Grundlagen der Motorsteuerung mit AEM EMS2

AEM EMS2 – Überlegungen zur Anwendung im 3000GT

Grundlage ist hier das Programm zur Einstellung des EMS2: AEMTuner (hier: v2.91ff.) Dies ist kein Kochrezept; wie es genau geht, muss man sich fallweise überlegen. Und natürlich: Alles auf eigene Gefahr!

Siehe auch Umrüstung auf AEM EMS2 für praktische Umbau-Hinweise!

Grundaufgabe: Ersatz des Serien-Steuergerätes („ECU“)

Das EMS2 hat die Aufgabe, die Benzinzufuhr zu den Zylindern und die Zündung des Gemisches in den Brennräumen zu regeln. Dazu steuert es Öffnungs-Zeitpunkt und -Dauer der Einspritzdüsen sowie den Zeitpunkt der Zündung der einzelnen Zündkerzen je Zylinder in Abhängigkeit von über Sensoren erfassten Betriebszustandsinformationen des Motors.

Warum die Serien-ECU ersetzen?

Die Serien-ECU kann nicht geändert werden, d.h. die bekannten Programmfehler (z.B. Überfettung) können nicht korrigiert werden, und Leistungssteigerungen durch Erhöhung des Ladedrucks über 1 Bar hinaus sind mit der Serien-ECU nicht betriebssicher möglich.

Warum das AEM EMS2?

Das EMS2 ist ein 100% steckerkompatibles (aber nicht pin-kompatibles!), voll konfigurierierbares Steuergerät und verfügt über eine einigermaßen sinnvolle Klopferkennung. Außerdem bringt es bereits eine Grund-Konfiguration für den 3000GT mit.

Welche Umbauten sind erforderlich?

Da die Regelfunktion des EMS2 auf Sensordaten basiert und die serienmäßig verbauten Sensoren nicht ausreichen, müssen weitere Sensoren eingebaut werden (s.u.). Die vorhandenen Aktoren (z.B. das Boost Control Solenoid Valve) können benutzt werden, allerdings bietet AEM ein solideres BCSV an. Das EMS2 selbst wird hinter der Mittelkonsole anstelle der OEM ECU montiert. Da es zumindest stecker­kompatibel ist, werden die Stecker von der Serien-ECU abgezogen und (ggf. nach Umstecken einiger Pins und Anlöten zus. Drähte) an das EMS2 angesteckt. Detaillierte Einbauanleitung siehe Beipackzettel, weitere Hinweise unter Umrüstung auf AEM EMS2.

Nochmal: Fallweise ist es erforderlich, einzelne Pins zu ändern, insbesondere für die EU-Modell ab 1998. Näheres siehe unten.

Welche Sensoren sind wichtig?

