Dit is een eerste intro over chiptuning op de 2.2L z22se ecotec motor in de Opel Speedster.

Hoe werkt een motormanagement

Het motormanagement is niets anders dan een computer met allerlei aansluitingen. Net als een PC kan de computer niets zonder software. Bij een PC is dat vaak Windows of Linux (het operating system) met daarbij verschillende applicaties. Een motormanagement hoeft natuurlijk niet zo breed inzetbaar te zijn. Vrijwel alle functionaliteit die in een PC wordt aangeboden is voor een motormanagement overbodig. Maar het idee blijft wel hetzelfde. Het motormanagement heeft een operating systeem, net als een PC. Alleen is dit zo geschreven dat er geen losse applicaties op draaien, hoogstens dat er verschillende modules kunnen worden gebruikt, afhankelijk van de auto (denk aan software voor ABS, ESP, cruisecontrol etc.).

De software van het motormanagement zit niet zoals bij een PC opgeslagen op een harddisk, maar zit op een chip. Vaak is het zo dat deze chip kan worden voorzien van een nieuwe versie van de software (voor bijvoorbeeld het oplossen van fouten). Dit gaat niet zo gemakkelijk als bij een PC, vaak gebruiken dealers hiervoor speciale hardware.

De werking van de software in het motormanagement kan gelijk zijn over een reeks van verschillende motoren, bijvoorbeeld een 1.6, 1.8 en 2.0. Maar de aansturing is natuurlijk wel anders. Om niet de software voor elke motor anders te hoeven maken, wordt er gebruik gemaakt van tabellen. In deze tabellen staat bijvoorbeeld hoeveel brandstof het motormanagement moet toevoegen, afhankelijk van het toerental van de motor en hoeveel gas er wordt gegeven. Deze tabellen zijn tussen de verschillende motoren anders, de hoeveelheid brandstof die nodig is om een 1.6 goed te laten werken is natuurlijk anders als bij een 2.0 motor. Deze tabellen aanpassen is natuurlijk veel gemakkelijker en veiliger dan de software herschrijven. Dit is precies wat chiptuners doen, de waardes in de tabellen aanpassen. De Engelse term die ook voor chiptuning wordt gebruikt is “remapping”, waarbij de term map refereert naar de tabellen in het motormanagement.

Wat gebeurt er bij chiptuning

Bij chiptuning is het doel vaak om meer vermogen uit de motor te halen. Om meer vermogen uit een motor te halen moet je er iets in doen waar deze kracht uit kan komen. Bij een verbrandingsmotor is dat de brandstof, in het geval van onze 2.2L motor, benzine. Om de benzine te kunnen verbranden is natuurlijk ook zuurstof nodig. Om de meest krachtige verbranding te krijgen is er voor een motor vaak 1 bepaalde verhouding tussen benzine en lucht. Het heeft dus geen nut om alleen maar meer benzine toe te voegen, dan moet er ook meer lucht bij. Bij een turbo motor is dat voor een tuner relatief gemakkelijk. Bij moderne motoren kan het motormanagement de turbo-druk regelen. Door de turbo druk te verhogen, heb je meer lucht. Door nu ook gelijk meer brandstof toe te voegen komt er meer energie vrij bij de verbranding en wordt er dus meer vermogen geleverd. Dat verklaard ook het verschil in geclaimde vermogens toename tussen normale (atmosferische) motoren en turbo motoren.

Wat wel mogelijk is bij een motor zoals de 2.2L, is om te zorgen dat de motor daadwerkelijk op de beste lucht/brandstof verhouding draait. Het kan goed zijn dat de leverancier hier wat meer aan de veilige kant is gaan zitten i.v.m. de wisselende omstandigheden waarin de motor moet functioneren in de verschillende levering gebieden. Door dit verder te optimaliseren kan er nog wat vermogen gewonnen worden.

Wat gebeurd er bij wijzigingen aan de motor

Een voorbeeld van een populaire wijziging voor de 2.2L motor is om er een ander inlaat spruitstuk op te zetten. Het standaard spruitstuk is voor de motor een belemmering om lucht aan te zuigen. Door een ander spruitstuk te plaatsen kan de motor meer lucht aanzuigen en kan er dus meer brandstof worden toegevoegd, waardoor er meer vermogen wordt geleverd.

Maar er zijn veel wisselende resultaten over het plaatsen van een ander spruitstuk (afgezien van de verschillende spruitstukken die gebruikt worden). Dit is te verklaren door de manier waarop een motor management werkt.

