POZNAN UNIVE RSITY OF TE CHNOLOGY ACADE MIC JOURNALS No 75 Electrical Engineering 2013 Łukasz PUTZ* Tomasz JARMUDA* BADANIA SAMOCHODU Z SILNIKIEM JTS - SYSTEMEM ELEKTRONICZNEGO STEROWANIA BEZPOŚREDNIM WTRYSKIEM BENZYNY Streszczenie. W artykule zaprezentowano szczegółową analizę systemu bezpośredniego wtrysku benzyny JTS (Jet Thrust Stoichiometric) stosowanego w autach marki Alfa Romeo. W pracy przedstawiono charakterystyczne elementy budowy z opisem ich wpływu na działanie tego typu silnika. Następnie przedstawiono wyniki badań mocy silnika, momentu obrotowego, emisji zanieczyszczeń oraz zużycia paliwa, przeprowadzonych na modelu Alfa Romeo 156 2.0 JTS oraz porównano z wynikami badań odpowiednika o wtrysku pośrednim Alfa Romeo 156 2.0 TS. 1. WSTĘP Pierwszym silnikiem z systemem bezpośredniego wtrysku benzyny zaprojektowanym oraz produkowanym przez włoski koncern samochodowy Fiat była jednostka 2.0 JTS. Omawiany silnik oferowany był od 2002 jako jedna z opcji napędu w produkowanej seryjnie Alfie Romeo 156. Głównym sygnałem decydującym o trybie pracy silnika 2.0 JTS jest prędkość obrotowa wału korbowego. Do 1500 obr/min spalana jest mieszanka uwarstwiona, zaś powyżej praca odbywa się na mieszance stechiometrycznej. Niski przedział prędkości obrotowej dla mieszanki ubogiej powoduje, że nie jest wydzielana duża ilość tlenków azotu. Nie ma więc potrzeby stosowania zasobnikowego reaktora katalitycznego NO X. Korzyścią takiego rozwiązania jest to, że silnik może bez problemu pracować na zasiarczonym paliwie (siarka niszczy reaktor katalityczny NO X ) [2]. 2. CECHY CHARAKTERSTYCZNE SILNIKA 2.0 JTS W silnikach JTS wnętrze komory spalania oraz wtryskiwacze są tak skonstruowane, że paliwo wtryskiwane pod dużym ciśnieniem (około 10 MPa) dostaje się w pobliże świecy zapłonowej i tam miesza się z powietrzem. W efekcie w jednostkach JTS uzyskuje się dość niski stopień uwarstwienia o współczynniku * Politechnika Poznańska.
232 Łukasz Putz, Tomasz Jarmuda λ 2. W konsekwencji oszczędność paliwa jest mniejsza, ale za to cała budowa silnika jest mniej skomplikowana. Denko tłoka jest wypukłe i posiada cztery wyfrezowania, które zapobiegają stykaniu się korony tłoka z grzybkami zaworów (rys. 1) [1]. Układ zasilania w paliwo ma tradycyjną konstrukcję systemów bezpośredniego wtrysku benzyny składa się obwodów niskiego oraz wysokiego ciśnienia. W części niskociśnieniowej utrzymywane jest 0,45 MPa. Część wysokociśnieniowa pracuje w zakresie 5 10 MPa, zależnie od obciążenia silnika. Maksymalne dopuszczalne ciśnienie (w przypadku zablokowania regulatora ciśnienia) wynosi 12 MPa. Gdy silnik przestaje pracować ciśnienie zaczyna stopniowo spadać, aż do zrównania się z obwodem niskiego ciśnienia. Podczas rozruchu zimnego silnika w kolektorze paliwa ciśnienie wynosi 0,45 MPa i szybko wzrasta na biegu jałowym do 5 MPa [2, 5]. Rys. 1. Ukształtowanie denka tłoka [5] Do kontroli pracy silnika JTS zastosowano zintegrowany sterownik zapłonowo-wtryskowy firmy Bosch serii Motronic MED 7.1.1. Głównymi zadaniami sterownika są: a) wyznaczenie dawki paliwa dostarczanej do komory spalania i momentu jej wtrysku, b) kontrolowanie momentu zapłonu, c) sterowanie przepływem powietrza za pomocą elektronicznej przepustnicy. Oprócz powyższych zadań sterownik ma zaprogramowanych kilkadziesiąt funkcji kontrolnych, diagnostycznych, regulacyjnych oraz zabezpieczających. Schemat przepływu informacji przez złącze sterownika pokazano na rys. 2 [4, 5].
