FORD Focus ST / RS Leistungssteigerung
Meinen Focus RS MK2 habe ich mir im August 2010 gekauft. Nach dem Einfahren habe ich die ersten Leistungstests gemacht und eine Leistung von „nur“ 285 PS (statt 305 PS) gemessen. Zudem war die Höchstgeschwindigkeit nur ca. 240 km/h (= 252 km/h Tacho) anstatt 263 km/h, wie von Ford angegeben.
Ich habe mich also auf der Suche nach den "fehlenden PS" gemacht (Threat) und nach dem Grund der geringen Höchstgeschwindigkeit. Zuerst ein paar Worte zu der Höchstgeschwindigkeit:Ich habe ein paar Berechnungen zur Vmax gemacht. Um die Vmax von 263km/h zu erreichen müsste der RS genau 305PS als Radleistung erbringen. Die Vmax-Angabe von Ford beruht also wahrscheinlich auf einer reinen Berechnung des Luftwiderstandes und stimmt so in der Realität nicht, da der Antriebs- und Rollwiderstand vergessen wurde. Diese ist stark vom Antriebsstrang, den Reifen/Felgen, Radlagern usw. abhängig. Auf dieser Seite habe ich ein große Anzahl an Daten erhalten (http://rc.opelgt.org/indexcw.php). Daraus konnte ich weitere Antriebs- und Rollwiderstände zum Vergleich berechnen. Ergebnis: Der Durchschnitt liegt bei 0,0438 !!! Wenn ich diesen Durchschnittswert in die Berechnung zur Vmax vom Focus RS eingebe bekomme ich folgende Vmax mit 305PS: 251 km/h !!! Das entspricht ziemlich genau den sieben Vmax-Messungen von 252 km/h. Fazit: Hier ist eine Tabelle der benötigten Leistung zur Überwindung des Luftwiderstandes und des Antriebs- und Rollwiderstandes (Reifen, Getriebe usw.).
Man sieht hier ganz gut, dass man für jedes km/h 3-4 PS benötigt. Der RS500 schafft sogar nur 265 km/h (statt 263 km/h) trotz seiner 45 PS mehr. Hier hat Ford anscheinend den Fehler bemerkt und dann richtig veröffentlicht. Das passt sehr gut mit meiner Berechnung. Da bei unserem Motor (wie im folgenden Bericht beschrieben) die Leistung nicht vom Umgebungsluftdruck und der Lufttemperatur abhängt, solltet ihr diese Geschwindigkeit im Sommer wie im Winter haben. Bedenkt aber, dass der Wind und das Gefälle der Strasse trotzdem einen größeren Einfluss haben. Deshalb würde ich auf dei Vmax Messungen nicht zu viel Gewicht geben. Für einen Motor gilt: Wenn es 10°C wärmer ist, dann verlieht ihr 3,4% an Leistung. Wenn ihr 100 Meter höher als der Meeresspiegel seid, dann habt ihr 1,5% weniger PS. Ihr seht also, dass diese Vmax -Geschwindigkeits-Messungen von vielen Faktoren abhängen und nicht unbedingt etwas über die Leistung des Motors sagen. Vergleiche sind natürlich schon möglich. Da ich jetzt die Leistung meines Motors von 250PS bis 350PS frei regeln kann, werde ich in Kürze ein paar Messungen zur Vmax machen. Nun komme ich zum eigentlichen Thema ... Der Grund meiner geringen Leistung:Das Motorsteuergerät regelt die Leistung mittels Messung der Luftmasse. Das hört sich jetzt nicht bedeutend an, hat aber eine Menge Auswirkungen. Zudem hängt die Messung der Luftmasse von der Genauigkeit des Luftmassenmessers (Manifold Air Flow - MAF) ab. Ein paar Erklärungen ... Die Leistung (PS) ist das was ihr im Hintern spürt (Beschleunigung). Leistung ist das Produkt aus Drehzahl und Drehmoment geteilt durch 7025. Leistung [PS] = Drehmoment [Nm] x