EMPLOYMENT OF OBD SYSTEM FOR APPOINTMENT OF ENGINES DYNAMIC CHARACTERISTICS

Transkrypt

1 Journal of KONES Internal Combustion Engines 2005, vol. 12, 3-4 EMPLOYMENT OF OBD SYSTEM FOR APPOINTMENT OF ENGINES DYNAMIC CHARACTERISTICS Lech J. Sitnik Instytut Konstrukcji i Eksploatacji Maszyn Wydziaechaniczny Politechnika Wroc awska ul. Ign. ukasiewicza 7/ Wroc aw tel fax: lech.sitnik@pwr.wroc.pl Abstract Internal combustion engines, and particularly, to them introduce changes, require a complex estimate, equal in investigations and development process like n later exploitation. Estimate of performed change is standard performed in conditions of brake development systems. Specialised institutes execute range of operational research also. However, changes are introduced by not specialized units only, the are properly equipment, but by units about smallest investigative potential also. Therefore is indispensable of elaboration a relatively simple diagnostic method, however, who will allow to evaluate results of introduced changes and modification. In this article are present a concept of utilization in this purpose of OBD system. As match exert be take advantage for this kind of diagnostics is very simple. Method of measurement is simple in application It gives repeatable results in due measure. As seen, that presented method. as diagnostic method, has a big development potential, especially in diagnostic gotten data analysis. ZASTOSOWANIE SYSTEMU OBD DO WYZNACZANIA DYNAMICZNYCH CHARAKTERYSTYK SILNIKA Streszczenie Wspó czesne silniki spalinowe poddawane s licznym modyfikacjom zarówno w trakcie bada rozwojowych jak i w procesie eksploatacji np. poprzez wprowadzanie najró niejszych modyfikacji tuningowych. Ocena dokonywanych zmian jest stosunkowo prosta w warunkach hamownianych. Jednak dost p do hamowni zarówno silnikowych jak i podwoziowych jest znacznie utrudniony. W odpowiednie urz dzenia, poza o rodkami badawczymi wyposa onych jest np. niewiele stacji diagnostycznych. Konieczne jest zatem opracowanie stosunkowo prostej metody, która zezwala aby na wykonywanie prostych testów bez anga owania zaawansowanych technik badawczych. Metoda ta prosta w stosowaniu powinna dawa w miar powtarzalne wyniki. Szans na opracowanie takiej metody daje wykorzystanie systemu OBD do wyznaczania dynamicznych charakterystyk silnika. Problematyce tej po wi cony jest niniejszy artyku. Przedstawiono w nim wyniki prac nad wykorzystaniem OBD do diagnozowani dynamicznych parametrów silnika przy ocenie skuteczno ci elektronicznego tuningu silnika o zap onie samoczynnym. 1. Wst p Wspó czesne silniki spalinowe poddawane s licznym modyfikacjom zarówno w trakcie bada rozwojowych jak i w procesie eksploatacji np. poprzez wprowadzanie najró niejszych modyfikacji tuningowych. Zw aszcza ta ostania dziedzina modyfikacji rozwija si bardzo dynamicznie. Powodów tego stanu rzeczy jest co najmniej kilka, a podstawowy to fakt, e rozwój wspó czesnych silników dokona si g ównie na drodze wprowadzenie elektroniki do sterowania procesami zachodz cymi w silniku. Ingerencja w elektroniczne uk ady 251

