Introductie 2

Transcriptie

1 Unleash the power

2 Introductie 2

3 Het tunen van auto s gaat bij ons verder dan het verhogen van parameters. Wij zijn van mening dat een uitgebreide kennis over motor, aandrijflijn en transmissie bijdraagt aan een hoge kwaliteit van motoroptimalisatie. Ons team bestaat daarom uit mensen die alles weten over autotechniek. Iedereen heeft zijn eigen specialisatie, samen komen we tot een prachtig product. Zoals je weet ben je als klant bij ons onderdeel van het ZIPtuning team. Vandaar dat we ook jou graag iets leren over de techniek waar je elke dag mee op pad bent. Van basiskennis tot hogere natuurkunde en van turbosysteem tot brandstofinjectie. Geregeld plaatsen we dan ook technische artikelen op onze website. Voor nu willen wij je informeren over één van de belangrijkste onderdelen van de auto: de ECU. 3

4 Hoewel het waar is dat de samenstelling van het lucht-brandstofmengsel ook vroeger goed geregeld kon worden met de carburateur, kleefden daaraan ook belangrijke nadelen. Bij het afstellen van een carburateur moest je namelijk van tevoren kiezen wat je ermee wilde bereiken: meer vermogen, een zuiniger brandstofverbruik of lagere emissiewaarden. Het was niet mogelijk om alle drie optimaal af te stellen. Dat kan wel met computergestuurde brandstofinjectie. Als je werkelijk alles uit een motor wilt halen, is de computer dan ook een noodzakelijk kwaad. Daarmee zijn we meteen aanbeland bij het onderdeel van moderne motoren dat de motormanagementmodule of ECU genoemd wordt (ECU staat voor Engine Control Unit). De ECU is een buitengewoon geavanceerd apparaat waarmee het mogelijk geworden is om een motor binnen veilige grenzen veel beter te laten presteren. Zelfs kleine motoren kunnen dankzij de ECU enorme prestatieverbeteringen bereiken. In dit artikel besteden we aandacht aan het motormanagement, waarbij we vooral dieper ingaan op de ECU. Je zult hierdoor beter begrijpen hoe het mogelijk is een ECU anders af te stellen en hiermee bijvoorbeeld meer vermogen te creëren. 4 Sterk vereenvoudigd werkt een verbrandingsmotor door een mengsel van benzine en lucht naar de cilinders te voeren, dat mengsel in de cilinders samen te persen en het vervolgens te ontsteken met een vonk. Voordat de ECU zijn intrede deed, werd de samenstelling van het lucht-brandstofmengsel geregeld met de carburateur en werd de ontsteking geregeld met de bobine. Deze twee onderdelen waren in de loop van tientallen jaren geoptimaliseerd en voldeden redelijk goed. In de late jaren 60

5 werden de uitlaatgasemissie en het brandstofrendement echter onderworpen aan nieuwe regelgeving, die inhield dat auto s schoner moesten rijden en een lager brandstofverbruik moesten halen. Deze nieuwe regels waren de belangrijkste oorzaak van de grootschalige invoering van computergestuurde brandstofinjectie en ontsteking. Maar waarom heeft een motor brandstofinjectie nodig om schoon en efficiënt te lopen? Om die vraag te kunnen beantwoorden, moeten we eerst wat meer weten over lucht-brandstofmengsels, vermogen en uitstoot. Benzine bestaat uit moleculen die koolstof en waterstof bevatten (en ook wat andere stoffen, onder meer om de kleppen schoon te houden). Wanneer de koolwaterstofmoleculen in de cilinder worden verbrand, ontstaat er druk die de zuiger omlaag duwt om de motor aan te drijven. Als het mengsel onvoldoende zuurstof bevat, verbrandt niet alle benzine en gaat er vermogen verloren. Andersom neemt een teveel aan zuurstof de plaats van benzine in en gaat er ook op die manier vermogen verloren. Dit is een sterk vereenvoudigde voorstelling van zaken, maar illustreert wel het punt dat lucht en benzine in de juiste verhouding gemengd moeten worden om een optimale verbranding van benzine te verkrijgen. Voor benzine bedraagt deze verhouding 14,7 op 1. Dit wordt ook wel de ideale stoichiometrische verhouding genoemd. Om één gram benzine volledig te verbranden is 14,7 gram lucht nodig. Je zou kunnen denken dat het probleem daarmee is opgelost: je hoeft alleen een systeem te bedenken dat die verhouding constant houdt en klaar is kees! Helaas steken motoren niet zo eenvoudig in elkaar. Om verschillende redenen komt het meeste vermogen vrij bij een rijk mengsel (ongeveer 12,5:1). En om het nog moeilijker te maken, wordt het beste rendement behaald bij een arm mengsel (iets meer dan 15:1). En dan hebben we nog niet eens rekening gehouden met de uitstoot. ZIPtuning past de originele waarden in de ECU zo aan dat er op vele vlakken meer profijt wordt gehaald uit de motor. In deel twee van deze miniserie gaan we het hebben over de uitstoot en de methode van brandstofinjectie. Dus houd je mailbox in de gaten en stay tuned! In deel 2 van de miniserie Alles 5

