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<h2>Autogas Umbau Mazda 626, 2.2i</h2>

Lang' ist's her, daß ich meinen Mazda gebraucht gekauft habe.
Da der Mazda jetzt seinen siebzehnten "Geburtstag" feiert,
wollte ich mir ein neues Auto zulegen.
Allerdings war ich mal in der Schweiz und da bin ich einem Betrüger begegnet -
es war übrigens kein Internetbetrüger - sondern ein ganz gewöhnlicher 
Schweizer
... und so ist dieser Traum für die nächsten Jahre geplatzt.

<p>
Welches Auto würde ich also hypothetisch kaufen? Sicher eines mit einem
geringen Verbrauch, aber kaum einen Kleinwagen, denn ich fahre viel.
Des öfteren transportieren wir auch grössere Sachen.
Meine Familie braucht auch Platz, also kommt nur ein Mittelklassewagen
in Frage.

<p>
Tja, und dann stolperte ich irgendwann über
 <a href="http://www.spritmonitor.de">http://www.spritmonitor.de</a>
-
und plötzlich war ich mir nicht mehr sicher, ob ich den
guten alten Mazda wegtun sollte! Eigentlich ist es ein super
Auto, das man mit recht wenig Normalbenzin fahren kann und das dennoch 200 km/h
auf die Strasse legen kann.
Die Ingenieure bei Mitsubishi damals hatten noch die Erdölkrise Ende der siebziger Jahre im Kopf.

<p>

Also habe ich aus der Not eine Tugend gemacht und habe beschlossen, das Auto
auf Vordermann zu bringen:

<ul>
<li>
LED-Tagfahrlicht, da ich viel in Tschechien, Österreich  und in Italien unterwegs bin 
- Einsparung 0,2 - 0,3 Liter/100km.
<i>
Übrigens hebt sich der graue Mazda von der grauen Strasse schlecht ab!
</i>
</li>

<li>
Kühlergrill wird in der kalten Jahreszeit verschlossen. (Verbrauchsreduktion aber nicht sichtbar)
</li>

<li>
Die alte Motorsteuerung steuert die Injektoren im Bankmode an. 
Ein Upgrade auf eine vollsequentielle Motorsteuerung mit
der Möglichkeit zum individuellen Zylinderabgleich (ICF) muss her. 
<i>
Hat sich als gute Investition erwiesen, da die nachträglich eingebaute 
Gaseinspritzung ziemlich grosse Toleranzen aufweist: die Düsen werden mit gutem Augenmass, :-)
da wo Platz ist - angebracht und mit einem Schlauch vom Injektorenrail gespiesen.
Das Resultat ist, dass jede Düse ein wenig anders zischt. Eine weitere Ursache dass
bestimmte Zylinder "zu fett" und andere "zu mager" laufen, ist die Motorkonstruktion selbst:
Die Ansaug- und Auspuffkanäle sind verschieden lang, zusammen mit winzigen Unterschieden
der Ventilsteuerung ergeben sich unterschiedliche Strömungsverhältnisse, und somit unterschiedliche
Zylinderfüllgrade.
Bei meinem Motor und LPG 25% Unterschied(!), bei Benzin 6% Unterschied in der Treibstoffverteilung.
<br>
Mit ICF wird jeder Zylinder individuell auf den optimalen 
<a href="http://www.taunus-biker.de/~mdvp/Lambda/Lambda.html">Lambdawert</a> 
eingeregelt.
<b>
-> Schadstoffreduktion, ruhigerer Motorlauf</b> und ein  sparsamerer Betrieb.
</i>
<br>
<img src="fotos/injektoren.jpg">
<i><sm>Im Bild: der Gas-Injektoren-Rail (Bigas)</sm></i>
</li>

<!-- <li>
Neue, beheizte Lambda-Sonde von NKT wird eingebaut: 
besserer Verbrauch, weniger Schadstoffe auf den Kurzstrecken.
</li> -->

<li>
Ein Display mit Verbrauchsanzeige und anderen Motorkenndaten in Echtzeit.
</li>

