Ottomotor-Management 978-3-322-93841-1, 978-3-322-93840-4

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BOSCH

OttomotorManagement AUFLAGE

II VJeweg

BOSCH OttomotorManagement

Impressum

Autoren

Herausgeber:

Ottomotor, Motorkonzeption und Betriebsbedingungen, Ottokraftstoffe Dr. rer. nat. H. Schwarz, Dr. rer. nat. B. Blaich.

© Robert Bosch GmbH, 1998 Softcover reprint of the hardcover 1st edition 1998 Postfach 30 02 20, D-70442 Stuttgart. Unternehmensbereich Kraftfahrzeug-Ausrüstung, Abteilung Technische Information (KH!VDT).

Chefredaktion: Dipl.-lng. (FH) Horst Bauer. Redaktion: Dipl.-lng. (FH) Anion Beer, lng.(grad.) Arne Cypra, Dipl.-lng. Kari-Heinz Dietsche, Dipl.-lng. (BA) Jürgen Crepin, Folkhart Dinkler. Gestaltung: Dipl.-lng. (FH) Ulrich Adler, Berthold Gauder, Leinfelden-Echterdingen. Technische Grafik: Bauer & Partner, Stuttgart. Alle Rechte vorbehalten. Nachdruck, Vervielfältigung und Übersetzung, auch auszugsweise, nur mit unserer vorherigen schriftlichen Zustimmung und mit Quellenangabe gestattet. Abbildungen, Beschreibungen, Schemazeichnungen und andere Angaben dienen nur der Erläuterung und Darstellung des Textes. Sie können nicht als Grundlage für Konstruktion, Einbau und Lieferumfang verwendet werden. Wir übernehmen keine Haftung für die Übereinstimmung des Inhalts mit den jeweils geltenden gesetzlichen Vorschriften. Änderungen vorbehalten. 1. Auflage, Friedr. Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft mbH, Braunschweig/Wiesbaden, 1998.

Abgasnachbehandlung,Abgas-und Verdunstungsprüfung Dipl.-lng. (FH) D. Günther, Dr.-lng. G. König, Dipl.-lng. E. Schnaibel, Dipl.-lng. D. Dambach, Dipl.-lng. (FH) W. Dieter. Gemischbildung, Luft- und Kraftstoffversorgung, Einspritzsysteme Dipl. lng. (FH) U. Steinbrenner, Dipl. lng. G. Feiger, lng. (grad.) L. Seebald, Dr. rer. nat. W. Huber, Dr.-lng. W. Richter, Dipl.-lng. M. Lembke, Dipl.-lng. H. G. Gerngroß, Dipl.-lng. A. Kratt. Dr.-lng. 0. Parr, Filterwerk Mann und Hummel, Ludwigsburg; Dipl.-lng. A. Förster, Aktiengesellschaft Kühnle, Kopp und Kausch, Frankental; Dr.-lng. H. Hiereth, Mercedes-Benz AG, Stuttgart. Zündung, Zündkerzen Dipl.-lng. H. Decker, Dr. rer. nat. A. NiegeL Motormanagement M-Motronic Dipl.-lng. (FH) U. Steinbrenner, Dipl.-lng. E.Wild, Dipl.-lng. (FH) H. Barho, Dr.-lng. K. Böttcher, Dipl.-lng. (FH) I( Gandert, Dipl.-lng. W. Gollin, Dipl.-lng. W. Häming, Dipl.-lng. (FH) K. Joos, Dipl.-lng. (FH) M. Mezger, lng. (grad.) B. Peter. Motormanagement ME-Motronic Dipl.-lng. J. Gerhardt. Motormanagement MED-Motronic mit Benzin-Direkteinspritzung (Ausblick) Dipl.-lng. W. Moser. Soweit nicht anders angegeben, handelt es sich um Mitarbeiter der Robert Bosch GmbH, Stuttgart.

Gedruckt auf chlorfreiem Papier. (1.0 N) ISBN 978-3-322-93841-1 ISBN 978-3-322-93840-4 (eBook) DOI 10.1007/978-3-322-93840-4

Die Deutsche Bibliothek- CIP-Einheitsaufnahme

Ottomotor-Management I Bosch. [Hrsg.: Robert Bosch GmbH, Unternehmensbereich Kraftfahrzeug-Ausrüstung, Abteilung Technische Information (KH!VDT). Chef-Red.: Horst Bauer. Autoren: H. Schwarz ... ]. - 1. Aufl. - Braunschweig; Wiesbaden: Vieweg, 1998 ISBN 978-3-322-93841-1

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Vorwort

Inhalt

Das vorliegende Fachbuch, eine Zusammenfassung aller Hefte der Schriftenreihe Bosch Technische Unterrichtung zur Ottomotor-Steuerungstechnik, soll dem Informationsbedürfnis eines großen Leserkreises gerecht werden. Mit der stürmischen Entwicklung der Motorelektronik haben die Ausrüstung und das Management des Ottomotors in den letzten Jahren tiefgreifende, wesentliche Veränderungen erfahren. Moderne Motorkomponenten können eine Vielzahl von Anforderungen erfüllen und ermöglichen durch ein koordiniertes Zusammenwirken - eine Reduzierung des Kraftstoffverbrauches, - eine Minimierung der Schadstoffemissionen, - eine Erhöhung des Fahrkomforts, - eine Verbesserung der "Laufkultur" und - eine Optimierung der störungsfreien Nutzungsdauer aller Motoranbauteile.

Verbrennung im Ottomotor

Das nun eigenständige Fachbuch, dessen Themenbereich zuvor in dem Fachbuch "Autoelektrik, Autoelektronik am Ottomotor" integriert war, informiert umfassend über den Aufbau und die Funktion verschiedener Generationen von Einspritz- und Zündsystemen und deren Komponenten bis hin zum aktuellen Ottomotormanagement der Mund ME-Motronic mit einem Ausblick auf die MED-Motronic für BenzinDirekteinspritzung. Der an Kfz-Technik interessierte Leser erhält damit eine ausführliche, leicht verständliche Beschreibung der wichtigsten Steuerungssysteme und Komponenten des Ottomotors. Die Redaktion

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Ottomotor, Motorkonzeption, Betriebsbedingungen, Ottokraftstoffe

16

Systementwicklung Einspritz- und Zündsysteme Motormanagement Motronic

Abgastechnik

18

Abgaszusammensetzung und -nachbehandlung, Abgas- und Verdunstungsprüfung, Grenzwerte

Steuerung des Ottomotors

40

Anforderungen, Zylinderfüllung, Gemischbildung, Luftversorgung, Kraftstoffversorgung, Zündung, Induktives Zündsystem

Benzineinspritzsysteme

60

Übersicht, K-Jetronic, KE-Jetronic, L-Jetronic, Mono-Jetronic, MonoMetronie

Zündsysteme

184

Zündung im Ottomotor, Konventionelle Spulenzündung, Kontaktgesteuerte Transistorzündung, Transistorzündung mit Hall-Geber und mit lnduktionsgeber, Elektronische Zündung, Vollelektronische Zündung, Klopfregelung, Verbindungsmittel, Werkstattprüftechnik

Zündkerzen

222

Ottomotor und Fremdzündung, Beanspruchung, Aufbau, Wärmewerte, Anpassung, Betriebsverhalten, Bauformen, Praxis

Motormanagement M·Motronic

254

Gesamtsystem, Kraftstoffsystem, Hochspannungskreis, Betriebsdatenerfassung und -Verarbeitung, Betriebszustand, Integrierte Diagnose, Steuergerät, Schnittstellen

Motormanagement ME-Motronic 306 Gesamtsystem, Kraftstoffsystem, Betriebsdatenerfassung und -Verarbeitung, Betriebszustand, Regelungs- und Steuerungssysteme, Diagnose, Steuergerät, Schnittstellen

Motormanagement MED-Motronic 360 Überblick, Gesamtsystem

Stichwortverzeichnis

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Verbrennung im Ottomotor

Verbrennung im Ottomotor

Ottomotor Wirkungsweise Der Ottomotor1) ist ein fremdgezündeter Verbrennungsmotor, der die im Kraftstoff enthaltene Energie in Bewegungsenergie umwandelt. Die Gemischaufbereitungsanlage liegt beim heute üblichen Ottomotor mit Saugrohreinspritzung außerhalb des Verbrennungsraums. Sie bildet ein LuftKraftstoffgemisch (auf der Basis von Benzin oder Gas), das-angesaugt vom abwärtsgehenden Kolben - in den Verbrennungsraum strömt. Parallel dazu kommen in Zukunft vermehrt Ottomotoren mit EinspritZUflg des Krafstoffs direkt in den Brennraum zur Anwendung . Während der Aufwärtsbewegung des Kolbens wird das Gemisch verdichtet. Eine zeitlich gesteuerte Fremdzündung leitet über die Zündkerze die Verbrennung des Gemisches ein. Die freiwerdende Verbrennungswärme erhöht den Bild 1

Prinzip des Hubkolbenmotors. OT oberer Totpunkt, UT unterer Totpunkt, Vh Hubvolumen, Vc Kompressionsvolumen , s Kolbenhub.

Druck im Zylinder, und der Kolben bewegt sich unter Arbeitsabgabe an den Kurbeltrieb wieder nach unten . Nach jeder Verbrennung werden die verbrannten Gase aus dem Zylinder verdrängt und frisches Luft-Kraftstoff-Gemisch angesaugt. Dieser Gaswechsel findet beim Kraftfahrzeugmotor vorwiegend nach dem Viertakt-Prinzip statt. Ein Arbeitsspiel benötigt dazu zwei Kurbelwellenumdrehungen.

Viertaktverfahren Beim Viertaktverfahren steuern Gaswechselventile den GaswechseL Sie öffnen und schließen die Ein- und Auslaßkanäledes Zylinders : 1.Takt: 2.Takt: 3.Takt: 4.Takt:

Ansaugen, Verdichten und Zünden, Verbrennen und Arbeiten , Ausstoßen.

Ansaugtakt

Einlaßventil : offen, Auslaßventil : geschlossen , Kolbenbewegung : abwärts, Verbrennung : keine . Der abwärtsgehende Kolben vergrößert das Volumen im Zylinder und saugt frisches Luft-Kraftstoffgemisch über das geöffnete Einlaßventil an . Verdichtungstakt

Einlaßventil: geschlossen, Auslaßventil: geschlossen, Kolbenbewegung: aufwärts, Verbrennung : Entflammungsphase.

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1) Nach Nikolaus August Otto (1832 bis 1891), der 1878 auf der Pariser Weltausstellung erstmals ei-nen Gasmotor mit Verdichtung nach dem Viertakt-Arbeitsprinzip zeigte .

Der aufwärtsgehende Kolben verkleinert das Volumen im Zylinder und verdichtet das Luft-Kraftstoff-Gemisch. Kurz vor dem Erreichen des oberen Totpunktes (OT) entzündet die Zündkerze das verdichtete Luft-Kraftstoff-Gemisch und leitet so die Verbrennung ein. Aus Hubvolumen Vh und Kompressionsvolumen Vc ergibt sich das Verdichtungsverhältnis E = (Vh+Vc)/Vc. Das Verdichtungsverhätnis E beträgt je nach Motorbauweise 7 ... .13. Mit der Erhöhung des Verdichtungs-verhältnisses eines Verbrennungsmotors steigt dessen thermischer Wirkungsgrad, und der Kraftstoff kann effektiver genutzt werden. Eine Erhöhung des Verdichtungsverhältnisses von 6 auf 8 ergibt z.B. eine Steigerung des thermischen Wirkungsgrades von 12%. Die Klopfgrenze legt die Höhe der Verdichtung fest. Klopfen bedeutet eine unkontrollierte Gemischverbrennung mit steilem Druckanstieg. Klopfende Verbrennung führt zu Motorschäden. Durch geeignete Kraftstoffe und Brennraumgestaltung kann die Klopfgrenze zu höherer Verdichtung verschoben werden. Arbeitstakt

Einlaßventil: geschlossen, Auslaßventil : geschlossen, Kolbenbewegung: abwärts, Verbrennung : Durchbrennphase.

Nachdem der Zündfunke an der Zündkerze das verdichtete Luft-Kraftstoff-Gemisch entzündet hat, steigt die Temperatur durch die Verbrennung des Gemisches an. Der Druck im Zylinder nimmt zu und treibt den Kolben abwärts. Er gibt über die Kurbelwelle Arbeit ab, die als Motorleistung zur Verfügung steht. Die Leistung steigt mit zunehmender Drehzahl und zunehmendem Drehmoment (P = M·ro). Die Leistungs- und Drehmomentencharakteristik des Verbrennungsmotors bedingen ein Getriebe zur Anpassung an die Erfordernisse des Fahrbetriebes.

Ottomotor

Ausstoßtakt

Einlaßventil: geschlossen, Auslaßventil: offen, Kolbenbewegung : aufwärts, Verbrennung: keine. Der aufwärtsgehende Kolben stößt die verbrannten Gase (Abgase) über das geöffnete Auslaßventil aus. Danach wiederholt sich der Zyklus. Die Ventilöffnungszeiten überschneiden sich etwas, wodurch Gasströmungen und -Schwingungen zum besseren Füllen und Entleeren des Zylinders ausgenützt werden .

Bild2 Arbeitsspiel des Viertakt-Ottomotors. 1. Takt: Ansaugen

2. Takt: Verdichten

3. Takt: Verbrennen

4. Takt: Ausstoßen

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Verbrennung im Ottomotor

Motorkonzeption Viele konstruktive Einzelheiten eines Motors beeinflussen dessen Schadstoffemission. Aber neben der Schadstoffemission sind auch Kraftstoffverbrauch, Leistung, Drehmoment, Klopfneigung, Laufruhe und andere Eigenschaften eines Motors zu berücksichtigen. Deshalb ist bei jeder Motorentwicklung ein Kompromiß zwischen den einander widersprechenden Forderungen zu finden.

Verdichtungsverhältnis

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Für den thermischen Wirkungsgrad des Motors ist das Verdichtungsverhältnis von entscheidender Bedeutung. Einer generellen Einführung eines hohen Verdichtungsverhältnisses stehen jedoch zwei Faktoren entgegen: die erhöhte Klopfneigung und die höhere Schadstoffemission. Mit höherem Verdichtungsverhältnis erhöht sich das Temperaturniveau im Brennraum. Damit nehmen die Vorreaktionen des Kraftstoffs zu, die zu einer Selbstzündung von Teilen des Luft-Kraftstoff-Gemisches führen können, ehe sie von der normalen Flammenausbreitung erfaßt werden. Diese erhöhte Klopfneigung vergrößert den Anspruch des Motors an die Oktanzahl des Kraftstoffes. Durch geeignete Brennraumgestaltung kann diesem Effekt teilweise entgegengewirkt werden. Das mit dem höheren Verdichtungsverhältnis verbundene höhere Temperaturniveau im Brennraum bewirkt außerdem einen Anstieg der NOx-Emission, da eine höhere Brennraumtemperatur das Reaktionsgleichgewicht stärker auf die Seite der NOx-Konzentration verschiebt und weil vor allem die Reaktionsgeschwindigkeit der NOx-Bildung erhöht wird. Diese Tatsache, verbunden mit der niedrigen Oktanzahl bleifreien Kraftstoffs, hat dazu geführt, daß Motorkonzepte für Länder mit "scharfen" Abgasgrenzwerten wie USA und Japan mit niedrigeren Verdichtungsverhältnissen

versehen sind als vergleichbare europäische Konzepte. Der Kraftstoffverbrauch dieser Motorkonzepte liegt daher auch entsprechend höher. Bei Katalysatorfahrzeugen, die zukünftigen europäischen Abgasgrenzwerten genügen, wird versucht, diesen Nachteil des erhöhten Verbrauchs infolge eines niederen Verdichtungsverhältnisses durch konstruktive Änderungen an Saugrohr und Brennraum und durch eine aufwendige Motorsteuerung zu vermeiden.

Brennraumform Die Brennraumform beeinflußt den Ausstoß von unverbrannten Kohlenwasserstoffen ganz wesentlich. Da die Emission unverbrannter Kohlenwasserstoffe aus Spalten und wandnahen Schichten stammt, bewirken zerklüftete Brennräume mit großer Oberfläche eine hohe HGEmission. Günstig sind deswegen kompakte Brennräume mit kleiner Oberfläche; sie reduzieren mit intensiver Turbulenz der Ladung durch rasche Verbrennung den Oktanzahlanspruch. ln Verbindung mit einem deshalb möglichen hohen Verdichtungsverhältnis kann damit leichter ein Magerkonzept realisiert werden. Dadurch folgt eine geringere Abgasemission bei gutem Wirkungsgrad: denn eine definierte Turbulenz der Ladung an der Zündkerze ist für die sichere Entflammung des Luft-Kraftstoff-Gemischs wichtig. Bei geringer Turbulenz sind die . Bedingungen (Zustand des Gemischs, Restgasanteil) an der Zündkerze zum Zeitpunkt der Zündung durch örtliche Zufälligkeilen von Arbeitsspiel zu Arbeitsspiel verschieden. Damit schwankt die Entflammungsdauer, und es ergeben sich Unterschiede im Verbrennungsablauf von Zyklus zu Zyklus. Turbulenz im Brennraum reduziert diese zyklischen Schwankungen wesentlich. Die Lage der Zündkerze im Brennraum ist für Schadstoffemission und Kraftstoffverbrauch wichtig. Eine zentrale Lage mit kurzen Flammenwegen führt zu rascher und relativ vollständiger Umsetzung

und damit zu geringer Emission unverbrannter Kohlenwasserstoffe (Bild 1). Durch eine Zündung mit zwei Zündkerzen im Brennraum (Doppelzündung) können die Flammenwege noch weiter verkürzt werden - mit positiven Auswirkungen auf Schadstoffemission und Kraftstoffverbrauch. Außerdem reduziert ein kompakter Brennraum mit zentraler Zündkerzenlage oder mit Doppelzündung infolge der kurzen Flammenwege den Oktanzahlanspruch des Motors. Dieser Vorteil kann wiederum in ein höheres Verdichtungsverhältnis und damit in einen höheren Wirkungsgrad umgesetzt werden. Vierventil-Motoren mit zwei Einlaß- und zwei Auslaßventilen pro Zylinder sind in dieser Beziehung besonders günstig (Bild 2). Durch die Vierventil-Technik lassen sich kompakte Brennräume mit zentraler Zündkerzenlage und damit kurzen Flammenwegen erreichen. Zusätzlich laufen auch die Ladungswechselvorgänge günstiger ab.

Ventilsteuerzeiten

Bild 1

Bild 2

Einfluß der Zündkerzenlage auf Kraftstoffverbrauch und HG-Emission. g/kWh

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ms Zeit 1 -

wird eine gute Zerstäubung des Kraftstoffes selbst bei kleinsten Einspritzmengen erreicht. Nach dem Abstellen des Motors schließen die Einspritzventile dicht ab, wenn der Druck im Kraftstoffversorgungssystem unter ihren Öffnungsdruck sinkt. Dadurch kann nach dem Abstellen des Motors kein Kraftstoff mehr in die Ansaugrohre und damit zu den Einlaßventilen des Motors gelangen.

Luftumfaßte Einspritzventile Luftumfaßte Einspritzventile verbessern die Gemischaufbereitung besonders im Leerlauf. Unter Ausnutzung des Druckabfalls über der Drosselklappe wird ein Teil der vom Motor angesaugten Luft über die Einspritzventile geführt (Bild 10), wodurch der Kraftstoff an der Austrittstelle sehr gut zerstäubt. Die luftumfaßten Ventile verringern den Kraftstoffverbrauch und die schädlichen Abgasanteile.

KE-Jetronic

Bild 8 Strahlbilder eines KE-Jetronic-Einspritzventils ohne (links) und mit Luftumfassung. Die Luft wirkt ständig ein und zerstäubt den KrattsloH noch feiner (rechts).

Bild 10

Bild 9 Einspritzventil.

Einspritzventil mit Luftumfassung.

a ln Ruhestellung, b ln Betriebsstellung. 1 Ventilgehäuse, 2 Filter, 3 Ventilnadel , 4 Ventilsitz.

1 Einspritzventil, 2 Luftversorgungsleitung, 3 Sammelsaugrohr, 4 Drosselklappe.

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Benzineinspritzsysteme

Kraftstoffzumessung

Prinzip des Luftmengenmessers.

Aufgabe der Gemischaufbereitung ist die Zumessung einer Kraftstoffmenge, die der angesaugten Luftmenge entspricht. Die Kraftstoffzumessung erfolgt in der Grundfunktion durch den Luftmengenmesser und den Kraftstoffmengenteiler. Bei einigen Betriebszuständen weicht der Kraftstoffbedarf aber stark vom Normalwert ab, so daß hier zusätzliche Eingriffe in die Gemischbildung erforderlich sind. Luftmengenmesser Die vom Motor angesaugte Luftmenge ist ein Maß für dessen Leistungsaufnahme. Der Luftmengenmesser arbeitet nach dem Schwebekörperprinzip und mißt die vom Motor angesaugte Luftmenge (Bild 12). Die Ansaugluftmenge dient als Hauptsteuergröße zum Bilden der Grundeinspritzmenge. Die Ansaugluftmenge ist die richtige physikalische Größe, um den Kraftstoffbedarf abzuleiten. Veränderungen im Ansaugverhalten des Motors bleiben daher ohne Auswirkungen auf die

a Angesaugte Luftmenge gering, Stauscheibe ist wenig angehoben, b angesaugte Luftmenge groß, Stauscheibe ist stark angehoben .

a

b

Bild 12

Gemischbildung . Da die angesaugte Luftmenge erst den Luftmengenmesser passieren muß, bevor sie in den Motor gelangt, eilt die Luftmengenmessung der tatsächlichen Luftfüllung in den Zylindern zeitlich voraus. Dies ermöglicht - neben anderen, nachfolgend beschriebenen Maßnahmen - die richtige Gemischanpassung zu jeder Zeit.

Bild 11 SteigstromLuftmengenmesser.

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a Stauscheibe in Ruhestellung , b Stauscheibe in Arbeitsstellung. 1 Lumrichter, 2 Stauscheibe, 3 Entlastungsquerschnitt, 4 Gemischeinstellschraube, 5 Drehpunkt, 6 Hebel, 7 Blattfeder.

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KE-Jetronic

Schlitzträger mit Steuerkolben. a Ruhestellung , b Teillast, c Vollast 1 Kraftstoffzulauf, 2 Steuerkolben , 3 Steuerschlitz im Schlitzträger, 4 Steuerkante, 5 Schlitzträger, 6 axialer Dichtring , 7 Dämpfungsdrossel.

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Bild 13

Die gesamte vom Motor angesaugte Luftmenge strömt durch den Luftmengenmesser, der vor der Drosselklappe eingebaut ist. Der Luftmengenmesser besteht aus einem Lufttrichter, in dem sich eine bewegliche Stauscheibe (Schwebekörper) befindet. Die durch den Lufttrichter strömende Luft bewegt die Stauscheibe um ein bestimmtes Maß aus ihrer Ruhelage (Bild 11). Ein Hebelsystem überträgt die Bewegungen der Stauscheibe auf einen Steuerkolben, der die bei Grundfunktionen erforderliche Kraftstoffgrundmenge bestimmt. Bei möglichen Saugrohrrückzündungen (Fehlzündungen) des Motors können erhebliche Druckstöße im Ansaugsystem auftreten. Der Luftmengenmesser ist deshalb so gebaut, daß die Stauscheibe bei einer Rückzündung in die Gegenrichtung schwingen kann. Dadurch entsteht ein Entlastungsquerschnitt Ein Gummipuffer begrenzt den Abwärtshub (beim Fallstrom-Luftmengenmesser den Aufwärtshub) . Ein Gegengewicht gleicht das Gewicht von Stauscheibe und Hebelsystem aus (beim Fallstrom-Luftmengenmesser durch Zugfeder) . Eine einstellbare Blattfeder sorgt für korrekte Nullage in der Abstellphase.

Kraftstoffmengenteiler Der Kraftstoffmengenteiler teilt die Kraftstoffgrundmenge entsprechend der Stellung der Stauscheibe im Luftmengenmesser den einzelnen Zylindern zu. Die Stellung der Stauscheibe ist ein Maß für die vom Motor angesaugte Luftmenge. Ein Hebel überträgt die Stellung der Stauscheibe auf den Steuerkolben .

Je nach seiner Stellung im Schlitzträger gibt der Steuerkolben einen entsprechenden Querschnitt der Steuerschlitze frei, durch die der Kraftstoff zu den Differenzdruckventilen und damit zu den Einspritzventilen strömen kann (Bild 13). Bei kleinem Hub der Stauscheibe ist der Steuerkolben nur wenig angehoben und damit nur ein kleiner Querschnitt der Steuerschlitze freigegeben . Bei großem Hub der Stauscheibe gibt der Steuerkolben einen größeren Querschnitt der Steuerschlitze frei . Es besteht ein linearer Zusammenhang zwischen Stauscheibenhub und freigegebenem Querschnitt an den Steuerschlitzen. Auf den Steuerkolben wirkt - entgegen der von der Stauscheibe übertragenen Hubbewegung -eine hydraulische Kraft, die einen konstanten Druckabfall der Luft an der Stauscheibe bewirkt und den Steuerkolben immer der Bewegung des Stauscheibenhebels folgen läßt. Bei be-

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Benzineinspritzsysteme

stimmten Ausführungen unterstützt eine Druckfeder (Bild 14) die hydraulische Kraft und verhindert ein Hochsaugen des Steuerkolbens durch Unterdruck beim Abkühlen der Anlage. Eine genaue Regelung des Systemdruckes ist notwendig, weil sich eine Schwankung direkt auf das Luft-Kraftstoff-Verhältnis (bzw. A.-Wert) auswirken würde . Eine Dämpfungsdrossel (Bild 14) dämpft Schwingungen, die durch Stauscheibenkräfteangeregt werden können . Stellt man den Motor ab, dann senkt sich der Steuerkolben auf einen axial wirkenden Dichtring (Bilder 13 bis 15). Er ist von einer Einstellschraube gehalten und für eine günstige Überdeckung der Steuerschlitze in der Höhe einstellbar. Bei der KE-Jetronic ruht der Steuerkolben auf der Axialdichtung, weil die Druckfeder und der Systemrestdruck auf den Steuerkolben wirken. Diese Maßnahme verhindert einen Druckverlust durch Leckmenge an der Steuerkolbenführung. Somit wird ein Entleeren des Kraftstoffspeichers über den Steuerkolbenspalt verhindert .

Differenzdruckventile Differenzdruckventile im Kraftstoffmengenteiler bewirken einen bestimmten Druckabfall an den Steuerschlitzen. Der Luftmengenmesser hat eine lineare Charakteristik. Das bedeutet, daß bei doppelter Luftmenge der Hub der Stauscheibe doppelt so groß ist. Soll dieser Hub eine Veränderung der Krattstoffgrundmenge im gleichen Verhältnis zur Folge haben, so muß an den Steuerschlitzen (Bild 15) ein konstanter Druckabfall - unabhängig von der durchströmenden Kraftstoffmenge - sichergestellt sein. Die Differenzdruckventile halten die Druckdifferenz zwischen Ober- und Unterkammer unabhängig vom Kraftstoffdurchsatz konstant. Der Differenzdruck beträgt in der'Regel 0,2 bar. Man erreicht damit eine hohe Zumaßgenauigkeit Als Differenzdruckventile werden Flachsitzventile verwendet. Sie befinden sich

Bild 14

Bild 15 Differenzdruckventif.

Kraftstoffmengenteiler mit Differenzdruckventilen. 1 Kraftstoffzulauf (Systemd ruck), 2 Oberkammer des Differenzdruckventils, 3 leitung zum Einspritzventil, 4 Steuerkolben, 5 Steuerkante und Steuerschlitz, 6 Ventilfeder, 7 Ventilmembran,

8 Unterkammer des

Differenzdruckventils, 9 axialer Dichtring, 10 Druckfeder, 11 Kraftstoff vom elektrohydraulischen Drucksteller, 12 Drossel, 13 Rücklaufleitung.

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Der Systemdruck soll bei abgestelltem Motor höher als der Dampfdruck sein, der der jeweiligen Kraftstofftemperatur entspricht.

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a Stellung bei kleiner Einspritz· menge, b Stellung bei großer Einspritz· menge.

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im Mengenteiler und sind je einem Steuerschlitz zugeordnet. Eine Membran trennt die Ober- von der Unterkammer des Ventils (Bilder 14 bis 16). Die Unterkammern aller Ventile sind durch eine Ringleitung miteinander verbunden, ebenso besteht eine Verbindung mit dem elektrohydraulischen Drucksteller. Der Ventilschlitz befindet sich in der Oberkammer. Die Oberkammern sind mit je einem Steuerschlitz und je einem Anschluß zum Einspritzventil verbunden . Sie sind gegeneinander abgedichtet. Der Druckabfall an den Steuerschlitzen wird durch die Kraft einer Schraubenfeder in der Unterkammer und durch den wirksamen Membrandurchmesser sowie durch den elektrohydraulischen Drucksteller bestimmt. Strömt eine große Kraftstoffgrundmenge in die Oberkammer, so wölbt sich die Membran nach unten und öffnet den Auslaßquerschnitt des Ventils, bis sich wieder der eingestellte Differenzdruck ergibt. Wird die Durchflußmenge geringer, so verringert sich aufgrund des Kräftegleichgewichts an der Membran

der Ventilquerschnitt, bis sich wieder eine Druckdifferenz von 0,2 bar einstellt. An der Membran herrscht also Kräftegleichgewicht, das für jede Krattstoffgrundmenge durch Regeln des Ventilquerschnitts aufrechterhalten wird (Bild 15). ln der Kraftstoffzuleitung zum elektrohydraulischen Drucksteller befindet sich ein weiteres Feinfilter mit einem magnetischen Abscheider für eisenhaltige Verunreinigungen.

KE-Jetronic

Gemischbildung Die Gemischbildung erfolgt im Saugrohr und im Zylinder des Motors. Die von den Einspritzventilen kontinuierlich eingespritzte Kraftstoffmenge wird dem Einlaßventil des Motors vorgelagert. Beim Öffnen des Einlaßventils reißt die angesaugte Luftmenge die Kraftstoffwolke mit und bewirkt durch Verwirbelung während des Ansaugtaktes die Bildung eines zündfähigen Gemisches.

Bild 16

Luftmengenmesser mit geschnittenem Kraftstoffmengenteiler.

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Benzineinspritzsysteme

Anpassung an Betriebszustände Über die bisher beschriebene Grundfunktion hinaus erfordern bestimmte Betriebszustände korrigierende Eingriffe in die Gemischbildung, um die Leistung, die Abgaszusammensetzung und das Startverhalten sowie das Fahrverhalten zu verbessern . Durch zusätzliche Sensoren für die Motortemperatur und die Drosselklappenstellung (Lastsignal) kann das Steuergerät der KE-Jetronic diese Anpassungsaufgaben besser erfüllen als ein mechanisches System.

100

Grundanpassung Die Grundanpassung des Gemischs an die Betriebsbedingungen Leerlauf, Teillast UJ1d Vollast erfolgt durch eine bestimmte Gestaltung des Lufttrichters (Bild 17). Bei konstanter Form des Lufttrichters ergibt sich über den gesamten Hubbereich (Meßbereich) des Luftmengenmessers ein konstantes Gemisch . Es ist jedoch erforderlich, in bestimmten Betriebsbereichen wie Leerlauf, Teillast und Vollast ein für jeweils diesen Betriebsbereich optimales Gemisch dem Motor zuzuteilen. ln der Praxis bedeutet dies fettere Gemische für Leerlauf und Vollast sowie mageres Gemisch für den Teillastbereich. Man erreicht diese Anpassung durch verschiedene Kegelwinkel des Lufttrichters im Luftmengenmesser (Bild 18). Bildet der Lufttrichter einen flacheren Kegel als die Grundform (die für ein bestimmtes Gemisch, z. B. bei 'A = 1 festgelegt wurde), so ergibt sich ein mageres Gemisch. Bei einem steileren Kegelwinkel wird die Stauscheibe bei der gleichen vom Motor angesaugten Luftmenge weiter angehoben. Dadurch mißt der Steuerkolben mehr Kraftstoff zu, und das Gemisch ist fetter. Der Lufttrichter kann dementsprechend so geformt sein, daß sich je nach Stauscheibenstellung (Leerlauf, Teillast, Vollast) ein unterschiedlich angereichertes Gemisch ergibt. Bei der KE-Jetronic ist der Lufttrichter bevorzugt

so geformt, daß sich im gesamten Arbeitsbereich ein Gemisch mit 'A = 1 einstellt. Elektronisches Steuergerät Das elektronische Steuergerät wertet die von den Sensoren gelieferten Daten über den Betriebszustand des Motors aus. Es bildet daraus einen Steuerstrom für den elektrohydraulischen Drucksteller (Bild 19).

Betriebsdatenerfassung Um über die angesaugte Luftmenge hinaus Kriterien für die notwendige Kraftstoffmenge zu erhalten, muß eine Reihe von Betriebsdaten von Sensoren erfaßt und dem elektronischen Steuergerät gemeldet werden. Bild 17

Einfluß des Lufttrichter-Kegelwinkels auf die Auslenkung der Stauscheibe bei gleichem Luftdurchsatz. a Grundform des Lufttrichters ergibt Hub h, b steilere Trichterform bei gleicher Luftmenge größerer Hub h, c flachere Trichterformbei gleicher Luftmenge geringerer Hub h. A Von der Stauscheibe freigegebene Ringfläche (bei a,b und c gleich).

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c Bild 18

Trichterkorrekturen am Luftmesser. 1 Für Vollast, 2 für Teillast, 3 für Leerlauf.

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Tabelle 1. Anpassungen. Betriebskenngröße

Erfassung durch

Vollast Leerlauf

Drosselklappenschalter

Drehzahl

Zündaus lösesystem (meist im Zündverteiler)

Start

Zünd-StartSchalter

Motortemperatur

Motortemperatursensor

Luftdruck

Barometerdosensensor

GemischZusammensetzung

Lambda-Sonde

Die Sensoren sind im Zusammenhang mit der jeweiligen Anpassungsfunktion beschrieben. Aufbau und Arbeitsweise Die elektronische Schaltung ist je nach Funktionsumfang in Analogtechnik oder einer Analog-/Digitai-Mischtechnik gebaut. Darauf aufbauend kommen die Module für Lambda-Regelung und Leerlaufdrehzahlregelung dazu. Steuergeräte mit größerem Funktionsumfang sind in Digitaltechnik gebaut. Die auf einer Leiterplatte untergebrachten elektronischen Bauelemente sind integrierte Schaltungen (wie z. B. Operationsverstärker, Komparatoren und Spannungsstabilisator), Transistoren, Dioden, Widerstände und Kondensatoren. Die Leiterplatten sind in das Gehäuse eingeschoben. Das Gehäuse kann ein Druckausgleichselement haben. Ein 25poliger Stecker verbindet das Steuergerät mit Batterie, Sensoren und Stellglied. Das Steuergerät verarbeitet die Eingabesignale der Sensoren und berechnet hieraus den Steuerstrom für den elektrohydraulischen Drucksteller. Spannungsstabilisierung Das Steuergerät benötigt eine stabile Spannung, die unabhängig von der Bordnetzspannung konstant sein muß.

Mit dieser Spannung wird der von den Motorzustandsgrößen abhängige Strom für den elektrohydraulischen Drucksteller gebildet. Die Stabilisierung der Steuergerätespannung geschieht in einer integrierten Schaltung.

KE-Jetronic

Eingangsfilter Eingangsfilter filtern aus den Eingangssignalen der Sensoren eventuell vorhandene Störsignale heraus. Summierer Im Summierer werden die ausgewerteten Sensorsignale zusammengefaßt. Die elektrisch aufbereiteten Korrektursignale werden in einer Operationsschaltung summiert und anschließend dem Stromregler zugeführt. Bild 19 Blockschaltbild eines KE-Jetronic-Steuergerätes in Analogtechnik. Die Korrektursignale aus den verschiedene Blöcken werden im Summierer zusammengefaßt, in der Endstufe verstärkt und dem elektrohydraulischen Drucksteller zugeleitet. VK Vollastkorrektur, SAS Schubabschaltung, BA Beschleunigungsanreicherung, NA Nachstartanhebung, SA Startanhebung, WA Warmlaufanreicherung, SU Summierer, ES Endstufe. Batterie- o - - - - - - - - - - - , spannung Vollast Leerlauf Drehzahl

su

Last

Startschalter

Motortemperatur

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Benzineinspritzsysteme

Endstufe Die Endstufe erzeugt einen Ansteuerstrom für den Drucksteller. Dabei ist es möglich, in den Drucksteller entgegengesetzt gerichtete Ströme zu leiten, um den Druckabfall zu vergrößern oder zu verringern. Mit einem stetig angesteuerten Transistor läßt sich die Stromstärke im Drucksteiler in positiver Richtung beliebig einstellen. in negativer Richtung fließt der Strom bei Schiebebetrieb (Schubabschaltung). Dieser Strom beeinflußt den Differenzdruck in den Differenzdruckventilen so, daß die Kraftstoffzufuhr zu den Einspritzventilen unterbunden wird. Weitere Endstufen Bei Bedarf sind weitere Endstufen möglich. Damit können Ventile zur Abgasrückführung, ein Nebenschlußquerschnitt zur Drosselklappe für Leerlaufdrehzahlregelung usw. gesteuert werden. Elektrohydraulischer Drucksteller Der elektrohydraulische Drucksteller verändert in Abhängigkeit vom Betriebs-

zustand des Motors und dem entsprechend dazu vom Steuergerät gebildeten Stromsignal den Druck in den Unterkammern der Differenzdruckventile. Dadurch verändert sich die den Einspritzventilen zugemessene Kraftstoffmenge. Aufbau Der elektrohydraulische Drucksteller ist an den Kraftstoffmengenteiler angebaut (Bild 20) und stellt einen Differenzdruckregler dar, der nach Art eines Düse-Prallplatte-Systems arbeitet und dessen Druckabfall von einem elektrischen Strom gesteuert wird. Zwischen zwei Doppei-Magnetpolen hängt in einem Gehäuse aus nicht magnetischem Material ein Anker in reibungsfreier Spannungslagerung. Diese besteht aus einer Membranplatte aus federelastischem Werkstoff. Arbeitsweise in den Magnetpolen und den zugehörigen Luftspalten überlagern sich die Magnetflüsse eines Dauermagneten (gestrichelte Linie im Bild 21) und eines

Bild 20 Elektrohydraulischer Drucksteller am Kraftstoffmengenteiler. Durch die vom Steuergerät erzielte Beeinflussung der Prallplatte (11) läßt sich der Krattstolldruck in den Oberkammern der Differenzdruckventile beeinflussen und somit die zugeteilte Kraftstollmenge. Auf diese Weise sind Anpassungs· und Korrekturfunktionen möglich. 1 Stauklappe, 2 Kraftstollmengenteiler. 3 Kraftstollzufluß (Systemdruck), 4 Kraftstoff zu den Einspritzventilen, 4 3 5 4 5 Kraftstoff-Rücklaufleitung zum Druckregler, 6 Festdrossel , 7 Oberkammer, 8 Unterkammer, Ｗ＠ ｾＭ 9 Membran, 10 Drucksteller, 1- - - - - - 8 11 Prallplatte, 12 Düse, 9 Ｍ Ｊ ﾷｾ｟ＬＮＺＱＢＧ 13 Magnetpol, 14 Luftspalt. 10 11 1L

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12 13 14

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KE-Jetronic

Querschnitt des elektrohydraulischen Druckstellers. 1 Kraftstoffzufluß (Systemdruck). 2 Düse, 3 Prallplatte, 4 Kraftstoffabflu ß, 5 Magnetpol, 6 Magnetspule, 7 Dauermagnetfluß, 8 Permanentmagnet (um 90 Grad in die Zeichenebene gerückt), 9 Einstellschraube für Grundmoment, 10 Elektromagnetfluß, 11 Anker (L 1 bis L4 Luftspalte).

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Bild 21

Elektromagneten (ausgezogene Linien). Der Dauermagnet liegt real um 90 Grad zur Bildebene versetzt. Die Wege der Magnetflußanteile über die beiden Polpaare sind symmetrisch und gleich lang. Die Magnetflüsse gehen von den Polen über Luftspalte auf den Anker über und von dort durch den Anker hindurch. ln den zwei diagonal zueinander liegenden Luftspalten L2 , L3 (Bild 21) addieren sich der dauermagnetische und der elektromagnetische Fluß, in den beiden anL4 (Bild 21) subtraderen Luftspalten ｌｾＮ＠ hieren sich diese magnetischen Flüsse. Auf den Anker, der die Prallplatte bewegt, wirkt in dem Luftspalt eine Anzugskraft, die proportional zum Quadrat des magnetischen Flusses ist. Weil der dauermagnetische Fluß konstant und der elektromagnetische Fluß proportional zum elektrischen Strom in der Magnetspule ist, ist das resultierende Drehmoment proportional zum Strom. Das Grundmoment auf den Anker ist so gewählt, daß sich in stromlosem Zustand des Druckstellers ein Grunddifferenzdruck ergibt, der vorzugsweise A = 1 entspricht. So ist bei Stromunterbrechung ein Notfahrbetrieb ohne Korrekturfunktionen sichergestellt. Der Kraftstoffstrahl, der über die Düse eintritt, versucht die Prallplatte entgegen

den magnetischen und mechanischen Kräften wegzudrücken. Die Druckdifferenz zwischen dem Zulauf- und dem Rücklaufanschluß bei einer Durchströmung, die durch eine in Reihe geschaltete Festdrossel bestimmt ist, ist proportional zum elektrischen Strom. Der entsprechend dem Druckstellerstrom veränderbare Druckabfall an der Düse ergibt einen veränderbaren Unterkammerdruck. Um den gleichen Wert ändert sich der Oberkammerdruck. Dies wiederum bewirkt eine veränderte Differenz zwischen Oberkammer- und Systemdruck (also an den Steuerschlitzen) und stellt somit ein Mittel zum Beeinflussen der zu den Einspritzventilen strömenden Kraftstoffmenge dar. lnfolge der kleinen elektromagnetischen Zeitkonstanten und der geringen zu bewegenden Masse reagiert der Drucksteller sehr schnell auf Stromänderungen an seinen Eingangsklemmen. Kehrt man die Richtung des Stromes um, dann zieht der Anker die Prallplatte von der Düse weg. Dabei fällt am Drucksteller ein Druck von wenigen Hundertstel bar ab. Damit können z. B. Zusatzfunktionen wie Schubabschaltung und Drehzahlbegrenzung mit einer Absperrung der Kraftstoffzuführung zu den Einspritzventilen erfüllt werden.

