SISSEJUHATUS Sõiduauto on olnud aastakümneid üheks olulisimaks transpordivahendiks, lihtsustades inimeste jalavaeva ning võimaldades vähese ajaga läbida pikki vahemaid. Kuna naftasaaduste leiukohtade arv on hakanud aastatega vähenema, on aktuaalseks teemaks tõusnud kokkuhoid. Autotootjad on teinud omalt poolt kõik, et nende sõidukid oleksid ökonoomsemad. Ometi sõltub aga lõpptarbijast, kui suured või väikesed on masina kasutamisega kaasnevad kulud. Käesoleva uurimustöö eesmärgiks oli välja selgitada, millised tegurid võiksid mõjutada sõiduauto mootoripöördeid, pöördemomenti ja tegelikku võimsust ning uurida neid süvitsi, kuna neil on otsene mõju kütusekulule. Uuringu teostamiseks valiti välja üks sõiduauto, mille peal erinevate katsete seeriad läbi viidi. Lisaks kasutati selleks eelnevalt soetatud seadmeid, mis võimaldasid jälgida sõiduauto mootori tööd. Saadud mõõtmistulemused jäädvustati graafikutel ning nende põhjal tehti vastavad järeldused. Teema valiti eesmärgiga leida võimalusi, kuidas hoida sõidukiga kaasnevad kulud võimalikult madalatena. Saadud tulemused on rakendatavad kõikide autoomanike poolt, kes soovivad oma masina kasutamisel tekkivaid väljaminekuid vähendada. 1. UURITAVATE MOOTORI TÖÖPARAMEETRITE KIRJELDUS 1.1 Mootoripöörded, pöördemoment ja tegelik võimsus Mootoripöörded on pöörete arv, mida mootori väntvõll teeb ühe minuti jooksul . Pöördemomendiks nimetatakse jõudu, mida mootor peab rakendama sõiduki liikumahakkamiseks. Tegelik võimsus on töö, mida mootor teeb mingitel pööretel kindla pöördemomendiga. Mootoripöörete ja pöördemomendi olemasolu on vajalik tegeliku võimsuse arvutamiseks. 2. KASUTATAVATE KATSEVAHENDITE LÜHITUTVUSTUS 2.1 Diagnostikaprogramm FORScan Esmakordselt 2011. aastal välja tulnud FORScan on Ford, Mazda, Lincoln ja Mercury sõiduautodele mõeldud vabavaraline diagnostikaprogramm, mis võimaldab näha masina informatsiooni, lugeda ja taasseadistada veakoode, jälgida reaalajas sõiduki töötamist, viia läbi erinevaid teste elektroonika hooldamiseks ja programmeerida sõiduauto tööparameetreid (Joonis 2.1). Tarkvara on mõeldud kasutamiseks peamiselt ELM327 tüüpi diagnostikakaabliga. Joonis 2.1 Diagnostikaprogramm FORScan Kuna FORScan on loodud nelja marki sõiduauto jaoks, võimaldab see pääseda ligi anduritele, mida tavaprogrammid ei pruugi tuvastada. Jälgida saab erinevaid sõiduki töötamist iseloomustavaid parameetreid, näiteks gaasipedaali asendit, autoaku laetavust, mootoripöördeid, pöördemomenti ja kiirust, millest kolme viimast selles töös käsitletakse. Loetavad andmed kajastatakse graafikutel. Uurimustöös kasutati programmi versiooni 2.1.21. 