Статьи по теме "Чип-тюнинг"

Что такое Чип-Тюнинг

Работа двигателя - это всегда компромисс между многими параметрами, нормами, потребностями и возможностями. Основными критериями для разработчиков ПО для контроллеров систем впрыска сегодня является себестоимость, экономичность, ресурс двигателя и токсичность выхлопа. Жёсткие нормы по уровню токсичности заставляют разработчиков переводить двигатели на работу с более обеднёнными смесями и устанавливать каталитические нейтрализаторы вредных выбросов в выхлопных газах. Со стороны потребителя требования к мотору тоже взаимоисключающие. Хочется высокой мощности, большого и равномерного крутящего момента, надёжности и огромного ресурса - при всём этом желательно заправлять автомобиль самым дешевым топливом и иметь маленький его расход. Однако чудес на свете не бывает - улучшение одних параметров всегда ухудшает другие.

Оптимизация состава рабочей смеси - изменение количества топлива для разных режимов работы достигается несколькими способами: Увеличение магистрального давления топлива заменой или настройкой регулятора давления топлива и изменение программы работы ЭБУ (чип-тюнинг).

В любой блок управления заложена программа его работы. Программа работы микропроцессора хранится в ПЗУ и представляет собой собственно программу обработки данных ("софт") и одно, двух и трехмерные таблицы с данными (калибровки). Набор поправочных коэффициентов (калибровки) для различных режимов работы двигателя заложен в ПЗУ блока. Блок управления получая сигналы от различных датчиков, управляет работой исполнительных устройств для обеспечения оптимальной (по мнению разработчиков) работы силового агрегата. Необходимые параметры для управления исполнительными устройствами вычисляются в соответствии с приходящими данными и набором коэфициентов коррекции, заложенных в ПЗУ. Изменяя данные ПЗУ мы можем влиять на работу практически любого исполнительного устройства, из тех, которыми управляет ЭБУ. Для получения других мощностных характеристик можно изменить установку угла опережения зажигания, величину времени впрыска, отключить или изменить режим работы систем, контролирующих токсичность выхлопных газов, для двигателей с компрессором можно изменить величину давления наддува. Кроме того, можно изменить обороты холостого хода, максимально разрешённые обороты двигателя и максимально допустимую скорость автомобиля (при её электронном ограничении). Велика ли роль данных изменений в получении от двигателя максимальной мощности? Нет - её прирост может составлять 5-10% (исключение составляют наддувные двигатели, где без особых затруднений можно получить прибавку в 20% и даже более). Так есть ли во всём этом смысл? Каждый сам решает делать или нет, но тот кто хоть раз проехал на чипованой машине, решает этот вопрос для себя однозначно - да! Дело в том что мало кто ездит на режиме максимальной мощности - намного более важные параметры для повседневной езды это крутящий момент и эластичность двигателя. При резком нажатии на педаль акселератора на чипованном автомобиле, подхват двигателя произойдёт на более низких оборотах. То есть зачастую Вам просто не нужно будет переключаться на пониженную передачу, а переключившись вниз вы получите ещё большую интенсивность разгона.

Топливные форсунки

Статья представленная ниже является моим переводом рекламного буклета фирмы McLaren Electronic System (далее по тексту MES). Разработчика выигравшего тендер на поставку универсального блока управления для автомобилей F1. Что некоторым образом дифференцирует эту рекламу от аналогичных реклам типичных предложений на ebay всякого "кастомного хлама" в области "форсунок" с завлекающими названиями, в которых дырки в самом популярном случае расковыривают иголкой. Впрочем хотя и решение по цене и наличию простым смертным недоступно в принципе, но общие базовые аспекты выбора к которым надо стремится здесь все же указаны верно...

Макларен Электроникс поставляет пользователям в основном штыревые форсунки, хотя доступны и другие виды форсунок не имеющие штырей. Такие форсунки используют набор отверстий для распыления топлива. Как вариант, так же доступны форсунки с множеством отверстий для создания многочисленных струй топлива одной форсункой. Они нужны для предотвращения образования топливной пленки на стенках  впускного тракта, и их установка часто практикуется на много клапанных двигателях.

Однако все эти форсунки не рекомендуется использовать там, где необходимо стремится к максимальной отдаче двигателя (т.е. если отдача двигателя более важна, чем токсичность выбросов при холодном пуске и прогреве). Величина частиц топлива у форсунок с обычными отверстиями больше, чем у сопоставимых с ними по производительности штыревых форсунок, что делает их применение не пригодным в моторспорте.

