Diagnostyka

Mówimy potocznie, że silnik napędza samochód. Dokładniej – jest on „źródłem” momentu obrotowego, dzięki któremu uzyskujemy na kołach napędzanych siłę napędową, niezbędną do pokonywania sił oporu towarzyszących jeździe ze stałą prędkością, przyspieszaniu, jeździe pod górę i ciągnięciu przyczepy.

Wartość siły napędowej zależy od:
- wartości momentu obrotowego, z którą pracuje silnik,
- wartości aktualnie włączonego przełożenia w skrzyni biegów,
- wartości przełożenia przekładni głównej,
- odległości osi obrotu koła od powierzchni drogi, czyli tzw. promienia dynamicznego koła (wyjaśnię to później).

Aby takie parametry samochodu, jak prędkość maksymalna, przyspieszenia, zdolność do pokonywania wzniesień i siła uciągu przyczepy były zgodne z oczekiwaniami, siła napędowa uzyskiwana na kołach napędowych pojazdu musi być równa sumie sił oporów ruchu. Dlatego punktem wyjściowym do przeprowadzania przeróbek silnika jest wiedza o siłach oporu towarzyszących ruchowi samochodu, ich pochodzeniu oraz o czynnikach decydujących o wartości tych sił.

Siły oporu ruchu samochodu
Zależnie od sposobu ruchu samochodu występują dwie lub więcej z poniżej omówionych sił oporu.
Siła oporu toczenia Ft. Występuje zawsze, gdy samochód się porusza. Jej wartość jest praktycznie stała i nie zależy od prędkości jazdy samochodu (rys. 1). Siła oporu toczenia, działająca na każde z kół, to suma sił: powstałych wskutek odkształcenia opony i nawierzchni, tarcia w łożyskach koła, oporu powietrza stawianego obracającemu się kołu oraz oporu wynikającego z ustawienia koła pojazdu (np. opór zależny od wartości zbieżności koła).
Siła oporu powietrza Fp. Występuje zawsze, gdy samochód się porusza. Jej wartość można przedstawić wzorem (1):
                              ρ
Fp = A × cx × Vnp ×
                              2
gdzie:
Fp – siła oporu powietrza [kN],
A – pole powierzchni czołowej pojazdu [m2],
cx – współczynnik oporu aerodynamicznego – bezwymiarowy,
Vnp – prędkość napływu powietrza na samochód, która przy bezwietrznej pogodzie równa się prędkości ruchu samochodu [m/s],
ρ – gęstość powietrza [kg/m3].

Najistotniejsze jest to, że wartość siły oporu powietrza zależy głównie od prędkości jazdy podniesionej do kwadratu, dlatego im szybciej jedziemy, tym siła ta jest większa (rys. 1). Przy dwukrotnym wzroście prędkości jazdy siła oporu powietrza rośnie czterokrotnie!
Z punktu widzenia tuningu interesujący jest współczynnik oporu aerodynamicznego cx, który można troszkę obniżyć, porządkując opływ powietrza wokół samochodu, np. pod nim.

Siła oporu wzniesienia Fw. Jeśli samochód stoi na drodze pochyłej, to występuje siła wynikająca z rozkładu siły ciężkości samochodu, która chce, by samochód zjechał ze wzniesienia. Gdy samochód wjeżdża na wzniesienie, siła ta musi być zrównoważona, aby wjazd ten był możliwy. Wartość siły oporu wzniesienia Fw nie zależy od prędkości jazdy. Natomiast im większy jest kąt nachylenia wzniesienia i ciężar samochodu, tym siła oporu wzniesienia jest większa.

Siła oporu bezwładności Fb. Gdy samochód przyspiesza, pojawia się siła bezwładności, która przeciwdziała zmianie prędkości samochodu. Wartość siły oporu bezwładności można obliczyć ze wzoru (2) znanego ze szkoły:

Fb = m × a

gdzie:
Fb    – siła oporu bezwładności [kN],
m    – masa samochodu [kg],
a    – przyspieszenie [m/s2].

Im większe jest przyspieszenie lub im większa jest masa pojazdu, tym siła oporu bezwładności jest większa.