Badania samochodu z silnikiem JTS systemem elektronicznego sterowania 233 Rys. 2. Przepływ informacji przez sterownik MED 7.1.1 [5]: 1 - pompa paliwa, 2 - klimatyzacja, 3 - wentylator chłodnicy, 4 - sondy lambda, 5 - czujnik ciśnienia, 6 pedał hamulca i sprzęgła, 7 - czujnik fazy, 8 - prędkościomierz, 9 - sondy lambda, 10 - czujnik temperatury, 11 - czujnik podciśnienia, 12 - czujnik spalania stukowego, 13 - czujnik prędkości obrotowej, 14 - czujnik pedału przyspieszenia, 15 - przepływomierz powietrza, 16 - napięcie akumulatora, 17 zespół przepustnicy, 18 - magistrala CAN, 19 - złącze immobilizera, 20 złącze EOBD, 21 - recyrkulacja par paliwa, 22 cewki zapłonowe, 23 - lampka sygnalizacyjna, 24 - obrotomierz, 25 - wtryskiwacze, 26 - regulacja długości przewodów dolotowych, 27 - regulator faz rozrządu 3. ZAKRES BADAŃ SILNIKA 2.0 JTS W celu sprawdzenia wydajności silnika 2.0 JTS zostały na nim wykonane badania w zakresie mocy użytkowej, momentu obrotowego, emisji zanieczyszczeń oraz zużycia paliwa. Jednocześnie dla uzyskania obiektywnego porównania przebadano także silnik pośredniego wtrysku benzyny 2.0 TS. Obydwa omawiane silniki były zamontowane w modelu Alfa Romeo 156 o nadwoziu typu sedan. Wszystkie badania przeprowadzone zostały zgodnie z Europejską Dyrektywą 98/69/WE, na hamowni podwoziowej [3]. 4. TEST JEZDNY NEDC Pierwszą część przeprowadzanych badań stanowił test jezdny NEDC. Pozwolił on wyznaczyć ilość emitowanych zanieczyszczeń oraz zużycie paliwa (tabela 1). Test NEDC jest symulacją jazdy samochodem w mieście i poza miastem. Przed testem badany pojazd nie powinien pracować przez przynajmniej 6 h. Po uruchomieniu pojazdu test się natychmiast rozpoczyna i włączane są urządzenia pomiarowe.
234 Łukasz Putz, Tomasz Jarmuda Pierwszą częścią testy nazywaną UDC (Urban Driving Cycle) jest symulacja jazdy po mieście. Stanowią ją 4 identyczne cykle, trwające po 195 s i przeprowadzane bez przerwy czasowej między nimi. Omawiana część badania charakteryzuje się częstymi przyspieszeniami, hamowaniami oraz postojami. Łącznie samochód pokonuje nieco ponad 4 km w 780 s, a maksymalna prędkość wynosi 50 km/h. Zaraz po cyklu miejskim przeprowadzana jest część pozamiejska zwana EUDC (Extra Urban Drive Cycle). Tutaj już maksymalna prędkość pojazdu wynosi 120 km/h. Pokonywany jest dystans blisko 7 km, w czasie 400 s. Łącznie w całym teście NEDC, który trwa blisko 20 minut, przejechane zostaje 11,007 km. W czasie trwania testu, odpowiednio przygotowane spaliny, pobierane były do tzw. worka pomiarowego. Przygotowanie spalin polegało na schłodzeniu i wymieszaniu ich z pewną ilością powietrza oraz uzyskaniu odpowiedniego ciśnienia i temperatury. Analizatory spalin (CO2, CO, HC i NOx) dokonywały co sekundę pomiarów chwilowych toksyczności spalin zawartych w worku pomiarowym i zapisywały je jako wartości zmodulowane odpowiednio do obciążenia silnika. Ostatecznie wartości chwilowe pomiarów zostały zsumowane, dając pełny wynik pomiaru w teście NEDC [3]. Tabela 1. Zestawienie wyników przeprowadzonych testów