Как чит-код для вашего автомобиля: мы изучаем тюнинг ЭБУ.

Сейчас развернулась настоящая гонка вооружений между производителями оборудования, стремящимися заблокировать доступ к чипам, и тюнерами, пытающимися их взломать.

Инженеры APR настраивают Audi на динамометрическом стенде. Фото: APR. Инженеры APR настраивают Audi на динамометрическом стенде. Фото: APR.

Любой, кто достаточно долго следит за индустрией тюнинга автомобилей, может подтвердить, насколько кардинально она изменилась за последние несколько десятилетий. То, что раньше требовало механической доработки и больших знаний, теперь можно сделать за считанные минуты с помощью электронного блока управления (ЭБУ), который позволяет значительно увеличить мощность и крутящий момент атмосферных, турбированных или наддувных двигателей.

Однако в некотором смысле этот процесс стал намного сложнее.

Спросите об этом компанию Audi Performance & Racing из Алабамы, более известную как APR. Поскольку современные автомобили все больше зависят от программного обеспечения, а производители автомобилей продолжают ужесточать меры безопасности, компании приходится с каждым годом прилагать все больше усилий, чтобы предлагать тюнинг ЭБУ, обеспечивающий увеличение мощности при сохранении заводских параметров для общей надежности. Сейчас это гораздо более сложный процесс, чем в начале 2000-х, когда мой собственный Audi S4 поколения B5 только появился на рынке.

Недавно я поговорил с инженерами APR, чтобы обсудить переходный период и узнать больше об увлекательной истории тюнинга ЭБУ, в том числе о том, почему разблокировка большего наддува, опережения зажигания и других улучшений производительности когда-то больше напоминала ввод чит-кода в видеоигре.

Более простые времена

Люди начали модифицировать соотношение воздуха и топлива в двигателе, а также угол опережения зажигания с тех пор, как термин «автомобиль» стал общеупотребительным. Ранние эпохи хот-родов и маслкаров выделяются как яркие периоды развития этой технологии, как и первые шаги в области турбонаддува.

Перенесёмся в 90-е годы, когда тюнеры, занимающиеся доработкой автомобилей, регулярно вскрывали бортовой компьютер двигателя, извлекали соответствующий чип памяти, вставляли его в считыватель и записывали строки кода на новый чип. После этого они могли вносить желаемые изменения: увеличивать давление наддува перед тем, как оно полностью сбрасывалось через перепускные клапаны, добавлять топливо для компенсации повышенного давления наддува и многое другое.

В начале 2000-х годов компания APR пошла еще дальше, разработав усовершенствованную модульную систему измельчения (EMCS).

Автор статьи владел автомобилем Audi S4. Фото: Питер Нельсон.

Система EMCS имела собственный процессор и память, в четыре раза большую по объему, а также четыре карты двигателя: одну для топлива с октановым числом 91, одну для 93 или 100 и другие, каждая со своими преимуществами. Ее процессор мог даже дать команду блоку управления двигателем (ECU) проверить, следует ли использовать другую карту.

Как это могло произойти? Как объяснил инженер по калибровке APR Час Гортон, примерно на рубеже веков «кому-то пришла в голову блестящая идея: „У нас есть круиз-контроль; а что если добавить последовательность событий, которая заставит это окно двигаться?“ Вот так и началось переключение программ».

До этого ранняя версия использовала физический переключатель на боковой стороне блока управления двигателем — громоздкая конструкция, которая означала открытие капота, снятие обшивки и переключение тумблера. В конце концов, кто-то сел и методом обратного проектирования разработал более совершенное решение, объяснил Гортон.

«К чему у меня есть доступ, что я могу видеть с этого дополнительного контроллера, который мы только что добавили в ЭБУ, чтобы знать, когда пользователь что-то делает?» — сказал Гортон.

Изучив систему, компания APR смогла отслеживать состояние круиз-контроля, поэтому она написала код для смены карт, сброса кодов неисправностей и выполнения других функций при выполнении определенной последовательности действий с помощью рычага круиз-контроля.

Поэтому это как чит-код — достаточно выполнить несколько простых, легко запоминающихся действий при выключенном двигателе, и вы сможете увеличить заводское давление наддува на несколько PSI по сравнению со стандартным для повышения производительности или управляемости.

Мой интерес к тюнингу начался, когда я приобрел подержанный (и, предположительно, очень старый) ЭБУ с чипом APR для своего 2,7-литрового V6 с двойным турбонаддувом в S4. Первая карта — это заводская настройка, а вторая увеличивает максимальное давление наддува с примерно 9 PSI до 14,5 (1 бар) на 91-м октановом бензине. Третья карта работает на 1 бар на 100-м октановом бензине. Поскольку это топливо устойчиво к детонации, угол опережения зажигания можно значительно увеличить, чтобы воспользоваться преимуществами наддува.

Подкапотное пространство S4, теперь с силовым агрегатом APR. Фото: Питер Нельсон.

