Struktura baz danych dla efektywnej oceny wpływu tuningu silnika spalinowego na właściwości trakcyjne pojazdu

Streszczenie

W artykule dokonano przegldu metod tuningu pojazdów samochodowych oraz przeprowadzono badania pojazdu poddanego tuningowi elektronicznemu poprzez monta urzdzenia power box. Wykrelono charakterystyki prdkociowe silnika nie-poddanego modyfikacjom oraz silnika po zamontowaniu urzdzenia power box. Na podstawie charakterystyk prdkociowych wykrelono charakterystyki dynamiczne pojazdu przed i po modyfikacjach. Przeprowadzono analiz porównawcz wyników. Słowa kluczowe: tuning elektroniczny, power box, modyfikacje silnika z zapłonem

samoczynnym, hamownia podwoziowa, charakterystyka dynamiczna

Wprowadzenie

WłaĞciciele pojazdów bardzo czĊsto dąĪą do poprawy osiągów poprzez przeprowadzanie róĪ-nego rodzaju modyfikacji. Zmiany dokonywane w silniku i nadwoziu pojazdu popularnie nazywane są tuningiem. Modyfikacje przeprowadzane na silnikach spalinowych w pojazdach moĪna podzieliü na:

– tuning mechaniczny, – tuning elektroniczny.

Tuningiem mechanicznym okreĞla siĊ modyfikacje silnika, dziĊki którym osiąga siĊ polepsze-nie parametrów technicznych i właĞciwoĞci jezdnych. Modyfikacje układu napĊdowego i paliwowego mają na celu otrzymanie wiĊkszej mocy, wiĊkszego momentu obrotowego, a dziĊki temu osiągniĊcie wiĊkszych przyspieszeĔ i wyĪszej prĊdkoĞci maksymalnej [10]. NajczĊĞciej tuning mechaniczny związany jest z dosyü duĪą ingerencją w konstrukcjĊ silnika lub jego osprzĊt, co zwy-kle wiąĪe siĊ z wysokimi kosztami, jak równieĪ ze zmniejszeniem wytrzymałoĞci i trwałoĞci całej konstrukcji. Osoby, które obawiają siĊ uszkodzeĔ, jakie moĪe wywołaü ingerencja mechaniczna, czĊĞciej wybierają tuning elektroniczny jako bezpieczniejszą oraz taĔszą alternatywĊ dla osiągniĊcia podobnych celów. Tuningiem elektronicznym okreĞla siĊ przeprowadzenie modyfikacji oprogramo-wania sterującego pracą silnika celem osiągniĊcia poprawy osiągów, a czasem równieĪ celem ograniczenia zuĪycia paliwa. Związane jest to z faktem pozostawiania pewnych niewykorzystanych rezerw mocy przez seryjne oprogramowanie silnika tak, by wydłuĪyü jego ĪywotnoĞü oraz sprawiü, by był bardziej odporny na zaniedbania uĪytkownika. W przypadku silników wolnossących prze-prowadzenie tego typu tuningu wiąĪe siĊ z niewielką poprawą parametrów silnika – duĪo lepsze efekty uzyskuje siĊ poddając modyfikacjom elektronicznym jednostki doładowane.

WĞród metod tuningu elektronicznego naleĪy wymieniü: chiptuning oraz montaĪ urządzeĔ po-werbox [3, 5]. W pierwszym przypadku mamy do czynienia z koniecznoĞcią ingerencji w jednostkĊ sterującą pracą silnika [1]. Polega ona na montaĪu specjalnego chipa oraz instalacji specjalnego oprogramowania, które modyfikuje dawki paliwa, ciĞnienie wtrysku, ciĞnienie doładowania itp., co przekłada siĊ bezpoĞrednio na wzrost momentu obrotowego silnika oraz jego mocy. Chiptuning po-winien byü jednak przeprowadzany przez fachowy warsztat, który dysponuje odpowiednią wiedzą

i oprogramowaniem, a nierzadko równieĪ hamownią podwoziową, by moĪliwe było wykonanie nie-zbĊdnych regulacji[4]. Ze wzglĊdu na koniecznoĞü ingerencji w sterownik silnika, chiptuningowi poddawane są najczĊĞciej pojazdy pogwarancyjne [9, 11]. Taka forma tuningu elektronicznego przynieĞü moĪe wzrost mocy maksymalnej silnika o ok. 25–35% [2].