2.2 Modifitseeritud diagnostikakaabel ELM327 Selle uurimustöö jaoks soetati originaalne modifitseeritud diagnostikakaabel ELM327 (Joonis 2.2). Üheks tingimuseks oli see, et kaabel töötaks nii sülearvutisse paigaldatud diagnostikaprogrammi kui ka sõiduautoga Ford Focus C-Max. Selleks pidi seade olema varustatud OBD-II sisendiga, mis sobituks sõiduki OBD-II väljundpesaga. Joonis 2.2 Modifitseeritud diagnostikakaabel ELM327 Modifitseeritud diagnostikakaabel ELM327 erineb samanimelisest tavaseadmest selle poolest, et ta on loodud Ford ja Mazda marki sõiduautodele. Spetsiaalse nupu lülitamisel on võimalik lugeda kõiki elektroonikamooduleid, mis masinale paigaldatud on. Kaabel võimaldab ligipääsu kõikidele anduritele ning nende kaudu saab erinevaid parameetreid jälgida. Seadmel on välja toodud indikaatorlambid, mis näitavad tema töökorras olekut ning ühenduse olemasolu nii sõiduki OBD-II väljundpesa kui ka sülearvutiga USB vahendusel. 2.3 Sülearvuti Lenovo IdeaPad G50-70 Uurimustöö jaoks kasutati akutoitega sülearvutit Lenovo G50-70 põhjusel, et ta on kompaktne ning teda on võimalik kõikjal kasutada. Diagnostikakaablit ei ole soovitatav kasutada, kui arvuti on ühendatud vooluvõrku. See võib lõppeda seadme kahjustumisega. 2.4 Sõiduauto Ford Focus C-Max Katseauto pidi olema võimalikult ökonoomne ning olema varustatud OBD-II väljundpesaga võimaldamaks ligipääsu moodulitele, mis näitaksid uuritavaid parameetreid. Valituks osutus 2004. aasta mahtuniversaal Ford Focus C-Max (Joonis 2.3). Joonis 2.3 Sõiduauto Ford Focus C-Max Sõiduki mass koos juhi ja kõrvalistujaga oli 1 474 kg. Mootoriks on tal tehase poolt paigaldatud 1,6-liitrine turbodiisel nimivõimsusega 107 hj. 3. TEOREETILINE OSA 3.1 Soorituskoha valik Teelõik, kus katseid sooritati, pidi olema tasane, ilma kurvideta ning löökaukudevaba, kuna need võivad mõjutada mõõtmistulemusi. Löökaugud võivad tekitada ka liiklusohtlikke olukordi. Tuult teostatud katsetes ei arvestatud, kuna mõõtmiste päevadel puhus ta risti sõiduteega. Liiklusseadus määras ära ka lubatud suurima kiiruse, milleks on 90 km/h. Kõiki eelmainitud tingimusi silmas pidades osutus valituks ühe kilomeetri pikkune asfalteeritud asulaväline teelõik Jõgeva aleviku külje all, mis oli nii tasane kui ka löökaukudevaba, ühtlasi ka väikese liiklustihedusega (Joonis 3.1). Joonis 3.1 Katsete soorituskoht Jõgeva aleviku külje all 3.2 Praktilise osa ülesehitus Uurimustöö praktiline osa jagunes neljaks osaks, igaüks koosnes kahest katsest: 1. osa – pöördemoment ja tegelik võimsus sõltuvalt rehvirõhust; 2. osa – pöördemoment ja tegelik võimsus sõltuvalt lisakoormast; 3. osa – pöördemoment ja tegelik võimsus sõltuvalt õhutemperatuurist; 4. osa – pöördemoment ja tegelik võimsus sõltuvalt kasutatavast käigust. Ohutuse seisukohalt viidi katsed läbi kahe isiku juuresolekul. Üks neist sõitis autoga, teine tegeles sülearvutis andmete jälgimise ja töötlemisega. Kõik osad viidi läbi samas kiirustevahemikus. Sõiduautoga saavutati rahulikus tempos kiirus 50 km/h. Sellele järgnes mõõteprogrammi tööle rakendamine. Seejärel vajutati gaasipedaal 100-protsendiliselt alla ning kiirendati sel viisil kuni graafikule ilmus 90 km/h. Programm mõõtis selles vahemikus mootoripöörded ja nendele vastavad pöördemomendid. Kõikides osades, välja arvatud neljandas, sooritati mõlemad mõõtmised 4. käiguga. Neljandas osas teostati esimene katse 3. käiguga ja teine 4. käiguga. 