Chiptuning silników benzynowych – fakty i mity.

Łatwość i olbrzymie efekty tuningu elektronicznego silników diesla zrodziło wiele zapytań na temat chiptuningu  silników benzynowych.
Postaram się w możliwie prosty sposób opisać różnice pomiędzy tuningiem  silników:
diesla i benzynowych.

      1.   Silniki diesla

            Prawie wszystkie produkowane obecnie samochody napędzane silnikami diesla wyposażone są w turbosprężarkę i tylko takie będą przedmiotem dalszych rozważań.
W silnikach  diesla   regulacja mocy odbywa się nie przez uchylanie przepustnicy jak w silnikach benzynowych , ale poprzez zmianę ilości  wtryskiwanego oleju napędowego do cylindra.
Nawet bardzo mała ilość oleju napędowego /ropa / jeżeli jest tylko odpowiednio sprężona może ulec zapaleniu i wyzwolić energię potrzebna do pracy silnika.
W miarę zwiększania dawki paliwa  rośnie moc.
Ograniczeniem jest tzw. granica dymienia czyli taka  ilość paliwa  po zwiększeniu, której wzrasta już tylko zadymienie bez dalszego wzrostu mocy.
Seryjne silniki turbo diesla projektowane są tak aby nawet na pełnych obciążeniach samochód nie dymił co oznacza duży nadmiar powietrza i olbrzymie pole manewru dla tunera.
 Dodatkowo można zwiększyć ciśnienie doładowania co jeszcze bardziej odsuwa granice dymienia i umożliwia dalszy wzrost mocy.

Uwaga: należy zaznaczyć że samo zwiększenie ciśnienia doładowanie bez zwiększenia dawki paliwa może zmniejszyć moc silnika.

Oprócz tych zmian podczas tuningu chipowego dokonuje się jeszcze korekcji kata wyprzedzenia wtrysku oraz ciśnienia wtryskiwanego paliwa  /silnik common rail  */

Wszystko to powoduje, że  tylko samymi zmianami w elektronice sterującej możemy osiągnąć przyrosty rzędu 20% -40% , a ograniczeniem jest głównie zadymienie.

       2.  Silniki benzynowe

Silniki benzynowe możemy podzielić na dwie podstawowe  grupy:

1 doładowane czyli z turbosprężarką lub  kompresorem **
2 wolnossące czyli bez zewnętrznych urządzeń doładowujących

W silnikach gdzie doładowanie realizowane jest kompresorem do zwiększenia ciśnienia konieczne jest zwiększenie prędkości obrotowej kompresora czyli zmiana wielkości kółek napędzających co juz wykracza poza ramy tuningu chipowego i dlatego na ten temat napiszę oddzielnie.

Silniki benzynowe turbodoładowane.

W tych silnikach pierwszym etapem tuningu jest zwiększenie ciśnienia doładowania, a następnie przeprowadzeniem niewielkich korekt dawki paliwa i zapłonu.
Należy podkreślić, że zwiększenie ciśnienia nie powoduje liniowego wzrostu mocy.
Na przeszkodzie stoją opory wewnętrzne rosnące wraz z prędkością i ilością  przepływającego ładunku.
Oznacza to, że np. wzrost ciśnienia o 20% spowoduje wzrost napełnienia o 18%,  ale wzrost ciśnienia o 40 % skutkuje już tylko 28 % wzrostem napełnienia.
Dodatkowym ograniczeniem jest  maksymalny wydatek turbiny, który na ogół nie pozwala na wzrost mocy maksymalnej większy niż o 25-35 %.
Znacznie więcej można podnieść moment obrotowy, ale tylko w zakresie obrotów, w których wydatek turbiny przewyższa zapotrzebowanie silnika.
Co jest przedstawione na wykresie poniżej:

Resumując, w doładowanych silnikach benzynowych  chip tuning umożliwia uzyskanie bardzo wyraźnej poprawy parametrów.
Ograniczeniem jest  wydatek turbiny  i rozsądek tunera.

Silniki benzynowe wolnossące

Tu niestety jest znacznie trudniej ponieważ  nie ma urządzenia, którym można zwiększyć dostarczany ładunek więc jak wynika z podstawowego wzoru na moc możemy tylko starać się poprawić sprawność silnika. Najprostsze równanie na moc silnika wygląda w dużym uproszczeniu tak:

Moc = pojemność * obroty * ilość mieszanki *sprawność

Na sprawność silnika ma wpływ kilka elementów, ale ograniczymy się tylko do tych, które możemy zmienić na drodze elektronicznej czyli  skład mieszanki i ustawienia zapłonu.

1 Skład mieszanki paliwowo - powietrznej.

Silniki benzynowe w odróżnieniu od silników Diesla, pracują w bardzo wąskim zakresie stosunku paliwa do powietrza,  który  może różnic się od ideału zaledwie o ok 40%. 
Powyżej i poniżej tej wartości benzyna się już po prostu nie zapala.
Idealny tzw. Stechiometryczny wagowy  stosunek paliwa do powierza czyli AFR *** /air fuel ratio /wynosi 14,7.
Oznacza to, że aby spalić całkowicie 1 kg benzyny musimy dostarczyć około 14,7  kg powietrza.
Skład idealny  nie zawsze jest pożądany.
Jeżeli chcemy aby silnik dysponował maksymalną mocą musimy dostarczyć nieco więcej paliwa AFR  12,5-13,5  Lambda **** 0,85-0,9, a chcąc uzyskać największą ekonomie możemy zmniejszyć ilość paliwa do AFR=15,5-16 Lambda 1.05-1.1.