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Benzineinspritzsysteme

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Kaltstartanreicherung Abhängig von der Motortemperatur spritzt das Kaltstartventil während des Startens zeitlich begrenzt eine zusätzliche Menge Kraftstoff ein. Dies geschieht, um beim Kaltstart die Kondensationsverluste des Kraftstoffanteils im angesaugten Gemisch auszugleichen und das Anspringen des kalten Motors zu erleichtern. Dazu gibt das Steuergerät im Start wegen der starken Drehzahlschwankungen und der deshalb fehlerbedingten Luftmengenermittlung ein festes Lastsignal vor, das mit einem motortemperaturabhängigen Faktor bewertet ist. Das Einspritzen dieser zusätzlichen Kraftstoffmenge erfolgt durch das Kaltstartventil in das Sammelsaugrohr. Die Einschaltdauer des Kaltstartventils wird von einem Thermozeitschalter in Abhängigkeit von der Motortemperatur zeitlich begrenzt. Der beschriebene Vorgang wird Kaltstartanreicherung genannt. Bei der Kaltstartanreicherung wird das Gemisch "fetter", d. h. die Luftzahl 'A ist vorübergehend kleiner als 1.

Kaltstartventil Das Kaltstartventil (Bild 22) ist ein elektromagnetisch betätigtes Ventil. Im Ventil sitzt die Wicklung des Elektromagneten . ln Ruhestellung preßt eine Feder den beweglichen Anker des Elektromagneten gegen eine Dichtung und verschließt damit das Ventil.

Bild 22

Bild 23

Beim Erregen des Elektromagneten gibt der nunmehr vom Ventilsitz abgehobene Magnetanker den Kraftstoffdurchfluß frei. Der Kraftstoff gelangt tangential in eine Düse, die dem Strahl einen Drall verleiht. Die Dralldüse zerstäubt den Kraftstoff besonders fein und reichert die Luft im Sammalsaugrohr hinter der Drosselklappe mit Kraftstoff an. Das Kaltstartventil ist so an das Sammalsaugrohr angebaut, daß eine günstige Verteilung des Luft-Kraftstoff-Gemisches auf alle Zylindergegebenist Thermozeitschalter Der Thermozeitschalter begrenzt zeitund temperaturabhängig die Spritzzeit des Kaltstartventils. Der Thermozeitschalter (Bild 23) besteht

Kaltstartventil betätigt.

Thermozeitschalter.

1 Elektrischer Anschluß, 2 Kraftstoffzufluß mit Filtersieb, 3 Ventil (Magnetanker), 4 Magnetwicklung, 5 Dralldüse, 6 Ventilsitz.

1 Elektrischer Anschluß, 2 Gehäuse, 3 Bimetall, 4 Heizwicklungen, 5 elektrischer Kontakt.

aus einem elektrisch beheizten Bimetallstreifen, der in Abhängigkeit von seiner Temperatur einen Kontakt öffnet oder schließt. Die Ansteuerung erfolgt über den Zünd-Start-Schalter. Der Thermezeitschalter ist an einer für die Motortemperatur repräsentativen Stelle befestigt. Der Thermozeitschalter begrenzt beim Kaltstart die Einschaltdauer des Kaltstartventils. Bei länger dauerndem Startvorgang oder wiederholtem Startversuch spritzt das Kaltstartventil nicht mehr ein . Die Einschaltdauer ist dabei abhängig von der Erwärmung des Thermozeitschalters durch die Motorwärme und durch die in ihm selbst befindliche elektrische Heizung . Diese Eigenheizung ist erforderlich , um die Einschaltdauer des Startventils zu begrenzen und um das Gemisch nicht zu stark anzureichern, damit der Motor nicht "absäuft". Beim Kaltstart ist für das Bemessen der Einschaltdauer hauptsächlich die Leistung der Heizwicklungen maßgebend (Abschaltung z. B. bei -20 ac nach etwa 7,5 Sekunden). Bild 24 Motortemperatursensor. 1 Elektrischer Anschluß, 2 Gehäuse, 3 NTC-Widerstand.

Bei betriebswarmem Motor erwärmt sich der Thermozeitschalter durch die Motorwärme so weit, daß er ständig geöffnet ist und ein Einschalten des Kaltstartventils verhindert.

KE-Jetronic

Nachstartanreicherung Das Anreichern mit zusätzlichem Kraftstoff verbessert bei tiefen Temperaturen das Nachstartverhalten. Die Funktion ist so angepaßt, daß ein einwandfreier Hochlauf bei allen Temperaturen unter Minimierung der Kraftstoffmenge gegeben ist. Die Nachstartanreicherung ist temperatur-und zeitabhängig; sie wird von einem temperaturabhängigen Anfangswert annähernd linear mit der Zeit zurückgenommen. Die Anreicherungsdauer ist demnach eine Funktion der Temperatur bei Auslösebeginn. Das Steuergerät hält die von der Motortemperatur abhängige Anreicherung des Gemisches etwa 4,5 Sekunden auf ihrem Maximalwert und regelt dann ab, nach einem Start bei 20 oc innerhalb 20 Sekunden.

Motortemperatursensor Der Motortemperatursensor mißt die Motortemperatur und gibt ein elektrisches Signal an das Steuergerät. Der Motortemperatursensor (Bild 24) ist bei luftgekühlten Motoren in den Motorblock eingeschraubt. Bei wassergekühlten Motoren ragt er in das Kühlmittel. Der Sensor "meldet" den der jeweiligen Temperatur entsprechenden elektrischen Widerstand an das Steuergerät, das über den elektrohydraulischen Drucksteller die einzuspritzende Kraftstoffmenge im Nachstart und beim Warmlaufen des Motors anpaßt. Der Temperatursensor besteht aus einem NTC-Widerstand, der in eine Gewindehülse eingebettet ist. NTC bedeutet Negativer TemperaturCoeffizient und charakterisiert damit seine Eigenschaft: Der aus einem Halbleitermaterial hergestellte Widerstand verringert bei steigender Temperatur seinen elektrischen Widerstand.

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Benzineinspritzsysteme

Warmlaufanreicherung Während des Warmlaufs erhält der Motor, abhängig von Temperatur, Last und Drehzahl, zusätzlichen Kraftstoff. Der Motortemperatursensor erfaßt die Kühlmitteltemperatur und meldet sie dem Steuergerät. Es setzt sie in einen entsprechenden Steuerstrom für den Drucksteiler um. Dabei ist das Anpassen über den elektrohydraulischen Drucksteller so vorgesehen, daß sich bei allen Temperaturen bei möglichst geringem Anfetten ein einwandfreier Verbrennungsablauf einstellt. Beschleunigungsanreicherung Während des Beschleunigens bei nicht betriebswarmem Motor mißt die KE-Jetronic zusätzlich Kraftstoff zu. Öffnet sich die Drosselklappe plötzlich, so magert das Luft-Kraftstoff-Gemisch kurzzeitig ab. Es bedarf einer kurzzeitigen Gemischanreicherung, um ein gutes Übergangsverhalten zu erzielen. Das Steuergerät erkennt bei kaltem Motor aus der zeitlichen Veränderung des Lastsignals, ob ein Beschleunigungsvorgang vorliegt und löst in diesem Fall eine Beschleunigungsanreicherung aus. Damit läßt sich ein "Beschleunigungsloch" vermeiden. Bei kaltem Motor ist wegen der weniger guten Gemischaufbereitung und eventueller Saugrohrbeheizung eine zusätzliche Anreicherung erforderlich. Der Größtwert der Beschleunigungsanreicherung ist eine Funktion der Temperatur. Bei der Auslösung dieser Beschleunigungsanreicherung entsteht ein nadelförmiger Anreicherungsimpuls mit einer Dauer von etwa 1 Sekunde. Die Beschleunigungsanreicherung wird bei ｾ＠ 80 ausgelöst. Die Anreicherungsrate ist um so höher, je kälter der Motor ist; sie ist zusätzlich von der zeitlichen Laständerung abhängig. Die Gasgebegeschwindigkeit wird aus der gegenüber der Drosselklappenbewegung nur geringfügig verzögerten Stauscheibenbewegung des Luftmengenmessers abgeleitet. Dieses Signal, das der zeitlichen Änderung der angesaugten Luftmenge, also etwa der Motor-

oc

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Ieistung, entspricht, erfaßt das Potentiometer im Luftmengenmesser und liefert es an das elektronische Steuergerät, das den Drucksteller entsprechend beeinflußt. Die Kennlinie des Potentiometers ist nicht linear. Dadurch ist das Beschleunigungssignal bei Bewegung aus der Leerlaufstellung heraus am größten; es nimmt mit zunehmender Motorleistung ab. So läßt sich der Schaltungsaufwand im elektronischen Steuergerät verringern. Stauscheiben-Potentiometer Das Potentiometer im Luftmengenmesser (Bild 25) ist in Schichttechnik auf Keramikbasis aufgebaut. Ein Bürstenschleifer gleitet über die Potentiometerbahn. Das Bürstchen besteht aus mehreren feinen Drähten, die an einen Hebel angeschweißt sind. Die einzelnen Drähte üben nur einen geringen Druck auf die Widerstandsbahn aus, so daß ein Verschleiß äußerst niedrig bleibt. lnfolge der Mehrzahl der Drähte gewährleistet der Schleifer auch bei rauher Widerstandsoberfläche und bei sehr schnellen Bewegungen einen guten elektrischen Kontakt. Der Hebel des Potentiometers ist auf der Achse des Stauscheibenhebels befestigt. Von der Achse ist der Hebel elektrisch isoliert. Die Schleiferspannung greift ein zweiter Bürstenschleifer ab, der mit dem Hauptschleifer elektrisch verbunden ist. Der Schleifer kann über den Meßbereich hinaus nach beiden Seiten so weit überlaufen, daß bei Saugrohrrückschlägen eine Beschädigung ausgeschlossen ist. Zum Schutz gegen Beschädigung durch Kurzschluß liegt in Reihe zum Schleifer ein elektrischer Festwiderstand, der ebenfalls in Schichttechnik ausgeführt ist. Vollastanreicherung Bei Vollast gibt der Motor sein größtes Drehmoment ab. Hierzu muß das LuftKraftstoff-Gemisch gegenüber der Teillast angereichert werden.

Gegenüber Teillast, bei der ein Abstimmen auf minimalen Verbrauch unter Einhalten der Emissionswerte im Vordergrund steht, wird bei Vollast das LuftKraftstoff-Gemisch angefettet. Diese Anreicherung ist drehzahlabhängig programmiert und ermöglicht über den gesamten Drehzahlbereich ein maximales Drehmoment. Dadurch ist gleichzeitig auch eine verbrauchsoptimierte Vollast möglich. Die KE-Jetronic reichert bei Vollast z. B. in den Drehzahlbereichen 1500 ... 3000 min- 1 und oberhalb 4000 min - 1 an. Ein Vollastschalter an der Drosselklappe oder ein Mikroschalter am Gasgestänge liefert das VollastsignaL Die Drehzahlinformation kommt von der Zündanlage. Das elektronische Steuergerät errechnet hieraus die zur Anreicherung notwendige Mehrmenge, die der Drucksteller am Mengenteiler bewirkt.

Drosselklappenstutzen befestigt. Die Drosselklappenwelle, auf der die Drosselklappe sitzt, betätigt den Schalter. ln den Endstellungen Leerlauf und Vollast schließt jeweils ein Kontakt.

KE-Jetronic

Bild 26 Drosselklappenschalter. 1 Vollastkontakt, 2 Schaltkulisse, 3 Drosselklappenwelle, 4 Leerl aufkontakt, 5 elektrischer An schluß.

1

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3 4

5

Drosselklappenschalter Der Drosselklappenschalter meldet die Drosselklappenstellung "Leerlauf" und "Vollast" an das Steuergerät weiter. Der Drosselklappenschalter (Bild 26) ist am Bild 25 Potentiometer zur Ermittlung der Stauscheibenstellung. 4 Potentiometerplatte (aus der Bildebene gerückt), 5 Gehäuse des Luftmengenmessers, 6 Luftmengenmesser-Achse.

1 Abgriffbürste, 2 Hauptbürste, 3 Schleiferhebel,

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Zusatzluftschieber (Querschnitt). 1 Blendenöffnung, 2 Lagerbolzen , 3 elektrische Heizung, 4 Luftkanal, 5 Lochblende.

Oben: Luftkanal teilweise von Lochblende freigegeben . Unten: Lochblende verschließt den Luftkanal , weil der Motor die entsprechende Betriebstemperatur erreicht hat.

2

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Bild28

Elektrisch beheizter Zusatzluftschieber. 1 Elektrischer Anschluß, 2 elektrische Heizung, 3 Bimetall, 4 Lochblende.

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Bild 27

Steuerung der Leerlaufdrehzahl durch Zusatzluftschieber Um einen runden Leerlauf bei kaltem Motor zu erzielen , wird die Leerlaufdrehzahl angehoben. Dies dient außerdem dem raschen Erwärmen des Motors. Ein Zusatzluftschieber, der als Bypass zur Drosselklappe geschaltet ist, leitet abhängig von der Motortemperatur Zusatzluft zum Motor. Diese Zusatzluft wird beim Messen der Luftmenge berücksichtigt, und die KE-Jetronic teilt dem Motor mehr Kraftstoff zu. Ein genaues Anpassen ist mit einem elektrisch beheizten Zusatzluftschieber gegeben. Dabei bestimmt die Motortemperatur die Anfangsmenge der Zusatzluft und die elektrische Beheizung im wesentlichen die zeitlich gesteuerte Zurücknahme dieser Menge.

Zusatzluftschieber Eine Lochblende steuert im Zusatzluftschieber (Bilder 27, 28 und 30), betätigt durch ein Bimetall, den Querschnitt der Umgehungsleitung (Bypass) . Der Öffnungsquerschnitt dieser Lochblende stellt sich in Abhängigkeit von der Temperatur so ein, daß beim Kaltstart ein entsprechend großer Querschnitt freigegeben ist, der sich bei zunehmender Motortemperatur stetig verringert und schließlich geschlossen ist. Das Bimetall ist elektrisch beheizt und verringert mit der Zeit den Öffnungsquerschnitt des Zusatzluftschiebers vom temperaturabhängigen Anfangswert. Der Einbauort des Zusatzluftschiebers ist so gewählt, daß er möglichst gut die Motortemperatur annimmt. Er arbeitet nicht bei warmem Motor. Leerlaufdrehzahlregelung durch Drehsteller Zur Leerlaufdrehzahlregelung ist die Luftmenge oder Füllung die vorteilhafteste Stellgröße. Die Leerlaufdrehzahlregelung über die Füllung (auch Leerlauf-Füllungsregelung genannt) erlaubt eine stabile niedrige und damit verbrauchssparende Leerlaufdrehzahl, die sich über die Lebensdauer des Fahrzeugs nicht ändert.

Eine zu hohe Leerlaufdrehzahl erhöht den Leerlaufverbrauch und damit den Gesamtverbrauch des Fahrzeugs. Dieses Problem löst die Leerlaufdrehzahlregelung, bei der die Gemischmenge jeweils der Menge entspricht, die für das Aufrechterhalten der Leerlaufdrehzahlbei der jeweiligen Belastung (z. B. kalter Motor und erhöhte Reibung) erforderlich ist. Weiter erreicht man konstante Abgasemissionswerte auf lange Zeit ohne Einstellung des Leerlaufs. Die Leerlaufdrehzahlregelung kompensiert teilweise auch alterungsbedingte Veränderungen des Motors und sorgt für einen über die Lebensdauer stabilen Leerlauf des Motors (Bild 29). Ein Leerlaufdrehsteller öffnet einen Bypass zur Drosselklappe. Je nach Ansteuerung des Drehstellers ergibt sich ein bestimmter Öffnungsquerschnitt Da die KE-Jetronic diese Zusatzluft mit der Stauklappe erfaßt, ändert sich auch die Einspritzmenge entsprechend. Die Leerlaufdrehzahlregelung stabilisiert die Leerlaufdrehzahl wirkungsvoll, da sie im Gegensatz zu sonst üblichen Leerlaufstellungen einen Soll-Ist-Vergleich vornimmt und bei entsprechendem Unterschied korrigierend eingreift. Leerlaufdrehsteller Der Leerlaufdrehsteller ersetzt den Zusatzluftschieber und übernimmt zusätz-

lieh zur Leerlaufdrehzahlregelung auch die Funktion des Zusatzluftschiebers. Der Leerlaufdrehsteller teilt dem Motor über einen Bypass zur Drosselklappe mehr oder weniger Luft zu, je nach Abweichung der augenblicklichen Leerlaufdrehzahl von der SolldrehzahL Das elektronische Steuergerät der KEJetronic liefert dem Leerlaufdrehsteller (Bilder 30 und 31 ), abhängig von der Motordrehzahl und -temperatur, ein Steuersignal. Daraufhin verändert der Drehschieber im Leerlaufdrehsteller den Bypassquerschnitt. Der Leerlaufdrehsteller hat einen Drehmagnetantrieb, bestehend aus Spule und Magnetkreis, und einen begrenzten Drehwinkel von 60 Grad. Der auf der Ankerwelle befestigte Drehschieber öffnet den Luft-Bypasskanal so weit, daß die geforderte Leerlaufdrehzahl sich unabhängig von der Belastung des Motors einstellt. Die Regelschaltung im elektronischen Steuergerät, das die erforderliche Information über die Istdrehzahl vom Drehzahlgeber erhält, vergleicht diese mit der programmierten Solldrehzahl und verändert über die Ansteuerung des DrehsteUers so lange den Luftdurchsatz, bis Solldrehzahl und Istdrehzahl übereinstimmen. Bei warmem , unbelastetem Motor stellt der Öffnungsquerschnitt sich nahe dem unteren Grenzwert ein .

KE-Jetronic

Bi ld 29 Regelkreis Leerlaufdrehzahlregelung. 1 Regelstrecke: Motor, 2 Regelgröße : Drehzahl n. 3 Reg ler: Reglergerät (liefert Ansteuer· spannu ng Uv). 4 Stellgl ied : Leerlaufdrehsteller, 5 Stellgröße: Bypassquerschnitt (Ansaug -Volumen (VG), 6 Hillssteuergröße : Motortemperatur (IM). 7 Hillssteuergröße: Drosselklappenendstellung (a - 0).

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Leerlaufdrehsteller (links) für Leerlaufdrehzahlregelung und Zusatzluftschieber mit Temperatursensor (rechts) für Leerlaufsteuerung.

Bild 30

Weitere Eingangssignale des Steuergerätes wie Temperatur und Stellung des Drosselklappenschalters sorgen dafür, daß ein Fehlverhalten bei tiefen Temperaturen und Drehzahländerungen durch Gasgeben ausgeschlossen ist. Das Steuergerät wandelt die Drehzahlimpulse in Spannungssignale um und vergleicht sie mit einer der Solldrehzahl entsprechenden Spannung. Aus der Differenzspannung bildet das Steuergerät ein Ansteuerungssignal und führt es dem Leerlaufdrehsteller zu . Die Wicklung der Spule wird mit einem pulsierenden Gleichstrom beaufschlagt und bewirkt am Drehanker ein Drehmoment, das gegen die Rückstellfeder wirkt. Je nach Stromstärke stellt sich ein bestimmter Öffnungsquerschnitt ein. Im stromlosen Zustand, der zum Beispiel bei einer Störung am Fahrzeug auftreten kann, wird der Drehschieber durch die Kraft der Rückstellfeder gegen einen einstellbaren Anschlag gedrückt und gibt einen Notquerschnitt frei. Bei maximalem Tastverhältnis ist der Querschnitt ganz geöffnet.

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Bild 31

Leerlaufdrehsteller (Einwicklungsdrehsteller). 1 Elektrischer Anschluß, 2 Gehäuse, 3 Rückstellfeder, 4 Spule, 5 Drehanker, 6 Luftkanal am Bypass zur Drosselklappe, 7 einstellbarer Anschlag, 8 Drehschieber.

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7

Ergänzungsfunktionen Schubabschaltung Schubabschaltung ist das vollständige Unterbrechen des Kraftstoffzuflusses zum Motor im Schiebebetrieb, um beim Bergabfahren und Bremsen (also auch im Stadtverkehr) den Kraftstoffverbrauch und die Abgasemission zu vermindern. Da kein Kraftstoff verbrennt, entstehen auch keine schädlichen Abgase. Nimmt der Fahrer während der Fahrt den Fuß vom Gaspedal, geht die Drosselklappe zurück in die Nullage. Der Drosselklappenschalter meldet dem Steuergerät "Drosselklappe zu". Gleichzeitig erhält das Steuergerät von der Zündanlage die Drehzahlinformation. Liegt die Istdrehzahl im Arbeitsbereich der Schubab-

schaltung (also über der Leerlaufdrehzahl), dann kehrt das Steuergerät die Stromrichtung im elektrohydraulischen Drucksteller um. Der Druckabfall am Steiler ist dann fast Null. Im Kraftstoffmengenteiler drücken jetzt die Federn in den Unterkammern der Differenzdruckventile diese Ventile (Bild 32) zu und sperren damit die Kraftstoffzufuhr zu den Einspritzventilen. Die Schubabschaltung, die wegen des kontinuierlichen Einspritzens der Einspritzventile ruckfrei arbeitet, spricht abhängig von der Kühlmitteltemperatur an. Um ständiges Ein- und Ausschalten bei einer bestimmten Drehzahl zu vermeiden, liegt je nach Richtung der Drehzahlveränderung ein unterschiedlicher Schaltpunkt fest.

KE-Jetronic

Bild 32 Kraftstoffmengenteiler bei Schubabschaltung. 1 Kraftsloffmengenteiler, 2 Kraftstoffzulauf, 3 und 5 Zuläufe zu den Einspritzventilen, 4 zum Kaltstartventil, 6 zum Systemdruckregler, 7 Oberkammer, 8 Membran (schließt 3 und 5 Zuläufe zu den Einspritzventilen}, 9 Unterkammer, 10 Düse, 11 Magnetpol, 12 Prallplatte.

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Für den warmen Motor liegen die Schaltschwellen möglichst tief, damit möglichst viel Kraftstoff eingespart wird . Bei niedriger Kühlmitteltemperatur steigen die Schwellenwerte an, damit der kalte Motor auch bei plötzlichem Auskuppeln nicht zum Stehen kommt (Bild 33) . Drehzahlbegrenzung Die Drehzahlbegrenzung sperrt beim Erreichen der maximal zulässigen Motordrehzahl die Kraftstoffzufuhr zu den Einspritzventilen. Bei der bisher üblichen Drehzahlbegrenzung zum Schutz des Motors vor Überdrehen schließt ein Zündverteilerläufer mit Drehzahlbegrenzer beim Erreichen einer festgelegten Höchstdrehzahl die Zündung kurz. Diese Methode ist heute aus Gründen der Abgasemission und Kraftstoffeinsparung zugunsten der elektronischen Drehzahlbegrenzung durch Abschalten der Kraftstoffeinspritzung in den Hintergrund getreten. Durch Stromrichtungsänderung im elektrohydraulischen Drucksteller entfernt sich die Prallplatte von der Düse. Der Druckabfall geht gegen Null und die Membranen in den Differenzdruckventilen sperren die Kraftstoffzufuhr zu den Einspritzventilen. Es tritt der gleiche Ablauf wie bei der Schubabschaltung ein. Das elektronische Bild 33

Steuergerät, das die Istdrehzahl mit einer programmierten oberen Drehzahl n0 vergleicht, unterbindet die Krattslofteinspritzung beim Überschreiten der maximalen Drehzahl. Es stellt sich ein Drehzahlbareich von ±80 Umdrehungen je Minute um die Höchstdrehzahl ein (Bi ld 34). Die elektronisch gesteuerte Drehzahlbegrenzung schützt den Motor vor Überdrehen und begrenzt gleichzeitig Kraftstoffverbrauch und Abgasemission. Gemischanpassung in großer Höhe ln größerer Höhe entspricht der gemessene Volumenstrom infolge der geringen Luftdichte nur einem geringeren Luftmengenstrom. Diese Abweichung kann die KE-Jetronic (Bild 35) je nach Erweiterungsstufe kompensieren , indem sie die Kraftstoffmenge korrigiert. Damit läßt sich ein Überfetten mit zu hohem Kraftstoffverbrauch vermeiden . Die Höhenkorrektur übernimmt ein Sensor, der den Luftdruck erfaßt. Entsprechend dem momentan herrschenden Luftdruck gibt der Sensor ein Signal an das Steuergerät, das daraufhin den Druckstellerstrom verändert und somit über den Unterkammerdruck den Differenzdruck an den Zumaßschlitzen (also die Kraftstoffmenge) . Auch kontinuierliches Verstellen der Einspritzmenge bei sich änderndem Luftdruck ist möglich. Bild34

Mindestdrehzahl der Schubabschaltung, abhängig von der Kühlmltteltemperatur.

Begrenzen der maximalen Drehzahl 11o durch Absperren der Kraftstoffzufuhr. 1 Einspritzung ..Aus", 2 Einspritzung .Ein",

3 Drehzahlbegrenzung . Ein". min-•

-

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Einschaltschwelle für Schubabschaltung

3400 , -

-

Wiedereinschaltschwelle für Einspritzung

3800

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600 ' - - - ' -L.....I..-'--...J..._--'...__J'--...J..._-..J - 30 - 10 0 10 30 50 70 90 110 oc Kühlmitteltemperatur

min- •

Lambda-Regelung Mit der Lambda-Regelung kann die Luftzahl sehr genau bei A. = 1 eingehalten werden . Die Lambda-Regelung ist eine aufschaltbare Funktion , die im Prinzip jede elektronisch beeinflußbare Gemischsteuerung ergänzen kann .

Die Lambda-Regelung bietet sich insbesondere auch in Verbindung mit der KE-Jetronic an. Das Signal der LambdaSonde wird im bereits vorhandenen Steuergerät verarbeitet, und der erforderliche Regeleingriff zur Korrektur der Kraftstoffzuteilung erfolgt über den Drucksteller.

KE-Jetronic

Bild 35

Komponenten der KE-Jet ro nic. 1 Luftmengenmesser, 2 Gemischregler und Kraltstoffmengenteiler. 3 Drucksteller. 4 elektronisches Steuergerät, 5 Kraftstoffilter. 6 Kraftstoffspeicher, 7 Elektrokraftstoffpumpe, 8 Ei nspritzventile, 9 Drosselklappenschalter, 10 Thermozeitschalter, 11 Kaltstartventil, 12 Motortemperatursensor, 13 Zusatzluftschieber, 14 Systemdruckregler.

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Benzineinspritzsysteme

Elektrische Schaltung Kommt der Motor bei eingeschalteter Zündung zum Stillstand, so schaltet eine Sicherheitsschaltung die Elektrokraftstoffpumpe aus. Die KE-Jetronic verfügt über elektrische Komponenten wie Elektrokraftstoffpumpe, Zusatzluftschieber, Kaltstartventil und Thermozeitschalter. Die Betätigung dieser Komponenten erfolgt über ein Steuerrelais, das vom Zünd-Start-Schalter geschaltet wird. Neben Schaltaufgaben hat das Steuerrelais eine Sicherheitsfunktion. Eine häufig verwendete Schaltungsvariante ist nachfolgend beschrieben. Bild36 Schaltung im Ruhezustand (ohne Steuergerät). K1 K2 51 Y1 Y2 Y3

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Thermozeitschalter, Steuerrelais, Zünd-Start-Schalter, Kaltstartventil, Elektrokraftstoffpumpe, Zusatzluftschieber.

Bild37 Starten (kalter Motor)Kaltstartventil und Thermozeitschalter sind eingeschaltet. Motor dreht sich (Impulse von Klemme 1 der Zündspule). Steuerrelais, Elektrokraftstoffpumpe und Zusatzluftschieber sind eingeschaltet.

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Funktion Beim Kaltstart des Motors legt der ZündStart-Schalter über Klemme 50 Spannung an das Kaltstartventil und den Thermozeitschalter (Bilder 36 und 37). Dauert der Startvorgang länger als ca. 8 bis 15 Sekunden, so schaltet der Thermozeitschalter das Kaltstartventil aus, damit der Motor nicht "absäuft". Der Thermozeitschalter erfüllt in diesem Falle eine Zeitschalterfunktion.

Liegt die Motortemperatur beim Starten des Motors über ca. + 35 oc, so hat der Thermozeitschalter die Verbindung zum Kaltstartventil bereits geöffnet, und das Kaltstartventil spritzt keinen zusätzlichen

Kraftstoff ein. Der Thermozeitschalter wirkt in diesem Falle als Thermoschalter. Weiterhin legt der Zünd-Start-Schalter beim Starten Spannung an das Steuerrelais, das sich einschaltet, sobald der Motor läuft. Die beim Durchdrehen des Motors durch den Starter erreichte Drehzahl reicht dazu bereits aus. Als Kennzeichen für den Lauf des Motors dienen die Impulse von Klemme 1 der Zündspule. Eine elektronische Schaltung im Steuerrelais wertet diese Impulse aus. Nach dem ersten Impuls schaltet das Steuerrelais ein und legt Spannung an die Elektrokraftstoffpumpe und den Zusatzluftschieber. Das Steuerrelais bleibt ein-

geschaltet, solange die Zündung eingeschaltet ist, und der Motor läuft (Bild 38).

KE-Jetronic

Bleiben die Impulse von Klemme 1 der Zündspule aus, weil der Motor zum Stehen kommt (zum Beispiel bei einem Unfall), dann schaltet das Steuerrelais etwa 1 Sekunde nach dem letzten Impuls ab. Diese Sicherheitsschaltung verhindert, daß die Elektrokraftstoffpumpe trotz stehendem Motor und eingeschalteter Zündung weiter Kraftstoff fördert (Bild 39).

Bild 38

Betrieb. ＳＰＭｾ＠

Zündung eingeschaltet, Motor läuft. Steuerrelais, Elektrokraftstoffpumpe und Zusatzluftschieber sind eingeschaltet. ＵＰＭｾＮ＠

Bild 39

Zündung eingeschaltet, Motor läuft nicht.

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Keine Impulse von Klemme 1 der Zündspule. Steuerrelais, Elektrokraftstoffpumpe und Zusatzluftschieber sind ausgeschaltet.

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Benzineinspritzsysteme

Werkstattprüftechnik Bosch-Kundendienst Die Qualität eines Produkts wird auch an der Qualität des Kundendienstes gemessen. Mehr als 10 000 Soseh-Kundendienststellen in 125 Ländern sind für den Autofahrer da - neutral und ohne Bindung an eine Fahrzeugmarke. Selbst in dünn besiedelten Ländern Afrikas und Südamerikas kann man mit schneller Hilfe rechnen. Und auch hier gibt es die selben Qualitätsstandards wie in Deutschland. Da versteht es sich von selbst, daß die Garantie auf Kundendienstleistungen weltweit gilt. Bosch-Aggregate und -Systeme sind mit ihren Kenndaten und Leistungswerten exakt auf das jeweilige Fahrzeug und den zum Fahrzeug gehörigen Motor abgestimmt. Um die notwendigen Prüfungen durchführen zu können, entwickelt Bosch jeweils die entsprechende Meßtechnik, die Prüfgeräte und Spezialwerkzeuge und rüstet die Kundendienststellen damit aus. Prüftechnik für KE-Jetronic Das Benzineinspritzsystem KE-Jetronic erfordert, abgesehen vom periodischen Wechseln des Krattstotfilters nach Vorschrift des Fahrzeugherstellers, keine Wartungsarbeiten. Bei Störungen des Systems stehen dem Fachmann im wesentlichen folgende Prüfgeräte zusammen mit den notwendigen Prüfwerten zur Verfügung: - Ventilprüfgerät, - Mengenvergleichsmeßgerät, - Druckmeßvorrichtung, - Lambda-Regelungstester (Anwendung nur bei vorhandener LambdaRegelung), - Universai-Prüfadapter und - Universal-Vielfachmeßgerät

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Diese Prüftechnik ist weltweit einheitlich. Sie liegt bei den Werkstätten der Fahrzeughersteller und den SosehKundendienststellen in Verbindung mit verschiedensprachigen Prüfanleitungen

und Prüfwerten vor. Ohne diese Ausrüstung ist keine gezielte, preisgünstige Fehlersuche und keine fachgerechte Instandsetzung möglich. Fahrzeughalter sollten deshalb von eigenen Reparaturversuchen absehen. Ventilprüfgerät Das Ventilprüfgerät eignet sich zur Prüfung ausgebauter Einspritzventile der K- und KE-Jetronic. Geprüft werden alle wichtigen Funktionen eines Einspritzventils, die für einen optimalen Motorlauf notwendig sind: - Öffnungsdruck, - Dichtheit, - Strahlform und - Schnarrverhalten. Ventile, deren Öffnungsdruck außerhalb der Toleranz liegt, werden ausgewechselt. Bei der Dichtheitsprüfung wird der Druck langsam bis 0,5 bar unter den Öffnungsdruck gesteigert und gehalten; innerhalb von 60 s darf sich am Ventil kein Tropfen bilden. Bei der Schnarrprüfung und Strahlbeurteilung muß das Ventil ein schnarrendes Geräusch abgeben, ohne daß sich ein Tropfen bildet. Es darf kein Schnurstrahl oder "strähniger" Strahl auftreten. Gute Einspritzventile haben einen zerstäubten Strahl. Mengenvergleichsmeßgerät Mit einer Vergleichsmessung wird bei nicht ausgebautem Mengenteiler geprüft, welche Differenz die Fördermengen der einzelnen Auslässe zueinander haben (für alle Motoren bis zu acht Zylindern). Da die Prüfung mit den Originai-Einspritzventilen durchgeführt wird, läßt sich gleichzeitig feststellen, ob eine Streuung vom Mengenteiler oder von den Einspritzventilen herrührt. Die kleine Meßröhre des Geräts dient zur Leerlaufmessung, die große Meßröhre zur Teillast- und Vollastmessung. Acht Schlauchleitungen, in deren Automatikkupplungen die aus ihren Halterungen am Motor herausgezogenen Einspritzventile eingesteckt werden, stellen die Verbindung zum Mengenteiler her.

ln jeder Automatikkupplung befindet sich ein Aufstoßventil , damit an nicht benötigten Leitungen kein Kraftstoff austreten kann (z.B. bei Anlagen für Motoren mit sechs Zylindern , Bild 40). Über eine weitere Schlauchleitung wird der Kraftstoff zum Kraftstoffbehälter zurückgeführt. Druckme ßvorrichtung Mit der Druckmeßvorrichtung lassen sich alle für die Funktion der KE-Jetronic wichtigen Drücke messen : - Systemdruck: Aussage über Leistung der Förderpumpe, Durchlässigkeit des Filters und Zustand des Systemdruckreglers, - Differenzdruck: wichtig zur Beurteilung aller Betriebszustände (z.B. kalter/ warmer Motor, Teillast/Vollast, Anreicherungsfunktionen) , - Dichtheit des Gesamtsystems: besonders wichtig für das Kaltstart- und Warmstartverhalten . Automatikkupplungen an den Verbindungsschläuchen verhindern ein Auslaufen des Kraftstoffs.

Lambda-Regelungstester Dieses Testgerät eignet sich bei KE-Jetronic-Anlagen mit Lambda-Regelung zum Prüfen des Druckstellerstromes, des Lambda-Sondensignals (mit Simulation des Signals .,fett"/"mager") und der "Steuerung-Regelung"-Funktion. Für den Anschluß an die Sondenleitung und an den Drucksteller der verschiedenen Fahrzeugmodelle gibt es spezielle Adapterleitungen . Die Meßwerte werden analog angezeigt.

KE-Jetronic Werkstattprüftechnik

Universal-Prüfadapter Der Universai-Prüfadapter dient zur schnellen und sicheren Systemprüfung bei bestimmten KE-Jetronic-Ausführungen ohne Eigendiagnose bzw. mit eingeschränkter Eigendiagnose. Universal-Vielfachmeßgerät Das Universal-Vielfachmeßgerät ist zur Messung der Druckstellerströme in allen Betriebszuständen notwendig und es dient zu Spannungs- und Widerstandsmessungen an den verschiedenen Komponenten (z.B. Potentiometer des Luftmengenmessers) .

Bild 40 Men genvergleichsmeßgerät (Anschl uß einer 6-Zylinder-Anlage). 1 2 3 4 5 6 7

Einspritzleitungen des Mengenteilers, Einspritzventile, Automatikkupplungen, Schlauchleitungen des Meßgeräts, kleine Meßröhre, große Meßröhre, Rücklaufleitung zum KraftstoHbehälter.

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7

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Benzineinspritzsysteme

L-Jetronic Systemübersicht Die L-Jetronic ist ein antriebsloses, elektronisch gesteuertes Einspritzsystem mit intermittierender Kraftstoffeinspritzung in das Saugrohr. Sie vereinigt in sich die Vorteile der direkten Luftmengenmessung mit den besonderen Möglichkeiten der Elektronik. Wie bei der KE-Jetronic werden alle motorbedingten Veränderungen (Verschleiß, Ablagerungen im Brennraum, Änderung der Ventileinstellung) erfaßt. Dadurch ist eine gleichbleibend gute Abgasqualität gewährleistet. Die Aufgabe der Benzineinspritzung ist es, jedem Arbeitszylinder gerade so viel Kraftstoff zuzumessen , wie für den augenblicklichen Betriebszustand des Motors gebraucht wird. Das setzt allerdings voraus, möglichst viele Einflußdaten zu erfassen, die für die Kraftstoffzumessung wichtig sind. Da aber der Betriebszustand des Motors sich oft rasch ändert, ist eine rasche Anpassung der Kraftstoffmenge an die augenblickliche Fahrsituation von ausschlaggebender Bedeutung. Die elektronisch gesteuerte Benzineinspritzung eignet sich hierfür in besonderer Weise. Mit ihr lassen sich beliebig viele Betriebsdaten an beliebiger Stelle des Kraftfahrzeugs erfassen und durch Meßfühler in elektrische Signale umwanBild 1 Prinzip der L-J et ronic (vereinfacht). Kraftstoff

Sensoren

Luft

ｾ＠ Krattstoffpumpe

Kraftstofffilter

118

Steuergerät

Luftmengenmesser

dein. Diese Signale werden dem Steuergerät der Einspritzanlage zugeleitet. Das Steuergerät verarbeitet sie und errechnet daraus sofort die einzuspritzende Kraftstoffmenge. Diese wird über die Einspritzdauer beeinflußt (Bild 1). Funktion Eine Pumpe fördert den Kraftstoff zum Motor und erzeugt den zum Einspritzen nötigen Druck. Einspritzventile spritzen den Kraftstoff in die Einzelsaugrohre. Ein elektronisches Steuergerät steuert die Einspritzventile. Die L-Jetronic umfaßt im wesentlichen folgende Funktionsbereiche: - Kraftstoffversorgung, - Betriebsdatenerfassung und - Kraftstoffzumessung . Kraftstoffversorgung Das Kraftstoffsystem fördert den Kraftstoff vom Kraftstoffbehälter zu den Einspritzventilen, erzeugt den zum Einspritzen nötigen Druck und hält ihn konstant. Betriebsdatenerfassung Die Sensoren (Meßfühler) erfassen die den Betriebszustand des Motors kennzeichnenden Meßgrößen. Wichtigste Meßgröße ist die vom Motor angesaugte Luftmenge, die vom Luftmengenmesser erfaßt wird. Weitere Sensoren erfassen die Drosselklappenstellung, die Motordrehzahl, die Lufttemperatur und die Motortemperatur. Kraftstoffzumessung Im elektronischen Steuergerät werden die von den Sensoren gelieferten Signale ausgewertet und daraus die entsprechenden Steuerimpulse für die Einspritzventile gebildet.

Vorteile der L-Jetronic Geringer Kraftstoffverbrauch Bei Vergaseranlagen ergeben sich durch Entmischungsvorgänge in den Ansaugrohren ungleiche Luft-Kraftstoff-Gemische für die einzelnen Zylinder. Durch Er-

zeugen eines Gemisches, das auch dem am ungünstigsten versorgten Zylinder noch genügend Kraftstoff zuführt, ergibt sich keine optimale Kraftstoffzuteilung. Die Folgen sind hoher Kraftstoffverbrauch und unterschiedliche Belastung der Zylinder. Bei L-Jetronic-Anlagen (Bild 2) ist jedem Zylinder ein Einspritzventil zugeordnet. Die Einspritzventile werden zentral gesteuert. Damit ist sichergestellt, daß jeder Zylinder zu jedem Zeitpunkt und bei jeder Belastung präzise die gleiche bzw. die optimale Kraftstoffmenge zugeteilt bekommt. Anpassung an Betriebszustände Die L-Jetronic paßt sich wechselnden Lastbedingungen nahezu verzögerungsfrei an, da die notwendige Kraftstoffmenge vom Steuergerät im Millisekundenbereich errechnet und durch die Einspritzventile direkt vor die Einlaßventile des Motors gespritzt wird .

Schadstoffarmes Abgas Die Konzentration der Schadstoffe im Abgas steht in direktem Zusammenhang mit dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis. Will man den Motor mit der geringsten Schadstoffemission betreiben, so setzt dies eine Gemischaufbereitung voraus, die ein bestimmtes Luft-Kraftstoff-Verhältnis enthält. Die L-Jetronic arbeitet so präzise, daß die notwendige Genauigkeit der Gemischbildung gewährleistet ist.

L-Jetronic

Höhere spezifische Leistung Ohne Vergaser ist eine strömungsgünstige Gestaltung der Ansaugwege für eine optimale Luftverteilung und Zylinderfüllung und damit ein höheres Drehmoment möglich . Da der Kraftstoff direkt vor die Einlaßventile gespritzt wird, erhält der Motor durch die Ansaugrohre nur Luft. Dadurch werden eine höhere spezifische Leistung und ein praxisgerechterer Drehmomentverlauf erreicht.