3.3 Katsevahendite töökorda seadmine Enne mõõtmiste sooritamist laeti sülearvuti aku täis ning installeeriti uusim FORScan programm. Diagnostikakaabli korrasolekus veenduti lihtsas ülevaatuses. Eelnevalt tuli arvutisse paigaldada ka vajalikud draiverid, mis võimaldaksid kaablil ja programmil omavahel suhelda. Seejärel ühendati diagnostikakaabel sõiduauto OBD-II väljundpesaga ning sülearvuti USB pesaga, keerati auto süüde sisse ning loodi programmi vahendusel sülearvuti ja auto vahel ühendus (Joonis 3.2). Joonis 3.2 ELM327 ühendatuna nii sõiduauto kui ka sülearvutiga Kuna katsete käigus koormati sõiduauto mootorit, tuli see eelnevalt soojaks sõita, eriti külmade ilmade korral. Sellega tagati mootori väiksem kulumine, madalam kütusekulu, keskkonna väiksem saastamine ning ühtlasi ka täpsemad mõõtmistulemused. 3.4 Tegeliku võimsuse leidmine FORScan pole iseseisvalt võimeline leidma mootori tegelikku võimsust, kui on teada mootoripöörded ja pöördemoment. Selleks tuli see leida arvutuslikul meetodil. Kalkulatsioonide lihtsustamiseks salvestati FORScan graafikud formaadis, mida oli võimalik avada Microsoft Excel'iga (Joonis 3.3). Selles programmis kuvati tulemused numbritena, lihtsustades arvutustööd. Joonis 3.3 Näide FORScan graafikust Sõiduauto tegelikku võimsust leitakse valemi abil (3.1) kus on mootori võimsus hj; ? mootori pöördemoment nael-jalg; ? mootoripöörded p/min; ? pöörete arv minutis saamaks üks hobujõud võimsust ühe nael-jala pöördemomendiga. Suuremahulisuse tõttu kujutati mõõtmistulemused mitte tabelites, vaid graafikutel. Kuna mõõteprogrammi polnud võimalik panna andmeid lugema kiirenduse alghetkest, rakendati ta tööle mõned sekundid enne. Microsoft Excel'i graafikutel jäeti see muutumatu algosa välja, kuna seda ei peetud oluliseks antud töö seisukohalt. 4. PRAKTILINE OSA 4.1 Rehvirõhu mõju pöördemomendile ja tegelikule võimsusele Esimeses praktikaosas uuriti, kas erinev rehvirõhk võib mootori võimsust mõjutada. Selleks jaotati katse kaheks osaks. Esimeses osas mõõdeti mootoripöörded ja pöördemoment, kui rehvirõhud olid tootja poolt kehtestatud normi piires. Esiteljel oli seega 2,3 baari ja tagateljel 2,1 baari. Teises osas lasti nii esi- kui ka tagatelje rehvidest võrdsel määral rõhku välja nii, et need vastavad näitajad olid 1,8 baari ja 1,6 baari. 4.2 Esimese osa tulemused ja järeldus Nii autojuhile kui ka kõrvalistujale polnud aru saada, et rehvirõhu erinevus oleks sõiduauto liikumist mõjutanud. Graafikuid lähemalt inspekteerides paistis aga erinevus silma. Normist madalama rehvirõhuga kiirendades selgus, et suurimaks pöördemomendiks osutus 191,7 nael-jalga (Lisa A.1). Tegelik võimsus oli sel hetkel 79,9 hj (Lisa A.2). Suurim võimsus saavutati aga hoopis pöördemomendiga 182,9 nael-jalga ning selle väärtuseks oli 85,7 hj. Normaalrehvirõhuga sõites saavutati suurim pöördemoment 177,0 nael-jalga (Lisa A.3). Võimsus küündis siis 79,5 hj-ni (Lisa A.4). Parim võimsusenäitaja, 80,3 hj, oli aga pöördemomendiga 171 nael-jalga. Selgus, et erinev rehvirõhk mõjutas mootori tegelikku võimsust. Madala rõhuga rehvid käitusid takistustena, kuna nad olid tühjemad, mistõttu ei saanud