vozidlem děje něco nestandardního.

Během naší praxe jsme na válcové zkušebně viděli modely vozidel, které během minuty jízdy na zkušebně zobrazí závadu snímače úhlu řízení. Během krátké jízdy bez hnutí volantu zkrátka vyhodnotí, že když se snímač nehýbe, je pravděpodobně vadný a řidiče na tuto skutečnost informují. U koncernu VW/Škoda se nám to nestalo nikdy.

Jak lze softwarově ovlivnit emise

Většina článků v médiích už vůbec nevyhodnocuje způsob, jak vozidla emise ovlivňují. My máme v databázi software z více než 14000 automobilů a proto jsme si sami prohlédli vybrané motory na základě těchto nových skutečností. A vidíme samozřejmě celou řadu konkrétních možností, jak je možné emise ovlivnit.

První možností je regulovat plnící tlak turbodmychadla. Jak už jsme uváděli, poměr paliva a vzduchu dokáže výrazně ovlivnit právě hodnoty NOx. Druhou možností je přenastavení řízení EGR ventilu, což je jeden z hlavních prvků regulace emisí ve voze. Přepouští část spalin zpět do sání a znovu přepaluje již jednou spálené zplodiny, čímž dokáže regulovat nejen emise, ale také množství pevných částic. Třetí možností je lambda regulace, jelikož jsou všechny nové motory vybaveny také lambda sondou. Čtvrtou možností je také definice dávky paliva v režimu délka vstřiku vs vstřikovací tlak.

Ve všech jmenovaných případech v softwaru musí být umístěny dvě mapy pro konkrétní úkol mechanických komponentů vozidla, mezi kterými řídící jednotka přepne, tak aby dosáhla požadovaných hodnot. A zdvojené mapy samozřejmě najdeme v naprosté většině automobilů. Pojďme se podívat na konkrétní příklady.

Plnící tlak turbodmychadla - Škoda Yeti 2.0 TDI CR 81 kW

Na následujících obrázcích vidíte srovnání dvou téměř shodných map plnícího tlaku turbodmychadla ve vozidle Škoda Yeti 2.0 TDI CR 103kW.

Obě mapy jsou z jednoho vozu, z jednoho softwaru. Mapy definují, v jakých otáčkách (osa y) a při jakém množství paliva (osa x) má být předepsaný tlak v sání (v milibarech). Ve vyznačené oblasti, tedy v režimu 1500 - 2350 otáček a středním dávkování paliva, je mírná změna, rozdíl cca 100 - 150 milibarů.

Nemůžeme samozřejmě tvrdit, že jsou tyto mapy přepínány právě kvůli emisním limitům. Důvodů samozřejmě může být více, je běžné, že software obsahuje více map pro jeden účel, které se přepínají např. podle aktuální venkovní teploty nebo podle teploty motoru.

Nicméně v tomto konkrétním případě jde právě o nejrizikovější moment, tedy střední zatížení v režimu středních otáček.

Lambda regulace - VW Passat 2.0 TDI CR 103 kW

Velmi zajímavý pohled nastává také při pohledu do softwaru např. u vozidla VW Passat 2.0 TDI CR 103kW s řídící jednotkou EDC17C20. Oproti jiným řídícím jednotkám obsahuje software dvě různé mapy regulace dávkování paliva na základě vyhodnocení údajů z lambda sondy. Ta, jak známo, vyhodnocuje obsah kyslíku ve výfukových plynech a dokáže tak vyhodnotit kvalitu spalování. Lambda sonda je známá spíše z benzínových motorů, kde vyhodnocuje účinnost katalyzátoru, mnoho let se však využívá i u motorů vznětových.

Mapy lambda regulace definují, jakého poměru paliva vůči vzduchu je dovoleno v jízdním režimu použít. U benzínových motorů se dnes používá většinou poměr lambda 1, což je tzv. ideální směs (14,7 kg vzduchu na 1 kg paliva). Při této směsi jsou nejnižší emise. U výkonných motorů se pak při požadavku na vysoký výkon hodnota snižuje, čímž je dosaženo bohatší směsi.

U naftových motorů není poměr směsi přesně u hodnoty lambda 1. Směs může být i daleko chudší, protože nehrozí tak velké riziko propálení pístu, jako u motorů zážehových. Když se ale podíváme na mapy z našeho ukázkového Passata, jsou poměrně odlišné. Zatímco mapa č. 2 je poměrně rovnoměrná v celém spektru otáček, u první mapy vidíme, že zejména ve středním zatížení a středních otáčkách motoru dovoluje směs výrazně chudší složení.

