Как работает современный ДВС, Zero-To-Hero Part 0

Привет, Клуб!

Ранее я писал в своём Интро, что в одно время сильно увлекся тюнингом и настройкой электронных блоков управления двигателем (ЭБУ/ECU - Engine Control Unit).

Сегодня я решил написать этот длиннопост, посвященный работе блокоу управления двигателем (и не только) в ваших (и не только) автомобилях. Такой информации в интернетах не сказать что мало, но она очень сильно разрозненна, у меня ушло несколько лет чтобы изучить то что я знаю сейчас чем я и хочу с вами сегодня поделиться. Пост разделю на несколько частей потому что получается ОЧЕНЬ ОБЪЁМНО и МНОГАБУКАФ. TLDR не будет кста 😎👍

Я ни в коем случае не претендую на какую-либо экспертность в данном вопросе, это только лишь мой опыт, без каких-то чрезмерных погружений в теорию вопроса. Если вас это не устраивает, рекомендую закрыть этот пост, спасибо.

Дизельные двигатели сегодня особо рассматривать не будем, для них многое похоже, но и очень много своих нюансов.

Немного теории ДВС

Так падажжи гетжумп мы что сюда за теорией пришли? - спросите возможно вы, но вот в данном вопросе, я её постараюсь подать максимально понятно и без неё никуда.

Итак, есть у нас такой классический ДВС, отбросим всё лишнее, что нам важно знать: у него есть рабочий объём, это то что у вас в литрах скорее всего.

Что важно помнить, для успешной работы ДВС важно выполнение пары условий:

1. Что поджечь (Топливо-Воздушная смесь ⛽️)
2. Чем поджечь (Искра/Сжатие).

Эти условия рекомендую запомнить и вспомнить если не запускается (как говорил мой дед заводят за щеку, а двигатель запускают 🗿) двигатель вашего автомобиля. Если у вас не будет запускаться двигатель автомобиля, начинайте именно с проверки подачи топлива (контролька на форсунку, если не система непосредственного вспрыска, если она, то... 🗿) и наличия искры зажигания (проверяется очень легко, выкручиваете свечу, накидываете на неё, кладёте на то место где будет контакт с массой, крутите мотор, дальше всё очевидно, если нет, доставайте бубен и молитесь джизэту 🗿).

А дальше накладываются всякие новые штуки, например система наддува. Это либо турбина с горячей частью, которая раскручивается за счёт выхлопных газов, либо турбокомпрессор, который работает за счёт прямого привода посредством ремня - это когда звук как будто режут порося 🐖:

Сорри если задел ваши чувства, но мы тут о высоком разговариваем, как настоящие Petrolheadы. Наддув для нас пока не особо интересен, рассмотрим его позднее.

Для понимания рекомендую думать о двигателе, как о пылесосе - в зависимости от характеристик (объём камеры сгорания и т.д.) он может выдать определенный максимальный поток воздуха (про мощность пока молчим). Только в случае ДВС ещё добавляется топливо, смесь с которым нужно каким-то образом воспламенить.

Такты ДВС

Как происходит один нормальный цикл в четырехтактном ДВС:

1. Такт впуска - всасывается смесь объёма топлива V_F и объёма воздуха V_A (как пылесос)
2. Такт сжатия - сжимается полученная на этапе (1) топливо-воздушную смесь, отношение между максимальным рабочим объёмом камеры сгорания и минимальным, называется степень сжатия
3. Такт воспламенения - смесь воспламеняется в момент T, толкая поршень в обратную сторону*
4. Такт выпуска - отработавшие газы вытесняются из камеры сгорания

Слишком много вопросов, слишком мало ответов. Давайте попробуем чуть подробнее отмоделировать ДВС, оставив только самое важное.

Моделирование ДВС

Вкратце - физика ДВС довольно хорошо изучена и оказывается мы можем довольно хорошо этот процесс моделировать, посредством одной из нескольких моделей в зависимости от используемых сенсоров на двигателе:

1. MAP - сенсор - сенсор давления во впускном тракте
2. MAF - сенсор - сенсор массового расхода воздуха
3. Комбинация

Есть более старый подход без сенсоров с карбюратором, но его рассматривать не будем. Но карбюраторы это ТЕХНО-ПОРНО, вы только посмотрите в пол глаза на это видео и поедем дальше по ВЕРХАМ!

