Эволюция систем впрыска ВАЗ

Сергей Федоренко 2012 г. клуб Motor-Master

   Прежде чем говорить об электронном дросселе, вернемся несколько назад и проследим эволюцию систем впрыска, которая обусловила появление этого узла. Появление его закономерно и является логическим продолжением программных методов снижения токсичности. Рассмотрим работу системы впрыска не обремененную евро-нормами, где основными показателями являются экономичность и высокие динамические характеристики автомобиля.. Система впрыска имеет три основных состояния, из которых складывается наши впечатления о динамике автомобиля и его экономических характеристиках (не берем в расчет различные переходные режимы, холостой ход, ПХХ и т.д.):

1. Режим ускорения
2. Экономичный режим
3. Мощностной режим

1. В режиме ускорения топливоподача имеют ряд коррекций для быстрого достижения нарастания крутящего момента и исключения его провалов в переходных режимах, сюда входят:

а) коррекция топливоподачи для компенсации переобеднения смеси при резком изменении нагрузки и наполнения,
б) коррекции неизбежной потери части поданного топлива, которое оседает в виде пленки во впускном коллекторе и не попадает в цилиндр в текущем цикле.

Синим цветом, показан расчет коррекции топливоподачи для предотвращения переобеднения состава смеси при резком изменении нагрузки. Коррекция необходима для компенсации недостоверных показаний датчиков нагрузки в переходных режимах из-за их инерционности. Здесь же учитывается и инерционность механизма форсунки, величина бортового напряжения и т.д.

Зеленым цветом показана коррекция топливоподачи для компенсации потерь на пленку и обеспечивающая необходимое обогащение состава смеси для увеличения крутящего момента в режиме ускорения, а так же исключения «провала» при резком увеличении наполнения цилиндров воздухом (аналог ускорительного насоса в карбюраторе).

Красным цветом показана коррекция топливоподачи для исключения переобогащения смеси после закрытия дроссельной заслонки.

Подробнее о пленке:
«Часть топлива, впрыскиваемого во впускную трубу, не сразу попадает в цилиндр на очередном такте впуска, а оседает в виде пленки на стенках впускной трубы. Количество осевшего топлива значительно увеличивается с ростом длительности впрыска и нагрузки на двигатель. Если не учитывать образования топливной пленки на стенках впускной трубы, то при открывании дроссельной заслонки топливовоздушная смесь всегда будет обедняться, а при закрывании — наоборот, обогащаться, что отрицательно скажется на ходовых качествах автомобиля и на токсичности отработавших газов. Динамический коэффициент коррекции рассчитывается по приращению угла открытия дроссельной заслонки (сигнал датчика положения дроссельной заслонки) и по приращению параметра нагрузки.»

2. В экономичном режиме состав смеси обычно обеднялся для достижения минимального расхода
топлива на малых и частичных нагрузках при равномерном движении:

3. Мощностной режим имеет довольно богатый состав смеси для достижения двигателем паспортной мощности и крутящего момента. Показанный состав смеси на рис. 2.1 (ниже), конечно несколько избыточен для данного двигателя ВАЗ, здесь такой состав выполняет и защитную роль для катализатора, охлаждая его. В более новых системах впрыска, режимы охлаждения и прогрева катализатора вынесены в отдельные, специальные разделы ПО и состав смеси в мощностном режиме уже не имеет таких значений.

Примечание: В системах впрыска Россия-83, для шеснадцатиклапанных двигателей, часто применялась и фаза впрыска в открытый клапан на такте впуска, этим достигалось дополнительное увеличение крутящего момента в зоне малых и средних нагрузок, а так же в динамических режимах. Показанные выше настройки топливоподачи позволяют иметь высокие динамические и экономические характеристики автомобиля.

Евро-2
С введением норм Евро-2, система с такими настройками топливоподачи уже не могла обеспечить требуемой токсичности выбросов.
Автомобили стали комплектоваться катализаторами и лямбда-зондами, а ПО и аппаратная часть ЭБУ претерпели значительные изменения в сторону усложнения и увеличения производительности. Для максимальной эффективности работы катализатора, топливная смесь должна иметь
стехиометрический состав, поэтому экономичный режим был поставлен по контроль системы с помощью лямбда-зонда. ПО уже не предусматривало работу на обедненных составах смеси в зоне экономичного режима. Перекалибровка карты топливоподачи экономичного режима в сторону обеднения состава смеси, при наличии лямбда-регулирования, не имеет никакого смысла т.к. ПО не выполнит желаний тюнера. Но вопреки этим очевидным истинам, «обеднение» присутствует во многих коммерческих прошивках.

