1. Физика смеси и топливная система#

Глава, из которой обычно выпадает самое полезное. Здесь она восстановлена целиком.

1.1 Двигатель — воздушный насос#

Мощность ограничена тем, сколько воздуха мотор способен прокачать. Топливо только подаётся в пропорции к этому воздуху. Всё, что делает калибровщик, — это правильно определить, сколько воздуха вошло, и подать под него нужное количество топлива в нужный момент.

Четыре такта глазами калибровщика:

Баланс энергии определяет обороты. Энергия рабочего хода равна сумме насосных потерь, трения и нагрузки навесного — обороты стабильны. Больше — мотор раскручивается, меньше — затухает. Это ключ к пониманию холостого хода.

1.2 Из чего состоит «воздух»#

Этого нет в большинстве конспектов, а это основание всех расчётов массы.

Воздух — смесь преимущественно азота и кислорода. В калибровке принимают, что внешняя среда — это стабильные 23 % кислорода по массе (20 % по объёму). Плотность меняется с условиями, но доля кислорода — нет, поэтому моделировать достаточно суммарную массу воздуха, вошедшую в цилиндры.

Реальный участник реакции — кислород. Именно он соединяется с углеводородом.

1.3 λ, AFR и equivalence ratio#

AFR — массовое отношение воздуха к топливу. Стехиометрия бензина — 14,68 : 1: столько воздуха нужно, чтобы теоретически без остатка сжечь единицу топлива.

λ = AFR_фактический / 14,68

• λ = 1,00 — стехиометрия
• λ < 1 — богато
• λ > 1 — бедно

Equivalence ratio (φ) — величина, о которой забывают#

Восстановлено. В конспектах этого обычно нет, а без неё вы не поймёте половину заводских таблиц.

φ = 1 / λ = 14,68 / AFR_фактический

Это обратная λ: чем больше число, тем богаче смесь. Удобно думать о ней как о «проценте обогащения». Именно в φ, а не в λ, построены таблицы обогащения на полной нагрузке и защиты катализатора у GM и Ford — если открыть карту и увидеть значения вида 1,20 вместо 0,83, вы смотрите на equivalence ratio.

Окно горения#

Горение возможно только между 8,0 : 1 и 25,5 : 1. За краями — пропуски воспламенения: молекулы топлива либо слишком разрежены, чтобы реакция переходила от одной к другой, либо кислорода не хватает физически.

Где какой состав нужен#

Уточнение. В оригинале написано «между 13.2 и 13.4:1 (λ ≈ 0.95)». Это внутреннее противоречие книги: 13,3 / 14,68 = 0,906, а не 0,95. Верное значение — λ ≈ 0,90–0,91. Автор конспекта, с которого делался этот раздел, эту ошибку заметил и исправил самостоятельно.

«Leaner is meaner». Вокруг 13,2–13,4 : 1 у большинства атмосферных моторов с консервативным зажиганием мощность образует колокол. Грамотный калибровщик держится на богатой стороне колокола — ради запаса. На бедной стороне ту же мощность можно получить с меньшим расходом, и в марафонских гонках так делают, но температуры сгорания взлетают мгновенно, а запаса от детонации не остаётся.

Почему настоящий lean cruise не окупается. Казалось бы, λ = 1,05 на круизе — бесплатная экономия. На практике: растут NOx и температура отработавших газов, страдает катализатор, а переход обратно к стехиометрии или к обогащению при разгоне становится слишком большим — управляемость портится. Для тюнинга овчинка выделки не стоит.

Холостой ход и bore wash. Лучший ХХ — на λ = 1: экономия, экология и остаётся запас управлять моментом через топливо. Если распредвал слишком «злой» для стабильного ХХ на λ = 1, помогает лёгкое обогащение. Предел — смыв масла со стенок цилиндра:

Мотор часто ровно держит холостой ход даже на λ = 0,7, но всё, что богаче λ = 0,85, уже повышает риск bore wash — в зависимости от конструкции каналов.

На ХХ скорость потока во впускном канале низкая, а интенсивность факела форсунки постоянная. Воздуха не хватает, чтобы рассеять топливо, и оно оседает на противоположной стенке, смывая масляную плёнку. Итог — износ колец и потеря компрессии.