Układy wtryskowe nowoczesnych silników zaprojektowane są tak, aby pogodzić z sobą kilka sprzecznych założeń.
Samochód ma być ekologiczny, mało palić i mieć dobrą dynamikę.
Ponieważ najważniejsza obecnie jest ekologia, silniki w 90% swojego użytkowania pracują na mieszankach o lambdzie= 1, która jest najodpowiedniejsza dla pracy układów katalitycznych.
Niestety mieszanka o takim składzie nie daje maksymalnej mocy i podczas przyspieszeń oraz pracy na maksymalnych obciążeniach musi być  wzbogacona. Dlatego też silnika zaprojektowane są tak aby podczas przyspieszeń i na obciążeniach maksymalnych dawka paliwa zbliżona była do wartości dającej największą  moc /Lambda 0,85-0,9/ , co całkowicie ogranicza pole manewru dla tunera.
Z punktu widzenia bezpieczeństwa lepiej jest pracować na mieszankach nieco za bogatych,  bo wprawdzie silnik nie będzie najmocniejszy, ale nadmiar paliwa ma zdolości do odbierania ciepła i zapobiega przegrzaniu silnika /patrz wykres powyżej/.
Uwaga: zmiany dawką paliwa nie przynoszą  dużego efektu , a nierozsądne modyfikacje grożą  uszkodzeniem katalizatora ,albo silnika .

2  Układ zapłonowy
  
W silnikach wolnossących układ zapłonowy odpowiada za wywołanie zapłonu w ściśle określonym punkcie obrotu wału korbowego.
Na skutek zmieniających się warunków panujących wewnątrz cylindra właściwy kat zapłonu  zmienia się w bardzo dużym zakresie od -5 do +50 stopni obrotu wału korbowego.
W danych warunkach moment obrotowy silnika osiąga maksymalną wartość w bardzo wąskich granicach kata wyprzedzenia zapłonu.
Uwaga :Jeżeli zapłon jest zbyt późny wzrasta temperatura układu wydechowego i maleje sprawność silnika.
Jeżeli dla odmiany nadmiernie przyspieszymy zapłon możemy doprowadzić do tzw. spalania detonacyjnego i w efekcie uszkodzenia silnika.

Jak widać pole manewru dla zmian nie mechanicznych jest minimalne i na dodatek dosyć niebezpieczne bardzo łatwo doprowadzić do nieuzasadnionego wzrostu zużycia paliwa lub wręcz uszkodzenia silnika /przegrzanie, spalanie detonacyjne/.
Możemy minimalnie zwiększyć wyprzedzenie zapłonu i ratując sie przed spalaniem detonacyjnym zwiększyć dawkę i to praktycznie wszystko co można zrobić.

Dlatego też pomijając konstrukcje w których producent celowo ograniczył moc ,w seryjnych benzynowych silnikach wolnossących tuning chipowy daje wzrost  mocy maksymalnej   nie przekraczający  3-5 %.

Dodatkowo można przesunąć ogranicznik obrotów co wprawdzie w żaden sposób nie zwiększy mocy,
ale samochód na niższych biegach będzie osiągał wyższe prędkości maksymalne co powinno ucieszyć kierowcę.
Z tym też nie można przesadzać bo długotrwała jazda na maksymalnych obrotach kończy się na ogół eksplozją silnika.
Dotyczy to szczególnie silników o dużych przebiegach w których nastąpiły już zmiany zmęczeniowe materiałów korbowodów czy też tłoków.

To wszystko co napisałem dotyczy samochodów seryjnych.
Zupełnie inaczej jest w autach których silnik zostały podane tuningowi mechanicznemu.
W takich przypadkach zmiany oprogramowania /tuning chipowy/ są wręcz koniecznością i mogą dac zdecydowanie większe efekty.

UWAGA:
Tekst powyższy z konieczności jest poddany daleko idącym uproszczeniom mającym na celu pokazanie ogólnych tendencji i nie należy artykułu tego traktować jako podręcznika dla tunerów.

Opisy określeń użytych w tekście

* Common rail  -system wtrysku w którym wysokociśnieniowa pompa tłoczy paliwo do   wspólnego  zasobnika –stąd nazwa, wspólna szyna. Ciśnienie w szynie wynosi ok.1600 bar.
* Kompresor –sprężarka  mechaniczna napędzana od wału korbowego. Obecnie stosowana w       Mercedesach oraz  Mini. 
***AFR - /Air Fuel Ratio / oznacza  wagowy stosunek powietrza do paliwa  dla benzyny AFR=14,7
****Lambda- współczynnik nadmiaru powietrza czyli rzeczywisty  stosunek masy  powietrza znajdującego się w mieszance do masy powietrza teoretycznie potrzebnej do całkowitego i zupełnego spalenia paliwa.

Tabela przeliczeniowa pomiędzy AFR, a Lambdą dla benzyny: 

Do góry