Drehzahl [rpm] / 7025 Nach dieser Gleichung ist die Leistung eines Motors nur abhängig vom Drehmoment (Mitteldruck bei der Verbrennung) und von der Drehzahl. Beides kann durch viele Maßnahmen verbessert werden (stärkere Ventilfedern für eine Drehzahlerhöhung, scharfe Nockenwellen, angepasste Einlassrohrlänge, höhere Verdichtung, leichte Kolben, uvm.). Lass ich alle diese Komponenten gleich (wie in meinem Fall), dann ist die Leistung nur abhängig von der Luftmasse die im Motor verbrannt wird (gemessen in Gramm pro Sekunde), der Vorzündung und dem Luft-Benzingemisch (Lambdawert). Sonst nichts ! Die Luftmasse ist abhängig vom Ladedruck und der Drehzahl. Kann ich den Ladedruck je nach Drehzahl beliebig ändern, dann kann ich mir meine eigene Leistungskurve erstellen. Ist der Turbo an seiner maximalen Luftmasse angekommen, muss ich ihm die Arbeit leichter machen (oder einen größeren Turbo einbauen). Das mache ich u.a. durch einen durchlässigeren Luftfilter, einer "freien" Abgasanlage mit großen Rohren, einem effektiven Ladeluftkühler, freien Ansaugwegen und einem strömungsgünstigen Einlasskrümmer für eine gleichmäßige Luftverteilung in die Zylinder.
Wie schon gesagt, misst unsere Motorsteuerung die Luftmasse und hält diese durch Anpassung des Ladedrucks konstant. Dreht der Motor schneller, erhöht sich bei gleichem Ladedruck die Luftmasse. Der Ladedruck muss somit verringert werden um die Leistung/Luftmasse konstant zu halten. Das geschieht mit der Seriensoftware ab 5000 rpm. Auf meinem Dynosheet ist die Luftmasse die blaue Linie - der Ladedruck ist hellblau.
Das ist eine effektive Regelung, da die Leistung konstant gehalten werden kann (besser als mit einer einfachen Ladedruckregelung weil Temperaturunabhängig). So weit so gut. Was passiert also wenn ich meine ganzen Luftwege durch einen offenen Luftfilter, große Rohre, Ladeluftkühler, Auspuffanlage, 200 Zellen Kat usw. optimiere. Dann würde die Luftmasse erhöht werden. Das Motorsteuergerät erkennt diese größere Luftmasse und öffnet das Wastegate um den Ladedruck zu reduzieren (graue Linie im Dyno-Sheet). Am Ende habe ich die gleiche Leistung wie zuvor. Das haben ich bei mir und einigen anderen RS Fahrern gemessen.
Mein Ladedruck hat sich von 1,3 bar auf 1,15 bar bei 5500rpm (bei gleicher Luftmasse) reduziert – die Leistung war die Gleiche ! Entweder fahre ich mit 1,15 bar und der gleichen Leistung (Turbo wird geschont) oder ich fahre wieder die 1,3 bar und habe jetzt mehr Leistung. Leider kann ich mir das bei unserer RS/ST Motorsteuerung nicht aussuchen.
Trotzdem ist der Vorteil bei diesen Tuning-Maßnahmen, dass der Turbo weniger Druck für die gleiche Leistung erzeugen muss und somit länger hält. Bei Leistungssteigerung ist es ein Vorteil, weil der K16-Turbolader am Limit ist und jetzt mehr Leistung bei gleichem Ladedruck möglich ist. Meiner Meinung nach war der Luftmassenmesser der Grund an der geringen Leistung meines Motors. Eine große Anzahl an Messungen zeigen eine Luftmasse von 280 g/sek ohne Chiptuning, aber Leitungsmessungen zwischen 285 und 315 PS. Ich kenne leider nicht die Genauigkeit des Luftmassenmessers, aber meine Schätzung ist bei +/- 5%.