 Принцип действия.

В закрытом состоянии (т.е. нет подачи топлива) клапан удерживается на седле сочетанием усилия возвратной пружины и давления топлива. Это позволяет форсунке оставаться закрытой без подачи питания. Когда к форсунке прикладывают напряжение (управляющий сигнал), электрический ток в соленоиде генерирует магнитное поле, создающее тяговое усилие на клапане. Когда эта сила превышает усилие от давления топлива и возвратной пружины, игольчатый клапан начинает поднимается и топливо начинает течь из форсунки. Игольчатый клапан продолжает подъем, пока не останавливается механически. В этой точке поток топлива переходит в стационарный. Топливо распыляется, как только оно проходит седло клапана. Затем оно поступает на штырь, что еще больше распыляет струи, и придает факелу форсунки форму конуса. Когда электрический ток выключается - магнитная сила спадает, пока не станет меньше суммарной силы cоздаванемой давления топлива и усилием возвратной пружины. Клапан начинает закрываться и расход топлива снижается  вплоть до посадки клапана на седло.

Напряжение питания и давление топлива.

В электромагнитных форсунках количество впрыскиваемого топлива регулируется длительностью электрического управляющего сигнала. Расход определяется площадью кольцевого отверстия, образованного между корпусом форсунки и подвижной частью иглы клапана. При постоянном давлении топлива объемный расход через полностью открытую форсунку постоянный. Если давление в топливной системе не постоянно - расход будет меняться как квадратный корень из разницы давлений. Однако игла клапана обладает инерцией, а для нарастания и спада магнитного потока в катушке необходимо время - поэтому движение иглы клапана не следует логике подачи управляющего сигнала на форсунку (см рисунок ниже). Существует задержка между подачей сигнала управления и перехода клапана в полностью открытое положение, и так же задержка (как правило более короткая) между снятием напряжения и полным закрытием иглы.

Time Versus Battery  (Компенсация по напряжению бортовой сети.)

TVB (оно же Dead time или Lag Time форсунок). Является разницей между временем, которое клапан потребовал на открытие (временем действия управляющего сигнала) и временем фактически открытого клапана. Это время так же учитывает и расход топлива через форсунку, когда клапан частично открыт (открывается) или частично закрыт (закрывается). Оно должно учитываться системой управления при расчете длительности импульса впрыска, для получения требуемого количества топлива.

TVB зависит от напряжения в бортовой сети (точнее непосредственно напряжения на соленоиде форсунки) и давления в топливной системе (которое помогает при закрытии клапана). Значение эффекта напряжения на TVB широко признанно и в многих ЭБУ реализована соответствующая корректирующая карта, добавляющая дополнительное время к импульсу впрыска в зависимости от напряжения бортовой сети (которое сильно меняется например при прокручивании коленчатого вала стартером). Значение изменения давления топлива на TVB часто недооценивается, так как его пагубное влияние становится очевидным только после того, как форсунка устанавливается в топливную рампу (на ряду с другими форсунками). Давление топлива в топливной рампе может пульсировать при открытии и закрытии нескольких топливных форсунок. Если TVB сильно чувствительно к изменениям давления топлива, большие и непредсказуемые колебания топливоподачи при малых временах впрыска приведут к ухудшению отклика на дроссель, большому расходу топлива и в конечном счете плохому времени круга. Тестирование форсунок обычно производят на стендах в которых применяются меры направленные на устранение колебаний давления, при постоянном указанном давлении, чтоб результаты этих тестов могли быть воспроизведены на других стендах. Из за этого производители обычно не публикуют зависимости TVB от давления топлива.

Линейная область работы форсунки  и динамический диапазон.

Поток проходящий через форсунку будет постоянным только в то время когда клапан полностью открыт (конечно если характеристики топлива и его давление неизменны). Поток сокращается при открытии и закрытии игольчатого клапана форсунки по причине уменьшения площади кольцевого сечения между иглой и седлом клапана. Это означает, что отклик форсунки порождает нелинейность, если длительность импульса впрыска очень маленькая. Однако характеристика форсунки так же не линейна в областях близких к 100% duty cycle, поскольку напряжение  в следующем цикле подачи топлива подводится к клапану который еще не успел закрыться после предыдущего цикла.