DuĪo prostszą, taĔszą i nieinwazyjną metodą tuningu jest montaĪ urządzeĔ typu powerbox. Rozwiązanie to charakteryzuje siĊ wyjątkową prostotą montaĪu – urządzenie podłączane jest naj-czĊĞciej pomiĊdzy jednostkĊ sterującą a elementy układu wtryskowego. Power box powoduje zmianĊ sygnałów przesyłanych do elementów wykonawczych układu wtryskowego np.zwiĊkszając dawki paliwa, dziĊki czemu uzyskuje siĊ poprawĊ osiągów silnika. Producenci takich urządzeĔ de-klarują przyrost mocy na poziomie 15–20%. Ze wzglĊdu na prostotĊ montaĪu, cenĊ oraz nieinwazyjny charakter, tego typu rozwiązanie stosowane jest najczĊĞciej w pojazdach bĊdących na gwarancji [9].

1. Obiekt badaĔ i metodyka

Badanym pojazdem, w którym zamontowano urządzenie poprawiające osiągi silnika, był sa-mochód osobowy klasy kompaktowej Kia Cee’d wyposaĪony w silnik z zapłonem samoczynnym o pojemnoĞci 1,6 litra. Według danych producenta pojazdu, silnik dysponował maksymalną mocą wynoszącą 66kW przy 4000 obr./min oraz maksymalnym momentem obrotowym wynoszącym 235 Nm w zakresie 1750–2500 obr./min. Pojazd został wyposaĪony w skrzynkĊ przekładniową o piĊciu biegach do jazdy w przód, o nastĊpujących przełoĪeniach: I–3,636; II–1,962; III–1,189; IV–0,844; V–0,660 i przełoĪeniem przekładni głównej wynoszącym 3,941.

Badania pojazdu zostały przeprowadzone na dwuosiowej hamowni podwoziowej MAHA LPS 3000 bĊdącej na wyposaĪeniu Laboratorium BadaĔ Dynamicznych Pojazdów Uniwersytetu War-miĔsko-Mazurskiego. Hamownia MAHA LPS 3000 jest to hamownia podwoziowa z jednostką obliczeniową sterowaną mikroprocesorowo, do graficznej i cyfrowej prezentacji wyników pomia-rów [9]. Oprogramowanie hamowni posiada wiele trybów pracy pozwalających, oprócz badania osiągów silnika pojazdu, na badanie efektywnoĞci układów napĊdowych, jak równieĪ na kontrolĊ wyskalowania prĊdkoĞciomierza pojazdu, czy teĪ dokładnoĞci wskazaĔ licznika kilometrów.

W celu okreĞlenia charakterystyki prĊdkoĞciowej silnika pojazdu wykorzystano tryb pracy „Po-miar mocy”. W tym trybie pracy hamowni podwoziowej podczas badania wyznaczany jest przebieg zmian momentu obrotowego wału korbowego silnika w funkcji jego prĊdkoĞci obrotowej. Na tej podstawie wyznaczany jest przebieg zmian mocy silnika w funkcji prĊdkoĞci obrotowej. Aby do-kładnie okreĞliü moc silnika wyznaczana jest wpierw moc na kołach pojazdu, a podczas próby