Wie erhöhe ich nun die Leistung des RS / ST Motors?Bisher nur durch Chiptuning, weil das die Luftmassenbegrenzung "abschaltet" bzw. die geregelte Grenze erhöht. Hier liegt nun mein Problem. Das Chiptuning erhöht den Ladedruck und somit auch das Drehmoment erheblich. Das Getriebe und die Kurbelwellenlager werden hauptsächlich durch das Drehmoment beansprucht. Leistung produziert hingegen Hitze (was auch nicht gut ist, aber wo gegen ich etwas machen kann). Ich möchte aber eine möglichst konstante und horizontale Drehmomentlinie und somit konstanten Ladedruck. Die Leistung/Beschleunigung steigert sich dann proportional mit der Drehzahl. Das lässt sich meiner Meinung nach viel schöner Fahren, als dieser große Kick am Anfang und dann die abfallende Beschleunigung. Der RS hat einen Ladedruck von 1,4bar der dann mit steigender Drehzahl auf 1,0bar bei 6500rpm absinkt (siehe Dyno Sheet oben). Des Weiteren wird z.T. durch das Chiptuning die Lambdaregelung ausgeschaltet. Das fettet das Luft-Benzingemisch weit über das nötige Maß bei Teillast. Das wiederum steigert den Verbrauch bei Teillast und reduziert die Leistung bei Volllast. Ich habe bei Teillast Lambdawerte um 0,80 gemessen, wo des Serienkennfeld den Lambdawert noch lange auf 1,0 regelt. Das sind bis zu 20% mehr Benzin die nicht nötig sind. Unter Volllast ist das Chiptuningkennfeld und das Serienkennfeld ähnlich fett! Ca. 0,80 bei 4000rpm und bis zu 0,72 bei 6000rpm. Das ist zu viel! Hier seht ihr die Lambdawerte (100 = Lambda 1,0). Linke Skala ist der Ladedruck (100 = 1,0bar) und oben ist die Drehzahl.
Bei Lambda 0,85 (Benzinüberschuss = fett) hat der Motor seine maximale Leistung. Darunter und darüber wird die Leistung geringer. Bei Lambda 0,70 verliert der Motor ca. 10% an Leistung. Der Vorteil bei Benzinüberschuss ist, dass die Abgastemperatur geringer wird weil das überschüssige Benzin die Abgase kühlt. Optimal ist ein Lambdawert von 0,85 bis 4000rpm und dann bis zu 0,80 abfallend bei 7000rpm, da hier nur wenig Leistung verloren geht und die Abgastemperatur ausreichend bei hohen Drehzahlen gekühlt wird.
An der Vorzündung kann man bei unserem Motor keine Leistung mehr herausholen, weil die serienmäßige Vorzündung schon am Punkt der größten Leistung zündet und mit Hilfe der Klopfsensoren bei Klopfen die Vorzündung zurück nimmt. Bis 1,2bar Ladedruck komme ich nicht in den Bereich des Klopfens, bei über 1,2bar zeigt mein Klopfmonitor zwei bis drei Ausschläge von 4000 bis 6500 rpm. Die Zündung wird hierbei jedes Mal ein paar Grad zurück genommen (Bild). Genauere Messungen hierzu werde ich noch machen.
Aufgrund der Vorteile einer regelbaren Drehmomentkurve und der bleibenden Lambdaregelung habe ich mir das Ziel gesetzt, einen zusätzlichen elektronischen Ladedruckregler in den Focus einzubauen. Ich habe mich für den Apexi AVC-R entschieden, denn dieser Computer gibt mir die Möglichkeit, - die Ladedruckkurve je nach Drehzahl einzustellen - zwei Ladedruckkurven zu speichern - den Ladedruck je nach Gang anzupassen - das Maximum an Leistung aus den vorhandenen Komponenten zu bekommen - auch mal die Leistung unter die Serienleistung zu fahren (z.B. wenn die Ehefrau am Steuer ist oder die Straßen nass/schneebedeckt sind) - innerhalb einer Sekunden von der einen auf die andere Ladedruckkurve zu wechseln oder komplett auszuschalten - mittels eines Overboost Schalters für eine eingestellte Zeit einen eingestellten erhöhten Ladedruck zu bekommen - die Düsenauslastung zu messen - passt sehr gut unsichtbar in den Aschenbecher - durch viele Einstellmöglichkeiten den Ladedruck konstant zu halten
Hier habe ich den Ladedruckcomputer versteckt eingebaut. Der rote Knopf neben dem Boostcontroller ist der Overboost Schalter. Wenn ich ihn drücke, dann erhöht sich der Ladedruck um einen eingestellten Wert für eine eingestellte Zeit (bei mir 0,3bar für 60 Sekunden).
