Налаштування двигуна, основи efi

EFI - electric fuel injection - це і є елетронній "мізки", що керують роботою наших двигунів, які прийшли на зміну карбюраторним системам.

Коли я тільки почав вникати в налаштування ЕБУ VEMS, зіткнувся з тим, що профільна література по ДВС російською мовою має більше академічний характер, описує базові пристрій і процеси в ДВС глибоко науковою мовою, а літератури по EFI російською мовою практично і немає. Книг по EFI англійською мовою в достатку, але вона доступна тільки на всяких Амазонії в паперовому вигляді, до того ж, як правило, орієнтована на людей, які вже мають якесь уявлення про тему і володіють всією масою галузевих термінів.

Тому коли мені попався мануал по настройці ЕБУ MegaSquirt, я йому дуже зрадів, для мене він і став тим самим стартовим "Тюнінг EFI для тупих".

MegaSquirt - це проект відкритого (як open source) блоку управління ДВС. Ви можете самі потруїти плату, напаяти на неї детальки, прошити прошивку і отримати свій власний ЕБУ практично під будь-який двигун. VEMS - це більш просунутий комерційний клон проекту MegaSquirt, тому можна сказати, що проекти споріднені.

І ще раз зазначу - я не є проф. мотористом, якщо помітите якісь неточності, прошу вказувати, буду поправляти текст.

Отже.
1. Як працюють двигуни внутрішнього згоряння (ДВЗ).
ДВС так називаються, бо паливо згорає всередині робочого простору двигуна, на відміну від, наприклад, парових двигунів. Літакові двигуни - теж ДВС, але паливо в них не запалюється іскрою, там паливо горить весь час. Ми почнемо з пояснення, як працює 4-х тактний ДВС.

Процес роботи ДВС має три базових складових, якими ми можемо маніпулювати і тим самим оптимізувати роботу ДВС в різних умовах:
- Обсяг повітря, що надходить у двигун
- Обсяг палива, що надходить у двигун, який буде змішано з повітрям
- Момент виникнення іскри, яка ініціює горіння повітряно-паливної суміші.

ДВС може мати один і більше циліндрів. Циліндр містить рухомий поршень, поршень через шатун з'єднаний з колінчастим валом, рух поршня обертає колінвал. Це ми знаємо.

Робота кожного циліндра ДВС ділиться на 4 такти (заліпалка з демонстрацією).

Такт # 1. Intake - впуск.
За цей такт повітря через впускний клапан і паливо через форсунку надходять в циліндр.
Обсяг надходить палива залежить від обсягу повітря, що поступає в пропорціях, необхідних даних умов роботи ДВС.
Процес виясняненія оптимального співвідношення повітря / паливо (також кута запалювання) - це і є наш тюнінг.
Звідси термін AFR - air / fuel ratio - співвідношення повітря / паливо.
Також тут треба запам'ятати термін WOT - wide open throttle - повністю відкритий дросель. Простіше кажучи - газ в підлогу, і в двигун надходить стільки повітря, скільки він може впустити.

Такт # 2. Compression - стиснених.
На цьому етапі клапан впускання закриватся, і в міру руху вгору поршень стискає повітряно-паливну суміш. Суміш краще горить стислій, і тут грає роль та сама ступінь стиснення, за яку переживають власники ДВС.

- Spark! - тут виникає іскра -
Само по собі тактом не є, але дуже важлива подія.

Такт # 3. Power stroke - такт робочого ходу
Паливо горить, гази нагріваються, расшіраются і штовхають поршень.
Паливо згоряє не миттєво, тому іскра відбуватися трохи раніше, ніж поршень виявиться в вірніше точці. Тому момент виникнення іскри називається УОЗ - кут випередження запалювання.

Тут запам'ятовуємо дві абревіатури - BTDC - before top dead center - до верхньої мертвої точки. І ADTC - after top dead - після верхньої мертвої точки. Це означає, коли відбувається подія - до або після того, як поршень виявиться в самому верху.

Такт # 4. Exhaust - випуск.
Поршень піднімається вгору, відкривається клапан випуску і відпрацьовані гази залишають циліндр в вихлопну трубу.

У певний зріз часу циліндри виконують різні такти, надають руху колінвал, створюють крутний момент, який передається на маховик, з маховика на КПП і далі до коліс.

Такти роботи клапанів впуску та випуску визначаються розподілвалом, який механічний пов'язаний з коленвалом.
В якому становищі перебувають вали і циліндри в даний момент - визначається по ротору на колевале, який виглядає, як шестерня з зуб і пропусками між ними.
Сузуковскій M13A має ротор 36-2-2-2 (вимовляється 36 мінус 2 мінус 2 мінус 2), що ріднить його з субаровская двигунами. Що саме це означає - пропустимо. Досить запам'ятати, що це просто конфігураційна особливість двигуна, яка визначає події для "мізків", типу азбука морзе, по якій "мізки" знають, що в якому становищі перебувають вали. Сигнали цієї абетки називаються тригери (trigger), на коленвале - primiry trigger, на распредвали - secondary trigger.