Z chwilą przekroczenia przez rolki hamowni prĊdkoĞci 50 km/h rozpoczął siĊ pomiar mocy, podczas którego kierowca znajdujący siĊ w pojeĨdzie miał za zadanie wcisnąü pedał przyspieszenia do mak-symalnego skrajnego połoĪenia. Pomiar mocy na kołach napĊdowych w sposób automatyczny odbywa siĊ ze zmianą prĊdkoĞci obrotowej silnika ze stałym krokiem co 5 rpm. Podczas badania na ekranie monitora wyĞwietlana jest on-line krzywa mocy na kołach. W momencie, gdy krzywa mocy na kołach zakrzywia siĊ do dołu, oznacza to, Īe osiągniĊto wartoĞü maksymalną i dalsze rozpĊdzanie pojazdu nie ma sensu. Kierowca po osiągniĊciu maksymalnej mocy na kołach, wciska pedał sprzĊ-gła, pozostawiając układ napĊdowy z włączonym biegiem w celu zmniejszenia prĊdkoĞci poniĪej wartoĞci 50 km/h. Podczas wytracania prĊdkoĞci obrotowej kół mierzone są siły oporu m.in. w ukła-dzie napĊdowym pojazdu, niezbĊdne do póĨniejszego oszacowania mocy silnika. Po zatrzymaniu kół pojazdu, na ekranie monitora rysowany jest wykres mocy i momentu silnika w funkcji prĊdkoĞci obrotowej. Dodatkowo na monitorze przedstawione są przebiegi mocy na kołach pojazdu i mocy strat, czyli mocy traconej na pokonanie wszelkich oporów podczas badania na hamowni. Po pierw-szej czĊĞci badaĔ pojazd poddano tuningowi polegającemu na montaĪu urządzenia Powerbox. Urządzenie to umoĪliwia wzrost mocy silnika o 15–25% wzglĊdem mocy silnika seryjnego, bez koniecznoĞci przeprowadzania jakichkolwiek modyfikacji mechanicznych pojazdu. MontaĪ urzą-dzenia polega na podłączeniu go do instalacji elektrycznej silnika pojazdu. Urządzenie modyfikuje sygnały przesyłane do jednostki sterującej pracą silnika tak, by uzyskaü zmianĊ sygnałów przesyła-nych z jednostki sterującej do elementów wykonawczych, celem uzyskania poprawy osiągów silnika. Pojazd po zamontowaniu urządzenia Powerbox był kondycjonowany przez kilka dni celem dopasowania i zoptymalizowania parametrów sterujących pracą silnika przez ECU. Po kilkudnio-wym okresie pojazd poddano ponownie badaniom na hamowni podwoziowej. Druga czĊĞü badaĔ, pojazdu po dokonanych modyfikacjach, przebiegała analogicznie jak wczeĞniej.

2. Wyniki badaĔ i dyskusja wyników

Uzyskane wyniki badania pojazdu przed poddaniem go modyfikacjom przedstawiono na ry-sunku 1. Jak moĪna zauwaĪyü, silnik pojazdu uzyskał moc maksymalną 65,7 kW przy 3975 obr./min oraz maksymalny moment obrotowy 221 Nm przy 2065 obr./min. Przy uwzglĊdnieniu parametrów otoczenia i przeliczeniu mocy maksymalnej silnika według normy DIN 70020 uzyskano moc mak-symalną wynoszącą 65,7 kW. Dodatkowo moĪna zaobserwowaü, Īe przebieg zmian momentu obrotowego w funkcji prĊdkoĞci obrotowej wału korbowego silnika utrzymywał siĊ mniej wiĊcej na stałym poziomie w zakresie ok. 2000–2700 obr./min.

Rysunek 1. Przebieg zmian momentu obrotowego i mocy silnika badanego pojazdu w funkcji prdkoci obrotowej wału korbowego silnika

Rysunek 2. Przebieg zmian momentu obrotowego i mocy silnika badanego pojazdu po modyfikacjach w funkcji prdkoci obrotowej wału korbowego silnika ħródło: opracowanie własne.

Jak moĪna zaobserwowaü, maksymalna moc silnika wzrosła zgodnie z załoĪeniami – silnik pojazdu podczas badania uzyskał wynik 75,9 kW przy 4405 obr./min. UwzglĊdniając parametry otoczenia mające wpływ na uzyskane wyniki i po przeliczeniu wartoĞci według normy DIN 70020 uzyskano wartoĞü mocy maksymalnej silnika pojazdu wynoszącą 79,4 kW. Maksymalny moment obrotowy silnika wyniósł 200,5 Nm przy 3290 obr./min. Dodatkowo zauwaĪyü naleĪy, Īe przebieg zmian momentu obrotowego silnika w funkcji jego prĊdkoĞci obrotowej miał przebieg dosyü stromy i dosyü szybko wartoĞü momentu obrotowego zaczĊła spadaü po osiągniĊciu maksimum. Taka cha-rakterystyka przebiegu momentu obrotowego wpływa na znaczne zmniejszenie zakresu uĪytecznych prĊdkoĞci obrotowych silnika i wpływa na pogorszenie osiągów pojazdu w normalnych warunkach eksploatacji. Dodatkowo, chcąc utrzymaü dynamikĊ pojazdu porównywalną z dynamiką pojazdu niemodyfikowanego, naleĪy silnik utrzymywaü w wyĪszych zakresach prĊdkoĞci obroto-wych, co przekłada siĊ na wyĪsze wartoĞci zuĪycia paliwa. Przedstawiony na rysunku 2 przebieg

zmian momentu obrotowego silnika ma wpływ na niekorzystne zmiany dynamiki pojazdu. Uzy-skane charakterystyki prĊdkoĞciowe silnika spalinowego posłuĪyły do opracowania charakterystyk dynamicznych.

