Tuning theory, Part 4 

   

 

Mapping – the final touch With a new exhaust system and race catalyst, and a more efficient inter-cooler, we have established that there are margins for more boost in the Passat. But a mapping is essential, so we have invited Claus Aichberger from Turbo Center to extract the horses, under the supervision of Rototest Research Institute (RRI).              

     

Bilsport March/April 2006 (In English July 2008) •  www.rri.se 

 

 Tuning theory, Part 4 

 

 

Tuning theory, Part 4/5 2006

Imprint:  

Tuning theory, Part 4/5 March/April 2006    •

This article is prior published in the Swedish car magazine BILSPORT nr 7, 2006  Text and photo by Gunnar Ljungstedt  Publisher:  Förlags AB Albinsson & Sjöberg  Box 529  371 23 Karlskrona  www.bilsport.se 



Vehicle tests, technical facts and graphs by Rototest Research Institute, www.rri.se  Originally published in Swedish 



Stainless steel, sport exhaust system and new catalyser from Ferrita Sweden AB, www.ferrita.com 



New intercooler from Setrab AB, www.setrab.com    Engine tuning calibration, Turbo Center Stockholm AB, Claus Aichberger, www.turbocenter.se 

             

   

•    

Reader Questions and comments: Please write to tuning‐[email protected], open to December 2009.    

Free non-commercial downloads Except otherwise indicated elsewhere on this web server, any person is hereby authorised to view, copy, download, store, print or distribute anything on this site  or obtained through it, but subject to the following conditions:   The document may be used for informational purposes only.   The document may only be used for non commercial, non profit purposes.   The document may not be altered in any way, and must be complete.   The document may not be copied to, or made available through, a web site.   All other use is strictly prohibited.     Rototest Research Institute 2008, www.rri, translation of Bilsport article from 2006    © Copyrights Bilsport 2006 & Rototest Research Institute 2008   

 2/2  

 

Bilsport March/April 2006 (Translated July 2008) • www.rri.se 

 

 Tuning theory, Part 4 

     

 

CHERISHED CURVE. What we are looking at is the desired volumetric  efficiency. The green curve shows the original state. 

We have now in three articles looked at the preconditions for extracting more power out of a 150 HP Volkswagen Passat 1.8T, all with the help of the engineers and analysts at RRI. Firstly, we looked at the status of the original car. Then, we exchanged the exhaust system and thereafter, the inter-cooler. By tests with the chassis dynamometer we established that the steps taken gave some more power and torque, but the lower back pressure and the improved cooling capacity shows that the original map is far from optimal. So we borrowed Claus Aichberger from Turbo Center to the RRI laboratory, with the computer under his arm and expertise in his head. What could he do then? The parameters we have to play with are fuelling, ignition timing, desired air volume (boost pressure) and adjustments of program limitations.  

 3/3  

 

Tough adjustment  All modern engines have the capacity to safeguard against knocking by retarding the ignition and/or enrich the fuel. That is also the case with the Passat, but the adjustment is very complicated and Claus has to work hard to stay under the knocking limit. But, at the same time, as close to it as possible. We noticed that the ability of the program to pull back the ignition at knocking was limited to 10 degrees, then it said stop. Unless the knocking stops, the exhaust temperature will rush off (when the mass of the manifold heated up) and the pistons are damaged. One of the first undesired results will be deformed ring areas. A question that does strike you when you see Claus work is whether it would not be worth while to exchange control system for an aftermarket system.    

TUNER’S HUMOR. If the curve looks like this, we are likely to have a  problem. We must see this as an expression of a poor sense of humor.  Maybe a gesture to the Volkswagens programmers? 