2 sterowania jest stosunkowo atwa. Mo na zarówno przekszta ca sygna y otrzymywanie przez jednostk steruj c jak te wysy ane z niej do cz onów wykonawczych. Oczywi cie podstawow metod jest ingerencja w sam jednostk steruj c. Firmy opracowuj ce uk ady steruj ce stosuj co prawda najró niejsze zabezpieczenia przed tak ingerencj jednak do wiadczenia z komputerami osobistymi wiadcz dobitnie o tym, e zabezpieczenia te s z regu y amane i to po do krótkim okresie od ich wprowadzenia. Wprowadzenie systemu diagnostyki pok adowej (OBD) ingerencj t znacznie u atwia gdy umo liwia przedostanie si t drog do jednostki steruj cej. Zmiany tuningowe dokonywane s z regu y po to by zmodyfikowa charakterystyk momentu obrotowego silnika. Wytwórcy silników ograniczaj najcz ciej osi gi silników ze wzgl du na konieczno spe nienia wymaga prawnych zwi zanych z ograniczeniami mocy (tak by osi gi silnika plasowa y si w odpowiedniej klasie podatkowej i/lub by emisje silnika zawarte by y w granicach dopuszczonych normami) lub te by zapewni odpowiedni trwa o i niezawodno silnika. Kupuj cy pojazdy chcieliby z kolei naby pojazd z silnikiem o jak najlepszych parametrach za jak najni sz cen. Ta rozbie no mi dzy wymogami prawa, a oczekiwaniami klientów daje pole do popisu najró niejszym firmom tuningowym. Obiektywnie trzeba stwierdzi, e dzia alno takich firm ma zarówno cechy negatywne jak równie pozytywne. Niew tpliwym negatywem jest fakt, e modyfikacje uk adów sterowania prowadz z regu y do przekraczania granic wyznaczonych w jednostkowych normach emisji toksycznych sk adników spalin. Jednak taka modyfikacja nie wygl da ju tak le je li na skutek jej wprowadzenia maleje eksploatacyjne, skumulowane zu ycie paliwa [1] gdy wówczas istnieje równie prawdopodobie stwo obni enia sumarycznej emisji toksycznych sk adników spalin. Pozytywn stron dzia ania firm tuningowych, zw aszcza tych, które prowadz w asne prace rozwojowe, jest ich wk ad w ogólny rozwój silników. Ocena dokonywanych zmian tuningowych jest stosunkowo prosta w warunkach hamownianych. Jednak dost p do hamowni zarówno silnikowych jak i podwoziowych jest znacznie utrudniony. W odpowiednie urz dzenia, poza o rodkami badawczymi wyposa onych jest np. niewiele stacji diagnostycznych czy stacji obs ugi, a to te ostatnie wdra aj (najcz ciej cudze) rozwi zania do praktyki eksploatacyjnej nie maj c mo liwo ci oceny skuteczno ci dzia ania wprowadzonych modyfikacji. Konieczne jest zatem opracowanie stosunkowo ma o skomplikowanej metody diagnostycznej, która zezwala aby na wykonywanie prostych testów bez anga owania zaawansowanych technik badawczych. Metoda ta, jakkolwiek prosta w stosowaniu, powinna dawa w miar powtarzalne wyniki. Szans na opracowanie takiej metody daje wykorzystanie systemu OBD do wyznaczania dynamicznych charakterystyk silnika. Problematyce tej po wi cony jest niniejszy artyku. Przedstawiono w nim wyniki prac nad wykorzystaniem OBD do diagnozowani dynamicznych parametrów silnika przy ocenie skuteczno ci elektronicznego tuningu silnika o zap onie samoczynnym. 2. Za o enia metody diagnostycznej Za o ono, e odwzorowaniem nieustalonych warunków pracy silnika jest jego rozp dzanie (wzrost pr dko ci k towej) podczas pracy bez obci enia zewn trznego. Wzrost ten wywo ywany jest przez gwa town (skokow ) zmian (wzrost) dawki paliwowej. Nieco innym eksperymentem jest realizacja wybiegu (spadek pr dko ci) uzyskiwanego poprzez skokowe zmniejszanie opisanego wymuszenia. ród em informacji diagnostycznych dla takich eksperymentów jest sygna pr dko ci k towej wa u korbowego (t) lub te pr dko ci obrotowej n(t). Uogólnione równanie ruchu obrotowego wa u korbowego silnika, dla sk adowych 252