<li>
Vielleicht würde eine neue elektronische Zündanlage auch etwas bringen?
<i>
In der dritten Version habe ich eine Entladungszündanlage gebaut. Jedem Zylinder eine
eigene Zündspule, welche über Leistungs-MOSFETs mit 360 Volt mehrfach gepulst wird. D.h. mehrere,
starke Zündfunken anstelle eines schwachen Funkens.
-> ruhigerer Lauf und besseres Drehmoment gerade bei niedrigen Drehzahlen.
Man kann jetzt bequem mit 1500 Umdrehungen im vierten, fünften Gang Paßstrassen hinauf fahren!
(Andere müssen öfters rauf und runter schalten und brauchen mehr Sprit)
<br>
Und, da Propan im Vergleich zu Benzin deutlich mehr Zündspannung und -energie braucht,
fast ein Muss für LPG-Fahrer.
<br>
<img src="fotos/zuendung.jpg">
Im Bild: die vier Zündspulen, oben rechts das Steuergerät.
</i>
<br>
Iridium-Zündkerzen sind leider recht teuer, aber sie halten auch mit LPG 100'000km.
</li>

<li>
Active jet control müsste, wenn man diesem 
<a href="http://www.spiegel.de/auto/aktuell/0,1518,398889,00.html">Spiegel-Artikel</a>
glauben darf, ein kleines Wunder sein. 
Nun - vermutlich wollen sie den "Coanda-Effekt" nutzen... wollen aber nicht zugeben, dass
ihre "Erfindung" schon bald 100 Jahre bekannt ist...
Eine andere einfachere Methode, die jedermann für wenig Geld bauen kann, ist hier beschrieben:
<a href="http://www.mitsubishi-motors.com/corporate/about_us/technology/review/e/pdf/2004/16E_03.pdf">
Research on Aerodynamic Drag Reduction by Vortex Generators</a>.
<i>
Die theoretische Treibstoffeinsparung von 1-2% ist nicht sichtbar... 
allerdings glaube ich etwas weniger niederfrequenten Lärm auf der Autobahn zu hören.
</i>
</li>

<li>
Bis zum Kat doppelt geführtes Hosenrohr (Flammrohr) reduziert eine Schwachstelle bei ca. 2700 rpm.
Die Ventilöffnungszeiten überschneiden sich: die Auslassdruckwelle des einen Zylinders wandert in 
den Vorgängerzylinder -> der Zylinderdruck steigt an, Vibrationen und schlechter Wirkungsgrad.
Gut sichtbar auch die beiden beheizten Lambdasonden, die jeweils für Zylinder 1&4, 
resp. Zylinder 2&3 zuständig sind.
Der individuelle Zylinderabgleich ist so deutlich genauer als mit nur einer Lambdasonde möglich. 
<br>
<img src="fotos/kruemmer.jpg">
</li>

</ul>

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<h2>Juli/August 2008</h2>
Der Motor hat weitere 80000 Kilometer abgespult, der Bordcomputer hat 120 Millionen Umdrehungen
gezählt.
TÜV/Abgastest: Die Gasanlage kommt nur "haarscharf" durch. Schlechte Werte.
Motor dreht unruhig. Standgas sehr schlecht.
<br>
Einen Monat später: ein Gas-Injektor hat Totalausfall. Die übrigen sind sehr abgenützt: 
die Rückholfedern und der Ventilkörper im Innern scheuern konstruktionsbedingt Metall-auf-Metall. 
Der Ventilgummi ist auch in einem schlechten (abgenützten) Zustand...
<br>
Der Injektoren-Rail wird revidiert: neues Ventilinnenleben wird vergebaut.
<br>
Ab jetzt werde ich dem Autogas bei Tanken einen "Sprutz" Feinmechaniköl beifügen. Mal sehen, wie lange
die Injektoren leben werden.
<br>
Die ersten paar Kilometer sind sehr ermutigend: der Druckregler, in dem auch Metall-auf-Metall
scheuert, regelt viel besser. Die Drucksprünge, die für einen Teil des unrunden Laufs verantwortlich waren,
sind verschwunden.
Die revidierten Injektoren und ein erneuter ICF-Abgleich bewirken Wunder: der Motor läuft wieder genauso ruhig
wie mit Benzin, kein Stottern und Verschlucken mehr.
Mit der ersten Gasfüllung fahre ich rekordverdächtig weit...
<p>
So, jetzt kann es in den Urlaub gehen!