Ich habe versucht in den englischen und schwedischen Focus RS Foren jemand zu finden der dies ebenfalls schon gemacht hat. Leider ohne Erfolg. Ich musste somit selber den Weg finden. Zum Testen habe ich zu aller erst verschiedene Widerstände als Ersatz für den Luftmassenmesser und den Ladedrucksensor eingelötet um zu lernen, wie das Steuergerät regelt und wo es Fehlermeldungen gibt. Ich hatte viele Fehlermeldungen und bin fast 2000km zum Teil mit nur 120 PS gefahren. Zum Glück kann ich mit dem DashDAQ auch während der Fahrt alle Fehler auslesen und gleich löschen.
Mit dem Vertrauen zum DashDAQ den Fehlerspeicher der Motorsteuerung zu löschen und mich vor kritischen Zuständen zu warnen habe ich schließlich den originalen Ladedruckregler ausgebaut und ihn durch den Ladedruckregler des Apexi AVC-R ersetzt. Um eine ausreichende Benzinversorgung sicher zu stellen habe ich die 440 ml/min Einspritzdüsen durch 550 ml/min Düsen ersetzt. Die Software ist Serie (CJ).
Was ist nun passiert ?Ich war erstaunt wie gut dass alles klappt, da ich durch die Tests mit den Widerständen vermutet habe, dass ich bei einer zu starken Abweichung vom Serienladedruck und Serienluftmasse eine Fehlermeldung bekomme. Das war nicht der Fall. Ich habe Ladedrücke zwischen 0,55bar und 1,95bar getestet. Keine Fehlermeldung ! Die um 25% größeren Düsen funktionieren ohne Probleme mit der Seriensoftware. Der Lambdawert wird perfekt geregelt. Das Einstellen der Ladedruckkurven und der Overboost funktioniert ebenfalls problemlos. Deshalb hatte ich mich 2 Tage vor dem Dyno-Shootout entschieden die Messläufe mit der Seriensoftware zu machen. Das hatte kaum jemand mitbekommen. Der erste Lauf war mit konstant 1,0bar und ich hatte saubere 315 PS. Der wenige Sekunden spätere zweite Lauf war mit 1,3bar. Ergebnis 355 PS. Hierfür hatte ich zu wenig Zeit eine saubere und konstant Ladedruckkurve einzustellen.
Der große Vorteil der Seriensoftware ist, dass die Lambdaregelung wie Serie funktioniert und im Teillastbereich um einiges weniger Benzin verbraucht wird. Das Problem mit Öffnen des Steuergerätes und der Garantie entfällt. Was natürlich fehlt, ist die Drehmomentbegrenzung in den ersten zwei Gängen. Das kann ich aber mit Hilfe der Gangerkennung am Apexi AVC-R einstellen. Dies habe ich noch nicht umgesetzt, da ich dafür das Geschwindigkeitssignal aus dem OBD2 Bus in ein Frequenzsignal umwandeln muss. Dafür hatte ich bisher keine Zeit. Ich muss sagen, dass es großen Spaß macht den Ladedruck individuell einzustellen und sich somit die Leistung nach eigenen Geschmack anzupassen. Das Fahren mit weniger als 300 PS macht auch Spaß, weil man weiß, dass der Motor dabei geschont wird und auf Knopfdruck die 350+ PS zur Verfügung stehen. Man gewöhnt sich nicht an die Beschleunigung und ist immer wieder überrascht wie schnell der Focus beschleunigen kann wenn man die Leistung wieder erhöht. Das hat natürlich alles nicht nur Vorteile, sondern auch Nachteile. Das Apexi AVC-R kostet ca. 450 Euro. Ich muss deutlich von einem Einbau eines einstellbaren Ladedruckreglers ohne einer Messung und Aufzeichnung wichtigen Motordaten abraten. Der maximal erreichte Ladedruck sagt nichts aus wie sich der Ladedruck über dem Drehzahlband verhält. Genauso wichtig ist die Warnfunktion die das Überschreiten von Limits signalisiert. Das DashDAQ ist somit ein MUSS. Es gibt auch günstigere elektronische Ladedruckregler ab 250 Euro die für die Ladedruckregelung gute Ergebnisse bringen aber Probleme mit größeren Ladedrücken haben (geschätzt ab 1,2bar). Besonders die Regelung der Ladedruckkurve bei Ladedrücken über 1,3bar im oberen Drehzahlbereich ist nicht so einfach und benötigt Feintuning. Ich muss zugeben, dass die Chiptuner und die original Ladedruckregelung hier gute Arbeit macht.
