Die Sequenzielle Aufladung des 2JZ-GTE und die Möglichkeiten der Upgrades!

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Greddy985
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Die Sequenzielle Aufladung des 2JZ-GTE und die Möglichkeiten der Upgrades!

Beitrag von Greddy985 »

Hallo zusammen.

Ich möchte hiermit einen Beitrag zum Thema Serien-Twins und die Möglichkeit deren Optimierung eröffnen.
Ich werde den Beitrag etwas stückeln, da mir die Zeit fehlt, durchweg alles auf einmal zusammenzuschreiben.

Aber ich werden mir Mühe geben, alles bisher Erlebt- und Erfahrenes vollends zusammenzutragen.


Seit ich mich mit dem Toyota Supra MKIV beschäftige und vor allem seitdem ich gezielt selbst auch darauf schraube, stellt sich immer wieder die Frage:

„Was können die Serienlader vom Supra?“

Gut, die Frage scheint schnell beantwortet zu sein, da es seit Gedenken an via Fuel-Cut-Defender und Boost-Controller immer wieder ausprobiert wurde.

Man findet auch schnell Antworten bezüglich der Haltbarkeit gegenüber gefahrenem Ladedruck.
Vor allem bei den CT20A, die die japanischen Versionen vorbehalten sind und abgesehen von anderer Verdichter- und Turbinengeometrie, auch einen anderen Werkstoff für die Turbine verwenden - nämlich Keramik. Abgesehen davon ist der Abgaskanal für das Pre-Spoolen bei beiden Laderversionen unterschiedlichen verlegt/integriert – aber darauf möchte ich vorerst nicht genauer eingehen.

Meine bisherige Erfahrung soll sich primär auch erstmal nur um die CT12B, also die Turbolader der Exportversionen mit Stahlturbine, beschäftigen.


Wo fange ich da am besten an?
Vielleicht gehe ich einmal kurz auf die Thematik BPU ein, also: Basic-Performance-Upgrade, also: das Tuning auf Basis der Serienbauteile und warum ich diesen Weg, so wie typischerweise beschrieben, nicht selbst gehen wollte und auch bis heute nicht gehe und auch nicht gehen werde.


Bisheriges BPU-Verfahren via Fuel-Cut-Defender und Boost-Controller:

Der Fuel-Cut-Defender dient dazu dem Motorsteuergerät den Maximaldruck im Saugrohr zu verfälschen. Das heißt, wenn ihr eine Ladedruckerhöhung ohne FCD provoziert und dieser Wert über einen gewissen Druck steigt, macht das Motorsteuergerät einen „FuelCut“.
Genauer gesagt: Es wird auch schon bei den alten Motorsteuergeräten ein Engine-Cut sein, was so viel heißt, dass gezielt angefangene Einspritzevents vollendet werden, ggf. noch zündet oder auch nicht und das Motorsteuergerät dann keine weiteren Einspritzevents mehr zulässt – einen FuelCut.
 
Mit dem Boost-Controller wird nun ein weiteres Laderdruckregelventil mit hinzugenommen. In der Regel steckt man das originale LDR-Ventil aus (die bei vielen vermutlich eh nicht mehr funktionieren) und geht mit dem LDR-Ventil des Boost-Controllers an die entsprechenden Anschlüsse.
Wer sich etwas mit der sequenziellen Aufladung des Supras beschäftigt hat, der weiß, dass das Ladedruckregelventil und das entsprechende Wastegate, was wirklich als solches auch arbeitet, beim vorderen Lader zu finden ist.
Ist das vollbracht, kann man nun mit dem externen Boost-Controller selbst den Ladedruck hochregeln.


Also? Warum das nicht so machen?

Auch wenn es einige Leute gibt, die der Überzeugung sind, dass das funktioniert und völlig ausreichend ist, fehlen mir da einige Parameter, die mich da in ausreichend Sicherheit wiegen könnten und abgesehen davon, wurde mir schnell klar, dass dadurch nur der Ladedruck im Parallelbetrieb wirklich gezielt hochgesetzt werden kann.

Was für Parameter fehlen mir denn da?

Zuerst einmal ist das ein totaler Blindflug was Sprit und Zündung angeht. Ersteres kann man mit einer Breitbandlambdasonde plus Anzeige visualisieren – aber, bei welchem Lambda/AFR-Wert zieht man da die Reißleine?
Was ist mit dem Thema Abgastemperatur und vor allem „Klopfen“. Gerade Motoren aus den 80ern und Anfang der 90er sind nicht gerade bekannt dafür, dass die Klopfregelungen sehr zuverlässig funktionieren. Vor allem bei hoher Last und hohen Drehzahlen. Abgesehen davon findet man zu diesen Themen nicht viel und es gibt auch genügend Leute, die nach dem sogenannten BPU-Tuning auch schon nach kürzester Zeit Motorschäden vorweisen konnten. (Und ja, es gibt sicher auch andere Gründe als das BPU-Tuning dafür.)