<!--------------------------------------------------------------------------------------------->
<h2>WBO - wide band oxygen sensor - Breitbandlambdasonde</h2>

<img src="fotos/wbox-3small.jpg">
<br>
Im Gegensatz zur konventionellen Lambdasonde, die "nur" das stöchiometrische Verhälniss genau ermitteln
kann, kann die Breitbandsonde alle Gemischverhältnisse - also von "fett" bis "mager" ermitteln.
<br>
Leider braucht man auch eine ordentliche Menge Elektronik zur Ansteuerung dieser Lambdasonde.
Ein Atmel-Prozessor ist für die Regelung und Ansteuerung der WBO-Sonde zuständig.
<br>
Für den Rest siehe Google.


<p>
<hr>
<i>
Schaltpläne, Layouts etc. der gezeigten Elektronik auf Anfrage bei: eheimann AT pe-fittinge.de
</i>
<hr>

Einmal habe ich versucht, den Motor mager laufen zu lassen... war im Prinzip o.k. - aber der Schadstoffaustoss (NOx) 
wäre zu einem Problem geworden. ABER: mit einer guten Abgasrückführung erreicht man denselben Effekt, jedoch ohne Stickoxide.
Mit der Breitbandlambdasonde kann man die dem Motor zugeführte Luft messen und über den Sauerstoffgehalt die
Abgasrückführung auf das Optimum einregeln. Damit erreicht man sowas wie Euro 5 oder 6.
<br>
Praxis: ab August 2009 habe ich den ersten Prototyp der elektronischen Abgasrückführung in mein
Monster-Auto (3 Liter Hubraum) eingebaut. Resultat: 3/4 Liter Spriteinsparung auf 100 Kilometer!

<!---------------------------------------------------------------------------------------------
<h2>ab hier Irrungen und Wirrungen</h2>



<h3>Erweiterung der Motorsteuerung</h3>

Wie erwähnt, stammt die originale Motorsteuerung aus meiner guten alten Elektronik-Lehrzeit.
<br>
Nostalgische Gefühle überwältigen den Betrachter beim Anblick der geöffneten
Motorsteuerung mit guten alten DILs, Hybrid-ICs, CMOS-CPU, 
rechtwinklig gebogener Anschlussdrähte bei 1/4 Watt Widerständen, Transistoren und Dioden.
<p>
Das Ding müsste mehr können und besser sein!

<ul>
<li>
Bankmode: alle Einspritzdüsen sind parallelgeschaltet. 
Ein Zündungsimpuls löst einen Einspritzimpuls auf allen vier Düsen aus.
Eine vollsequentielle Einspritzanlage dagegen löst für jeden Zylinder
einen einzigen Einspritzimpuls aus. 
Während bei Benzin der/die Einspritzzeitpunkt(e) recht unkritisch ist (sind)
-typischerweise bei 280°n.O.T.- braucht man bei Gas mehr Kniffe,
um einen runden Leerlauf und ein ruckelfreies Teillastverhalten hinzukriegen.
Bei mir muss die Düse während des Ansaugtaktes bei ca. 225°n.OT öffnen,
um die beste Vermischung des Gases mit der Luft zu erreichen...
</li>

<li>
IFC, also die individuelle Zylinderkalibrierung, ist zwar bei den meisten Autohestellern
noch Zukunftsmusik, aber es wäre eine Massnahme, mit der man den Motor ein
wenig sparsamer und schadstoffärmer fahren könnte.
</li>

<li>
Die Gemischanreicherung ist einem Doppelvergaser nachgeahmt: besser wäre eine
Gemischanreicherung nur bei einem Kick-Down.
</li>

<li>
Ein kleines Display mit Verbrauchsanzeige, Kenndaten etc. wäre schön, und 
würde bestimmt einen sparsamen Fahrstil mit Echtzeit-Messwerten unterstützen.
</li>

<li>
Die heutigen Motorsteuerungen haben einen großen Nachteil: 
ohne Werkstatt und Diagnosegerät läuft bei der Kalibrierung nichts.
Was aber, wenn im Urlaub, beispielsweise auf der 
<a href="http://www.epirus.de/directory/kroatia.htm">Insel Pag</a>
 etwas repariert werden muss?
Und wie steht es um die Diagnose bei Voll- oder Teillastbetrieb des Motors? 
TüV und die meisten Werkstätten kontrollieren den Motor im Leerlauf.
Der meiste Sprit wird dagegen im Teillastbetrieb, also nicht in diesem
beamtlich beaufsichtigten Leerlauf verbraucht.
</li>