Het maken van het mengsel

Laten we uitgaan van 1 simpele tabel in het motormanagement waarin op de y-as de stand van de gas klep staat, en op de x-as het toerental van de motor. In elk vakje van de tabel staan waardes. Deze waardes geven aan hoeveel brandstof het motormanagement moet inspuiten bij die combinatie van gas klep stand en toerental.

Na het plaatsen van het andere inlaat spruitstuk zal er bij dezelfde gas klep stand meer lucht binnenkomen. Als dan dezelfde hoeveelheid brandstof wordt gebruikt, dan zal de verhouding niet meer kloppen. Dat zal er op z’n minst voor zorgen dat de motor niet optimaal presteert, maar kan in extreme gevallen zelfs zorgen voor schade aan de motor.

Natuurlijk zijn er ook subtielere gevallen waarbij de hoeveelheid zuurstof die de motor binnen komt bij een bepaalde gas klep stand veranderd. Denk aan de temperatuur van de lucht en de luchtdruk, maar ook slijtage aan diverse onderdelen in de motor. Om voor al deze factoren te compenseren is er een mechanisme ingebouwd zodat het motormanagement hiervoor kan compenseren. Dit wordt bereikt door een zuurstof sensor (ook wel bekend als lambda sensor) in de uitlaat op te nemen. Door middel van deze sensor kan het motormanagement zien hoeveel zuurstof er nog aanwezig is in de uitlaatgassen. Als de verhouding tussen lucht en benzine optimaal is zal de hoeveelheid zuurstof in de uitlaatgassen minimaal zijn, de verbranding was dan volledig. Voor benzine en lucht geldt een verhouding van 1 op 14.7 om te komen tot deze optimale verbranding. De sensor in de uitlaat kan het motormanagement aangeven of de verhouding lager was dan 1:14.7 (oftewel te veel brandstof voor de hoeveelheid lucht) of hoger dan 1:14.7 (oftewel te weinig brandstof voor de hoeveelheid lucht). Hoeveel de verhouding afwijkt is niet te zien aan het signaal van de sensor.

Tijdens het draaien van de motor zal het motormanagement continue proberen om de waarde van de lambda sensor bij de 1:14.7 te krijgen. Hiervoor wordt de waarde uit de tabel gelezen en gekeken naar de laatste waarde van de sensor in de uitlaat. Was er de laatste keer te weinig benzine toegevoegd, dan zal er nu iets meer bij worden gedaan, en andersom. Op deze manier regelt het motormanagement de verhouding tussen lucht en benzine continue bij. Het wijzigen van deze verhouding wordt een trim genoemd. En omdat dit heel snel gebeurd, is het de korte termijn brandstof trim, ook bekend als de short term fueltrim (SFT). Het regelen gaat in een soort van lus, en staat dan ook bekend als “closed loop” in het engels.

Natuurlijk is het niet optimaal om steeds maar weer vanaf de basis waarde in de tabel te bepalen hoeveel er gecompenseerd moet worden. Het kan goed zijn dat hiervoor de regel lus een aantal keer moet worden doorlopen en dat kost tijd. Om deze tijd te besparen maakt het motormanagement in het geheugen een tijdelijke tabel aan. Afhankelijk van de omstandigheden zal het motormanagement deze tabel gaan vullen met afwijkingen die het heeft gezien op de standaard tabel. Het voordeel hiervan is dat er direct een correctie kan worden toegepast op de hoeveelheid brandstof, zonder dat er eerst gekeken hoeft te worden naar de uitlaat gas sensor. Omdat deze tabel een verzameling is van meerdere meetwaarden en dus over een langere termijn werkt heet dit de lange termijn brandstof trim, oftewel de long term fueltrim (LFT).

De ECU in onze motor heeft een vrij luxe LFT. Deze bestaat uit een tabel met meerdere cellen. De tabel is lang niet zo groot als de hoofd tabel waar de brandstof waardes in staan. Maar er zijn ook motormanagement die werken met 1 LFT voor het gehele toerenbereik. Voor een standaard motor is dat ook niet zo’n probleem. Bij variaties in weer en basis slijtage kan de motor prima corrigeren met zo’n LFT tabel. Het karakter van de motor is tenslotte nog steeds hetzelfde gebleven, en dat ligt vast in de hoofd tabel.