Минимальное время впрыска, которое обеспечивает отклонение расхода не более 2% от линейной функции определяет нижнюю границу линейной характеристики форсунки и называется минимальным линейным временем впрыска (MLPT). Это минимальное время впрыска, которое может быть использовано системой управления для качественного управления топливоподачей.

Отношение максимального времени впрыска в линейном диапазоне (отклонение от линейной функции не более 2%) к минимальному времени впрыска (MLPT) называется динамическим диапазоном форсунки (DFR). При сравнении форсунок некоторые производители указывают MLPT и DFR в пределах +-5%, так как это дает им более привлекательные цифры. Однако в моторспорте вариации в 5%, как правило, неприемлемы. Все значения, используемые McLaren Electronic System имеют гораздо более жесткий, 2-х процентный предел.

Выбор форсунок.

В идеале производительность форсунок (т.е. количество впрыскиваемого топлива) должно быть выбрано таким образом, чтоб импульс впрыска на полной нагрузке был как можно более коротким. Это позволяет предотвратить потери несгоревшей смеси из камеры сгорания в момент перекрытия клапанов. В то же время производительность форсунок не должна быть настолько высокой, чтоб в областях малых нагрузок в топливных картах не требовалось устанавливать время впрыска меньше, чем MLPT.

Одна или две форсунки на цилиндр.

Там где требуется очень широкий динамический диапазон (как правило DFR >8), например в высоко оборотистых или турбированных двигателях, он не может обеспечиваться одной форсункой на цилиндр во всех режимах (от холостого хода до полной нагрузки) с нужным качеством и точностью. В таких условиях можно рассмотреть вариант установки 2-х форсунок на цилиндр, одна из которых будет обеспечивать условия для для работы на низкой нагрузке а другая (или бое сразу) на высокой.  В этом случае форсунка для низких нагрузок может быть выбрана с меньшей (или идентичной) производительностью с форсункой для больших нагрузок.

Угол конуса и установка форсунок.

Угол конуса форсунки является геометрическим параметром, определяющим распределение распыления топлива форсункой работающей в среде неподвижного воздуха. Штыревые форсунки в зависимости от конструкции могут генерировать конус с углами практически от 0 до 90 градусов. Более широкий угол конуса обеспечивает лучшую механическую подготовку топливовоздушной смеси (т.е. большую однородность смеси, которая может дать больше мощности, и уменьшить расход топлива). Однако это только в случае, если установка форсунки позволяет сориентировать основной поток топлива непосредственно в впускной канал двигателя. У высокооборотистых двигателей в каналах возможны значительные пульсации, которые могут выбрасывать воздух обратно в ресивер. Чтоб убедится, что все впрыснутое топливо поступает в конкретный цилиндр, а не вырывается обратно из впускного канала, и не втягивается в соседний цилиндр, необходимо иметь высокую скорость топлива в направлении впускного клапана. Это может быть достигнуто с маленьким углом конуса впрыска и высоким давлением топлива (как правило выше 8bar). Коме того пульсации воздуха в каналах препятствуют поступлению топлива, более широкий угол конуса может так же привести к образованию топливной пленки на стенках канала. Это может привести к проблемам управляемости двигателя (и более высоким выбросам) особенно при низких температурах охлаждающей жидкости. Он так же может потребовать реализации в ЭБУ более сложных стратегий обогащения/обеднения, для улучшения динамических характеристик двигателя, даже при оптимальных температурах двигателя.

Некоторые разработчики пытались преодолеть проблемы плохого смесеобразования, путем монтирования форсунок в узком конусе перпендикулярно потоку воздуха. Они пытались компенсировать плохое механическое распыление путем генерирования вихревого эффекта. Этот подход не рекомендуется! Хотя он и может улучшить результаты в установившихся состояниях работы системы, как правило динамические режимы в этом случае оставляют желать лучшего.

Контрмера иногда используемая для борьбы с плохим распылением - установка форсунок подальше от впускного канала, чтоб дать воздуху лучше перемешаться с топливом. Опять же это может помочь только в установившемся состоянии и приведет к существенным колебаниям подачи при ускорении двигателя.

При установке 2-х форсунок на цилиндр одна из них может быть установлена вне впускного канала как можно дальше, в то же время другая рядом с впускным клапаном. Но при этом должны быть использованы сложные механизмы обогащения при ускорении  при переходе с одной на две форсунки, иначе смесь будет обедняться во время ускорения.