Original system preferred 

does not like more than 1.21.3 bar of boost pressure. We – Not on a street car, says have to compensate with Claus. Some poor soul has ignition and fuel, so we don’t spent 50 million to make it gain more. work. It works in all climates, starts at all times, Difficult torque curve  consumes little fuel, and you can make a diagnosis at the The limitation of the original turbo tolerates these charging garage workshop. – To work with the original pressures, but only in a system is ideal, best value, he limited area. So the torque continues. A race car or a car curve will be rather boring, to play with in the summer without real top power. time only is, however, a When the torque goes down different matter. The after the early peak the advantage with an engine will feel lifeless, in aftermarket ECU is the user spite of the fact that it still friendliness. But in the gives more than the original. standard system everything Therefore we even out the for the best is clear. It only needs to be torque adapted to its new purpose. drivability. Claus is well On the other hand, you will aware of the objective. need experience for that. It is – It is interesting to achieve a change and also useful to know the character capacity of the turbo and to adaptation, and to use the understand the physical turbo to make the car more fun to drive, he says. To prerequisites. – Here, we have a make the system tolerate a compression that is quite larger air volume, with safety high, Claus says. If you add and exhaust cleaning as air, the temperature parameters to consider. increases. Eventually, it The first step for Claus is to results in an unreasonably find the necessary control high pressure in the cylinder. matrices in the software. – It seems that the engine There is an important bunch

Bilsport March/April 2006 (Translated July 2008) • www.rri.se 

 

 Tuning theory, Part 4 

 of them, like the limiting matrix for the air volume. Also the ignition position was tested, but there was not much to do there, since it adjusts itself in real time. The fuel also keeps up as far as the air flow meter suffices.

based upon the coefficient of   volumetric efficiency, which is translatable to load. This value can be represented by a certain amount of fuel. If you change the distributor, it’s enough to change one parameter, in principle … Claus thinks it is important to avoid knocking tendencies Retain the margins  as far as possible. The built The control system of the in diagnosis of the Passat Passat calculates everything will tell when it knocks,

which makes the mapping easier. For normal fuel, two to three degrees ignition retarding at knocking is acceptable. Then there is still a margin. If you go up to ten degrees, the whole safety reserve is used up and the system has no margins left. And if you have no knocking at all, you are not aware of the margins either.

– Breakdowns occur often when the ride is hard and sluggish for a long period of time, Claus points out. You shouldn’t get overexcited because there is no knocking in the second gear. You have to verify in the worst possible environment!    

Today it’s the control system that decides, based on approximately 120 parameters. With the gas pedal, you only wish, it’s not you who decides how it turns out eventually.

EMULATOR. With an emulator plugged in instead of the original chip, Claus can control and manage the program during driving, instead of  having to burn new chips all the time.  

 4/4  

 

Bilsport March/April 2006 (Translated July 2008) • www.rri.se 

 

 Tuning theory, Part 4 

 Who drives?  – Previously it was the engine and the gas pedal that decided the coefficient of volumetric efficiency, Claus says. Today, it’s the control system that decides, based on approximately 120 parameters. With the gas pedal, you only wish, it’s not you who decides how it turns out eventually. We leave the purely philosophical aspects of the modern engines and establish that Claus has persuaded the control system to allow

technically more room for   air. As long as everything runs as it should, the system controls itself. The safety in modern systems is generally high, but on the other hand a simple transmitter error can cause serious trouble. – If the potentiometer in the gas pedal goes wacko, the driving characteristics can become quite funny, as Claus expresses it. The error potential is high when it’s a question of ”reversed engineering”.

A warning!  We have talked about knocking, or pinging, earlier in  the context of changing the exhaust system. There is  no harm in mentioning that the risk for high speed  knockin is there for all engines, not only for our Passat.  With the standard exhaust system, the high back  pressure caused residue exhaust gasses to stay behind  in the combustion compartment, something called  internal EGR. This causes the combustion to slow down  and the risk for knocking decreases. Therefore the  ignition can take place relatively early.  With a new exhaust system (less back pressure) and a  bigger inter‐cooler (cooler air into the engine), the  engine should be able to take still earlier ignition. At  least in theory.   Here a word of caution is appropriate. If you increase  the ignition by the same number of degrees over the  whole map, it can result in too much at high revs. It  may not cause trouble during short accelerations, but a  day’s flat out on the autobahn may be both expensive  and embarrassing.  