rattad vabalt pöörelda. Mootor rakendas rohkem pöördemomenti ja võimsust, et kiirus kasvaks. Selgus ka asjaolu, et suurim pöördemoment ei tähenda ilmtingimata suurimat tegelikku võimsust. Olulisel kohal on ka mootoripöörded. Mõlema katse puhul tõusis pöördemoment kiirenduse algfaasis kõige kiiremini, lõppfaasis aga aeglasemalt ning hakkas pärast maksimumi saavutamist langema. Järsem kasv alguses oli tingitud sellest, et mootor pidi rakendama rohkem jõudu, et auto kiirus kasvaks. Hilisemas etapis, kui vajalik kiirus oli saavutatud, ei pidanud mootor enam suuremat pöördemomenti rakendama ning seetõttu hakkas see näitaja langema. 4.3 Lisakoorma mõju pöördemomendile ja tegelikule võimsusele Teises osas uuriti, kui palju võivad erineda pöördemoment ja tegelik võimsus, kui sõidukile on peale tõstetud lisaraskus. Esimese katse mõõtmised viidi läbi ilma koormata. Teises katses aga tõsteti sõiduautole peale plastikust vann, milles oli 185 kg liiva. Sellega tõusis auto kogukaal 1 474st 1 659 kg-ni. 4.4 Teise osa tulemused ja järeldus Sõiduki koormamisel ning seejärel katset sooritades tunti, et kiirendus pole enam sama, mis ta oli tühikaalul. Mõõtmistulemusi vaadates sai kahtlustus oma kinnituse. Koormata olekus saavutas mootor suurima pöördemomendi 177 nael-jalga (Lisa B.1). Võimsust oli tol hetkel 79,5 hj (Lisa B.2). Parim tegeliku võimsuse näitaja oli pöördemomendiga 174 nael-jalga ning selleks oli 80,3 hj. Koormaga kiirendades tõusis suurim pöördemoment 194,7 nael-jalani (Lisa B.3). Võimsust genereeriti 76,3 hj (Lisa B.4). Maksimaalne võimsus tuli kätte aga pöördemomendiga 185,8 nael-jalga, milleks oli 87,4 hj. Lisakoorem käitus takistusena. Sõiduk oli raskem, mistõttu pidi mootor rohkem jõudu ja võimsust rakendama, kui tühikaalul, et auto kiiremini liikuma saada. Pöördemoment tõusis selle osa puhulgi algfaasis kiiremini ning lõpupoole aeglasemalt, langedes sootuks pärast maksimaalse väärtuse saavutamist. 4.5 Õhutemperatuuri mõju pöördemomendile ja tegelikule võimsusele Külmade ilmade saabudes kurdavad paljud autojuhid, et nende sõidukite kütusekulu tõuseb. Tavaliselt arvatakse, et talvisel perioodil ei soojene mootor lühikeste vahemaade jooksul piisavalt ning seetõttu võtab rohkem kütust kui soojematel aegadel. Sellest järeldades peaks mootor miinuskraadidega rohkem võimsust rakendama. Väite kinnitamiseks või ümberlükkamiseks oligi töö kolmas osa. Esimese katse mõõtmised teostati õhutemperatuuriga +2°C ning teine katse õhutemperatuuriga ?6°C. 4.6 Kolmanda osa tulemused ja järeldus Kahe katse omavahelisel võrdlusel ei saadud aru, et mootori võimsus oleks miinuskraadide puhul tõusnud. Kui mõõtmistulemusi aga täpsemalt vaadeldi, paistis mõningane erinevus silma. Temperatuuril +2°C kiirendades oli sõiduki suurim pöördemoment 177 nael-jalga (Lisa C.1). Koguvõimsus oli tol hetkel 79,5 hj (Lisa C.2). Parim mootori jõudlus oli aga 80, 3 hj pöördemomendiga 174 nael-jalga. Kui aga temperatuur langes ?6°C-ni, tõusis suurim pöördemoment 185, 8 nael-jalani (Lisa C.3). Võimsus küündis 81,4 hj-ni (Lisa C.4). Tegelik