На 91-м двигателе мой маленький седан тянет так, как и должен был с завода. 250 л.с. (186 кВт) и 258 фунт-фут (350 Нм) были достойными показателями для начала века, но, согласитесь, у этой машины два турбокомпрессора. 100-й двигатель, с другой стороны, выводит её в категорию современных спортивных компактных автомобилей премиум-класса. Я ещё не проводил динамометрические испытания, но не удивлюсь, если мощность на колёсах окажется ближе к 300 л.с. на каждом из двигателей.

После того, как шлюзы открылись

Внедрение порта бортовой диагностики (OBD2) в 1996 году не только принесло пользу потребителям и автопроизводителям с точки зрения удобства обслуживания, но и, по словам Гортона, «открыло шлюзы» для тюнеров ЭБУ на вторичном рынке. Одним из требований OBD2 была возможность обновления заводского программного обеспечения ЭБУ через этот порт — это также упростило работу тюнеров.

Как мне рассказали Гортон и другие инженеры APR, технически у них была возможность подключать и начинать вносить изменения еще в 1996 году, когда был внедрен OBD2, но никто еще не придумал меры безопасности, которые внедрили производители оригинального оборудования. Было проще извлечь чип и внести изменения на стенде, включая установку EMCS, когда он только появился.

Это открыло тюнерам возможность вносить необходимые изменения через этот порт. Примерно в 2005 году достижения в области технологий позволили отказаться от физического доступа к ЭБУ, и работу можно было проводить непосредственно через порт. К 2008 году VW/Audi значительно ужесточили меры безопасности, вынудив тюнеров вернуться к разработке новых решений. Именно тогда началась настоящая игра в кошки-мышки между производителями оригинального оборудования и тюнерами.

Помимо мер безопасности, усложнение программного обеспечения от производителей автомобилей также не способствовало улучшению ситуации. Постепенно стало физически невозможно разместить разные карты в системе. В какой-то момент можно было применять только изменения между картами, но такие функции, как радарный круиз-контроль и другие современные технологические усовершенствования, положили этому конец. Затем само программное обеспечение было перемещено в разные области ЭБУ. Со временем стратегия калибровки значительно изменилась.

Когда APR и другие тюнеры работают над новой прошивкой, возникает так много неизвестных факторов, требующих тщательного изучения и проверки. «Я даже не могу составить план, сколько уровней защиты нам нужно преодолеть, не говоря уже о том, сколько времени это займет», — сказал Гортон. «До самого дня релиза мы, честно говоря, не знаем, сколько времени у нас осталось до его готовности, потому что существует так много неизвестных».

Инженер компании APR работает над настройкой. Фото: APR

«Самая большая проблема, с которой мы сталкиваемся, заключается в том, что всякий раз, когда [команда реверс-инжиниринга APR] обнаруживает новую уязвимость, в 99,9 процентах случаев это заканчивается тупиком», — говорит Джейми Харви, менеджер по разработке программного обеспечения и инженер по калибровке силовых агрегатов в APR. «И чтобы добраться до этого тупика, приходится проделывать огромную работу». Этот процесс повторяется снова и снова и может сильно обескураживать команду.

«Нам нужно посмотреть, как выполняется код, как он проходит свои этапы, и, по сути, изучить каждый шаг и задаться вопросом: „Могу ли я заставить его сделать что-то необычное на этом этапе?“ — сказал Гортон. — „И если могу, могу ли я затем сделать так, чтобы следующий шаг сделал что-то необычное, что будет работать с предыдущим шагом? Как нам настроить эти небольшие блоки, чтобы обойти систему безопасности?“»

Часть процесса заключается в том, чтобы сообщить блоку управления двигателем (ЭБУ), какой объем данных будет прошиваться, что подробно описали и Гортон, и Харви. По сути, вы говорите: «Я собираюсь отправить вам файл размером 4 мегабайта, и мне нужно, чтобы вы начали здесь и закончили здесь».

Но тогда возникает вопрос, нужно ли вообще тюнерам сообщать ЭБУ, где находится конечная точка — возможно, он сам выполняет вычисления. Что произойдет, если вы зададите ему необычно малое или большое число? Как он обрабатывает некорректные данные на этом этапе и что он с ними делает? «Откроет ли это другой путь, который мы сможем использовать?» — сказал Гортон.

Этот процесс, мягко говоря, утомительный.

Это может даже вывести из строя блок управления двигателем. Как с усмешкой заметил Харви, APR в итоге производит много «садовых украшений за 1800 долларов». Он также уточнил, что компания часто хранит их, поскольку их потенциально можно восстановить и использовать для будущих исследований и разработок.

Чрезмерная сложность

Разработка безопасной прошивки, сохраняющей заводские настройки защиты, такие как коды ошибок, всегда была сложной задачей, но с развитием технологий она стала еще более трудоемкой.