Принимая во внимание все эти факторы а так же принимая во внимание, что угол конуса факела в некоторой степени будет искажен внутрь воздушным потоком, конус с углом 50 градусов является наиболее оптимальным для большинства приложений моторспорта. В сочетании с хорошим распылением (обеспечиваемым высоким давлением топлива) форсунка может быть установлена рядом с впускным клапаном. Впрыск топлива на впускной клапан обеспечивает хорошую подготовку смеси как в установившихся режимах, так и при ускорении.

Эффективность распыления топлива.

Лучшее распыление всегда будет приводить к меньшему расходу топлива и большей мощности, но этот эффект будет варьироваться от двигателя к двигателю. Прибавка постепенно сократится, когда размер капель топлива станет очень маленьким, и дальнейшее их уменьшение уже не будет оказывать влияния. Эффективность распыления определяется в основном дизайном и качеством механической обработки штыря форсунки, размером клапана, и скоростью истечения топлива. Как правило: увеличение давления топлива (следовательно скорости истечения) приводит к уменьшению размеров капель. Форсунка с более высокой статической производительностью будет иметь больший размер капель. Некоторые производители приводят для своих форсунок параметр SMD который характеризует средний размер капель топлива создаваемых форсункой измеренных на определенном расстоянии от ее выхода (может быть использовано для сравнения форсунок разных производителей - чем меньше тем лучше). Однако это всего лишь одно значение, и оно может ввести вас в заблуждение, поскольку оно характеризует работу форсунки в установившемся состоянии.  В импульсном режиме (а именно в нем работает форсунка в двигателе) SMD изменяется на протяжении всего времени впрыска. Последовательные измерения показывают высокий SMD в момент открытия форсунки (топливо разгоняется до скорости в установившемся состоянии), SMD уменьшается после того как поток топлива переходит в установившееся состояние, затем уменьшается еще больше при закрытии форсунки (здесь играет эффект сужения кольцевого зазора при высоких скоростях топлива). Фактически все это означает что качество распыления - а следовательно и работы двигателя может очень сильно пострадать при малых временах импульса впрыска.

Хорошее распыление было одним из главных критериев при разработке фирмой MES форсунок высокой производительности для моторспорта, поэтому для них разработан оригинальный дизайн штыря форсунки, предназначенный для работы с очень высоким давлением и большим углом конуса факела.

Форсунки TSR (производимые MES), обеспечивают отличную эффективность распыления, особенно при работе с высокими давлениями топлива вплоть до 30bar, при которых регистрировались значения SMD менее 20 нанометров. Форсунки TSR являются одними из немногих в мире, где оригинальная конструкция не основана на компромиссных подходах массового рынка. Кроме того, это первые и единственные (как мы знаем) форсунки для моторспорта, способные надежно работать при давлениях топлива до 30 бар. Поэтому в настоящее время это лучшие форсунки для моторспорта.

Сопротивление катушки соленоида форсунки.

Для того, чтоб точно дозировать топливо в самом широком диапазоне значений расхода, требуемых для работы двигателя в нагрузочных режимах от холостого хода, до 100% дросселя, форсунка должна иметь как можно меньшее время открытия и закрытия. Это достигается за счет оптимизации ее электромагнитной схемы и уменьшения массы клапана и штыря (что приводит к снижению его момента инерции). Большинство массовых форсунок делается высокоомными, с сопротивлением катушки от 8 до 14 Ом. Использование высокоомных форсунок, являлось одним из наиболее важных шагов к снижению стоимости систем впрыска топлива, для массового рынка в начале 80-х годов прошлого столетия. Большинство форсунок используемых в моторсопрте так же высокоомные, поскольку многие решения моторспорта основаны на массовом рынке продуктов, либо имеются ограничения в блоках управления двигателями не позволяющие использовать с ними другие типы форсунок. Такие форсунки могут использоватся с дешевыми драйверами управления, которые просто прикладывают напряжение бортовой сети к форсунке на протяжении всей длительности импульса впрыска. Ток через катушку (а так же энергия магнитного потока) практически зависит только от ее сопротивления. Использование высокоомных форсунок популярно у производителей дешевой электроники для моторспорта (из за своей простоты) но оно ставит под угрозу время срабатывания форсунки и связанное с ним качество управления двигателем и его отдачу.