Bild 2 Schema einer L-Jetronic-An lage mit Lambda-Regelung. 1 Kraftstoffbehälter, 2 Elektrokraftstoffpumpe, 3 Kraftstoffilter, 4 Steuergerät, 5 Einspritzventil , 6 Vertei lerrohr und Druckregler,

7 Sammelsaugrohr, 8 Kaltstartventil, 9 Orosselklappenschalter, 10 Lultm engenmesser, 11 Lam bda·Sonde, 12 Thermozeitschalter,

13 Motortemperatursensor, 14 Zündverteiler, 15 Zusatzluftschieber, 16 Batterie, 17 Zünd-Start-Schalter.

4

BOSCH

16

119

Benzineinspritzsysteme

Kraftstoffversorgung Das System der Kraftstoffversorgung besteht aus: - Elektrokraftstoffpumpe, - Kraftstoffilter, - Verteilerrohr, - Druckregler und - Einspritzventilen. Eine elektrisch angetriebene Rollenzellenpumpe fördert den Kraftstoff vom Kraftstoffbehälter mit einem Druck von ca. 2,5 bar über ein Filter in ein Verteilerrohr. Von dem Verteilerrohrzweigen Leitungen zu den Einspritzventilen ab. Am Ende des Verteilerrohrs befindet sich ein Druckregler, der den Einspritzdruck konstant hält (Bild 3). Im Kraftstoffsystem wird mehr Kraftstoff gefördert als der Motor unter extremen Bedingungen verbraucht. Der überschüssige Kraftstoff wird durch den Druckregler drucklos zum Kraftstoffbehälter zurückgeleitet Aufgrund der ständigen Durchspülung des Kraftstoff-Versorgungssystems steht immer kühler Kraftstoff zur Verfügung . Dadurch läßt sich Dampfblasenbildung vermeiden und ein gutes Heißstartverhalten erreichen. Elektrokraftstoffpumpe Die Elektrokraftstoffpumpe (Bild 4) ist eine von einem permanent erregten Elektromotor angetriebene Rollenzellen-

pumpe. Die im Pumpengehäuse exzentrisch angeordnete Läuferscheibe enthält an ihrem Umfang Metallrollen, die in nutförmigen Aussparungen gelagert sind und durch die Zentrifugalkraft gegen das Pumpengehäuse gepreßt werden . Die Rollen wirken als umlaufende Dichtung. ln den sich zwischen den Rollen bildenden Hohlräumen wird der Kraftstoff gefördert. Eine Pumpwirkung kommt dadurch zustande, daß die Rollen nach Abschluß der Zulaufbohrung die eingeschlossene Kraftstoffmenge vor sich herschieben, bis der Kraftstoff die Pumpe durch die Abflußbohrung verläßt (Bild 5). Der Kraftstoff durchströmt den Elektromotor. Eine Explosionsgefahr besteht dabei nicht, da sich kein zündfähiges Gemisch im Motor-Pumpengehäuse befindet. Die Elektrokraftstoffpumpe fördert mehr Kraftstoff als der Verbrennungsmotor maximal benötigt, um bei allen vorkommenden Betriebszuständen den Druck im Kraftstoffsystem aufrechtzuerhalten. Ein Rückschlagventil in der Pumpe entkoppelt das Kraftstoffsystem vom Kraftstoffbehälter, indem es das Rückströmen von Kraftstoff zum Kraftstoffbehälter verhindert. Die Elektrokraftstoffpumpe läuft sofort beim Betätigen des Zünd-Start-Schalters an und bleibt ständig eingeschaltet, nachdem der Motor angesprungen ist.

Bild3

System der Kraftstoffversorgung . 1 Kraftstoffbehälter, 2 Elektrokrattstoffpumpe, 3 Kraftstotfilter, 4 Verteilerrohr, 5 Druckregler, 6 Einspritzventil, 7 Kaltstartventil.

120

4

Eine Sicherheitsschaltung vermeidet das Fördern von Kraftstoff bei eingeschalteter Zündung und stehendem Motor zum Beispiel nach einem Unfall. Die Kraftstoffpumpe befindet sich in unmittelbarer Nähe des Kraftstoffbehälters und arbeitet wartungsfrei . Krattstotfilter Das Krattstotfilter hält Verunreinigungen im Kraftstoff zurück, die die Funktion der Einspritzanlage beeinträchtigen könnten . Das Filter enthält einen Papiereinsatz mit einer mittleren Porenweite von 10 !Jm und ein nachgeschaltetes Sieb (Bild 6). Diese Kombination erzielt einen hohen Reinigungseffekt Eine Stützplatte fixiert das Filter in einem Metallgehäuse. Die Filterstandzeit ist von der Versehrnutzung des Kraftstoffes abhängig. Das Filter ist hinter dem Kraftstoffspeicher in die Kraftstoffleitung eingebaut.

Die auf dem Filtergehäuse mit einem Pfeil angegebene Durchflußrichtung muß beim Filterwechsel unbedingt eingehalten werden. Verteilerrohr Das Verteilerrohr führt den Kraftstoff allen Einspritzventilen gleichmäßig zu und sorgt für gleichen Kraftstoffdruck an allen Einspritzventilen. Das Verteilerrohr hat eine Speicherfunktion. Sein Volumen ist gegenüber der pro Arbeitszyklus des Motors eingespritzten Kraftstoffmenge groß genug, um Druckschwankungen zu verhindern . Dadurch kommt der gleiche Kraftstoffdruck an allen Einspritzventilen zustande. Außerdem ermöglicht das Verteilerrohr eine unkomplizierte Montage der Einspritzventile. Druckregler Der Druckregler hält die Druckdifferenz zwischen Kraftstoffdruck und Saugrohrdruck konstant. Über die Öffnungszeit des Ventils kann dadurch die vom elektromagnetischen Einspritzsystem abgespritzte Kraftstoffmenge bestimmt werden.

L-Jetronic

Elektrokraftstoffpumpe. 1 Saugseite. 2 Druckbegrenzer, 3 Rollenzellenpumpe, 4 Motoranker, 5 Rückschlagventil, 6 Druckseite . 2 3

4

5

Bild 5 Pumpvo rgang Rollenzellenpumpe.

1 Saugseile, 2 Läuferscheibe, 3 Rolle, 4 Grundplatte, 4 2 3 5 Druckseite.

Bild 6 Kraftstoffilter. 1 Papiereinsatz (Papierwickel), 2 Sieb, 3 Slützplatte.

Der Druckregler ist ein membrangesteuerter Überströmregler, der den Kraftstoffdruck je nach Anlage auf 2,5 oder 3 bar regelt. Er sitzt am Ende des Verteilerrohres und besteht aus einem Metallgehäuse, das durch eine eingebördelte Membran in zwei Räume geteilt ist: eine Federkammer zur Aufnahme der die Membran belastenden vorgespannten Schraubenfeder und eine Kammer für den Kraftstoff. Bei Überschreiten des eingestellten Druckes gibt ein von der Membran betätigtes Ventil die Öffnung für die Rücklaufleitung frei, wodurch der überschüssige Kraftstoff drucklos zum Kraftstoffbehälter zurückfließen kann .

121

Benzineinspritzsysteme

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Die Federkammer des Druckreglers ist über eine Leitung mit dem Sammelsaugrohr des Motors hinter der Drosselklappe verbunden . Dies bewirkt, daß der Druck im Kraftstoffsystem vom absoluten Druck im Saugrohr abhängt, der Druckabfall über die Einspritzventile also bei jeder Drosselklappenstellung gleich ist (Bild 7). Einspritzventile Die elektronisch gesteuerten Einspritzventile spritzen den Kraftstoff genau dosiert vor die Einlaßventile des Motors. Jedem Motorzylinder ist ein Einspritzventil zugeordnet. Die Einspritzventile werden elektromagnetisch betätigt und durch elektrische Impulse vom Steuergerät geöffnet und geschlossen. Das Einspritzventil besteht aus einem Ventilkörper und der Düsennadel mit aufgesetztem Magnetanker. Der Ventilkörper enthält die Magnetwicklung und die Führung für die DüsennadeL Bei stromloser Magnetwicklung drückt eine Schraubenfeder die Düsennadel auf ihren Dichtsitz am Ventilauslaß. Wird der Magnet erregt, so hebt sich die Düsennadel um etwa 0,1 mm vom Sitz ab, und der Kraftstoff kann durch einen Präzisionsringspalt austreten . Das vordere Ende der Düsennadel enthält zur Zerstäubung des Kraftstoffes einen Spritzzapfen mit Anschliff (Bild 8). Anzugs- und Abfallzeit des Ventils liegen im Bereich von 1 .. . 1,5 ms. Um eine gute Kraftstoffverteilung bei geringen Kondensationsverlusten zu erreichen, muß das Benetzen der Saugrohrwandung vermieden werden. Ein bestimmter Spritzwinkel in Verbindung mit einem bestimmten Abstand des Einspritzventils vom Einlaßventil muß deshalb motorspezifisch eingehalten werden . Der Einbau der Einspritzventile erfolgt über spezielle Halter in Gummiformteilen. Die dadurch erreichte Wärmeisolation verhindert Dampfblasenbildung und ermöglicht ein gutes Heißstartverhalten des Motors. Außerdem schützen die Gummiformteile die Einspritzventile vor zu hoher Schüttelbeanspruchung.

Druckregler. 1 Saugrohranschluß, 2 Feder, 3 Ventilträger, 4 Membran, 5 Ventil , 6 Kraftstoffzulauf, 7 Kraftstoffrücklauf.

BildS

Bild7

Elektromagnetisches Einspritzvenlil. 1 Filtersieb im Kraftstoffzulauf, 2 elektrischer Anschluß, 3 Magnetwicklung, 4 Ventilgehäuse, 5 Anker, 6 Ventilkörper, 7 Ventilnadel.

Betriebsdatenerfassung Sensoren (Meßfühler) erfassen den Betriebszustand des Motors und leiten diesen in Form elektrischer Signale an das Steuergerät weiter. Sensoren und Steuergerät bilden das Steuersystem. Die Sensoren sind in Zusammenhang mit der jeweiligen Haupt- oder Anpassungsfunktion beschrieben. Meßgrößen Die den Betriebszustand des Motors kennzeichnenden Meßgrößen sind: - Hauptmeßgrößen, - Meßgrößen zur Anpassung und - Meßgrößen zur Feinanpassung. Das Steuergerät wertet alle Meßgrößen zusammen in der Weise aus, daß der Motor stets mit der für den augenblicklichen Betriebsfall notwendigen KraUstoffmenge versorgt wird. Dadurch wird ein optimales Fahrverhalten erreicht.

Hauptmeßgrößen Hauptmeßgrößen sind die Motordrehzahl und die vom Motor angesaugte Luftmenge. Aus ihnen wird die Luftmenge pro Hub bestimmt, welche als direktes Maß für den Lastzustand des Motors gilt. Meßgrößen zur Anpassung Für Betriebszustände wie Kaltstart, Warmlauf und die verschiedenen Lastbereiche, die vom Normalbetrieb abweichen, muß das Gemisch den veränderten Bedingungen angepaßt werden . Die Erfassung von Kaltstart und Warmlauf erfolgt über Sensoren, die die Motortemperatur dem Steuergerät mitteilen. Zur Anpassung an verschiedene Lastzustände meldet der Drosselklappenschalter den Lastbereich (Leerlauf, Teillast, Vollast) an das Steuergerät. Meßgrößen zur Feinanpassung Um das Fahrverhalten zu optimieren, können bei der Zumessung des Kraftstoffes noch weitere Betriebsbereiche und Einflüsse berücksichtigt werden : Die bereits erwähnten Sensoren erfassen die Daten für Übergangsverhalten bei Beschleunigen, Höchstdrehzahlbe-

grenzung und Schiebebetrieb. Die Signale der Sensoren stehen bei diesen Betriebsbereichen in bestimmtem Zusammenhang zueinander. Das Steuergerät erkennt diese Zusammenhänge und beeinflußt die Steuersignale der Einspritzventile entsprechend.

L-Jetronic

Drehzahlerfassung Die Informationen über Drehzahl und Einspritzzeitpunkt wird bei kontaktgesteuerten Zündanlagen vom Unterbrecherkontakt im Zündverteiler, bei kontaktlos gesteuerten Zündanlagen von Klemme 1 der Zündspule an das Steuergerät der L-Jetronic geliefert (Bild 9). Luftmengenmessung Die vom Motor angesaugte Luftmenge ist ein Maß für dessen Lastzustand. Die Luftmengenmessung berücksichtigt verschiedene motorbedingte Änderungen, die während der Lebensdauer des Fahrzeugs auftreten können, wie z. B. : - Verschleiß, - Ablagerungen im Brennraum und - Änderungen der Ventileinstellung.

Da die angesaugte Luftmenge erst den Luftmengenmesser passieren muß, bevor sie in den Motor gelangt, eilt das Signal des Luftmengenmessers beim Beschleunigen der tatsächlichen Luftfüllung der Zylinder zeitlich voraus. Dies ermöglicht bei Lastwechsel die richtige Gemischanpassung zu jedem Zeitpunkt. Bild 9 Drehzahlerfassung bei kontaktgesteuerter Zündanlage. 1 Zündverteiler, 2 Steuergerät.

n MotordrehzahL

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Benzineinspritzsysteme

Luftmengen messer im Ansaugsystem. 1 Drosselklappe,

2 Luftmengenmesser, 3 AnsaugluftTemperatur-Signal zum Steuergerät,

4 Steuergerät, 5 Luftmengenmesser-Signal zum Steuergerät, 6 Luftfil ter, QLangesaugte Luftmenge , a Auslenkwi nkel.

4

6

Bild 10

Bild 11 Luftmengenmesser (Luftseite).

2

1 Kompensationsklappe, 2 Dämpfungsvolumen, 3 Bypass, 4 Stauklappe, 5 Leerlauf-Gemischeinstellschraube (Bypass).

3

4

Bild 12 Luftmengenmesser (Anschlußseite).

2

1 Zahnkranz für die Federvorspannung, 2 Rückholleder, 3 Schleiferbahn, 4 Keramikplatte mit Widerständen und Leitungszügen , 5 Schleiferabgriff, 6 Schleifer, 7 Pumpenkontakt

124

4

3

Die Stauklappe im Luftmengenmesser mißt die gesamte, vom Motor angesaugte Luftmenge. Sie dient- neben der Drehzahl - als Hauptsteuergröße zum Bilden des Lastsignals und der Grundeinspritzmenge. Luftmengenmesser Das Maßprinzip beruht auf der Messung der Kraft, die von der Strömung der angesaugten Luft entgegen der Rückstallkraft einer Feder auf eine Stauklappe wirkt. Die Klappe wird so ausgelenkt, daß zusammen mit dem Profil des Maßkanals der freie Querschnitt mit zunehmender Luftmenge immer größer wird (Bilder 10, 11 und 12). Die Änderung des freien Luftmanganmesser-Querschnitts in Abhängigkeit von der Stellung der Stauklappe wurde so gewählt, daß sich ein logarithmischer Zusammenhang zwischen Stauklappenwinkel und angesaugter Luftmenge ergibt. Man erreicht dadurch, daß bei kleinen Luftmengen, bei denen eine hohe Genauigkeit gefordert wird, die Empfindlichkeit des Luftmengenmessers groß ist. Damit die durch die Saughübe der einzelnen Zylinder angeregten Schwingungen im Ansaugsystem nur einen geringen Einfluß auf die Stellung der Stauklappe haben, ist eine Kompensationsklappe fest mit der messenden Stauklappe verbunden. Die Druckschwingungen wirken dabei gleichermaßen auf Stauklappe und Kompensationsklappe. Die ausgeübten Momente heben sich dabei auf, so daß die Messung nicht beeinflußt wird. Die Winkelstellung der Stauklappe wird von einem Potentiometer in eine elektrische Spannung umgesetzt. Das Potentiometer ist so abgeglichen, daß sich ein umgekehrt proportionaler Zusammenhang zwischen Luftmenge und abgegebener Spannung ergibt. Damit Alterung und Temperaturgang des Potentiometers keinen Einfluß auf die Genauigkeit haben, werden im Steuergerät nur Widerstandsverhältnisse ausgewertet. Zur Einstellung des Gemischverhältnisses im Leerlauf ist ein einstellbarer Bypass vorgesehen.

Kraftstoffzumessung

L-Jetronic

Das Steuergerät wertet als zentrale Einheit die von den Sensoren gelieferten Daten über den Betriebszustand des Motors aus. Es bildet daraus Steuerimpulse für die Kraftstoffzumessung durch die Einspritzventile, wobei die Menge des einzuspritzenden Kraftstoffes über die Öffnungsdauer der Einspritzventile bestimmt wird. Elektronisches Steuergerät

Aufbau Das Steuergerät der L-Jetronic befindet sich in einem Metallgehäuse, das spritzwassergeschützt und außerhalb der WärmeabstrahlunQ des Motors im Fahrzeug untergebracht ist. Die elektronischen Bauteile des Steuergerätes sind auf Leiterplatten angeordnet, die Leistungsbauteile der Endstufen befinden sich auf dem Metallrahmen des Steuergerätes, wodurch eine gute Wärmeabfuhr gewährleistet wird. Durch die Verwendung von integrierten Schaltkreisen und Hybridbausteinen ist die Zahl der verwendeten Bauteile gering. Die Zusammenfassung von Funktionsgruppen in integrierten Schaltkreisen (z. B. lmpulsformer, lmpulsteiler, DivisionsSteuer-Multivibrator, Bild 13) und Bauteilen in Hybridbausteinen steigert die Zuverlässigkeit des Steuergerätes. Die Verbindung des Steuergerätes zu den Einspritzventilen, den Sensoren und dem Bordnetz erfolgt durch einen Vielfachstecker. Die Eingangsschaltung im Steuergerät ist so ausgelegt, daß es verpol- und kurzschlußsicher ist. Für Messungen am Steuergerät und an den Sensoren stehen spezielle Bosch-Testgeräte zur Verfügung, die mit Vielfachsteckern zwischen Kabelbaum und Steuergerät geschaltet werden können. Betriebsdatenverarbeitung Drehzahl und angesaugte Luftmenge bestimmen die Grundeinspritzzeit Die Taktfrequenz der Einspritzimpulse wird aus der Motordrehzahl ermittelt.

125

Benzineinspritzsysteme

Die dazu von der Zündanlage gelieferten Impulse bereitet das Steuergerät auf. Sie durchlaufen dabei zunächst einen lmpulsformer, der aus dem in Form gedämpfter Schwingungen "angelieferten" Signal Rechteckimpulse bildet. Diese Rechteckimpulse werden einem Frequenzteiler zugeführt. Der Frequenzteiler teilt die durch die Zündfolge gegebene Impulsfrequenz so, daß unabhängig von der Zylinderzahl je Arbeitsspiel zwei Impulse entstehen. Der Impulsbeginn ist gleichzeitig der Einspritzbeginn für die Einspritzventile. Jedes Einspritzventil spritzt also pro Umdrehung der Kurbelwelle einmal, und zwar unabhängig von der Stellung des Einlaßventils. Bei geschlossenem Einlaßventil wird der Kraftstoff vorgelagert und beim nächsten Öffnen des Einlaßventiles zusammen mit der Luft in den Verbrennungsraum gesaugt. Die Einspritzdauer ist von der Luftmenge und Drehzahl abhängig.

Luftmenge QL aus (Punkt Q), so ergibt sich die theoretisch benötigte Kraftstoffmenge QK (Punkt D). Außerdem stellt sich in Abhängigkeit von der Luftmenge ein bestimmter Klappenwinkel ein (Punkt A). Das von der Stauklappe betätigte Potentiometer liefert ein Spannungssignal U s an das Steuergerät (Punkt B). Das Steuergerät steuert die Einspritzventile an, wobei der Punkt C die eingespritzte Kraftstoffmenge VE darstellt. Bild 14 Zusammenhänge zwischen Luftmenge, Klappenwinkel, Potentiometerspannung und eingespritzter Kraftstoffmenge.

Das Steuergerät wertet auch das Signal vom Potentiometer des Luftmengenmessers aus. Das Bild 14 zeigt die Zusammenhänge zwischen Luftmenge, Klappenwinkel, Potentiometerspannung und eingespritztem Kraftstoff. Geht man von einer bestimmten, durch den Luftmengenmesser strömenden

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Blockschema des Steuergerätes.

Ti Einspritz impulse, korrigiert, Tp Grundeinspritzzeit, 11 Drehzahl. Lastbereich

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Einspritzventile

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Bild 13

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Man erkennt, daß die praktisch eingespritzte und die theoretisch notwendige Kraftstoffmenge gleich sind (Linie C-D). Bildung der Einspritzimpulse (Bild 15) Die Bildung der Grundeinspritzzeit erfolgt in einer speziellen Schaltungsgruppe des Steuergerätes, dem Divisions-SteuerMultivibrator (DSM). Der Divisions-Steuer-Multivibrator bekommt vom Frequenzteiler die Dreh-

Zahlinformation n und wertet sie zusammen mit dem Luftmengensignal U s aus. Zum Zwecke der intermittierenden Kraftstoffeinspritzung verwandelt der DSM die Spannung Us in rechteckförmige Steuerimpulse. Die Dauer T P dieser Impulse bestimmt die Grundeinspritzmenge, d. h. die einzuspritzende Kraftstoffmenge je Ansaughub, ohne Berücksichtigung von Korrekturen . Deshalb bezeichnet man Tp als "Grundeinspritzzeit". Je größer die angesaugte

L-Jetronic

Bild 15 Vollständiges Impulsschema der L-Jetronic für 4-Zylinder-Motoren.

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Zündpulsfrequenz bzw. Zundfunkenzahl , 11 Motordrehzahl, Tp Grundeinspritzzeit,

Zyl. 1 Arbeitszyklus

2 3

4

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Impulsformer Ｈ｛ ｾＲｮＩ＠

Frequenzteiler

DivisionssteuerMultivibrator

Multiplizierstufe

Endstufe

! Zündzeitpunkt

Einlaßventil geöffnet

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Zündung Ｈ｛ｾ

T; Impulssteuerzeit Die wirkliche Einspritzdauer je Zyklus weicht von der Impulssteuerzeit ab, weil sowohl eine Ansprach- als auch eine Abfallverzögerung die Einspritzdauedurch verändern .

Tm Impulszeitverlängerung durch Korrekturen , T 0 Impulszeitverlängerung Spannungs· kompensation ,

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127

Benzineinspritzsysteme

Luftmenge je Ansaughub, um so länger ist die Grundeinspritzzeit Zwei Grenzfälle sind hierbei denkbar: Steigt die Motordrehzahl n unter der Voraussetzung eines konstant bleibenden Luftdurchsatzes QL. dann sinkt der absolute Druck hinter der Drosselklappe, und die Zylinder saugen pro Hub weniger Luft an, d. h. die Zylinderfüllung ist kleiner (Bilder 15 und 16). Infolgedessen ist weniger Kraftstoff zur Verbrennung erforderlich und die lmpulsdauer Tp dementsprechend kurz. Nimmt die Motorleistung und damit die pro Minute angesaugte Luftmenge bei gleichbleibender Drehzahl zu , dann nimmt auch die Zylinderfüllung zu , und es wird mehr Kraftstoff gebraucht; die lmpulsdauer Tp des DSM ist länger. Im Fahrbetrieb ändern sich Motordrehzahl und Motorleistung meist gleichzeitig, woraus der DSM laufend die Grundeinspritzzeit Tp ermittelt. Bei hoher Drehzahl ist normalerweise die Motorleistung groß (Vollast), und das bedeutet, daß

daraus im Endeffekt eine längere Impulsdauer Tp und damit mehr Kraftstoff je Einspritztakt resultieren . Die Grundeinspritzzeit wird entsprechend dem Betriebszustand des Motors durch Signale der Sensoren erweitert. Die Anpassung der Grundeinspritzzeit an die verschiedenen Betriebsbedingungen erfolgt durch die Multiplizierstufe im Steuergerät (Bild 15). Diese Stufe wird mit den Impulsen der Dauer Tp vom DSM angesteuert. Weiterhin sammelt die Multiplizierstufe zusätzliche Informationen über verschiedene Betriebszustände des Motors wie Kaltstart, Warmlauf, Vollastbetrieb usw. Hieraus errechnet sie einen Korrekturfaktor k und multipliziert ihn mit der vom DSM errechneten Grundeinspritzzeit Tp. Die sich daraus ergebende Zeit bezeichnet man mit Tm · Sie addiert sich zur Grundeinspritzzeit Tp. d. h. die Einspritzzeit wird verlängert und das LuftKraftstoff-Gemisch fetter. Tm ist somit ein Maß für die Kraftstoffanreicherung , aus

Bi ld 16 Signale und Steuergrößen am Steuergerät.

QL angesaugte Luf1menge, ÖL Lufttemperatur, 11 Motordrehzahl, P Lastbereich des Motors, ßM Motortemperatur, Ve eingespritzte Kraf1stoffmenge , QLZ Zusatzluf1menge,

Ves Startmehrmenge, Ua Bordnetzspannung. Eingangsgrößen

128

Steuergerät und Versorgung

Ausgangsgrößen

gedrückt durch einen Faktor, den man als "Anreicherungsfaktor" bezeichnet. So spritzen beispielsweise die Ventile bei großer Kälte zu Beginn der Warmlaufphase die zwei- bis dreifache Kraftstoffmenge ein (Bilder 13 und 15). Spannungskompensation Die Anzugszeit der Einspritzventile hängt stark von der Batteriespannung ab. Die sich daraus ergebende Ansprachverzögerung hätte ohne elektronische Spannungskorrektur eine zu kurze Einspritzdauer und somit eine zu kleine Einspritzmenge zur Folge. Je niedriger die Batteriespannung, desto weniger Kraftstoff bekäme der Motor. Aus diesem Grund muß eine niedrige Betriebsspannung, z. B. nach Kaltstart mit stark entladener Batterie, durch eine entsprechend gewählte Verlängerung Tu der vorberechneten Impulszeit ausgeglichen werden, damit der Motor die richtige Kraftstoffmenge bekommt. Man nennt das "Spannungskompensation". Zur Spannungskompensation gibt man die Batteriespannung als Steuergröße ins Steuergerät ein. Eine elektronische Kompensationsstufe verlängert die Ventilsteuerimpulse gerade um den Betrag Tu der spannungsabhängigen Ansprachverzögerung der Einspritzventile. Die Gesamtdauer der Einspritzimpulse T; besteht damit aus der Summe von Tp. Tm und Tu (Bild 15). Verstärkung der Einspritzimpulse Die von der Multiplizierstufe gebildeten Einspritzimpulse werden in einer nachfolgenden Endstufe verstärkt. Diese verstärkten Impulse steuern die Einspritzventile an. Sämtliche Einspritzventile des Motors öffnen und schließen gleichzeitig. Mit jedem Ventil ist ein Vorwiderstand als Strombegrenzer in Reihe geschaltet. Die Endstufe der L-Jetronic versorgt drei oder vier Ventile gleichzeitig mit Strom. Steuergeräte für 6-Zylinder- und 8-Zylinder-Motoren haben zwei Endstufen mit je drei bzw. vier Einspritzventilen. Seide Endstufen arbeiten im Gleichtakt Der Einspritztakt ist so gewählt, daß je

L-Jetronic

Gemischbildung. lntermiltierende Einspritzung vor das Einlaßventil des Motors.

Bild 17

Nockenwellenumdrehung zweimal die Hälfte des Kraftstoffs eingespritzt wird, den jeder Arbeitszylinder benötigt. Neben der Ansteuerung der Einspritzventile über Vorwiderstände gibt es Steuergeräte mit geregelter Endstufe. Bei diesen Steuergeräten werden die Einspritzventile ohne Vorwiderstände betrieben. Die Ansteuerung der Einspritzventile geschieht dabei wie folgt: Sobald bei Impulsbeginn die Ventilanker angezogen worden sind, wird der Ventilstrom für den Rest der Impulsdauer auf einen bedeutend schwächeren Strom, den Haltestrom, abgeregelt. Da diese Ventile am Impulsbeginn mit sehr hohem Strom eingeschaltet werden, erhält man kurze Ansprechzeiten . Durch die nach dem Einschalten zurückgeregelte Stromstärke wird die Endstufe weniger belastet. Man kann dadurch bis zu 12 Ventile mit einer Endstufe schalten. Gemischbildung Die Gemischbildung erfolgt im Saugrohr und im Zylinder des Motors. Der von den Einspritzventilen intermittierend eingespritzte Kraftstoff wird dem Einlaßventil des Motors vorgelagert. Beim Öffnen des Einlaßventils reißt die angesaugte Luftmenge die Kraftstoffwolke mit und bewirkt durch Verwirbelung während des Ansaugtaktes die Bildung eines zündfähigen Gemisches (Bild 17).

129

Benzineinspritzsysteme

Anpassung an Betriebszustände Über die bisher beschriebene Grundfunktion hinaus erfordern bestimmte Betriebszustände korrigierende Eingriffe in die Gemischbildung, um die Leistung, die Abgaszusammensetzung und das Startverhalten sowie das Fahrverhalten zu verbessern. Durch zusätzliche Sensoren für die Motortemperatur und die Drosselklappenstellung (Lastsignal) kann das Steuergerät der L-Jetronic diese Anpassungsaufgaben erfüllen. Die Kennlinie des Luftmengenmessers bestimmt motorspezifisch die Kraftstoff-Bedarfskennlinie für alle Betriebsbereiche. Kaltstartanreicherung Abhängig von der Motortemperatur spritzt das Kaltstartventil während des Startens zeitlich begrenzt eine zusätzliche Menge Kraftstoff ein. Dies geschieht, um beim Kaltstart die Kondensationsverluste des Kraftstoffanteils im angesaugten Gemisch auszugleichen und das Anspringen des kalten Motors zu erleichtern. Das Einspritzen dieser zusätzlichen Kraftstoffmenge erfolgt durch das Kaltstartventil in das Sammelsaugrohr. Die Einschaltdauer des Kaltstartventils wird von einem Thermozeitschalter in Abhängigkeit von der Motortemperatur zeitlich begrenzt. Der beschriebene Vorgang wird Kalt-

startanreicherung genannt. Bei der Kaltstartanreicherung wird das Gemisch ,,fetter", d. h. die Luftzahl 'A ist vorübergehend kleiner als 1. Für die Kaltstartanreicherung gibt es zwei Methoden: - Startsteuerung durch Steuergerät und Einspritzventile (Bild 18) oder - Steuerung über Thermozeitschalter und Kaltstartventil (Bild 19). Startsteuerung Durch Verlängerung der Einspritzdauer der Einspritzventile wird während der Startphase mehr Kraftstoff eingespritzt. Die Startsteuerung wird im Steuergerät nach Auswertung der Signale vom ZündStart-Schalter und dem Motortemperatursensor aktiviert. Aufbau und Wirkungsweise des Temperatursensors sind im Abschnitt "Warmlaufanreicherung" beschrieben. Kaltstartventil Das Kaltstartventil (Bild 20) ist ein elektromagnetisch betätigtes Ventil. Im Ventil sitzt die Wicklung des Elektromagneten. ln Ruhestellung preßt eine Feder den beweglichen Anker des Elektromagneten gegen eine Dichtung und verschließt damit das Ventil. Beim Erregen des Elektromagneten gibt der nunmehr vom Ventilsitz abgehobene Magnetanker den Kraftstoffdurchfluß frei. Der Kraftstoff gelangt tangential in eine Bild 19

Bild 18 Startanreicherung durch Startsteuerung.

Startanreicherung durch Kaltstartventil.

1 Motortemperatursensor, 2 Steuergerät, 3 Ein spritzventile, 4 Zünd-Start-Schalter.

1 Kaltstartventil , 2 Thermozeitschalter, 3 Re laiskombination , 4 Zünd-Start-Schalter.

2

4

130

4

Kaltstartventil betätigt. 1 Elektrischer Anschluß, 2 Kraftstoffzufluß mit Filtersieb, 3 Ventil (Magnetanker),

Thermozeitschalter. 4 Magnetwicklung, 5 Dralldüse. 6 Ventilsitz.

L-Jetronic

1 Elektrischer Anschluß, 2 Gehäuse, 3 Bimetall, 4 Heizwicklung, 5 elektrischer Kontakt.

2-

Bild20

Düse, die dem Strahl einen Drall verleiht. Die Dralldüse zerstäubt den Kraftstoff besonders fein und reichert die Luft im Sammalsaugrohr hinter der Drosselklappe mit Kraftstoff an. Das Kaltstartventil ist so an das Sammalsaugrohr angebaut, daß eine günstige Verteilung des Luft-Kraftstoff-Gemisches auf alle Zylinder gegeben ist. Thermozeitschalter Der Thermozeitschalter begrenzt zeitund temperaturabhängig die Einspritzzeit des Kaltstartventils. Der Thermozeitschalter (Bild 21) besteht aus einem elektrisch beheizten Bimetallstreifen, der in Abhängigkeit von seiner Temperatur einen Kontakt öffnet oder schließt. Die Ansteuerung erfolgt über den ZündStart-Schalter. Der Thermozeitschalter ist an einer für die Motortemperatur repräsentativen Stelle befestigt. Der Thermozeitschalter begrenzt beim Kaltstart die Einschaltdauer des Kaltstartventils. Bei länger dauerndem Startvorgang oder

Bild 21

wiederholtarn Startversuch spritzt das Kaltstartventil nicht mehr ein. Die Einschaltdauer ist dabei abhängig von der Erwärmung des Thermozeitschalters durch die Motorwärme und durch die in ihm selbst befindliche elektrische Heizung. Diese Eigenheizung ist erforderlich, um die Einschaltdauer des Kaltstartventils zu begrenzen und um das Gemisch nicht zu stark anzureichern, damit der Motor nicht "absäuft". Beim Kaltstart ist für das Bemessen der Einschaltdauer hauptsächlich die Leistung der Heizwicklungen maßgebend (Abschaltung z. B. bei -20 °C nach ca. 7,5 Sekunden). Bei betriebswarmem Motor erwärmt sich der Thermozeitschalter durch die Motorwärme so weit, daß er ständig geöffnet ist und ein Einschalten des Kaltstartventils verhindert. Nachstart- und Warmlaufanreicherung Während des Warmlaufs erhält der Motor mehr Kraftstoff zugeteilt. An den Kaltstart schließt sich die Warrnlaufphase des Motors an. Der Motor

131

Benzineinspritzsysteme

benötigt in diesem Bereich eine beträchtliche Warmlaufanreicherung, weil ein Teil des Kraftstoffes an den noch kalten Zylinderwandungen kondensiert. Außerdem würde sich ohne zusätzliche Kraftstoffanreicherung nach dem Wegfallen der vom Kaltstartventil eingespritzten zusätzlichen Kraftstoffmenge ein erheblicher Drehzahlabfall bemerkbar machen. Unmittelbar nach dem Start (z . B. bei -20 ac) muß je nach Motortyp zwei- bis dreimal soviel Kraftstoff wie im betriebswarmen Zustand eingespritzt werden . ln diesem ersten Teil der Warmlaufphase (Nachstart) muß eine zeitabhängige Anreicherung erfolgen, die Nachstartanhebung. Die erforderliche Dauer liegt bei etwa 30 Sekunden. Die Anreicherung erfordert je nach Temperatur zwischen 30 % und 60 % Mehrmenge.

Motortemperatursensor Der Motortemperatursensor mißt die Motortemperatur und gibt ein elektrisches Signal an das Steuergerät. Der Temperatursensor (Bild 23) ist bei luftgekühlten Motoren in den Motorblock eingeschraubt. Bei wassergekühlten Motoren ragt er in das Kühlmittel.

Nach Ablauf der Nachstartanhebung benötigt der Motor nur noch eine geringe Anreicherung , die über die Motortemperatur abgeregelt wird . Das Diagramm (Bild 22) zeigt einen typischen Verlauf der Anreicherung über der Zeit bei einer Starttemperatur von 22 ac . Um

Der Sensor "meldet" den der jeweiligen Temperatur entsprechenden elektrischen Widerstand an das Steuergerät, das die einzuspritzende Kraftstoffmenge im Nachstart und beim Warmlaufen des Motors anpaßt. Der Temperatursensor besteht aus einem NTC-Widerstand, der in eine Gewindehülse eingebettet ist. NTC bedeutet Negativer TemperaturCoeffizient und charakterisiert damit seine Eigenschaft: Der aus einem Halbleitermaterial hergestellte Widerstand verringert bei steigender Temperatur seinen elektrischen Widerstand .

Bild22

Bild 23

Verlauf der Wa rmlaufanreicherung.

Motortemperatursensor.

Anreicherungsfaktor F als Funktion der Zeit, a überwiegend zeitabhängiger Anteil, b motortemperaturabhängiger Anteil.

1 Elektrischer Anschluß, 2 Gehäuse, 3 NTC-Widerstand.

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192

Der Fliehkraftzündversteller erzeugt über der Drehzahl eine Zündwinkelverstellung in Richtung "früh". Unter der Annahme konstanter Füllung und Gemischaufbereitung ergibt sich eine feste Zeitdauer zur Entflammung und zum Durchbrennen des Gemisches. Diese feste Zeitdauer bedingt bei erhöhter Drehzahl eine entsprechend frühere Erzeugung des Zündfunkens. Der Verlauf einer Zündverteilerkennlinie wird in der Praxis aber mit der Klopfgrenze und der Veränderung der Gemischzusammensetzung zusätzlich beeinflußt. Der Unterdruckzündversteller berücksichtigt den Lastzustand des Motors, weil die Entflamm- und Durchbrenngeschwindigkeit des Frischgases am Zylinder stark von der Füllung im Zylinder abhängt. Die Drehzahl- bzw. Fliehkraftverstellung und die Unterdruck- bzw. Lastverstellung sind mechanisch so miteinander verknüpft, daß sich beide Verstellungen addieren (Bild 6) . Bild 7

Beispiel einer Gesamtzündverstellung aus drehzahlabhängiger und saug rohrdruckabhängiger Verstellung.

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Zündversteller

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Unterdruckzündversteller mit Früh- und Spätverstellsystem. a Verstellweg "früh" bis zum Anschlag, b Verstellweg "spät" bis zum Anschlag. 1 Zündverteiler, 2 Unterbrecherscheibe, 3 Membran, 4 Spätdose, 5 Frühdose, 6 Unterdruckdose, 7 Drosselklappe, 8 Saugrohr.

7

Spulenzündung

8

Bild 8

Fliehkraftzündversteller Der Fliehkraftzündversteller verstellt den Zündzeitpunkt in Abhängigkeit von der MotordrehzahL Die mit der Verteilerwelle umlaufende Achsplatte trägt die Fliehgewichte. Mit steigender Drehzahl bewegen sich die Fliehgewichte nach außen. Sie verdrehen den Mitnehmer über die Wälzbahn gegen die Verteilerwelle in Drehrichtung. Dadurch verdreht sich auch der Zündnocken gegen die Verteilerwelle um den Zündverstellwinkel az. Um diesen Winkel wird der Zündzeitpunkt vorverlegt (Bild 7). Unterdruckzündversteller Der Unterdruckzündversteller verstellt den Zündzeitpunkt in Abhängigkeit von der Motorleistung bzw. Motorbelastung. Als Maß für diese Zündverstellung dient der Unterdruck im Saugrohr nahe der Drosselklappe. Der Unterdruck wird einer oder zwei Membrandosen zugeführt (Bild 8). "Früh"-Verstellsystem Je kleiner die Belastung, desto früher muß das Luft-Kraftstoff-Gemisch gezündet werden, weil es langsamer verbrennt. Der Anteil verbrannter, aber nicht ausgeschobener Restgase im Brennraum nimmt zu, und das Gemisch magert ab.

Der Unterdruck für die Frühverstellung wird vom Saugrohr abgenommen. Mit abnehmender Motorbelastung steigt der Unterdruck in der Frühdose und bewirkt eine Bewegung der Membran samt Zugstange nach rechts (Bild 8). Die Zugstange verdreht die Unterbrecherscheibe entgegen der Drehrichtung der Zündverteilerwelle. Durch diese Bewegung wird der Zündzeitpunkt noch mehr vorverlegt, d. h. in Richtung "früh" verstellt. "Spät"-Verstellsystem Der Unterdruck im Saugrohr wird in diesem Fall hinter der Drosselklappe abgenommen. Mit Hilfe der ringförmigen "Spätdose" wird der Zündzeitpunkt bei bestimmten Motorzuständen (z. B. Leerlauf, Schiebebetrieb) zur Abgasverbesserung zurückgenommen, d. h. in Richtung "spät" verstellt. Die Ringmembran bewegt sich samt Zugstange nach links, sobald Unterdruck herrscht. Die Zugstange verdreht die Unterbrecherscheibe einschließlich Unterbrecher in Drehrichtung der Zündverteilerwelle . Das Spätverstellsystem ist dem Frühverstellsystem untergeordnet: Gleichzeitiger Unterdruck in beiden Dosen bewirkt die erforderliche Teillastverstellung in Richtung "früh". 193

Zündsyteme

Kontaktgesteuerte Transistorzündung TZ-K Der Zündverteiler der kontaktgesteuerten Transistorzündung (TZ-K) ist identisch mit dem Zündverteiler der kontaktgesteuerten Spulenzündung (SZ). Da der Kontakt in Verbindung mit einer Transistorzündanlage arbeitet, muß der Zündunterbrecher jedoch nicht mehr den Primärstrom schalten, sondern nur noch den Steuerstrom für die Transistorzündung. Die Transistorzündung selbst spielt die Rolle eines Stromverstärkers und schaltet über einen Zündtransistor (meistens ein Darlington-Transistor) den Primärstrom. Die Beschaltung des Kontaktes und die Funktion einer einfachen TZ-K sind zum leichteren Verständnis einer kontaktgesteuerten Spulenzündung gegenübergestellt.

Funktionsprinzip Die Bilder 2 und 3 zeigen deutlich, daß die kontaktgesteuerte Transistorzündung aus der herkömmlichen, nichtelektronischen Spulenzündung hervorgegangen ist: Der Transistor T tritt als Leistungsschalter an die Stelle des Unterbrechers und übernimmt dessen Schaltfunktion im Primärstromkreis der Zündanlage. Da aber der Transistor Relaiseigenschaft hat, muß er wie das Relais zum Schalten veranlaßt werden, und das kann beispielsweise nach Bild 2 mit einem Steuerschalter geschehen. Derartige Transistorzündanlagen bezeichnet man deshalb als kontaktgesteuert.

durch die Primärwicklung L 1 der Zündspule fließen. Ist aber der Kontakt des Unterbrechers offen, so fließt kein Steuerstrom in die Basis, und der Transistor ist elektrisch nicht leitend; er sperrt somit den Primärstrom und entspricht in diesem Zustand einem Schalter in Schaltstellung "Aus". Vorteile Die kontaktgesteuerte Transistorzündung hat gegenüber der kontaktgesteuerten Spulenzündung zwei wesentliche Vorteile: - Steigerung des Primärstroms und - wesentlich längere Standzeit des Kontaktes. Bild 1 Hochspannungsangebotder Zündspule an die Zündkerze in Abhängigkeit von der Funkenzahl bzw. Drehzahl (Vierzylinder-Motor). a Zündspule mit Grenzfunkenzahl1 2000 min- '. b Hochleistungszündspule mit Grenzfunkenzahl 21000 min- '. Uz Zündspannung, t!iU Mindestspannungsreserve. Raster11äche: Bereich für aussetzer1reien Betrieb.