Ein paar Bilder vom DashDAQ Warum ist die Ladedruckregelung bei hohen Ladedrücken schwer?Stellt euch einen Topf vor in dem ein Überdruck (Ladedruck) ist. Der Topfdeckel wird mit einer Feder (Wastegatefeder) auf den Topf gehalten. Das Ladedruckregelventil verhindert, dass der Deckel von Druck im Topf nach oben gedrückt wird. Unsere Wastegatefeder ist auf 0,55bar eingestellt. Ohne Ladedruckregelventil öffnet der ansteigende Druck im Topf den Deckel einen kleinen Spalt bei 0,6bar und der Druck reduziert sich um 0,1bar bis sich der Deckel sehr schnell wieder schließt. Der Druck schwankt zwischen 0,5 und 0,6bar (Mittelwert 0,55bar). Weniger kann der RS nicht fahren. Das sind ca. 250PS. So, nun sperrt das Ladedruckregelventil, so dass sich der Deckel erst bei 1,4bar öffnet. Der Druck von 1,4bar der gegen die 0,6bar Feder drück öffnet im Vergleich den Deckel wesentlich mehr als bei 0,6bar. Der Druck fällt schnell um ca. 0,5bar ab bis sich der Deckel wieder schließt, weil der Deckel höher öffnet, länger öffnet und der größere Überdruck die Luft schneller ausströmen lässt. Der effektive mittlere Ladedruck ist nur noch 1,15bar. Jetzt ist im Topf keine stehende Luft, sondern eine Luftströmung (Abgase) und der Druck ist indirekt der Ladedruck im Einlasskrümmer. Das macht die Regelung noch komplizierter. Bei niedriger Strömungsgeschwindigkeit kann der Turbo den Ladedruck sehr schnell wieder aufbauen. Bei großer Strömungsgeschwindigkeit dauert das länger. Deshalb reduziert sich der Ladedruck mit steigender Leistung sofern die gleichen Regelungszeiten genutzt werden. Mit dem Apexi AVC-R können mehrere Regelungszeiten verändert werden. Aufzeichnung von meiner Toyota SUPRA (Wastegatefeder 0,7bar - Ladedruck auf 1,3bar eingestellt)
Man kann gut erkennen wie der Ladedruck durch die Regelung des Ladedruckregelventils oszilliert. Gibt es für das Problem eine Lösung?Ja, eine einfache Lösung ist eine stärkere Wastegatefeder, denn nur der Druckunterschied zwischen Wastegatefeder und Soll-Ladedruck ist entscheidend. Eine stärkere Feder lässt den Topfdeckel nicht so weit öffnen und schließt diesen auch wesentlich schneller (wie die Serienfeder). Der Mitteldruck bleibt höher. Leider ist der niedrigste zu fahrende Ladedruck der Druck der Wastegatefeder und erhöht sich dementsprechend. Ich denke eine 1,0bar Wastegatefeder ist ein guter Kompromiss. Ich werde versuchen mittels der Gewindestange am Wastegate diesen Federdruck einzustellen. Versuche habe ich dazu noch nicht machen können. Bei einem externen Wastegate kann man nicht nur die Federn tauschen, sondern ein kleineres Wastegate einbauen. Gemäß meinem Beispiel: Wenn der Topf im Durchmesser klein ist, dann entweicht auch nicht mehr so viel Druck, wenn der Deckel sich anhebt. Das Problem in meiner SUPRA habe ich durch eine austauschbare Feder und einem kleinen Wastegate gelöst. Das Apexi AVC-R kann ich sehr empfehlen, weil es besonders geeignet ist dieses Problem zu verbessern. Durch die Einstellung der Reaktionszeit (Feedback) und der Öffnungsdauer des Ladedruckregelventils (Duty) je nach Drehzahl kann der Ladedruck besser eingestellt werden. Dafür benötigt man wiederum die Möglichkeit der Aufzeichnung der Ladedruckkurve. Wichtig ist zu wissen, dass der original Ladedrucksensor des Focus RS/ST nur bis 1,55bar messen kann. Deshalb habe ich für das DashDAQ einen zusätzlichen Ladedrucksensor (bis 2,5bar) eingebaut. Man kann auch den Ladedrucksensor des Apexi AVC-R an das DashDAQ anschließen.