Евро-3
Введение норм Евро-3 потребовало от производителей кардинальной переработки архитектуры ЭБУ, увеличения мощности и производительности процессоров, существенного усложнения ПО и добавления в него новых разделов, основанных на математической модели. Теперь система может дозировать крутящий момент в соответствии с заложенными в ПО калибровками. Проще говоря, система контролирует и при необходимости ограничивает нарастание крутящего момента по времени и по его величине, несмотря на резкое открытие дроссельной заслонки и следующее за этим увеличение наполнения. Что позволило значительно снизить объем топливного заряда при ускорении, а с этим и снизить токсичность выбросов в динамических режимах. Как же теперь выглядят основные режимы – ускорение, экономичный и мощностной.

1. Картина топливоподачи при ускорении выглядит несколько по-другому, сектора обозначенные зеленым цветом как бы отсутствуют, объем топливоподачи несколько снижен и в таком виде, уже не может в полной мере обеспечить резкое ускорение при высоких нагрузках и невысоких оборотах:

2. Экономичный режим и холостой ход имеют состав смеси строго стехиометрический, а эффективность работы катализатора контролируется вторым лямбда-зондом. При необходимости, состав смеси более тонко подстраивается.

3. Мощностной режим. С каждым последующим введением более высоких норм токсичности, состав смеси в мощностном режиме становится все менее богатым. Например, базовый состав смеси для двигателя 1.6л 8кл с ЭБУ Январь 7.2 мог быть в соотношении 11.5/1 и тот же двигатель, но с ЭБУ М74 – уже имеет соотношение 13.2/1 (здесь не берем в расчет некоторые нюансы и режимы охлаждения катализатора, когда состав смеси сильно обогащается). Эта калибровка указывает, что состав смеси не будет ниже данного значения. На максимальных нагрузках и оборотах, состав смеси при соотношении 13.2\1, уже не позволит развить двигателю максимальную мощность. В таких режимах, считается оптимальным соотношение 12/1 – 12,5/1.
Налицо «зажатие» по обогащению состава смеси при высоких нагрузках и оборотах. Сам порог зоны режимов (наступление мощностного режима) сдвигается на более высокие значения по углу открытия дроссельной заслонки. В некоторых случаях пошли еще дальше, например, в ПО Бош МЕ1797 для автомобилей УАЗ мощностной режим вообще не наступает и данная калибровка отсутствует в ПО.
Динамические коррекции УОЗ теперь выполняют не только функции предотвращения детонации, а и функции ограничения нарастания момента (возможно и функции снижения токсичности при ускорении). УОЗ преднамеренно отбрасывается в более низкие значения, чем это необходимо для предотвращения детонации и задерживается там более продолжительное время — чем необходимо.

Возникает законный вопрос – при таких настройках топливоподачи и «заваленном» УОЗ, неизбежно будет присутствовать провал тягового момента при резком увеличении нагрузки и наполнения цилиндров т.е. при резком открытии дроссельной заслонки.

Вот тут вступает в действие программное ограничение нарастания крутящего момента по времени и величине. Все просто, чтобы избежать провала момента, нужно «придержать» его нарастание на некоторое время и затем плавно «отпустить». Вспомним карбюраторные системы питания когда у них не работает ускорительный насос, тогда мы имеем жесткий провал и последующий рывок при резком нажатии педали газа. Но стоит нажать педаль газа очень плавно и провала не будет, только крутящий момент будет нарастать медленно и долго, динамичного ускорения не будет. Примерно так работает система впрыска при ограничении момента, убивая этим сразу двух зайцев –
уменьшение топливоподачи «ускорительным насосом» и задержку нарастания крутящего момента для исключения жесткого провала момента.

На примере ЭБУ М73 мы видим не очень корректную калибровку моментных характеристик. В работе его ПО присутствуют ряд неприятных моментов связанных с программным ограничением нарастания момента. Проявляется это в виде «тупости» при начальном ускорении (машину как за зад держат) и резкого рывка вперед с ударом в трансмиссию при дальнейшем нажатии педали.