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194

ln Transistorzündanlagen von Bosch hat der nockenbetätigte Unterbrecher die Funktion dieses Steuerschalters. Ist der Kontakt geschlossen, so fließt ein Steuerstrom / 5 in die Basis B und der Transistor ist zwischen Emitter E und Kollektor C elektrisch leitend. ln diesem Zustand entspricht er einem Schalter in Schaltstellung "Ein", und es kann Strom

Mit der Verwendung eines Schalttransistors kann der Primärstrom gesteigert werden, denn ein mechanischer Kontakt kann über längere Zeit und mit der notwendigen Frequenz nur Ströme bis zu 5A schalten. Da der Primärstrom in die gespeicherte Energie quadratisch eingeht, erhöht sich die Leistung der Zünd-

Der Abreißfunke bewirkt, besonders bei niedriger Drehzahl und im Startfall, daß die zur Verfügung stehende Energie verringert und der Spannungsanstieg der Hochspannung verzögert wird. Das Kontaktprellen tritt dagegen bei hohen Drehzahlen durch die hohe Schaltfrequenz des Kontakts störend auf. Der Kontakt prellt beim Schließen und lädt dadurch die Zündspule gerade zu einem Zeitpunkt weniger stark auf, bei dem die Schließdauer ohnehin verringert ist. Die erste nachteilige Eigenschaft des Zündunterbrechers entfällt bei der kontaktgesteuerten Transistorzündung, die zweite nicht.

spule und damit sämtliche Hochspannungsdaten wie Spannungsangebot, Funkendauer und Funkenstrom. Deshalb benötigt eine kontaktgesteuerte Transistorzündung neben dem Zündschaltgerät auch eine spezielle Zündspule. Eine bedeutend längere Standzeit der TZ-K ergibt sich durch die Entlastung des Zündunterbrechers von den hohen Strömen. Außerdem treten zwei Probleme nicht mehr auf, die das Spannungsangebot von kontaktgesteuerten Spulenzündungen undefiniert senken: das Kontaktprellen und der Abreißfunke, der durch die Induktivität der Zündspule verursacht wird.

Transistorzündung

Bild2 Vergleich einer herkömmlichen Spulenzündung (SZ) mit einer kontaktgesteuerten Transistorzündung (TZ-K).

3

Oben: Schaltplan der SZ. Der Unterbrecher ist Leistungs- und Steuerschalter in einem. Unten: vereinfachter Schaltplan der TZ-K. 1 Batterie, 2 Zünd-Start-Schalter, 3 Vorwiderstand, 4 Schalter zur Startanhebung, 5 Zündspule mit Primärwicklung L 1 und Sekundärwicklung L 2 , 6 Zündkondensator, 7 Unterbrecher (Steuerschalter), 8 Zündverteiler, 9 Zündkerzen, 10 Elektronik mit Widerständen des Spannungsteilers R1, R2 und Transistor T.

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195

Zündsysteme

Schaltung Bei einer kontaktgesteuerten Transistorzündung wird das Zündschaltgerät (Steuergerät) zwischen die Klemme 1 des Zündverteilers (d. h. den Zündunterbrecher) und die Klemme 1 der Zündspule geschaltet (Bild 3). Zusätzlich benötigt das Zündschaltgerät noch eine eigene Klemme 15 für seine Stromversorgung und einen Masseanschluß 31 . Die Stromversorgung der Primärseite der Zündspule erfolgt über ein Paar von Vorwiderständen , die normalerweise in Reihe geschaltet sind. Im Startfall wird der linke Vorwiderstand durch die Klemme 50 am Starter überbrückt. Dadurch liegt eine höhere Versorgungsspannung über dem rechten Vorwiderstand an der Zündspule. Sie kompensiert die Nachteile, die durch den Startvorgang und die Absenkung der Batteriespannung entstehen. Vorwiderstände dienen dazu, bei niederohmigen, schnell aufladbaren Zündspulen den Primärstrom zu begrenzen. Sie verhindern dadurch besonders bei niedrigen Drehzahlen ein Überlasten der Zünd-

spule und schonen den Zündunterbrecherkontakt, da der Schließwinkel nach wie vor mit den Zündverteilernocken erzeugt wird . Da die Zündspule eigentlich eine konstante Zeit zum Aufladen benötigt, aber nicht mit einem festen Schließwinkel arbeitet, steht bei niedrigen Drehzahlen zuviel Zeit und bei hohen Drehzahlen zu wenig Zeit zum Aufladen zur Verfügung. Vorwiderstände und eine schnell aufladbare Zündspule erlauben eine Optimierung über dem gesamten Betriebsbereich. Bei älteren Fahrzeugen gehörte die TZ-K .noch zur Erstausrüstung. Sie wurde inzwischen von der Transistorzündung mit wartungsfreien Auslösesystemen verdrängt. Als Nachrüstlösung ist die TZ-K aber sehr gut dafür geeignet, bei Fahrzeugen mit serienmäßig kontaktgesteuerter Spulenzündung die Zündungseigenschaften spürbar zu verbessern. Deshalb empfiehlt sich eine Nachrüstung bei allgemeinen Zündungsproblemen, speziell bei Startschwierigkeiten und ausgeprägtem Kurzstreckenbetrieb.

Bild 3 Bauteile und Ansc hlußplan der TZ-K. 1 Batte rie, 2 Zünd-Start-Schalter, 3 Zündschaltgerät, 4 Vorwiderstände, 5 Leitungsanschluß zum Starter, 6 Zündspule, 7 Zündvertei ler, 8 Zündkerzen. I Primärstrom, 1, Steuerstrom.

BOSCH 196

5

Transistorzündung mit Hall-Geber TZ-H Neben der kontaktgesteuerten Transistorzündung (TZ-K) gibt es noch zwei Versionen einer Transistorzündung mit Haii-Auslösesystem (TZ-H). Bei der einen Ausführung wird der Schließwinkel durch die Gestalt des Rotors im Zündverteiler bestimmt. Die andere Ausführung enthält ein Steuergerät, das in Hybridtechnik aufgebaut ist und den Schließwinkel automatisch regelt. Eine zusätzliche Strombegrenzung mit einer besonders leistungsfähigen Zündspule machen diese Version zu einer ausgesprochenen Hochleistungszündanlage.

lenkt: Bei A 1 entsteht ein ElektronenüberschuB und bei A 2 ein Elektronenmangel, d. h. zwischen A 1 und A 2 tritt die Hall-Spannung auf. Dieser sogenannte Hall-Effekt ist bei Halbleitern besonders ausgeprägt (Bild 1).

Hall-Geber

Bewegen sich Elektronen in einem Leiter, der von den Kraftlinien eines Magnetfeldes durchsetzt ist, so werden die Elektronen senkrecht zur Stromrichtung und senkrecht zur Magnetfeldrichtung abge-

Dreht sich die Zündverteilerwelle, so laufen die Blenden des Rotors berührungslos durch den Luftspalt der Magnetschranke. Ist der Luftspalt frei, so wird der eingebaute IC und mit ihm die Hall-Schicht vom Magnetfeld durchsetzt (Bild 2). An der Hall-Schicht ist die magnetische Flußdichte B hoch, und die Hall-Spannung UH hat ein Maximum. Der Hall-IG ist eingeschaltet. Sobald eine der Blenden in den Luftspalt eintaucht, verläuft der Magnetfluß großenteils im Blendenbereich und wird auf diese Weise vom IC ferngehalten . Die Flußdichte an der Hall-Schicht verschwindet bis auf einen kleinen Rest, der vom Streufeld herrührt. Die Spannung UH erreicht ein Minimum.

Bild 1

Bild2

Hall-Effekt

Hall-Effekt.

Hall-Geber im Zündverteiler.

B Flußdichte des Magnetfelds, I H Hall-Strom,

Oben: Prinzip, unten: Geberspannung UG (umgeformte Hall-Spannung). 1 Blende mit Breite h, 2 weichmagnetische Leitstücke mit Dauermagnet, 3 Haii-IC, 4 Luflspalt.

lv Versorgungsstrom , UH Hall-Spannung, d Dicke.

Transistorzündung

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197

Zündsysteme

Der Hall-Geber ist im Zündverteiler untergebracht. Die Magnetschranke ist auf die bewegliche Trägerplatte montiert. Der Haii-IC sitzt auf einem Keramikträger und ist mit einem der Leitstücke zum Schutz gegen Feuchtigkeit, Versehrnutzung und mechanische Beschädigung in Kunststoff eingegossen. Leitstücke und Blendenrotor bestehen aus einem weichmagnetischen Werkstoff. Blendenrotor und Verteilerläufer sind bei der Nachrüstausführung ein Bauteil. Die Anzahl der Blenden ist gleich der Anzahl der Zylinder. Die Breite b der einzelnen Blenden kann je nach Zündschaltgerät den maximalen Schließwinkel dieses Zündsystems bestimmen. Der Schließwinkel bleibt demnach über die gesamte Lebensdauer des Hall-Gebers konstant; eine Schließwinkeleinstellung entfällt also. Arbeitsprinzip und Bauweise des Hall-Gebers erlauben eine Einstellung der Zündung am stehenden Motor, sofern keine Ruhestromabschaltung vorgesehen ist.

Eine Umrüstung von konventioneller Zündung auf kontaktlose Zündung ist bei bestimmter Ausrüstung unter genauer Beachtung der Einbauanleitung ohne weiteres möglich (Bild 4). Der BoschKundendienst gibt Auskunft.

Strom- und Schließwinkelregelung Hochleistungszündanlagen arbeiten mit Zündspulen, die sich sehr schnell aufladen. Dazu wird der ohmsehe Widerstand der Primärwicklung auf unter 1Q gesenkt. Das Signal einer Hall-Schranke im Zündverteiler entspricht im Informationsgehalt dem Signal eines Zündunterbrecherkontaktes. Im einen Fall wird der Schließwinkel durch den Zündnocken und im anderen Fall das Tastverhältnis durch die Rotorblende vorgegeben. Eine schnell aufladbare Zündspule kann nicht mit einem festen Schließwinkel arbeiten. Deshalb müssen zwei Maßnahmen zum Schutz der Zündspule ergriffen werden: eine Primär-

Bild 3 Schließwinkeländerung durch Triggerpegelverschiebung bei Hall-Geber. a Schließwinkel S 1 in Ordnung, b Schließwinkel S2 zu klein, c Schließwinkel S3 zu groß, 11 ... 13 Zeit für Endstufe leitend, 11 Strombegrenzungszeit in Ordnung, t3• Strombegrenzungszeit zu groß.

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Stromregelung und eine Schließwinkelregelung (Bild 3). Funktion der Stromregelung Die Primärstromregelung dient dazu, den Strom durch die Zündspule und damit den Aufbau der Energie auf ein testgelegtes Maß zu begrenzen. Zur Abdeckung der dynamischen Verhältnisse beim Beschleunigen des Motors ist ein gewisser zeitlicher Vorhalt nötig. Das bedeutet, daß die Zündspule bereits einige Zeit vor dem Zündzeitpunkt ihren Sollstrom erreicht. in dieser Stromregelphase arbeitet der Zündtransistor in seinem aktiven Bereich. Am Transistor fällt mehr Spannung

als im reinen Schalterbetrieb ab. Dadurch entsteht eine höhere Verlustleistung, die im Bereich von 20 bis 30 W liegen kann. Zur Minimierung der Verlustleistung und zur Einstellung des geeigneten Schließwinkels ist deshalb eine Schließwinkelregelung nötig (eigentlich Schließzeitregelung, da die Aufladung der Spule zeitbestimmt ist).

Transistorzündung

Funktion der Schließwinkelregelung Da in der Analogtechnik Regelvorgänge einfach durch Verschieben von Spannungsschwellwerten durchzuführen sind, wird das Rechtecksignal des Hall-Gebers mit Hilfe der Auf- und Entladung von Kondensatoren zuerst in ein Rampen-

Bild 4

Zündverteiler mit Hall-Geber (Nachrüstausführung). 1 Blenden, 2 Magnetschranke, 3 Leitstück, 4 Luftspalt, 5 Keramikträger mit Hall-IG (vergossen), 6 dreiadrige Geberleitung, 7 Zündverteilerwelle, 8 Trägerplatte, 9 Verteilergehäuse, 10 Verteilerläufer.

199

Zündsysteme

Steuergerät (Scha llgerät) mit Endstufe für Strom· und Schlleßwinkelregelung.

BildS

signal umgewandelt. Das Tastverhältnis des Hall-Gebers beträgt zwischen zwei Zündzeitpunkten 30 :70. Am Ende der 70% entsprechenden Blendenbreite liegt der durch das Verstellen des Zündverteilers bestimmte Zündzeitpunkt Die Regelung ist so eingestellt, daß die Stromregelzeit t 1 genau dem nötigen dynamischen Vorhalt entspricht. Aus dem Wert von t 1 wird eine Spannung gebildet und mit der abfallenden Rampe der Rampenspannung verglichen . Am Kreuzungspunkt "EIN" wird der Primärstrom eingeschaltet, der Schließwinkel beginnt. Auf diese Weise kann durch Veränderung der aus der Stromregelzeit abgeleiteten Spannung der Einschaltpunkt des Schließwinkels Bild6 Schaltung des Steuergeräts in Hybridtechnik.

200

durch Verschieben des Kreuzungspunktes auf der Rampenspannung beliebig variiert werden . Somit ergibt sich für jeden Betriebsbereich der richtige Schließwinkel. Da die Strom- und Schließwinkelregelung direkt von Strom und Zeit abhängen, werden die Effekte veränderlicher Batteriespannung und Temperatureffekte oder sonstige Zündspulenteleranzen ausgeregelt Das macht diese Zündanlagen besonders kaltstartgeeignet Da durch die Form des Hall-Signals bei stehendem Motor und eingeschaltetem Zünd-Start-Schalter Primärstrom fließen kann, sind die Steuergeräte mit einer Zusatzschaltung ausgerüstet, die diesen "Ruhestrom" nach einiger Zeit abschaltet.

Steuergerät Stromgeregelte und schließwinkelgeregelte Transistorzündungen sind fast ausschließlich in Hybridtechnik ausgeführt. Dadurch bietet es sich an, die kompakten und leichten Steuergeräte (Bild 5) z. B. mit der Zündspule zu einem Aggregat zusammenzubauen. Wegen der in der Zündspule und im TZ-Steuergerät entstehenden Verlustleistung ist eine ausreichende Kühlung und ein guter thermischer Kontakt zur Karosserie erforderlich.

Transistorzündung mit Induktionsgeber TZ-I Die Transistorzündung mit Induktionsgeber (TZ-I) ist wie die Zündung mit HallGeber eine Hochleistungszündanlage. Seide Zündsysteme unterscheiden sich nur geringfügig. Die TZ-I hat gegenüber derTZ-H bei hohen Drehzahlen zwischen tatsächlichem Zündzeitpunkt und der Aus-Flanke der Geberspannung mehr Phasenverschiebung. Das ist im Induktivgeber der TZ-I begründet, der einen elektrischen Wechselstromgenerator darstellt und durch die Belastung mit dem Steuergerät eine zusätzliche Phasenverschiebung aufweist. ln einigen Fällen ist dieser Effekt zur Korrektur der Kennlinien gegen Klopfen sogar erwünscht. Die TZ-I weist, bedingt durch den symmetrischen Geberaufbau, ein geringeres "Funkenpendeln" im Vergleich zur HallSchranke der TZ-H mit ihrer zur Drehachse asymmetrischen Anordnung auf.

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Transistorzündung

Frequenz bzw. Funkenzahl (min- 1),

z Zylinderzahl, n Motordrehzahl (min-1).

Konstruktionsmerkmale Der Induktionsgeber ist im Gehäuse des Zündverteilers anstelle des Zündunterbrechers untergebracht (Bild 1). Äußerlich verrät nur die steckbare zweiadrige Geberleitung, daß es sich um einen Zündverteiler mit einem Induktionsgeber handelt. Der weichmagnetische Kern der Induktionswicklung hat die Form einer Kreisscheibe, "Polscheibe" genannt. Die Polscheibe trägt an der Außenseite z. B. rechtwinklig nach oben abgebogene Statorzacken. Dementsprechend hat der Rotor nach unten abgebogene Zacken. Das Impulsgeberrad - dem Zündnocken des Unterbrechers vergleichbar - sitzt fest auf der Hohlwelle, welche die Verteilerwelle umschließt. Die Zackenzahl von Geberrad und Polscheibe stimmt in der Regel mit der Zylinderzahl des Motors überein. Feste und bewegliche Zacken Bild 1

Induktionsgeber Dauermagnet, Induktionswicklung und Kern des Induktionsgebers bilden eine feste geschlossene Baueinheit, den "Stator". Gegenüber dieser festen Anordnung dreht sich das auf der Zündverteilerwelle sitzende lmpulsgeberrad, "Rotor" genannt. Kern und Rotor sind aus einem weichmagnetischen Stahl gefertigt; sie haben zackenförmige Fortsätze (Statorzacken, Rotorzacken). Das Funktionsprinzip besteht darin, daß sich der Luftspalt zwischen Rotor- und Statorzacken beim Drehen des Rotors periodisch ändert. Mit ihm ändert sich der magnetische Kraftfluß. Die Flußänderung induziert in der Induktionswicklung eine Wechselspannung. Die Scheitelspannung ± 0 hängt von der Drehzahl ab: ca. 0,5 V bei niedriger und ca. 100 V bei hoher Drehzahl. Die Frequenz f dieser Wechselspannung entspricht der Funkenzahl pro Minute.

Zündverteiler mit lnduktionsgeber. Oben: Prinzip, unten: lnduktionsspannung. 1 Dauermagnet, 2 Induktionswicklung mit Kern, 3 veränderlicher Luftspalt, 4 Rotor.

Zeit--+

201

Zündsysteme

haben in direkter Gegenüberstellung einen Abstand von ungefähr 0,5 mm.

Strom- und Schließwinkelregelung Strom- und Schließwinkelregelung laufen bei der TZ-I ähnlich ab wie bei der TZ-H. Allerdings erfordern sie im allgemeinen weniger Aufwand, da normalerweise keine Rampenspannung erzeugt werden muß, auf der der Einschaltzeitpunkt des Schließwinkels verschoben wird. Statt dessen eignet sich das Signal des Induktionsgebers selbst als Spannungsrampe, aus der durch Vergleich mit einem der Stromregelzeit entsprechenden Spannungssignal der Einschaltzeitpunkt des Schließwinkels bestimmt wird (Bild 2). Funktion der Stromregelung Die Stromregelung arbeitet zunächst mit einer Erfassung des Stromes durch die Messung des Spannungsabfalls an ei-

nem niederohmigen Widerstand in der Emitterleitung des Zündtransistors. Über eine Strombegrenzungs-Regelschaltung wird direkt die Treiberstufe des Zündtransistors (Darlington-Transistor) angesteuert. Funktion der Schließwinkelregelung Die Schließwinkelregelung arbeitet mit der gleichen Meßspannung, führt diese aber einem eigenen Regelkreis zu. Durch die Bewertung der Zeit, in der sich der Transistor in Stromregelung befindet, läßt sich die gegebenenfalls nötige Korrektur des Schließwinkels ableiten.

Steuergerät Steuergeräte von Hochleistungszündsystemen TZ-I sind fast ausschließlich in Hybridtechnik aufgebaut, denn sie vereinigen hohe Packungsdichte mit niedrigem Gewicht und guter Zuverlässigkeit. Falls geringe Leistungsdaten zulässig sind, kann auf die Schließwinkelregelung

Bild 2

Schließwinkeländerung durch Triggerpegelverschiebung bei lnduktionsgeber. a Schließwinkel S 1 in Ordnung, b Schließwinkel S 2 zu klein, c Schließwinkel S3 zu groß, t 1 ... t 3 Zeit für Endstufe leitend, t1 • Strombegrenzungszeit in Ordnung, t3 • Strombegrenzungszeit zu groß.

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202

Transistorzündung

Anlage mit kontaktlos gesteuerter Transistorzündung {TZ). 1 Zündkerze, 2 Lambda-Sonde, 3 Zündverteiler mit Fliehkraft- und Unterdruckverstellung sowie Induktions- oder Hall-Geber (altemativ), 4 Zündspule, 5 Steuergerät (Schaltgerät), 6 Zünd-Start-Schalter, 7 zur Batterie.

und eventuell auch auf die Stromregelung verzichtet werden. Da das Steuerlastverhältnis des ausgewerteten Gebersignals bei TZ-I-Anlagen mit abnehmender Drehzahl kleiner wird, können TZ-I-Steuergeräte in einzelnen Anwendungen kleiner gebaut werden und eignen sich somit besonders gut zu einem

direkten Anbau an das Gehäuse eines Zündverteilers. Dadurch läßt sich, wie beim Zusammenbau mit der Zündspule, die Zahl der mit Leitungen zu verbindenden Komponenten eines Zündsystems verringern (Bild 4).

Bild4 Blockschaltbild für Steuergerät mit Hall- oder Induktionsgeber

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203

Zündsysteme

Elektronische Zündung EZ Herkömmliche Zündverteiler von Transistorzündanlagen mit fliehkraft- und unterdruckgesteuerter Verstellung des Zündzeitpunktes realisieren nur einfache Verstellkennlinien . Sie entsprechen daher nur bedingt den Erfordernissen eines optimalen Motorbetriebes. Bei der "Elektronischen Zündung" (EZ, Bild 1) entfällt die mechanische Zündverstellung im Zündverteiler. Dafür wird ein Sensorsignal für die Auslösung des Zündvorgangs als Drehzahlsignal benutzt. Ein zusätzlicher Drucksensor liefert das LastsignaL Der Mikrocomputer errechnet die erforderliche Zündzeitpunktverstellung und modifiziert entsprechend das Ausgangssignal , das an das Schaltgerät weitergegeben wird .

Vorteile - Die Zündzeitpunktverstellung kann den individuellen und vielfältigen Anfor-

-

derungen, die an den Motor gestellt werden, besser angepaßt werden. Die Einbeziehung weiterer Steuerparameter (z. B. Motortemperatur) ist möglich. Gutes Startverhalten, bessere Leerlaufdrehzahlsteuerung und geringerer Kraftstoffverbrauch. Erweiterte Betriebsdatenerfassung. Klopfregelung realisierbar.

Die Vorteile der Elektronischen Zündung kommen am deutlichsten durch das Zündwinkelkennfeld zum Ausdruck. Das Zündwinkelkennfeld enthält für jeden möglichen Betriebspunkt des Motors, d. h. für jeden Drehzahl- und Lastpunkt, den bei der Motorauslegung als besten Kompromiß ausgewählten ZündwinkeL Der Zündwinkel für einen bestimmten Betriebspunkt wird nach den Gesichtspunkten Kraftstoffverbrauch, Drehmoment, Abgas, Abstand zur Klopfgrenze , Temperatur des Motors, Fahrbarkeil usw. ausgewählt. Je nach Optimierungskriterium wiegt der eine oder andere Ge-

Bild 1

Elektronische Zündanlage (EZ). 1 Zündspule mil angebauter Zündungsendstufe, 2 Hochspannungsverteiler. 3 Zündkerze, 4 Steuergerät, 5 Motortemperatursensor, 6 Drosselklappenschalter, 7 Drehzah l· und Bezugsmarkensensor, 8 Zahnscheibe, 9 Batterie, 10 Zünd-Start-Schalter.

204

I

sichtspunkt schwerer. Deshalb erscheint das Zündwinkelkennfeld einer elektronischen Zündverstellung im Gegensatz zum Kennfeld eines mechanisch fliehkraft- und unterdruckgesteuerten Zündverstellsystems oft sehr zerklüftet. Sollte zusätzlich der meistens nichtlineare Einfluß der Temperatur oder einer anderen Korrekturfunktion mit dargestellt werden, wäre zur Beschreibung ein nicht abbildbares vierdimensionales Kennfeld nötig.

Funktionsprinzip Das vom Unterdrucksensor abgegebene Signal wird für die Zündung als Lastsignal verwendet. Über diesem Signal und der Drehzahl wird ein dreidimensionales Zündwinkelkennfeld aufgespannt, das es ermöglicht, in jedem Drehzahl- und Lastpunkt (horizontale Ebene) den für Abgas und Kraftstoffverbrauch günstigsten Zündwinkel (in der Vertikalen) zu programmieren. Im gesamten Kennfeld sind je nach Anforderung insgesamt ca. 1000 . .. 4000 einzeln abrufbare Zündwinkel vorhanden (Bild 2). Bild 2

Optimiertes elektronisches Zündwinkelkennfeld (oben) im Vergleich zum Zündwinkelkennfeld eines mechanischen Verstellsystems (unten).

Bei geschlossener Drosselklappe wird die spezielle Leerlauf/Schubkennlinie ausgewählt. Für Drehzahlen unterhalb der Solldrehzahl im Leerlauf kann der Zündwinkel nach "früh" verstellt werden, um eine Leerlaufstabilisierung durch Erhöhung des Drehmoments zu erreichen. Im Schiebebetrieb sind auf Abgas und Fahrverhalten abgestimmte Zündwinkel programmiert. Bei Vollast wird die Vollastlinie ausgewählt. Hier ist der günstigste Zündwert unter Berücksichtigung der Klopfgrenze programmiert.

Elektronische Zündung

Für den Startvorgang kann bei bestimmten Systemen ein vom Zündwinkelkennfeld unabhängiger Verlauf des Zündwinkels als Funktion von Drehzahl und Motortemperatur programmiert werden. Damit kann ein hohes Motormoment im Start erzielt werden, ohne daß rückdrehende Momente auftreten. Je nach Anforderung sind Kennfelder unterschiedlicher Komplexität realisierbar oder auch nur wenige programmierbare Verstellinien. Eine elektronische Zündverstellung ist im Rahmen verschiedener elektronischer Zündsysteme möglich. Vollintegrierte Zündverstellung gibt es z. B. bei der Motronic. Aber auch als Zusatz zu einer Transistorzündanlage (in Form eines zusätzlichen Verstellgerätes) oder als Gerät mit integrierter Endstufe kann eine elektronische Zündverstellung realisiert werden. Drehzahlerfassung Zur Bestimmung der Drehzahl und zur Synchronisation mit der Kurbelwelle gibt es zwei Möglichkeiten der Drehzahlerfassung: die Abnahme des Signals direkt von der Kurbelwelle oder die Abnahme des Signals von der Nockenwelle bzw. von einem Zündverteiler, der mit einer Hall-Schranke bestückt ist. Die Vorteile, die ein Zündkennfeld in der dargestellten Form bietet, können mit der größten Genauigkeit durch Drehzahlsensoren an der Kurbelwelle ausgenutzt werden.

205

Zündsysteme

Eingangssignale Drehzahl (Kurbelwellenstellung) und Saugrohrdruck sind die beiden Hauptsteuergrößen für den Zündzeitpunkt Drehzahl und Kurbelwellenstellung Zur Erfassung der Drehzahl dient ein induktiver lmpulssensor, der die Zähne eines speziellen Zahnrades an der Kurbelwelle abtastet. Durch die so erzeugte magnetische Flußänderung wird eine Wechselspannung induziert, die das Steuergerät auswertet. Zur eindeutigen Zuordnung der Kurbelwellenstellung hat dieses Zahnrad eine Lücke, die vom induktiven Impulssensor erlaßt und in einer speziellen Schaltung aufbereitet wird. Auch die Auslösung mit Hilfe eines Hall-Gebers im Zündverteiler findet noch Anwendung. Bei symmetrischen Motoren ist es außerdem möglich, Impulse induktiv über Segmente an der Kurbelwelle auszulösen. Die Zahl der Segmente entspricht hierbei der halben Zylinderzahl (Bilder 3 bis 5). Last(Saugrohrdruck) Der im Ansaugrohr herrschende Druck wirkt über einen Schlauch auf den Drucksensor. Neben dem Saugrohrdruck für eine nur indirekte Lastmessung eignen sich besonders die Luftmasse oder die Luftmenge pro Zeiteinheit als Lastsignale,

denn sie geben ein besseres Maß für die Füllung des Zylinders, der eigentlichen Last. Bei Motoren, die mit einer elektronischen Einspritzung ausgerüstet sind, bietet sich deshalb die Verwendung des für die Gemischaufbereitung verwendeten Lastsignals auch für die Zündung an. Drosselklappenstellung Ein Drosselklappenschalter liefert bei Leerlauf und Vollast des Motors ein Schaltsignal (Bild 5). Temperatur Ein im Motorblock angebrachter Motortemperatursensor (Bild 5) liefert dem Steuergerät ein der Motortemperatur entsprechendes Signal. Zusätzlich oder anstelle der Motortemperatur kann auch die Ansauglufttemperatur durch einen weiteren Sensor erlaßt werden. Batteriespannung Die Batteriespannung ist ebenfalls eine Korrekturgröße, die vom Steuergerät erfaßt wird.

Signalverarbeitung Saugrohrdruck, Motortemperatur und Batteriespannung als analoge Größen werden im Analog-Digital-Wandler digitalisiert. Drehzahl, Kurbelwellenstellung und Drosselklappenanschläge sind digiBild4 Verlauf der lnduktlonsspannung.

Zeit -

206

tale Größen und gelangen direkt in den Mikrocomputer. Die Signalverarbeitung erfolgt im Mikrocomputer, bestehend aus dem Mikroprozessor mit Schwingquarz zur Takterzeugung. Im Rechner werden für jede Zündung die aktualisierten Werte für den Zündwinkel und die Schließzeit neu berechnet, um dem Motor in jedem Arbeitspunkt den optimalen Zündzeitpunkt als Ausgangsgröße anbieten zu können .

Ausgangssignal Zündung Der Primärkreis der Zündspule wird durch eine Leistungsendstufe im elektronischen Steuergerät geschaltet. Die Schließzeit wird so gesteuert, daß die Sekundärspannung unabhängig von Drehzahl und Batteriespannung nahezu konstant bleibt. Da zu jedem Drehzahl- und Batteriespannungspunkt die Schließzeit bzw. der Schließwinkel neu bestimmt wird, ist dafür ein weiteres Kennfeld nötig: das Schließwinkelkennfeld (Bild 6). Es enthält ein Netz von Stützstellen, zwischen denen wie beim Zündwinkelkennfeld interpoliert wird . Durch die Verwendung eines solchen Schließwinkelkennfeldes läßt sich die gespeicherte Energie in der Zündspule ähnlich fein dosieren wie bei einer Schließwinkelregelung. Es gibt aber auch elektronische Zündsysteme, bei denen dem Schließwinkelkennfeld

Elektronische Zündung

Schließwinkelkennfeld.

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Bild6

noch eine Schließwinkelregelung überlagert ist, die für jeden Zylinder unabhängig vom anderen den Schließwinkel optimiert.

Steuergerät Wie das Blockschaltbild zeigt, besteht der Kern eines Steuergerätes für die Elektronische Zündung aus einem Mikrocomputer. Dieser Mikrocomputer enthält alle Daten, einschließlich der Kennfelder, sowie die Programme zur Erfassung der Eingangsgrößen und zur Berechnung der Ausgangsgrößen. Da die Sensoren vorwiegend elektromechanische, an den rauhen Betriebsbereich des Motors an-

Anpassungskomponenten. 1 Drosselklappenschalter, 2 lmpulssensor, 3 Motortemperatursensor.

207

Zündsysteme

gepaßte Bauelemente sind, ist es notwendig, die Signale für den Rechner aufzubereiten. Impulsformerschaltungen wandeln impulsförmige Signale von den Sensoren (z. B. Signal des Drehzahlsensors) zu definierten Digitalsignalen um. Sensoren z. B. für Temperatur und Druck haben oft ein elektrisches Analogsignal als Ausgangsgröße. Dieses Analogsignal wird in einem Analog-Digital-Wandler gewandelt und dem Rechner in digitaler Form zugeführt. Der Analog-Digital-Wandler kann auch in den Mikrocomputer integriert sein (Bild 7). Damit Kennfelddaten bis kurz vor dem Serienanlauf geändert werden können, gibt es Steuergeräte mit einem elektrisch programmierbaren Speicher, meistens in Form eines EPROM (Eiectronically Programable Read Only Memory) .

Zündungsendstufe Die Zündungsendstufe kann entweder (wie im Blockschaltbild dargestellt) in das Steuergerät eingebaut oder extern, meistens in Kombination mit der Zündspule, untergebracht sein. Bei externer Zündungsendstufe ist das Steuergerät im allgemeinen im Fahrgastraum eingebaut, in selteneren Fällen ist dies auch bei Steuergeräten mit integrierter Zündungsendstufe der Fall. Werden Steuergeräte mit integrierter Zündungsendstufe im Motorraum untergebracht, benötigen sie eine besonders gute Wärmeabfuhr. Dies wird durch den Einsatz der Hybridtechnik erreicht. Halbleiterbauelemente und somit auch die Endstufe sind dabei direkt auf dem Kühlkörper aufgebracht, der den thermischen Kontakt zur Karosserie gewährleistet. Dadurch können diese Steuergeräte bei Umgebungstemperaturen bis über betrieben werden. Hybridgeräte 100 haben ferner den Vorteil, klein und leicht zu sein.

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Bild 7 Signalverarbeitung im elektronischen Zündsteuergerät (Biockschaltbild). 1 Motordrehzahl, 2 Schaltersignale, 3 CAN (serieller Bus), 4 Saugrohrdruck, 5 Motortemperatur, 6 Ansauglufttemperatur, 7 Batteriespannung, 8 Analog-Digital-Wand ler, 9 Mikrocomputer, 10 Zündungsendstufe. Eingang ssignale

Elektronisches Steuergerät

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Weitere Ausgangsgrößen Neben der Zündungsendstufe gibt es je nach Anwendungsfall Steiler für weitere Ausgangsgrößen. Beispiele dafür sind Ausgänge für Drehzahlsignale und Zustandssignale für andere Steuergeräte wie Einspritzung, Diagnosesignale, Schaltsignale zur Betätigung von Einspritzpumpen oder Relais usw. Die elektronische Zündung eignet sich besonders zur Kombination mit anderen Motorsteuerungsfunktionen (Bilder 8 und 9). Zusammen mit einer elektronischen Einspritzung entsteht dadurch in einem einzigen Steuergerät die Grundausführung einer Motronic. Eine ebenfalls weit verbreitete Form ist die Zusammenfassung der elektronischen Zündung mit einer Klopfregelung . Diese Kombination bietet sich vor allem deshalb an, weil zur Vermeidung von Motorklopfen die Spätverstellung des Zündwinkels die am schnellsten und am sichersten wirkende Eingriffsmöglichkeit ist.

EZ-Steuergerät ln Hybrldtechnik. Der Lastsensor befind et sich im Deckel .

Elektronische Zündung

BildS EZ-Steuergerät mit Klopfregelung in Lelterplattentechnik. Die Druckdose D dient zur Messung des Ansaugrohrdrucks.

209

Zündsysteme

Vollelektronische Zündung VZ

Spannungsverteilung

Die "Vollelektronische Zündung" (VZ, Bild 1) ist durch zwei Eigenschaften gekennzeichnet: Sie enthält die Funktionen der elektronischen Zündung und verzichtet auf die rotierende Hochspannungsverteilung durch einen Zündverteiler.

Vorteile Die ruhende oder elektronische Spannungsverteilung bringt keine Gewichtsvorteile. Doch die Vorteile sind: - wesentlich geringerer elektromagnetischer Störpegel, da keine offenen Funken auftreten, - keine rotierenden Teile, - Geräuschreduzierung, - verringerte Zahl von Hochspannungsverbindungen und - konstruktive Vorteile für den Motorhersteller. Die Leistungsdaten einer Vollelektronischen Zündung sind mit denen einer elektronischen Zündung vergleichbar.

Verteilung mit Zweifunken-Zündspulen Statt des Zündverteilers werden im einfachsten Falle, z. B. beim Vierzylinder-Motor, Zweifunken-Zündspulen eingesetzt. Die beiden Zweifunken-Zündspulen werden über je eine Zündungsendstufe abwechselnd angesteuert. Im Zündzeitpunkt, der wie bei einer elektronischen Zündung durch das im Mikrocomputer gesteuerte Kennfeld festgelegt ist, erzeugt eine Zweifunken-Zündspule zwei Zündfunken gleichzeitig. Die beiden Zündkerzen, an denen die Funken entstehen, sind jeweils elektrisch mit der Zündspule so in Reihe geschaltet, daß an jedem Hochspannungsausgang der Zündspule eine Zündkerze angeschlossen ist. Die Zündkerzen müssen so angeordnet sein, daß die eine Zündkerze (wie erwünscht) im Arbeitstakt des Zylinders zündet, während die andere Zündkerze in den Auspufftakt des um 360° versetzten Zylinders zündet. Eine Kurbelwellenumdrehung später sind die entsprechenden Zylinder zwei Arbeitstakte weiter und die Zündkerzen zünden wieder, jedoch nun mit vertauschten Rollen.

Bild 1 Vollelektronische Zündanlage (VZ). 1 Zündkerze, 2 Zweifunken-Zündspute (2x) , 3 Drosselklappenschalter, 4 Steuergerät mit eingebauten Endstufen, 5 Lambda-Sonde, 6 Motortemperatursensor, 7 Drehzahl- und Bezugsmarkensensor, 8 Zahnscheibe, 9 Batterie, 10 Zünd-Start-Schalter.

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210

BOSCH

Auch die zweite Zweifunken-Zündspule erzeugt jeweils zwei Funken, aber um 180° Kurbelwinkel gegenüber der ersten verschoben . Am Beispiel des Vierzylinder-Motors ist zu erkennen, daß immer die Zylinder 1 und 4 sowie die Zylinder 3 und 2 gleichzeitig zünden. Außerdem ist für die Zweifunken-Zündspule, die als nächste zu zünden ist, ein Signal notwendig, das den Beginn einer Umdrehung kennzeichnet. Im dargestellten Beispiel signalisiert das OT-Signal, daß in der Zylindergruppe 1/4 gezündet werden muß. Der Rechner stellt fest, wann die Kurbelwelle 180° weitergelaufen ist, und veranlaßt dann die Zündung in der Zylindergruppe 3/2 mit der anderen Zweifunken-Zündspule. Zu Beginn der zweiten Umdrehung kommt erneut das OT-Signal und veranlaßt wieder die Zündung in der Zylindergruppe 1/4.

Jeweils die halbe Zylinderanzahl ergibt die Anzahl der benötigten Zündspulen. Das Schema der Vollelektronischen Zündung zeigt eine Anlage mit der Verteilung durch zwei Zweifunken-Zündspulen . Der Bezugsmarkensensor an der Kurbelwelle dient neben der Zündwinkelberechnung auch zur Ansteuerung der jeweils richtigen Zündspule.

Vollelektronische Zündung

Verteilung mit Einzelfunken-Zündspulen Eine Vollelektronische Zündung für ungerade Zylinderzahlen (z. B. 3, 5) erfordert für jeden Zylinder eine eigene Zündspule (Einzelfunken-Zündspulen sind in Verbindung mit der Vollelektronischen Zündung auch für gerade Zylinderzahlen geeignet). Die eigentliche Spannungsverteilung zu den Zündspulen erfolgt niederspannungsseitig in einem Leistungsmodul mit Verteilerlogik. Bei den ungeraden Zylinderzahlen geht ein Zyklus über zwei Kurbelwellenumdrehungen ; deshalb reicht in diesem Falle auch ein OTSignal der Kurbelwelle nicht aus. Zur Synchronisation muß von der Nockenwelle ein Signal pro Nockenwellenumdrehung ausgelöst werden.

Durch diese Zwangssynchronisation ist auch sichergestellt, daß bei irgendwelchen Störungen die Zündfolge nicht außer Tritt kommt. Nur Motoren mit gerader Zylinderzahl (z. B. 2, 4, 6) sind für diese Art der ruhenden oder elektronischen Spannungsverteilung geeignet (Bild 2).

Bild2 Zündfolge von Viertakt-Motoren während zweier Kurbelwellenumdrehungen (Zyklus). Motoren mit geraden Zylinderzahlen liefern ein eindeutiges Signal für die Zündung der Zylindergruppen bei OT (o• und 360°). 1.Umdrehung

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720° KW-Stellung

211

Zündsysteme

Verteilung mit Vierfunken-Zündspulen Eine weitere Möglichkeit für die ruhende Spannungsverteilung ist eine Vierfunken-Zündspule, die zwei Primärwicklungen und eine Sekundärwicklung enthält. Die zwei Primärwicklungen werden von zwei Zündungsendstufen angesteuert. Die Hochspannungswicklung hat an jedem Ausgang zwei Dioden. Von diesen Dioden geht je eine Hochspannungsleitung zu je einer Zündkerze. Dadurch werden abwechselnd, durch die Dioden entkoppelt, wie bei der Zweifunken-Zündspule zwei Funken erzeugt. Spannungsbedarf Da bei Zweifunken- und VierfunkenZündspulen zwei Zündkerzen in Reihe geschaltet sind, entsteht durch die in den niedrigen Druck des Auspufftaktes zündende Zündkerze ein zusätzlicher Spannungsbedarf von einigen Kilovolt, der aber durch den Wegfall der Zündvertei ler-Funkenstrecke kompensiert wird. Außerdem ist in jeder Zylindergruppe eine Zündkerze "falsch " gepolt. Bild3 Zwelfunken-Zü ndspule.

Das bedeutet, daß die Mittelelektrode positiv, nicht wie gewöhnlich negativ, ist. Auch dadurch steigt der Spannungsbedarf etwas an.

Zündspulen Ausführung Zweifunken-Zündspulen, wie im übrigen auch Vierfunken-Zündspulen , sind normalerweise als Kunststoffzündspulen ausgeführt. Die gedrungene Bauform und die große Fläche auf der Oberseite machen bei diesen Zündspulen die Anordnung von zwei getrennten Hochspannungsdornen möglich. Die Kühlung und die Befestigung der Spulen erfolgen über den nach außen herausgeführten Eisenkern (Bild 3) . Arbeitsweise Am Zyklus eines Viertakt-Motors (zwei Umdrehungen) ist zu erkennen, wie die Zündfunken einer Zweifunken-Zündspule im Verlauf der Motortakte auftreten. Die erste Umdrehung beginnt kurz nach EÖ (Einlaßventil öffnet) und dauert bis Bild4 Auftreten der Zündfunken einer Zwelfunken-Zündspule im Zyklus eines Viertakt-Motors. 1 Einschaltbereich (Begin n) des Primärstroms,

2 Zündbereich des ersten Zündtunkens, 3 Zündbereich des zweiten Zündfunkens. OT Oberer Totpunkt, UT Unterer Totpunkt, EÖ Einlaßventil öffnet, ES Einlaßventil sch ließt, AÖ Auslaßventil öffnet, AS Auslaßventil schließt.

UT

212

OT (oberer Totpunkt). Die zweite Umdrehung beginnt bei OT und endet kurz vor AS (Auslaßventil schließt). Im Arbeitstakt wird im gekennzeichneten Bereich vor und kurz nach OT, je nach Lage des Zündkennfeldpunktes, gezündet (Bild 4). Im grau gerasterten Bereich ab ES beginnt der Schließwinkel, d. h. der Primärstrom durch die Zündspule wird eingeschaltet. Der Einschaltpunkt in diesem Bereich verschiebt sich natürlich gemeinsam mit dem Zündzeitpunkt und entsprechend dem Schließwinkelkennfeld (mit Drehzahl und Batteriespannung) gegenüber dem Zündzeitpunkt Der zweite Zündfunke einer ZweifunkenZündspule tritt am Ende des Auspufftaktes auf, da die beiden Funken gleichzeitig, d. h. bei gleicher Winkelstellung der Kurbelwelle, erzeugt werden. Deshalb kann der Funke noch im Auspufftakt überspringen, wenn das Einlaßventil bereits wieder öffnet. Dies ist besonders bei großen Ventilüberschneidungen (Überdeckung der Öffnungszeiten von Einund Auslaßventilen) kritisch .

