badania samochodu z silnikiem jts

P O Z N A N UN I VE RS I T Y O F T E C HN O L O G Y ACA D E MI C J O URN A L S
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 NOX.
Korzyścią takiego rozwiązania jest to, że silnik może bez problemu pracować na
zasiarczonym paliwie (siarka niszczy reaktor katalityczny NOX) [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
Wyniki badań
Dane producenta
Parametry
Moc użyteczna
[kW]
Moment obrotowy
[N∙m]
Miasto
[dm3/100 km]
Zużycie
paliwa
Trasa
wg testu
[dm3/100 km]
NEDC
Średnio
[dm3/100 km]
CO2
[g/km]
Emisja
CO
drogowa
[g/km]
spalin
HC
wg testu
[g/km]
NEDC
NOx
[g/km]
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
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.