Siła napędowa a siły oporu ruchu samochodu
W każdej chwili ruchu samochodu siła napędowa Fn musi równoważyć sumę sił oporów. O tym, jakie w danym momencie siły oporów występują, decyduje sposób poruszania się samochodu.
Gdy droga jest płaska, a samochód porusza się ze stałą prędkością (rys. 2a), występują tylko siły oporu: powietrza Fp i toczenia Ft. Jeśli podjeżdża pod wzniesienie ze stałą prędkością (rys. 2b), to siła napędowa musi dodatkowo równoważyć siłę oporu wzniesienia Fw. Jeśli natomiast na płaskiej drodze prędkość samochodu rośnie (rys. 2c), to oprócz sił oporu: powietrza Fp i toczenia Ft, siła napędowa musi zrównoważyć jeszcze siłę oporu bezwładności Fb, która występuje tylko podczas przyspieszania.

Która z sił oporu jest najważniejsza?
Na tak postawione pytanie można odpowiedzieć, że to zależy od sposobu jazdy, co ilustruje rys. 3. Wartość wykorzystywanej siły napędowej zależy od całkowitego oporu ruchu samochodu, na który składają się różne rodzaje sił oporu w różnych wzajemnych proporcjach.
W warunkach ruchu miejskiego (słupek A – cykl miejski, wykorzystywany w badaniach homologacyjnych samochodu) największy udział mają opory toczenia i bezwładności, łącznie 87,5%. Udział oporów powietrza jest niewielki, bo prędkości ruchu są niewielkie (średnia prędkość samochodu w homologacyjnym cyklu miejskim wynosi 18,7 km/h).
Natomiast gdy samochód porusza się z większą, ale stałą prędkością 90 km/h (słupek B), decydujący udział ma opór powietrza, który jeszcze wzrasta, gdy wzrasta prędkość jazdy np. do 120 km/h (słupek C). Przy jeździe ze stałą prędkością nie występuje siła oporu bezwładności (słupki B i C), ponieważ samochód nie przyspiesza.
Tak więc w warunkach ruchu miejskiego o zużyciu paliwa decydują opory toczenia i bezwładności, a podczas jazdy ze stałą prędkością decydująca jest siła oporu powietrza.

Moment obrotowy silnika a siła napędowa na kole
Wartość momentu obrotowego uzyskiwana na wale korbowym silnika jest powiększana (multiplikowana) przez aktualnie włączone przełożenie skrzyni biegów (z wyjątkiem nadbiegu, który tę wartość obniża) i przełożenie przekładni głównej. Ta powiększona wartość momentu obrotowego jest doprowadzana do kół napędowych i jest nazywana momentem napędowym Mn. Od wartości momentu napędowego zależy wartość siły napędowej uzyskiwanej na kołach napędowych samochodu. Można ją obliczyć ze wzoru (3) (rys. 4):
      Mn
Fn =
       rd

gdzie:
Fn – siła napędowa – przy dwóch kołach napędowych każde z nich przenosi połowę obliczonej wartości siły napędowej [kN],
Mn – moment napędowy [Nm],
rd – promień dynamiczny koła [m].

Promień dynamiczny koła rd to odległość osi obrotu koła od powierzchni drogi. Siła dociskająca koło do drogi powoduje ugięcie opony, dlatego promień dynamiczny koła rd jest mniejszy od promienia koła mierzonego w miejscu, w którym nie styka się ono z drogą.
Wniosek ze wzoru jest następujący: od wartości promienia dynamicznego koła rd, czyli głównie od średnicy zewnętrznej koła, zależy wartość siły napędowej Fn.

Promień dynamiczny koła rd a prędkość pojazdu V i siła napędowa Fn
Koło, wykonując jeden obrót, przebywa określoną drogę (rys. 5a). Jej długość zależy od promienia dynamicznego koła rd, a więc głównie od średnicy koła napędowego. Prędkość, z którą będzie jechał samochód, można obliczyć ze wzoru (4):

     P × rd × nkn
V =
    30

gdzie:
P – liczba „Pi”, równa ok. 3,14,
V – prędkość ruchu samochodu [m/s],
rd – promień dynamiczny koła [m],
nkn – prędkość obrotowa koła napędowego [obr./min].

Zmiana średnicy koła napędowego, a więc promienia dynamicznego koła rd, powoduje zgodnie z wzorem (3) również zmianę wartości siły napędowej Fn, uzyskiwanej na kołach napędowych samochodu. Zmiany wartości prędkości pojazdu i siły napędowej przy zmianie średnicy koła napędowego, np. względem średnicy koła przewidzianej przez producenta pojazdu (rys. 5a), są opisane poniżej.

