Reprogramación de ECU - Parte 2 - Motoza

¿Qué tiene este carro de especial?, ¿acaso se me olvidó que con un motor turbo se pueden lograr estos niveles de potencia y torque fácilmente?, me hago estas preguntas pero sé qué hay una razón para mi asombro, no se trata sólo de algunas modificaciones hechas a un Jetta GLI, se trata de un cerebro que hace funcionar todo de la mejor manera, un cerebro que ha sido creado con un nivel de detalle asombroso, un cerebro llamado Motoza.

Todas las "repro" son diferentes, cada una de ellas tuvo un programador que según su experiencia y conocimientos encontró una forma de extraer más potencia de un motor, es algo casi artesanal y por ende los resultados pueden variar mucho de una reprogramación a otra, ¿por qué?, bueno aparte que hay muchos parámetros que se pueden modificar, también existen unas condiciones iniciales de las que hablábamos en la entrada anterior: presión atmosférica, temperatura, humedad relativa, calidad de la gasolina, y estas varían, así que una repro que funciona muy bien en Alemania (gasolina de 98 octanos RON y climas mayormente fríos) podría no funcionar igual de bien en Colombia (gasolina de 91 RON máximo, diversidad de climas y en el caso concreto de Bogotá D.C. una presión atmosférica muy baja).

Esto conlleva a que existan muchas "repros" que logran buenos resultados en otros lugares del mundo pero que acá no alcanzan los números prometidos, no va sólo en el conocimiento que tenga el Tuner con respecto al motor y a la programación, sino al conocimiento de las condiciones ambientales donde va a funcionar el motor. En este caso particular de Motoza se trata de una repro que nos llega desde las Montoñas Rocosas en Estados Unidos, más específicamente desde Colorado, que aparte de tener una geografía muy accidentada con grandes picos montañosos y alturas considerables sobre el nivel del mar, también tienen una gasolina que sin llegar a los bajos niveles de la Colombiana, tampoco llega al nivel de octanaje encontrado en la gasolina que se comercializa en la Unión Europea o Japón, así que saben "una o dos cosas" sobre las condiciones que se pueden presentar acá.

Habíamos visto algunas variables que aunque puedan parecer poco interesantes son en realidad muy importantes para entender por qué las "repro" se pueden hacer y funcionan, sin embargo aun sabiendo todo esto es sorprendente como en Motoza han llevado su reprogramación a un nivel asombroso de desarrollo pues en principio no llevan el turbo fuera de parámetros seguros, no abusan del avance de chispa ni enriquecen exageradamente la mezcla aire-combustible, pero vamos por partes.

¡Más boost!

Una de las formas más sencillas de ganar potencia es aumentando el boost, para estos motores y sistemas de inyección el control de boost es un sistema de control electrónico, así que la Wastegate del turbo (un solenoide que limita la presión de soplado de este) es controlada por la ECU, para este caso a través de la válvula N75, sin embargo los turbocompresores tienen una zona de eficiencia en la cual trabajan y salir de esa zona podría terminar en un exceso de velocidad de giro del turbo o en "surge" y eventualmente en un catastrófico rompimiento prematuro del turbo.

Algunos Tuners llevan los K03s fuera de las curvas del mapa del compresor donde este puede llegar a producir más de 22 [psi] a la altura de Bogotá, sacrificando notablemente su confiabilidad (pues a la larga se trata de un turbo pequeño que a la altura de Bogotá debe trabajar "extra" y muy rápido para lograr esos niveles de boost); en Motoza saben que se debe encontrar un buen equilibrio entre rendimiento y confiabilidad así que logran unos números excelentes a sólo 18,5 [psi] a la altura de Bogotá, de forma que el turbo se encuentra en una zona segura y su confiabilidad no se ve comprometida. ¡Excelente!

Entonces en Motoza no abusan del boost, así que deben adelantar chispa y enriquecer hasta el infinito ¿correcto?, No.