<li>
Und natürlich fehlen alle Signale, die für die Autogasanlage benötigt werden:
Gasinjektoren (Einspritzdüsen), Magnetventil, Füllstandandszeige, 
opt. Verdampfertemperatur, Gastemperatur, Saugkrümmer-Unterdruck, Gasdruck.
</li>

</ul>

<p>

<h2>Design der Motorsteuerung</h2>

Ein Microprozessor aus der AVR-Familie der Firma Atmel wird eingesetzt.
Der freie (Super-) Compiler GCC kann auch für diese CPU Code erzeugen.
Die avr-libc ist auch frei verfügbar, ebenso der Programmierer und dessen Software.
Teure (und erfahrungsgemäss schlechte) kommerzielle Software entfällt.

<p>
Grundsätzliche Funktionsweise der Steuerung: die bestehende Motorsteuerung bleibt
bestehen. 
Der Neubau aller Schnittstellen und die Ermittlung der Motorkennfelder
wäre aufwendig.
Einfacher ist es, die bestehende Motorsteuerung (Mitsubishi) mitsamt Kennfeld 
ab Fabrik zu übernehmen, und darauf aufbauend die gewünschten Funktionen aufzupfropfen.
Es wird der originale Einspritzpuls vermessen und nach Umrechnung an die
Einspritzventile abgegeben.
Die Synchronisation der individuellen Einspritzimpulse wird relativ zur
Nockenwelle mit (magnetischen) Hallgebern realisiert.
Es werden einfach die Zähne des Pulleys, über den der Zahnriemen läuft, abgezählt
und daraus die Position der Nockenwelle ermitttelt.
Mit einem weiteren Hallgeber an der Antriebswelle wird die Fahrzeuggeschwindigkeit gemessen.
Das Lambdasonden-Signal wird unterbrochen, und ein generiertes Ersatzsignal eingespiesen.
Ditto das das Signal des Drosselklappen-Sensors.
Die übrigen Signale werden parallel mit ausgewertet, soweit nötig.
<p>
Aus diesen Anforderungen ergibt sich, dass eigentlich nur der grösste Prozessor
aus der AVR-Reihe in Frage kommt: ATmega 128.
<p>
--->
<!--
Regenerierung der Einspritzventil-Signale: 
als einfachste Methode könnte man einen Multiplikator für jede Einspritzdüse nehmen. 
Man benötigte acht Multiplikatoren: 4 Zylinder jeweils Benzin unf Gas.
Nicht-Linearitäten können so allerdings nicht geradegebogen werden.
(Kurzstecke ohne Lambdasignal und/oder angereichertes Gemisch bei Kickdown)
<br>

Möglichkeiten: streckenweise Anpassung mit Geraden über Intervallen, oder mathematisch
eleganter, aber rechenintensiver mit B-Splines.
Phi<sub>cyl</sub> = bspline_eval(spline<sub>cyl</sub>, Phi<sub>Mitsubishi</sub>) 
<p>
Kalibrierung mit Benzin:
<br>
1. die Spline wird als Gerade durch den Nullpunkt mit Steigung 4 initialisiert.
2. das Lambdasignal wird abgestellt - die Mitsubishi-Steuerung regelt mit direktem (fetten) Motorkennfeld.
3. die Stützpunkte der 4 Splines werden mit der Lambdasonde auf fettes Gemisch eingeregelt.
#3 wird genügend lange über dem gesamte Impulsbereich wiederholt, bis alle
Stützpunkte eingestellt wird.
4. das Lambdasingnal wird nun  an Mitsubishi weitergeleitet, die "echte" Regelung beginnt.
5. bei konstaten Betriebsbedingungen wird der IFC-Algorithmus aktiviert, mit welchem
die individuellen Splines für jeden Zylinder und Stützpunkt einkalibriert werden.