Die ruhende Spannungsverteilung mit Einzelfunken-Zündspulen (Bild 5) benötigt die gleiche Zahl an Zündungsendstufen und Zündspulen wie Zylinder vorhanden sind. ln diesen Fällen bietet es sich an, die Leistungsendstute mit der Zündspule zusammenzubauen. Dadurch werden die Leitungen für die Hochspannung und die Mittelspannung zwischen Zündtransistor und Zündspule auf ein Minimum reduziert.

Voll-

elektronische Zündung

Steuergerät Das elektronische Steuergerät der Vollelektronischen Zündung ist weitgehend mit dem der Elektronischen Zündung identisch. Die Zündungsendstufe kann im Steuergerät integriert (z. B. bei Zweifunkenoder Vierfunken-Zündspulen) oder extern, in einem Leistungsmodul mit Verteilerlogik bzw. in Kombination mit der jeweiligen Zündspule (z. B. bei Einzelfunken-Zündspulen) , untergebracht sein.

Bild 5 Einzelfunken-Zündspule. 1 Niederspannungsanschluß außen, 2 lammelierter Eisenkern, 3 Primärwicklung , 4 Sekundärwicklung, 5 Hochspannungsanschluß innen über Federkontakt, 6 Zündkerze.

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Unfallgefahr Alle elektrischen Zündanlagen sind Hochspannungsanlagen. Um eine Gefährdung auszuschließen, ist bei Arbeiten an der Zündanlage grundsätzlich die Zündung auszuschalten oder die Spannungsquelle abzuklemmen . Solche Arbeiten sind z. B.: - Auswechseln von Teilen wie Zündkerze, Zündspule bzw. Zündtransformator, Zündverteiler, Zündleitung usw. - Anschließen von Motortestgeräten wie Zündzeitpunkt-Stroboskop, Schließwinkei-Drehzahl-Tester, Zündoszilloskop usw. Bei der Prüfung der Zündanlage mit eingeschalteter Zündung treten an der gesamten Anlage gefährliche Spannungen auf. Prüfarbeiten sollen deshalb nur durch ausgebildetes Fachpersonal erfolgen.

213

Zündsysteme

Klopfregelung

grenze erfaßt und der Zündwinkel auf diese geregelt wird . Diese Aufgabe übernimmt die Klopfregelung (Bild 1).

Grundfunktionen

Klopfsensor Bisher ist es nicht möglich, die Klopfgrenze zu erfassen, ohne daß es klopft. Während der Regelung entlang der Klopfgrenze tritt also immer wieder vereinzelt Klopfen auf. Die Anlage wird jedoch so an den jeweiligen Fahrzeugtyp angepaßt, daß Klopfen nicht hörbar ist und daß Schäden mit Sicherheit ausgeschlossen sind. Als Meßaufnehmer dient der Klopfsensor, der die beim Klopfen auftretenden typischen Geräusche erfaßt, in elektrische Signale umwandelt und diese an das elektronische Steuergerät weitergibt (Bilder 2 bis 4). Der Anbauort des Klopfsensors ist so ausgewählt, daß Klopfen aus jedem Zylinder unter allen Umständen sicher erkannt werden kann . Er liegt meist auf der Breitseite des Motorblocks. Bei sechs Zylindern und mehr reicht normalerweise ein Klopfsensor zur Erfassung aller Zylinder nicht aus. ln solchen Fällen werden zwei Klopfsensoren pro Motor verwendet, die entsprechend der Zündfolge umgeschaltet werden .

Klopfgrenze Der Betrieb mit Katalysator erfordert den Motorbetrieb mit unverbleitem Benzin bei einer Luftzahl A = 1,0. Blei wurde früher dem Benzin als Antiklopfmittel beigemischt, um klopffreien Betrieb bei hohen Verdichtungsverhältnissen A zu ermöglichen. Bei Verwendung von unverbleitem Benzin sind normalerweise ein niedriges Verdichtungsverhältnis und ein höherer Benzinverbrauch zu erwarten. "Klopfen" oder "Klingeln", eine unkontrollierte Form der Verbrennung , kann im Motor zu Schäden führen, wenn es zu häufig und zu heftig auftritt. Aus diesem Grund wird normalerweise der Zündwinkel so festgelegt, daß er immer einen Sicherheitsabstand zur Klopfgrenze aufweist. Da aber die Klopfgrenze auch von Kraftstoffqualität, Motorzustand und Umweltbedingungen abhängig ist, bedeutet dieser Sicherheitsabstand durch die zu späten Zündwinkel eine Verschlechterung im Benzinverbrauch von einigen Prozent.

Diesen Nachteil kann man vermeiden , wenn während des Betriebs die KlopfBild2

Bild 1

Klopfsensor als breitbandiger Beschleunlgungsaufnehmer mil einer Eigenfrequenz von über 25 kHz.

Schema der Klopfregelung.

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Klopfregelung im elektron. Steuergerät

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Steuergerät Im elektronischen Steuergerät werden die Sensorsignale ausgewertet. Dabei wird für jeden Zylinder ein eigener Referenzpegel gebildet, der sich ständig automatisch an die Betriebsverhältnisse anpaßt. Ein Vergleich mit dem Nutzsignal, das über Filterung und Integration innerhalb eines Kurbelwinkelabschnitts aus dem Sensorsignal gewonnen wird, zeigt für jede Verbrennung in jedem Zylinder, ob Klopfen vorliegt. Wenn dies der Fall ist, wird der Zündzeitpunkt nur in diesem Zylinder um einen festen Winkel, zum Beispiel 3° KW, nach "spät" verstellt. Dieser Vorgang wiederholt sich bei jeder als klopfend erkannten Verbrennung für jeden Zylinder. Tritt kein Klopfen mehr auf, wird der Zündzeitpunkt langsam in kleinen Schritten nach "früh" bis auf seinen Kennfeldwert zurückgestellt. Da sich in einem Motor die jeweilige Klopfgrenze von Zylinder zu Zylinder unterscheidet und sich innerhalb des Betriebsbereichs stark ändert, ergibt sich im praktischen Betrieb an der Klopfgrenze für jeden Zylinder ein eigener Zündzeitpunkt Diese Art der "zylinderselektiven" Klopferkennung und Klopfregelung ermöglicht eine Optimierung von Motorwirkungsgrad und Kraftstoffverbrauch.

Ist das Fahrzeug für Betrieb mit "Superbenzin Bleifrei" ausgelegt, so läßt es sich bei Klopfregelung auch mit "Normalbenzin Bleifrei" ohne Schaden betreiben. Im dynamischen Betrieb erhöht sich dabei die Klopfhäufigkeit Um dies zu vermeiden, kann im elektronischen Steuergerät für jede der beiden Kraftstoffqualitäten ein eigenes Zündwinkelkennfeld abgespeichert werden. Der Motor wird dann nach dem Start mit dem "Superkennfeld" betrieben und auf das "Normalkennfeld" umgeschaltet, wenn die Klopfhäufigkeit eine vorgegebene Schwelle überschreitet. Der Fahrer nimmt dieses Umschalten nicht wahr; lediglich Leistung und KraUstoffverbrauch verschlechtern sich geringfügig. Ein für Superbenzin ausgelegtes Fahrzeug mit konventionellem Zündsystem kann nicht ohne Gefahr von Klopfschäden mit Normalbenzin betrieben werden, während ein für Normalbenzin ausgelegtes Fahrzeug keine Vorteile in Verbrauch und Leistung zeigt, wenn es mit Superbenzin betrieben wird.

Bild3

Bild4

Signale des Klopfsensors. a Druckverlauf im Zylinder, b gefiltertes Drucksignal, ohne Klopfen

c Signal des Klopfsensors.

Klopfregelung

Klopfregelung. Regel-Algorithmus bei Zündungseingriff an einem Vierzylinder-Motor. K 1 ... K3 Klopfen an Zylinder 1 ... 3 (bei Zylinder 4 kein Klopfen). a Spätverstellung, b Stufenbreite für Frühverstellung, c Frühverstellung.

mit Klopfen

Zyl. 1 Arbeitsspiele -

215

Zündsysteme

Klopfregelung bei Turbomotoren Der Ladedruck wird über die Antriebsleistung der Abgasturbine gesteuert. Der Eingriff erfolgt über den Öffnungsquerschnitt des Abgasbypassventils, das über ein elektromagnetisches Ventil mit dem Steuerdruck beaufschlagt wird. ln einem Kennfeld sind die Steuerwerte für das elektromagnetische Ventil gespeichert. Durch das Kennfeld wird der Ladedruck nur in der Höhe aufgebaut, wie er, entsprechend dem Fahrerwunsch (Gaspedalstellung), vom Motor benötigt wird. Vorteile gegenüber konventionellen Turbomotoren sind: im Teillastbereich geringere Laderarbeit, niedrigerer Abgasgegendruck, geringerer Abgasrestanteil im Zylinder, niedrigere Ladelufttemperatur, frei wählbare Vollastlinie des Ladedrucks über der Drehzahl, weicheres Ansprechen des Turboladers, besseres Fahrverhalten (Bild 5) . Bei der Kennfeldregelung des Ladedrucks wird der Vorsteuerung ein Regelkreis überlagert. Ein Drucksensor mißt den Saugrohrdruck, der mit den Werten eines gespeicherten Kennfelds

verglichen wird . Bei Abweichungen zwischen Sollwert und Istwert wird der Druck über das elektromagnetische Ventil ausgeregelt Vorteile der Ladedruckregelung im Vergleich zur Steuerung: Bauteiletoleranzen und Verschleiß, besonders in Abgasbypassventil und Turbolader, wirken sich nicht auf die Höhe des Ladedrucks aus. Bei Verwendung eines Absolutdrucksensors kann außerdem der Ladedruck innerhalb eines großen Bereichs unabhängig von der Höhe des Außendrucks realisiert werden (Höhenkorrektur). Bei Klopfen gibt es eine Spätverstellung des Zündzeitpunktes des jeweils klopfenden Zylinders wie beim Saugmotor. Darüber hinaus wird eine Absenkung des Ladedrucks vorgenommen, wenn die Spätverstellung mindestens eines Zylinders einen vorgegebenen Wert überschritten hat. Dieser Wert ist als drehzahlabhängige Kennlinie im elektronischen Steuergerät gespeichert. Seine Größe wird entsprechend der maximal zulässigen Abgastemperatur am Turbineneingang festgelegt.

BildS Klopfregelung durch Kombination von elektronischer Zündung mit Ladedruckregelung. 1 Ansaugluft, 2 Lader, 3 Turbine, 4 Abgas , 5 Steuerventil, 6 Klopfsensor, 7 Taktventil , 8 Steuergerät, 9 Zündspule mit angebauter Zündungsendstufe. Signale: a Drosselklappenstellung, b Saugrohrdruck, c Klopfsignale, d Zündimpulse, e Motortemperatur, f Taktventilstellung, g Zündzeitpunkt

8

g

216

Der Verstellalgorithmus (Algorithmus: nach bestimmtem Schema ablaufender Rechenvorgang) mit schneller Druckabsenkung und langsamer schrittweiser Anhebung bis auf den Sollwert ähnelt dem für die Zündwinkelverstellung, jedoch mit deutlich größeren Zeitkonstanten. Die Abstimmung der beiden Regelalgorithmen erfolgt unter Beachtung von Klopfhäufigkeit, Zeitverhalten von Motor, Abgasbypassventil und Turbolader, Abgastemperatur, Fahrbarkeit und Stabilität der Regelung. Vorteile dieser kombinierten Regelung im Vergleich zur reinen Zündwinkelregelung: Verbesserung des Motorwirkungsgrads, Verringerung der Temperaturbelastung von Motor und Turbolader, Verringerung der Ladelufttemperatur. Vorteile gegenüber der reinen Ladedruckregelung: schnelles Ansprechen der Regelung bei Klopfen, gutes Dynamikverhalten des Motors, Stabilität der Regelung, Fahrbarkeit.

Sonderfunktionen Neben den Grundfunktionen Klopferkennung und -regelung, Zündwinkel-, Schließwinkel- und gegebenenfalls Ladedruckkennfeld kann z. B. der Saugrohrdruck als Lastinformation über einen Drucksensor im Steuergerät gemessen oder ein von einer Benzineinspritzung verfügbares Lastsignal verarbeitet werden. Kühlwasser- und Ansauglufttemperatur können als Korrekturgrößen berücksichtigt werden. Bei Bedarf können zusätzlich Schubabschaltung, Leerlaufstabilisierung, Drehzahlbegrenzung über Abschalten der Zündung oder der Kraftstoffpumpe und eine Kraftstoffpumpensteuerung realisiert werden. Außerdem ist bei Rechnerausfall - dem Fahrer wird dieser Zustand angezeigt - ein Notlauf möglich, der das Liegenbleiben des Fahrzeugs verhindert. Bei Turbomotoren kann ein drehzahlabhängiges Vollastsignal erzeugt und ebenso wie die Absenkung des Ladedrucks infolge Klopfen an die Einspritzung ausgegeben werden.

Sicherheit und Diagnose

Klopfregelung

Alle Funktionen der Klopfregelung, die bei Ausfall zu einem Motorschaden führen können, machen eine Überwachung erforderlich. Sie muß bei einer auftretenden Fehlfunktion den Übergang in einen schadenssicheren Betrieb auslösen. Der Übergang in den Sicherheitsmodus kann dem Fahrer über eine Anzeige im Instrumentenfeld angezeigt werden. Bei der Inspektion des Fahrzeugs kann dann der genaue Fehler über einen Pulscode ausgelesen werden. Überwacht werden: 1. Der Klopfsensor einschließlich Kabelbaum ständig während des Betriebs oberhalb einer GrenzdrehzahL Bei erkanntem Fehler wird der Zündwinkel in dem Kennfeldbereich, in dem die Klopfregelung aktiv ist, um einen festen Winkel nach spät verstellt; beim Turbomotor wird gleichzeitig der Ladedruck gesenkt. 2. Die Auswerteelektronik bis zum Rechner unterhalb einer GrenzdrehzahL Ein erkannter Fehler führt zur gleichen Reaktion wie zuvor beschrieben. 3. Das Lastsignal ständig während des Betriebs. Im Fehlerfall werden die Volllastzündwinkel benutzt, bei gleichzeitiger dauernder Aktivierung der Klopfregelung. Weitere Sensoren und Signale werden je nach Anwendungsfall überwacht und in der Reaktion festgelegt (z. B. Temperatursensor).

217

Zündsysteme

Verbindungsmittel Die Aufgabe der Verbindungsmittel ist die sichere Übertragung der Hochspannung von der Zündspule über den Zündverteiler bis zur Zündkerze. Je nach Anforderungen an den Motor und damit an die Zündung gibt es dafür verschiedene Möglichkeiten der Anschlußtechnik.

Stecker und Steckbuchsen Grundausführungen Ein Beispiel für die vorhandenen Anschlußtechniken ist die Steckverbindung an den Hochspannungsdomen des Zündverteilers. Die Steckbuchsenversion A (Bild 1) hat nur eine relativ geringe Hochspannungsfestigkeit und ist deswegen in der Erstausrüstung nur noch vereinzelt anzutreffen. Der Schwerpunkt der Anwendung liegt in den Versionen B und C. Beide sind da-

durch gekennzeichnet, daß sie tief im Dom liegende Rastbolzen haben und durch den langen Kriechweg eine bedeutend spannungsfestere Kontaktierung gewährleisten. Eine zusätzliche Vergrößerung der Geometrie (wie im Fall der Version C) schafft die nötige Reserve, um die selbst für Motoren mit Magerkonzepten nötige 30-kV-Technik zu gewährleisten. Darüber hinaus sind die Steckkräfte und die Wasserdichtheit sorgfältig aufeinander abgestimmt. Lebensdauer Unter den jeweiligen Steckerversionen ist die dazugehörige mittlere Lebensdauer in Betriebsstunden durch schräg verlaufende Kurven dargestellt. Ihre Bedeutung geht aus Bild 3 hervor: Werden neue Teile mit der Spannung Ux beaufschlagt, halten sie der Beanspruchung zunächst stand. Die Isolationsfähigkeit wird aber langsam abgebaut, und ab der Zeit t 1 muß mit vereinzelten Durchschlägen gerechnet werden . Der

Bild 1

Stecker- und Steckbuchsenversionen A, 8 , C und ihre Hochspannungsfestigkeit in Abhängigkeit von der Lebensdauer.

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Buchse

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1 10 100 1000h mittlere Lebensdauer

10

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1000h

Prozeß schreitet fort, und zur Zeit t 2 sind 63% der Teile zerstört. Bei niederen Spannungen halten die Teile der Beanspruchung wesentlich länger stand als bei hohen Spannungen (logarithmische Skalen). Dies entspricht auch ungefähr der statistischen Verteilung des Spannungsverlaufs des Motors. Der sehr hohe Spannungsbedarf kommt, gemessen an der Gesamtzahl der Zündungen, nur selten vor. Die Häufung liegt bei Werten unterhalb 25 kV, weshalb die Versionen B und C in Verbindung mit einer wartungsfreien Zündanlage, stabilen Hochspannungsleitungen mit Metallseele und einem regelmäßigen Zündkerzenwechsel zu einem für die Lebensdauer des Fahrzeugs problemlosen Zündsystem führen . Sonderausführungen Eine besonders sorgfältig ausgeführte Verbindungstechnik besteht aus wasserdichten Zündkerzensteckern, hochwertigen Zündleitungen, wasserdichten

Verbindungsmittel

Zeltverlauf der Isolationsfähigkelt von Steckverbindungen.

U, Spannung,

11 Zeitpunkt mit vereinzelten Überschlägen. 12

Zeitpunkt mit vielen Überschlägen.

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Bild3

Zündverteiler- und Zündspulensteckern, sowie Schutzhauben für den Zündverteiler und die Zündspule. Durch diese Schutzhauben ist ein zusätzlicher Schutz gegen Strahlwasser und Schmutz gegeben. Außerdem trägt die Schutzhaube über dem Zündverteiler zu einer verbesserten Entstörung bei (Bild 2).

Bild2 Leitungsverbindungen einer Zündanlage. Schutzkappen verhindern das Eindringen von Schmutz und Feuchtigkeit.

219

Zündsysteme

Werkstattprüftechnik

werkzeuge und rüstet die Kundendienststellen damit aus.

Bosch-Kundendienst

Prüftechnik für Motor und Zündung

Die Qualität eines Produkts wir auch an der Qualität des Kundendienstes gemessen. Mehr als 10 000 Bosch-Kundendienststellen in 125 Ländern sind für den Autofahrer da - neutral und ohne Bindung an eine Fahrzeugmarke. Selbst in dünn besiedelten Ländern Afrikas und Südamerikas kann man mit schneller Hilfe rechnen. Und auch hier gibt es die in selben Qualitätsstandards wie Deutschland. Da versteht es sich von selbst, daß die Garantie auf Kundendienstleistungen weltweit gilt. Bosch-Aggregate und -Systeme sind mit ihren Kenndaten und Leistungswerten exakt auf das jeweilige Fahrzeug und den zum Fahrzeug gehörigen Motor abgestimmt. Um die notwendigen Prüfungen durchführen zu können, entwickelt Bosch jeweils die entsprechende Meßtechnik, die Prüfgeräte und Spezial-

Neben der Gemischaufbereitung spielt eine einwandfreie Zündung eine wichtige Rolle für die richtige Funktion des Motors. Wie bei jedem komplexen System können aber auch hier Störungen und Fehler unterschiedlicher Art auftreten. Diese können die Motorfunktionen und damit das Fahrverhalten und die Abgaszusammensetzung beeinflussen. Erkennung von Störungen Bei modernen Fahrzeugsystemen überwacht das elektronische Motorsteuergerät einerseits die Verbindungswege, die Stellglieder und die Sensoren des Systems und andererseits seine eigenen Funktionen innerhalb einer Eigendiagnose. Hierbei erkannte Fehler werden gespeichert und können über die Diagnose-

Bild 1 Zündungsbild (Sekundär) in 3-D-Rasterdarstellung eines 6-Zylinder-Motors mit ZweifunkenZündspulebei 760 min·1.

1 Paradedarstellung: Haupt· und Stützfunken sind überlagert, 2 Positiv-Darstellung: Hauptfunken bei den Zylindern 1, 2 und 5 (hohe Zündspannung im Verdichtungstakt), Stützfunken bei den Zylindern 4, 3 und 6 (niedrige Zündspannung im Ausstoßtakt), 3 Negativ-Darstellung: Hauptfunken bei den Zylindern 4, 3, und 6, Stützfunken bei den Zylindern 1, 2, und 5, 4 Zündfolge 1-4-3-6-2-5.

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Zylinder

schnittsteile jederzeit ausgelesen werden. Da jedoch nicht eindeutig erkannt werden kann, ob ein Fehler auf eine Unterbrechung in der Anschlußleitung zurückzuführen ist oder ob sie im Bauelement selbst (Sensor, Stellglied) vorliegt, sind weitergehende Prüfungen mit einem Motortester erforderlich.

Prüfungen mit dem Motortester Diese Motortester gibt es vom Pocket-Tester im Kleinformat bis hin zum kompletten Diagnosesystem mit einer Vielzahl von Funktionen wie z.B. Abgasuntersuchung, Oszilloskop u.a. Ein wichtiges Kriterium für die Auswahl eines Motortesters ist, bei welchen Zündsystemen er zur Prüfung eingesetzt werden soll: bei einer konventionellen Spulenzündung (SZ), bei einer vollelektronischen Zündung (VZ) oder bei allen Zündsystemen an Fahrzeugmotoren bis zwölf Zylindern. Die modernen Bosch-Motortester eignen sich für alle Zündsysteme und berücksichtigen dies durch ein spezielles Auswahlmenü. Die stationären Tester haben die erforderlichen Voraussetzungen, um die Signale im Primär- und Sekundärkreis mehrerer Zündspulen (z.B. bei Anlagen mit Einzelfunken- und Zweifunken-Zündspulen) gleichzeitig aufzuzeichnen. Die Darstellung der Funktionsweise einer vollelektronischen Zündung eines 6-ZylinderMotors mit Zweifunken-Zündspulen geht aus dem Oszillosgramm in Rasterdarstellung hervor (Bild 1). Zur detaillierten Betrachtung der einzelnen Zylinder kann auf Einzelbilddarstellung umgeschaltet werden. Außerdem besteht beim ZweikanalOszilloskop die Möglichkeit, die Oszillogramme von Primär- und Sekundärkreisen gemeinsam zu betrachten. Ein weiterer Vorteil zur schnellen Fehlersuche besteht bei dem Bosch Motortester FSA 560 in der Suchfunktion nach Unregelmäßigkeiten im Signalverlauf von Primär- oder Sekundärseite. Hierbei wird der Verlauf der letzten 8 Sekunden vor Betätigung der Speichertaste nach Abweichungen untersucht. Dadurch ist es z.B. möglich, die Zündspannung und die Brenndauer einzelner Zylinder direkt mit-

einander zu vergleichen, um so Fehler lokalisieren zu können.

Werkstattprüftechnik Zündung

Spezielle Sekundär-Meßwertgeber Für direkt auf der Zündkerze angebrachte Zündspulen werden speziell an die zu prüfende Zündspule angepaßte Adapter für die Aufnahme des Sekundärsignals verwendet. Diese Sekundär-Meßwertgeber bestehen in der Regel aus einem Blechadapter. Je nach der Art des mechanischen Aufbaus der Zündspule sind umfangreiche Haltevorrichtungen aber auch Abschirmungen zu anderen Zündsignalen zur Störunterdrückung notwendig. An einigen Zündspulen ist bereits eine Diagnosetasche für die Aufnahme eines normierten Sekundär-Meßwertgebers angebracht; der zu leistende Aufwand in der Werkstatt wird erheblich verringert. Prüfung von Sensoren und Stellgliedern Außer der Beurteilung der Zündanlage mit den entsprechenden Oszillosgrammen ist auch die Funktionsprüfung der einzelnen Sensoren und Stellglieder von großer Bedeutung. Die einzelnen Sensoren, wie Klopfsensor, Lambda-Sonde, oder Drosselklappenpotentiometer, geben Signale an das elektronsiehe Steuergerät; die Stellglieder sorgen für die Umsetzung der Vorgaben des Steuergerätes. Diese Komponenten sind somit maßgeblich an der richtigen Funktion der Zündanlage beteiligt. Ihre Signale lassen sich mit dem Oszilloskop von Motortestern überprüfen und zur späteren Auswertung oder zum Ausdruck abspeichern. Pannenhilfe Auch für den mobilen Einsatz (z.B. bei der Pannenhilfe) sind geeignete Motortester unentbehrlich. Diese Motortester werden von eingebauten Batterien oder direkt von der Bordspannung des zu prüfenden Fahrzeuges versorgt. ln der Komfortausführung verfügen selbst die mobilen Geräte über ein ZweikanalOszilloskop mit Speicherfunktion sowie über voreingestellte Meßbereiche, um die Bedienung zu vereinfachen.

221

Zündkerzen

Zündkerzen

Ottomotor und Fremdzündung Zündenergie Hochspannungserzeugung Die Zündung des Ottomotors erfolgt elektrisch. Die elektrische Energie wird der Batterie entnommen. Die Zündanlage erzeugt, vom Motor gesteuert, periodisch Hochspannung. Diese Hochspannung bewirkt einen Funkenüberschlag zwischen den Elektroden der Zündkerze im Verbrennungsraum . Die in dem Funken enthaltene Energie entzündet das verdichtete Luft-KraftstoffGemisch . Zur periodischen Hochspannungserzeugung wird die der Batterie

entnommene Energie in der Zündspule zwischengespeichert. Aus dieser gespeicherten Energie wird, vom Motor über die Zündanlage gesteuert, im richtigen Zeitpunkt Hochspannung erzeugt. Die Hochspannung entsteht induktiv in der Zündspule . Hochspannung und Zündenergie sind so bemessen , daß auch die verschleißbedingte Erhöhung des Zündspannungsbedarfs gedeckt wird (Bild 1). Entstehung des Zündfunkens Der Zündfunke springt bei ausreichender Hochspannung zwischen den Elektroden der Zündkerze über. Zum Zündzeitpunkt, also bei der Entladung der Zündspule, steigt die Spannung an den Elektroden der Zündkerze sehr schnell an, bis die Überschlagspannung (Zündspannung) erreicht ist. Sobald der Funke gezündet

Bild 1 Elekt ronische Zündanlage.

1 Zü ndspu le mit Endstufe, 2 Hochspannungsverteiler, 3 Zündkerze, 4 Steuerge rät, 5 Temperatursensor, 6 Drosselklappenschalter, 7 Drehzahlsensor, 8 Zah nsche ibe, 9 Batterie, 10 Zünd-Start-Schalter. 0

4

+ 9

222

BOSCH

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hat, sinkt die Spannung an der Zündkerze auf die Brennspannung ab. Gleichzeitig fließt in der leitfähig gewordenen Funkenstrecke ein Strom. Während der Brenndauer des Zündfunkens (Funkendauer) wird das Luft-Kraftstoff-Gemisch entflammt. Sobald die Voraussetzungen für eine Entladung nicht mehr gegeben sind, erlischt der Funke, und die Spannung schwingt gedämpft aus (Bild 2). Der hier beschriebene Verlauf liegt nur dann vor, wenn das Gas, das sich zwischen den Elektroden befindet, in Ruhe ist. Höhere Strömungsgeschwindigkeiten führen zu einer deutlichen Veränderung des Funkenverlaufs. Der Funke kann im Verlauf der "Brenndauer" gelöscht und erneut gezündet werden. Vorgänge dieser Art werden als Folgefunken bezeichnet.

Funkendauer Innerhalb der "Funkendauer" muß zur sicheren Entflammung das zündfähige Luft-Kraftstoff-Gemisch vom Funken erreicht werden. Die "Brennzeit" des Funkens nach dem ersten Überschlag zwischen den Elektroden bis zum Ausschwingvorgang der restlichen gespeicherten Energie bezeichnet man als Funkendauer. Sie ist so groß, daß trotz Gemischinhomogenitäten (ungleichmäßige Gemischverteilung) das zündfähige Gemisch den Bereich der Elektroden sicher erreicht.

Zündspannungsbedart Der Zündspannungsbedarf einer Zündkerze ist die für den Funkenüberschlag maximal notwendige Hochspannung. Die Zündspannung einer Zündkerze ist die Spannung, bei der der Funke an den Elektroden überschlägt. Die Hochspannung bewirkt eine hohe Feldstärke zwischen den Elektroden, so daß die Funkenstrecke ionisiert und damit leitfähig wird. Die von der Zündanlage bereitgestellte Hochspannung, das "Zündspannungsangebot", kann 30000V übersteigen. Die Zündspannungsreserve

Fremdzündung

Spannungsverlauf zwischen Zündkerzenelektroden. K Funkenkopf, s Funkenschwanz, Funkendauer. kV . - - - - - - - - - - - - ,

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ist die Differenz zwischen Zündspannungsangebot und -bedarf. Mit dem während der Lebensdauer zunehmenden Elektrodenabstand steigt die Zündspannung. Wird dabei das Zündspannungsangebot überschritten, kommt es zu Zündaussetzern. Nicht motorbedingte Einflüsse auf den Zündspannungsbedarf Bei der Zündkerze bestimmen folgende Größen den Zündspannungsbedarf: Elektrodenabstand: Mit steigendem Abstand der Elektroden nimmt die Zündspannung zu. Elektrodengeometrie: Kleine Elektrodenabmessungen vergrößern die elektrische Feldstärke. Durch diese Feldüberhöhung läßt sich der Spannungsbedarf absenken. Elektrodenwerkstoff: Der Elektrodenwerkstoff kann die Zündspannung beeinflussen, da die Austrittsarbeit der Elektronen vom Material abhängt. lsolatoroberfläche: Erfolgt die Zündung zwischen den Elektroden ganz oder teilweise auf dem Isolator, wird die Zündspannung durch die aus der Oberfläche bereitgestellten Elektronen abgesenkt. Motorbedingte Einflüsse auf den Zündspannungsbedarf Von den motorbedingten Einflüssen ist vor allem die Verdichtung (Aufladung) für den Zündspannungsbedarf maßgebend.

223

Zündkerzen

Beanspruchung der Zündkerze Aufgabe Aufgabe der Zündkerze ist, die Zündenergie in den Brennraum einzubringen und durch den elektrischen Funken zwischen den Elektroden die Verbrennung des Luft-Kraftstoff-Gemisches einzuleiten. Die Zündkerze bestimmt im Zusammenwirken mit den anderen Komponenten des Motors, z. B. Zünd- und GemischAufbereitungsanlagen, in entscheidendem Maße die Funktion des Ottomotors. Sie muß einen sicheren Kaltstart ermöglichen, muß immer einen aussetzerfreien Betrieb gewährleisten und stundenlangen Betrieb bei Höchstleistung des Motors aushalten. Diese Forderungen bestehen über die gesamte Lebensdauer der Zündkerze. Die Zündkerze ist an der Stelle im Verbrennungsraum des Motors angeordnet, die sich durch die konstruktive Auslegung der Brennraumform zur Entzündung des verdichteten Luft-Kraftstoff-Gemisches am besten eignet. Sie muß unter allen Betriebsbedingungen die Zündenergie in den Brennraum einbringen, ohne undicht oder zu heiß zu werden.

Anforderungen Die Anforderungen an die Zündkerze sind extrem: Sie ist sowohl den periodisch wechselnden Vorgängen im Verbrennungsraum als auch den klimatischen Bedingungen außerhalb des Motors ausgesetzt (Bilder 1 und 2).

224

Anforderungen an die Elektrik Beim Betrieb der Zündkerze mit elektronischen Zündanlagen können Spannungen bis über 30000V auftreten, die nicht zu Durchschlägen durch den Isolator führen dürfen. Die sich aus dem Verbrennungsprozeß abscheiden-

den Rückstände wie Ruß, Ölkohle und Asche aus Kraftstoff und Ölzusätzen sind unter bestimmten thermischen Bedingungen elektrisch leitend. Dennoch dürfen unter diesen Umständen auch bei hohen Spannungen keine Überschläge am Isolator auftreten. Der elektrische Widerstand des Isolators muß bis zu 1000 ac hinreichend groß sein und darf sich während der Lebensdauer der Zündkerze nur wenig verringern. Anforderungen an die Mechanik Die Zündkerze muß den im Verbrennungsraum periodisch auftretenden Drücken (bis etwa 100 bar) widerstehen, ohne an Gasdichtheit einzubüßen. Zusätzlich wird eine hohe mechanische Festigkeit besonders von der Keramik gefordert, die bei Montage und im Betrieb durch Zündkerzenstecker und Zündleitung belastet wird. Das Gehäuse muß die Kräfte beim Anziehen ohne bleibende Verformung aufnehmen. Anforderungen an die chemische Belastbarkeit Der in den Verbrennungsraum ragende Teil der Zündkerze kann bis zur Rotglut erhitzt werden und ist den bei hoher Temperatur stattfindenden chemischen Vorgängen ausgesetzt. Im Kraftstoff enthaltene Bestandteile können sich als aggressive Rückstände an der Zündkerze ablagern und deren Eigenschaften verändern. Anforderungen an die thermische Belastbarkeit Während des Betriebes nimmt die Zündkerze in rascher Folge Wärme aus den heißen Verbrennungsgasen auf und wird kurz danach kaltem angesaugten LuftKraftstoff-Gemisch ausgesetzt. An die Beständigkeit des Isolators gegen "Thermoschock" werden deshalb hohe Anforderungen gestellt. Ebenso muß die Zündkerze die im Verbrennungsraum aufgenommene Wärme möglichst gut an den Zylinderkopf des Motors abführen; die Anschlußseite der Zündkerze sollte sich möglichst wenig erhitzen.

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Bild 14

AbgasrückfOhrung (Beispiel). 1 Abgasrückführung, 2 elektropneumatischer Wandler, 3 Abgasrückführventil, 4 Steuergerät, 5 Luftmassenmesser. 11 Drehzahl.

293

M-Motronic

Nockenwellensteuerung Die Nockenwellensteuerung kann auf vielfältige Art und Weise den Ottomotor beeinflussen: - Drehmomenten- und Leistungserhöhung, Abgas- und Verbrauchsreduzierung, - Steuerung der Ladungszusammensetzung und - stufige bzw. stufenlose Verstellung für Einlaß und Auslaß. Die Steuerzeit "Einlaß schließt" ist maßgebend für die maximale Zylinderfüllung in Abhängigkeit von der Drehzahl. Bei frühem Schließen des Einlaßventils liegt das Maximum des Luftaufwandes in dem Bereich niedriger Drehzahlen, bei späterem Schließen verschiebt es sich in den Bereich höherer Drehzahlen. Die Phase, in der sich Ventilsteuerungen zeitlich überschneiden (Steuerzeiten "Einlaß öffnet" und "Auslaß schließt" überlappen sich), legt die interne Restgasrückführung fest. Eine verlängerte Ventilöffnungsdauer über eine nach früh verschobene Einlaßöffnungsdauer führt zu einer Erhöhung des Restgasanteils, da sich die ins Saugrohr geschobene und anschließend wieder angesaugte Restgasmasse erhöht. Damit reduziert sich bei gleicher Drosselklappenstellung die angesaugte Frischgemischmasse; die Drosselklappe muß zum Ausgleich für einen gleichen Lastpunkt weiter geöffnet werden. Die durch die "Entdrosselung" (Herabsetzung der Drosselwirkung) hervorgerufene Verkleinerung der Ladungswechselschleife verbessert den Wirkungsgrad bzw. senkt den Kraftstoffverbrauch. Eine Verschiebung der Einlaßöffnungsdauer in Richtung spät verringert den RestgasanteiL Hier werden insbesondere im Leerlauf Verbesserungen hinsichtlich der Verbrauchswerte der Abgasemissionen und der Laufruhe erreicht.

294

Nockenwellenverdrehung Hydraulik- oder Elektrik-Steiler verdrehen in Abhängigkeit von Motordrehzahl oder Betriebspunkt die entsprechende Nockenwelle (für den Vorgang der Nokkenwellenverdrehung müssen eine Einlaß- und eine Auslaßnockenwelle im Zylinderkopf angeordnet sein) und verändern damit die Steuerzeiten "Einlaß/ Auslaß öffnet" bzw. "Einlaß/Auslaß schließt" (Bild 15).

Verdrehen die Steiler z. B. die Einlaßnockenwelle bei Leerlauf oder bei höheren Drehzahlen auf ein spätes "Einlaß Bild 15 Verdrehung der Einlaßnockenwelle.

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1 spät, 2 normal, 3 früh.

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Bild 16 Nockenwellenumschaltung. 1 Standard-, 2 Zusatznocken.

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öffneVschließt", so resultieren daraus im Leerlauf ein geringerer Restgasanteil und bei höheren Drehzahlen ein höherer Luftaufwand. Bei niedrigen bis mittleren Drehzahlen oder in bestimmten Teillastbereichen führt eine Verdrehung der Einlaßnockenwelle in Richtung frühes "Einlaß öffneVschließt" zu einem höheren maximalen Luftaufwand. Gleichzeitig führt sie im Teillastbereich zu einer Erhöhung des Restgasanteils mit den damit verbundenen Einflüssen auf den Kraftstoffverbrauch und die Abgasemissionen.

Ein erster Nocken gibt die optimalen Steuerzeiten und Ventilhübe von Einund Auslaßventilen für den unteren und mittleren Drehzahlbereich vor. Ein zweiter Nocken steuert die höheren Ventilhubwerte und die längeren Ventilöffnungszeiten. Er wird durch Einkoppeln eines vorher frei schwingenden Schlepphebels auf die Standard-Kipphebel drehzahlabhängig geschaltet (Bild 16). Ein optimales, jedoch aufwendiges Verfahren ist die stufenlose Steuerzeit- und Ventilhubänderung: Bei dieser Nockenwellensteuerung ermöglichen räumliche Nockenprofile und eine längsverschiebbare Nockenwelle die größten Freiheitsgrade bei der Motoroptimierung (Bild 17).

Betriebszustand

Nockenwellenumschaltung Bei der Nockenwellenumschaltung verändern sich die Ventilsteuerzeiten durch Schalten von zwei unterschiedlichen Nockenformen. Bild 17 Stufenlose Steuerzeit- und Ventilhubänderung. a minimaler, b maximaler Hub.

295

M-Motronic

Saugrohrumschaltung Ziel bei der Motorkonzeption ist sowohl höchstmögliches Drehmoment bei niedrigen Drehzahlen als auch hohe Nennleistung bei maximaler Drehzahl. Der Drehmomentverlauf eines Motors ist proportional zur angesaugten Luftmasse in Abhängigkeit von der MotordrehzahL Ein Hilfsmittel zur Drehmomentenbeeinflussung ist die geometrische Ausführung des Ansaugrohres. Die einfachste Art der Aufladung besteht in der Ausnutzung der Dynamik der angesaugten Luft. Saugrohre für Vergaser- oder Zentraleinspritzsysteme (Mono-Jetronic) benötigen zur gleichmäßigen Verteilung des Luft-Kraftstoff-Gemisches kurze und möglichst gleich lange Einzelrohre.

einspritzsysteme bestehen aus Einzelschwingrohren und Sammler mit Drosselklappe. Dabei gilt: - Kurze Schwingrohre ermöglichen eine hohe Nennleistung mit gleichzeitiger Drehmomenteinbuße bei niedrigen Drehzahlen, lange Schwingrohre zeigen dabei ein gegensätzliches Verhalten. - Große Sammlervolumen bewirken zum Teil Resonanzeffekte in bestimmten Drehzahlbereichen, die zu verbesserter Füllung führen. Sie haben aber mögliche Dynamikfehler (dies sind Gemischabweichungen bei schnellen Laständerungen) zur Folge.

Saugrohre für Einzeleinspritzsysteme transportieren nur Luft; der Kraftstoff wird vor den Einlaßventilen abgespritzt. Dies bietet mehr Möglichkeiten bei der Saugrohrgestaltung. Standardmäßige Saugrohre für Einzel-

Einen nahezu idealen Drehmomentverlauf ermöglicht eine Saugrohrumschaltung, bei der zum Beispiel in Abhängigkeit von Motorlast, Drehzahl und Drosselklappenstellung verschiedene Verstellungen möglich sind: - Verstellen der Schwingrohrlänge, - Umschalten zwischen verschiedenen

Bild 18

Bild 19

Resonanzaufladung.

Schalt-Ansaugsysteme.

a Anordnung, b Verlauf des Luftaulwandes. 1 Resonanzrohr, 2 Resonanzbehälter, 3 Zylinder, 4 mit Resonanzaufladung, 5 mit Normalsaugrohr.

Schaltbar: a zweistufig, b dreistufig. A, 8 Zylindergruppen; 1, 2 Klappen, öffnen drehzahlabhängig.

i Drehzahl n M o t o r -

296

B

Schwingrohrlängen oder unterschiedlichen Durchmessern von Schwingrohren, - wahlweises Abschalten eines Einzelrohres je Zylinder bei MehrfachSchwingrohren, - Umschalten auf unterschiedliche Sammlervolumen.

einem Sammelbehälter verbunden als Helmholtz-Resonatoren wirken (Bild 18).

Resonanzaufladung Bei der Resonanzaufladung werden Gruppen von Zylindern mit gleichen Zündabständen über kurze Rohre an Resonanzbehälter angeschlossen, die über Resonanzrohre mit der Atmosphäre bzw.

Schalt-Ansaugsysteme Beide Systeme der dynamischen Aufladung erhöhen den erzielbaren Luftaufwand vor allem im unteren Drehzahlbereich. Zum Umschalten der Schalt-Ansaugsysteme dienen zum Beispiel Klappen , die die zu Zylindergruppen zusammengefaßten Systembereiche drehzahlabhängig voneinander trennen beziehungsweise miteinander verbinden (Bild 19). Die regelbare Ansaugrohrlänge arbeitet mit einer ersten Resonanzkammer bei niedrigen Drehzahlen. Die Ansaugrohrlänge verändert sich schließlich bis zu hohen Drehzahlen, bei denen zusätzlich noch eine zweite Resonanzkammer öffnet (Bild 20). Bild 21 zeigt den Einfluß variabler Saugrohrgeometrie auf den effektiven Mitteldruck in Abhängigkeit von der Drehzahl als Maß für den Luftaufwand.