1. MAP-Sensor: „Manifold Air Pressure“, Luftdruck im Drosselklappen-Gehäuse und Ansaug-Krümmer.
   Zweck: Errechnung der Luftmasse (=Anzahl Sauerstoff-Moleküle) und daraus des „Load“ Inputs für die Steuerung der Kraftstoff-Einspritzung und Zündung; wird gemeinsam mit dem IAT-Sensor verwendet (s.u.). Die Maps (Kennfelder) haben auf der X-Achse die Drehzahl und auf der Y-Achse den errechneten Load-Wert.
2. IAT-Sensor: „Intake Air Temperature“, Lufttemperatur im Ansaugbereich, also dort wo der MAP-Sensor misst. Der IAT-Sensor kann auch vor der Drosselklappe in der Y-Pipe sitzen.
   Zweck: Errechnung der Luftmasse (=Anzahl Sauerstoff-Moleküle) und daraus des „Load“ Inputs für die Regelung der Kraftstoff-Einspritzung und Zündung, wird gemeinsam mit dem MAP-Sensor verwendet (s.o.).
3. MAF-Sensor (alternativ): Der OEM „Mass Air Flow“ Sensor kann weiter verwendet werden (FFS!), aber nicht zusammen mit den MAP- und IAT-Sensoren.
   Der MAF Input-Pin oder der Pin für den Aussenluftdruck am MAF Stecker kann anderweitig belegt werden, z.B. mit einem Benzindruck-Sensor, falls man den Benzindruck z.B. über das EMS2 loggen möchte.
4. AFR-Sensor: „Air-Fuel-Ratio“, Luft-Benzin-Verhältnis oder Lambda-Wert:
   1. Sprungsonde(n): Die vorhandenen Sprungsonden könnten weiterhin verwendet werden, jedoch empfiehlt sich die Verwendung einer Breitbandsonde (bei einflutigen Abgasanlagen) oder zweier Breitband-Sonden (1 je Zylinderbank bei zweiflutigenAbgasanlagen). Das EMS2 kann mit beiden Varianten umgehen.
   2. Breitband-Lambda-Sonden: Lambda-Sensoren sollten verwendet werden, die den AFR-Wert kontinuierlich über den Wertebereich 10...20 auf ein 0...5 Volt Signal abbildet. Dazu wird je eine Sonde und ein Controller benötigt. Eine einzelne Sonde würde in die Downpipe eingesetzt, sodass sie im gemeinsamen Abgasstrom beider Zylinderbänke liegt.
   3. Zwei Breitband-Lambda-Sonden können so verwendet werden, dass je eine pro Zylinderbank eingesetzt wird. Zweck: Input für die Regelung der Kraftstoff-Einspritzung, siehe „O2 F/B“ im Programm und unten.
5. EGT-Sensor: „Exhaust Gas Temperature“, Abgas-Temperatur. Es empfiehlt sich wegen der Bauweise des 6G72 Motors, je Abgaskrümmer (also je Zylinderbank) eine EGT-Sonde einzusetzen. Man nehme K-Type Sensoren, die gehen nicht kaputt und sind schnell, benötigen jedoch einen Signalwandler.
   Zweck: Erkennung von zu hohen Abgastemperaturen zur Vermeidung von Schäden an Turboladern und anderen Teilen. Konfiguration durch Zuweisung der jeweiligen Sonde zu Zylindern (1...3 und 4...6) und Einschalten von EGT Feedback (aber nur zu Logging- und Überwachungs-Zwecken).
6. Klopf-Sensor: Der Serien-Klopf-Sensor wird weiterverwendet, es kann aber ein 2. Klopfsensor angeschlossen werden.
   Zweck: Erkennung von Motorklopfen („Detonation“) und entsprechende Reaktion zur Vermeidung von Motorschäden.
7. OEM-Sensoren: Drosselklappen-Stellung, Kurbelwellen-Stellung, Nockenwellen-Stellung, Lambda-Sprungsonden-Werte u.v.a.m. werden über den OEM Kabelbaum übermittelt und ggf. vom EMS2 ausgewertet.

Wie stellt man die Grundeinstellung des EMS2 für den 3000GT her?

Von AEM lädt man das Programm AEMTuner herunter und installiert es. Es bringt eine Konfiguration für den 3000GT mit. Über ein USB-Kabel stellt man die Verbindung zwischen PC und EMS2 her und lädt die Konfiguration ins EMS2. Näheres siehe dessen Dokumentation.

Achtung: Die Kommentare in der Konfiguration beachten, ggf. ist sie für größere Einspritzdüsen (550cc statt 360cc) gemacht! Dann entweder die Düsen umbauen oder die Maps entsprechend anpassen, denn die Steuerung arbeitet mit Öffnungszeiten der Düsen, und bei größeren Düsen müssen diese entsprechend verkürzt werden, um nicht zu viel Kraftstoff einzuspritzen.

Bis ca. 450PS sind die 360cc Düsen angeblich ausreichend. Stellt man die Kalibrierung um, kann man erstmal fahren, ohne alles umbauen zu müssen.

Wichtig ist es, vor dem ersten Startversuch in der Software die mechanische OT-Markierung auf der Schwungscheibe mit dem Kurbelwellen-Sensor-Wert zu synchronisieren (Wizzard vorhanden). Ausserdem muss man das Gleiche mit dem Drosselklappen-Sensor (engl. TPS) tun, auch per Wizzard. Dann kann es losgehen.

Welche Bereiche der AEMTuner Konfiguration müssen nachbearbeitet werden?

