Discovery 2. Manual - part 60

 

  Index      Land Rover     Land Rover Discovery 2 - service manual 1999 year

 

Search            

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Content   ..  58  59  60  61   ..

 

 

Discovery 2. Manual - part 60

 

 

EMISSION CONTROL - V8

DESCRIPTION AND OPERATION 17-2-35

Exhaust Emission Control Operation

The oxygen content of the exhaust gas is monitored by heated oxygen sensors using either a four sensor (NAS only) 
or two sensor setup, dependent on market destination and legislative requirements. Signals from the heated oxygen 
sensors are input to the engine management ECM which correspond to the level of oxygen detected in the exhaust 
gas. From ECM analysis of the data, necessary changes to the air:fuel mixture and ignition timing can be made to 
bring the emission levels back within acceptable limits under all operating conditions. 

Changes to the air:fuel ratio are needed when the engine is operating under particular conditions such as cold starting, 
idle, cruise, full throttle or altitude. In order to maintain an optimum air:fuel ratio for differing conditions, the engine 
management control system uses sensors to determine data which enable it to select the ideal ratio by increasing or 
decreasing the air to fuel ratio. Improved fuel economy can be arranged by increasing the quantity of air to fuel to 
create a lean mixture during part-throttle conditions, however lean running conditions are not employed on closed loop 
systems where the maximum is 

λ

 = 1. Improved performance can be established by supplying a higher proportion of 

fuel to create a rich mixture during idle and full-throttle operation. Rich running at wide open throttle (WOT) for 
performance and at high load conditions helps to keep the exhaust temperature down to protect the catalyst and 
exhaust valves.

 The voltage of the heated oxygen sensors at 

λ

 = 1 is between 450 and 500 mV. The voltage decreases to 100 to 500 

mV if there is an increase in oxygen content (

λ

 > 1) indicating a lean mixture. The voltage increases to 500 to 1000 

mV if there is a decrease in oxygen content (

λ

 < 1), signifying a rich mixture. 

The heated oxygen sensor needs to operate at high temperatures in order to function correctly (

 350

°

 C). To achieve 

this the sensors are fitted with heater elements which are controlled by a pulse width modulated (PWM) signal from 
the engine management ECM. The heater element warms the sensor's ceramic layer from the inside so that the 
sensor is hot enough for operation. The heater elements are supplied with current immediately following engine start 
and are ready for closed loop control within about 20 to 30 seconds (longer at cold ambient temperatures less than 
0

°

C (32

°

F)). Heating is also necessary during low load conditions when the temperature of the exhaust gases is 

insufficient to maintain the required sensor temperatures. The maximum tip temperature is 930

°

 C.

A non-functioning heater element will delay the sensor's readiness for closed loop control and influences emissions. 
A diagnostic routine is utilised to measure both sensor heater current and the heater supply voltage so its resistance 
can be calculated. The function is active once per drive cycle, as long as the heater has been switched on for a pre-
defined period and the current has stabilised. The PWM duty cycle is carefully controlled to prevent thermal shock to 
cold sensors.

The heated oxygen sensors age with mileage, causing an increase in the response time to switch from rich to lean 
and lean to rich. This increase in response time influences the closed loop control and leads to progressively 
increased emissions. The response time of the pre-catalytic converter sensors are monitored by measuring the period 
of rich to lean and lean to rich switching. The ECM monitors the switching time, and if the threshold period is exceeded 
(200 milliseconds), the fault will be detected and stored in the ECM as a fault code (the MIL light will be illuminated 
on NAS vehicles). NAS vehicle engine calibration uses downstream sensors to compensate for aged upstream 
sensors, thereby maintaining low emissions.

Diagnosis of electrical faults is continuously monitored for both the pre-catalytic converter sensors and the post-
catalytic converter sensors (NAS only). This is achieved by checking the signal against maximum and minimum 
threshold for open and short circuit conditions. For NAS vehicles, should the pre- and post-catalytic converters be 
inadvertently transposed, the lambda signals will go to maximum but opposite extremes and the system will 
automatically revert to open loop fuelling. The additional sensors for NAS vehicles provide mandatory monitoring of 
the catalyst conversion efficiency and long term fuelling adaptations.

Note that some markets do not legislate for closed loop fuelling control and in this instance no heated oxygen 
sensors will be fitted to the exhaust system.