Форсунки MES разработаны для получения наивысшей отдачи от двигателя поэтому наши форсунки высокой производительности используют низкоомные катушки соленоидов с сопротивлением 2 или менее Ом. Эти низкоомные форсунки требуют  более сложную, многостадийную логику управления током катушки (так называемую Peak And Hold (P&H)). Причем эти стадии могут быть сконструированы так, что вся энергия запасенная в открытой форсунке может быть возвращена в систему управления и таким образом низкоомные форсунки могут требовать очень мало энергии для своей работы. Система многостадийного управления на первой стадии которая называется Peak может создать более высокий ток через катушку, что в результате позволяет произвести большую магнитную силу, и уменьшает время открытия форсунки. Как только форсунка открылась, ток уменьшается, и соленоид переходит в режим удержания (Hold), это приводит не только к уменьшению ее нагрева, но, что более важно, дает возможность форсунке быстрее закрыться. Так как гораздо меньше энергии сосредоточено в магнитном поле форсунки. В то же время в ЭБУ драйверы сконструированные для работы P&H и стабилизирующие ток могут управлять и высокоомными форсунками, без каких либо изменений.

Форсунки MES TSR используют специально разработанные катушки соленоидов с очень низким (около 0.64 Ома) сопротивлением и очень низкой индуктивностью. Их магнитные и гидравлические схемы так же оптимизированы. Специально разработанные P&H драйверы управления для них реализующие требуемые законы, позволяют достичь очень низких значений MLPT даже при давлениях топлива более 30 bar.

MES разрабатывает форсунки для моторспорта - и это бескомпромиссный продукт.

(с) 2007 McLaren Electronic System.

Теперь вернемся к реалиям нашего мира, и попытаемся на практике объяснить, что же здесь такого умного было написано английскими инженерами.

Линейность и практика.

Типичная высокоомная форсунка из разряда "ширпотреб" которая устанавливается на турбо двигатели как ВАЗ так и большинства иномарок при тюнинге разного вида не обладает такими космическими характеристиками, как по динамическому диапазону, так и по минимальному времени впрыска в линейном режиме, как форсунка двигателя формулы 1. Мало того, ее характеристики хуже примерно так на порядок. Например MLPT типичного высокоомника  находится в диапазоне времен впрыска 2.5-3ms. Для обеспечения же нормальной топливоподачи на частичных нагрузках в турбодвигателе приходится использовать времена впрыска не то, что не на границе MLPT, что уже противоречит изложенным в этом тексте требованиям - а на границе, где форсунка вообще способна подавать топливо (самые малые времена впрыска 1.3-1.6ms) - т.е. при реальной настройке оказывается, что форсунка использует ВСЮ свою нелинейную зону целиком! И даже этого зачастую не хватает и приходится наблюдать смеси около 11:1 afr и богаче на самых малых дросселях и оборотах в районе 2000-2500 при времени впрыска 1.4ms с чрезвычайно паршивым управлением двигателем в этих режимах и как следствие дикому перерасходу топлива двигателем в режимах обычной езды. Подобная ситуация встречалась у абсолютного большинства двигателей которые мне приходилось настраивать и у которых использовались разного рода рассверленные - распиленые-и даже просто заводские высокоомные форсунки с производительностью выше, чем 500сс/мин.

По этой причине мной никогда не используется лямбда-регулирование с замкнутым циклом в подобных системах. Оно просто не может работать в таких условиях. Ведь фактически функция обучения задумана авторами для коррекции отклонений в системе которые не могут быть учтены другими способами (например засорение форсунок), и может правильно работать только в случае если форсунки всегда находятся в линейном режиме (даже при самых малых нагрузках на двигатель). Программа лямбда регулирования в ЭБУ постоянно рассчитывает корректирующие коэффициенты (аддитивные и мультипликативные) распространяя таким образом свое влияние на те зоны режимных областей двигателя, где собственно само лямбда-регулирование запрещено. Не сложно предположить, что может "нарегулировать" программа с подобной логикой, даже просто при переходе времени впрыска форсунок в нелинейный режим (ниже пределов MLPT). Работа же лямбда регулирования в областях, где время впрыска достигает минимальных значений в самом лучшем случае свалит алгоритм с ошибкой "система слишком богатая" и отключит его влияние. Если вы возьмете любую заводскую турбо машину - то увидите, что там форсунки выбраны четко на пределе, чтоб только обеспечить заявленные мощности двигателя, что позволяет при том же MLPT получить меньшую подачу и таким образом вписаться в линейный диапазон. Конечно для заводских инженеров не столь сложно создать алгоритмы позволяющие работать и в нелинейном диапазоне форсунок тоже, с четко известной подачей топлива (просто связать производительность с временем впрыска двухмерной характеристикой а не константой и проделать небольшой НИиОКР) однако на практике я такого пока не встречал - возможно из за того что заводских именно "турбо" систем управления видел мало. Впрочем хорошо представляю, какие проблемы это могло бы создать при замене форсунок на подобных системах другими.