Nastavení EGR ventilu - VW Golf 1.6 TDI CR 77kW

U motorů 1.6 TDI je situace ještě méně přehledná, než u vozidel s řídící jednotkou Bosch. Tyto motory využívají řídící jednotky Continental, které obsahuje oproti ostatním vozidlům obrovské množství map. Zatímco u jednotek Bosch je pro režimy EGR ventilu vyhrazeno jen několik málo map, u jednotek Continental je jen pro EGR ventil map hned 12.

EGR ventil však má několik režimů, ve kterých pracuje. Ihned po nastartování motoru je požadovaný průtok čistého vzduchu do motoru obvykle vyšší a EGR ventil se více zavírá. Pokud je teplota motoru nízká, přepalování spalin z výfuku by nebylo dostatečně efektivní a navíc by chod motoru nebyl plynulý. Až po částečném zahřátí motoru se EGR ventil otevírá více, aby snižoval také prašné částice a ulehčil filtru pevných částic DPF. Na volnoběžný chod je následně EGR ventil otevřený zhruba na 50%, tzn. proud vzduchu jdoucí do válce je z poloviny čistý vzduch zvenku a z poloviny spaliny z motoru, které se vracejí zpět do sání.

Mohou ale nastat situace, kdy je potřeba EGR ventil přivřít, např. pokud je venku vysoká teplota vzduchu. V takovém případě by hrozila příliš vysoká teplota stlačeného vzduchu a motor by měl problémy dosáhnout požadovaného výkonu. EGR ventil proto pracuje ve více režimech.

Na následujícím obrázku vidíte 3 rozdílné mapy naprogramovaného EGR ventilu u jedné konkrétní řídící jednotky. Mapa definuje, kolik čerstvého vzduchu (v mg/zdvih) má jít přes váhu vzduchu, tedy z venku, při požadavku na konkrétní kroutící moment (osa x) při různých otáčkách (osa y).

První a druhá mapa je poměrně lineární a lze vyvodit závěr, že první mapa povoluje větší proud čerstvého vzduchu, zatímco druhá mapa určuje již více otevřený EGR ventil. Třetí typ mapy je už ale poměrně nelineární a opět zejména ve středním režimu otáček je EGR ventil relativně hodně zavřený, zatímco nad 2000 otáček se naopak neúměrně otvírá a dává recirkulaci spalin zelenou.

Opět nelze jednoznačně vyvozovat, že se jedná o šidítko pro měření emisí, nicméně jde o mapu, která je využita ve specifické situaci. A takovýchto specifických map může být využito právě pro speciální režim homologačního měření emisí.

Jaké závěry lze z údajů vyvodit?

U všech příkladů, které uvádíme, nemůžeme jednoznačně říct, zda jsou mapy využity pro snížení emisí v požadovaný okamžik. K takovému tvrzení bychom potřebovali měřící přístroje na měření oxidů dusíku, kterém bychom použili v běžném provozu i následně na válcové zkušebně, abychom odhalili přesně ty režimy, ve kterých dochází k rozdílům naměřených hodnot. 

Různě nastavené mapy se běžně používají i pro různé případy, jako např. teplota motoru, venkovní teplota, atmosferický tlak vzduchu a další. Stejně jako pro tyto případy ale může být zdvojených map použito i pro splnění cíle snížení oxidů dusíku v potřebnou chvíli.

Pokud bychom dokázali přesně určit, při jakém zatížení a jakých otáčkách se hodnoty NOx liší, dokázali bychom následně i přesně určit, které mapy jsou pro konkrétní chvíli aktivovány. Podle dosavadních zveřejněných informací to ale přesně nevíme. Stále proto na tématu pracujeme a hledáme způsob, jakým vývojáři z Volkswagenu emise ovlivňují. Důvod, proč vozidla používají režim pro nižší emise jen při homologační zkoušce a ne v reálném provozu, je dost zásadní. Může být totiž zcela jiný, než jak to na první pohled vypadá a cílem nemusí být jen nižší spotřeba nebo lepší výkon.

Zajímavé také bude sledovat, zda se podobné problémy objeví i u dalších výrobců vozidel. Při pohledu do naší softwarové databáze by nás zajímali např. nové motory 2.0 TDCI z let 2009 - 2012 se vstřikováním Delphi a také motorizace Continental SID807, což jsou jednašestkové motory dodávané např. do vozů Ford, Mazda, Peugeot a Citroen. Ale nebudeme předbíhat.

Protože jsme vybaveni mimo jiné válcovou zkušebnou MAHA, která umožňuje statické měření, tzn. dokáže vozidlo udržet v konstantních otáčkách při předem definovaném zatížení, jsme schopni na válcové zkušebně testovat jakýkoli segment výkonu. Současně jsme také schopni jednotlivé mapy ovlivnit a libovolně po jedné měnit, čímž snadno otestujeme, zda se mapa používá v běžném provozu nebo pouze na válcové zkušebně. Situací se proto budeme dále zabývat.