Obliczając siłĊ napĊdową na kołach pojazdu naleĪy uwzglĊdniü wszystkie siły oporów, jakim musi siĊ ona przeciwstawiü [6, 7]:

b w p t N

F

F

F

F

F

=

+

+

+

gdzie: FN – siła napĊdowa, Ft – opory drogi, Fp – opory powietrza, Fb – opory

bezwład-noĞci.

Rozwijając poszczególne składniki równania ruchu pojazdu otrzymano:

a

g

G

w

G

v

S

c

G

f

r

i

M

⋅

⋅

η

₌

_⋅

_⋅

_α

₊

_⋅

ρ

_⋅

_⋅

₊

_⋅

₊

_⋅

_δ

_⋅

2

cos

gdzie: Ms – moment obrotowy silnika, ic – przełoĪenie całkowite układu napĊdowego,

m – sprawnoĞü mechaniczna układu przeniesienia napĊdu, rd – promieĔ dynamiczny kół pojazdu, f

– współczynnik oporu toczenia, G – siła ciĊĪkoĞci pojazdu (m g),  – nachylenie wzniesienia, Cx– współczynnik oporu powietrza, ߩ – gĊstoĞü powietrza, S – pole powierzchni czołowej pojazdu,

v – prĊdkoĞü pojazdu, w – współczynnik oporu wzniesienia,  – współczynnik mas wirujących, a – przyspieszenie pojazdu.

Przenosząc wartoĞci, które dla konkretnego pojazdu bĊdą miały zawsze stały wpływ na jedną stronĊ równania i pozostawiając pozostałe wielkoĞci po drugiej stronie uzyskano:

b w t p N

F

F

F

F

F

−

=

+

+

Dla konkretnego pojazdu, po odjĊciu od siły napĊdowej siły oporu powietrza w danych warun-kach, otrzymano nadmiar siły napĊdowej potrzebny na pokonywanie pozostałych sił oporu. Na podstawie wartoĞci tej róĪnicy oblicza siĊ wartoĞü wskaĨnika dynamicznego D:

g

m

F

F

G

F

F

D

⋅

−

=

−

=

Celem wykreĞlenia charakterystyki dynamicznej naleĪy obliczyü wartoĞci wskaĨnika dyna-micznego D dla poszczególnych przełoĪeĔ i przy konkretnych wartoĞciach momentu obrotowego i prĊdkoĞci pojazdu.

Na rysunkach 3 i 4 przedstawiono wykreĞlone charakterystyki dynamiczne badanego pojazdu przed i po przeprowadzeniu opisywanej modyfikacji.

Rysunek 3. Charakterystyka dynamiczna samochodu Kia Cee’d z fabrycznym sterownikiem silnika spalinowego

ħródło: opracowanie własne.

Jak widaü na rysunku 3 przełoĪenia skrzynki przekładniowej pojazdu dobrane są w taki sposób, aby po osiągniĊciu na danym biegu mocy maksymalnej i po zmianie przełoĪenia na wyĪsze, prĊd-koĞü obrotowa wału korbowego silnika znalazła siĊ w zakresie zapewniającym wysoką wartoĞü momentu obrotowego umoĪliwiającą dalsze sprawne przyspieszanie lub pokonywanie dodatkowych oporów ruchu, np. wzniesienie lub holowanie przyczepy czy innego pojazdu.

Rysunek 4. Charakterystyka dynamiczna samochodu Kia Cee’d po zamontowaniu urzdzenia power box

Po przeanalizowaniu charakterystyki dynamicznej na rysunku 4 moĪna zaobserwowaü, Īe zmiana przebiegu wartoĞci momentu obrotowego silnika w funkcji jego prĊdkoĞci wpłynĊła bardzo niekorzystnie na dynamikĊ pojazdu. Maksymalne wartoĞci wskaĨnika dynamicznego D na poszcze-gólnych przełoĪeniach dla pojazdu przed i po tuningu oraz wartoĞci prĊdkoĞci pojazdu odpowiadające tym maksimom zestawiono w tabeli 1.

Tabela 1. Zestawienie maksymalnych wartoci wskanika D oraz prdkoci v przy których te maksimum wystpuje

Bieg Przed modyfikacjami Po modyfikacjach

D v [km/h] D v [km/h] 1 0,594 16,8 0,538 27,0 2 0,326 31,2 0,293 50,1 3 0,199 51,5 0,172 82,7 4 0,136 72,6 0,107 116,5 5 0,099 92,8 0,064 149,0

ħródło: opracowanie własne.