Gemisch richtig einstellen, Größe der Einspritzdüsen berücksichtigen

In unserem Setup benutzen wir das Speed-Density-Verfahren (MAP- und IAT-Sensor) anstelle des MAF. Das EMS2 errechnet die tatsächliche Luftmasse indirekt aus diesen Messwerten über die Fuel- und Ingnition-Map-Inhalte. Durch die einzelnen Zellen je Load/RPM wird praktisch die individuelle VE (volumetric efficiency) in jedem Betriebszustand abgebildet. Das heißt aber auch zum Glück, dass man nur bei mechanischen / strömungstechnischen Änderungen HINTER der IAT/MAP-Messung (also im Ansaugkrümmer und Zylinderkopf) neu abstimmen muss.

Als erstes sollte die Fuel Map mit Hilfe der Zielwerte in der O2 F/B Tabelle eingestellt werden. Dazu benötigt man sinnvolle AFR-Werte für die einzelnen Zellen dieser O2 F/B Map. Die mitgelieferte O2 F/B Map ist sehr konservativ (=fett). Mit Hilfe des AEMTuner Programms kann man die Fuel Map automatisch anpassen lassen, sodass die Werte in den Zellen schon so stehen, dass im Fahrbetrieb nur noch minimale Nachregelung nötig wird.

Nachdem man die Fuel Map eingerichtet hat, kommt die Zündung an die Reihe (s.u.); danach kann es sinnvoll sein, die Fuel Map noch einmal zu optimieren, weil z.B. in bestimmten Bereichen Klopfen nicht durch einen späteren Zündwinkel (zu hohe EGT!) sondern nur durch fetteres Gemisch verhindert werden kann. Das könnte auch je Motor variieren!

Die Fuelmaps müssen sowieso auf größere oder kleinere Düsen eingerichtet werden. Die mitgelieferte Konfiguration geht von 550cc Düsen aus, serienmäßig sind 360cc Düsen verbaut. Bis zu 1000cc sind üblich, je nach gefahrenem Ladedruck.

Da die Serien-Turbos der EU-Modelle max. 1,3 Bar Ladedruck (bis etwa 5500 U/min, darüber Abfall) liefern, kommt man mit 550er Düsen problemlos hin. Mit den 360er Düsen sollte man es bei 1,05 Bar belassen.

Es gibt in AEMTuner einen „Wizard“, mit dem man eine Änderung z.B. der Düsengröße "automagisch" berücksichtigen kann.

Fuel Trims

Intake Air Temperature Trim

Wenn die Luft im Ansaugtrakt kälter ist, ist sie dichter und bringt mehr Sauerstoff mit. Also kann auch mehr Sprit zugeführt werden, Wird die Luft warm, kann abgemagert werden, jedoch in engen Grenzen, damit es nicht zu Magerlaufschäden kommt.

Ist dieser Trim nicht richtig eingestellt, kann es zu verschiedenen Problemen kommen, auch zu Warmstartproblemen, Mehrverbrauch bei warmem Wetter und anderen führen. Insbesondere muss beobachtet werden, ob der AIT Sensor z.B. bei heiss abgestelltem Motor übermäßig aufgeheizt wird, und dass er sich möglichst dicht an den Ansaugkrümmern befindet.

Zünd-Timing an Oktan-Wert des verfügbaren Kraftstoffs anpassen

Ignition-Map: Load (Luftmasse etc.) über Drehzahl; Zelle enthält Zündwinkel („Vorzündung“).

Ziel: Vorzündung so einstellen, dass das maximale Drehmoment bei minimaler Vorzündung anliegt, ohne dass es zu Klopfen kommt.

Die mitgelieferte Konfiguration geht von unverbleitem Normalbenzin mit 91 Oktan aus (US-Wert, entspricht 95 Oktan in DE). In DE ist Superbenzin mit 95 ROZ, Super-Plus mit 98 ROZ und fallweise Kraftstoff mit 100 oder 102 ROZ verfügbar. Der deutsche Sprit ist also klopf-fester, d.h. die Zündung kann weiter in Richtung früherem Zündzeitpunkt eingestellt werden.

Der Klopfsensor sollte eingerichtet werden, damit das EMS2 eingreifen kann, wenn Kraftstoff mit geringerer Oktanzahl getankt wurde.

Alternativ kann man in Abhängigkeit vom getankten Sprit auch die Konfiguration der EMS2 anpassen, wenn man sein Notebook und Kabel immer dabei hat, oder man installiert einen Schalter.