Bild20

Bild21

Schwingsaugrohraufladung Bei der Schwingsaugrohraufladung hat jeder Zylinder ein gesondertes Saugrohr bestimmter Länge, das meist an einem Sammelbehälter angeschlossen ist. Die Energiebilanz ist dadurch gekennzeichnet, daß die Saugarbeit des Kolbens in kinetische Energie der Gassäule vor dem Einlaßventil und diese in Verdichtungsarbeit der Frischladung umgewandelt wird .

Stufenlos längenvariable Sauganlage. 1 Feststehendes Gehäuse, 2 Drehbare Trommel (Luftverteiler), 3 Lufteintrittsöffnung der Trommel, 4 Lufteintrittsöffnung der Ansaugkanäle, 5 Dichtung (z .B. Blattfeder), 6 Ansaugkanäle, 7 Einlaßventil, 8 Ansaugluftstrom.

Betriebszustand

Effektiver Mitteldruck in Abhängigkeit von der Drehzahl bei drei Längen der stufenlos variablen Sauganlage. L 1 effektive Saugrohrlänge, D, Saugrohr-Durchmesser.

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297

M-Motronic

Integrierte Diagnose Diagnose-Verfahren Bei M-Motronic-Systemen gehört eine "On Board Diagnose" zum Grundumfang. Diese integrierte Diagnose vergleicht die Reaktionen des Systems mit den Befehlen des Steuergerätes und die Signale der verschiedenen Sensoren untereinander auf ihre Plausibilität. Diese Prüfung findet ständig während des Normalbetriebes statt. Erkannte Fehler speichert das Steuergerät zusammen mit den Betriebsbedingungen beim Auftreten des Fehlers. Kommt das Fahrzeug zur Inspektion, können die gespeicherten Fehler über eine genormte Diagnoseschnittstelle durch einen Tester ausgelesen und angezeigt werden. Diese Angaben erleichtern dem Servicepersonal die Fehlersuche. Aufgrund von Forderungen der kalifornischen Umweltbehörde wurden Diagnoseverfahren entwickelt, die weit über den bis dahin bekannten Umfang hinausgehen. Alle Komponenten, die bei Ausfall zu einer merklichen Erhöhung der schädlichen Emissionen führen können, müssen überwacht werden.

Diagnose-Bereiche

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Luftmassenmesser Ein Beispiel für die Eigendiagnose von M-Motronic-Systemen ist die Überwachung des Luftmassenmessers. Parallel zu der Berechnung der Einspritzzeit aus der angesaugten Luftmasse wird eine Vergleichseinspritzzeit aus dem Drosselklappenwinkel und der Drehzahl gebildet. Weichen diese beiden Einspritzzeiten unzulässig stark voneinander ab, wird zunächst diese Unstimmigkeit gespeichert. Im weiteren Verlauf der Fahrt wird über Plausibilitätsprüfungen ermittelt, welcher der beiden Sensoren fehlerhaft ist. Erst wenn dies unzweifelhaft festgestellt werden konnte, wird der zugehörige Fehlercode im Steuergerät gespeichert.

Verbrennungsaussetzer Bei auftretenden Verbrennungsaussetzern, z. B. durch abgenutzte Zündkerzen oder fehlerhafte elektrische Verbindungen, gelangt unverbranntes Gemisch in den Katalysator. Dieses Gemisch kann den Katalysator zerstören, in jedem Fall aber die Umwelt belasten. Da schon geringste Aussetzerraten die Emissionen verschlechtern, müssen bereits einzelne Verbrennungsaussetzer erkannt werden. Bild 1 zeigt den Einfluß von Verbrennungsaussetzern auf die Emission von Kohlenwasserstoff (HC), Kohlenmonoxid (CO) und Stickoxiden (NOx).

Unter vielen untersuchten Methoden zum Feststellen von Verbrennungsaussetzern hat sich die Überwachung der Laufunruhe der Kurbelwelle als am besten geeignet gezeigt. Tritt ein Verbrennungsaussetzer auf, fehlt dem Motor das normalerweise durch die Verbrennung erzeugte Drehmoment. Dies führt zu einer Verlangsamung der Drehbewegung. Bei hohen Drehzahlen und niederer Last beträgt die Verlängerung der Zeit von Zündung zu Zündung (Periodendauer) nur 0,2 %. Dies erfordert daher eine hochgenaue Überwachung der Drehbewegung und ein aufwendiges Rechenverfahren, um Verbrennungsaussetzer von Störgrößen unterscheiden zu können. Katalysator Eine weitere Diagnosefunktion überwacht den Katalysator auf seinen Wirkungsgrad. Zu diesem Zweck wird zusätzlich zu der herkömmlichen LambdaSonde vor dem Katalysator eine Lambda-Sonde nach dem Katalysator eingebaut. Ein funktionierender Katalysator besitzt eine Speicherwirkung für Sauerstoff, durch welche die Regelschwingungen der Lambda-Regelung gedämpft werden. Bei einem gealterten Katalysator läßt diese Eigenschaft nach, bis sich schließlich der Signalverlauf nach dem Katalysator dem Signalverlauf vor dem Katalysator angleicht. Durch Vergleich der Lambda-Sondensignale

kann somit auf den Zustand des Katalysators geschlossen und im Fehlerfall dies über die Diagnoselampe dem Fahrer gemeldet werden.

Abgasemissionen in Abhängigkeit von der Aussetzerrate. Motor: 6 Zylinder, 2,8 I. Emissions-Grenzwerte US 94: HC = 0,25 g/Meile, CO = 3,40 g/Meile, NOx = 0,40 g/Meile. 250 HC

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Integrierte Diagnose

Lambda-Sonde Um den Katalysator in seiner Funktion optimal ausnutzen zu können, muß sich das Kraftstoff-Luft-Gemisch sehr genau im stöchiometrischen Punkt befinden. Dafür sorgt die Lambda-Regelung über die Signale der Lambda-Sonden. Dadurch, daß zwei Lambda-Sonden pro Abgasstrang vorhanden sind, kann über die Sonde nach dem Katalysator die Sonde vor dem Katalysator auf Verschiebung der Regellage hin überprüft werden. Eine Lambda-Sonde, die über lange Zeit überhöhten Temperaturen ausgesetzt ist, reagiert unter Umständen langsamer auf Änderungen des Kraftstoff-Luft-Gemisches. Dadurch vergrößert sich die Periodendauer des Zweipunktreglers der Lambda-Regelung (Bild 2). Eine Diagnosefunktion überwacht diese Regelfrequenz und meldet ein zu langsames Verhalten der Sonde über die Ansteuerung der Fehlerlampe an den Fahrer. Der Heizwiderstand der Lambda-Sonde wird durch Messung von Strom und Spannung geprüft. Damit die Messung möglich ist, steuert die M-Motronic den Heizwiderstand direkt, also nicht über ein Relais, an. Das von der Sonde abgegebene Signal wird fortlaufend auf seine Plausibilität hin überwacht. Treten unplausible Signale auf, werden von der Lambda-Regelung abhängige andere Funktionen gesperrt und der entsprechende Fehlercode im Fehlerspeicher abgelegt. Kraftstoffversorgung Länger anhaltende Abweichungen des Kraftstoff-Luft-Gemisches vom stöchiometrischen Verhältnis werden in Verbindung mit der Gemischadaption berücksichtigt. Überschreiten diese Abweichungen vorher definierte Grenzen, befindet sich irgend ein Bauteil der Kraftstoffversorgung oder -zumessung außerhalb seines Spezifikationsbereiches.

299

M-Motronic

Beispiel hierfür kann ein fehlerhafter Druckregler, Lastsensor oder auch nur eine Leckage im Saugrohr oder in der Abgasanlage sein. Sekundärlufteinblasung Die nach einem Kaltstart wirksame Sekundärlufteinblasung muß ebenfalls überwacht werden, da bei einem eventuellen Ausfall die Emissionen beeinflußt werden . Bei aktiver Sekundärlufteinblasung kann das Signal der Lambda-Sonden geprüft oder bei einer im Leerlauf aktiven Testfunktion der Lambda-Regler eingeschaltet und beobachtet werden . Abgasrückführung Für die Diagnose der Abgasrückführung bieten sich verschiedene Möglichkeiten an. Im wesentlichen haben sich zwei Varianten durchgesetzt. Bei der ersten Möglichkeit wird an der Stelle, an der das heiße Abgas in das Saugrohr zurückgeführt wird , mit einem Sensor die Temperaturerhöhung bei aktiver Abgasrückführung gemessen.

Als zweite Möglichkeit wird im Schub (bei Kraftstoffabschaltung) das Abgasrückführventil voll geöffnet. Das in das Saugrohr strömende Abgas führt dort zu einer Druckerhöhung. Über einen Drucksensor wird die Erhöhung des Saugrohrdrucks gemessen und ausgewertet. Tanksystem Nicht nur Emissionen aus der Abgasanlage beeinträchtigen die Umwelt, sondern auch aus der Tankanlage entweichende Kraftstoffdämpfe . Zunächst beschränkt sich der Gesetzgeber noch auf eine relativ einfache Überprüfung der Funktion des Regenerierventils . Später wird gefordert, daß Lecks in dem KraftstoffverdunstungsRückhaltesystem erkannt werden . ln Bild 3 ist das Grundprinzip der Diagnose dargestellt. Mit einem Absperrventil wird das Rückhaltesystem verschlossen. Dann wird vorzugsweise im Leerlauf des Motors das Regenerierventil geöffnet,

Bild 3

Unterdruckprüfung zum Erkennen von Lecks in der Tankentlüftung. 1 Saugrohr. 2 Regenerierventil , 3 Absperrventil , 4 Kraftstoffbehälter, 5 Differenzdrucksensor, 6 Schutzventil.

300

wobei sich der Saugrohrdruck im gesamten System fortpflanzt. Über einen Drucksensor im Tank wird der Druckverlauf beobachtet und daraus auf Lecks geschlossen. Weitere Überwachungen Neben der Motorsteuerung, die hauptsächlich von dieser neuen Gesetzgebung betroffen ist, werden aber auch andere Systeme (z. B. automatische Getriebe) in die Überwachung mit einbezogen. Diese melden das Vorhandensein von Fehlern an die Motorsteuerung und diese steuert dann stellvertretend die Diagnoselampe an. Durch die steigende Komplexität der Systeme und verschärfte Umweltgesetze kommt der Diagnose eine zunehmende Bedeutung zu .

Notlauf

Integrierte Diagnose

ln der Phase vom Auftreten eines Fehlers bis zum Werkstattaufenthalt wird die Bereitstellung des Luft-Kraftstoff-Gemisches und der Zündung über Ersatzgrößen und Notfunktionen soweit aufrechterhalten, daß mit eingeschränktem Komfort weitergefahren werden kann . Bei einem erkannten Fehler eines Eingangszweiges ersetzt das Steuergerät die fehlende Information oder setzt einen Ersatzwert ein. Bei Ausfall eines ausgangsseitigen Aggregates werden abhängig vom Fehlerbild individuelle Notlaufmaßnahmen ergriffen. So wird z. B. bei einem Defekt im Zündkreis die Benzineinspritzung des betroffenen Zylinders abgeschaltet, um eine Schädigung des Katalysators zu vermeiden . ln der Werkstatt können über den BoschMotortester die während der Fahrt festgestellten Mängel ausgelesen und angezeigt werden (Bild 4).

Bild 3 Bosch-Motortester.

301

M-Motronic

Steuergerät Aufgabe Das elektronische Steuergerät ist das "Rechen- und Schaltzentrum" des Motorsteuerungssystems. Es berechnet aus den Eingangssignalen, die von Sensoren geliefert werden, mit Hilfe der gespeicherten Funktionen und Algorithmen (Rechenverfahren) die Ansteuersignale für die Stellglieder (z. B. Zündspule, Einspritzventile usw.) und steuert diese über Leistungsendstufen direkt an (Bild 1). Mechanischer Aufbau Das Steuergerät befindet sich in einem Metallgehäuse, das eine Leiterplatte mit den elektronischen Bauelementen enthält. Die Sensoren, die Stellglieder und die Stromversorgung sind über eine vielpolige Steckverbindung an das Steuergerät angeschlossen. Diese Steckverbindung ist, je nach Gerätetyp, entsprechend dem unterschiedlichen Funktionsumfang 35-, 55- oder 88polig ausgeführt. Die Leistungsbauelemente zur direkten Ansteuerung der Stellglieder sind auf Kühlkörper im Steuergerät montiert. Wegen der erzeugten und abzuführenden Wärme dieser elektronischen Bauteile ist eine gute Wärmeleitung zur Karosserie notwendig. Umgebungsbedingungen An das Steuergerät werden hohe Anforderungen bezüglich der Umgebungstemperatur, der Feuchte und den mechanischen Beanspruchungen gestellt. Ebenso sind die Forderungen an die elektromagnetische Störunempfindlichkeit und an die Begrenzung der Abstrahlung hochfrequenter Störsignale sehr hoch.

302

Das Steuergerät muß im normalen Fahrbetrieb bei Umgebungstemperaturen von -30 oc bis + 60 oc und bei Batteriespannungen von 6 V (beim Start) bis 15 V die Signale fehlerfrei verarbeiten können.

Spannungsversorgung Ein Spannungsregler stellt die konstante Versorgungsspannung von 5 V für die digitalen Schaltungen bereit. Signaleingabe Die Eingangssignale werden in unterschiedlicher Form dem Steuergerät zugeleitet. Sie werden über Schutzbeschaltungen und gegebenenfalls über Signalwandler und Verstärker geführt. Der Mikroprozessor verarbeitet diese Schaltsignale direkt. Die analogen Signale (z. B. Informationen über angesaugte Luftmenge, Drosselklappenstellung, Motor- und Ansauglufttemperatur, Batteriespannung, Lambda-Sonde usw.) werden von einem Analog/Digitalwandler (A/D-Wandler) im Mikroprozessor in digitale Werte umgeformt. Das Signal eines induktiven Sensors mit Informationen über Drehzahl und Bezugsmarke wird in einem Schaltungsteil aufbereitet, um Störimpulse zu unterdrücken. Signalverarbeitung Der Mikroprozessor im Steuergerät verarbeitet die Eingangssignale. Dieser Mikroprozessor benötigt ein Programm für die Signalverarbeitung, das in einem Festwertspeicher (ROM oder EPROM) gespeichert ist. Zusätzlich sind in dem Speicher die motorspezifischen Kennlinien und Kennfelder für die Motorsteuerung gespeichert. Wegen der Vielzahl von Motor- und Ausstattungsvarianten der Fahrzeuge sind einige Steuergeräte mit einer Variantencodierung ausgestattet. Über diese Codierung wird bei dem Fahrzeughersteller oder in einer Werkstatt eine Auswahl der im EPROM gespeicherten Kennfelder zusätzlich programmiert, um die gewünschten Funktionen der Variante erfüllen zu können. Andere Gerätetypen sind derart konzipiert, daß komplette Datensätze am Ende der Fahrzeugproduktion in das EPROM einprogrammiert werden kön-

nen. Dadurch reduziert sich die Anzahl der beim Fahrzeughersteller benötigten Steuergerätetypen. Ein Schreib-Lese-Speicher (RAM) ist notwendig, um Rechenwerte, Adaptionswerte und eventuell auftretende Fehler im Gesamtsystem zu speichern (Diagnose). Das RAM benötigt zu seiner Funktion eine ständige Stromversorgung. Beim Abklemmen der Fahrzeugbatterie verliert dieser Speicher den gesamten Datenbestand. Die Adaptionswerte müssen in diesem Fall nach Anschluß der Batterie vom Steuergerät wieder neu ermittelt werden. Um das zu verhindern, werden deshalb bei einigen Gerätetypen die weiterhin benötigten variablen Werte in einem EEPROM statt in einem RAM gespeichert. Signalausgabe Der Mikroprozessor steuert Endstufen an, die genügend Leistung für den direkten Anschluß der Stellglieder liefern.

Diese Endstufen sind gegenüber Kurzschlüssen gegen Masse oder der Batteriespannung sowie gegen Zerstörung durch elektrische Überlastung geschützt.

Steuergerät

Die Diagnosefunktion erkennt den aufgetretenen Fehler an einigen Endstufen und schaltet (falls notwendig) den fehlerhaften Ausgang ab. Im RAM wird der Fehlereintrag gespeichert. Dieser Fahlereintrag kann in einer Werkstatt über die serielle Schnittstelle mit einem Tester abgerufen werden. Eine andere Schutzschaltung schaltet die Elektrokraftstoffpumpe unabhängig vom Steuergerät ab, sobald das Drehzahlsignal eine untere Grenze unterschreitet. Bei einigen Steuergeräten wird beim Abschalten der Klemme 15 im Zündschloß ("Zündung Aus") über eine Halteschaltung das Hauptrelais noch solange gehalten, bis die Programmabarbeitung abgeschlossen ist.

Bild 1

Blockschaltbild M-Motronic. Sensoren

Signalaufbereitung

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Zündspule Relais Kraftstoffpumpe Hauptrelais Regenarierventil Leertaufsteller Fehlertampe Diagnose

Drehzahlsignal

303

M-Motronic

Schnittstellen zu anderen Systemen Systemübersicht Der verstärkte Einsatz von elektronischen Steuerungen im Kraftfahrzeug, wiez.B. - Getriebesteuerung, - elektronische Motorleistungssteuerung (EMS bzw. E-Gas), - elektronische Motorsteuerung (M-Motronic), - Antiblockiersystem (ABS), - Antriebsschlupfregelung (ASR), - Bordcomputer usw., macht eine Vernetzung dieser einzelnen Steuerungen erforderlich. Der Informationsaustausch zwischen den Steuerungssystemen verringert die Anzahl von Sensoren und verbessert die Ausnutzung der Einzelsysteme. Die Schnittstellen können in zwei Kategorien unterteilt werden: - konventionelle Schnittstelle, z. B. binäre Signale (Schalteingänge), Tastverhältnisse (Pulsbreiten-modulierte Signale), - serielle Datenübertragung, z. B. Controller Area Network (CAN).

Konventionelle Schnittstellen

304

Die konventionelle Kommunikation im Kraftfahrzeug ist dadurch gekennzeichnet, daß jedem Signal eine Einzelleitung zugeordnet ist. Binäre Signale können nur durch die zwei Zustände "1" oder "0" (Binärcode), z. B. Klimakompressor "Ein" oder "Aus", übertragen werden. Über Tastverhältnisse (Potentiometer) können mehrere Zustände, wie z. B. Stellung der Drosselklappe, übertragen werden. Die Zunahme des Datenaustausches zwischen den elektronischen Komponenten im Kraftfahrzeug kann mit konventionellen Schnittstellen nicht mehr sinnvoll bewältigt werden. Die "Komple-

xität" der Kabelbäume ist schon heute nur mit großen Aufwand beherrschbar, und die Anforderungen an den Datenaustausch zwischen den Steuergeräten steigen (Bild 1). Diese Probleme können durch den Einsatz von CAN, einem speziell für Kraftfahrzeuge konzipierten Bussystem (Datensammelschiene), gelöst werden. Sofern die elektronischen Steuergeräte eine serielle Schnittstelle CAN besitzen, können die oben genannten Signale über CAN übertragen werden.

Serielle Datenübertragung

(CAN) Es gibt drei wesentliche Einsatzgebiete für CAN im Kfz: - Steuergerätekopplung, - Karosserie- und Komfortelektronik (Multiplex), - mobile Kommunikation. Die folgende Beschreibung bezieht sich auf die Steuergerätekopplung. Steuergerätekopplung Bei der Steuergerätekopplung werden elektronische Systeme wie M-Motronic, elektronische Getriebesteuerung usw. miteinander gekoppelt. Typische Übertragungsraten liegen zwischen ca. 125 kBit/s und 1 MBit/s. Sie müssen so hoch sein, daß ein gefordertes Echtzeitverhalten garantiert werden kann. Ein Bild 1 Konventionelle Datenübertragung. GS Getriebesteuerung, EMS elektronische Motorleistungssteuerung, ABS Antiblockier· system, ASR Antriebsschlupfregelung, MSR Motorschleppmomentregelung.

Vorteil des seriellen Datenübertragungsmediums gegenüber konventionellen Schnittstellen (z. B. Tastverhältnis, Schaltsignal und Analogsignal) ist auch die höhere Geschwindigkeit ohne große Belastung der Steuergeräte-Zentraleinheiten (CPU).

Liste entgegenzunehmender Botschaften gespeichert sind (Akzeptanzprüfung). Dadurch benötigt CAN keine Stationsadressen für die Datenübertragung, und die Knoten brauchen die Systemkonfiguration nicht zu verwalten.

Buskonfiguration CAN arbeitet nach dem "Multi-Master"Prinzip. Bei diesem Prinzip sind mehrere gleichberechtigte Steuereinheiten durch eine lineare Busstruktur miteinander verbunden (Bild 2). Diese Struktur hat den Vorteil, daß das Bussystem bei Ausfall eines Teilnehmers für alle anderen weiterhin voll verfügbar ist. Im Vergleich zu anderen logischen Anordnungen (wie Ring- oder Sternstrukturen) wird damit die Wahrscheinlichkeit für einen Gesamtausfall wesentlich verringert. Bei Ring- bzw. Sternstrukturen führt der Ausfall eines Teilnehmers bzw. der Zentraleinheit zum GesamtausfalL

Busvergabe Wenn der Bus frei ist, kann jede Station beginnen, ihre wichtigste Botschaft zu übertragen. Beginnen mehrere Stationen gleichzeitig zu senden, dann wird zur Auflösung der resultierenden Buszugriffskonflikte ein "Wired-And"-Arbitrierungsschema verwendet. Bei diesem Schema setzt sich die Botschaft mit der höchsten Priorität durch, ohne daß ein Zeit- bzw. Bitverlust eintritt. Jeder Sender, der die Arbitrierung verliert, wird automatisch zum Empfänger und wiederholt seinen Sendeversuch, sobald der Bus frei ist.

Inhaltsbezogene Adressierung Das Bussystem CAN adressiert Informationen bezüglich ihres Inhalts. Dazu wird jeder "Botschaft" ein fester, elf Bit langer "ldentifier" zugeordnet. Der Identitier kennzeichnet den Inhalt der Botschaft (z. B. Motordrehzahl). Eine Station verwertet ausschließlich diejenigen Daten, deren zugehörige ldentifier in der Bild 2

Lineare Busstruktur.

Schnittstellen

Botschaftsformat Für die Übertragung auf dem Bus wird ein Datenrahmen (Data Frame) aufgebaut, dessen Länge weniger als 130 Bit beträgt. Damit ist sichergestellt, daß die Wartezeit bis zur nächsten, möglicherweise sehr dringlichen Übertragung stets kurz gehalten wird. "Data Frame" besteht aus sieben aufeinanderfolgenden Feldern. Standardisierung CAN ist bei der internationalen Normenorganisation ISO als Standard für den Einsatz im Kfz für Datenreihen über 125 kBit/s und zusammen mit zwei weiteren Protokollen für Datenraten bis zu 125 kBit/s vorgesehen.

305

ME-Motronic

Motormanagement ME-Motronic Gesamtsystem Motronic Systemübersicht

306

Das System Motronic beinhaltet alle Steiler (Aktoren), die benötigt werden, um die am Ottomotor gewünschten Stelleingriffe vorzunehmen. Meßfühler (Sensoren) erfassen die aktuellen Betriebsdaten von Motor und Fahrzeug. Die Eingangsschaltung eines zentralen elektronischen Steuergerätes bereitet die Signale der Sensoren auf und stellt dem Mikroprozessor (Funktionsrechner) des Steuergerätes z.B. folgende Informationen zur Verfügung (Bilder 1 und 2): - die Fahrpedalstellung, - die Motordrehzahl, - die Zylinderfüllung (Luftmasse), - die Motor- und Ansauglufttemperatur, - die Gemischzusammensetzung und - die Fahrzeuggeschwindigkeit Der Mikroprozessor erkennt aus diesen Informationen den vom Fahrer gewünschten Betriebszustand und berechnet daraus das erforderliche Moment, um die vom Fahrer angeforderte Leistung zur Verfügung stellen zu können. Die ebenfalls leistungsbestimmende Motordrehzahl wird durch die vom Fahrer oder von der Getriebesteuerung gewählte Übersetzung bestimmt. Um den gewünschten Betriebszustand einzustellen, berechnet der Mikroprozessor die erforderlichen Stellsignale. Endstufen verstärken diese Signale und steuern über die Stellglieder den Motor. Die Bereitstellung der erforderlichen Zylinderfüllung mit der dazugehörenden Einspritzmenge, sowie die zeitgerechte Zündung ermöglichen eine optimale Gemischaufbereitung und Verbrennung.

Motronic-Ausführungen Die nachfolgende Beschreibung bezieht sich auf eine typische Ausführung einer ME-Motronic. ln diesem Kürzel kennzeichnet "M" die klassischen Aufgaben einer Motronic, also die koordinierte Steuerung von Einspritzung und Zündung, "E" steht für die Integration des elektronischen Gaspedals EGAS. Grundfunktion Die Hauptaufgabe der Motronic ist, den vom Fahrer gewünschten Betriebszustand einzustellen. Im Mikroprozessor wird dazu die Stellung des Fahrpedals in einen Sollwert für das Motormoment übersetzt. Dieses Moment wird dann unter Berücksichtigung der zahlreichen verfügbaren aktuellen Betriebsdaten der ME-Motronic in die Größen umgerechnet, die bestimmend sind für das Motormoment - die Füllung der Zylinder mit Luft, - die Masse des eingespritzten Kraftstoffs und - der ZündwinkeL Zusatzfunktion Neben diesen Grundfunktionen beinhaltet die ME-Motronic eine große Anzahl von zusätzlichen Steuerungs- und Regelungsfunktionen. Beispiele dafür sind: - Leerlaufdrehzahlregelung, - Lambda-Regelung, - Steuerung des KraftstotfverdunstungsRückhaltesystems, - Abgasrückführung zur Senkung von NOx-Emissionen, - Steuerung des Sekundärluftsystems zur Senkung von HG-Emissionen und - Fahrgeschwindigkeitsregelung. Diese Funktionen sind notwendig geworden durch die Gesetzgebung zur Senkung der Abgasemissionen, die Forde-

rungen nach Fortschritten zur Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs, aber auch durch erhöhte Anforderungen an den Fahrkomfort und die Fahrsicherheit Zusätzlich kann das System noch durch folgende Funktionen ergänzt werden : - Steuerung des Turboladers sowie der Saugrohrumschaltung (--? Leistungssteigerung des Motors), - Nockenwellensteuerung (--7 Senkung der Abgasemissionen und des Kraftstoffverbrauchs sowie Leistungssteigerung), - Klopfregelung , Drehzahlbegrenzung und Geschwindigkeitsbegrenzung (--7 Schutz von Motor und Fahrzeug) . Drehmomentführung Ziel der Drehmomentführung ist die Entflechtung dieser vielen, teilweise sehr unterschiedlichen Aufgaben. Nur dann ist es möglich, flexibel- also abhängig vom Motor- oder Fahrzeugtyp - die jeweils benötigten Funktionen auszuwählen und in die jeweilige Variante der Motronic zu integrieren.

Momentenkoordination Die meisten dieser zusätzlichen Steuerund Regelfunktionen beeinflussen ebenfalls das Drehmoment des Motors. Häufig entstehen daraus gleichzeitig auftretende, sich aber gegenseitig widersprechende Forderungen. ln einem drehmomentgeführten System verhalten sich alle diese

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Bild 1

Funktionen wie der Fahrer: sie fordern ein Motordrehmoment Die drehmomentgeführte ME-Motronic kann die widersprüchlichen Anforderungen sortieren und die wichtigste Anforderung verwirklichen. Hier zeigt sich der Vorteil der Momentenstruktur. Alle Funktionen äußern unabhängig voneinander ihre Forderung nach einem Drehmoment.

Gesamtsystem

Fahrzeugmanagement Über das Bussystem CAN (Controller Area Network) kann die Motronic mit den Steuergeräten anderer Fahrzeugsysteme kommunizieren. Die Motronic ermöglicht damit unter anderem im Verbund mit dem Steuergerät des Automatikgetriebes ein Schalten, das durch Momentenreduzierung beim Schaltvorgang das Getriebe schont. Ein vorhandenes ASR-Steuergerät (Antriebsschlupfregelung) informiert bei durchdrehenden Rädern die Motronic über diesen Zustand, damit diese das erzeugte Drehmoment reduziert. Somit kommen auch hier die Vorteile der Drehmomentführung zum tragen . Diagnose Die ME-Motronic wird durch Komponenten zur On-Board-Überwachung ergänzt. Daher kann sie zur Erfüllung - der strengen Abgasgrenzwerte und - der Anforderungen an die integrierte Diagnose eingesetzt werden.

Blockschaltbild der ME-Motronic. Fahrpedalstellung Drosselklappenstellung Luftmasse Batteriespannung ｲＺｩｾ＠

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Zündkerzen

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Motortemperatur Klopfintensität

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307

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Elektronisches

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Systeme zur Füllungssteuerung

Prinzip der Luftsteuerung durch Bypassluftsteller. 1 Leerlaufsteller (Bypassluftsteller) ,

2 Steuergerät, 3 Drosselklappe, 4 Bypass.

Steuerung der Drosselklappe

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Beim Ottomotor mit äußerer Gemischbildung ist die Zylinderfüllung die bestimmende Größe für das abgegebene Moment und damit für die Leistung. Die Drosselklappe steuert den vom Motor angesaugten Luftstrom und damit die Zylinderfüllung. Herkömmliche Systeme ln herkömmlichen Systemen wird die Drosselklappe mechanisch bewegt. Ein Seilzug oder ein Gestänge überträgt die Bewegung des Fahrpedals auf die Drosselklappe. Der kalte Motor benötigt eine größere Luftmasse und eine Mehrmenge an Kraftstoff, um das gestiegene Reibmoment auszugleichen. Auch beim Zuschalten z.B. eines Klimakompressors ist ein höherer Luftbedarf erforderlich, um das Verlustmoment auszugleichen. Der zusätzliche Luftbedarf wird gedeckt, indem ein Bypassluftsteiler einen zusätzlichen Luftstrom an der Drosselklappe vorbeiführt (Bild 2) oder ein Drosselklappenansteller den Minimalanschlag

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Systemezur Füllungssteuerung

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Bild 2

der Drosselklappe verändert. ln beiden Fällen läßt sich jedoch der vom Motor benötigte Luftstrom nur in begrenztem Umfang, etwa für eine Leerlaufregelung, elektronisch beeinflussen. Systeme mit EGAS Bei der elektronischen Motorfüllungssteuerung EGAS übernimmt ein elektronisches Steuergerät die Ansteuerung der Drosselklappe. Die Drosselklappe ist mit dem Drosselklappenantrieb (Gleichstrommotor) und dem Drosselklappenwinkelsensor als Einheit zusammengefaßt Sie wird als Drosselvorrichtung bezeichnet (Bild 1).

Bild 1

EGA$-System.

Sensoren

Fahrpedalmodul

Aktoren

Motorsteuergerät

Drosselvorrichtung

309

ME-Motronic

Zündung, Einspritzung und sonstige Zusatzfunktionen steuert, integriert worden. Das spezielle EGAS-Steuergerät ist entfallen. Bild 3 zeigt die Komponenten eines EGAS-Systems.

Zur Ansteuerung der Drosselvorrichtung wird die Stellung des Fahrpedals mit Hilfezweier gegenläufiger Potentiometer erfaßt. Die für diesen Fahrerwunsch erforderliche Öffnung der Drosselklappe wird dann unter Berücksichtigung des aktuellen Betriebszustandes des Motors vom Steuergerät errechnet und in Ansteuersignale für den Drosselklappenantrieb umgesetzt. Der aus zwei Potentiometern bestehende Drosselklappenwinkelsensor ermöglicht das exakte Einhalten der gewünschten Drosselklappenposition . Die aus Gründen der Redundanz doppelt vorhandenen Potentiometer an Fahrpedal und Drosselvorrichtung sind Bestandteil des EGAS-Überwachungssystems. Dieses Teilsystem überprüft während des Motorbetriebs ständig alle Sensoren und Berechnungen, die Einfluß auf die gewünschte Drosselklappenöffnung haben. Im Falle einer Fehlfunktion wird zunächst auf redundante Sensoren oder Berechnungsgrößen zurückgriffen. Ist kein redundantes Signal verfügbar, so nimmt die Drosselklappe sofort eine festgelegte Position ein. Mit der ME-Motronic ist die EGAS-Ansteuerung in das Motorsteuergerät, das

Steuerung des Ladungswechsels Neben der Drosselung des vom Motor angesaugten Frischgasstroms mit Hilfe der Drosselklappe gibt es weitere Systeme zur Veränderung von Frischgasund Restgasmasse im Zylinder: - variable Steuerzeiten von Ein- und Auslaßventil, - Abgasrückführung, - variable Geometrie des Saugrohrs (Dynamische Aufladung) und - Abgasturboaufladung. Variable Steuerzeiten Bei der Konzeption der Steuerzeiten ist zu beachten, daß sich das Verhalten der in den Zylinder ein- und ausströmenden Gassäulen z.B. über der Drehzahl oder der Drosselklappenöffnung stark ver-

Bild 3

EGAS-Komponenten. 1 Drosselvorrichtung DV·E5, 2 MotorsteuergerAt, 3 Fahrpedalmodul (FPM).

2

310

3

Verdrehung der Einlaßnockenwelle.

Nockenwellenumschaltung.

1 spät, 2 normal, 3 früh.

1 Standard-, 2 Zusatznocken.

Auslaß

Einlaß (verstellbar)

Auslaß (verstellbar)

Systemezur Füllungssteuerung

Einlaß (verstellbar)

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Bild4

Bild 5

ändert. Bei Verwendung fester Steuerzeiten kann der Ladungswechsel somit nur für einen bestimmten Betriebsbereich optimiert werden. Variable Steuerzeiten erlauben die Anpassung an verschiedene Drehzahlen.

Nockenwellenumschaltung Bei der Nockenwellenumschaltung verändern sich die Ventilsteuerzeiten durch Schalten von zwei unterschiedlichen Nockentormen. Ein erster Nocken gibt die optimalen Steuerzeiten und Ventilhübe von Einund Auslaßventilen für den unteren und mittleren Drehzahlbereich vor. Ein zweiter Nocken steuert die höheren Ventilhubwerte und die längeren Ventilöffnungszeiten. Er wird durch Einkoppeln eines vorher frei schwingenden Schlepphebels auf die StandardKipphebel drehzahlabhängig geschaltet (Bild 5). Ein optimales, jedoch aufwendiges Verfahren ist die stutenlose Steuerzeitund Ventilhubänderung. Bei dieser Nockenwellensteuerung ermöglichen räumliche Nockenprofile und eine längsverschiebbare Nockenwelle die größten Freiheitsgrade bei der Motoroptimierung (B.ild 6). Damit sind deutliche Drehmomentgewinne im gesamten Drehzahlbereich des Motors möglich.

Nockenwellenverstellung Im herkömmlichen Motor sind Kurbelwelle und Nockenwelle über einen Zahnriemen oder ein Kette mechanisch gekoppelt. Bei Motoren mit Nockenwellenverstellung wird mindestens die Einlaßnockenwelle, zunehmend aber auch Ein- und Auslaßnockenwelle gegenüber der Kurbelwelle verdreht. Die Verstellung ist durch Einsatz von elektrisch oder elektrohydraulisch betätigten Stellern möglich. Bild 4 zeigt, wie· sich die "Lage" des geöffneten Einlaßventils (bezogen auf den oberen Totpunkt) verändert, wenn die Einlaßnockenwelle verstellt wird. So wird z.B. durch Verdrehen der Einlaßnockenwelle auf ein späteres "Einlaß öffnet/schließt" im Leerlaut ein geringerer Restgasanteil und damit ein ruhiger Leerlaut erreicht. Bei höheren Drehzahlen wird durch ein späteres "Einlaß schließt" eine höhere Maximalfüllung erzielt. Das gleiche Ziel wird bei niedrigen bis mittleren Drehzahlen oder in bestimmten Teillastbereichen durch Verstellen der Einlaßnockenwelle in Richtung frühes "Einlaß öffnet/schließt" erreicht.

Abgasrückführung (AGR) Wie im Abschnitt "Variable Steuerzeiten" beschrieben, kann die im Zylinder verbleibende Restgasmasse über variable Steuerzeiten beeintlußt werden. ln diesem Fall spricht man von einer "inneren Abgasrücktührung". Eine Variation des Restg.asanteils ist auch über eine "äußere Abgasrück-

311

ME-Motronic

Stufenlose Steuerzeit- und Ventilhubänderung.

a minimaler Hub, b maximaler Hub.

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b

Bild 6 Bild? Abgasrückführung (Beispiel).

1 Abgasrücklührung, 2 elektropneumatischer Wandler, 3 Abgasrückführventil , 4 Steuergerät, 5 Luftmassenmesser. "Drehzahl. 4

2

3

312

führung" möglich. Dazu steuert die Motronic abhängig vom Betriebspunkt des Motors das Abgasrückführventil an und legt damit dessen Öffnungsquerschnitt fest (Bild 7). Dem Abgas wird dadurch ein Teilstrom entnommen und über das Ventil dem Frischgemisch zugeführt. Damit ist der Abgasanteil der Zylinderfüllung festgelegt. Die Abgasrückführung ist ein wirkungsvolles Mittel zur Absenkung der Stickoxidemissionen. Durch Zumischen von bereits verbranntem Abgas zum LuftKraftstoff-Gemisch wird die Verbrennungs-Spitzentemperatur gesenkt. Diese Maßnahme reduziert die temperaturabhängige Stickoxidemission. Dynamische Aufladung Das erreichbare Drehmoment ist proportional zur Frischgasfüllung. Das maximale Drehmoment kann daher gesteigert werden, indem die Luft vor Eintritt in den Zylinder verdichtet wird. Die Ladungswechselvorgänge werden nicht nur durch die Steuerzeiten, sondern auch durch die Saug- und Abgasleitung beeinflußt. Durch die Saughübe der Zylinder werden im Saugrohr periodische Druckschwankungen erzeugt. Diese Druckschwankungen können ausgenutzt werden um die Frischgasfüllung zu vergrößern und damit ein höchstmögliches Drehmoment zu erreichen. Saugrohre für Einzeleinspritzsysteme bestehen aus den Einzelschwingrohren und dem Sammler mit Drosselklappe. Durch geeignete Wahl der Längen und Durchmesser von Schwingrohr und Sammler kann die Schwingung der Luftsäule im Ansaugsystem ausgenutzt werden, um die Dichte der Frischgasfüllung und damit die Frischgasmasse zu erhöhen. Schwingsaugrohraufladung Die durch die Kolbenbewegung erzeugten Druckwellen laufen durch die Schwingrohre und werden an den Rohrenden reflektiert. Länge und Durchmesser der Schwingrohre werden so auf die Ventilsteuerzeiten abgestimmt, daß ein Druckberg das Einlaßventil kurz vor dem

Schließen erreicht. Dieser Nachladeeffekt fördert eine größere Frischgasmasse in den Zylinder.

Systemezur Füllungssteuerung

Resonanzaufladung Bei der Resonanzaufladung werden Gruppen von Zylindern mit gleichen Zündabständen über kurze Rohre an Resonanzbehälter angeschlossen, die über Resonanzrohre mit der Atmosphäre bzw. einem Sammelbehälter verbunden als Helmholtz-Resonatoren wirken (Bild 8). Die teilweise benötigten großen Sammlervolumen haben durch ihre Speicherwirkung aber mögliche Dynamikfehler (dies sind Gemischabweichungen bei schnellen Laständerungen) zur Folge. Variable Saugrohrgeomterie Die beiden Systeme der dynamischen Aufladung erhöhen die erzielbare maximale Füllung vor allem im unteren Drehzahlbereich. Bild 8 Resonanzaufladung. a Anordnung, b Verlauf des Luftaufwandes. 1 Resonanzrohr, 2 Resonanzbehälter, 3 Zylinder, 4 mit Resonanzaufladung, 5 mit Normalsaugrohr.

Drehzahl nMotor-

313

ME-Motronic

Schalt-Ansaugsysteme. Schaltbar: a zweistufig, b dreistufig. A, B Zylindergruppen: 1, 2 Klappen , öffnen drehzahlabhängig.

a

A

Effektiver Mitteldruck in Abhängigkeit von der Drehzahl bei drei Längen der stufenlos variablen Sauganlage. L 1 effektive Saugrohrlänge,

o,

Saug rohrdurchmesser.

B bar

12

J

11

.>< 1) vorliegt. Die sprungförmige Kennlinie dieser Sonde (Bild 7) erlaubt eine Gemischregelung auf A.=1 . Die Breitbandsonde liefert eine Information über den aktuellen Wert der Luftzahl. Mit Einsatz dieser Sonde lassen sich auch fette oder magere Gemische regeln .

Zweipunktsonde nach dem NernstPrinzip Die äußere Elektrodenseite der LambdaSonde ragt in den Abgasstrom, die innere Elektrodenseite steht mit der Außenluft in Verbindung (Bild 6). Die Sonde besteht im wesentlichen aus einem Spezialkeramikkörper, dessen Oberflächen mit gasdurchlässigen Platin-Elektroden versehen sind. Die Wirkung der Sonde beruht darauf, daß das keramische Material porös ist und eine Diffusion des Luftsauerstoffs zuläßt (Festelektrolyt). Die Keramik wird bei höheren Temperaturen leitend. Ist der Sauerstoffgehalt auf beiden Seiten der Elektroden verschieden groß, so entsteht Bild6 Anordnung der Lambda-Sonde im Abgasrohr. 1 4 6 7

Sondenkeramik, 2 Elektroden, 3 Kontakt, Gehäusekontaktierung, 5 Abgasrohr, keramische Schutzschicht (porös), Abgas, 8 Luft.

· .Ö.·_.· ·

Gemischzusammensetzung

326

LuftzahiA. Die Luftzahl Lambda (A.) ist die Maßzahl für das Luft-Kraftstoff-Massenverhältnis des Gemisches. Bei A.=1 arbeitet der Katalysator optimal. Die Lambda-Sonde

.

·D .

.

.

.

.