6 Uitstoot en methoden van brandstofinjectie Wanneer de motor op een te rijk mengsel loopt, is er niet genoeg lucht om alle benzine te verbranden. Daardoor stoot de motor onverbrande koolwaterstoffen en koolmonoxide uit. Helaas kunnen we niet gewoon een iets te arm mengsel gebruiken, omdat de hoeveelheid NOx (stikstofoxiden) zelfs bij een minimale toename van het luchtaandeel de capaciteit van de katalysator al ver te boven gaat. Deze kleine marge om lage emissiewaarden te bereiken maakt computergestuurde brandstofinjectie onontbeerlijk. Mechanische systemen kunnen eenvoudig niet snel genoeg detecteren wat de auto doet om de motor zonder tijdvertraging zo aan te sturen dat de emissiewaarden binnen de voorgeschreven grenzen blijven. Wat je ook van overheidsbemoeienis in het algemeen mag denken, de emissienormen voor auto s hebben wel geleid tot de invoering van brandstofinjectie. Hierdoor is het niet alleen mogelijk geworden om de uitstoot tot het minimum te beperken, maar hebben wij ook de mogelijkheid gekregen om de verhoudingen zo aan te passen dat een hoop extra vermogen wordt gecreëerd. 6

7 Er zijn verschillende methoden van brandstofinjectie. Het verschil zit hem in de manier waarop de benodigde hoeveelheid lucht en brandstof wordt gemeten. Als voorbeeld nemen we het systeem dat uitgaat van meting en terugkoppeling van het toerental en de luchtdichtheid. Deze methode staat bekend als de speed-density -methode. De computer krijgt het motortoerental door van een sensor bij de krukas en bepaalt de luchtdichtheid uit het signaal van een sensor die de luchttemperatuur en luchtdruk in het inlaatspruitstuk meet. De hoeveelheid lucht in de inlaat is evenredig met de absolute druk gedeeld door de absolute temperatuur. Aan deze gegevens en de opdracht van de bestuurder (hoe ver het gaspedaal wordt ingedrukt) heeft de ECU genoeg om de brandstoftoevoer naar de motor te regelen. De ECU voert continu berekeningen uit om te bepalen wanneer en hoe lang de verstuivers open moeten staan en wanneer de bougies een vonk moeten afgeven. Als bekend is dat de brandstofinspuiting gebaseerd is op speed-density kan dat nuttig zijn om te bepalen welke aanpassingen aan de motor herprogrammering van de ECU vereisen en welke niet. De ECU stuurt de verstuivers en bougies aan door gebruik te maken van een aantal tabellen in het geheugen (referentietabellen of kenvelden) waarin voor elke bedrijfstoestand van de motor de bijbehorende waarden zijn opgeslagen. De ECU moet er bij dit alles ook nog voor zorgen dat de emissiewaarden zo laag mogelijk blijven en dat de motor zo draait dat er geen risico op motorschade kan ontstaan. Dit gebeurt door een voortdurende terugkoppeling van gegevens. Veel tuners streven naar meer vermogen, maar de ECU kan alle andere factoren niet negeren. Bovendien kan de ECU zich afhankelijk van de bedrijfstoestand van de motor verschillend gedragen op basis van de referentietabellen. In deel 3 van deze miniserie gaan we dieper in op de verschillende bedrijfstoestanden van de ECU. 7