Судьба железа.

Впрочем неправильный выбор форсунок несет за собой и другие проблемы. Немногочисленный опыт эксплуатации двигателей с очень богатыми смесями на частичных нагрузках (обычно это случается когда установив относительно большие форсунки экономят на датчике фаз и в итоге получают на ХХ смеси 9-10 afr либо форсунки ну очень большие) показывает, что на механическую часть двигателя такая работа тоже влияет не лучшим образом. Богатая смесь не вся вовлекается в процесс сгорания. Тяжелые составляющие топлива оседая на стенках цилиндра смывают масло попадая в картер (масло при этом разжижается - что не лучшим образом сказывается на работе всех механических систем двигателя, ресурсе вкладышей) - а ведь это не режимы полной мощности в которых двигатель проводит 10-15% своей жизни. Это фактически постоянная работа двигателя - пробки, ХХ.. В частности один из двигателей VW  16v после пробега 5000км на смеси порядка 10AFR на ХХ - от хона полностью исчезли какие либо следы, а диаметр цилиндра увеличился почти на размер. Владелец мало того не поставил датчик фаз, он просто ездил на обкаточной программе - зачем настраивать мотор если и так "все зашибись" вроде.  Копеечная экономия влетела ему в капремонт двигателя.  Недавно с такой же "экономией" моими клиентами была собранна парочка классических двигателей ВАЗ - что ж, посмотрим какова будет их судьба (я конечно предупредил их о последствиях, но ведь у них же как обычно - "все зашибись";), хотя классика все же не фольксваген - она даже на карбюраторе ездит, уж там то со смесями в некоторых местах беда)...

Нормальные форсунки в России - это фантастика!

У нас есть простенький стенд для проливки форсунок на производительность и баланс. Так же позволяет оценить угол факела (если вообще у форсунки есть понятие факел - а не то, что она просто льет струей куда либо). Естественно частенько приходится что то проливать из того, что приносят - как правило это куплено на известной брахолке ebay или у наших поставщиков (в конечном случае источник - тот же ebay).. Так вот грязные ВАЗ-овские стоковые форсунки снятые с двигателя с разборки как правило по балансу в 2% укладываются. Для комплектов же с еbay - 5% это просто фантастика. Таких дай бог 1 из 5. Остальные имеют разброс до10%, и это просто по статике. К лотам аукциона бывает приложено писанины побольше, чем написано тут, но главное понимать одно - если вы видите "custom drilled/milled" - закрывайте окно покупки сразу. Или на выходе вы получите за дорого дешевую форсунку в которой негры поковырялись иголкой в американском тюнинговом подвале с громким названием "что то там - инжениринг". Запомните - в хороших форсунках отверстия сделаны методом электроэррозии, в годных форсунках - лазером, если они рассверленные или расковыряны иголкой - это не форсунки, что бы там не обещали продавцы.К сожалению лазеров и электроэрозионных установок негры пока в подвалах не завели (хотя устройства это в общем то простые). Просто возьмите лупу и посмотрите на сеточку или штырь - если испугаетесь, значит брать не стоит.

Альтернативная система зажигания для Январь-5.1

Штатный модуль системы зажигания зажигания Январь-5.1 к сожалению имеет очень низкую надежность. Особенно сильно обострилась ситуация с надежностью после прекращения АвтоВАЗом оснащения товарных автомобилей системой Январь-5. Производители уникальных компонентов (к которым относятся модули зажигания) тут же потеряли крупного заказчика а вместе с ним и интерес поддерживать на должном уровне качество своей продукции, магазины мгновенно наводнили как просто модули низкого качества, так и откровенные подделки, которые оставались работоспособными несколько часов максимум неделю. Такая же ситуация возникла на рынке высоковольтных проводов для двигателей 16v так же снятых с производства. Таким образом уже в 2006 году практическая эксплуатация автомобилей оснащенных системой Январь-5 сильно затруднилась, поскольку качественные комплектующие стало сложно доставать.