võimsus, 84, 5 hj, oli parim pöördemomendiga 182, 9 nael-jalga. Paistab nagu madalamad temperatuurid tõstaksid pöördemomenti ja võimsust. Paraku tuleb aga arvestada sellega, et teisel katsel oli teelõik jää ja lumega kaetud. Mõõtmistulemused võisid selle tõttu tegelikkusest erineda. Põhjus oli selles, et sõiduki rattad võisid teatud momentidel libeda tee tõttu vabamalt pöörelda, mille tagajärjel pöördemoment ja tegelik võimsus tõusid. Seega on raske öelda, kas miinuskraadid suurendavad mootori võimsusnäitajaid või mitte. 4.7 Kasutatava käigu mõju pöördemomendile ja tegelikule võimsusele Maanteel sõites on ilmselt kõikidel juhtidel ette tulnud olukordi, mil on tekkinud vajadus ees aeglasemalt sõitvast sõidukist vastassuuna kaudu mööduda, mistõttu peaks see manööver võimalikult kiiresti toimuma. Vastasel korral võib tekkida liiklusohtlik olukord vastutulijate näol. Neljas katse sooritati eesmärgiga uurida, kas möödasõidul oleks mõistlikum kasutada madalamat või kõrgemat käiku ning kui palju võivad erineda mootori jõu- ja võimsusnäitajad. Selle väljaselgitamiseks viidi taaskord läbi kaks katset, esimesel korral teostati mõõtmised 3. käiguga ning teisel korral 4. käiguga. 4.8 Neljanda osa tulemused ja järeldus Madalama käiguga sõites tekitas mootor suurt müra, mis kostus ka salongi. Sellele viitasid ka kõrged mootoripöörded tahhomeetril. Võimsust jätkus aga piisavalt. Pedaali täielikul allavajutamisel hakkas auto momentaanselt kiirendama, mida oli tunda terve katse jooksul. Kõrgema, 4. käiguga sõites tekkis aga sõidukil suuri raskusi kiiruse suurendamisega. Gaasipedaali täielikul rakendamisel läks aega paar sekundit enne, kui kiirus kasvama hakkas. Lisaks sellele kostus mootoriruumist suurt värinat, mida oli ka salongis tunda. 3. käiguga kiirendades saavutas mootor suurima pöördemomendi 188,8 nael-jalga (Lisa D.1). Võimsus kerkis 80,7 hj-ni (Lisa D.2). Parim võimsusenäitaja saavutati aga hoopiski pöördemomendiga 150,4 nael-jalga, milleks oli 103,3 hj. 4. käiguga aga küündis suurim pöördemoment 191,7 nael-jalani (Lisa D.3). Võimsust oli siis 76,5 hj (Lisa D.4). Suurim võimsus, 86 hj, saavutati pöördemomendiga 182,9 nael-jalga. Madala käiguga kiirendades saavutas sõiduk maksimaalse pöördemomendi juba suhteliselt väikese kiiruse juures, hilisemas etapis hakkas see aga langema. Põhjus on selles, et suurematel kiirustel osutus madalam käik takistavaks teguriks, kuna see on mõeldud just pigem aeglasematel kiirustel sõitmiseks, pakkudes suurt jõudlust. Madala käiguga suurtel kiirustel sõites ei suutnud mootor enam rattaid oluliselt kiiremini liikuma panna, mistõttu hakkas rakenduv jõud vähenema. Selle tõttu oli ka võimsus algfaasis suurima tõusuga, lõppfaasis aga ühtlasem. Kõrgema käiguga kiirendades esineva värina põhjuseks oli see, et rataste pöörlemiskiiruse ja mootoripöörete suhe ei olnud sobiv. Madalatel pööretel kõrge käiguga ei suutnud mootor katse algfaasis piisavalt võimsust toota, et rattad kiiremini liikuma saada. Selle kompenseerimiseks tuli rohkem pöördemomenti rakendada. KOKKUVÕTE Uurimustöö käigus