<p>
Kalibrierung mit Gas:
eine Möglichkeit wäre, zuerst einen Zylinder mit Gas laufen zu lassen, während
die übrigen 3 (noch) mit Benzin betrieben werden.
Über die Änderung des Lambdasignals nach dieser Umschaltung kann die 
initiale, passende Steigung der Gas-Spline ermittelt werden.
Solange wiederholen, bis keine nennenswerte Änderung des Lambda/Phi-Verhältnisses messbar ist.
<br>
Fährt dem Motor mit einem Gas-Zylinder und guten Verbrennungswerten, kann auf alle
vier Zylinder geschaltet werden.
Die Kalibrierung mit Gar erfolgt dann wie bei der kalibrierung bei Benzin.
(Individuelle Stützpunkte und IFC)
<br>
-->
<!------------------
<p>
IFC
Wenn im Lambda-Signal viel 1/2 und 1/4 Harmonische der Motordrehzahl gefunden werden,
sind die Zylinder nicht genügend tariert.
Es wird ein Zylinder genommen, und mit je einem Phi oberhalb und einem Phi unterhalb vermessen.
Es müsste mit diesen drei Messwerten das Minimum der Harmonischen gefunden werden, mit welchem
die Spline an oder um diesem Stützpunkt korrigiert wird.
Dasselbe für die zwei anderen Zylinder. (Der vierte ist das Summen-Resultat der drei tarierten)
<p>
Dieselbe Prozedur über alle Stützpunkte wiederholen.
<p>
Ab da kann man für Mitsubishi ein fettes Lambdasignal generieren, 
sodass eine magerere Regelung eintritt. 
Bei grossem Harmonischen Signal muss diese Optimierung wieder abgestellt werden,
damit kein Zylinder Aussetzer hat.
<p>



<h3>Konstruktionsdetails</h3>


<p>
<h4>Nockenwelle</h4>
Mit Hallsensoren (Typ 4142 von Allegro inc.), wird die Position der Nockenwelle bestimmt.
Ein Kleinmagnet (Neodyn 3x1mm) wird in einen Zahn für die Nullbestimmung (Referenz für OT1) 
eingelassen, ein zweiter Sensor ermittelt jeden Zahn.

<br>
<img src="fotos/pulley.jpg">
<br>
Bild: Pulley (Zahnkranz) der Nockenwelle mit dem eingepressten und verklebten Referenzmagneten.
(22. März 2006)
<p>
Die beiden Hallsensoren werden auf einer Platine montiert. 
Kleine Bleche unter den Hallsensoren leiten und bündeln die Magnetfelder.
(aus Konserven recycel)
SMD-Leuchtdioden zeigen den Schaltzustand zur Kontrolle an.
Die Platine ist in Epoxy vergossen.

<p>
Die Platine wird auf einen Halter geschraubt im Abstand von 0.3mm vom Pulley entfernt
montiert.
Die Platine soll so montiert sein, dass sie sich nicht im Pulley verhaken kann,
wenn ein Schrauber sein (Un)Wesen treiben sollte und dabei die Halterung verbiegt.
<p>

<h2>Ermittlung der Signale für das IFC</h2>

Aus dem Lambda-Signal wird gleichsam die "Oberwelle" gefiltert, welche die 
relativen Verstimmungen unter den 4 Zylindern verursacht: 
<a href="http://en.wikipedia.org/wiki/Butterworth_filter#Filter_Realization">Chebytschew-Filter</a>
 5er Ordnung
<a href="http://newton.ex.ac.uk/teaching/CDHW/Electronics2/SimSheet-03.html">Filter</a>
oder 
<a href="http://www.maxim-ic.com/appnotes.cfm/appnote_number/1795">hier.</a>
<p>
danach <a href="http://sound.westhost.com/appnotes/an001.htm">Gleichrichter</a>
und wieder Lowpassfilter. 
<a href="http://www.ecircuitcenter.com/Circuits/opsalkey1/opsalkey1.htm"></a>
<p>
Dieses Signal muss im laufenden Betrieb minimiert werden.
Die Werksmässige Reserve im (mageren) Gemisch kann weiter reduziert werden.
<p>
Spice für Simulation resp. Kontrolle der errechneten Werte.
<p>

<h2>Simulator</h2>
Generiert die für die "richtige" Steuerung benötigten Signale.
* Analog: Lambdasignal, Drosselklappe
* Zündungspuls
* phi (Einspritzpuls)
* cam-sync
* cam-sig

über Potis wird Phi und RPM eingestellt, um ein Debuggen der Steuerung
zu ermöglichen.

Mit Taster kann phi abgestellltwerden, d.h. Simultion Schubabschalteng.

Nötig wären auch Ein-Aus-Sequenz und Starten...


Referenzen
<br>
Entwurf der Leiterplatten <a href="http://www.geda.seul.org/docs/current/tutorials/gsch2pcb/tutorial.html">Tutorial</a>
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