Важное предупреждение, которое часто теряется: работать на сильно богатом холостом ходу можно не дольше пары минут. Богатый ХХ удобен, чтобы поймать обороты и не заглохнуть на старте калибровки, но это временный режим, а не рабочий.

Обратная крайность — слишком бедный ХХ — даёт «пилящие» обороты: обеднение приближает мотор к MBT, момент меняется, обороты гуляют.

1.4 BSFC и расчёт топливной системы#

Восстановлено полностью. Это самая практичная арифметика книги.

BSFC (Brake Specific Fuel Consumption) — удельный расход топлива на единицу мощности, фунты на лошадиную силу в час. Зная BSFC (или хотя бы разумную оценку), можно посчитать всю топливную систему до покупки железа.

Рабочий пример: 500 л.с., 8 цилиндров, BSFC 0,5#

1. Суммарный расход топлива
   500 л.с. × 0,5 lb/hp-hr = 250 lb/hr

2. Минимум на одну форсунку
   250 lb/hr ÷ 8 = 31,25 lb/hr
   ← это АБСОЛЮТНЫЙ минимум, без запаса, работать так нельзя

3. Рабочий размер форсунки (запас 20 %)
   31,25 ÷ 0,8 = 39,06 lb/hr ≈ 411 cc/min

4. Суммарная подача
   39,06 × 8 = 312,5 lb/hr

5. Производительность насоса
   312,5 lb/hr ÷ 6 lb/gal = 52 gal/hr ≈ 197 л/ч
   (плотность бензина ≈ 6 фунтов на галлон)

Почему нельзя без запаса. Форсунка, работающая на 100 % своей производительности, долго так не проживёт. Плюс реальные условия всегда преподносят сюрпризы: воздух холоднее расчётного, мощность выше ожидаемой, смесь потребовалась богаче. 20 % запаса — правильная цифра, меньше — можно, но осознанно.

Полезные переводы#

1 lb/hr ≈ 10,5 cc/min           (для бензина плотностью ~0,74 кг/л)
1 cc/min ≈ 0,0952 lb/hr
Плотность бензина ≈ 6 lb/gal ≈ 0,72–0,75 кг/л
1 gal/hr ≈ 3,785 л/ч

Ориентиры BSFC#

Баниш в примере берёт 0,5 — разумное среднее для полной нагрузки.

1.5 Нагрузка: что это и какая бывает#

Нагрузка (load, VE) — отношение фактически поступившей массы воздуха к теоретически возможной. Почти все калибровочные таблицы построены на осях «обороты × нагрузка», поэтому точное знание нагрузки в каждый момент — фундамент всего остального.

Пример из книги: Mustang 5.0 на пике мощности показывает ~80 % нагрузки. Тот же мотор с центробежным нагнетателем Vortech на 8 psi (≈ 0,55 бар) — около 140 %.

С ростом нагрузки зажигание приходится позднить против детонации, а на высоких нагрузках — добавлять топливо для контроля температур. Отсюда форма всех основных карт.

1.6 Почему электроника выиграла у карбюратора#

Кто умеет настраивать карбюратор, поймёт и впрыск: у каждого узла старой системы есть аналог в таблицах современного блока. Разница — в разрешении настройки.

Фундаментальная беда карбюратора: сечения вентури и жиклёров фиксированы, поэтому фиксировано и отношение их расходов. Подача топлива пропорциональна скорости воздуха в диффузоре, а не его массе — смесь плывёт с погодой. Драгстеры поэтому сверяются с метеостанцией между заездами.

Разрешение современной электроники: обычны коррекции в 0,5 % подачи топлива и 0,25° зажигания. Процессор успевает между двумя вспышками несколько раз снять полный «снимок» параметров, посчитать и выдать команды.

Устарело. Баниш пишет, что «даже мотор Формулы-1 крутится не выше ~23 000 об/мин». На 2007 год регламент уже ограничивал 19 000 об/мин, а современный — 15 000. Суть тезиса при этом не меняется: вычислительной скорости в запасе многократно.

Ещё одно следствие впрыска: тракт становится «сухим». Топливо добавляется только у самых клапанов, поэтому впуск можно проектировать с длинными раннерами и сложными изгибами — лужи топлива в коллекторе больше не грозят.

Что дальше#

Мы знаем, что мерить и в каких пропорциях. Следующий шаг — чем это меряется и чем ЭБУ управляет.

Следующая страница: 2. Измерения и выходы