Bajo ciertas condiciones entre más avance de chispa (adelantar el momento en que salta la chispa de encendido) más potencia, hasta que se llega a un punto donde la detonación/cascabeleo comienza a ser el factor limitante, las soluciones que pueden darse a través de la ECU/ECM son reducir el boost o enriquecer la mezcla, pero buscando un equilibrio, pues si la ECU/ECM detecta a través del Sensor de detonación o Knock Sensor que se está produciendo cascabeleo se produce una corrección de chispa, esto quiere decir que se retrasa el momento de encendido y más allá de este punto no lograremos mejores cifras de potencia con este método.

Y hay otro detalle, si esta programación tiene cierto valor de corrección de chispa a la altura de Bogotá, cuando llevemos nuestro carro cerca al nivel del mar donde generalmente a estas latitudes también viene per se un aumento de temperatura, tendremos un mayor riesgo de detonación y por lo tanto la ECU/ECM va a proteger el motor con una corrección de chispa que puede ser tan alta como 10 grados, así que no habremos ganado nada. La reprogramación que ofrece Motoza no tiene niveles de boost o de avance de encendido agresivos, por eso puede presumir de valores de corrección de chispa que no sobrepasan los 4 grados al nivel del mar. De nuevo... ¡Excelente!.

¿Y a todas estas de qué se trata ese cascabeleo o detonación?

Explicación técnica:

La detonación ocurre en el proceso de combustión cuando el avance de frente de llama, el cual está presurizado y calentando la mezcla no quemada que se encuentra alrededor de este, lo hace a una velocidad que el combustible que no se ha quemado en esa zona logra su temperatura de auto ignición antes que sea alcanzado por el avance de frente de llama. El resultado es que la mezcla que no se ha quemado explota espontáneamente y sobre toda la zona donde la temperatura de auto ignición se ha alcanzado. [1].

Enriqueciendo la mezcla

Cuando el riesgo de detonación o "cascabeleo" aumenta se pueden buscar varias soluciones, (las soluciones mecánicas a este problema serán tema de otra entrada), desde la ECU/ECM se puede enriquecer la mezcla aire-combustible o AFR (por sus siglas del Inglés Air Fuel Ratio), sin embargo esto aumenta el consumo de combustible y tiene un límite, sin embargo en el caso de Motoza, el programador no tuvo que llegar a los límites de enriquecimiento de mezcla para obtener buenos resultados y evitar la detonación (y por ende el retraso de chispa de encendido).

El tuner debe buscar un equilibrio entre avance y enriquecimiento de mezcla, además si se enriquece después de cierto valor (aproximadamente más allá de AFR de 12,5:1) no solo se aumenta el consumo, emisiones contaminantes y los depósitos de carbón sino que el mismo enriquecimiento sofoca el frente de llama.

¿Entonces dónde está el secreto?

Motoza por el momento sólo tiene disponible la reprogramación para los motores 1.8T de 20 válvulas encontrados en muchos modelos del grupo VAG, mientras otros tuners más grandes poseen reprogramaciones para diversidad de modelos, en Motoza se han centrado en este motor y lo han ido perfeccionando, algo así como una metodología Kaizen de mejoramiento continuo, y sí, les ha dado resultado.

Aparte de todo esto la programación de Motoza ofrece varios programas de uso, desde un programa Economy para unos parámetros más conservadores, continuando con un programa para gasolina de 91 Octanos (el que yo probé) y finalizando con un programa para gasolina de mucho octanaje, apenas para una ida a Tocancipá son Sunoco.

Para quienes deseen ver cómo se hace una "repro" de ECU/ECM de Motoza aquí está su vídeo oficial.

Por último quiero hablarles sobre los posibles contras de cualquier reprogramación de ECM y sobre algunas dudas que pueden surgir antes de realizar este proceso:

¿Pierdo la garantía?

Una de las preguntas más frecuentes que hacen quienes van a realizar esta modificación es sobre si pueden perder la garantía o si durante una revisión en el taller oficial pueden detectar la "repro", lo cierto es que es difícil que en una revisión de rutina detecten que se hizo una reprogramación de ECU, muchos tuners y fanáticos sabelotodos participantes de foros usan una frase respecto a este tema: "en los concesionarios no saben dónde están parados y nunca se darían cuenta"; personalmente yo he encontrado un par de personas trabajando en talleres oficiales que tienen un vasto conocimiento sobre motores y sistemas de inyección, así que tampoco hay que generalizar, al final si ellos se dan cuenta un "repro" es causa para perder la garantía pero es poco probable.