Ще один важливий термін, який треба освоїти, це стехіометрії. він з хімії.
Стехиометрической сумішшю - stoichiometric AFR - називають таке співвідношення повітря і палива, при якому паливо згорає повністю. Для бензину це 14.7: 1, а для пропану, наприклад, 15.7: 1.
Тобто треба 14.7 порцій повітря на одну порцію бензину, щоб у вихлопі не залишилося бензину. Така ось кулінарія.
Для чого це потрібно? Це потрібно для розуміння, яку саме ми маємо суміш - багату або бідну, і наскільки саме.

З цим пов'язана робота того самого лямбда зонда, який бачить надлишок повітря або бензину в вихлопі. Якщо повітря більше, то AFR більше 14.7, значить суміш бідна.
Якщо бензину більше, AFR менше 14.7, значить суміш багата.

Існує два види лямбда зондів - вузькосмугові (NBO2) і широкосмугові (WBO2).
Перший тип варто, як правило, в звичайних цивільних автомобілях і показує значення у вузькому діапазоні. Звичайним машинам і не потрібно знати більше.
Другий тип - WBO2 - дозволяє показати точне значення AFR в широкому діапазоні. Ось він і є інструментом # 1 при тюнінгу або просто вимірах суміші ДВС. Тільки по ньому і можна точно налаштувати паливну карту і карту кутів випередження запалювання (вони взаємо залежні).

Однак, стехіометрична суміш 14.7 не є найоптимальнішою для всіх режимів роботи двигуна, іноді нам потрібно багатих, щоб отримати більше потужності під навантаженням. Іноді потрібно збіднювати суміш, коли навантаження немає і потрібно заощадити паливо.

Графік, що відображає максимальну віддачу суміші повітря-бензин.

Reach - багато.
Lean - бідно.

Графік, що відображає умовну оптимальність (економічність) суміші.

Важливо - графіки (як ці, так і інші) показані для розуміння і не є асболютно істиною. Які саме значення потрібні Вашому двигуну для максимальної потужності і максимальної економії - це сукупність багатьох факторів - від будови двигуна до інших налаштувань і режимів навантаження. Наприклад, надмірно забеднів суміш, можна отримати детонацію - це коли суміш в циліндрі не згорає та, а вибухає, руйнуючи двігаель.

Як було сказано вище, суміш згоряє не миттєво (це згоряння, а не вибух). Тому іскру на свічку треба подавати так, щоб пік тиску в циліндрі припав на найоптимальніше положення циліндра. Тому іскра подет ще до того, як поршень досяг верхньої мертвої точки.

Графік, що відображає момент запалювання і тиск в циліндрі

TDC - верхня мертва точка.
Peak pressure point - пік максимального тиску.

Для розуміння оптимальної точки PPP уявіть, що ви розкручуєте колесо рухом руки вниз. І самій оптимально точкою, де вам треба вхопитися за нього, буде десь на 13-14 годин (близько 20-25 "ATDC). Принцип той же.

Оскільки на різних оборотах, на різному навантаженні і на різному AFR - з різною швидкістю згорає паливо і досягається PPP, нам потрібно мати карту УОЗ, де будуть вказані різні кути запалювання для всіх режимів роботи ДВС.

Графік швидкості згоряння палива в залежності від AFR

3. Крутний момент і кінські сили.
Якщо коротко, крутний момент - це те, з якою силою поршень обертає колінвал. Кінських сили - це те, яку роботу може призвести двигун на інтервал часу (кількість обертів двигуна).
Пропоную факультативно розібрати цей момент. Про це написано чимало, в тому числі і російською мовою.

Весь сенс розгінного тюнінгу можна позначити як пошук таких налаштувань, при яких Ваш ДВС проявить максимальну силу (крутний момент) і якомога швидше досягне максимальної потужності (кінських сили).

4. Tuning - процес налаштування.
Підійшли до найцікавішого.
Процес настройки починається з установки базових значень і далі йде пошук нових налаштувань для кращої продуктивності - це зрозуміло.

Існує кілька золотих правил тюнінгу (справделіво не тільки для ДВС):
- Те, що ви робите - це з'ясовуєте, чого хоче Ваш двигун. Не те, що Ви прочитали в журналі, або Вам розповіли друзі, або стверджує Ваша улюблена школа кунг-фу. Ваш двигун - сам собі випробувальний стенд, і буде або відкидати, або приймати зміни, які Ви робите. Грунтується на тому, що повідомляє Вам Ваш двигун, нічого більше.
- Зберігайте поточні настройки якомога частіше, щоб можна було повернутися до будь-якої давнини налаштувань.
- Міняйте одну настройку за один раз. Не робіть 5 за раз, інакше не будете розуміти, які з них зробили краще або гірше.
- Робіть вимірювання після змін. Це може бути або стенд, або пряма ділянка дороги. Друге може бути суб'єктивною оцінкою, і вимагає від Вас більше досвіду, але завжди перевіряйте, що Ви отримали після змін. Якщо Ви не бачите поліпшень, повертайтеся до попередніх налаштувань.
- Старайесь з'ясувати, які характеристики торкнеться зміна до того, як його застосувати, і будьте готові до того, що зміна торкнеться і інші характеристики.
- Даталогі - Ваші кращі друзі. Вони дозволять Вам установсіть у всіх можливих деталях зміна поведінки ДВС без заїзду. Також можна ними поділитися з іншими і отримати альтернативні думки.