Ein kurzes Beispiel, was beim BPU mit FCD und BC passiert:

Der 2JZ-GTE-non-VVTi soll einfacher halber in der japanischen Version als Beispiel dienen (kein Luftmassenmesser, Einspritzung wird maßgebend über den Saugrohrdruck-Sensor (MAP-Sensor) kalkuliert).
Die ECU führt bei ca. 0,9 bar rel. Ladedruck (bezüglich 1 bar Atmosphäre) den EngineCut durch.


Wenn der FCD auf ca. 0,8 bar rel. Ladedruck eingestellt wird und man via Boost-Controller 1,1 bar rel. Ladedruck fährt, wird sich theoretisch eine Erhöhung der Luftmenge um ca. 17% ergeben, gesetzt dem Falle, dass der Abgasgegendruck und die Ladeluft nach Ladeluftkühler nicht signifikant gestiegen sind.

Was bedeutet das?

Rein theoretisch eine Mehrleistung von genauso vielen Prozenten.

Doch was sieht da der Motor, bzw. die ECU von?
Die ECU sieht nur noch den maximalen Saugrohrdruck, den der FCD „einfriert“.
Das heißt, ab da wird der Zündwinkel und die Einspritzung zum jeweiligen Punkt der Drehzahl entlang des eingefrorenen Wertes nicht mehr verändern.
Das heißt mit jeder weiteren Druckerhöhung und der einhergehenden Luftmassenstromerhöhung entsteht so ein Abmagern des Kraftstoffes und ein konstant bleiben des Zündwinkels. Das heißt auch, dass durch das Abmagern, die Klopfwilligkeit des Kraftstoffluftgemisches erhöht wird und durch die Konstanthaltung des Zündwinkels wird sich für die Situation ein „schärferer“ Zündwinkel einstellen, was ebenso die Klopfneigung erhöht.

Was meine Erfahrung bzw. mein Kenntnisstand angeht, ist die Klopfregelung keine Breitbandfrequenz-Analyse, sondern die Klopfsensoren selbst sind schon bandpassgefiltert und lassen an sich nur eine Frequenz in einem gewissen Fenster zu. Das an sich ist jetzt nicht das Problem, jedoch habe ich gesehen, dass die Frequenzcharakteristik ab über 4500 U/min sehr ruhig wird – ergo, dass die Sensoren langsam taub werden und damit Klopfen nicht mehr zuverlässig detektieren lassen.

Die Abgastemperatur wird sich durch das Abmagern auch erhöhen, ggf. wird der, im Verhältnis, schärfere Zündwinkel das Kraftstoffluftgemisch evtl. etwas effizienter umsetzen, jedoch wird die Erhöhung der Temperatur überwiegen.

Was ich bis heute im Serienzustand gemessen habe, ist, dass die JSPEC-VVTi bei ~0,70 Lambda/~10,3 AFR und die Export-Versionen mit 0,75 Lambda/11 AFR bei Serienladedruck bei hoher Drehzahl fahren und die Abgastemperatur sich bei beiden Versionen bei ca. 870 °C vor Turbine festsetzt.


Bei 950°C sollte Schlussstrich sein. Also gleich auch mal die Gegenfrage: „Wer hat es denn schon gemessen?“ Ich kenne bis heute nur mich selbst, der sich den Aufwand gemacht hat und Thermoelemente vor Turbine an den originalen Turboladern verbaut hat. Und das bei 3 Projekten mit 2x Export- und 1x mit JSPEC-Ladern.

Zusammenfassend:
Das resultierende Abmagern und der „starr“-bleibende Zündwinkel bringt die Verbrennung in unbekannt kritische Zustände bezüglich Klopfens und thermischen Bauteilschutz.
Die Klopfregelung wird nicht als zuverlässig für Lasten außerhalb der Seriennutzung angesehen.
Das allein reicht mir schon an Begründungen und des eigenen Kenntnisstands, um es nicht nach dem alt-klassischen Verfahren zu machen.



Was habe ich dann also bisher gemacht?