Рассмотрим случай (2) он самый простой. MAF сенсор в самом простом случае это проволочка, которая нагревается и воздух проходя мимо, её охлаждает, таким образом мы можем определить объём поступающего в двигатель воздуха. Под капотом это работает посредством интерполяции вольтажа на MAF сенсоре по его Lookup таблице (x[MAF_Voltage] = Y), например от 0 до 5 Вольт - это наш V_A объём воздуха.

Случай (1) сложнее. Мы измеряем давление во впускном тракте, как получить из него объём? Оказывается, довольно просто, благодаря уравнению Менделеева-Клайперона, но нам необходимо ещё несколько величин.

1. Во первых нам необходима температура поступающего на впуск воздуха - это так называемый IAT сенсор (Intake Air Temperature)
2. И дополнительно величина характерная для данного двигателя при текущих параметрах VE (Volumetric Efficiency), отсюда и название такой модели Volumetric Efficiency.

Текущие параметры это чаще всего показания самого MAP сенсора P и текущие обороты двигателя RPM. Функция от двух переменных VE(P, RPM) - как это собственно ебать? Придумали рабочий метод двумерная таблица со значениями на пересечениях P и RPM (F[P, RPM]) с интерполяцией при промежуточных значениях.

Air-Fuel Ratio

Итак, у нас есть объём воздуха V_A, как определить необходимый объём топлива V_F? Оказывается наука выяснила, что оптимальное число AFR (Air-Fuel Ratio) например для бензина составляет 14.7. Опустим пока, что значит "оптимальное".

Придумали и более простую схему, простую с точки зрения работы с другими видами топлива и их смесями (например Этанол/Ethanol, о нём здесь разговаривать не будем слишком много нюансов 🤷) - Lambda, это велчина которая при умножении на AFR для данного вида топлива задаёт смесь, пример Lambda=0.5 * AFR=14.7 = 7.35. Смесь AFR ниже чем "идеальная" принято называть богатой (rich) Lambda < 1.0 (т.е. топлива больше), выше, бедной (lean) (т.е. топлива меньше).

ЛОЛ ГЕТЖУМП ОНИ ЧТО ВОДКУ В МОТОР ЛЬЮТ? А УУУУ 🐻 🇷🇺 ВОДКУ ПИТЬ НАДО НУ ТУПЫЕ БЛЯТЬ

Да, и не только водку, так же метанол, но это совсем другая история. Про неё я бы тоже рассказал, потому что это перспектива сделать ДВС экологичнее практически отказавшись от нефтепродуктов, если кому-то интересно ПРЯМО СЕЙЧАС, то гуглите: Flex Fuel, E85 и т.д.

Существуют датчики AFR, так называемые Лямбда-зонды (OS, Oxygen Sensor), которые вставляются где-то в выпускном тракте и анализируют выпускнуе газы, определяя соотношение AFR. Существуют два вида зондов:

• широкополосные (WBO - Wideband Oxygen Sensor) может измерять AFR - смесь в широком диапозоне
• узкополосные(Narrow Band) могут определять только богаче ли смесь определенного числа (чаще всего стехиометрии), или беднее.

С большой вероятностью в вашем автомобиле установлен именно широкополосный лямбда зонд (если автомобиль довольно современный), причём их может быть два, один до катализатора, второй после.

Оказывается, что "оптимальная" смесь это плавающая характеристика от многих переменных:

1. Устойчивость к детонации, которая зависит как от характеристик двигателя, так и от характеристик топлива
2. Выходные характеристики которые выдаёт двигатель при определенных условиях при этой смеси.
3. Экология, этот момент мы по максимуму постараемся пропустить, извините, настоящего петролхеда это мало заботит ☠️. (Где-то одна Грета Тунберг, громко сказала ТАК БЛЭТ.)
4. Экономия топлива.

Как видно по графику:

1. Наилучшая мощность в этом случае достигается где-то в районе AFR=12.5, но в этом случае у нас выхлоп пахнэ як вкусна карбон диоксидом и гидрокарбоном 🤤 (запах выхлопа без катализатора с богатой смесью*), смотрите на уровни газов на графике.
2. Поэтому обычно эту смесь стараются приблизить к нашим попугаям AFR=14.7, но обратите внимание на Closed-Loop Mode - только в определенных пределах (в среднем это холостые и около холостые режимы, под нагрузкой смесь стремится в сторону обогащения).
3. Наилучшая экономия достигается на более бедных смесях (что как бы очевидно), но бедная смесь это плохо всем, кроме экономии.