5. Робочі режими і умови.

Можна виділити кілька основних режимів роботи ДВС і умов, в яких вони протікають:
- Запуск: дуже багата суміш, маленький УОЗ.
- Прогрівання: багата суміш, "легкий" УОЗ, що не створюємо зайвого навантаження.
- Неодружені: може бути багата чи бідна суміш, залежить від багатьох чинників, УОЗ залежить від необхідної якості згоряння, зазвичай від 5 "до 15".
- Круїз (підтримка швидкості без навантаження): суміш бідна, від 14.8 до 16, УОЗ високий.
- Мінімальний вихлоп: 14.7, помірний УОЗ
- Прискорення: багата суміш, УОЗ збільшується в діапазоні 2500-3500 оборотів.
- WOT, газ в підлогу: суміш 12-13, УОЗ в залежності від палива, форми камери згоряння і іншого
- Уповільнення: суміш бідна, УОЗ великий
Можна ще додати гальмування двигуном - тут форсунки можна вимкнути взагалі.
Ну, і потрібно розуміти, що режими перекривають один одного, жорсткої межі немає.
На матрицях карт це розмиті області, і двигун плавно перетікає з однієї в іншу.

Умовно ці області можна змалювати таку картину на мапі палива:

По осях: RPM - обороти, kPa - розрядження повітря в впуску, чим більше відкрита заслінка, тим вище його тиск. Над рівнем моря атмосферний тиск близько 100 kPa, тому на атмосферних двігателеях вище цього значення не буває, на турбированних - буває.

Аналогічним чином виглядає карта УОЗ - обороти і розрядження по осях таблиці і осередки зі значеннями.

Квітами умовно позначені області, де буває двигун в межах однієї карти палива в залежності від оборотів, педалі газу і навантаження на двигун.
Idle - холості.
Wide open throttle (WOT) - повністю відкрита заслінка або газ в підлогу.
Cruise - круїз, підтримання швидкості на малому навантаженні.
Deceleration - уповільнення.
Якщо Ви стоїте на місці і газує, двигун буде розвивати обороти в нижній області, оскільки навантаження на циліндри немає і на впуску буде високе розрядження (низький тиск повітря). Чим більше навантаження на двигун, тим менше буде розрядження на впуску (вище тиск повітря).

І, ось так, спостерігаючи роботу двигуна в різних режимах, ми підвищуємо і знижуємо значення осередків матриці палива і УОЗ в потрібній нам області, домагаючись максимальної потужності в областях, де двигуну треба розвивати максимальну потужність, і економічності в областях, де максимальна потужність не потрібна .

В сучасних ЕБУ використовується так звана моментная модель. Тут уже основний стає карта крутного моменту, яка є як би новим рівнем абстракції.
Такий підхід, скоріше, просто спрощує роботу настройщик. Прогрес такого роду можна порівняти з мовами програмування - написання коду на ЯП високого рівня простіше, ніж на ЯП, які ближче до "заліза", однак це робить більш складним код інтерпретатора або компілятора ЯП високого рівня.
Так чи інакше, нічого принципового це не змінює - закони фізики ті ж, і баланс суміші і УОЗ все одно залишаються головними факторами роботи ДВС, не має значення, карбюратор є у нас, чи найсучасніший ЕБУ ДВС.

Деякі негативні симптоми, які можуть виникнути під час налаштування ДВС.
Спостерігаємо детонацію або при запуску трапляється kick-back (PPP доводиться на BDTC, і поршень штовхає в іншу сторону) - значить занадто ранній УОЗ, пізнім.
Розпечений випуск і перегрів - занадто пізній УОЗ, підвищуємо.
Темний дим з вихлопної, погана реакція на газ, повільний прогрів, паливо потрапляє в масло, нагар на свічках - занадто багата суміш, підвищуємо AFR (бідні).
Погана реакція на газ, побіління свічок, простріли у вихлопній трубі - бідна суміш, знижуємо AFR (багатих).
Якщо двигун видає максимальну потужність, є хороший відгук на педаль газу, смагляві свічки, немає детонації і великої витрати - значить все налаштовано правильно.

Треба зауважити, що описані вище симптоми проявляються на занадто крайніх значеннях і прибираються на початковій настройці. В безпечних межах вирішується показаннями датчиків, вимірами і суб'єктивною оцінкою - їде краще або гірше.

Як виглядає ПО для настройки ЕБУ VEMS можна подивитися тут.