В подобных условиях мы вынуждены были искать решение, позволяющее исключить из системы "модуль зажигания ВАЗ 2112" и заменить его более надежными и главное недорогими компонентами. Один из приемлемых вариантов - использование новых модулей зажигания от систем Январь-7 с внешним двухканальным электронным коммутатором.

Немного теории.

Основными требованиями к системе зажигания являются, обеспечение необходимого выходного напряжения, времени его нарастания, энергии искры, и ее длительности. При этом для разных автомобилей двигателей  и разных режимов их работы эти требования могут становится взаимоисключающими. Требования к выходному напряжению вытекают из возможности бесперебойного искра-образования при любых условиях работы двигателя. Напряжение пробоя искрового промежутка определяется давлением конца такта сжатия, температуры конца такта сжатия и зазором между электродами свечи. Оно может быть приблизительно рассчитано по полуэмпирической формуле (см. закон Пашена): V=A*X+B*SQRT(X)+С;  X=l*(p/100)*293/(t+273) где: V - напряжение пробоя в киловольтах, l - зазор между электродами в сантиметрах, p - давление конца такта сжатия абсолютное (кПа), t - температура конца такта сжатия (градусов Цельсия), A=25, B=7, C=0 - коэффициенты влияния...

Из формулы следует, что требования к выходному напряжению могут быть обоснованы расчетом для точки, где давление конца такта сжатия максимально (точка максимального крутящего момента на ВСХ) с использованием необходимого коэффициента запаса. Поскольку турбокомпрессорные двигатели обычно имеют большие значения давлений конца такта сжатия они при равных условиях требуют большего выходного напряжения системы для пробоя искрового промежутка. Однако в этом случае есть более простой выход из ситуации - достаточно просто уменьшить зазор между электродами свечей l до значения 0.8mm (обычно в NA двигателе это значение 1.1mm), что позволит использовать на турбокомпрессорном двигателе те же самые компоненты системы зажигания без увеличения выходного напряжения системы. Так же при этом следует избегать на режимах частичных нагрузок и ХХ использования смесей беднее, чем указано в таблице ниже:

Зазор между электродами (мм) 1.5 1.25 1.0 0.75 0.5
Предел обеднения смеси (AFR) 20 19 18 17.5 14

Требования к энергии искры вытекают из возможности бесперебойного поджига топливовоздушной смеси в любых режимах работы двигателя. Для воспламенения бензина в стехиометрической смеси с воздухом при нормальных условиях по разным источникам достаточно очень маленьких значений энергии искры - 0.2-0.6 mJ. Однако в реальном двигателе это значение может меняться в очень больших пределах. В частности наибольшее влияние на энергию искры оказывает состав топливовоздушной смеси - любое отклонение от стехиометрии приводит к резкому возрастанию требований к энергии искры. В  частности для смеси с AFR 10.0 требуется уже около 2-5 mj. (на порядок большие значения энергии, чем для смеси 14.7). Так же больших энергий требуют и бедные смеси. Таким образом эмпирический график зависимости требуемой энергии искры от состава представляет собой параболу. При понижении температуры окружающего воздуха требования к энергетике системы так же возрастают, связано это с понижением температуры смеси в конце такта сжатия, что приводит к большим энергетическим затратам на ее поджиг. Зависимость требований к энергии искры в зависимости от нагрузки на двигатель напрямую связана с давлением конца такта сжатия и количеством остаточных газов - чем больше давление конца такта сжатия и чем меньше в камере сгорания остаточных газов, тем меньше требуется энергии для поджига топливовоздушной смеси! Таким образом на прогретом двигателе наиболее чувствительным  к энергии участком является режим холостого хода и частичные нагрузки (меньше нагрузка и больше всего остаточных газов), а наименее чувствительной - точка крутящего момента на ВСХ. Поскольку давление конца такта сжатия является функцией степени сжатия - с ростом степени сжатия чувствительность двигателя к энергетике системы зажигания падает. Таким образом атмосферные двигатели менее требовательны к этому параметру, чем турбо двигатели.  Не существует абсолютно никакой связи требований по энергии искры с оборотами двигателя. (кроме уже описанных выше связи с количеством остаточных газов и физической связи с временем накопления). Практическим доказательством этого в частности является тот факт, что в двигателях F1 c оборотами 18000 используются катушки, энергия которых более чем в 2 раза меньше, чем у модуля ВАЗ-2112 (за одно кстати снижаются затраты на систему зажигания - а следовательно и мощность двигателя не расходуется зря).