Trusts the engineers 

Conclusions

The advantage with mapping when having the car in the chassis dynamometer, instead of doing it on the road, is obvious. Mapping on the road is always hazardous, and repeatable measurements are of course impossible to achieve. With repeatable values, Claus can do even small adjustments and directly see if the results go in the right direction. – There are thousands of matrices, and I don’t know what 99 percent of them do, Claus confesses. And neither do I want to know. I trust that the VW engineers have done a good job. The same engineers probably knew that a big pipe and a more effective inter-cooler would do a lot of good to the car. But they were not allowed to act because in the carmakers’ world every penny counts. In the next feature article we will tie up the ends by taking a final look at the car’s performance characteristics and explain how we take advantage of the traction force. []

As  we  already  have  figured  out:  by  mapping  we  can  profit  from  the  possibilities  we  have  acquired  by  changing  the  exhaust  system  and  inter‐ cooler.  In  spite  of  the  modifications,  we  could  not  achieve  more  than  190  HP  at  the  drive  wheels.  We  have  simply  exploited  the  injectors  and  the  turbo  to  the  maximum.   We want to point out that the  mapping  should  be  left  to  those who have both the skills  and the equipment.  ‐  Many  consider  themselves  competent  because  it  requires  just  a  little  programming,  Jonny  warns.  Wrongly  done,  it  can  lead  to  expensive  experiences!  

 

German words  German car, German control system and nice German industrial language. Below, a  few German words to brush up on for future visits to the Bosch development  department.   Load limiter at knocking  LDRXNZK, {Maximalfuellung LDR bei Dauerklopfen}  Basic/max opening time for waste gate:     KFLDIMX, {Kennfeld LDR I‐Reglerbegrenzung}

 5/5  

 

Bilsport March/April 2006 (Translated July 2008) • www.rri.se 

 

 Tuning theory, Part 4 

     Measurements and    results    Amazing what a little tinkering  with the computer can lead to.  However,  remember  that  the  mapping    scarcely  would  have  rendered  so  much  without  changing  the  hardware,  i.  e.  exhaust  system  and  inter‐ cooler first.   Compared  with  the  standard  curve,  the  torque  has gone up  by  39  percent  and  the  efficiency  by  23  (as  per  Fig.1),  in  spite  of  that  there  still  is  some tuning left to do.  If we check the sweep that was  run at 500 rpm/s acceleration,  shown  in  Fig.  2,  we  see  the  curve  disappearing  from  the  diagram.  This  is  due  to  Claus  putting  the  revs  limit  at  7200  rpm.  However,  exactly  as  we  expected,  it  didn’t  make  any  difference, since the turbo had  already  hit  the  wall.    From  4000  rpm,  the  torque  decreased  successively,  which  we  pointed  out  already  in  the  first part.  The  efficiency  is  being  limited  by  several  expensive  components,  such  as  the  turbo, the distributors, and the  air  volume  meter  that  is  also  approaching its limit.    

From now on, it’s becoming  expensive  On  the  other  hand,  it  should  be possible to raise the torque  a  bit  more.  But  then  you  have  to know where the limit is. The  standard  engine  has  a  maximum  cylinder  pressure  at  around 80‐85 bar, and with the  current  300  Nm,  we  have  increased it to110‐115 bar.   You  could  say  that  the  life  of  the  engine  is  now  more  dependent on the behaviour of  your  right  foot  than  earlier, 

 6/6  

 

and it  could  easily be cut  to  less  than  half.  To  increase  the  torque even further and still be    able to sleep at night, you will  have to replace components in  the  engine  to  tougher  ones.  We have reached the situation,  which  we  talked  about  in  the  first part of this feature article  series.  If  you  choose  to  go  on  and  hunt  for  more  efficiency  and  torque,  it  becomes  so  expensive  that  the  wisest  solution  is  to  choose  another  car.  In Fig. 3 you can see a diagram  of  the  injector  time.  The  figures  are  a  bit  over  what  is  considered  as  safe.  However,  in practice this is not very likely  to  cause  any  problems,  as  the  maximum  revs  are  only  reached  for  short  moments  before gearing up.    