¿El motor va a durar menos?

Difícil pregunta, así que vamos por partes, el objetivo principal de la "repro" es extraer más potencia de un motor y por ende cuando esto sucede también hay una mayor Presión Media Efectiva en los pistones, una mayor fricción en las partes móviles y unos esfuerzos mayores en las piezas del motor, así que "blanco es gallina lo pone"... si extraemos más potencia y torque de un motor este también va a sufrir un desgaste mayor. Sin embargo los motores son diseñados con un Factor de Seguridad o Coeficiente de seguridad, es decir que las piezas están sobredimiensionadas respecto al valor de capacidad real de resistir a un esfuerzo determinado, así que este factor no es tan delicado, como sí podría ser el turbocompresor.

Cuando una "repro" saca de su zona de seguridad al Turbocomrpesor, es decir cuando su funcionamiento se encuentra fuera de las curvas de mapa del compresor, este puede fallar o romperse, ya sea por una velocidad muy elevada o porque el compresor no puede mantener la presión y aparece el fenómeno del "surge", desafortunadamente muchos "Tuners" llegan a estos límites y los sobrepasan sin buscar un equilibrio entre 

También existen otras "repros" milagrosas que ofrecen bajar el consumo y aumentar la potencia (obviamente sin ninguna prueba seria de consumo específico que respalde sus afirmaciones), estos resultados hay que "cogerlos con pinzas", pues normalmente no están respaldados con pruebas en dinamómetro realizadas en el lugar donde finalmente va a trabajar el motor, o en otros casos usan factores de corrección de motores atmosféricos/aspirados en motores turbo o incluso se puede tratar de motores "underrated" que de por sí ya venían con más potencia de la que declaraba el fabricante.

Por último hay muchos "chips" y resistencias milagrosas en eBay, personalmente pasaría de ellas pues en muchos casos lo único que hacen es "engañar" a la ECU/ECM por ejemplo con el sensor de temperatura de aire de admisión o IAT, lo mejor siempre será buscar un buen programador o una buena reprogramación.

[1]. G.T. KALGHATGI, P. SNOWDON y C.R. McDonald. STUDIES OF KNOCK IN A SPARK IGNITION ENGINE WITH CARS; "Temperature Measurements and Using Different Fuels" Society of Automotive Engineers, International Congress and Exposition, Detroit, Mich., Febrero, 1995, SAE Paper No. 950690.

Reprogramación de ECU - Parte 1

"Acelere aquí" dice mi acompañante, adelante no hay nadie así que hago caso, voy en primera a unas 1500 rpm, el empuje es gradual hasta que paso de 2500 rpm, ahí es otro, el turbocargador ya está cerca de full boost y el torque es tal que las pegajosas Yokohama Advan Neova AD08R comienzan a perder tracción, la luz del ASR me indica que la electrónica está trabajando para evitar que las llantas patinen, eso es como se sienten 300 caballos (estimados al volante) en un Jetta GLI con modificaciones muy interesantes de las que hablaremos en esta prueba.

Hablando de modificaciones tal vez la mentira más grande que se dicen a si mismos los nuevos propietarios de los Volkswagen Jetta GLI es que no le van a realizar alguna modificación al motor (aplica también para Golf, Bora, León, y virtualmente cualquier VAG con turbo), normalmente las personas que adquieren estos vehículos pasan por ciertas etapas que presentan una extraña similitud con el modelo psiquiátrico de Kübler-Ross: Negación: Mi (ponga el nombre de su VAG turbo aquí) no necesita más potencia, tiene suficiente; Ira: ¿Por qué ese otro carro es más rápido que el mío?; Negociación: Está bien, una modificación y ya, sólo necesito unos cuantos caballos más.

Una vez se dice eso, se pasa un punto sin retorno donde una de las modificaciones más apetecidas es la "repro", y como este es un tema que puede complicarse un poco voy a tratar de ir paso a paso para que las personas que no conocen del tema puedan entenderlo mejor; así que comencemos por el principio, la combustión.