Het verschil met de hoofd brandstof tabel is duidelijk. De hoofd brandstof tabel heeft ruim 350 cellen in de tabel staan. De LFT tabel heeft maar 18 cellen.

Nu het plaatsen van een ander inlaat spruitstuk. Dit levert een significante wijziging op in het karakter van de motor. De doorstroming van het inlaat spruitstuk is anders bij verschillende toerentallen. Het trim mechanisme van het motormanagement zal natuurlijk nog steeds werken, maar doordat het karakter van de motor is gewijzigd wordt het moeilijk om al deze wijzigingen te vatten in de LFT tabel die veel minder cellen heeft dan de hoofdtabel. Het motormanagement zal vooral in de cellen die grotere stukken beslaan heel vaak wijzigingen moeten uitvoeren. Oftewel, de waardes in dit stuk van de tabel zijn eigenlijk nooit goed.

Meer vermogen

Om de motor zijn maximum vermogen te laten leveren is een andere lucht brandstof verhouding nodig dan 14.7:1. Er moet meer brandstof worden toegevoegd om het maximum vermogen te leveren. Voor het motormanagement is dit simpel. Standaard is het motormanagement zo geprogrammeerd dat bij vol gas (dus voor het leveren van maximum vermogen) een verhouding van 12.6:1 nodig is. Doordat het motormanagement een zeer goed idee heeft hoe het de verhouding op 14.7:1 moet krijgen (door alle trim tabellen), kan er een berekening worden gedaan om zo te komen tot de 12.6:1 verhouding die gewenst is. De gewenste lucht brandstof verhouding wordt ook wel een target air fuel ratio genoemd, oftewel een target AFR. De woorden gewenst en target duiden erop dat het motormanagement niet zeker weet dat de verhouding correct is. De uitlaatgas sensor kan tenslotte niet aangeven hoe ver de lucht brandstof verhouding onder de 14.7:1 zit. Er is dus geen manier voor het motormanagement om dit te controleren. Er is dus nu geen regel lus meer actief, daarom wordt deze manier van werken van het motormanagement ook wel open loop genoemd.

Uit het bovenstaande is op te maken dat het zeer belangrijk is dat het motormanagement goed weet hoe het moet zorgen voor een lucht brandstof verhouding van 14.7:1. Bij het plaatsen van een ander inlaat spruitstuk gaat dat dus fout. In de LFT tabel is juist een hele grote cel die precies de trim bevat voor vol gas voor bijna het halve toeren bereik, inclusief het hoogste toerental. De kans dat deze cel in de LFT tabel de juiste correctie bevat voor het complete toeren bereik is zeer gering. En daarmee is de kans dat het motormanagement het juiste lucht brandstof mengsel kan maken voor maximaal vermogen ook erg klein.

Hieronder is een vermogens grafiek te zien voor een Speedster. De lagere grafiek is bij een lucht brandstof verhouding van 12.7:1, de hogere grafiek is met een verhouding van 12.9:1

Bij zo’n klein verschil is al duidelijk te zien dat deze motor beter presteert met een andere lucht brandstof verhouding.

Conclusie

Een motor management is zo ingeregeld dat het bij een gelijkblijvend karakter van de motor kan compenseren voor verschillen in weersomstandigheden en slijtage. Dit gebeurd in een tabel die veel grover is dan de basis tabel.

Bij wijzigingen aan de motor waarbij het karakter van de motor wijzigt, is de LFT tabel te grof om de karakter wijziging te compenseren. De cellen in de tabel zijn te groot.

Het gevolg hiervan is dat de motor niet optimaal loopt en in bepaalde gevallen kan het zelfs schade aan de motor opleveren. Ook de prestaties van de motor zullen zeker niet optimaal zijn. Afhankelijk van de huidige waardes in de LFT tabel kan dit verschil significant zin.

De oplossing hiervoor is om de basis brandstof tabel in het motormanagement opnieuw af te stellen, zodat deze voor elke positie de juiste basis hoeveelheid brandstof bevat voor een 14.7:1 lucht brandstof verhouding. Door de manier waarop het motor management werkt zal hierdoor ook de lucht brandstof verhouding bij vol gas goed zijn en zal de motor meer vermogen leveren.

Bij optimaal chiptunen is het niet mogelijk om op een motor de basis brandstof tabel correct af te stellen en deze te kopieren naar een willekeurig andere motor. Deze tabel is compleet afhankelijk van de staat van de motor, inclusief alle aanpassingen en zal per motor verschillend zijn.