Не бедните смесь - это плохо. Помните горелку/автоген и т.д.? Вот в двигателе на бедной смеси может такое получится и будете потом собирать плавленные поршня и т.д. из картера 🗿. Либо что хуже, в двигателе может начаться детонация, а это с большой вероятностью смерть двигателя. Богаче лучше чем беднее ☝️

Зачем нужно два лямбда зонда? Очень просто, смесь задаётся посредством множества карт на заводе изготовителе или при настройке (тюнинге). Но двигатель не всегда будет работать в этих идеальных условиях, иногда они либо будут выходить за границы, либо что-то может пойти не так, для этого и предназначен первый лямбда зонд, посредством которого двигатель может корректировать РЕАЛЬНУЮ смесь до заданной. Про коррекции подробнее в следующих статьях. Через второй лямбда зонд отслеживают работоспособность катализатора.

Детонация

Стоп, гетжумп, ты втираешь какую-то дичь, какая нахуй детонация 🗿

Да рэбята, здесь очередной шах и мат от электричек, ДВС подвержены такому явлению как детонация. Но для начала давайте разберёмся по поводу ещё одного не закрытого вопроса, в какой момент T необходимо воспламенять смесь (ПРО ДИЗЕЛЬ МОЛЧУ ДА)?

Собственно на что влияет выбор момента воспламенения (зажигания) T, оказывается что влияет на очень многое, в первую очередь это давление создаваемое воспламенённой смесью в камере сгорания.

Оказывается воспламененной смеси для достижения своих максимальных характеристик (без негативных последствий) необходимо некоторое время. Это время можно назвать Угол опережения зажигания. Очень сложна до свидания.

Но на самом деле нет, полное обращение коленвала в двигателе составляет 360 градусов, один цикл (со всеми 4 тактами) - составляет 720 градусов (потому что распредвалы), все события (такты) в двигателе можно привязать к текущему положению коленвала, они определены характеристиками двигателя.

Распредвалы связаны с коленвалом посредством ремня или цепи, таким образом такт впуска и такт сжатия чётко определен (но не всегда, иногда этим можно управлять, как в VVL/VVTi/VTEC и иже с ними, их тоже рассматривать не будем). Смотрите на картиночку ниже:

Продолжительность, время открытия и перекрытие клапанов зависят от характеристик распредвалов (и систем как VVT, но про них молчу). Не заморачивайтесь этим, в следующих статьях может вернёмся к этому моменту, а может и нет.

Как определить положение коленчатого вала? 🗿 На самом деле очень просто, существует датчик положения коленчатого вала (либо как у Nissan CAS - Camera Angle Sensor, который расположен на распредвалу и определяет одновременно и угол коленвала и угол распредвала).

Подробно останавливаться на нём не будем, вкратце, он даёт нам возможность определить текущий угол вращения коленвала, посредством сенсора и какой-то приблуды (например реперный диск (уф тазодроч уф) с определенным количеством зубов и возможно с пропущенными зубом/зубами, которые затем можно синхронизировать с датчиком распредвала). Смотрим картиночку:

Как видно на картинке, всего три случая с выбранным моментом зажигания T, ну и событие воспламенения не произошло, но это нам не особо интересно:

1. Зажигание произошло слишком рано - результат вполне вероятно происхождение детонации
2. Зажигание слишком поздно - результат сниженное давление в камере сгорания, возможно что избыток топлива догорает уже в выпускном тракте
3. Зажигание оптимальнно - практически идеальное сгорание топливно-воздушной смеси, максимальное давление в камере сгорания, без негативных последствий.

Снова детонация, но сейчас мы можем примерно разобраться что это за зверь такой. Детонация* это нехарактерное воспламенение топливно-воздушной смеси, скорость распространения воспламененного фронта довольно высока, смесь может воспламеняться не равномерно и в момент, когда поршень всё ещё идёт к ВМТ (верхняя мертвая точка). Детонация это убийца двигателей - в первую очередь прогорают поршня, ломаются перегородки, кольца, прогорают клапана. По английски детонацию называют Knock или Ping, что в принципе соотвествует звуку происходящему при детонации - щелчок, цёкот. Есть ещё preignition, предзажигание, но его мы рассматривать тут не будем.