Przy zastosowaniu standardowej skrzyni przekładniowej o fabrycznych (niezmienionych) prze-łoĪeniach, wartoĞci wskaĨnika dynamicznego D osiągniĊte po modyfikacjach uzyskują niĪsze wartoĞci niĪ dla pojazdu seryjnego. Poza tym przebieg zmian wskaĨnika dynamicznego na poszcze-gólnych przełoĪeniach powoduje, iĪ podczas rozpĊdzania pojazdu, po osiągniĊciu mocy maksymalnej na biegu pierwszym i zmianie przełoĪenia na bieg drugi, wartoĞü momentu obroto-wego jest niska i znajduje siĊ na krzywej rosnącej, co sprawia, Īe przy dodatkowych oporach ruchu lub teĪ podczas dynamicznej jazdy moĪna wyraĨnie zaobserwowaü pogorszenie dynamiki pojazdu. Taka charakterystyka w skrajnych przypadkach moĪe powodowaü brak moĪliwoĞci zmiany przeło-Īenia na bieg wyĪszy ze wzglĊdu na zbyt niską wartoĞü momentu obrotowego i brak moĪliwoĞci osiągniĊcia jego maksimum.

3. Podsumowanie

Na przykładzie badanego pojazdu moĪna zauwaĪyü, Īe tuning silnika przy pomocy niedrogich urządzeĔ wpływających na funkcjonowanie sterownika silnika spalinowego (ECU) nie zawsze oznacza poprawĊ osiągów pojazdu. Pomimo, Īe zaobserwowano znaczny wzrost maksymalnej

Bibliografia

[1] Boguta A., Elektroniczna modyfikacja parametrów pracy silnika samochodowego o zapłonie samoczynnym; Motrol, 2011, 13, 21–27.

[2] HetmaĔczyk I., Hepner W., Halicki R., Modyfikacja charakterystyki zewntrznej silnika o zapłonie samoczynnym poprzez zmian parametrów wtrysku paliwa, InĪynieria Rolnicza Agricultural Engineering ISSN 1429-7264; 2013: Z.2(143) T.1, 79–89.

[3] Płocki K., Tuning silnika Diesla; Rolniczy Przegląd Techniczny, wrzesieĔ 2013 nr 9 (175) 76–78.

[4] Vong C., Wong P., Li Y., Prediction of automotive engine power and torque using least squares support vector machines and Bayesian inference, Engineering Applications of Artificial Intelligence 19 (2006) 277–287. [5] http://autokult.pl/11036,modyfikacja-elektroniki-silnika-czyli-jak-latwo-zwiekszyc-moc DostĊp: [2016.05.19]. [6] http://autowiedza.republika.pl/bilans_sil.html DostĊp: [2016.05.19]. [7] http://www.edukator.republika.pl/bps.html DostĊp: [2016.05.19]. [8] http://www.elprosys.com.pl/?page_id=80 DostĊp: [2014.05.19]. [9] http://www.motofakty.pl/artykul/tuning-silnika-w-poszukiwaniu-mocy-poradnik.html DostĊp: [2016.05.19]. [10] https://pl.wikipedia.org/wiki/Tuning_samochod%C3%B3w DostĊp: [2016.05.19] [11] https://www.motointegrator.pl/poradnik/uslugi/chiptuning-chipowe-oprogramowanie-silnika/ DostĊp: [2016.05.19].

STRUCTURE OF DATABASES FOR EFFECTIVE IMPACT INFLUENCE OF TUNING THE ENGINE ON THE VEHICLE TRACTION PROPERTIES

Summary

The article reviews the methods of tuning cars and describes the result of research into the influence of the installed power box on the speed characteristics of the vehicle engine. On the basis of speed characteristics the dynamic characteristics have been determined, both before and after the modifications. Article compares and analyzes received results.

Keywords: electronic tuning, power box, modifications of the diesel engine, dyno chassis, dynamic characteristic.

Bronisław Andrzej Kolator Michał Janulin

Jarosław Gonera Andrzej Olszewski

Katedra Budowy, Eksploatacji Pojazdów i Maszyn Wydział Nauk Technicznych

Uniwersytet WarmiĔsko-Mazurski w Olsztynie e-mail: kolator@uwm.edu.pl

michal.janulin@uwm.edu.pl jaroslaw.gonera@uwm.edu.pl andrzej.olszewski@uwm.edu.pl