8 In het vorige deel hebben we geleerd hoe de ECU de perfecte verhoudingen weet te bereiken voor een optimale verbranding. Deze week in deel 3 van de miniserie Alles over de ECU gaan we dieper in op de verschillende bedrijfstoestanden dan de motor. Wat zijn de verschillen tussen een koude en warme start? En welke maatregelen neemt de ECU om met wisselende omgevingsomstandigheden toch de ideale verhoudingen te bereiken? Koude start Wanneer het contact ingeschakeld wordt bij een koude motor, moeten de koelvloeistof, de brandstof, de sensoren en alle andere componenten eerst op temperatuur komen voordat de motor goed werkt. Bij zo n koude start moet de ECU meer brandstof inspuiten om de motor aan de gang te krijgen dan wanneer alles goed op temperatuur is. Bij een warme start is het toerental laag en wordt de krukas alleen door de startmotor rondgedraaid. In deze toestand is meer brandstof nodig dan bij een normale werking, maar niet zoveel als bij een koude start. 8 Vrijloop In vrijloop moet de motor draaien met een laag toerental en moet dat toerental constant blijven wanneer de lichten of airco aan- of uitgezet worden. Bij afremmen op de motor, met de voet van het gaspedaal, sluit de ECU de verstuivers helemaal, om brandstof te besparen. Meestal wordt er echter met een rustige snelheid of met een lichte belasting gereden, met de motor op normale bedrijfstemperatuur. In deze toestand wordt de motor aangestuurd via een regelkring, waarmee bedoeld wordt dat de werkelijke, door de sensoren gemeten waarden gebruikt worden om te controleren of de ingangswaarden het gewenste resultaat hebben. Deze waarden kunnen gewijzigd worden om zo nodig de loop van de motor bij te sturen. De ingangswaarden en uitgangswaarden beïnvloeden elkaar dus. De ECU gebruikt dan de waarden uit de referentietabellen, maar past ze aan afhankelijk van de uitvoer van de eerste zuurstofsensor, zodat de hoeveelheid ingespoten brandstof afgesteld kan worden op een optimale emissie zonder in te boeten aan vermogen.

9 Standaardwaarden Je zou je kunnen afvragen waarom de ECU de waarden uit de standaardtabel aanpast. Daarvoor zijn verschillende redenen. De eerste daarvan is cumulatie van toleranties. Geen twee motoren zijn namelijk gelijk, omdat onderdelen niet met precieze afmetingen gemaakt worden, maar binnen bepaalde toleranties ten opzichte van de ideale maat. Al deze toleranties bij elkaar opgeteld kunnen zorgen voor aanzienlijke verschillen tussen verschillende motoren van hetzelfde type. De tweede reden is slijtage van de motor. Naarmate de onderdelen slijten en er materiaal afgezet wordt op de kleppen, in de cilinders en in de verstuivers, gaat de motor zich geleidelijk anders gedragen dan toen hij uit de fabriek kwam en kloppen de referentietabellen ook niet meer helemaal. Omgevingsfactoren Tenslotte kunnen ook de omgevingsomstandigheden nog variëren. Waterdamp in de omgevingslucht verbrandt niet, maar neemt wel de plaats in van verbrandingslucht. De sensoren zien echter geen onderscheid tussen lucht en waterdamp. De lambdasonde meet de hoeveelheid zuurstof in de uitlaat en geeft die waarde door aan de ECU om het inspuittijdstip bij te stellen en de verbranding te optimaliseren. Dat komt ook de efficiëntie van de katalysator ten goede en houdt de emissiewaarden laag en de lucht schoon. Open kring Voor de bestuurder is verreweg de leukste bedrijfstoestand uiteraard het rijden met volgas. Dit is wanneer het pedaal helemaal tegen de vloer gedrukt is en de snelheidsmeter zo snel mogelijk omhoog klimt. In die toestand werkt de motor meestal via een open kring, omdat het meeste vermogen wordt opgewekt bij een rijkmengsel en de uitgangswaarde van de lambdasonde dan niet gebruikt kan worden, omdat deze sensor afgestemd is op gebruik in een gesloten regelkring bij gemiddelde snelheid. Dit is het gebied waar tuning het meeste kan uitrichten voor standaardmotoren. Wanneer de motor ingrijpend wordt aangepast is tuning zelfs noodzakelijk. 9