Als erstes Projekt mit den Serienladern war am Supra eines meinen ältesten und besten Freunden im Jahr 2017. Es war ein JSPEC-RHD Modell mit 2JZ-GTE-non-VVTi und dem V160.
Die Motivation war, optisch erstmal möglich alles Serie zu belassen und dennoch Mehrleistung zu fahren. Eingebaut waren vom Kauf schon ein BC-Sportfahrwerk, HKS-Ladeluftkühler, offener HKS-Luftfilter und eine Greddy-Abgasanlage mit 3,5“ ab Kat.
Da uns durch die damalige Recherche schon klar war, dass die JSPEC-Lader empfindlich gegenüber höheren Ladedrücken sind und mit dem Bersten der Turbine zu rechnen ist, was durchaus auch schon Turbinenteile bis in den Brennraum zurück geworfen haben soll (Ich habe sogar in der Bekanntschaft jemanden, den das nachweislich passiert ist), haben wir uns entschlossen, zumindest auf die Export-Lader umzuschwenken.

Die weitere Motivation, es nicht mit FCD und Boost-Controller zu realisieren war, dass wir perspektivisch auch sein Supra später mit weitaus mehr Leistung und Single-Turbolader umbauen wollten, sodass wir nichts zwingend dazukaufen wollten, was wir später nicht auch gebrauchen konnten. Dementsprechend war auch klar, es muss ein freiprogrammierbares Motorsteuergerät ran. Die ersten Nachforschungen legten uns dann, vor allem auch Preis/Leistungs-technisch, die EMU Black von ECUMASTERS nahe. Ich habe mich eine Weile damit beschäftigt und kam zur Erkenntnis, dass wir mit den vorhandenen Ausgängen hinkommen sollten.


Dementsprechend bereitete ich alles so weit vor, um den ersten Umbau loszutreten.
Die erstandenen Export-Turbolader bereitete ich mit einem Thermoelement vor dem ersten Turbolader vor.


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Die Export-Lader haben auch einen größeren Flansch zum Vorkat hin. Da wir schauen wollten, dass das Ganze performant bleibt, habe ich kurzerhand einen passenden Flansch konstruiert, ihn mir lasern lassen und dann von Turbolader bis zur Greddy-Abgasanlage mit einem 100-Zellerkat und 3,5“-Rohre die gesamte Anlage vervollständigt. (Hier sollte noch erwähnt werden, dass der Kat nach einer gewissen Zeit, mit sehr vielen Volllastanteilen, dann doch irgendwann die weiße Flagge gehisst hatte, sodass wir dann doch mit 1-Zellen-Kat-Technologie unterwegs waren.)
Eine Breitbandlambdasonde ist ebenfalls mit in das „Kat-Rohr“ gewandert, die zur AEM-Lambda-Anzeige gehörte. Das Praktische: Die Anzeige kann via analoges Signal in die ECU geschleift und damit die Abgaszusammensetzung auch für die ECU verwendbar gemacht werden.



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Nun ging es darum, die EMU Black mit dem Kabelbaum zu verheiraten.
Was wir nicht machen wollten, war, den Kabelbaum zu zerschneiden. Also musste eine PnP-Lösung her.
Es war zwar ein PnP-Adapter auf dem Markt, jedoch zeigte sich, dass wie bei vielen PnP-Adaptern die Belegung nur die notwendigsten Aus- und Eingänge belegt waren, um den Motor mit einem Lader und einem Wastegate zu fahren.
Dementsprechend habe ich einen eigenen gebaut und alle Pins, die wir benötigten, auch bis in die ECU geschliffen.


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Nun konnte es mit dem Abstimmen losgehen.
Nachdem die Erstinbetriebnahme problemlos abgeschlossen wurde ging es dann auch los.
Es stellte sich noch heraus, dass die Regelventile für Wastegate und Pre-Spool defekt waren und ich somit gar nichts am Ladedruck hab ändern können. In diesem Zuge wurden dann die Ventile noch ausgetauscht und dann ging es auch wirklich los. Das Ganze abgestimmt auf der Straße und mit 100er ROZ Kraftstoff.

Ich konnte das ganze Turbosystem vernünftig schalten lassen und durch gezielte Ansteuerung der Wastegate- und Pre-Spoolventile schaffte ich im hohen Gang 1bar rel. Ladedruck kurz vor 2000 U/min. Nach der Umschaltung auf den Twin-Betrieb ging das Ganze auf knapp 1,6 bar und abfallen auf 1,3 bar. Das Setup hat ein Spaß gemacht - wir waren baff. Das bin ich bis dato in keinem BPU-getunten Supra so gefahren. Der Durchzug war wirklich erstaunlich.
Mit damals neuen Hankook S1 Evo2 mit 265er Breite hatten wir im 2. Gang immer Wheelspin und bei leicht unebenen Straßen sogar noch im 3. Gang. Die beste 100-200 km/h Zeit konnte mein Freund alleine, Nachts mit 9,6s, unkorrigiert, gemessen mit einer QStarz, fahren. Für Serienteile eines 25 Jahre alten Fahrzeugs, nicht schlecht wie ich finde.