1. При выходе из ПХХ и плавном нажатии педали газа, примерно до 10% её хода, не ощущается изменений тягового момента, педаль давишь, а ускорения нет. После этой задержки и дальнейшем нажатии педали начинается нарастание оборотов. Данный недостаток исправляется легко и обычно – выводом УОЗ при ПХХ из минусовых значений:

Таким методом исправляем задумчивость при плавном нажатии педали газа. УОЗ не нужно теперь затрачивать некоторое время, чтобы подняться из ямы минусовых значений и реакция на нажатие педали становится адекватной. Но этим, исправляем заторможенность реакции только при плавном нажатии педали газа, когда ограничение нарастания момента еще не действует.

2. При средней скорости нажатия на педаль газа (рис. Цифра 1) в действие уже вступает ограничение скорости нарастания момента. Мы ощущаем как бы задумчивость системы и отсутствие нарастания тяги (многие это воспринимают как провал), педаль за это время успеваем нажать на значительную величину и тут происходит сильный удар в трансмиссию т.к. программа перестала «тормозить» нарастание момента, затем только начинается ускорение (рис. Цифра 2).
3. При очень резком нажатии на педаль газа машина не устремляется вперед, а как бы наоборот даже тормозит двигателем, двигатель «мычит» и не набирает обороты, система жестко ограничивает нарастание момента и примерно через 1- 2 секунды отпускает, начинается резкий набор оборотов.

При чип-тюнинге, когда вроде бы все сделано для повышения динамичности автомобиля, начальное торможение проявляется несколько по другому. Если очень плавно нажимать педаль, то машина хорошо ускоряется, ровно и мощно, но стоит чуть быстрее нажать педаль, то вначале — заторможенность (рис. Цифра 2), затем удар в трансмиссию и машина помчалась… Удар есть всегда и не зависит от того, что ушла система в ПХХ или нет, успела отключить топливо в ППХ или нет. При резком нажатии на педаль, очень сильный удар в трансмиссию и так каждый раз при добавлении газа. Приходится очень мягко и плавно работать педалью газа. Своим чип-тюнингом, мы увеличиваем крутящий момент в зоне средних нагрузок и в ответ получаем еще более сильный удар в трансмиссию, чем на стоковой прошивке.

«Славным» продолжателем такой калибровки является и ЭБУ М74. Здесь, как и в М73 присутствует жесткое ограничение момента при резком ускорении, неприлично большая задержка падения оборотов и долгая «задумчивость» при нажатии педали газа. Например, настройка бошевских систем не вызывает нареканий со стороны автовладельцев, тут ограничение момента происходит почти незаметно, без жестких ударов, рывков, клевков, ощущения зависания оборотов при переключении передач и ощутимой «задумчивости» при ускорении.

Евро-4, 5. Электронный дроссель.
С введением норм токсичности Евро-4 от производителей автомобилей потребовалось еще более «зажать» систему по токсичности выбросов, но имеющиеся программные методы уже исчерпали свои возможности. Электронике оставалось неподвластно наполнение цилиндров воздухом, которое всецело зависело только от водителя, системе же приходилось судорожно подстраиваться и пытаться сгладить негативный эффект от его, не всегда правильных действий. Так на свет появился электронный дроссель, с его помощью решены многие задачи, главная из которых это получение полного контроля за наполнением цилиндров воздухом.

Небольшая статья
Александара Смирнова доходчиво раскрывает суть работы и смысл появления этого узла:

«С января этого года (2011-го) автомобили LADA начали комплектовать электронной педалью акселератора. Хорошо это или плохо? На сегодня такой электронной педалью комплектуются почти все импортные автомобили, в первую очередь те, которые соответствуют требованиям «Евро-4» и «Евро-5» по токсичности отработавших газов. На автомобилях с карбюраторными двигателями водитель, нажимая на педаль акселератора, практически управляет процессом подачи топливовоздушной смеси в цилиндры двигателя. Каждое перемещение педали через тросовый или рычажный механический привод пропорционально передается на дроссельную заслонку карбюратора. Поворот дроссельной заслонки вокруг своей оси вызывает изменение проходного сечения диффузора. Изменение проходного сечения приводит к изменению скорости и объема воздушного потока, проходящего через диффузор. От скорости и объема воздушного потока непосредственно зависит количество топлива, поступающего через распылители карбюратора, а значит, и состав топливовоздушной смеси, попадающей в цилиндры двигателя. С появлением систем непосредственного впрыска топлива управление процессом смесеобразования было передано электронике. За водителем осталась только одна функция – управление положением дроссельной заслонки, а значит, и управление наполнением цилиндров.
Электроника, основываясь на положении дроссельной заслонки и количестве поступающего воздуха, управляет моментом зажигания и количеством топлива, подающегося в цилиндры. При этом электроника учитывает целый набор параметров: обороты двигателя, температуру,
состав выхлопных газов, показания датчика детонации. Не имея возможности управлять наполнением цилиндров, электроника не всегда способна обеспечить оптимальный крутящий момент двигателя, соответствующий положению педали, заданному водителем. На переходных режимах, особенно при быстром открытии дроссельной заслонки, приходится увеличивать количество топлива, чтобы обеспечить заданный состав смеси при увеличении воздушного потока. Естественно, увеличивается и количество вредных веществ в выхлопных газах. Смысл электронной педали газа не в том, чтобы избавиться от механической связи педали и дроссельной заслонки, заменив ее электрической. Датчик на педали посылает в электронную систему управления двигателем (ЭСУД) только сигнал о положении педали. ЭСУД рассчитывает оптимальный крутящий момент двигателя, соответствующий положению педали, и реализует его. Электроника сама меняет положение дроссельной заслонки, управляя наполнением цилиндров, устанавливает нужный момент зажигания, регулирует количество топлива. Естественно, при этом учитываются внешние факторы – скорость, обороты двигателя, температура – и заданные ограничения по составу выхлопных газов.