Wo liegt nun das Limit?Wie schon erwähnt bin ich bis 1,95bar Ladedruck gefahren. Das war aber schon über dem Limit, weil der Benzindruck mit der Serienpumpe viel zu gering ist. Der effektive Benzindruck mit dem die Einspritzdüsen einspritzen ist der gemessene Benzindruck minus den Ladedruck (vereinfacht ausgedrückt). Idealerweise sollte der Benzindruck proportional mit dem Ladedruck steigen. Der Benzindruck mit der Focus RS Benzinpumpe sinkt bei Volllast von 4,0 auf unter 3,5bar. Bei einem Ladedruck von 1,5bar ist der effektive Einspritzdruck nur noch 2,0bar ! Das sind 22% weniger als bei dem Sollbenzindruck von 3,0bar (wonach die Einspritzdüsen kalibriert und optimiert sind). Bei einem Benzindruck von 3,5bar sind das 32% weniger Benzin die durch eine längere Einspritzdauer ausgeglichen werden müssen. Mit dem Apexi AVC-R kann ich die Einspritzdüsenauslastung in % und mit dem DashDAQ die Einspritzdüsendauer messen. Ich musste leider feststellen, dass die Düsen bei 1,6 bar @ 4800rpm (ca. 365PS) bei 100% Auslastung sind. Der effektive Benzindruck ist hierbei 1,9bar. Die Anfettung gem. Lambdaregelung ist beim maximalen Wert von +25% angekommen. Mehr Benzin geht dann nur noch durch noch größere Düsen oder höheren Benzindruck. Deshalb werde ich auf die von Mike (MikeST) und Chris (Whitewolf) entwickelte Benzinpumpenlösung (Return-System) umbauen und somit den effektiven Benzindruck auf 3,5bar erhöhen. Das gibt 32% mehr Benzin bei 1,5bar Ladedruck. Die RS500 Pumpe kommt nicht in Frage, weil hier die Software geändert werden muss und ich die Seriensoftware fahren möchte. Weitere Vorteile des Return-Systems:
Nachteil des Return-Systems:
So das war es … sonst liest das kein Mensch mehr bis zum Ende. Ich hoffe ich konnte euch helfen und über mein Projekt informieren. Hier noch zwei Beispiel-Dyno-Messungen mit dem DashDAQ mit Serienladedruck (max. 1,33bar) und erhötem Ladedruck (max. 1,57bar) :
Dynosheet VORHER und NACHHER
Zusätzlich habe ich den Benzindruck eingeblendet. Der Druck sinkt bis unter 350kPa (= 3,5bar). Hier gleich ein paar Antworten zu euren Fragen: Wie schnell kann man zwischen den Leistungseinstellungen wechseln? Läßt sich der Aschenbecherdeckel noch schließen? Wie gut ist die Leistungsmessung mit Hilfe der Maximalgeschwindigkeit? Beispiel: In Meereshöhe und bei 10°C benötigst du 320PS für Vmax, bei 400m Höhe und 30°C benötigst du nur 286PS für die gleiche Geschwindigkeit. Du bist somit gemäß meiner Tabelle 258km/h in 400m und 245km/h in Meereshöhe schnell. Das sind 13 km/h Unterschied. Was ist der Overboost? Wie mache ich die Einstellungen durch Testfahrten? Welche Messwerte bekomme ich mit dem DashDAQ? |