*с статьи на вики стук двигателя я сам обосрался, детонация != стук, engine knock английская статья правильнее

Послушать как звучит детонация можно например тут:

Диды говорят, якобы детонацию можно услышать просто ушами. Я таким говорю ну и слушайте ебать, чё доебались то? Мы будем слушать используя современные технологии (не будем). Есть специализированные девайсы для прослушивания детонации, как например Plex Knock Monitor. Вкратце, всё что делают такие девайсы и блоки управления двигателем (в которых есть функция определения детонации - а это почти все) это:

• фокусируют определенную частоту (на которой происходит детонация на данном двигателе, в зависимости от его характеристик)
• используют входные данные, как MAP, RPM и т.д., чтобы фильтровать неизбежный шум от мотора, который растёт как с оборотами, так и с давлением (послушайте форсунки на высоких на оборотах 🗿 поймёте зачем это нужно)
• используют "окно" чуть раньше чем происходит момент зажигания и чуть после, для каждого цилиндра отдельно (это используется в блоках управления двигателем)

Со специализированным девайсом можно послушать двигатель ушами (наушниками), так проще понять что действительно происходит с двигателем. Но в большинстве случаев таким занимается блок управления двигателем, он "слушает детонацию".

Микрофон для двигателя называется датчик детонации их может быть от одного и выше на двигателе, чаще всего прикручиваются где-то к блоку цилиндров.

Возможность возникновения детонации зависит от:

• Степени сжатия
• Вида используемого топлива (октанового числа)
• Соотношения AFR
• Угла опережения зажигания
• и т.д.

При чём здесь степень сжатия? Чем выше степень сжатия, тем более устойчивое к детонации топливо необходимо. Именно по этой причине на современных автомобилях требуется топливо с бОлее высоким октановым числом. Кстати, минутка просвятительства Октановое число собственно цифры на заправках, в России используют метод RON, а в Америке AKI, поэтому индекс равного по характеристикам топлива отличаются в России и Америке, ну и в принципе может отличаться между странами, про это подробнее можно почитать например тут.

Окей гетжумп, а если я залил топливо более низкого рейтинга чем необходимо для моего двигателя? 🗿

Оказывается, что для современного автомобиля это не сильно страшно, но в определенных пределах. Очень много нюансов. Поясню про это в следующих статьях. Вкратце, есть low octane карты зажигания/топлива (детонационные), двигатель переходит в основном, только после превышения шума/событий детонации (читаем ниже про датчик детонации) от мотора.

Детонацию научились измерять. В момент возникновения детонации происходят характерные звуки, которые можно СЛУШАТЬ МИКРОФОНОМ. Частота на которой возникает детонация задана характеристиками двигателя (размер поршней и т.д.). Посредством датчика детонации грубо говоря - микрофон, мы можем слушать двигатель и определять что возникла детонация, принимая какие-то действия чтобы минимизировать ущерб.

Форсунки

Итак, мы рассчитали необходимую дозу топлива для поступившего объёма воздуха в двигатель, определили оптимальный угол опережения зажигания, что делать дальше? Тут в дело дополнительно вступают форсунки, форсунка это по сути актуатор (вкл/выкл), опустим супер сложные нюансы, но в общих чертах:

• В топливной магистрали создаётся давление посредством работы топливного насоса (их производительность обычно измеряется в литрах/час)
• Каким-то образом поддерживаается уровень этого давления (либо регулятор давления топлива РДТ, в случае с обраткой и т.д.)

Форсунки в зависимости от давления топлива имеют характеристику "количество топлива которое они могут пропустить за единицу времени", обычно эта величина измеряется в сантиметрах кубических (например 370cc).

Теперь для того чтобы нам подать определенноё ранее количество топлива в двигатель, нам необходимо открыть форсунку на определенное время и открыть её нужно заранее (особенно если форсунка направлена во впускной коллектор). Это время обычно называют Injector Pulsewidth, измеряется оно в милисекундах.

У форсунок есть ешё такой параметр как лаг (посмотреть пример тут), это физическая задержка открытия форсунок - от подачи управляющего контакта (чаще всего минус) до полного открытия, которая к слову говоря зависит от напряжения на форсунках (в Вольтах), так же характеристика форсунок не всегда линейна, то есть мы не всегда можем однозначно сопоставить время открытия финальному количеству топлива, но это уже сложные нюансы, которые мы опустим.