Zmniejszenie średnicy koła napędowego względem średnicy przewidzianej przez producenta pojazdu (rys. 5b). Przy stałych wartościach: prędkości obrotowej n koła napędowego i doprowadzonego momentu obrotowego Mn, zmniejszy się prędkość samochodu V oraz wzrośnie wartość siły napędowej Fn. Ze względu na obniżoną prędkość pojazdu, a więc mniejsze opory ruchu przy jeździe ze stałą prędkością, zwiększona wartość siły napędowej nie jest potrzebna.
Większa wartość siły napędowej uzyskiwana na kołach napędowych samochodu może być wykorzystana podczas przyspieszania, gdy pojawi się siła oporu bezwładności – zwiększą się przyspieszenia pojazdu.
Aby po zmniejszeniu średnicy kół napędowych uzyskać tę samą prędkości jazdy, silnik musi pracować z większą prędkością obrotową, ale z niższą wartością oddawanego momentu obrotowego. Obniży się więc prędkość maksymalna pojazdu, bo jest ona ograniczona maksymalną prędkością obrotową silnika, szczególnie gdy sterownik silnika ma funkcje ogranicznika maksymalnej prędkości obrotowej silnika.

Zwiększenie średnicy koła napędowego względem średnicy przewidzianej przez producenta pojazdu (rys. 5c). Przy stałej wartości prędkości obrotowej n koła napędowego powinna zwiększyć się prędkość samochodu V, ale to nie nastąpi, bowiem przy stałej wartości doprowadzonego momentu obrotowego Mn wzrost promienia dynamicznego koła rd spowoduje obniżenie się wartości siły napędowej Fn. Nie będzie więc w stanie pokonać większych oporów ruchu związanych ze wzrostem prędkości jazdy.
Aby po zwiększeniu średnicy kół uzyskiwać takie same prędkości jazdy, silnik musi pracować z mniejszą prędkością obrotową, ale z wyższą wartością oddawanego momentu obrotowego.
Wzrost średnicy kół napędzanych spowoduje pogorszenie przyspieszeń pojazdu, ale może wzrosnąć prędkość maksymalna pojazdu, jeśli przy niższej prędkości obrotowej silnika osiągana przez niego wartość momentu obrotowego pozwoli na pokonanie zwiększonych oporów ruchu samochodu.

Warunki konieczne, by samochód jechał z określoną prędkością
Uwzględniając omówione zależności, można sformułować następującą zasadę. Aby samochód jechał z określoną prędkością V przy włączonym określonym przełożeniu skrzyni biegów, muszą być jednocześnie spełnione dwa warunki:
1) prędkość obrotowa silnika n musi zapewnić kołom napędowym taką prędkość obrotową nkn, która umożliwi jazdę samochodu z prędkością V (patrz wzór nr 4);
2) wartość momentu obrotowego Mo silnika, którą osiąga silnik obracający się z prędkością obrotową n, musi zapewnić uzyskanie na kołach napędowych siły napędowej Fn, która będzie równoważyła sumę występujących w danej chwili sił oporów ruchu samochodu poruszającego się z prędkością V.

Tak więc wartości: prędkości obrotowej i momentu obrotowego silnika, z którymi pracuje silnik, są ze sobą wzajemnie powiązane.

Moment obrotowy czy moc?
W dotychczasowej części artykułu mówiłem głównie o sile napędowej na kołach napędowych, której wartość zależy w pierwszym rzędzie od wartości momentu obrotowego silnika. Dlaczego nie mówimy jednak o mocy silnika, która dla wielu wydaje się być najważniejsza?
Siła napędowa ma za zadanie zrównoważenie sił oporów ruchu. Od jej wartości zależy, czy samochód będzie w stanie uzyskać określoną prędkość, podjechać pod górę lub odpowiednio przyspieszyć (rys. 2).
Moc to informacja o „ilości” pracy wykonanej w jednostce czasu. Siła napędowa, przemieszczając samochód na określonym odcinku drogi, wykonuje pracę. Czas pokonania tego odcinka drogi wynika z prędkości jazdy samochodu. Moc potrzebną do napędu samochodu można obliczyć ze wzoru (5):

Nn = Fn × V

gdzie:
Nn – moc potrzebna do napędu samochodu [kW],
Fn – siła napędowa [kN],
V – prędkość samochodu [m/s].

Przy określonych wartościach: przełożenia w skrzyni biegów, przełożenia przekładni głównej oraz średnicy kół napędowych:
- wartość siły napędowej Fn określa wymaganą wartość momentu obrotowego silnika Mo,
- prędkość pojazdu V określa wymaganą prędkość obrotową silnika n.