Sensoren kalibrieren?

Müssen alle verwendeten Sensoren erneut kalibriert werden? → Nur wenn es keine voreingestellte Kalibrierung im AEMtuner gibt, z.B. für den PROsport AFR-Sensor. Das ist leider tricky, weil man keine Wertepaare mit Nachkommastellen eingeben kann und anhand der Maps nicht sehen kann, wo denn nun welcher Wert auf der X-Achse genau liegt.

Mindestens muss der Klopfsensor kalibriert werden, außerdem muss die Richtigkeit des angezeigten Zündwinkels mit dem passenden Wizzard und einer Stroboskoplampe überprüft und ggf. fahrzeugspezifisch korrigiert werden. Siehe dazu die Hinweise in der AEM Anleitung und unter Umrüstung auf AEM EMS2.

Klopf-Erkennung kalibrieren und einschalten

Mit der rechten Maustaste auf die Tab-Leiste klicken, „Show Hidden Tabs“ → „Knock“ ankreuzen. Im Knock-Tab sieht man:

• Knock Sensor Calibration: Ein Diagramm, in dem eingestellt werden kann, bei welcher Drehzahl welche Klopfsensor-Spannung „normal“ ist. Weicht die tatsächliche Spannung nach oben davon ab, wird dies als mögliches Klopfen interpretiert, Freqeunzen werden herausgefiltert, und das EMS2 stellt ggf. die Zündung nach „spät“ und fettet das Gemisch an (siehe „Options - Knock Control“).
  Die mitgelieferte Einstellung ist eine flache Kennlinie bei ca. 0,4 Volt. Das Signal vom Klopfsensor ist eine Schwingung, bestehend aus vielen Frequenzen. Das EMS2 wendet darauf offenbar ein Bandfilter an, sobald die 0,4 Volt Amplitude überschritten werden, um die typischen Klopffrequenzen zu isolieren. Außerdem kann der Kurbelwellen-Winkel (siehe Channel-Fenster) berücksichtigt werden, um das Klopfen demjenigen Zylinder zuzuordnen, der gerade mit Zündung dran ist.
• Options – Knock Control: Hier muss man den „Knock Control“ Wert von OFF auf ON stellen. Die weiteren Parameter besagen, um wieviel Prozent das Gemisch pro Volt Klopfsensor-Spannung engereichert wird, und um wieviel Grad die Zündung zurückgenommen wird. Ebenso ist dort eingestellt, in welchen Schritten die Werte wieder normalisiert werden, wenn die Klopfsensor-Spannung wieder normal ist (also kein Klopfen mehr vorliegt).
  Die Bedeutung der einzelnen Werte wird im Hilfe-Fenster beschrieben, wenn man in das Feld klickt (dazu unter „Help“ → „Tuning Explanation“ aktivieren).
• Options – Adv Knock: Einstellungen für die Filterung des Klopfsensor-Singnals.
• Channels (Sensor-Inputs und errechnete Werte), siehe jeweilige Erklärungen im Hilfe-Fenster.

Im Handbuch von AEM steht sinngemäß drin, dass man das EMS2 für eine bestimmte Kraftstoff-Qualität grundsätzlich so einstellen soll, dass es über das gesamte Drehzahlband kein Klopfen gibt. Man soll nicht so vorgehen, dass man die aktive Klopferkennung dazu benutzt, sich an den frühestmöglichen Zündzeitpunkt bei magerstmöglichem AFR heranzutasten. Die aktive Klopferkennung soll nur eine Schutzfunktion haben, falls man weniger Oktan fährt oder die Ansaugluft sehr heiß wird.

Daraus kann man folgern, dass die Kalibrierung der Klopfsensor/Drehzahl-Map wie folgt zu erfolgen hat:

• Bei gegebenem Sprit (z.B. 102 Oktan) klopf-freies Verhalten einstellen. Dazu muss man einen externen Klopf-Monitor verwenden und erhält klopffreie Zündungs- und Fuel-Maps.
• Mit dieser Einstellung den Output des Klopfsensors mit dem EMS2-Logging aufzeichnen. Die so gemessenen Werte sind diejenigen, bei denen es (noch) nicht klopft.
• Nun verschiebt man die Kurve so (vermutlich nach oben), dass sie bei jeder Drehzahl durch den gemessenen Wert (plus X) verläuft.
• Jetzt kann man „Knock Control“ auf „ON“ stellen.
• Wie man die korrekte Funktion verifiziert? Schlechten Sprit tanken und das Logging beobachten...