Un motor de combustión convierte la energía proveniente de muchas explosiones en movimiento rotacional, este movimiento a su vez produce un torque y una potencia que son aprovechadas para mover un vehículo; hay varios factores que afectan la combustión entre los que encontramos la proporción Aire-Combustible, el momento en que salta la chispa de encendido en las bujías (avance o retraso de encendido), la cantidad de aire que entra al motor, el llenado de los cilindros, etc. Hoy en día muchas de estas variables están controladas por una unidad de control llamada ECU/ECM que recibe señales de diferentes sensores, estas señales vienen dadas como un valor de voltaje en un rango específico que este módulo puede interpretar y de ahí "tomar una decisión" sobre qué parámetros ajustar para suplir las necesidades del motor en ese momento, ya sean de consumo o potencia.

Las programaciones de estas ECU/ECM las realizan los fabricantes teniendo en cuenta que los vehículos van a funcionar en muchos países y que se van a encontrar con condiciones muy variables, desde altas temperaturas en áreas desérticas a temperaturas de congelación, presión atmosférica sobre el nivel del mar o ciudades desplegadas en alturas como las de Bogotá o La Paz, gasolinas excelentes como las de la Unión Europea o "cocinol aguapaneloso" como la gasolina en Colombia (gasolina corriente de 81 octanos IAD/AKI), los módulos del sistema de inyección deben ajustarse a todos esos parámetros y hacer que el vehículo funcione bien y aparte que sea confiable; pero no son los únicos factores que los fabricantes tienen en cuenta pues últimamente son los consumos homologados y las pruebas de emisiones contaminantes lo más importante a la hora de programar el "cerebro" de los vehículos nuevos.

Así se vé una ECU/ECM, este el módulo que controla muchas de las funciones de nuestro vehículo

Resulta que a la hora de vender un nuevo vehículo en los mercados más importantes (Norteamérica, Unión Europea, Japón, etc.) los fabricantes deben realizar unas pruebas de homologación en las que se prueban sus vehículos en condiciones de laboratorio para saber qué tanto consumen y contaminan, de ahí salen con una cifra que muestran con "bombos y platillos" en sus anuncios publicitarios; normalmente los consumos homologados están distantes de los obtenidos en condiciones reales pero eso será tema para otra entrada, lo importante aquí es que en las programaciones de esos módulos de control (ECU) también se presta especial atención para lograr bajos consumos en el laboratorio y esto también limita la potencia y la respuesta del motor.

Todas estas variables dan pie a que los modificadores o tuners puedan extraer algunos caballos más de los motores variando ciertos parámetros de la programación de las ECU/ECM, qué parámetros y cómo los varían dependen de cada motor, de las condiciones en las que funcione este, si es atmosférico/aspirado o si tiene inducción forzada (turbocargado o supercargado), en estos últimos es mucho más viable lograr una ganancia apreciable y ya veremos por qué.

Mezcla aire-combustible
Dentro del motor se quema una mezcla de aire y combustible, idealmente la mezcla estequiométrica es de 14,7:1, es decir 14,7 partes de aire por una parte de gasolina (en masa), esta proporción es en la que se obtiene una combustión perfecta y se designa como Lambda (λ) 1; sin embargo para obtener la mayor potencia en un motor es necesario variar esta proporción aumentando la cantidad de gasolina a proporciones cercanas a 12,5:1 o 13:1, esto asegura que todo (o casi todo) el oxígeno en la cámara de combustión se consuma, también ayuda a reducir un efecto al que se debe evitar a toda cosa: la detonación o cascabeleo. La mezcla también puede ser un poco más pobre que la estequiométrica, por ejemplo cuando vamos a velocidad constante (autopista) la mezcla puede se puede empobrecer tanto como 16:1 ó 18:1 para sistemas de inyección indirecta, o inclusive en valores superiores a los 50:1 como en los motores de inyección directa (modo ultra pobre), esto reduce el consumo de combustible.