8

an den Elektroden eine elektrische Spannung. Bei einer stöchiometrischen Zusammensetzung des Luft-KraftstoffGemischs von /...= 1 ergibt sich eine Sprungfunktion (Bild7). Die Spannung und der Innenwiderstand der Sonde sind von der Temperatur abhängig. Ein sicherer Regelbetrieb ist bei Abgastemperaturen über 350 oc (unbeheizte Sonde) bzw. über 200 oc (beheizte Sonde) möglich. Beheizte Lambda-Sonde Die aktive Sondenkeramik wird von innen durch ein keramisches Heizelement in der Mitte der Sonde beheizt, so daß auch bei noch geringer Abgastemperatur- die Temperatur der Sondenkeramik für die Funktion hoch genug ist. Die beheizte Sonde hat ein Schutzrohr mit verminderter Durchlaßöffnung; eine Abkühlung der Sondenkeramik bei kaltem Abgas wird damit unter anderem verhindert. Die Sondenheizung verkürzt die Zeit vom Start des Motors bis zum Einschalten der Regelung und stellt den Regelbetrieb auch bei kälterem Abgas sicher (zum Beispiel im Leerlauf). Beheizte Sonden haben kürzere Aufheiz- und Reaktionszeiten. Damit läßt sich die nach einem Motorstart notwendige Zeit bis zum Einschalten der Regelung minimieren, sowie die Regelgeschwindigkeit opBild 7 Spannungskennlinie der Zweipunkt-LambdaSo nde für 600 °C Arbeitstemperatur. a Fenes Gemisch (Luftmangel), b mageres Gemisch (Luftüberschuß). mV

a

1000

:::."' c: "' :::>

800

ro

600

"'c:

400

c: c:

b

---....,

timieren. Ferner sind die Einbaumöglichkeiten dieser Sonden vielfältiger.

Betriebsdatenerfassung

Breitband-Lambda-Sonde Ergänzend zum Prinzip der Nernst-Zelle ist in der Breitbandsonde eine zweite elektrochemische Zelle, die sogenannte Pumpzelle, integriert. Das Abgas gelangt durch ein kleines Loch der Pumpzelle in den eigentlichen Meßraum (Difussionsspalt) der Nernst-Zelle. ln Bild 8 ist der prinzipielle Aufbau der Sonde skizziert. Im Unterschied zur Zweipunktsonde wird hier im Meßraum stets ein stöchiometrisches Luft-Kraftstoff-Verhältnis eingestellt. Dazu wird durch Anlegen einer Pumpspannung an die Pumpzelle bei magerem Abgas Sauerstoff nach außen und bei fettem Abgas von außen nach innen befördert. Zur Einstellung der Luftzahl wird gemäß dem Nernst-Prinzip gegen Umgebungsluft mit der Referenzzelle gemessen. Damit ist der sich einstellende Pumpstrom ein Maß für die Luftzahl im Abgas. Der qualitative Verlauf des Pumpstroms ist in Bild 9 dargestellt. Bei magerem Abgas stellt sich ein positiver Pumpstrom ein, um im Diffusionsspalt eine stöchiometrische Zusammensetzung einzuhalten. Bei fettem Abgas ist dagegen ein negativer Pumpstrom vorhanden. Damit unterscheidet sich die Breitbandsende wesentlich von der ZweipunktBildS Prinzipieller Aufbau einer stetigen BreitbandLambda-Sonde und die Anordnung der Sonde Im Abgasrohr. 1 Nemstzelle, 2 Referenzzelle, 3 Heizer, 4 Diffusionsspall, 5 Pumpzelle, 6 Abgasrohr.

·..D·

0. Q)

"0

c: 0

Cf)

200 0

1'--. 0,8

0,9

1 Luftzahi J..

1,1

5 1 2 6

327

ME-Motronic

Pumpstrom lp einer Breitband-Lambda-Sonde in Abhängigkeit der Luftzahl des Abgases.

ｾ＠

> Cl

"'c

ｾＭ＠

0.7

1.0

1.3

1.6

1.9

2.2

Luftzahl __.. Bild9

sonde. Während bei der Zweipunktsonde die sich einstellende Spannung über die Nernst-Zelle direkt als Meßsignal verwendet wird, erfolgt bei der Breitbandsonde die Einstellung des Pumpstroms über eine spezielle Auswerteund Regelschaltung. Der sich einstellende Strom wird gemessen und ist ein Maß für die Luftzahl im Abgas. Da man hier nicht mehr von der stufenförmigen Spannungscharakteristik der NernstZelle abhängig ist, kann die Luftzahl stetig gemessen werden.

328

ten von etwa 30 m/s zur Folge haben. Bei dieser schlagartig ablaufenden Verbrennung kommt es lokal im Endgas zu einem starken Druckanstieg. Die dadurch erzeugte Druckwelle breitet sich aus und trifft auf die den Brennraum begrenzenden Wände. Bei länger andauerndem Klopfen können die Druckwellen und die erhöhte thermische Belastung an der Zylinderkopfdichtung, am Kolben und im Ventilbereich des Zylinderkopfes mechanische Schäden verursachen. Die charakteristischen Schwingungen klopfender Verbrennungen werden durch Klopfsensoren aufgenommen, in elektrische Signale umgewandelt und der Motronic zugeführt (Bilder 10 und 11 ). Anzahl und Anbauposition der erforderlichen Klopfsensoren müssen sorgfältig ermittelt werden. Für alle Zylinder und alle Betriebspunkte des Motors, insbesondere bei hohen Drehzahlen und Lasten, muß eine sichere Klopferkennung gewährleistet sein. ln der Regel werden 4-Zylinder-Reihenmotoren mit einem, 5- und 6-Zylinder-Motoren mit zwei, 8- und 12-Zylinder-Motoren mit zwei oder mehr Klopfsensoren ausgerüstet.

Klopfende Verbrennung

Motor- und Ansauglufttemperatur

ln Ottomotoren können unter bestimmten Bedingungen anormale, typisch "klingelnde" Verbrennungsvorgänge auftreten, die den frühest möglichen Zündzeitpunkt und damit Leistung und Wirkungsgrad begrenzen. Dieser unerwünschte Verbrennungsvorgang wird mit Klopfen bezeichnet und ist die Folge einer Selbstentzündung des noch nicht von der Flammenfront erfaßten Frischgemisches. Die normal eingeleitete Verbrennung und die Verdichtung durch den Kolben verursachen Druck- und Temperaturerhöhungen, die zu einer Selbstentzündung des Endgases (noch nicht verbranntes Gemisch) führen. Hierbei können Flammgeschwindigkeiten von mehr als 2000 m/s auftreten, während normale Verbrennungen Geschwindigkei-

Der Sensor für die Motortemperatur enthält einen temperaturabhängigen Widerstand, der in den Kühlwasserkreislauf des Motors ragt und dessen Temperatur annimmt. Bild 12 zeigt den Aufbau dieses Sensors. Der elektrische Widerstand hat einen negativen Temperaturkoeffizienten (NTC, Negative Iemperature .Qoefficient). Das bedeutet, daß der Widerstandswert mit zunehmender Temperatur kleiner wird. Bild 13 zeigt den prinzipiellen Widerstandsverlauf als Funktion der Temperatur. Der NTC-Widerstand ist Teil einer Spannungsteilerschaltung, die mit einer Spannung von 5 V versorgt wird. Die elektrische Spannung am NTC-Widerstand ist von der Kühlwassertemperatur abhängig. Sie wird über den Analog-

Digital-Wandler eingelesen und ist ein Maß für die Temperatur. Im Rechner ist eine Tabelle gespeichert, die zu jedem Spannungswert die dazugehörige Temperatur angibt und damit den nichtlinearen Zusammenhang zwischen Spannung und Temperatur kompensiert. Nach dem gleichen Prinzip erfaßt ein Sensor im Ansaugkanal die Temperatur der angesaugten Luft.

Betriebsdatenerfassung

Motortemperatursensor. 1 Elektrischer Anschluß, 2 Gehäuse, 3 NTC·Widerstand, 4 Kühlwasser.

Batteriespannung Der aktuelle Wert der Batteriespannung wird über eine Auswerteschaltung im Steuergerät diekt bestimmt. Ein spezieller Sensor ist nicht erforderlich. Bild 10

Bild 12

Bild 13

Klopfsensor.

Kennlinie des Temperatursensors (NTC).

1 Seismische Masse, 2 Vergußmasse, 3 Piezokeramik, 4 Kontaktierung, 5 elektrischer Anschluß.

Q

r-----------------------,

t

Temperatur -

"C

Bild 11 Signale des Klopfsensors. Der Klopfsensor liefert das Signal c , das dem Druckverlauf a im Zylinder entspricht. Das gefilterte Drucksignal ist in b dargestellt.

ohne Klopfen

mit Klopfen

.------------------------,

329

ME-Motronic

Betriebsdatenverarbeitung Drehmomentführung Aufgabe Die zentrale Aufgabe einer Motorsteuerung ist die Umsetzung des vom Fahrer geforderten Motordrehmoments bzw. der Motorleistung. Der Fahrer benötigt diese Motorleistung zur Überwindung der Fahrwiderstände bei konstanter Fahrzeuggeschwindigkeit oder zum Beschleunigen des Fahrzeugs. Beim heute üblichen Ottomotor muß zunächst die dazu notwendige Luftfüllung berechnet sowie die passende Einspritzmenge und der optimale Zündwinkel bestimmt werden. Sind diese Gößen bekannt, so können die zuständigen Steiler (Drosselvorrichtung, Einspritzventile, Zündspulen) angesteuert werden. Neben der Steuerung von Füllung, Einspritzung und Zündung hat die Motorsteuerung zahlreiche zusätzliche Aufgaben übernommen, wobei viele dieser Zusatzfunktionen ebenfalls Motorleistung verbrauchen. Ein Merkmal der ME-Motronic ist die Drehmomentführung. Zahlreiche Teil-

systeme innerhalb der Motronic (z.B. Leerlaufregelung, Drehzahlbegrenzung) sowie die Systeme zur Antriebstrang(z.B. ASR, Getriebesteuerung) oder Gesamtfahrzeugsteuerung (z.B. Steuerung der Klimaanlage) richten ihre Anforderungen an das Motronic-Basissystem mit dem Ziel, das gerade erzeugte Motordrehmoment zu verändern. So fordert z.B. die Klimaanlagen-Steuerung eine Erhöhung des Motormoments bevor der Klimakompressor zugeschaltet wird. ln der Vergangenheit wurden alle diese Eingriffe unabhängig voneinander direkt auf der Ebene der verfügbaren Stellgrößen definiert (Zylinderfüllung, Kraftstoffmasse und Zündwinkel). Die MEMotronic wertet und koordiniert diese Anforderungen und setzt das resultierende Sollmoment unter Nutzung der verfügbaren Stellgrößen um (Bild 1). Diese koordinierte Umsetzung ermöglicht einen abgas- und verbrauchsoptimalen Betrieb des Motors in jedem Betriebspunkt Voraussetzung für die Drehmomentführung ist das elektronische Gaspedal EGAS, das die Steuerung der Drosselklappe unabhängig vom Fahrpedal erlaubt. ln der Vergangenheit bestimmte der Fahrer durch Betätigen des Fahrpedals über eine mechanische Vorrichtung die Drosselklappenöffnung und damit die

Bild 1 Drehmomentbeeinflussung beim Benzinmotor. Start, Aufheizen des Katalysators, Leerlaufregelung.

l

Externe Anforderungen: - Fahrpedal (Fahrer), - Geschwindigkeitsregelung, - Fahrdynamik, - Fahrkomfort.

Koordination der Momentenund Wirkungsgradanforderungen

r---ｾ＠

Start Leerlaufregelung

ｾ＠

I Drehzahlbegrenzung f---I Bauteileschutz f-330

Wirkungsgrad Umsetzung des Moments in die verfügbaren Stellgrößen

r---·····•

Drosselklappe Zündwinkel EinspritzAusblendung Einspritzzeit Waslegate Öffnun g

Luftfüllung. Die Motorsteuerung konnte die Füllung nur in gewissen Grenzen durch Ansteuern eines Bypasses um die Drosselklappe beeinflussen.

Berechnung des Sollmoments Die Grundgröße für die Momentenstruktur der ME-Motronic ist das innere Moment aus der Verbrennung. Als inneres Moment wird das Moment bezeichnet, das sich durch den Gasdruck im Verdichtungs- und Expansionstakt ergibt. Zieht man vom inneren Moment die Reibung,. die Verluste des Ladungswechsels und das zum Betrieb der Nebenaggregate (Wasserpumpe, Generator usw.) erforderliche Drehmoment ab, so erhält man das tatsächlich vom Motor abgegebene Drehmoment. Aufgabe der Drehmomentführung ist es, durch geeignete Wahl der Motorstellgrößen das innere Moment so einzustellen, daß der Fahrerwunsch erfüllt und sämtliche Verluste sowie Zusatzanforderungen abgedeckt werden. Da die Motronic für jedes gewünschte Sollmoment die optimalen Werte für Füllung, Einspritzzeit und Zündwinkel ,kennt', kann sie einen abgas- und verbrauchsoptimalen Betrieb des Motors sicherstellen.

Einstellung des Istmoments Für die Einstellung des inneren Moments hat der Momentenkoordinator der ME-Motronic zwei mögliche Steuerungspfade (Bild 2). Einen langsamen Pfad durch Ansteuern der Drosselklappe (EGAS) und einen schnellen durch Variation des Zündwinkels und/oder der Einspritzausblendung einzelner Zylinder. Der langsame Pfad, auch Füllungspfad genannt, ist für den stationären Betrieb zuständig. Das berechnete Füllungsmoment bestimmt die Füllung, die über die Drosselklappe eingestellt wird. Mit dem schnellen Pfad (Zündwinkelpfad) kann sehr schnell auf dynamische Momentenänderungen reagiert werden.

Betriebsdatenverarbeitung

Berechnung der Zylinderfüllung Die nach Schließen der Einlaßventile im Zylinder befindliche Luftmasse wird als Luftfüllung bezeichnet. Eine vom Hubraum des Motors unabhängige Größe ist die "relative (Luft-)füllung". Sie ist definiert als das Verhältnis von aktueller Füllung zur Füllung unter Normbedingung (Po== 1013 hPa, To == 273 K). Die relative Füllung muß bekannt sein, um die Einspritzmenge zu berechnen. Beim heutigen Ottomotor ist sie außerdem die Hauptgröße zur Beeinflussung

Bild2 Momentenkoordination mit Füllungspfad und kurbelwellensynchronen Pfad (Zündwinkelpfad).

Priorisierung Füllungspfad

Fahrer externe und interne Momentenanforderungen (z.B. Drehzahlbegrenzung, Klima· kompresser, Getriebeeingriff usw.)

f=;>

Sollwert Füllungs- Umrechnung moment Moment in Füllung

,... Sollwert Füllung

Wirkungsgrade, Lambda, Zündwinkel

f=;>

Istwert Frischgas· Berechnung füllung Wirkungsgrad und Momentenbezugsgroßen

Priorisierung kurbelwellensynchroner Sollwert inneres Moment Pfad

Füllung - Ansteuerung Drosselklappe

Sollwert Drosselklappe

1

Sollwert Saugrohrdruck

4

Füllung - Ansteuerung Turbolader

Sollmoment -synchrone Eingriffe

Sollöffnung Waslegate

Ausblendmuster Einspritzung Einspritzzeit Zündwinkel

331

ME-Motronic

des Motormomentes und wird daher in der Drehmomentenstruktur als Stellgröße verwendet. Da sie nicht direkt meßbar ist, muß sie mit Hilfe eines Modells aus den zur Verfügung stehenden Meßsignalen berechnet werden. Die Forderungen an das Füllungsmodell sind: - exakte Bestimmung der Luftfüllung bei allen Betriebsbedingungen (Dynamik, Saugrohrumschaltung, Nockenwellenverstellung usw.), - korrekte Berücksichtigung der Füllung mit Abgas bei Systemen mit veränderlicher Abgasrückführrate (steuerbarer externer AGR oder interner AGR), - Berechnung der Stellgröße "Drosselklappenwinkel" für eine geforderte Füllung.

Saugrohrmodell Für die Kraftstoffzumessung und die Momentenberechnung ist die tatsächlich im Zylinder befindliche Luftmasse von Interesse. Da sich diese nicht direkt messen läßt, wird sie über ein Saugrohrmodell berechnet. Je nach verwendetem Füllungssensor (z.B. Luftmassen- oder Saugrohrdrucksensor) werden die in diesem Modell benötigten Größen entweder direkt gemessen oder modelliert. Angesaugte Luftmasse Die entscheidende Größe ist die angesaugte Luftmasse. Im stationären Motorbetrieb läßt sich die Luftfüllung direkt aus der angesaugten Luftmasse berechnen. Bei schnellen Drosselklappenänderungen kommt es jedoch zu einem zeitlichen Versatz zwischen der z.B. mit einem HFM meßbaren und der in den Brennraum einströmenden Luftmasse, da z.B. beim Öffnen der Drosselklappe zunächst das Saugrohr mit Luft gefüllt werden muß. Erst mit dem langsam steigenden Saugrohrdruck fließt mehr Luft in den Brennraum.

332

Saugrohrdruck Also kommt auch dem Saugrohrdruck eine entscheidende Bedeutung zu: der Zusammenhang zwischen der relativen Luftfüllung - also der eigentlich interessanten Größe - und dem Saugrohrdruck

läßt sich durch eine Geradengleichung beschreiben (Bild 3). Der Offset der Geradengleichung wird durch den Partialdruck des internen Restgases bestimmt und ist daher abhängig von der Nockenwellenüberschneidung, der Drehzahl und der Dichte der Umgebungsluft. Die Steigung der Gerade (Gradient) ist abhängig von der Drehzahl, der Nockenwellenüberschneidung und der Brennraumtemperatur. Sonstige Ströme zum Saugrohr Neben dem über die Drosselklappe fließenden Luftstrom resultiert ein zusätzlicher Luftmassenstrom z.B. aus dem Kraftstoffverdunstungs-Rückhaltesystem. Der bei diesem System benötigte Regenerierstrom kann mit Hilfe des Tankentlüftungsventils (Regenerierventil) variiert werden. Bei bekanntem Saugrohrdruck kann der Regenerierstrom berechnet und im Saugrohrmodell berücksichtigt werden.

Füllungserfassung mit einem HFM Wird ein HFM eingesetzt, so kann damit die in das Saugrohr strömende Luftmasse direkt gemessen werden. Dazu wird der über einen Ansaugtakt (Segment) gemittelte Luftmassenstrom mit der Ansaugtaktzeit multipliziert und in eine relative Luftfüllung umgerechnet. Die anderen im Saugrohrmodell benötigten Größen werden entweder ebenfalls gemessen (z.B. Bild3 Zusammenhang zwischen Saugrohrdruck und relativer Füllung. Achtung: Ein Parametersatz (pirg, fupsrl) ist nur gültig für eine Motordrehzahl, eine NW-Überschneidung, eine Saugrohrgeometrie. ＥＮＭｾｲ＠

t

LJ ｾ＠

Gradient: fupsrl (%/hPa)

Offset: Saugrohrdruckpirg (hPa) Partialdruck internes Restgas

hPac ｾ＠

ｾ＠

ｾ＠

die Ansauglufttemperatur) oder aber im Modell berechnet (hier z.B. der Saugrohrdruck, aber auch Nebengrößen wie z.B. die Brennraumtemperatur). Füllungserfassung mit einem Saugrohrdrucksensor Wird ein Saugrohrdrucksensor als "HauptFüllungsssensor" eingesetzt, so mißt er direkt den Saugrohrdruck. ln diesem Fall wird aus dem Saugrohrdruck die dem Saugrohr zuströmende Luftmasse berechnet.

Steuerung der Zylinderfüllung Auch die Steuerung der Zylinderfüllung über die Drosselklappe geschieht über das Saugrohrmodell, da sich der Durchfluß von Gasen durch Drosselventile (hier die Drosselklappe) als Gleichung formulieren läßt. Diese hängt im wesentlichen vom Druck vor dem Drosselventil, dem Druckabfall, der Temperatur und dem Öffnungsquerschnitt ab; also von Größen, die auch im Saugrohrmodell berechnet werden. Weitere drosselspezifische Parameter (z.B. Reibung der Strömung) sind durch Messungen auf dem Prüfstand zu bestimmen. Wendet man nun das Saugrohrmodell in "umgekehrter" Richtung an, so kann man aus einer gewünschten Zylinderfüllung (die von der Drehmomentführung der ME-Motronic errechnet wurde) einen gewünschten Drosselklappenwinkel errechnen. Dieser Winkel wird als Sollwert an den Lageregler des Drosselklappenstellers übergeben.

Einspritzzeit-Berechnung Berechnung der Einspritzdauer Aus der Luftfüllung im Zylinder läßt sich die Kraftstoffmasse für ein stöchiometrisches Luft-Kraftstoff-Verhältnis berechnen. Unter Berücksichtigung der Einspritzventilkonstanten ergibt sich daraus die Einspritzdauer. Diese Konstante ist von der Gestaltung der Einspritzventile abhängig. Die Einspritzdauer hängt auch ab vom

Differenzdruck zwischen Kraftstoffversorgungsdruck und Einspritzgegendruck. Der Kraftstoffversorgungsdruck liegt in der Regel bei ungefähr 300 kPa (3 bar). Dieser Überdruck kann auf unterschiedliche Bezugsquellen eingestellt sein. Kraftstoffversorgungssysteme mit Kraftstoffrückführung halten den Versorgungsdruck gegenüber dem Saugrohr konstant. Damit ist gewährleistet, daß trotz wechselndem Saugrohrdruck stets die gleiche Druckdifferenz an den Einspritzventilen anliegt; die Durchflußrate bleibt somit annähernd konstant. Dem gegenüber halten Kraftstoffsysteme ohne Kraftstoffrückführung den Versorgungsdruck von 300 kPa gegenüber der Umgebung konstant. Mit wechselndem Saugrohrdruck ändert sich der Differenzdruck zwischen Kraftstoffversorgung und Saugrohr. Eine Kompensationsfunktion korrigiert diesen Fehler. Durch sich öffnende und schließende Einspritzventile treten Druckpulsationen im Kraftstoffversorgungssystem auf. Das führt dazu, daß die Kraftstoffdurchflußrate während des geöffneten Einspritzventils nicht konstant ist. Ein Anpassungsfaktor, der abhängt von der Drehzahl und der Einspritzzeit, korrigiert diesen Fehler. Die so berechnete Öffnungsdauer gilt unter der Voraussetzung, daß das Einspritzventil bereits geöffnet ist und somit eine stationäre Durchflußrate vorhanden ist. Unter realen Bedingungen muß jedoch die Öffnungsszeit des Einspritzventils berücksichtigt werden. Diese Öffnungszeit ist erheblich von der Versorgungsspannung der Batterie abhängig. Insbesondere in der Startphase und bei niedriger Batterieladung können hier deutliche Verzögerungen bis zum vollständigen Öffnen des Ventils auftreten. Eine zusätzliche, batteriespannungsabhängige Einspritzdauer, die zur Ventilöffnungsdauer addiert wird, kompensiert diesen Effekt. Wird die effektive Einspritzdauer zu kurz, so werden die Einflüsse der Ventilöffnungs- und Schließzeit zu groß. Um eine exakte Krafstoffzumessung zu garantieren, wird daher die Einspritzzeit auf einen

BetriebsdatenVerarbeitung

333

ME-Motronic

Minimalwert begrenzt. Dieser Minimalwert liegt unterhalb der Einspritzzeit, die zur minimal möglichen Zylinderfüllung gehört. Einspritzzeitpunkt Für eine optimale Verbrennung muß neben der korrekten Dosierung auch der richtige Einspritzzeitpunkt bestimmt werden. ln der Regel wird der Kraftstoff bei noch geschlossenen Einspritzventilen in das Saugrohr eingespritzt. Das Einspritzende wird durch den sogenannten Vorlagerungswinkel bestimmt. Dieser Winkel wird in "Grad Kurbelwelle" angegeben. Bezugspunkt ist das Schließen des Einlaßventils. Aus der Dauer der Einspritzung kann dann über die Drehzahl der Einspritzbeginn als Winkel berechnet werden. Der Vorlagerungswinkel wird unter Berücksichtigung der aktuellen Betriebsbedingungen ermittelt. Die ME-Motronic steuert für jeden Zylinder ein eigenes Einspritzventil an. Damit kann für jeden Zylinder getrennt der Kraftstoff optimal vorgelagert werden (sequentielle Einspritzung). Bei Systemen mit nur einem Einspritzventil (Zentraleinspritzung) oder der gemeinsamen Ansteuerung mehrerer Einspritzventile (Gruppeneinspritzung) ist das nicht möglich.

Berechnung des Zündwinkels

334

Der "Grundzündwinkel" berechnet sich aus den aktuellen stationären Betriebsbedingungen des Motors. Damit ist der Grundzündwinkel im wesentlichen durch die aktuelle Füllung, die Motordrehzahl und die Gemischzusammensetzung (charakterisiert durch die Luftzahl A.) bestimmt. Veränderte Betriebsbedingungen während des Motorstarts und des Warmlaufs werden über Zündwinkelkorrekturen berücksichtigt. Bei der ME-Motronic stellt dieser "Grundzündwinkel" vereinfacht dargestellt den im jeweiligen Betriebspunkt frühest möglichen Zündwinkel dar. Im Normalbetrieb bei warmem Motor wird dieser Winkel durch einen Mindestabstand zur Klopfgrenze definiert.

Dieser Grundzündwinkel kann dann durch die Klopfregelung (zur Vermeidung klopfender Verbrennungen) sowie durch den kurbelwellensysnchronen Ausgang der Drehmomentführung (zur Drehmomentreduzierung) nach spät verstellt werden. Aus dem Grundzündwinkel und den genannten Zündwinkelkorrekturen ergibt sich der "Basiszündwinkel". Der tatsächlich ausgegebene Zündwinkel erhält eine zusätzliche, additive Korrektur, um den Phasenfehler des Drehzahlsensors auszugleichen.

Berechnung des Schließwinkels Die Zündung hat die Aufgabe, zum richtigen Zeitpunkt und mit ausreichender Energie die vollständige Verbrennung des Luft-Kraftstoff-Gemisches einzuleiten. Die verfügbare Energie wird wesentlich durch die Schließzeit des Primärkreises bestimmt, das Schließende legt in der Regel den Zündzeitpunkt fest. Das Steuergerät ermittelt die Schließzeit in Abhängigkeit vom Ladebedarf der Zündspule, schaltet den Primärstrom der Zündspule zum Zeitpunkt des Schließbeginns ein und unterbricht diesen Strom zur Einleitung der Zündung im Zündzeitpunkt Die MEMotronic steuert dann eine Zündanlage mit ruhendener Hochspannungsverteilung (RUV) an. Die Schließzeit wird drehzahl- und batteriespannungsabhängig über ein Kennfeld berechnet. Außerdem wird eine temperaturabhängige Korrektur vorgenommen. Der Schließbeginn ist bestimmt durch die Differenz von Schließende und SchließwinkeL Der Schließwinkel wird durch eine Zeit/Winkelumrechnung aus der Schließzeit berechnet. Das Schließende wird aus dem Ausgabezündwinkel ermittelt. Für die Ausgabe des Schließbeginns und des Schließendes ergeben sich prinzipiell zwei Möglichkeiten: -Ausgabe als Winkel, - Ausgabe als Zeit.

Bei der Winkelausgabe wird die Schließzeit mittels der Segmentzeit in einen Winkel umgerechnet. Bei Drehzahldynamik kommt es zu einem zeitlichen Fehler, da die Winkelpositionen mit veralteten Segmentzeiten berechnet wurden. Bei positiver Drehzahldynamik (Beschleunigung) ergeben sich Schließzeitverkürzungen, bei negativer Drehzahldynamik (Verzögerungen) Schließzeitverlängerungen. Die Schließzeitverkürzung bei Beschleunigungen wird durch einen Schließzeitvorhalt berücksichtigt, der stets hinzugerechnet werden muß. Je höher die Drehzahl, um so geringer ist dieser Dynamikvorhalt Bei hoher Drehzahldynamik und niedrigen Drehzahlen kann der Schließzeitpunkt aber so weit nach spät rutschen, daß die Schließzeit zum Laden der Spule nicht mehr ausreicht. Bei sehr niedrigen Drehzahlen wird deshalb das Schließende zeitgesteuert ausgegeben. Damit ist sichergestellt, daß auch bei hoher Drehzahldynamik immer genügend Zündenergie vorhanden ist.

Betriebszustand Die unterschiedlichen motorischen Betriebszustände sind in erster Linie durch das erzeugte Moment und die Drehzahl charakterisiert. Bild 1 zeigt die unterschiedlichen Bereiche. Von Bedeutung sind die Zustände mit hoher Last- oder Drehzahldynamik, da sie besondere Anforderungen an die Gemischbildung stellen (z.B. Wandfilmaufund -abbau). Hinzu kommen der Start und die anschließende Übergangsphase bis zum Erreichen der Betriebstemperatur von Motor und Abgassystem.

Ansteuerung der Drosselklappe aus dem Saugrohrmodell heraus ist nicht möglich. Die Drosselklappenposition wird daher in Abhängigkeit der Starttemperatur fest vorgegeben. Ebenso wird für die ersten Einspritzimpulse ein spezielles "Einspritztiming" ausgewählt. Eine erhöhte Einspritzmenge, die der Motortemperatur angepaßt wird, dient dem Aufbau eines Krattstotfilms an der Saugrohr- und Zylinderwand und deckt den erhöhten Kraftstoffbedarf während des Motorhochlaufs ab. Unmittelbar nach den ersten Drehungen des Motors (Startbeginn) wird die Startmehrmenge abhängig von der steigenden Drehzahl des Motors bis zum Startende (600 ... 700 min-') abgeregelt. Der Zündwinkel wird ebenfalls an den Startvorgang angepaßt. Er wird in Abhängigkeit von Motortemperatur, Ansauglufttemperatur und der Drehzahl eingestellt.

BetriebsdatenVerarbeitung

Schnellstart Der erste Zündfunke darf erst dann erzeugt werden, wenn aufgrund des Signals des Nockenwellensensors sicher erkannt ist, welcher Zylinder sich gerade im Verdichtungstakt befindet. Wird ein Zündfunke für einen Zylinder im Saugtakt ausgegeben, so kann die Flamme aus dem Zylinder ins Saugrohr zurückschlagen und zu Beschädigungen von Bauteilen führen. Bild 1 Betriebsbereiche eines Motors. Vollast

t

Teillast

t

Start

Beschleunigungsanreicherung

'---

Während des gesamten Startvorgangs gibt es eine spezielle Berechnung von Luftsteuerung, Einspritzung und Zündung. Im ersten Augenblick des Starts ruht die Luft im Saugrohr, der Saugrohrdruck entspricht dem Umgebungsdruck. Die

Start

Leerlauf

I ---

Wiedereinsetzen Schubabschalten

Drehzahl-

335

ME-Motronic

Signalzuordnung Zündung, Kurbelwelle und Nockenwelle bei einem 6-Zylinder-Motor mit Standardgeberrad. a Sekundärspannung der Zündspule , b Signal des Drehzahlsensors an der Kurbelwelle, c Signal des Hall-Sensors (Standardgeberrad) an der Nockenwelle. 1 Schließen, 2 Zünden. A Zündung Zylinder 1, B Zündung Zylinder 5, C Zündung Zylinder 3, D Zündung Zylinder 6, E Zündung Zylinder 4.

b

c -------, Bild2

Mit einem Standardgeberrad wird beim Anlassen des Motors auf die Zahnlücke des Kurbelwellenrades synchronisiert (Bild 2). Hier hat das Nockenwellensignal abhängig von der Motorstellung unterschiedliche Pegel. Mit diesem Standardgeberrad vergeht im ungünstigsten Fall eine volle Kurbelwellenumdrehung, bis der Verdichtungstakt von Zylinder 1 erkannt ist. Die Auslauferkennung sorgt für die Beschleunigung des Startvorganges. Hierfür wird im SteuergerätenachBild3

Schnellstartgeberrad.

336

lauf, d.h. nach Abschalten der Zündung, die Kurbelwellenposition weiterhin bestimmt und abgespeichert. Sie steht beim nächsten Start direkt zur Verfügung. Damit kann die Motorstellung bei Stillstand mit einer für das Einspritztiming ausreichenden Genauigkeit bestimmt werden. Die Wartezeit bis zur Zahnlücke auf dem Kurbelwellengeberrad entfällt. Ein Schnellstart alleine aufgrund der Information aus der Auslauferkennung ist nicht möglich, da nach Ende des Steuergerätenachlaufs eine Änderung der Motorposition (z.B. Schieben des Fahrzeuges bei eingelegtem Gang und "Zündung aus") nicht mehr beobachtet und korrigiert werden kann . Dieser Fall wird durch Auswerten des Signals vom Schnellstartgeberrad (Bild 3) abgedeckt. Durch die Auswertung des Flankenmusters (Bild 4) ist eine schnellere Erkennung des Zylinders im Verdichtungstakt möglich. Mit dem Schnellstart verkürzt sich die Zeit vom Einrasten des Anlassers bis zum Hochlauf des Motors. Langdauernde Anlaßvorgänge werden vermieden (-> Komfort) und damit Starter und Starterbatterie weniger belastet als bei einem Motor ohne Schnellstartfunktion.

Betriebszustand

Drehzahl- und Phasensensorsignal (Nockenwellensignal) des Schnellstartgeberrades beim 4-Zylindermotor. a Gefiltertes Signal des Drehzahsensors, 1... 4 Beginn der Berechnung für die Zylinder 1.. .4. 2...30 Impulse einer halben Kurbelwellenumdrehung. b Signal des Schnellstartgeberrades mit vier äquidistanten negativen Phasenflanken. A Aquidistante zur nächsten negativen Phasenflanke. Die Impulsfolge gibt Aufschluß, in welcher Umdrehung des Arbeitsspiels sich der Motor befindet.

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Nachstart Während des Nachstarts (Phase nach dem Startende) wird eine weitere Reduzierung der noch erhöhten Füllung und Einspritzmenge in Abhängigkeit von der Motortemperatur und der Zeit nach dem Startende vorgenommen. Der Zündwinkel wird an diese Einspritzmenge und an den entsprechenden Betriebszustand angepaßt. Der Nachstart geht fließend in den Warmlauf über.

Warmlauf und Katheizen Nach Starts bei niedrigen Motortemperaturen wird bis zum Erreichen einer geeigneten Temperaturschwelle der erhöhte Drehmomentbedarf des Motors durch Anpassung der Füllung, Einspritzung und Zündung gedeckt. Entscheidende Bedeutung kommt in dieser Phase jedoch der schnellen Aufheizung des Katalysators zu, da die schnelle Betriebsbereitschaft des Katalysators Abgasemissionen drastisch reduziert. Daher wird in dieser Phase das Abgas des Motors zum "Katheizen" eingesetzt und dabei auch ein schlechter motorischer Wirkungsgrad in Kauf genommen.

Im wesentlichen gibt es zwei Konzepte: - Sekundärlufteinblasung in ein fettes Gemisch bei spätem Zündzeitpunkt und - magerer Warmlauf mit extrem spätem Zündzeitpunkt ln beiden Konzepten wird der Motor mit einem schlechten Wirkungsgrad betrieben. Dieser wird über einen sehr späten Zündwinkel erreicht und führt zunächst zu einer erhöhten Abgastemperatur und zur Verringerung des abgegebenen Drehmoments. Die Drehmomentführung gleicht diese Verringerung über eine größere Zylinderfüllung automatisch aus. Das Resultat ist eine größere Menge heißeren Abgases, das zum schnellen Aufheizen des Katalysators genutzt wird. Durch das schnelle Aufheizen und die damit verbundene schnelle Betriebsbereitschaft des Katalysators wird eine deutliche Absenkung der Abgasemissionen erreicht. Magerer Warmlauf Die Kombination eines mageren Warmlaufs mit dem extrem späten Zündzeitpunkt führt zur Nachoxidation der aus der schlechten Verbrennung resultierenden unverbrannten Kohlenwasserstoffe.

337

ME-Motronic

Einfluß der Sekundärluft auf die HC- und CO-Emission. 1 Ohne Sekundärluft, 2 mit Sekundärluft. ppm ＥＮＭｾ＠

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.Q 1) ergibt sich eine Sondenspannung von ca. 100 mV, bei fettem Gemisch (A. < 1) von ca. 800 mV. Bei A. = 1 springt die Sondenspannung von einem Spannungspegel auf den anderen. Abhängig von diesem Signal der LambdaSonde wird die in der ME-Motronic berechnete Einspritzzeit beeinflußt. Bild 2 zeigt das Funktionsschema. Bild2 Funktionsschema der Lambda-Regelung. 1 Luftmassenmesser, 2 Motor, 3a Lambda-Sonde 1, 3b Lambda-Sonde 2 (nur bei Zweisonden-Regelung), 4 Katalysator, 5 Einspritzventile, 6 Steuergerät. U, Sondenspannung, u. Ventilsteuerspannung.

Kraft stoff

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Funktion Die Lambda-Regelung ist nur mit einer betriebsbereiten Lambda-Sonde wirksam. Eine Sondenauswerteschaltung überwacht die Betriebsbereitschaft der Lambda-Sonde fortwährend. Bei kalter Sonde, bei Unterbrechungen oder Kurzschlüssen in der elektrischen Leitung erzeugt sie unplausible Spannungswerte, die nicht ausgewertet werden. ln den meisten Fällen werden die Lambda-Sonden beheizt; abhängig von Bauform und Einbaulage sind sie damit bereits nach 15 bis 30 s betriebsbereit. Kalte Motoren brauchen für einen gleichmäßigen Rundlauf ein fetteres Gemisch (A. < 1). Die Lambda-Regelung kann deshalb erst oberhalb einer bestimmten Motortemperaturschwelle freigegeben werden. Bei aktiver Lambda-Regelung wird das Lambda-Sondensignal im Steuergerät mit einem Komparator (Vergleicher) in ein Zweipunktsignal umgewandelt. Das übertragene Signal (A. > 1, Gemisch zu mager oder A. < 1, Gemisch zu fett) veranlaßt den nachgeschalteten Regler, seine Stellgrößen zu verändern. Er erzeugt einen Regelfaktor, mit dem die Einspritzzeit multipliziert wird. Die Einspritzzeit wird verändert (also vergrößert oder verkleinert), und es stellt sich eine Dauerschwingung des Reglerfaktors ein (Bild 3). Eine optimale Zweipunkt-Lambda-Regelung kann nur durch ein ständiges Pendeln um den Bereich A. = 1 erzielt werden. Die Güte der Regelung ist umso besser, je schneller die Regelung über den Regelfaktor einer Verschiebung der Luftzahl entgegenwirkt. Da stets vorgelagerter Kraftstoff der Verbrennung zugeführt wird und die Sonde nicht im Brennraum, sondern im Abgasstrang sitzt (Gaslaufzeit), ergibt sich eine Totzeit für die Regelstrecke. Diese Zeit hängt ab von der Motorlast und der Drehzahl. Die Reaktion einer Gemischänderung kann erst nach Ablauf dieser Totzeit gemessen werden . Daraus ergibt sich auch eine minimale Periodendauer für die zyklische Änderung des Regelfaktors. Die Totzeit vergrößert

LambdaRegelung

341

ME-Motronic

sich zusätzlich durch die Rechenzeit des Steuergerätes und die Ansprachverzögerung der Sonde. Die Periodendauer der Schwingung ist durch die Gaslaufzeit bestimmt und die Amplitude durch die Rampensteigung so festgelegt, daß sie im Last-Drehzahlbereich trotz unterschiedlicher Gaslaufzeiten weitgehend konstant bleibt. Die Sprünge des Regelfaktors beim Gemischwechsel (Sondensprung) sorgen für eine schnellere Reaktionszeit, wodurch die Schwingungsperiode verkürzt werden kann.

Lambda-Verschiebung Auf Grund der ungleichen Sondencharakteristik bei Fett-Mager- und Mager-Fett-Wechseln führt das in Bild 3b dargestellte symmetrische Regelverhalten zu einem leicht mageren Abgasgemisch. Da der Katalysator seinen optimalen Wirkungsgrad im Bereich von J... = 0,99 ... 1,0 hat, muß die Regelung diesem Bild3 Darstellung der dynamischen Zweipunkt-Lambda-Regelung mit dem typischen Schwingungsverhalten. a Signal der Zweipunkt-Sonde (idealisiert), b Schwingungsverhalten des Regelfaktors, c Umschaltverzögerung mit Maximalwert· begrenzung.

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342

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Effekt entgegen wirken. Die Verschiebung der Gemischzusammensetzung in den Bereich optimaler Konvertierung wird durch eine unsymmetrische Reglerschwingung erreicht. Die Unsymmetrie wird entweder durch ein verzögertes Umschalten des Reglerfaktors nach dem Spannungssprung (von mager nach fett) an der Sonde erreicht oder durch einen unsymmetrischen Sprung. Die Dynamik des Reglers bleibt durch eine Maximalwertbegrenzung erhalten.

Adaption der Vorsteuerung an die Lambda-Regelung Die Lambda-Regelung korrigiert die zeitlich nachfolgende Einspritzung aufgrund der vorausgegangenen Messung an der Lambda-Sonde. Dieser zeitliche Versatz ist durch die Gaslaufzeiten bestimmt und läßt sich nicht umgehen. Deshalb treten beim "Anfahren" eines neuen Betriebspunktes mit falsch abgestimmter Vorsteuerung erst einmal Abweichungen von J... = 1 auf, bis die Regelung diese wieder ausgeregelt hat. Zur Einhaltung von Abgasgrenzwerten ist deshalb eine Vorsteuerung notwendig. Die Vorsteuerung wird bei der Anpassung an den Motor festgelegt und das Lambda-Kennfeld im ROM (Programmspeicher) gespeichert. Im Laufe der Nutzungsdauer eines Fahrzeugs können jedoch "Drifts" auftreten, die eine andere Vorsteuerung erfordern. Diese Drifts sind z.B. Dichte- und Qualitätsänderungen des Kraftstoffes. Die Adaption der Vorsteuerung erkennt, daß der Lambda-Regler in bestimmten Drehzahlbereichen unter Last immer wieder die gleiche Korrektur durchführen muß. Sie korrigiert die Vorsteuerung in diesem Bereich und schreibt diese Korrektur in einen Dauer-Speicher (dauerversorgtes RAM oder EEPROM). Beim nächsten Start kann deshalb mit der korrigierten Vorsteuerung begonnen werden, bevor die Lambda-Regelung aktiv ist. Eine Unterbrechung der Spannungsversorgung des Langzeitspeichers wird erkannt. Die Adaption beginnt dann mit neutralen Werten.

Zweisonden-Lambda-Regelung Eine Sonde, die hinter dem Katalysator eingebaut wird, ist besser vor Verschmutzungen durch das Abgas geschützt und geringeren thermischen Belastungen ausgesetzt. Mit Hilfe dieser Sonde wird der Regelung mit der Sonde vor dem Katalysator eine zweite Regelung überlagert, die eine langzeitstabile Gemischzusammensetzung sichert. Die überlagerte Regelung verändert die Unsymmetrie der Dauerschwingung der Regelung mit der Sonde vor dem Katalysator und kompensiert dadurch die Lambda-Verschiebung. Eine Lambda-Regelung allein mit der Sonde hinter dem Katalysator wäre wegen der langen Gaslaufzeiten zu träge.