AFR-Breitband-Sensor(en) integrieren

O2 Feedback für closed loop operation ist im Handbuch in einem extra Kapitel beschrieben (ab Seite 245). Open loop (d.h. Fuel Map gesteuerter Betrieb) wird aber zumindest beim Kaltstart benötigt, es gibt auch eine Maximal-Drehzahl für O2 Feedback, darüber dann mapgesteuerter Betrieb. Im Programm heißen die Felder „O2 FB ...“ wie O2 FeedBack.

O2 #1 und O2 #2 sind in der Konfiguration die Sprungsonden, aber man ersetzt sie im Proogramm (!) durch die Eingänge der Breitband-Sonde(n). (Nicht die Sprungsonden mechanisch durch die Breitband-Sonden ersetzen, die Einbaupositionen sind zu dicht am Motor -> zu warm!)

Die Zielwerte für AFR in der O2 MAP müssen ggf. je nach Anwendung angepasst werden. Die Anfangsmap ist aber brauchbar.

EGT-Sensoren verwenden

Unter „Display“ / „Show Options Full List Display“ befinden sich mehrere Einstellmöglichkeiten für EGT-Optionen, speziell „EGT Fuel Control“ muss auf „ON“. Die Einspritzdüsen („Display“ → „Show Injectors Display“) sind zu EGT-Sensoren zuordenbar.

Im „Sensors“ Tab kann man sich ein Channel-Fenster mit den EGT-Werten bauen.

700 GradC sind als Grenzwert eingestellt, darüber geht die Steuerung mglw. in den Notlauf (noch zu klären!).

Es macht keinen Sinn, gleichzeitig über AFR und EGT zu regeln (was ja auch einleuchtet). Die EGT-Meßwerte verwendet man also, um bei Überschreitung der eingestellten max. Temperatur in den „Notlauf“ zu kommen und für das Logging.

Ladedruck-Regelung über BCSV einstellen und einschalten

Muss überprüft werden!

Siehe BOOST Tab in der Tab-Leiste. Man muss die Haupt-Tabelle ausfüllen, sodaß in jeder Zelle der "Duty Cycle" Wert drinsteht, mit dem der angestrebte Ladedruck erreicht wird. Alternativ setzt man alle Werte gleich auf den Minimalwert und stellt dann über den "Boost Comp. Trim" ein, wie sich der Duty Cycle in Abhängigkeit vom Boost-Sollwert ändern soll.

Serien-MAF verwenden

Geht nur, wenn MAP/IAT-Sensoren nicht verwendet werden. Der Switch „Mass Air Flow“ wird auf „ON“ gestellt, „Speed Density“ auf „OFF“. Aber nur entweder – oder.

Der Serien-MAF scheint bei höheren Luftmassen deutlich zu viel anzuzeigen, sodass die ECU zu viel Sprit einspritzen will → IDC 135% mit Serien-ECU und -MAF bei 1,05 Bar LD!

Telemetrie

Unter „Tools“ → „Configure Telemetry“ → „Serial Telemetry“ kann man das Datenformat für die Ausgabe von diversen Channels einstellen. Die Daten kommen an der seriellen Schnittstelle raus.

Dort werde ich dann einen Serial-BT-Adapter anstecken und mit einem Smartphone die Daten abholen. Mit einer entsprechenden App hat man dann ein Dashboard und Logging mitsamt GPS-Informationen, Beschleunigungswerten etc.

Wie funktioniert das Tuning auf dem Prüfstand?

Einen Allrad-Prüfstand kann man mieten. Dessen Steuerung hilft, den Betriebszustand bzgl. Drehmoment oder Drehzahl konstant zu halten. Aufgrund praktischer Erfahrungen empfiehlt sich, das Tuning auf dem Prüfstand zu beginnen:

• Man kann die Sensoren testen und notfalls nachkalibrieren (nicht-AEM-Lambda und Klopfsensor),
• Man stört durch das Teillast-Gefummel nicht den Strassenverkehr,
• Man kann Störungen sofort beseitigen,
• Man kriegt ein Fahrzeug, das sich ausser bei Vollast geschmeidig verhält.