Это отражает растущую сложность современных систем впрыска топлива. По данным APR, для Audi S4 B5 потребовалось всего 10-15 настроек. Для сравнения, Volkswagen GTI 2005 года потребовал 90. «Что касается современных серийных автомобилей? Нам нужно внести более пары сотен изменений», — сказал Гортон, — около 225 для GTI 2022 года и более 400 для нынешнего Porsche 911 Carrera.

«В нашей последней разработке уже более 500 вариантов», — добавил Харви. Как он объяснил, поворот одной ручки может вызвать реакцию 50 других, поэтому необходимо найти оптимальные значения для каждого параметра, чтобы обеспечить гармоничную работу всего оборудования.

Теперь заводские калибровки ЭБУ также являются глобальными, то есть такие переменные, как качество топлива и условия эксплуатации, должны учитываться в одном файле. Тюнеры часто не знают, какие части кода соответствуют их региону, поэтому APR заявляет, что их программное обеспечение разработано для работы независимо от вашего местоположения.

Кроме того, существуют удивительные различия между моделями, использующими один и тот же двигатель, например, Audi A3 8-го поколения и VW GTI 7-го поколения. У каждой команды разработчиков своя философия относительно того, как автомобиль должен управляться и показывать себя.

Управление крутящим моментом — один из важнейших вопросов: следует ли настраивать двигатель с упором на эффективность или же он должен быть более динамичным и интересным в управлении? Эти различия усложняют работу APR, поскольку даже при наличии идентичных двигателей, «две команды подошли к одной и той же проблеме с противоположных сторон, и ничего не совпадает», — сказал Гортон.

Современная настройка ЭБУ как способ обгона на трассе.

Несмотря на растущую сложность настройки ЭБУ, это принесло некоторые преимущества автоспорту. В первый год, когда APR выставила гоночную команду в серии Grand-Am KONI Challenge (современный аналог — Michelin Pilot Challenge от IMSA), на каждом этапе присутствовал инженер по калибровке. «При необходимости он мог внести изменения в файл настроек автомобиля, чтобы соответствовать условиям», — сказал Гортон.

На второй год компания начала регулировать уровни наддува. Из-за сложности современных ЭБУ просто добавить ручной регулятор наддува уже невозможно, поскольку система постоянно отслеживает состояние и реагирует, выдавая ошибки или переходя в аварийный режим.

Гоночный автомобиль Koni Challenge компании APR. Фото: APR

«Однажды мы творчески интерпретировали правила», — сказал Иэн Баас, координатор по маркетингу и штатный специалист по техническому обеспечению гонок в APR (в том числе во время сезонов Koni Challenge 2008 и 2009 годов). «По сути, мы смогли установить в наш автомобиль систему принудительного ускорения, которая позволяла ему работать с избыточным наддувом в течение определенного периода времени, не вызывая при этом никаких предупреждений».

Если водитель неудачно выходил из поворота, он мог быстро потянуть рычаг круиз-контроля и получить несколько дополнительных лошадиных сил — а значит, и дополнительную мощность — на ограниченное время.

«Чтобы извлечь из этого выгоду, требовался невероятно точный контроль наддува со стороны калибратора», — добавил Харви. «Каждый раз, когда вы пересекали эту черту, таймер начинал отсчитывать каждую миллисекунду, пока вы ее не преодолели. Если мы не пересекали эту черту, это оставалось в резерве на тот момент, когда это понадобилось бы водителю».

Этот уровень точности был перенесен и на продукцию для дорожного использования — компания APR давно подчеркивает усилия, которые она вкладывает в систему управления наддувом.

Конечно, первое использование функции «нажми и обгони» вызвало некоторое удивление. На одном из соревнований Баас со смехом поделился: «Я был быстрее машин класса GS [то есть самого быстрого класса]. Мы были самыми быстрыми в целом на одной из [тренировочных] сессий».

Что дальше?

По мере развития технологий появляются новые модели и новые силовые агрегаты, в том числе гибридные, что предоставляет тюнерам больше программного обеспечения для модификации. Но не раньше, чем они смогут преодолеть постоянно развивающиеся меры безопасности, внедряемые производителями автомобилей.

Даже когда автопроизводители используют одно и то же оборудование, каждый подходит к обеспечению безопасности по-своему. Раньше автомобили BMW было легко взломать и тюнинговать, но после того, как ситуация изменилась, тюнерам потребовалось много времени, чтобы восстановить доступ. То же самое относится и к Ford, который недавно начал внедрять более надежные меры безопасности. Дочерние компании APR, входящие в группу Holley, столкнулись с теми же проблемами, и хотя APR может поделиться общими подходами к взлому, она не может предоставить конкретные данные, поскольку процесс сильно различается в зависимости от производителя.

Во время нашей беседы команда, по понятным причинам, не могла поделиться подробностями о дальнейших планах. Но, как сказал Гортон: «Нужно постоянно расширять границы возможного. Нельзя просто сидеть сложа руки и делать то, что делаешь до сих пор, и ожидать, что бизнес будет продолжать расти».

151 комментарий

Источник: arstechnica.com