Zużycie paliwa wg testu NEDC Parametry Moc użyteczna [kw] Moment obrotowy [N m] Miasto [dm 3 /100 km] Trasa [dm 3 /100 km] Średnio [dm 3 /100 km] Wyniki badań Dane producenta 2.0 JTS 2.0 TS 2.0 JTS 2.0 TS 125 (6200) 207 (3300) 113 (6200) 184 (3750) 122 (6400) 206 (3250) 110 (6300) 181 (3800) 11,8 11,5 12,2 12,3 7,0 7,4 6,6 6,6 8,5 8,6 8,6 8,7 Emisja drogowa spalin wg testu NEDC CO 2 CO HC NO x 200 205 206 207 0,330 0,679 < 2,3 < 2,3 0,193 0,206 < 0,2 < 0,2 0,141 0,089 < 0,15 < 0,15
Badania samochodu z silnikiem JTS systemem elektronicznego sterowania 235 5. CHARAKTERYSTYKI PRĘDKOŚCIOWE SILNIKA 2.0 JTS Drugą część badań stanowiło wyznaczenie charakterystyk prędkościowych silników o wtrysku bezpośrednim (rys. 3) oraz pośrednim (rys. 4) wraz z wyznaczeniem maksymalnej mocy użytecznej i maksymalnego momentu obrotowego. Charakterystyki zostały wyznaczone zgodnie z Dyrektywą 98/69/WE. Rys. 3. Charakterystyka prędkościowa silnika Alfa Romeo 156 2.0 JTS [6] Rys. 4. Charakterystyka prędkościowa silnika Alfa Romeo 156 2.0 TS [6] Przed pomiarem w pojeździe rozgrzano silnik. Następnie wprowadzono go na rolki pomiarowe hamowni i odpowiednio zabezpieczono. Dalsze przygotowanie do pomiaru polegało na wyznaczeniu przekładni skrzyni biegów oraz przekładni głównej biegu, na którym wykonywany był pomiar (w tym przypadku biegu czwartego). Następnie sprawdzany był promień dynamiczny kół samochodu. Wyznaczone dane zostały wprowadzone do programu hamowni podwoziowej i pomiary można było rozpocząć.
236 Łukasz Putz, Tomasz Jarmuda Pojazd został rozpędzony do maksymalnej prędkości obrotowej. W tym momencie została pomierzona moc użyteczna i moment obrotowy przekazany na koła samochodu. Następnie rozłączone zostało sprzęgło i samochód swobodnie zaczął wytracać prędkość, aż do całkowitego zatrzymania. W tym czasie zmierzono moc użyteczną i moment strat układu napędowego. Ostatecznie osiągi samego silnika są sumą wcześniej zmierzonych wielkości. Cały pomiar trwał dość krótko, około 1 minuty rozpędzania oraz około 5 min. swobodnego toczenia, aż do zatrzymania pojazdu [3]. 6. ANALIZA OSIĄGÓW SILNIKA 2.0 JTS Przeprowadzone testy pozwalają dokonać analizy na dwa różne sposoby. Po pierwsze można porównać wyniki z danymi producenta. W tym wypadku wyraźnie widać podobieństwo (tabela 1). Charakterystyki mocy użytkowej i momentu obrotowego silnika w zależności od prędkości obrotowej wyznaczone na hamowni podwoziowej odzwierciedlają wykresy publikowane przez koncern Fiata. Niewielkie różnice między wynikami badań, a danymi producenta należy wytłumaczyć przede wszystkim niejednakowym stanowiskiem pomiarowym oraz tym, że badane samochody miały już pewien niezerowy przebieg (około 200 tys. km) zużycie lub starzenie się materiałów [6]. W drugim przypadku dokonano porównania dwóch rodzajów silników: o bezpośrednim oraz pośrednim wtrysku benzyny. Z analizy wyraźnie wynika, że silnik o pośrednim wtrysku benzyny ustępuje parametrami silnikowi o wtrysku bezpośrednim. Moc użyteczna oraz moment obrotowy są znacznie większe dla