На основании вышесказанного можно сделать серию простых логических выводов:

1) В полной мере требования по энергии искры реализуются зимой при пуске холодного двигателя (богатая смесь, холодный воздух, низкие обороты).

2) Турбо двигатели из за низкой степени сжатия и использования более богатых смесей более требовательны к обеспечению определенных значений энергии искры, чем атмосферные.

3) Для абсолютного большинства двигателей на любым режиме достаточно значений в 30-40mJ.

Управление временем накопления.

На практике при конструировании систем зажигания используют 2 метода стабилизации энергии искры.

1) Адаптивное управление временем накопления с целью получения определенных значений тока разрыва Iр.

2) Управление временем накопления средствами ЭБУ по законам заложенным в его микропрограмму с целью получения требуемого тока разрыва и энергии искры.

Первый метод применяется во всех системах зажигания с электронными коммутаторами (в частности в карбюраторных ВАЗ). 2-й как правило только в системах с электронным впрыском топлива с управлением временем накопления.

Достоинством первого метода является поддержание абсолютно одинаковой энергии искры в любых режимах работы двигателя автомобиля, при любых температурах окружающего воздуха и элементов коммутатора, причем значение этой энергии зависит только от тока разрыва Iр для конкретного электронного коммутатора и характеристики применяемой в паре с ним катушки зажигания. Недостатками является тот фактор, что при использовании такого метода в системе управления с по цилиндровой коррекцией угла зажигания могут возникать проблемы связанные с фазовым сдвигом фронтов сигналов начала накопления энергии и момента искрообразования у разных цилиндров в паре, что может приводить к ошибкам в работе адаптивной функции управления временем накопления, в результате чего будут формироваться импульсы зажигания с разной энергией искры по цилиндрам.

Недостатки метода с управлением временем накопления от ЭБУ связаны с тем что коэффициенты передачи по току у элементов коммутации могут сильно меняться в зависимости от партии элементов и температуры коммутатора. Таким образом возможно возникновение ситуации, когда ток разрыва превысит определенные заданные значения, определяемые физической моделью, что приведет к выходу из строя коммутатора или катушки зажигания, однако эксплуатация реальной системы показывает, что такое развитие ситуации практически не возможно.

Конкретный метод применяемый в системе определяется схемотехнической реализацией электронного коммутатора.

Решение.

В 2006 году для систем управления Январь-5.1 в DTT Motorsport налажено мелкосерийное производство двухканальных электронных коммутаторов обоих типов c унифицированной схемой подключения к ЭБУ Январь-5.1:

Коммутаторы могут использоваться совместно с модулями зажигания BOSCH 0.221.503.001 (Волга), 4601.3705 (Январь-7),а также сдвоенными катушками 3022.3705 4412.3705 (Волга,Ока). Итп... При использовании 2-х коммутаторов возможно применение индивидуальных катушек зажигания работающих в режиме с генерированием холостой искры. В этом случае выводы 2,3,4,5,6 2-х коммутаторов соединяются параллельно, выводы 1,7 коммутаторов используются для управления 4-мя катушками раздельно, в частности подобное решение применено на автомобиле 2108 2.1 turbo 4wd...

 Характеристики электронных коммутаторов приведены в таблице:

Вариант 1 Вариант 2
Ток разрыва (ампер) 8 (+-0.5) до 15 (определяется ЭБУ).
Ток потребления (ампер) 2.7 до 4
Напряжение питания  (в) 6-16
Диапазон рабочих температур -40...+85

Энергия искры на выходе вторичной обмотки для 1 варианта коммутатора (ток разрыва 8А):

Тип катушки зажигания 0.221.503.001 4601.3705 4412.3705 3012.3705 3022.3705 52.3705 (элемент МЗ)
Е (mj) 52 50.5 52.8 38.4 39-43 44.64

 (поскольку конструктивно катушки одинаковые - кпд для всех принят за 0.5)

Статьи по теме