10 De ECU doet meer dan alleen de loop van de motor regelen. Een van de belangrijkste functies is om de motor te beschermen tegen onverwachte problemen, inclusief mechanische defecten en fouten van de bestuurder. De toerentalbegrenzing is voor iedereen gemakkelijk te begrijpen. De motor kan zeer hoge toerentallen bereiken, maar wanneer die worden overschreden gaan er onherroepelijk onderdelen kapot. Om dat te voorkomen, stopt de ECU gewoon de brandstofinspuiting van een of meer cilinders wanneer een voorgeprogrammeerde toerentalgrens wordt bereikt. Je rijdt dan opeens in een driecilinder in plaats van een viercilinder en er is niet genoeg vermogen om de motor sneller te laten draaien. Toerentalbegrenzing Er is echter één belangrijk aspect van dit type toerentalbegrenzing dat bijzondere aandacht verdient. Het beschermt de motor niet tegen een te hoog toerental bij het terugschakelen in een te lage versnelling. In dat geval wordt het te hoge toerental veroorzaakt door de vaart van de motor zelf en dat kan heel vervelende gevolgen hebben (zuigerstangen die afbreken, kleppen en cilinders die het begeven, enz.). De toerentalbegrenzer is dus niet perfect, maar beschermt de motor wel tegen een te sterke acceleratie. Een tweede beschermingssysteem is ook vrij eenvoudig te begrijpen. Wanneer gassen worden samengedrukt, komt er warmte vrij. Als de verbrandingslucht van zichzelf al erg warm is, kunnen er tijdens de compressieslag zulke hoge temperaturen ontstaan dat het mengsel te vroeg spontaan ontbrandt met motorschade tot gevolg. Wanneer de ECU een te hoge luchttemperatuur in het inlaatspruitstuk detecteert, wordt daarom meer benzine geïnjecteerd dan nodig is voor de verbranding. Met de energie die nodig is om de vloeibare benzine in damp om te zetten wordt de lucht gekoeld. Bovendien komt er bij de 10

11 verbranding van een rijk mengsel minder warmte vrij. Bij normaal gebruik van de motor treedt dit systeem vrijwel nooit in werking, maar het kan goed van pas komen wanneer de auto bijvoorbeeld op de testbank wordt gezet. De motor moet in dat geval hard werken zonder dat er veel lucht door de tussenkoeler stroomt om de inlaatlucht te koelen. In zo n situatie treedt het systeem in werking en wordt oververhitting voorkomen. Klopsensor Het belangrijkste beschermingssysteem werkt met behulp van de klopsensor. Dat is een microfoon die op het motorblok gemonteerd is en letterlijk luistert of er detonatie dreigt te ontstaan, ook vaak pingelen of kloppen genoemd. Detonatie is voortijdige verbranding van een deel van het brandstofmengsel door een te hoge druk of temperatuur. Als er niets wordt gedaan om detonatie te voorkomen, smelten de zuigers of worden er gaten in geslagen. Dat is een kostbare aangelegenheid. Om te voorkomen dat pingelen optreedt tijdens een normale werking van de motor, worden er additieven bij de benzine gedaan om het octaangetal op te voeren en de verbranding te optimaliseren. Pingelen kan echter ook bestreden worden door de verbrandingstijd te verlengen. Waarom wordt de motor dan niet gewoon zo afgesteld dat pingelen niet kan optreden? Omdat de motorafstelling dan te veilig zou zijn en de motor bij lange na niet het beschikbare vermogen zou kunnen leveren. Daarom heeft de motor een klopsensor en wordt die wat krapper afgesteld. Deze functie is alleen mogelijk dankzij de ECU. Wanneer de klopsensor het begin van detonatie detecteert, vertraagt de ECU het ontstekingstijdstip. Daardoor vindt de verbranding langzamer plaats en daalt de druk in de cilinder (en daarmee het vermogen en het brandstofrendement). De volgende keer gaan we dieper in op de anderen functies van de ECU. Hoe werkt de ECU samen met de turbo? Welke informatie geven de wielsensoren door aan de ECU? Hier geven we antwoord op in deel 5 van de miniserie Alles over de ECU. Dus stay tuned! 11