silnika 2.0 JTS. Zużycie paliwa nieznacznie odbiega od danych producenta. Jednak jak podaje producent, oba silniki, zarówno o wtrysku bezpośrednim jak i pośrednim wykazują zbliżone zużycie paliwa. Mimo jednakowego poboru energii z paliwa, lepszą sprawność uzyskuje silnik 2.0 JTS, przekazując ostatecznie na koła pojazdu większą moc. Emisja zanieczyszczeń w przypadku tlenków azotu jest mniejsza dla silnika o wtrysku pośrednim. Emisja węglowodorów i dwutlenku węgla są porównywalne dla obu silników. Natomiast na uwagę zasługuje dwukrotne zmniejszenie emisji tlenku węgla w silniku o wtrysku bezpośrednim (2.0 JTS) w porównaniu do silnika o wtrysku pośrednim (2.0 TS) [6]. 7. PODSUMOWANIE Analiza otrzymanych charakterystyk mocy użytecznej i momentu obrotowego prowadzi do jednoznacznego stwierdzenia, że korzystniejsze charakterystyki uzyskuje silnik z systemem bezpośredniego wtrysku benzyny. Samochody
Badania samochodu z silnikiem JTS systemem elektronicznego sterowania 237 wyposażone w tego typu silniki, charakteryzują się zwiększoną dynamiką i elastycznością, pozytywnie wpływając na komfort jazdy. Przeprowadzone badania i ich analiza porównawcza wykazała wyższość systemów bezpośredniego wtrysku benzyny nad układami wtrysku pośredniego. Niniejsza praca dowiodła, że możliwe jest uzyskanie większej mocy użytecznej i momentu obrotowego silnika, przy względnie mniejszym zużyciu paliwa oraz przy mniejszej emisji tlenku węgla do atmosfery. Silniki z bezpośrednim wtryskiem benzyny stają się obecnie coraz bardziej popularne. Coraz więcej koncernów samochodowych zaczyna stosować tego typu silniki w swoich pojazdach. Przedstawione zalety systemów bezpośredniego wtrysku benzyny wskazują, że mogą one zastąpić układy wtrysku pośredniego i stać się poważnym konkurentem dla silników o zapłonie samoczynnym, pod względem zużycia paliwa i emisji spalin [6]. LITERATURA [1] Auto Moto Serwis (3/2007). Magazyn motoryzacyjny. [2] Bosch Team: Informatory techniczne Bosch. Sterowanie silników ZI. Zasada działania. Podzespoły. WKiŁ, Warszawa 2008. [3] Dyrektywa 98/69/WE Parlamentu Europejskiego i Rady z dnia 13 października 1998 r. [4] Herner A., Riehl H.J.: Elektrotechnika i elektronika w pojazdach samochodowych. WKiŁ, Warszawa 2002. [5] Materiały szkoleniowe firmy Alfa Romeo: Budowa i działanie silnika 2.0 JTS. [6] Putz Ł.: Praca dyplomowa magisterska. Samochodowe systemy bezpośredniego wtrysku benzyny. Politechnika Poznańska, Poznań 2009. VEHICLE RESEARCH WITH JTS ENGINE ELECTRONIC CONTROL SYSTEM OF GASLIN DIRECT INJECTION The paper presents a detailed analysis of the system of gasoline direct injection JTS (Jet Thrust Stoichiometric) used in Alfa Romeo cars. The article presents the characteristic elements of the construction of a description of their impact on the operation of this type of engines. Then presents the results of engine power, torque, emissions and fuel consumption, carried out on the Alfa Romeo 156 2.0 JTS, and compared with the results of the indirect injection counterpart to Alfa Romeo 156 2.0 TS.