uuriti erinevaid faktoreid ja nende mõju sõiduauto mootoripööretele, pöördemomendile ja tegelikule võimsusele eesmärgiga leida viise, kuidas vähendada auto kasutamisega kaasnevaid kulutusi. On oluline, et iga autojuht jälgiks oma sõiduki rehvirõhkude tasemeid, kuna nende kaudu on võimalik kulutustes kokku hoida. Normaalrõhuga rehvidega sõites tarbib mootor väiksema pöördemomendi- ja võimsusevajaduse juures sõiduki liigutamiseks vähem kütust. Üldised kulutused masina ülalpidamiseks vähenevad. Paljud autojuhid hoiavad pagasiruumis üleliigseid harvakasutatavaid esemeid. On mõistlik mittevajalikud asjad autost eemaldada, kuna selle kaudu on võimalik kütusekulu pealt kokku hoida. Kui auto on kergem, rakendab mootor vähem pöördemomenti ja võimsust ning tarbib seeläbi vähem kütust. Väidet, kas madalam õhutemperatuur tõstab sõiduki võimsust ja pöördemomenti, ei olnud võimalik kinnitada, kuna teostatud katsed toimusid erinevates tingimustes. Sõiduautoga maanteedel ees aeglasematest sõidukitest möödasõitmisel on mõistlikum kasutada madalamat käiku, kuna ta pakub suuremat võimsust mõistliku pöördemomendiga. Kõrgemate käikude korral jääb mootor hätta, kuna madalate mootoripöörete tõttu ei suuda ta piisavalt kiiresti võimsust rakendada, olgugi, et pöördemoment on suurem. Kütusekulu kokkuhoiuks on möödasõitudel optimaalsem kasutada madalamaid käike, rahulikuks sõitmiseks aga kõrgemaid käike. KASUTATUD KIRJANDUS 1. Vikipeedia. ELM327. 2012. Vikipeedia. Kättesaadav: http://en.wikipedia.org/wiki/ELM327 (29.11.2014). 2. Vikipeedia. On-board diagnostics. 2005. Vikipeedia. Kättesaadav: http://en.wikipedia.org/wiki/On-board_diagnostic (29.11.2014). 3. Vikipeedia. Universaalne järjestiksiin. 2009. Vikipeedia. Kättesaadav: http://et.wikipedia.org/wiki/Universaalne_j%C3%A4rjestiksiin (29.11.2014). 4. TqHq. Pöördemoment ja võimsus. TqHq. Kättesaadav: http://www.tqhq.ee/dir.php?id=30 (29.11.2014). 5. FORScan. What is FORScan? 2014. FORScan. Kättesaadav: http://forscan.org/home.html (29.11.2014). LISAD Lisa A. Pöördemoment ja tegelik võimsus sõltuvalt rehvirõhust Joonis A.1 Mootoripöörded ja pöördemoment alarehvirõhuga Joonis A.2 Tegelik võimsus alarehvirõhuga Joonis A.3 Mootoripöörded ja pöördemoment normaalrehvirõhuga Joonis A.4 Tegelik võimsus normaalrehvirõhuga Lisa B. Pöördemoment ja tegelik võimsus sõltuvalt lisakoormast Joonis B.1 Mootoripöörded ja pöördemoment ilma koormata Joonis B.2 Tegelik võimsus ilma koormata Joonis B.3 Mootoripöörded ja pöördemoment koormaga Joonis B.4 Tegelik võimsus koormaga Lisa C. Pöördemoment ja tegelik võimsus sõltuvalt õhutemperatuurist Joonis C.1 Mootoripöörded ja pöördemoment plusskraadidega Joonis C.2 Tegelik võimsus plusskraadidega Joonis C.3 Mootoripöörded ja pöördemoment miinuskraadidega Joonis C.4 Tegelik võimsus miinuskraadidega Lisa D. Pöördemoment ja tegelik võimsus sõltuvalt kasutatavast käigust Joonis D.1 Mootoripöörded ja pöördemoment 3. käiguga Joonis D.2 Tegelik võimsus 3. käiguga Joonis D.3 Mootoripöörded ja pöördemoment 4. käiguga Joonis D.4 Tegelik võimsus 4. käiguga