В какой момент времени необходимо впрыснуть топливо форсункой? Оказывается это время тоже варьируется в зависимости от различных переменных - его можно оптимизировать, в среднем rule of thumb здесь это впрыснуть топливо до происхождения момента такта впуска. На этом и порешаем, поскольку тут уже рокет саенс с атомизацией, распылом и т.д.

Итого, у нас есть bare minimum для работы двигателя:

1. Двигатель потребляет воздух, который учтён сенсорами (MAF/MAP)
2. Мы добавляем топливо (форсунками), количество которого расчитываем
3. Смесь поступает в камеру сгорания, далее сжимается (степень сжатия)
4. Мы воспламеняем получившуюся топливо-воздушную смесь (искра от свеич зажигания), следим за детонацией
5. Отработавшие газы покидают камеры сгорания, смесь анализируется датчиком ШЛЗ
6. ???
7. PROFIT - Двигатель работает МЫ ВЕЛИКОЛЕПНЫ.

Оптимизация

Я много слукавил, много опустил. Давайте ещё затронем следующий момент - Как выбирать оптимальные параметры для работы двигателя? Оказывается есть несколько способов:

1. MBT (Maximum Brake Torque) - вкратце посредством такого метода определяют оптимальный угол опережения зажигания. Помните график выше? Формально, чем больше полезное давление в камере сгорания, тем бОлее высокие характеристики производит наш двигатель, этим мы и можем воспользоваться, если мы можем измерять выходную характеристику нашего двигателя - момент. Мы можем измерять эту характеристику несколькими способами:
   • Диностенд - это когда машину с двигателем ставят на ролики/крепят хабы и измеряют
   • Моторный стенд - это когда к "выходу" (маховику) мотора крепят нагрузку/стенд
2. Метод (1) можно использовать не только для УОЗ, но и для AFR, угла впрыска и т.д.
3. Очень дорогой метод, но активно используемый в автоспорте - датчики давления в камере сгорания (в формате свечи, например), это самый идеальный способ который позволяет подобрать параметры практически идеально. Посмотреть можно например тут

Диностенд

Тут следует подробнее рассказать про диностенд и выходные характеристики ДВС. Самая важная характеристика ДВС - это момент (Ньютон метр), то что повсеместно все говорят о лошадинных силах, как бы тоже важно, но лошадинные силы это производная от момента величина, грубо говоря HP(M, RPM) = M * RPM/C, т.е. чем выше обороты двигателя и выше момент, тем выше лошадинные силы. Именно поэтому у двигателей в формуле 1 очень много лошадинных сил, но не супер много момента, они высокооборотистые, как и двигатели в мотоциклах.

* приход ощущается по большей части от момента, а не от лошадинных сил 🍁🚬☺️

Заметили константу C? Она очень важна для интерпретации результатов стенда -- TLDR - если на графике стенда точка пересечения графика и момента находится не в точке C (в зависимости от велчиин она отличается, это можно прогуглить), то перед вами булщит и относится к таким показаниям серьезно не стоит. Я опять сильно слукавил, но примерно оно так.

Все стенды разные и поэтому сравнивать показания разных стендов не совсем правильно, нужно сравнивать показания одного стенда между собой - это правильно.

Обратите внимание на точку пересечения двух кривых на графике, это пересечение момента и лошадинных сил, так должно быть.

Самый идеальный стенд это нагрузочный (чаще всего тот который крепится к хабам без роликов), он может поддерживать определенную нагрузку на двигатель, позволяя нам находится в определенных условиях (по мере возможности), в дальнейших статьях я постараюсь описать подробнее что называется "определенные условия", но кратко это определенная область в карте (картах), как например топливная, зажигания и т.д.

Посмотреть на стенды можно например тут:

Коньец

Думаю на сегодня заливать инфой хватит 🗿. Про что думаю рассказать в следующих постах:

• Как работает штатный блок управления современного автомобиля (более подробно)
• Как работает спортивный (standalone) блок управления двигателем
• Возможно рассказать подробнее про теорию, раскрывая новые фишки и углубляясь в предыдущих моментах

Как вам информация? Про что хотели бы почитать в дальнейшем? Какими автомобилями вы владеете (чтобы я понимал про что лучше упомянуть)? Есть ли те кто тюнингуют свою машину?