Tak więc to wartości momentu obrotowego i prędkości obrotowej silnika, przy której ten moment obrotowy jest osiągany, są dla nas podstawowymi parametrami. Natomiast moc, z którą pracuje silnik, oblicza się ze wzoru (6):

      P × n × Mo
Ne =
     30000

gdzie:
P – liczba „Pi”, równa ok. 3,14,
Ne – moc, z którą pracuje silnik [kW],
n – prędkość obrotowa silnika [obr./min],
Mo – moment obrotowy silnika [Nm].

Moc obliczona z powyższego wzoru, po odjęciu strat w układzie przeniesienia napędu, jest równa mocy Nn, potrzebnej do napędu samochodu (patrz wzór nr 5).

Charakterystyki silnika
Najczęściej i często jedyną dostępną jest tzw. charakterystyka „zewnętrzna” silnika (rys. 6), zwana również prędkościową. Zawiera ona informacje o wartości momentu obrotowego Mo i mocy silnika Ne osiąganej przy różnych wartościach prędkości obrotowych silnika i przy pełnym otwarciu przepustnicy. Kierowca „korzysta” z tej charakterystyki silnika tylko wtedy, gdy jedzie z całkowicie naciśniętym pedałem gazu.
Ważniejszy jest przebieg krzywej momentu obrotowego Mo, bowiem na jego podstawie można wnioskować o możliwościach pokonywania sił oporów ruchu. Na hamowniach silnikowych, podczas badań silnika, mierzony jest właśnie moment obrotowy, a nie moc. Dopiero po zakończeniu pomiarów, na podstawie zmierzonych wartości momentu obrotowego i prędkości obrotowych, przy których wartości te zostały zmierzone, oblicza i wykreśla się charakterystykę mocy silnika.
Podawane w danych technicznych samochodów tylko maksymalne wartości momentu obrotowego Momax i mocy silnika
Nemax oraz prędkości obrotowe, przy których wartości te są osiągane, odpowiednio nmo i nne (rys. 6) mało mówią. Jeśli silnik osiąga wysoką wartość momentu obrotowego, ale tylko w bardzo wąskim zakresie prędkości obrotowych, to jest ona tylko wtedy do „dyspozycji”, gdy prędkość obrotowa jest w tym wąskim zakresie prędkości obrotowych. A co przy innych prędkościach obrotowych?
Więcej informacji dostarcza tzw. charakterystyka „mocy dławionych”, zwana również charakterystyką „obciążeń częściowych”. Jest ona podobna do charakterystyki zewnętrznej silnika, ale zawiera rodzinę charakterystyk informujących o wartościach momentu obrotowego Mo i mocy silnika Ne, dla różnych wartości prędkości obrotowych silnika i różnych kątów otwarcia przepustnicy (dla silników ZI – rys. 7) lub wielkości dawki paliwa (dla silników ZS).
W warunkach normalnego ruchu drogowego pedał gazu jest naciskany przeważnie tylko częściowo, a więc silnik pracuje głównie w zakresie obciążeń częściowych, a nie maksymalnych, dlatego o możliwościach silnika wykorzystywanego w takich warunkach eksploatacji więcej informuje charakterystyka „mocy dławionych”.

Tuning silnika – co to jest?
Technika jest sztuką kompromisu. Przeważnie nigdy nie można uzyskać najbardziej korzystnych wartości wszystkich parametrów charakteryzujących pracę silnika. Ponadto wymagania stawiane silnikowi często wzajemnie się wykluczają. Produkowany silnik musi przykładowo:
- odpowiadać obowiązującym przepisom prawnym, np. w zakresie toksyczności spalin, głośności,
- mieć akceptowalne przez użytkowników osiągi i zużycie paliwa w różnych warunkach ruchu, temperaturach otoczenia itp.,
- posiadać wymaganą trwałość.

Ponadto koszty produkcji silnika muszą być do zaakceptowania przez producenta. Konstruktor silnika ma więc ograniczenia przy projektowaniu silnika.
Innym, bardziej liberalnym kryteriom oceny podlegają silniki już eksploatowane w samochodach. Dotyczy to szczególnie norm toksyczności i głośności. Możliwe są więc przeróbki silnika w celu uzyskania korzystniejszych wartości tych parametrów, które dla indywidualnego użytkownika samochodu są ważniejsze. To określiłbym jako tuning silnika. Należy jednak pamiętać, że inne parametry pracy silnika mogą ulec pogorszeniu.