EMISSION CONTROL - V8

17-2-36 DESCRIPTION AND OPERATION

Failure of the closed loop control of the exhaust emission system may be attributable to one of the failure modes 
indicated below:

l

Mechanical fitting & integrity of the sensor.

l

Sensor open circuit / disconnected.

l

Short circuit to vehicle supply or ground.

l

Lambda ratio outside operating band.

l

Crossed sensors.

l

Contamination from leaded fuel or other sources.

l

Change in sensor characteristic.

l

Harness damage.

l

Air leak into exhaust system (cracked pipe / weld or loose fixings).

System failure will be indicated by the following symptoms:

l

MIL light on (NAS and EU-3 only).

l

Default to open-loop fuelling for the defective cylinder bank.

l

If sensors are crossed, engine will run normally after initial start and then become progressively unstable with 
one bank going to its maximum rich clamp and the other bank going to its maximum lean clamp – the system will 
then revert to open-loop fuelling.

l

High CO reading

l

Strong smell of H

2

S (rotten eggs)

l

Excessive emissions

Fuel Metering
When the engine is cold, additional fuel has to be provided to the air:fuel mixture to assist starting. This supplementary 
fuel enrichment continues until the combustion chamber has heated up sufficiently during the warm-up phase.

Under normal part-throttle operating conditions the fuel mixture is adjusted to provide minimum fuel emissions and 
the air:fuel mixture is held close to the optimum ratio (

λ

 = 1). The engine management system monitors the changing 

engine and environmental conditions and uses the data to determine the exact fuelling requirements necessary to 
maintain the air:fuel ratio close to the optimum value that is needed to ensure effective exhaust emission treatment 
through the three-way catalytic converters.

During full-throttle operation the air:fuel mixture needs to be made rich to provide maximum torque. During 
acceleration, the mixture is enriched by an amount according to engine temperature, engine speed, change in throttle 
position and change in manifold pressure, to provide good acceleration response.

When the vehicle is braking or travelling downhill the fuel supply can be interrupted to reduce fuel consumption and 
eliminate exhaust emissions during this period of operation.

If the vehicle is being used at altitude, a decrease in the air density will be encountered which needs to be 
compensated for to prevent a rich mixture being experienced. Without compensation for altitude, there would be an 
increase in exhaust emissions and problems starting, poor driveability and black smoke from the exhaust pipe. For 
open loop systems, higher fuel consumption may also occur.

Exhaust Emission System Diagnostics
The engine management ECM contains an on-board diagnostics (OBD) system which performs a number of 
diagnostic routines for detecting problems associated with the closed loop emission control system. The diagnostic 
unit monitors ECM commands and system responses and also checks the individual sensor signals for plausibility, 
these include:

l

Lambda ratio outside of operating band

l

Lambda heater diagnostic

l

Lambda period diagnostic

l

Post-catalytic converter lambda adaptation diagnostic (NAS only)

l

Catalyst monitoring diagnostic

Lambda Ratio Outside Operating Band
The system checks to ensure that the system is operating in a defined range around the stoichiometric point. If the 
system determines that the upper or lower limits for the air:fuel ratio are being exceeded, the error is stored as a fault 
code in the ECM diagnostic memory (the MIL light is illuminated on NAS vehicles).

EMISSION CONTROL - V8

DESCRIPTION AND OPERATION 17-2-37

Lambda Heater Diagnostic
The system determines the heater current and supply voltage so that the heater's resistance can be calculated. After 
the engine has been started, the system waits for the heated oxygen sensors to warm up, then calculates the 
resistance from the voltage and current measurements. If the value is found to be outside of the upper or lower 
threshold values, then the fault is processed (the MIL light is illuminated on NAS vehicles).

Lambda Period Diagnostic
The pre-catalytic converter sensors are monitored. As the sensors age, the rich to lean and the lean to rich switching 
delays increase, leading to increased emissions if the lambda control becomes inaccurate. If the switching period 
exceeds a defined limit, the sensor fault is stored in the ECM diagnostic memory (the MIL light is illuminated on NAS 
vehicles).

Post-Catalytic Converter Lambda Adaptation Diagnostic (NAS only)
On NAS vehicles the ageing effects of the pre-catalytic converter sensors are compensated for by an adaptive value 
derived from the post-catalytic converter sensors. This is a long term adaption which only changes slowly. For a rich 
compensation the additive value is added to the rich delay time. For a lean compensation, the adaptive value is added 
to the lean delay time. The adaptive time is monitored against a defined limit, and if the limit is exceeded, the fault is 
stored in the ECM's diagnostic memory and the MIL light is illuminated on the instrument pack.