Man variiert also auf dem Prüfstand z.B. die Last bei konstanter Drehzahl, d.h. man gibt immer mehr Gas, und der Prüfstand hält durch entsprechendes Bremsmoment die Drehzahl konstant. Dadurch kommt man in die einzelnen Zellen der Fuel- und Ignition-Maps und kann hier die Werte variieren, bis das gewünschte Ergebnis erreicht ist (max. Drehmoment, AFR und Klopfen OK). Das geht vollständig nur auf dem Prüfstand, weil man dort systematisch dafür sorgen kann, dass die Last bei konstanter Drehzahl gesteigert wird. Der Operator muss dafür sorgen, dass die Drehzahl nicht abfällt. Die Drehzahl-Stufen müssen sich an der RPM-Achsen-Aufteilung der jeweiligen 2D/3D-Maps orientieren (500/900/1500/2000/... und weiter in 500er Schritten), damit man in die Zellen kommt. Zwischen den Zellen interpoliert das AEM EMS2.

Die Aufgabe auf dem Prüfstand ist es, diese Maps bis ca. 5000 U/min erstmal OHNE fahrzeugeigenes Knock- und AFR-Feedback mit sicheren Werte auszufüllen (allerdings sind sie das schon in der Grundeinstellung). Dazu benutzt man z.B. einen externen Klopfsensor und ggf. eine externe Breitband-Lambda-Sonde, wenn diese nicht schon vorhanden ist.

Problem: Man müsste ALLE Zellen ansteuern und dann dort sowohl mit Fuel als auch mit Ignition variieren, bis es z.B. gerade nicht klopft und der AFR-Wert „gut“ ist. Das sind theoretisch 17*14=238 Zellen. Aber nicht alle diese Zellen werden im Echtbetrieb auch benutzt: Wer fährt denn mit 500 U/min und Vollast? Es geht um einen Korridor um die Mitteldiagonale von unten links nach oben rechts, in dem man optimiert, der Rest wird "glattgemacht".

In der Praxis wird empfohlen, bei einem Durchgang erst die Fuelmap (AFR ist Zielwert, EGT ist Grenzwert) einzustellen. In einem 2. Durchgang wird dann der spätestmögliche Zündzeitpunkt eingestellt, bei dem kein Klopfen mehr auftritt, aber noch das maximale Drehmoment anliegt. Hierfür wird der externe Klopfsensor benötigt, auch wenn der Motor einen solchen hat; dieser ist ja noch nicht kalibriert!

Wichtig: Man macht das nicht bis zur Höchstdrehzahl, sondern bis z.B. 5000 U/min, um den Motor nicht zu überlasten.

Das Volllast-Tuning (also Power Runs mit 3. Gang mit Vollgas bis zur Redline) macht man auf der Straße, vorzugsweise auf einer Teststrecke ohne öffentlichen Verkehr, ähem. Notfalls tut es auch eine nächtliche Autobahn... Der Tuner spielt Beifahrer mit dem Notebook auf dem Schoß und gibt Anweisungen, das ist für den Fahrer eine Geduldsprobe.

Wenn die Kalibirierung fertig ist wird basierend auf den Map-Zellen im Echtbetrieb (wenn man AFR- und Knock-Feedback einschaltet) durch die ECU manipuliert: Sie korrigiert Abweichungen bei den AFR-Ziel-Werten durch 5% Abmagerung oder 10% Anreicherung (einstellbar). Dazu dient die O2 Feedback Target Map! Falls man schlechteren Sprit tankt und die ECU Klopfen erkennt, dann kommen die üblichen Massnahmen: Zündung später, Gemisch Anreichern und Ladedruck reduzieren.

Zum Thema TÜV: Siehe Abgas-Untersuchung. Das AEM EMS2 hat KEINE OBD-Schnittstelle!

Lesestoff

http://en.wikibooks.org/wiki/AEM_EMS_Guidebook bezieht sich auf EMS-1, aber erläutert Basics, die im Handbuch für EMS-2 vorausgesetzt werden (z.B. „boost compensation“).