3 wolnozmiennych, tj. nie ujmuj ce zjawisk w obr bie jednego obrotu, wynikaj cych np. z modulacji pr dko ci, mo e by wyra one nast puj co: 2 d dj 2 J 2 dt dt gdzie: M i moment obrotowy, M m moment obrotowy strat mechanicznych, M o moment obrotowy u yteczny, J - zredukowany moment bezw adno ci, - pr dko k towa wa u korbowego, - k t obrotu wa u korbowego. W wypadku biegu luzem moment M o =0. i m o, (1) Efekt u redniania pr dko ci k towej prowadzi do eliminacji zmian momentu bezw adno ci silnika tj. dj/dt=0. W konsekwencji powy sza zale no wyra ona mo e by jako: J d 2 2 dt d SW o, (2) gdzie: M d moment wytworzony na skutek spalania dawki paliwa, (opisany w dodatniej cz ci wykresu indykatorowego), M SW =M WT +M m moment sumarycznych strat wewn trznych silnika, M WT moment silnika tracony na wymian adunku. Pocz tkowa pr dko k towa wa u, dla której wprowadzane jest wymuszenie skokowe, jest nieznacznie wi ksza od pr dko ci biegu luzem. Jest to tzw. pr dko aktywizacji. Poprzedni zale no mo na tak e wyrazi nast puj co: d J dt M o, ( ) J. (4) M o Poniewa =M o /J to metoda bezw adno ciowa mo e s u y do wyznaczania charakterystyki u ytecznego momentu obrotowego silnika. d J dt 1 J M SW M SW, (5), (6) M SW. (7) Zale no (5) umo liwia wyznaczenie charakterystyki momentu strat wewn trznych silnika. U podstaw prezentowanej metody le y znajomo charakterystyki n(t). 253

4 3. Przyk ad zastosowania metody diagnostycznej do oceny zmian tuningowych silnika o zap onie samoczynnym Wyznaczania charakterystyk n(t) dokonano przy wykorzystaniu systemu OBD II [2]. W badaniach zastosowano uk ad pomiarowy przedstawiony schematyczne na rys. 1. Do pomiarów u yto testera KTS 520 firmy Bosch. Tester ten wraz z odpowiednio oprogramowanym komputerem pozwala odczyta warto ci sygna u pomiaru pr dko ci obrotowej silnika przesy ane do centralnej jednostki steruj cej (CJS). Dalsza obróbka tego sygna u pozwala na uzyskiwanie danych dotycz cych pr dko ci obrotowej wa u silnika w funkcji czasu, czyli charakterystyki n(t). Charakterystyki te przedstawiane mog by w formie graficznej. Z cze OBD II CJS KTS 520 Bosch Czujnik pr dko ci obrotowej Silnik PC + Program Bosch Rys. 1. Uk ad pomiarowy pr dko ci obrotowej wa u korbowego silnika Fig. 1. Match for measuring of engine crank axis rotary speed Badaniom poddano samochód marki Volkswagen o nast puj cych danych Marka Volkswagen Model Golf IV Rok produkcji 2000 Silnik 1,9 TDI (o zap onie samoczynnym) Pojemno skokowa silnika 1896 cm 3 Stopie spr ania silnika 18 Maksymalna moc silnika 85 kw (przy 66,66 s -1 ) Maksymalny moment obrotowy silnika 298 Nm (przy 30 s -1 ) W badanym poje dzie zmodyfikowano uk ad sterowania silnika, w którym zainstalowano modu tdi-box (Chiptronic Diesel Tunning). 254