Catalyst Monitoring Diagnostic
On NAS specification vehicles the catalysts are monitored both individually and simultaneously for emission pollutant 
conversion efficiency. The conversion efficiency of a catalyst is monitored by measuring the oxygen storage, since 
there is a direct relationship between these two factors. The closed loop lambda control fuelling oscillations produce 
pulses of oxygen upstream of the catalyst, as the catalyst efficiency deteriorates its ability to store oxygen is 
decreased. The amplitudes of the signals from the pre-catalytic and post-catalytic converter heated oxygen sensors 
are compared. As the oxygen storage decreases, the post-catalytic converter sensor begins to follow the oscillations 
of the pre-catalytic converter heated oxygen sensors. Under steady state conditions the amplitude ratio is monitored 
in different speed / load sites. There are three monitoring areas, and if the amplitude ratio exceeds a threshold in all 
three areas the catalyst conversion limit is exceeded; the catalyst fault is stored in the diagnostic memory and the MIL 
light is illuminated on the instrument pack. There is a reduced threshold value for both catalysts monitored as a pair. 
In either case, a defective catalyst requires replacement of the downpipe assembly.

In the case of a catalytic converter failure the following failure symptoms may be apparent:

l

MIL light on after 2 driving cycles (NAS market only).

l

High exhaust back pressure if catalyst partly melted.

l

Excessive emissions

l

Strong smell of H

2

S (rotten eggs).

Oxygen sensor voltages can be monitored using TestBook/T4, the approximate output voltage from the heated 
oxygen sensors with a warm engine at idle and with closed loop fuelling active are shown in the table below:

Measurement

Normal catalyst

Defective catalyst

Pre-catalytic heated oxygen sensors

~ 100 to 900 mV switching @ ~ 0.5 

Hz

~ 100 to 900 mV switching @ ~ 0.5 Hz

Post-catalytic heated oxygen sensors

~ 200 to 650 mV, static or slowly 

changing

~ 200 to 850 mV, changing up to same 

frequency as pre-catalytic heated oxygen 

sensors

Amplitude ratio (LH HO

2

 sensors & RH 

HO

2

 sensors)

<0.3 seconds

>0.6 seconds (needs to be approximately 

0.75 seconds for single catalyst fault)

Number of speed/load monitoring areas 
exceeded (LH & RH)

0

>1 (needs to be 3 for fault storage)

EMISSION CONTROL - V8

17-2-38 DESCRIPTION AND OPERATION

Mass Air Flow (MAF) Sensor and Air Temperature Sensor
The engine management ECM uses the mass air flow sensor to measure the mass of air entering the intake and 
interprets the data to determine the precise fuel quantity which needs to be injected to maintain the stoichiometric 
air:fuel ratio for the exhaust catalysts. If the mass air flow sensor fails, lambda control and idle speed control will be 
affected and the emission levels will not be maintained at the optimum level. If the device should fail and the ECM 
detects a fault, it invokes a software backup strategy.
 

 + 

 ENGINE MANAGEMENT SYSTEM - V8, DESCRIPTION AND OPERATION, Description - engine 

management.

The air temperature sensor is used by the engine management ECM to monitor the temperature of the inlet air. If the 
device fails, catalyst monitoring will be affected. The air temperature sensor in integral to the mass air flow sensor.
 

 + 

 ENGINE MANAGEMENT SYSTEM - V8, DESCRIPTION AND OPERATION, Description - engine 

management.

Throttle Position Sensor
If the engine management ECM detects a throttle position sensor failure, it may indicate a blocked or restricted air 
intake filter. Failure symptoms may include:

l

Poor engine running and throttle response

l

Emission control failure

l

No closed loop idle speed control

l

Altitude adaption is incorrect

If a signal failure should occur, a default value is derived using data from the engine load and speed.
 

 + 

 ENGINE MANAGEMENT SYSTEM - V8, DESCRIPTION AND OPERATION, Description - engine 

management.

Atmospheric pressure will vary with altitude and have a resulting influence on the calculations performed by the ECM 
in determining the optimum engine operating conditions to minimise emissions. The following are approximate 
atmospheric pressures for the corresponding altitudes:

l

0.96 bar at sea level

l

0.70 bar at 2,750 m (9,000 ft.)

 

 

 

 

 

 

 

Content   ..  58  59  60  61   ..