Volumetric efficiency  The  boost  pressure  has  been  increased  over  the  whole  range,  but  the  greatest  difference  is  found  around  4000  rpm.  This  is  also  seen  in  Fig. 2, where the torque curve  follows  the  boost  pressure  more or less exactly. Maximum  boost  at  steady  state  is  now  0.95 bar (1.03 during a sweep).  If  we  look  closer  at  the  diagram in Fig. 4, the deviation  between  the  different  ways  of  calculating  the  volumetric  efficiency,  which  we  discussed  in  the  second  part,  becomes  more pronounced. The relative  volumetric  efficiency  is  approximately  the  same  as  when  the  engine  was  in  its  original  state,  which  is  reasonable  considering  the  fact that we have not changed  any  hardware  in  the  engine.  On  the  other  hand,  the  total  volumetric  efficiency  has  jumped up in a nice way.   The exhaust temperature, seen 

in  Fig.  5,  still  maintains  approximately  800  degrees  Celsius  as  a  maximum.  Thus,  nothing  to  worry  about  there.  The  pressure  loss  in  the  exhaust  system  is  about  30  percent of the pressure loss in  the  standard  pipe,  in  spite  of  having  increased  the  flow  quite considerably. Lovely!    

On the limits  In  the  diagram  (Fig.  6)  on  the  efficiency  of  the  inter‐cooler  we  see  that  some  of  the  gain  achieved  by  the  change  is  eaten  up  by  the  mapping.  But  that  was  the  reason  for  the  change,  to  prepare  for  the  mapping. Since we now charge  more,  the  temperature  increases  out  of  the  compressor,  but  the  efficiency  has  still  gone  down  by  only  around  5  percent.  In  spite  of  higher temperature and higher  flow,  the  air  out  of  the  inter‐ cooler  is  cleaner  than  in  the  original concept.  But  couldn't  we  increase  the  charging  pressure  just  a  bit  to  get more HP without changing  the  intercooler?  Unfortunately,  the  answer  is  no.  Have  a  look  at  the  temperature  out  of  the  compressor  in  Fig.  7  and  you  will  realise  how  much  more  heat  will  be  generated  due  to  the  pressure  increase.    Thus,  only  a  mapping,  without  a  change  of  the  inter‐cooler,  is  bound to create problems.    A not so unusual scenario is to  install  a  magic  chip  that  increases  the  charging  pressure. Then the car will pull  like  blazes  in  the  first  and  second  gears, only  to  pass  out  a  bit  into  the  third  gear.  This  may  well  be  due  to  the  charging  air  temperature  having rushed away because of  the  insufficient  capacity  of  the 

cooler.    The  compressor  map  (Fig.  8)  shows  that  we  have  slipped  closer to the pump limit or the  surge  line.  It’s  unwise  to  get  closer  than  that.  And  in  the  other  end  we  have  already  passed  the  margins  and  a  bit  more.  If  we  imagine  an  extension  of the  grey  revs  line  for  maximum  revs,  we  are  dangerously  close  to  that  one  as well. The explanation here is  simple.  There  is  no  more  power to get out of the turbo!  A  trip  up  the  Alps,  where  the  air is thinner, would be enough  to overrev the turbo. []   

“Amazin g what a little tinkering with the comput er can lead to.”

Bilsport March/April 2006 (Translated July 2008) • www.rri.se 

 

 Tuning theory, Part 4 

   

 

Fig. 1 

 7/7  

 

Bilsport March/April 2006 (Translated July 2008) • www.rri.se 

 

 Tuning theory, Part 4 

Fig. 2 

   8/8  

 

Bilsport March/April 2006 (Translated July 2008) • www.rri.se 

 

 Tuning theory, Part 4 

Fig. 3 

   9/9  

   

Bilsport March/April 2006 (Translated July 2008) • www.rri.se 

 

 Tuning theory, Part 4 

Fig. 4 

   10/10  

 

Bilsport March/April 2006 (Translated July 2008) • www.rri.se 

 

 Tuning theory, Part 4 

Fig. 5 

   11/11  

   

Bilsport March/April 2006 (Translated July 2008) • www.rri.se 

 

 Tuning theory, Part 4 

Fig. 6 

   12/12  

   

Bilsport March/April 2006 (Translated July 2008) • www.rri.se 

 