12 De ECU doet meer dan alleen de samenstelling van de uitlaatgassen regelen en de motor beschermen tegen schade. Hij beïnvloedt ook verschillende andere belangrijke systemen in auto s, waaronder de turbo en de elektronische gasklepregeling, ook wel drive by wire genoemd. Bij dit systeem is het gaspedaal niet door middel van een kabel met het gasklephuis verbonden, maar registreert de ECU de gaspedaalstand en raadpleegt vervolgens de referentietabellen. Afhankelijk van enkele andere variabelen, zoals het toerental, wordt dan een signaal afgegeven dat vertelt hoe ver de gasklep geopend moet worden. De ECU houdt ook rekening met de druksensor in het inlaatkanaal om de opening van de gasklep af te stemmen op wisselende belastingen (zoals bij het op en af rijden van een helling of het in- en uitschakelen van de airco). Tractieregeling en stabiliteitscontrole zijn gedeelde functies van de ECU, het antiblokkeerremsysteem en het stabiliteitscontrolesysteem. De signalen van de wielsensoren voor het ABS-systeem worden via een speciale, snelle netwerkverbinding (CAN-bus) verstuurd. Als de ECU wielspin detecteert tijdens het accelereren grijpt het motormanagement direct in. Het ontstekingstijdstip, de gasklepstand of beide worden zodanig aangepast dat de vermogensafgifte tijdelijk wordt beperkt. Wanneer de stabiliteitscontrole in werking treedt, kan de ABS/ASC/ DSC-module de ECU opdragen het vermogen terug te brengen om wielspin of gripverlies in de bochten te voorkomen. Daarom moeten deze systemen voor circuitrijden altijd uitgeschakeld worden! Ze remmen de wagen af wanneer je dat niet wilt. De ECU bewaakt ook de samenstelling van de uitlaatgassen. Hoewel niet iedereen even enthousiast is over het diagnosesysteem voor uitlaatgassen van moderne auto s (ook wel afgekort als OBD, waarbij OBD staat voor On-Board Diagnostics), kent dit systeem toch vele voordelen. Vaak wordt gedacht dat de regeling van de uitlaatgasemissie een nadelige invloed heeft op het vermogen van auto s. Hoewel de katalysator het uitlaatgasdebiet weliswaar iets beperkt, zijn de voordelen voor alle auto s, behalve voor racewagens, toch groter 12

13 dan de nadelen. Dankzij de norm OBD2 (in Europa EOBD) werken codescanners en dataloggers eindelijk naar behoren, omdat autofabrikanten verplicht zijn de gegevens van de belangrijkste sensoren in een universeel formaat beschikbaar te stellen. Wanneer het gevreesde rode lampje voor motorproblemen in de auto gaat branden, kan met zo n codescanner achterhaald worden wat de storing precies inhoudt en kan het probleem gemakkelijker worden opgelost. (De auto kan ook gescand worden voordat hij voor onderhoud naar de dealer gaat, om achteraf te kunnen controleren of de onderhoudstechnici wel de waarheid vertellen!) Door de OBD2-norm is het ook mogelijk geworden om verbeterde tabellen in het motormanagement te laden, wat de meest gangbare manier van tunen is. De lijst van verdere ECU-functies is eindeloos. De ECU regelt onder meer de koelventilatoren en kan de dynamo uitschakelen wanneer er kortstondig veel vermogen gevraagd wordt. Ook geeft de regelmodule de snelheid door aan het instrumentenpaneel en stuurt hij de diefstalbeveiliging aan om te controleren of de sleutel wel in het contact zit. Daarnaast communiceert de module met de automatische transmissie om het schakelmoment te bepalen en regelt hij de cruisecontrol zodat je op lange ritten kan ontspannen. De ECU zet zelfs automatisch de radio harder wanneer een hogere voertuigsnelheid wordt gemeten! Zoals u hebt kunnen lezen vervult de ECU een steeds belangrijkere rol in hedendaagse auto s. De ECU is zelfs niet meer weg te denken en tevens het aangewezen middel om het vermogen van motoren te vergroten zonder het milieu te vervuilen. 13

14 14