Cámara de combustión simulada en ANSYS, Imagen de Ansys.com

El encendido
Encender la mezcla aire-combustible en el momento correcto durante el tiempo de compresión es crucial para lograr la mayor presión media efectiva y de paso las mejores cifras de potencia y torque, esto es porque la mezcla no se enciende instantáneamente, requiere un pequeño tiempo para encenderse (unos milisegundos apenas) y generar una presión sobre la cabeza del pistón, el problema es que cuando la mezcla aire-combustible ya se ha encendido completamente el pistón ha comenzado su carrera descendente y aquí se pierde algo de eficiencia (sería ideal si el pistón estuviera quieto durante el tiempo que dura la explosión pero lograr esto mecánicamente es muy difícil), a bajas rpm no es un problema pero a medida que la velocidad del motor aumenta es necesario que la chispa de encendido salte antes de que el pistón llegue a PMS (Punto muerto superior o Top Dead Center TDC), es decir mientras el pistón se encuentra en su carrera de compresión.

El tiempo en que la chispa salta en la bujía se mide en grados de rotación del cigüeñal antes de Punto Muerto Superior (PMS), en ralentí o marcha mínima es normal ver valores cercanos a los 5 grados, eso quiere decir que la chispa salta 5 grados antes de que el cigüeñal llegue a PMS; acelerando a fondo (WOT o Wide Open Throttle) el avance puede estar alrededor de 35 grados.

Una tabla de avance de encendido respecto a las rpm y a la presión en admisión

Aquí un ejemplo para explicar la importancia del avance de chispa de encendido: en condiciones ideales la mezcla aire-combustible se demora apenas 2 milisegundos para lograr la máxima presión, ¡eso es 200 veces más rápido que un parpadeo!, sin embargo con el motor a 3000 rpm el cigüeñal tiene una velocidad angular de 18000 grados por segundo, así que en esos ínfimos 2 milisegundos el cigüeñal ha girado 36 grados, a 4500 rpm ha girado 54 grados en ese mismo lapso de tiempo. Podemos ver un ejemplo gráfico acá de cuánto se ha movido el pistón mientras la mezcla-aire combustible logra la máxima presión a sólo 3000 rpm.

En la imagen de arriba el pistón en punto muerto superior (TDC), en la siguiente imagen con un motor a 3000 rpm el pistón ha recorido ya esa distancia en apenas 2 milisegundos

Esto es el avance de encendido y antes lo realizaba un sistema mecánico en el distribuidor pero ahora lo controla la ECU con unos mapas que permiten una gran variedad de parámetros de acuerdo a ls múltiples condiciones que se puedan presentar, de estos mapas hablaremos más adelante pues son los pilares de una "repro".

Presión del turbo
Recordemos que los motores funcionan con una mezcla de aire y combustible, ya sabemos que mucho más aire que gasolina, así que entre más aire pueda entrar al motor mucho mejor (esta siempre es la limitante),  así que para "meter" aire a presión se usan sistemas de inducción forzada como los turbocompresores y los supercargadores.

Los turbocompresores aprovechan la energía de los gases de escape para mover una turbina que gira solidaria con compresor centrífugo que comprime el aire de admisión, con esto se logran presiones de admisión mayores a la atmosférica y llenados de los cilindros que superan el 100%; turbos hay grandes y pequeños, estos últimos tienen menos inercia y sufren de menos Lag o retraso, cargan más rápido y también se "mueren" más rápido, son ideales para vehículos de calle donde no requieran cifras muy grandes de potencia. Los turbos grandes por otro lado tienen más Lag o retraso, así que se demoran más en "cargar" pero cuando lo hacen entregan una cantidad de presión mayor y el motor puede lograr cifras de potencia superiores.

Vista de corte de un turbocomrpesor, en rojo la turbina que es movida por los gases de escape y en azul el compresor centrífugo que comprime el aire de admisión y que gira solidario con la turbina

Hasta aquí la primera parte, en la segunda entrega veremos que hizo tan especial la reprogramación probada por Autos en Colombia en un Volkswagen Jetta GLI MK4, y les adelanto que muy seguramente es la mejor "repro" que existe en Colombia para este modelo en particular.