Двигатель всегда работает в оптимальном режиме. Результат – снижение расхода топлива и уменьшение выброса вредных веществ. Электронная педаль позволяет обеспечить токсичность в соответствии с жесткими нормами «Евро-4» и «Евро-5», чего не всегда можно достичь при механическом приводе дроссельной заслонки. Улучшаются и пусковые характеристики двигателя при холодном пуске. Многие водители, уже знакомые с электронной педалью, жалуются на задержку, особенно при резком нажатии на педаль газа. Говорят: «Нажимаешь на газ, а двигатель молчит, сразу не набирает обороты». На самом деле никакой задержки нет. Электроника реагирует на перемещение педали мгновенно. Но набор оборотов происходит плавно, без рывка. Вот это плавное нарастание оборотов и воспринимается, как задержка. Скорость набора оборотов зависит от калибровок ЭСУД конкретной модели автомобиля. На разных автомобилях она разная. Водители некоторых автомобилей говорят о большой задержке, на других – ее почти не замечают. Электронная педаль газа – вещь полезная и нужная, преимущества ее неоспоримы. А к плавному нарастанию оборотов легко привыкнуть – и вы просто перестанете обращать на него внимание.»

Все правильно и красиво, вот только электронный дроссель используют не столько для улучшения и оптимизации динамических и экономических характеристик автомобиля, сколько для достижения требуемых евро-норм. Отсюда и появились искусственно созданные проблемы с заторможенной реакцией на нажатие педали газа, подвисания оборотов при сбросе газа, повышенный расход топлива и еще более сниженные динамические характеристики автомобиля.

Чип-тюнинг
Из вышесказанного уже понятно, какие мы имеем резервы для чип-тюнинга систем Евро-3, 4, 5. Необходимо только учитывать ряд моментов и примеров — как не надо делать, это подробно рассматривалось в ss20club.ru/theory/178/

1. Перекалибровка разделов ПО отвечающих за ограничение нарастания момента (увеличение) и его снижения (уменьшение), характеристики открытия дроссельной заслонки в зависимости от величины нажатия педали газа и скорости нажатия. Этим добиваемся быстрой отзывчивости на нажатие педали газа, увеличения крутящего момента в зоне малых и средних нагрузок, устранения подвисания оборотов при переключении передач, устранения временной задержки нарастания момента.
2. Перекалибровка динамических коррекций УОЗ и топливоподачи с целью дальнейшего увеличения крутящего момента в зоне малых и средних нагрузок.
3. Перекалибровка зоны режимов и состава смеси мощностного режима.
4. Перекалибровка фазы впрыска (по желанию). Это рассматривалось в статье «Фаза впрыска в чип-тюнинге»
5. На двигателях (не вазовских естественно), имеющих в комплектации системы VVT (изменение фаз газораспределения) очень хороший эффект, в плане достижения лучших мощностных и экономических характеристик, дает перекалибровка разделов ПО отвечающих за изменение фаз. В основном, принцип чип-тюнинга новых ЭБУ с электронным дросселем, мало чем отличается от перекалибровки предыдущих разновидностей М73 и Бош797+ имеющих в ПО моментные разделы.

Сергей Федоренко 2012 г. клуб Motor-Master