Dementsprechend kam natürlich der Gedanke: „Geht da noch mehr?“
Ausgehend davon, dass der 2JZ-GTE in etwa 0,75bar rel. Ladedruck im Serientrimm fährt, ist die Erhöhung um über 110 % Spitzen- und ca. 75% Haltedruck doch recht ordentlich.
Die Antwort: Nein!!
Wir waren wirklich am Ende. Am Ende mit der Einspritzung, am Ende mit der Antaktung des Wastegates, am Ende mit der Klopfgrenze, am Ende mit der Abgastemperatur. Es hätte aber auch keinen Sinn mehr gemacht weiter anzufetten, da wir schon zwischen Lambda 0,70 - 0,75/ AFR 10,3 – 11,0 waren. Vor allem, dass die Klopfgrenze und die maximale Abgastemperatur so nah beieinander lagen, legte nahe, dass die Lader abgasseitig einfach zu machen.

Selbstverständlich stellt sich auch die Frage: „Mit wieviel Leistung und Drehmoment waren wir denn jetzt unterwegs?“
Leider und sehr zu meinem Bedauern, haben wir es nicht auf die Reihe bekommen innerhalb der zwei Saisons, die das Auto mit dem Setup auf der Straße war, auf den Prüfstand zu bekommen. Als am Ende der zweiten Saison ein Termin vereinbart wurde, wurde er uns kurzfristig abgesagt, aufgrund von einem Defekt am Prüfstand. Über Winter wanderte dann der Motor zum Umbau auf den Singleturbo komplett raus, damit war das Projekt mit den OEM-Ladern für dieses Fahrzeug beendet.

Schätzungsweise ist meine Tendenz, dass das Auto keine 500 PS hatte, was angeblich ja mit den C12B die Grenze sein sollte und ich mittlerweile überzeugt anzweifle, wenn man sich im Bereich des „Bauteilschutzes“ bewegen möchte. Ehr etwas in Richtung 450PS. Drehmoment, finde ich sehr schwer zu sagen, das vermute ich bei ca. 650 Nm.
Ich bin der Überzeugung, dass ohne Weiteres die Lader einfach nicht mehr realisieren können. Dass was das Auto für seine Verhältnisse schnell gemacht hat, war der frühe Ladedruckaufbau und des wirklich sportlichen Drehmomentes im mittlerem Drehzahlbereiches.
Das ganze Setup schien erstaunlich robust, da es in den zwei Saisons quasi durchweg Volllast gesehen hatte, sobald der Motor betriebswarm war.

Doch was kann man nun als technischen Wissensstand herausziehen?
Aber was genau limitiert denn jetzt nun das System?

Das werde ich euch in einem späteren Beitrag eröffnen, der über ein weiteres Projekt handelt bei dem wir den Schritt der Upgrades der C12B-Lader gegangen sind.

Seid gespannt.

 
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SupraSmooth (06.02.2023, 21:59)
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ANKRacing
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Die Sequenzielle Aufladung des 2JZ-GTE und die Möglichkeiten der Upgrades!

Beitrag von ANKRacing »

Cooler Beitrag. Ich komme ja noch aus einer Zeit, als Supras billig waren und wirklich jeder einfach selbst BPU gemacht hat, ohne da groß was zu hinterfragen. Das was du beschreibst, war ja damals der Klassiker: Auspuff, FCD, BC, vielleicht noch Nockenwellen und Feuer. Von daher finde ich die Herangehensweise bei dir wirklich gut und deutlich besser. :) Ich bin gespannt auf deinen nächsten Beitrag.
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Die Sequenzielle Aufladung des 2JZ-GTE und die Möglichkeiten der Upgrades!

Beitrag von SupraSmooth »

Bin nun auch endlich dazu gekommen mir deinen Beitrag durchzulesen. Sehr interessante findings und schön geschrieben.
Das sind wirklich wertvolle Infos die du hier teilst, besonders interessant die verschiedenen Limits die Ihr da für das Export-Lader-Setup "rausfahren" konntet.
Freue mich auf mehr!
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