 Tuning theory, Part 4 

Fig. 7 

   13/13  

   

Bilsport March/April 2006 (Translated July 2008) • www.rri.se 

 

 Tuning theory, Part 4 

Fig. 8 

   14/14  

 

Bilsport March/April 2006 (Translated July 2008) • www.rri.se 

 

 Tuning theory, Part 4 

Knocking  We already know that a higher  boost  pressure  also  results  in  higher temperature. This is not  a  problem  as  long  as  the  increase is moderate. The limit  depends  on  the  fuel,  how  much  it  can  take  without  knocking.  Why  does  knocking  happen?  To  answer  that  question  we  must  look  closer  at  the  combustion.  Three  basic  prerequisites  have  to  be  met  for  the  combustion.  There  must  be  enough  fuel,  oxygen  and  heat.  If  not  all  three  elements  are  there,  there  will  be no combustion. None! 

  The three elements of  combustion 

3)  Now  the  combustion  spreads  in  the  combustion  compartment  with  increasing  speed.  When  the  shaft  has  turned another 15 degrees, 50  percent  of  the  fuel  mix  has  been  consumed.  The  cylinder  pressure increases and reaches  usually  its  maximum  value  at  approximately  15  crankshaft  degrees  after  the  upper  dead  point,  when  it  is  of  the  most  “use” at the crankshaft.    

Now it knocks  The  part  of  the  fuel  mix  that  has  not  yet  been  burnt  up,  increases  in  temperature  due  to the higher cylinder pressure.  Further  increase  can  also  take  place  on  local  hot  surfaces  such  as  exhaust  valve,  and  there  is  a  risk  that  the  temperature  increases  to  such  a  high  level,  that  the  fuel  mix  self‐ignites.  If  that  happens  at  an  early  combustion  stage,  there  is  a  risk  of  engine  damage.  Bingo  –  we  have  uncovered  the secret of knocking!  If  it  is  that  bad,  how  can  we  avoid the misfortune?   First  of  all  by  replacing  the  fuel.  By  using  as  high  octane  number  as  possible,  we  raise 

The  combustion  of  the  Otto  engine  can  be  divided  into  three elements.   1) Start of combustion with the  help  of  the  spark  in  the  sparking  plug  gap.  The  spark  increases  the  temperature  locally  so  the  combustion  can  start.  2)  The  combustion  spreads  around  the  sparking  plug  at  a  relatively  low  speed.  This  is  influenced  by  the  plug’s  electrode.  A  plug  with  four  electrodes  obstructs  the  combustion  more  than  one  with  one  fat  electrode.  The  electrode  cools  the  flame  front;  therefore  development  is towards thinner electrodes.   Here  we  can mention  that  the  coolest  guys  index  their  sparking  plugs.  It  can  be  managed  using  shims  to  make  the  electrodes  point  in  the  same  direction  in  all  combustion  compartments.   Which  direction  that  is  the  right one is of course different  in different cases.  While  burning  five  percent  of    the  fuel  mix,  the  crankshaft  may turn 15 percent. 

the threshold for self‐ignition. The  next  alternative  is  to  see  that  the  fuel  mix  is  as  cold  as  possible  when  it  enters  the  combustion  compartment.  Then  there  is  more  room  for  temperature  increases.  That’s  where  the  inter‐cooler  comes  into the picture.    

Gasoline takes heat  A  third  way  is  to  lower  the  ignition  i.  e.  to  postpone  the  ignition point of time. Then we  move  the  combustion  and  the  pressure  increase  to  a  stage  where  the  piston  has  moved  further  on  its  trip,  so  the  maximum  pressure  will  be  lower.  As  the  last  resource,  we  can  slosh  in  more  fuel,  i.  e.  use  a  richer  mix.  The  gasoline  absorbs  heat  when  it  vaporizes,  and  if  more  energy  is  being  used  to  increase  the  temperature  of  the  gasoline,  less  energy  is  left  to  increase  the temperature of the air, and  therefore  the  total  temperature is decreased.  Another  option  is  water  injection,  since  water  also  absorbs  heat  when  vaporizing.  The  last  tip  is  to  put  in  methanol.  Then  so  much  heat 

is  being  used  for  vaporization  that an inter‐cooler is no longer  needed, in practice.   But  …  all  suggestions  above  are  different  ways  of  solving  the  knocking  problem.  If  you  haven’t  got  a  problem,  there  is  no  need  to  apply  any  of  the  above  solutions,  as  they  in  fact  in  most  cases  lower  the  power![] 