Tuning silnika – poprawianie czy przerabianie silnika?
Silniki produkowane seryjnie podlegają prawom produkcji seryjnej. Mogą więc w jednym silniku być zamontowane części o takich wymiarach czy wykonaniu, które powodują np. obniżenie osiąganych wartości momentu obrotowego i mocy, mimo że każda z nich jest wykonana prawidłowo. Przykładem takiego błędu jest np. znaczne przesunięcie pomiędzy kanałami kolektora dolotowego i głowicy. Wystąpić też może sytuacja odwrotna, wówczas silnik będzie miał lepsze osiągi od innych tego typu.
Jednak większość silników ma bardzo zbliżone, średnie osiągi, więc tkwią w nich rezerwy. Są nimi:
- możliwość lepszej obróbki części,
- obniżenie masy części, również przez zmianę materiału, z którego są wykonane,
- zmianę wymiarów części na korzystniejsze z punktu widzenia ich współpracy.

Zakład produkcyjny nie może wykorzystywać tych rezerw, bo wymaga to indywidualnego pasowania i obróbki części, co bardzo podniosłoby koszt silnika. Uczynić to może firma specjalizująca się w tuningu pod warunkiem, że klient będzie w stanie pokryć koszt pracochłonnej robocizny. Takie działanie można nazwać poprawianiem fabryki.
Jeśli jednak zmiany w silniku są dalej idące, np. zmiana stopnia sprężania, zastosowanie wałka rozrządu o innych kątach faz rozrządu, zmiana ilości paliwa podawanego przez układ wtryskowy, to można takie działanie określić tylko jako przeróbkę silnika. Część firm oferujących tego typu usługi nie jest w stanie sprawdzić wszystkich następstw wprowadzonych przeróbek, bo nie mają odpowiedniej aparatury pomiarowej, np. do pomiarów toksyczności spalin. Nie są również w stanie zagwarantować określonej trwałości przerobionego silnika.

Co chcemy uzyskać w wyniku tuningu?
Przed przystąpieniem do tuningu należy odpowiedzieć na poniższe pytania.
- Jak będzie eksploatowany samochód – w ruchu drogowym, do sportu lub w innych zastosowaniach?
- Na poprawie których parametrów samochodu (i o ile) nam zależy – przyspieszenie, elastyczność czy prędkość maksymalna?
- Czy pogodzimy się z jakimiś niedogodnościami wynikającymi z tuningu silnika – zwiększona głośność silnika, trudność w wykorzystaniu silnika przy niskich prędkościach obrotowych, konieczność bardziej częstych czynności obsługowych, np. po zastosowaniu filtrów powietrza wymagających okresowego mycia i olejenia?

Błędem będzie, gdy np. codziennie użytkowany samochód, w większości w ruchu miejskim, otrzyma przerobiony silnik o charakterystyce silnika do wyścigów samochodowych. Podczas wyścigów rusza się zasadniczo raz, a przez większość trwania wyścigu jeździ się z dużymi prędkościami. W mieście rusza się często, a osiągane prędkości nie są duże, dlatego silnik posiadający niskie wartości momentu obrotowego w dolnym zakresie prędkości obrotowych (rys. 10) będzie trudny w eksploatacji w warunkach ruchu miejskiego.
Jeśli przykładowo celem jest skrócenie czasów rozpędzania i zwiększenie prędkości maksymalnej samochodu, to należy określić o ile. Na podstawie wiedzy o oporach ruchu i danych samochodu (masa, powierzchnia czołowa, współczynnik cx) można obliczyć:
- o ile obrotów na minutę prędzej musi kręcić się silnik, aby koła pojazdu kręciły się z prędkością obrotową, która pozwoli uzyskać planowaną prędkość pojazdu;
- o ile większą wartość musi mieć moment obrotowy, by siła napędowa była w stanie pokonać zwiększony opór powietrza wynikający z wyższej prędkości jazdy.

Po obliczeniu tych parametrów wyniknie, jak należy zmienić charakterystykę zewnętrzną silnika, aby osiągnąć założone parametry (przeważnie do dyspozycji jest skrzynia biegów z seryjnymi przełożeniami). Teraz można obliczyć wzrost mocy silnika w wyniku przeróbki. Pozostaje zastanowić się, czy możliwa jest taka zmiana charakterystyki silnika i jakich przeróbek trzeba dokonać.

Zmiana charakterystyk silnika – uwagi
Na rysunkach nr 8, 9 i 10 przedstawiłem przykładowe zmiany charakterystyk silnika w wyniku jego przeróbek wraz z omówieniem.

Mgr inż. Stefan Myszkowski