5 Po zainstalowaniu tego modu u przeprowadzono pomiar osi gów silnika hamuj c pojazd na hamowni podwoziowej. Uzyskano nieoczekiwanie dobre wyniki, które przedstawiono tu na rys. 2. Moc silnika, kw P, kw 20 M, Nm 0 16,67 26,67 36,67 46,67 56,67 66,67 Pr dko obrotowa wa u silnika, s Moment obrotowy silnika, Nm Rys. 2. Osi gi silnika po tuningu elektronicznym Fig. 2. Performance of engines after electronic tuning Uzyskany wzrost maksymalnej mocy silnika o ok. 15% (przy pr dko ci obrotowej wa u korbowego silnika ok. 50 s -1 ), oraz wzrost momentu obrotowego o ok. 33% (przy pr dko ci obrotowej wa u korbowego silnika ok. 37,65 s-1 ), jest wielce zastanawiaj cy. Dalsze wyniki bada wskazuj jednak, ze nie jest to wynik przypadkowy i je li nawet warto ci bezwzgl dne obarczone s stosunkowo du ym b dem pomiaru to i tak zastosowanie tuningu elektronicznego da o realny wzrost mocy i momentu obrotowego silnika badanego samochodu. Dalsze badania prowadzono bez u ycia hamowni przy ja owym biegu silnika. Dokonywano skokowego zwi kszania dawki paliwa. Silnik rozbiega si i po uzyskaniu maksymalnej pr dko ci obrotowej, wybiega do pr dko ci pocz tkowej, przy której zadawano wymuszenie. Z czujników uk adu sterowania odczytano (stosuj c tester KTS 520) nast puj ce dane: Temperatura cieczy ch odz cej silnika Temperatura powietrza zasilaj cego Temperatura paliwa zasilaj cego Temperatura otoczenia Ci nienie atmosferyczne 95,4 o C 41,4 o C 81,0 o C 18,5 o C 995 hpa Natomiast rys. 3. przedstawia przebiegi pr dko ci obrotowej wa u korbowego silnika przy skokowym zwi kszaniu (i zmniejszaniu) dawki paliwa. 255

6 Pr dko obrotowa wa u korbowego silnika, s Pomiar 1 TDI Pomiar 2 TDI+BOX Pomiar 3 TDI Pomiar 4 TDI+BOX Czas, s Rys. 3. Dynamiczne przebiegi pr dko ci obrotowej wa u korbowego silnika Fig. 3. Dynamic course of engine crank axis rotary speed Podano przyk ady przebiegów skrajnych w ka dej grupie (z oczywistych wzgl dów nie podano tu pe nej analizy statystycznej uzyskanych rezultatów). Jak wida obie grupy przebiegów ró ni si istotnie. Rozrzuty mi dzy przebiegami s wi ksze gdy silnik nie ma zmodyfikowanego uk adu sterowania zasilaniem. Uzyskane rezultaty konweniuj z uzyskanymi w trakcie bada przy wykorzystaniu hamowni podwoziowej. Najbardziej istotne mo e by stwierdzenie, e przy pomocy prostej i atwej w stosowaniu, dynamicznej metody mo liwa jest ocena zarówno zmian wprowadzanych do silnika, jak i, przy dok adniejszym rozpoznaniu metody, równie ocena aktualnego stanu silnika, np. stopnia jego degradacji. 4. Zako czenie Silniki spalinowe, a w szczególno ci wprowadzane w nich zmiany, wymagaj kompleksowej oceny zarówno w procesie badawczo rozwojowym jak i w pó niejszej eksploatacji. Ocena dokonywanych zmian jest dokonywana standardowo w warunkach hamownianych. Specjalistyczne instytuty wykonuj tak e szereg bada eksploatacyjnych. Zmiany wprowadzane s jednak nie tylko przez jednostki wyspecjalizowane, odpowiednio wyposa one, ale równie przez jednostki o mniejszym potencjale badawczym. Konieczne jest zatem opracowanie stosunkowo prostej metody diagnostycznej, pozwalaj cej jednak jednoznacznie ocenia skutki wprowadzonych zmian i modyfikacji. W artykule przedstawiono koncepcj wykorzystania w tym celu systemu OBD. Jak wykazano uk ad aparaturowy wykorzystywany do tego rodzaju diagnostyki jest bardzo prosty. Sama metoda pomiaru jest prosta w stosowaniu i daje w miar powtarzalne wyniki. Wydaje si, e prezentowana metoda, jako metoda diagnostyczna ma du y potencja rozwojowy, zw aszcza w diagnostycznej analizie uzyskiwanych danych. Literatura [1] Sitnik L. J., Skumulowane zu ycie paliwa. Archiwum Motoryzacji No 3/2004 Wydawnictwo Naukowe PTNM, ISSN X. [2] Wilkowski A., Badania porównawcze w warunkach eksploatacyjnych silników spalinowych ze zmodyfikowanymi uk adami zasilania. Praca dyplomowa. Politechnika Wroc awska, Wydziaechaniczny,