“Bingo – we have uncovere d the secret of knocking! ”

   15/15  

 

Bilsport March/April 2006 (Translated July 2008) • www.rri.se 

 

 Tuning theory, Part 4 

 Lambda 

–  it’s  all  Greek to me 

There  is  a  lot  of  talk  about  the Lambda value. But what  is  it?  The  word  Lambda  is  really  a  letter  in  the  Greek  alphabet  (λ). Why  this  particular  character  was  chosen  to  symbolize  an  exhaust  value,  we  do  not  know.  –  Maybe  all  the  other  characters  were  already  taken, Jonny muses. Epsilon  stands  for  example  for  compression.  So  then,  we  talk  about  an  exhaust  value.  The  Lambda  probe  is  an  oxygen  sensor  that  checks  the  volume  of  oxygen  residues  in  the  exhaust  fumes.  A  lambda  value  of  1  corresponds  to  the  ideal  case  of  optimal  combustion.  That’s  when  the  catalyst  best  takes  care  of  the  residues.  In  theory,  that  is.  When  tuning,  a  richer  mix  is  used  (numerical  lower  Lambda  value),  which  renders  a  higher  combustion  speed.  At  approximately  0.90‐0.93  in  Lambda,  the  combustion  is the fastest.   

same  volume  of  air  (different  A/F  relationship)  to render the same Lambda  value as 95 octane gasoline.  The first probes were of the  type  on/off.  Nowadays,  the  development  is  more  towards  broadband  probes.  Previously,  the  tuner  found  the  Lambda  value  useful  when mapping, but that has  become  of  less  and  less  importance.  –  The  value  is  useful,  but  with the engines of today it  has lost the cooling function  it  had  before,  Claus  from  Turbo Center says. Now the  temperature  is  fixed  by  electronically  adjusting  the  throttle  and  other  cooling  measures  without  taking  Lambda 1 in consideration.   

fixed  driving  cycle  only,  to  meet  the  emission  requirements.  In  principle,  the  engine  control  totally  ignored  what  the  Lambda  probe  said  when  you  pressed the gas pedal down  to  the  floor.  Now,  times  have changed. The Germans  were  the  first  to  see  that  their  products  kept  Lambda  1  even  at  Autobahn  speed,  and  the  rest  of  the  world  is  on its way to follow.  If  you  abandon  Lambda  1,  the catalyst quickly loses its  function,  since  there  isn’t  the  right  amount  of  oxygen  to burn any more.  When  Claus  maps,  he  lets  the  original  Lambda  probe  give  a  signal  to  the  control  box  and  attaches  as  well  a  separate  broadband  Lambda  for  his  own  200 with environmental  checking as well.  conscience   – I want to be at Lambda 1,  Previously  the  car  makers  even tighter if cruising at 50  spent  all  their  efforts  km/h,  and  richer  on  engine  making  the  cars  to  stick  to  brake.[]  Lambda 1 within a narrowly 

“If you abandon Lambda 1, the catalyst loses quickly its function”

Different A/F, the same  Lambda  If  we  mix  in  the  A/F  relationship  (A=air),  F=fuel),  it  becomes  a  little  confusing.  It  would  be  simple to assume that it was  tied  to  the  Lambda  value,  but  if  we  change  the  fuel,  the  A/F‐relationship  changes  since  the  molecule  content differ.  For  example  E85  that  requires  more  fuel  for  the 

 16/16  

 

AIR/FUEL (LAMBDA). The broadband air/fuel (lambda) is in the operator’s field of vision. 1.0 is the ideal  value, that is for low exhaust emissions, not for maximum load, and the Passat kept it at lambda 1  actually right up to190 km/h before it was enrichened.    

Bilsport March/April 2006 (Translated July 2008) • www.rri.se