Stetige Lambda-Regelung Im Gegensatz zum Spannungssprung bei der Zweipunkt-Lambda-Sonde, welcher nur fett oder mager anzeigen kann, liefert die Breitband-Lambda-Sonde ein stetiges Signal für die Abweichung von 'A = 1, d.h. anstatt einer Zweipunkt-Regelung kann nun eine stetige LambdaRegelung realisiert werden. Die Vorteile sind: - die wesentlich gesteigerte Dynamik, da nun die Abweichung vom Sollwert bekannt ist und - die Möglichkeit, beliebige Sollwerte zu regeln, d.h. auch Werte, die von 'A = 1 abweichen. Die zweite Möglichkeit gewinnt besonders an Bedeutung, wenn das Kraftstoffeinsparpotential für mageren Motorbetrieb genutzt werden soll (Magerkonzept).

KraftstoffverdunstungsRückhaltesystem

KraftstoffverdunstungsRückhaltesystem

Entstehung von Kraftstoffdämpfen Der Kraftstoff im Kraftstoffbehälter erwärmt sich: - wegen der Wärmestrahlung von au Ben oder - wegen des überschüssigen Kraftstoffes, der sich im Motorraum erhitzt hat und aus dem Kraftstoffkreislauf zurückfließt. Dadurch entstehen HG-Emissionen, die hauptsächlich im Kraftstoffbehälter ausdampfen. HC-Emissionsbegrenzung Gesetzliche Bestimmungen legen Grenzwerte für Verdunstungsemissionen fest. Kraftstoffrückhaltesysteme begrenzen diese HG-Emissionen. Sie sind mit einem Aktivkohlebehälter ausgerüstet, in dem die Entlüftungsleitung aus dem Kraftstoffbehälter endet. Die Aktivkohle hält den Kraftstoffdampf zurück und läßt nur die Luft ins Freie entweichen. Zusätzlich ist damit für einen Druckausgleich gesorgt. Um die Aktivkohle immer wieder zu regenerieren, führt eine weitere Leitung vom Aktivkohlebehälter zum Saugrohr. Bei Motorbetrieb entsteht im Saugrohr ein Unterdruck. Er bewirkt, daß Luft aus der Umgebung durch die Aktivkohle ins Saugrohr strömt. Diese reißt die zwischengespeicherten Benzindämpfe mit und führt sie der Verbrennung zu. Ein Regenerierventil in der Leitung zum Saugrohr dosiert diesen Regenerierbzw. "Spülstrom" (Bild 1).

Regenerierstrom Der Regenerierstrom ist ein Luft-Kraftstoff-Gemisch, dessen Zusammensetzung nicht bekannt ist. Denn es kann sowohl Frischluft als auch mit Benzindampf stark angereicherte Luft vom Aktivkohlebehälter kommen. Für die Lambda-Regelung ist deshalb der Regenerierstrom eine beachtliche

343

ME-Motronic

K raftstoffverdunstungs-Rückhaltesystem. 1 Leitung vom Kraftstoff- zum Aktivkohlebehälter, 2 Aktivkohlebehälter, 3 Frischluft, 4 Regenerierventil , 5 Leitung zum Saugrohr, 6 Drosselklappe. l!.fJ Differenz zwischen Saugrohrdruck Ps und Umgebungsdruck Pu ·

2

Pu

lJ 3 Bild 1

Störgröße. Wenn der Regenerierstrom 1% der angesaugten Luft beträgt und nur aus Frischluft besteht, wird das Gemisch um 1% magerer. Stark mit Benzin angereicherte Luft dagegen fettet das Gemisch um ca. 30% an, da Benzindampf mit dem stöchiometrischen Faktor 14,7 auf das Luft-Kraftstoff-Verhältnis /... wirkt. Zudem ist die spezifische Dichte von Kraftstoffdampf doppelt so hoch wie die von Luft. Regenarierventil Ein Regenarierventil wird so angesteuert, daß der Aktivkohlebehälter ausreichend gespült wird und die LambdaAbweichungen minimal sind (Bild 2).

344

Kontrollfunktion des Steuergerätes Damit die Gemischadaption unabhängig von Tankentlüftungseinflüssen arbeiten kann, wird das Regenerierventil in regelmäßigen Zeitabständen geschlossen. Bei aktiver Regenerierung wird eine für den jeweiligen Motorbetrieb optimale Spülmenge eingestellt. Das Steuergerät erzeugt Signale, die das Regenerierventil rampenförmig öffnen. Dabei wird für den Spülstrom eine bestimmten "Seladung" mit Kraftstoffdampf angenommen, die im letzten Regenerierzyklus ermittelt wurde. Gleichzeitig wird die Einspritzzeit

gemäß dieser erwarteten Seladung des Spüstroms verringert. Da die Gemischadaption unabhängig arbeitet, können nun auftretende Lambda-Abweichungen als veränderte "Beladung" interpretiert und der vormals angenommene Wert für die Seladung korrigiert werden . Die ME-Motronic benutzt für diese "belaBild 2 Regenerierventil. 1 Schlauchanschluß, 2 Dichtsitz. 3 Anker. 4 Druckfeder. 5 Magnetspule, 6 Magnetkern mit Durchgangsbohrung, 7 Strömungspfade.

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dungsabhängige" Steuerung des Spülstroms die aus dem Saugrohrmodell bekannten Größen, die z.B. den Druck und die Temperatur im Saugrohr beschreiben. Damit ist eine exakte Berechnung des Spülstroms möglich. Die Funktion ist so ausgelegt, daß bis zu 40% des Kraftstoffes aus dem Regenerierstrom kommen können. Bei inaktiver Lambda-Regelung werden nur kleine Regeneriermengen zugelassen, weil dann Gemischfehler nicht mehr ausgeregelt werden können. Beim Schubabschalten im Schiebebetrieb wird das Regenerierventil schlagartig geschlossen, damit keine Benzindämpfe unverbrannt zum Katalysator gelangen können.

Klopfregelung

Klopfregelung. Regel-Algorithmus bei Zündungseingriff an einem 4-Zylinder-Motor. K1 ... 3 Klopfen an Zylinder 1... 3 (bei Zylinder 4 kein Klopfen) a Spätverstellung, b Stufenbreite für Frühverstellung, c Frühverstellung.

Zyl. 1 Arbeitsspiele -

Klopfregelung Die elektronische Steuerung des Zündzeitpunktes bietet die Möglichkeit, den Zündwinkel in Abhängigkeit von Drehzahl, Last und Temperatur sehr genau zu steuern. Dennoch ist ein deutlicher Sicherheitsabstand zur Klopfgrenze erforderlich. Dieser Abstand ist notwendig, damit auch im klopfempfindlichsten Fall bezüglich Motortoleranzen, Motoralterung, Umgebungsbedingungen und Kraftstoffqualität kein Zylinder die Klopfgrenze erreicht oder überschreitet. Die daraus resultierende konstruktive Motorauslegung führt zu einer niedrigeren Verdichtung mit spätem Zündzeitpunkt und somit zu Einbußen beim Kraftstoffverbrauch und beim Drehmoment. Diese Nachteile lassen sich durch Verwendung einer Klopfregelung vermeiden. Erfahrungsgemäß kann dadurch die Verdichtung des Motors angehoben sowie der Kraftstoffverbrauch und das Drehmoment deutlich verbessert werden. Der Vorsteuerzündwinkel muß jetzt allerdings nicht mehr für die klopfempfindlichsten, sondern für die unempfindlichsten Bedingungen {z.B. Motorverdichtung an Toleranzuntergrenze, bestmögliche Kraftstoffqualität, klopfunempfindlichster Zylinder) bestimmt werden. Nun kann jeder

Bild 1

einzelne Zylinder des Motors während seiner gesamten Nutzungsdauer in nahezu allen Betriebsbereichen an seiner Klopfgrenze und damit mit optimalem Wirkungsgrad betrieben werden. Voraussetzung für diese Zündwinkelauslegung ist eine sichere Klopferkennung ab einer bestimmten Klopfintensität jedes einzelnen Zylinders im gesamten Betriebsbereich des Motors. Zur Klopferkennung werden die für das Klopfen charakteristischen Schwingungen durch einen oder mehrere an geeigneter Stelle des Motors angebrachte Körperschallaufnehmer, die Klopfsensoren, in elektrische Signale umgewandelt und der Motronic zur Auswertung zugeführt. Dort erfolgt für jeden Zylinder und jede Verbrennung in einem entsprechenden Auswertealgorithmus die Klopferkennung. Erkannte klopfende Verbrennungen führen am betreffenden Zylinder zu einer Spätverstellung des Zündzeitpunktes um einen programmierbaren Betrag. Tritt kein Klopfen mehr auf, erfolgt wieder eine stufenweise Frühverstellung des Zündzeitpunktes bis zum Vorsteuerwert. Der Klopferkennungs- und der Klopfregelalgorithmus werden so abgestimmt, daß kein hörbares und motorschädigendes Klopfen auftritt {Bild 1).

345

ME-Motronic

Adaption Im realen Motorbetrieb ergeben sich für die einzelnen Zylinder unterschiedliche Klopfgrenzen und damit auch unterschiedliche Zündzeitpunkte. Zur Adaption der Vorsteuerwerte des Zündzeitpunktes an die jeweilige Klopfgrenze werden die für jeden Zylinder individuellen und vom Betriebspunkt abhängigen Spätversteilungen des Zündzeitpunktes gespeichert. Diese Speicherung erfolgt in nichtflüchtigen Kennfeldern des dauerversorgten RAM über Last und Drehzahl. Dadurch kann der Motor auch bei schnellen Lastund Drehzahländerungen in jedem Betriebspunkt mit optimalem Wirkungsgrad sowie unter Vermeidung von hörbar klopfenden Verbrennungen betrieben werden . Der Motor kann sogar für Kraftstoffe mit niedrigerer Klopffestigkeit freigegeben werden . Üblich ist eine Motoranpassung für Superbenzin. Ein Betrieb mit Normalbenzin kann auch zugelassen werden.

Ladedruckregelung

346

Bei einer pneumatisch-mechanischen Regelung des Ladedrucks für die Turboaufladungwird das Stellglied des Turboladers direkt mit dem Ladedruck vom Verdichteraustritt beaufschlagt. Hierbei ist der Drehmomentverlauf über der Motordreh" zahl nur in sehr engen Grenzen wählbar. Über der Last gibt es nur eine Vollastbegrenzung. Die Toleranzen im Vollast-Aufladegrad können nicht ausgeregelt werden. ln der Teillast verschlechtert das geschlossene Bypass-Ventil den Wirkungsgrad. Beschleunigungen aus niedrigen Motordrehzahlen können zu einem verzögerten Ansprechen des Abgasturboladers (ausgeprägteres "Turboloch") führen. Diese Nachteile lassen sich durch eine elektronische Ladedruckregelung (Bild 1) vermeiden. ln bestimmten Teillastberei-

chen kann der spezifische Kraftstoffverbrauch gesenkt werden . Erreicht wird dies durch Öffnen des Bypass-Ventils, welches sich wie folgt auswirkt: - die Ausschiebearbeit des Motors und die Turbinenleistung nehmen ab, - der Druck und die Temperatur am Verdichteraustritt werden gesenkt und - das Druckgefälle an der Drosselklappe nimmt ab. Um die zuvor genannten Verbesserungen zu ermöglichen, muß der Abgasturbolader mit Stellglied optimal an den Motor angepaßt sein. Bild 1

Stellglied der elektronischen Ladedruckregelung. 1 P2 p0

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TankventiL Ladedruck, Druck an der Membrane, Ansteuersignal für Taktventil vom Steuergerät, Volumenstrom durch Turbine , Volumenstrom durch Wastegate.

Beim Stellglied betrifft dies: - das elektro-pneumatische Taktventil, . - die wirksame Membranfläche, Hub und Feder der Membrandose und - der Querschnitt des Ventiltellers bzw. der Ventilklappe am "Waste-Gate". Die ME-Motronic mit elektronischer Ladedruckregelung regelt auf den Soliwert des gewünschten Ladedrucks. Dieser Soll-Ladedruck wird in einen Sollwert für die gewünschte maximale Füllung umgesetzt. Über die Drehmomentführung wird dieser Sollwert in einen Sollwert für den Drosselklappenwinkel und ein Steuertastverhältnis für das "Waste-Gate" umgesetzt. Im "WasteGate" führt dieses Signal über eine Änderung des Steuerdrucks und des Hubes zu einer Änderung des Querschnitts am Bypass-Ventil. Regelkreisglieder gleichen die Differenz zwischen dem vom Betriebspunkt abhängigen Soll- und dem gemessenen Istwert des Ladedrucks aus. Der berechnete Wert am Reglerausgang beeinflu ßt dann wiederum den Maximalwert für die Zylinderfüllung. Am Turbomotor darf die Abgastemperatur zwischen Motor und Turbine bestimmte Schwallwerte nicht überschreiten. Deshalb wird bei der Metronie die Ladedruckregelung nur in Verbindung mit der Klopfregelung eingesetzt. Denn nur die Klopfregelung erlaubt während der gesamten Motorlebensdauer einen Betrieb mit möglichst frühen Zündzeitpunkten. Dieser für den jeweiligen Motorbetriebspunkt optimale Zündwinkel bringt eine sehr niedrige Abgastemperatur mit sich. Für eine noch weitergehende Senkung der Abgastemperatur sind Eingriffe auf die Füllung, also auf den Ladedruck und/oder auf das Gemisch möglich.

Schutzfunktionen

Ladedruckregelung

Drehzahl- und Geschwindigkeitsbegrenzung Extrem hohe Drehzahlen können zur Zerstörung des Motors führen (Ventiltrieb, Kolben). Durch die Drehzahlbegrenzung wird vermieden, daß eine maximal zulässige Motordrehzahl überschritten wird. Eine Geschwindigkeitsbegrenzung kann aufgrund der Ausstattung eines Fahrzeuges für einen bestimmten Markt (z.B. Reifen, Fahrwerk) erforderlich sein. Außerdem haben sich einige deutsche Hersteller zu einer freiwilligen Begrenzung der Geschwindigkeit auf 250 km/h verpflichtet. Drehzahl- und Geschwindigkeitsbegrenzung arbeiten nach dem gleichen Prinzip. Bei Überschreiten des Grenzwertes wird durch einen Regelalgorithmus das zulässige Motormoment reduziert. Dieser Momentgrenzwert wird in der Drehmomentführung der ME-Motronic berücksichtigt.

Drehmoment- oder Leistungsbegrenzung Teile des Antriebsstranges (z.B. Getriebe) können eine Begrenzung des Drehmomentes erforderlich machen. ln der MEMotronic besteht über die Drehmomentführung die Möglichkeit, einen Grenzwert explizit anzugeben. Durch entsprechende Begrenzung von Drehzahl und Moment kann auch die Leistung begrenzt werden.

Begrenzung der Abgastemperatur Eine hohe Abgastemperatur kann Bauteile innerhalb des Abgasstrangs beschädigen. Die Abgastemperatur wird daher im Steuergerät mit Hilfe eines Modells nachgebildet. Bei hohen Anforderungen an die Genauigkeit kann sie mit einem Temperatursensor maßtechnisch erfaßt werden. Wird eine Temperaturschwelle überschritten, so kann eine An-

347

ME-Motronic

fettung des Gemisches eine Reduzierung der Temperatur bewirken, da zur Verdampfung des Kraftstoffes dem Abgas Wärme entzogen wird. Weitere Möglichkeiten bestehen in einer Füllungs- bzw. Momentbegrenzung.

Wegfahrsperre Um eine unbefugte Benutzung des Fahrzeuges zu verhindern kann der Motor erst gestartet werden, wenn das MotronicSteuergerät über eine Steuerleitung freigeschaltet wurde. Hierfür wird ein codiertes Signal von einem externen Steuergerät bereitgestellt. Dieses wiederum überprüft die Berechtigung z.B. durch Auswerten der Signale eines Senders im Zündschlüssel oder die Eingabe eines Tastaturcodes.

Verbesserung der Fahrbarkeil Lastwechselschlagdämpfung Bei einem positiven oder negativen Lastwechsel - also schnelles Durchtreten oder schnelles Loslassen des Fahrpedals - kann es unter Umständen zu einem einzelnen Schlag kommen, dem Bild 1

Lastwechselschlagdämpfung.

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Lastwechselschlag. Besonders ausgeprägt ist dieser Effekt, wenn eine Kräfteumkehr in den Lagern bzw. dem Getriebe stattfindet. Der Motor stützt sich z.B. beim Übergang vom negativen zu einem positiven Kupplungsmoment auf der anderen Seite des Motorlagers ab. Verhindern -oder zumindest verringern läßt sich dieser Schlag, indem man über den Füllungs- und Zündungseingriff im Bereich des Kupplungsmomentes einen langsameren Drehmomentaufbau bzw. -abbau realisiert (Bild 1).

Antiruckeltunktion Aufgrund des Feder/Masse-Systems von Motor und Antriebsstrang kann es im Betrieb zum Schwingen des Systems kommen. Die Antiruckeltunktion detektiert diese Schwingungen und dämpft sie durch phasenrichtige Momenteneingriffe. Die Erkennung der Schwingung wird durch Vergleich einer dem Fahrerwunsch entsprechenden Referenzdrehzahl und der momentanen Drehzahl realisiert. Die Eingriffe erfolgen über den ZündwinkeL Um die Triebstrangschwingungen wirkungsvoll zu dämpfen, muß der Momenteneingriff gegenphasig zur Drehzahlschwingung gerichtet sein.

Fahrgeschwindigkeitsregelung Die Fahrgeschwindigkeitsregelung hat die Aufgabe, die Geschwindigkeit des Fahrzeuges unabhängig vom Fahrwiderstand konstant zu halten, ohne daß hierzu das Fahrpedal betätigt werden muß. Neben dem Halten der aktuellen Geschwindigkeit (Konstantfahrt) werden eine Reihe weiterer Funktionen angeboten. Somit erhöht die Fahrgeschwindigkeitsregelung den Fahrkomfort auf Langstreckenfahrten und unterstützt die Einhaltung von Geschwindigkeitsbegrenzungen. Da der Drosselklappensteiler bei der ME-Motronic bereits durch das EGAS integriert ist, kann die Fahrgeschwindig-

keitsregelung mit nur geringem Mehraufwand bezüglich eines Bedienteils realisiert werden .

Funktionen Folgende Funktionen können vom Fahrer über die Bedienschalter ausgelöst werden : - Übernahme der aktuellen Zielgeschwindigkeit mit anschließendem Halten dieser Geschwindigkeit (Setzen), - Beschleunigen und anschließendes Halten der Sollgeschwindigkeit, - Verzögern und anschließendes Halten der Sollgeschwindigkeit - Anfahren einer gespeicherten Zielgeschwindigkeit (Wiederaufnahme), - Erhöhen der Sollgeschwindigkeit im geregelten Betrieb schrittweise um festen Wert (Tip-Up), - Verringern der Sollgeschwindigkeit im geregelten Betrieb schrittweise um festen Wert (Tip-Down) , - Abschalten der Regelung durch Hauptschalter und/oder Aus-Tip-Schalter.

Bedienelemente

-Setzen, - Wiederaufnahme, - Beschleunigen und -Verzögern hat. Je nach Ausführung des Bedienteils kann ein Schalter mit mehr als einer Funktion belegt sein, z.B. eine Funktionstaste für Setzen/Verzögern und eine für Wiederaufnahme/Beschleunigen . Aus dem Zustand des Fahrgeschwindigkeitsregler und der Dauer der Schalterbetätigung ergibt sich dann, welche Funktion ausgeführt wird. Die Funktionen Tip-Up und Tip-Down werden durch kurzzeitiges Betätigen der Schalter für Beschleunigen und Verzögern ausgelöst. Außer den Schaltern für die Funktionen bietet das Bedienteil optional einen Hauptschalter und einen Schalter zum Abschalten der Fahrgeschwindigkeitsregelung. Kennzeichnend für den Hauptschalter ist, daß er eingeschaltet sein muß, damit überhaupt Betätigungen der Funktionsschalter registriert werden . Bei ausgeschaltetem Hauptschalter geht eine zuvor gespeicherte Geschwindigkeit verloren. Ein Abschalten des Regelbetriebes ist außerdem auch durch Betätigen von Bremse oder Kupplung möglich.

Verbesserung der Fahrbarkeif

Die Steuerung der Fahrgeschwindigkeitsregelung durch den Fahrer ist über ein Bedienteil möglich, das Schalter für die Funktionen i

1

Bedienhebel für Fahrgeschwindigkeitsregler.

349

ME-Motronic

Integrierte Diagnose Diagnose verfahren Bei Motronic-Systemen gehört eine "On Board Diagnose" (OBD) zum Grundumfang. Diese integrierte Diagnose vergleicht die Reaktionen des Systems mit den Befehlen des Steuergerätes und die Signale der verschiedenen Sensoren untereinander auf ihre Plausibilität. Diese Prüfung findet ständig während des Normalbetriebes statt. Erkannte Fehler speichert das Steuergerät zusammen mit den Betriebsbedingungen beim Auftreten des Fehlers. Kommt das Fahrzeug zur Inspektion, können die gespeicherten Fehler über eine genormte Diagnoseschnittstelle durch einen Tester ausgelesen und angezeigt werden. Diese Angaben erleichtern dem Servicepersonal die Fehlersuche. Aufgrund von Forderungen der kalifernisehen Umweltbehörde wurden Diagnoseverfahren entwickelt, die weit über den bis dahin bekannten Umfang hinausgehen. Alle Komponenten, die bei Ausfall zu einer merklichen Erhöhung der schädlichen Emissionen führen können, müssen überwacht werden. Ein erkannter Fehler dieser Komponenten muß über die Diagnoselampe am Armaturenbrett angezeigt werden. Diese erweiterte Diagnose wird bezeichnet als OBD II.

Verlauf der Fahrt wird über Plausibilitätsprüfungen ermittelt, welcher der beiden Sensoren fehlerhaft ist. Erst wenn dies unzweifelhaft festgestellt werden konnte, wird der zugehörige Fehlercode im Steuergerät gespeichert. EGAS-Drosselklappensteller Da das Motormoment direkt über die Luftfüllung beeinflußt wird, werden an den Drosselklappensteiler sehr hohe Anforderungen bezüglich der Zuverlässigkeit und Diagnostizierbarkeit gestellt. Zur Messung der aktuellen Drosselklappenstellung hat der Steiler zwei gegenläufige Potentiometer, deren Signale miteinander verglichen werden. Tritt eine Abweichung auf, so werden die Signale mit einer aus dem Saugrohrmodell rückgerechneten Drosselklappenstellung plausibilisiert. Verbrennungsaussetzer Bei auftretenden Verbrennungsaussetzern, z.B. durch abgenutzte Zündkerzen, gelangt unverbranntes Gemisch in den Katalysator. Dieses Gemisch kann Bild 1

Abgasemissionen in Abhängigkeit von der Aussetzerrate. Motor: 6 Zylinder, 2,8 I. Emissions-Grenzwerte USA.

250

Diagnose-Bereiche

350

Luftmassenmesser Ein Beispiel für die Eigendiagnose von Motronic-Systemen ist die Überwachung des Luftmassenmessers. Parallel zu der Berechnung der tatsächlichen Zylinderfüllung mit Luft aus der angesaugten Luftmasse wird ein Vergleichswert aus dem Drosselklappenwinkel und der Drehzahl gebildet. Weichen diese beiden Größen unzulässig stark voneinander ab, wird zunächst diese Unstimmigkeit gespeichert. Im weiteren

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den Katalysator zerstören, in jedem Fall aber die Umwelt belasten. Da schon geringste Aussetzerraten die Emissionen verschlechtern, müssen bereits einzelne Verbrennungsaussetzer erkannt werden. Bild 1 zeigt den Einfluß von Verbrennungsaussetzern auf die Emission von Kohlenwasserstoffen (HC), Kohlenmonoxid (CO) und Stickoxiden (NOx).

Überwachung des dynamischen Verhaltens von Lambda-Sonden.

Integrierte Diagnose

a Neue Sonde. b gealterte Sonde Typ II, c gealterte Sonde Typ 111, T Periodendauer. Ola c :::l c c

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Unter vielen untersuchten Methoden zum Feststellen von Verbrennungsaussetzern hat sich die Überwachung der Laufunruhe der Kurbelwelle als bester Kompromiß zwischen Nutzen und Aufwand herausgestellt. Tritt ein Verbrennungsaussetzer auf, fehlt dem Motor das normalerweise durch die Verbrennung erzeugte Drehmoment. Dies führt zu einer Verlangsamung der Drehbewegung. Bei hohen Drehzahlen und niederer Last beträgt die Verlängerung der Zeit von Zündung zu Zündung (Periodendauer) nur 0,2%. Dies erfordert daher eine hochgenaue Überwachung der Drehbewegung und ein aufwendiges Rechenverfahren, um Verbrennungsaussetzer von Störgrößen unterscheiden zu können.

Lambda-Sonde

Katalysator Eine weitere Diagnosefunktion überwacht den Katalysator auf seinen Wirkungsgrad. Zu diesem Zweck wird zusätzlich zu der herkömmlichen LambdaSonde vor dem Katalysator eine Lambda-Sonde nach dem Katalysator benutzt. Ein funktionierender Katalysator besitzt eine Speicherwirkung für Sauerstoff, durch welche die Regelschwing,Ungen der Lambda-Regelung gedämpft werden. Bei einem gealterten Katalysator läßt diese Eigenschaft nach, bis sich schließlich der Signalverlauf nach dem Katalysator dem Signalverlauf vor dem Katalysator angleicht. Durch Vergleich der Lambda-Sondensignale kann somit auf den Zustand des Katalysators geschlossen und im Fahlerfall dies über die Diagnoselampe dem Fahrer gemeldet werden.

Zweipunkt-Sonde (Nernstsonde) Um den Katalysator in seiner Funktion optimal ausnutzen zu können, muß sich das Luft-Kraftstoff-Gemisch sehr genau im stöchiometrischen Punkt befinden. Dafür sorgt die Lambda-Regelung über die Signale der Lambda-Sonden. Die Lambda-Sonden werden diagnostiziert auf: - Elektrische Plausibilität: Das von der Sonde abgegebene Signal wird fortlaufend auf seine Plausibilität hin überwacht. Treten unplausible Signale auf, werden von der Lambda-Regelung abhängige andere Funktionen gesperrt und der entsprechende Fehlercode im Fehlerspeicher abgelegt. - Dynamik der Sonde (Periodendauer) (Bild 2): Eine Lambda-Sonde, die über lange Zeit überhöhten Temperaturen ausgesetzt ist, reagiert unter Umständen

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Zeit Bild2

351

ME-Motronic

langsamer auf Änderungen des LuftKraftstoff-Gemisches. Dadurch vergrößert sich die Periodendauer des Zweipunktreglers der Lambda-Regelung. Eine Diagnosefunktion überwacht diese Regelfrequenz und meldet ein zu langsames Verhalten der Sonde über die Ansteuerung der Diagnoselampe an den Fahrer. - Regellage : Dadurch, daß zwei Lambda-Sonden pro Abgasstrang vorhanden sind, kann über die Sonde nach dem Katalysator die Sonde vor dem Katalysator auf Verschiebung der Regellage hin überprüft werden . - Heizung: Der Heizwiderstand der Lambda-Sonde wird durch Messung von Strom und Spannung geprüft. Damit die Messung möglich ist, steuert die Motronic den Heizwiderstand direkt, also nicht über ein Relais, an.

Breitbad-Lambda-Sonde LSU Durch die Entwicklung der BreitbandLambda-Sonde LSU sind auch von /... = 1 abweichende Vorgaben möglich geworden. Da sich die stetige LambdaRegelung aus einem Regelkreis "vor Kat" mit einer LSU und einem überlagerten Regelkreis "hinter Kat" mit einer Zweipunkt-Sonde zusammensetzt, kann die Funktionsfähigkeit der LSU mit Hilfe der Zweipunkt-Sonde überprüft werden. Die Diagnose besteht aus folgenden Überprüfungen: - Elektrische Plausibilität: Im Gegensatz zur Zweipunkt-Sonde kann bei der LSU-Sonde der komplette Spannungsbereich als plausibles Signal anliegen . Neben einer oberen und unteren Grenze wird das Signal mit dem Sondensignal "hinter Kat" verglichen .

Bild 3

Überdruckprüfung zum Erkennen von Lecks im Kraftstoffsystem. 1 Drosselklappe, 2 Motor, 3 Steuergerät, 4 Regenerierventil, 5 Aktivkohlebehälter, 6 Diagnosemodul, 7 Referenzleck, 8 Umschaltventil, 9 elektrische Luftpumpe, 10 Filter, 11 Frischluft, 12 Kraftstofftank, 13 Leck.

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- Dynamik der Sonde: Diagnose durch Auswerten und Bewerten einer aufgeprägten Zwangsamplitude. - Regellage: Durch den Einsatz der zweiten Sonde "hinter Kat" wird überprüft, ob eine Delta Lambda-Schwelle eingehalten wird. - Heizung: Diese Überprüfung geschieht wie bei der Zweipunkt-Sonde. Zusätzlich wird die zeitliche Änderung des Lambda-Signals ausgewertet. Kraftstoffversorgung Länger anhaltende Abweichungen des Luft-Kraftstoff-Gemisches vom stöchiometrischen Verhältnis werden in Verbindung mit der Gemischadaption berücksichtigt. Überschreiten diese Abweichungen vorher definierte Grenzen, befindet sich irgend ein Bauteil der Kraftstoffversorgung oder -zumessung außerhalb seines Spezifikationsbereiches. Beispiel hierfür kann ein fehlerhafter Druckregler, Füllungssensor oder auch nur eine Leckage im Saugrohr oder in der Abgasanlage sein. Tanksystem Nicht nur Emissionen aus der Abgasanlage beeinträchtigen die Umwelt, sondern auch aus der Tankanlage entweichende Kraftstoffdämpfe. Für den europäischen Markt beschränkt sich der Gesetzgeber zunächst noch auf eine relativ einfache Überprüfung der Funktion des Regenerierventils. ln den USA wird aber heute schon gefordert, daß Lecks in dem Kraftstoffverdunstungs-Rückhaltesystem erkannt werden.

Unterdruckverfahren Das Unterdruckverfahren stellt ein Grundprinzip dieser Diagnose dar. Mit einem Absperrventil wird das Rückhaltesystem verschlossen. Die Frischluftzufuhr zum Aktivkohlebehälter wird dadurch unterbunden. Dann wird vorzugsweise im Leerlauf des Motors das Regenerierventil geöffnet, wobei sich der Saugrohrdruck im gesamten System fortpflanzt. Über einen Drucksensor im Tank wird der Druckverlauf beobachtet und daraus auf Lecks geschlossen.

Überdruckverfahren Ein weiteres Verfahren zur Tankleckdiagnose (Bild 3) erzeugt mit Hilfe einer elektrischen Luftpumpe (9) einen Überdruck im Kraftstofftank (12). Anstelle der Druckmessung mit Drucksensor wird der Versorgungsstrom der Pumpe als Meßgröße ausgewertet. Zunächst wird ein Referenzleck (7) mit definiertem Durchlaß des Regenerierventils zur Kalibrierung benutzt. Anschließend verbindet ein Umschaltventil (8) die Pumpe mit dem Aktivkohlebehälter (5). Am Stromverlauf sind dann eventuell vorhandene Lecks des Kraftstoffsystems zu erkennen (Bild 4).

Integrierte Diagnose

Sekundärlufteinblasung Die nach einem Kaltstart wirksame Sekundärlufteinblasung muß ebenfalls überwacht werden, da bei einem eventuellen Ausfall die Emissionen beeinflußt werden. Bei aktiver Sekundärlufteinblasung kann das Signal der Lambda-Sonden geprüft oder bei einer im Leerlauf aktiven Testfunktion der Lambda-Regler eingeschaltet und beobachtet werden. Abgasrückführung Mit der Abgasrückführung können die Stickoxidemissionen im Abgas reduziert werden. Deshalb muß die Funktionsfähigkeit des Abgasrückführsystems überwacht werden. Bild 4 Schematischer Verlauf des Pumpenstroms bei der Überdruckprüfung des Kraftstoffsystems.

dichtes System

t Referenzmessung

Leck> 0,8 mm I 1

Tankdiagnose

Meßzeit-

353

ME-Motronic

Beim Öffnen des Abgasrückführventils strömt ein Teil des Abgases in das Saugrohr. Die zusätzlich in das Saugrohr und damit in den Zylinder einströmende Restgasmasse beeinflußt zunächst den Saugrohrdruck und dann die Verbrennung. Zur Diagnose des Abgasrückführsystems kommen daher zwei Alternativen zum Einsatz: Diagnose auf Basis Saugrohrdruck Im Teillastbetrieb wird das Abgasrückführventil kurzzeitg geschlossen. Wird - mittels EGAS - der über den HFM zuströmende Luftstrom konstant gehalten, so ändert sich der Saugrohrdruck. Diese Druckänderung wird mit dem Saugrohrdrucksensor gemessen. Die Größe der Druckänderung gibt Auskunft über den Zustand des Abgasrückführsystems. Diagnose auf Basis Laufunruhe Bei Systemen ohne HFM oder ohne zusätzlichen Saugrohrdrucksensor wird im Leerlauf das Abgasrückführventil leicht geöffnet. Die erhöhte Restgasmasse führt zu einer etwas höheren Laufunruhe des Motors, was wiederum die Laufunruheüberwachung des Systems bemerkt. Die Erhöhung der Laufunruhe wird dann ebenfalls zur Diagnose des Abgasrückführsystems benutzt. Weitere Überwachungen Neben der Motorsteuerung, die hauptsächlich von dieser neuen Gesetzgebung betroffen ist, werden aber auch andere Systeme (z.B. elektronische Getriebesteuerung) in die Überwachung mit einbezogen. Diese melden das Vorhandensein von Fehlern an die Motorsteuerung und diese steuert dann stellvertretend die Diagnoselampe an. Durch die steigende Komplexität der Systeme und verschärfte Umweltgesetze kommt der Diagnose eine zunehmende Bedeutung zu.

354

Diagnosescheduling Die OBD II schreibt vor, daß alle Diagnosefunktionen mindestens einmal im

Abgas-Testzyklus durchlaufen werden müssen. Im bisherigen SchedulingKonzept (Ablaufplan) werden die einzelnen Diagnosefunktionen nach einem festen Raster so aufgerufen, wie es der Betriebszustand im Abgaszyklus erlaubt. Im täglichen Fahrbetrieb kann dies unter Umständen dazu führen, daß sich der Betriebszustand, der zum Start einer bestimmten Diagnose erforderlich ist, erst nach einer längeren Fahrstrecke einstellt. Das bedeutet, daß einige Diagnosen unter Umständen nur selten durchgeführt werden, wenn aufgrund des individuellen Fahrverhaltens die in der Ablaufsteuerung vorgesehene Reihenfolge der Diagnosefunktionen nicht eingehalten werden kann. Das neue Diagnose-System-Management kann die Reihenfolge der Funktionen je nach Fahrzustand dynamisch verändern, so daß die Diagnosefunktionen auch im alltäglichen Fahrbetrieb optimal ablaufen können. Fehlerspeicher Werden abgasrelevante Fehler erkannt, so erfolgt ein Eintrag in den nichtflüchtigen Fehlerspeicher. Außer den behördlich vorgeschriebenen Fehlercodes enthält jeder Eintrag einen sogenannten Freeze-Frame, der zusätzliche Informationen zu den Randbedingungen enthält, bei denen der Fehler aufgetreten ist (z.B. Drehzahl, Motortemperatur). Projektspezifisch werden auch kundendienstrelevante Fehler abgespeichert, die nicht von OBD II gefordert sind. Das Auslesen der Fehlereinträge kann mit Hilfe eines kundenspezifischen Werkstattesters oder Bosch-Motortesters (Bild 5) durchgeführt werden, der an das Steuergerät angeschlossen wird. Dieses Hilfsmittel kann außerdem zur Meßdatenerfassung (z.B. Messen der Motordrehzahl) eingesetzt werden. Die OBD II-Gesetzgebung erfordert eine Normung der Fehlerspeicherinformationen gemäß Vorgabe der SAE (Society of Automotive Engineers). Dies ermöglicht das Auslesen des Fehlerspeichers über genormte, frei käufliche Tester ("Scan-tools").

Notlauf

Stellglied-Diagnose

Häufig kann zwischen Auftreten eines Fehlers und Werkstattaufenthalt das Luft-Kraftstoff-Gemisch und die Zündung über Ersatzgrößen und Notfunktionen berechnet werden, so daß mit eingeschränktem Komfort weitergefahren werden kann . Bei einem erkannten Fehler eines Eingangszweiges berechnet das Steuergerät die fehlende Information auf der Basis eines Modells oder eines redundanten Sensorsignals. Bei Ausfall eines ausgangsseitigen Aggregates werden abhängig vom Fehlerbild individuelle Notlaufmaßnahmen ergriffen. So wird z.B. bei einem Defekt im Zündkreis die Benzineinspritzung des betroffenen Zylinders abgeschaltet, um eine Schädigung des Katalysators zu vermeiden. Der EGAS-Drosselklappensteller hat eine Notlaufposition, in der die Drosselklappe durch Federkraft in ihrer Stellung gehalten wird . Die Motordrehzahl bleibt dann auf niedrige Werte beschränkt, so daß auch bei ME-Systemen trotz Ausfall dieses wichtigen Stellorgans eine eingeschränkte Fahrtauglichkeit gewährleistet bleibt.

Viele Motronic-Funktionen (z.B. Abgasrückführung) arbeiten im Fahrbetrieb nur unter bestimmten Betriebsbedingungen. Im Fahrbetrieb ist es deshalb nicht möglich, in kurzer Zeit alle Stellglieder (z.B. Abgasrückführventil) zu aktivieren und deren Funktion zu überprüfen. Die Stellglied-Diagnose ist ein Sonderfall der Diagnose. Sie arbeitet nur bei stehendem Motor außerhalb des normalen Fahrbetriebs. Dieser Testmodus wird mit dem Motortester eingeleitet, damit in der Werkstatt die Funktion der Stellglieder überprüft werden kann . Dabei werden auf Anforderung der Reihe nach alle Stellglieder aktiviert. Die Funktionsfähigkeit kann dann z.B. akustisch überprüft werden . Die Einspritzventile dürfen in diesem Modus nur mit kurzen Impulsen geschaltet werden (< 1ms). Nach dieser Zeit hat das Einspritzventil noch nicht vollständig geöffnet und es wird kein Kraftstoff in das Saugrohr eingespritzt. Trotzdem ist ein Geräusch deutlich zu hören.

Integrierte Diagnose

BildS Bosch-Molortesler KTS 500 im Einsatz.

355

ME-Motronic

Steuergerät

15 V die Signale fehlerfrei verarbeiten können.

Aufgabe Das elektronische Steuergerät (Bild 1) ist das "Rechen- und Schaltzentrum" des Motorsteuerungssystems. Es berechnet aus den Eingangssignalen, die von Sensoren geliefert werden, mit Hilfe der gespeicherten Funktionen und Algorithmen (Rechenverfahren) die Ansteuersignale für die Stellglieder (z. B. Zündspule, Einspritzventile usw.) und steuert diese über Leistungsendstufen (3) direkt an.

Spannungsversorgung Ein Spannungsregler (1 0) stellt die konstante Versorgungsspannung von 5 V für die digitalen Schaltungen bereit.

Mechanischer Aufbau Das Steuergerät befindet sich in einem Metallgehäuse, das eine Leiterplatte (2) mit den elektronischen Bauelementen enthält. Für den Anbau direkt am Motor gibt es auch kompakte, thermisch höher beanspruchbare Ausführungen in Hybridtechnik. Die Sensoren, die Stellglieder und die Stromversorgung sind über eine vielpolige Steckverbindung (1) an das Steuergerät angeschlossen. Diese Steckverbindung ist abhängig vom Funktionsumfang mit unte.rschiedlichen Polzahlen ausgeführt. Für die ME-Motronic sind in der Regel mehr als 1OOpolige Steckverbinder erforderlich. Die Leiterplatte ist unter den Leistungsendstuten metallisiert. Durchkontaktierungen sorgen für einen guten Wärmetransport zur Unterseite der Leiterplatte. Von dort wird die von den Leistungsendstufen erzeugte Wärme über Wärmebrücken zum Gehäuse abgeführt.

Signaleingabe Die Signale der Sensoren werden dem Steuergerät über Schutzbeschaltungen und gegebenenfalls über Signalwandler und Verstärker zugeführt: - Analoge Eingangssignale (z.B. Informationen über die Fahrpedalstellung, die angesaugte Luftmasse, Motor- und Ansauglufttemperatur, Batteriespannung, Gemischzusammensetzung usw.) werden von in den Mikroprozessoren (4, 7) integrierten Analog-Digital-Wandlern (AID) in digitale Werte umgeformt. - Digitale Eingangssignale (z.B. Schaltsignale der Klimaanlage oder die Stellung des Wählhebels, aber auch digitale Sensorsignale wie Drehzahlimpulse eines Hallsensors) können vom Mikroprozessor direkt verarbeitet werden. - Pulsförmige Eingangssignale von induktiven Sensoren mit Informationen über Kurbelwellenwinkel und -drehzahl sowie über die Fahrzeuggeschwindigkeit werden in einem Schaltungsteil (1 0) im Steuergerät aufbereitet und in ein Rechtecksignal umgewandelt. Je nach Integrationsstufe kann die Signalaufbereitung teilweise oder ganz im Sensor stattfinden. Vom Datenbus (CAN) übermittelte Eingangsinformationen müssen ebenfalls nicht aufbereitet werden.

Umgebungsbedingungen An das Steuergerät werden hohe Anforderungen bezüglich der Umgebungstemperatur, der Feuchte und den mechanischen Beanspruchungen gestellt. Ebenso sind die Forderungen an die elektromagnetische Störunempfindlichkeit und an die Begrenzung der Abstrahlung hochfrequenter Störsignale sehr hoch. Das Steuergerät muß im normalen Fahrbetrieb bei Umgebungstemperaturen bis + 60 und bei Batterievon - 30 spannungen von 6 V (beim Start) bis

Signalverarbeitung Der Mikroprozessor im Steuergerät verarbeitet die Eingangssignale. Dieser Mikroprozessor benötigt ein Programm für die Signalverarbeitung, das in einem Festwertspeicher (ROM oder EPROM (5)) gespeichert ist. Zusätzlich sind in dem Speicher die motorspezifischen Kennlinien und Kennfelder (Daten) für die Motorsteuerung gespeichert. Wegen der Vielzahl von Motor- und Ausstattungsvarianten der Fahrzeuge, die unterschiedliche Daten erfordern, wer-

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356

oc

den die Steuergeräte erst bei der Fertigung am Bandende mit dem fahrzeugspezifischen Programm programmiert. Dieser Vorgang kann am geschlossenen Steuergerät durchgeführt werden. Mit der Bandendeprogrammierung reduziert sich die Anzahl der beim Fahrzeughersteller benötigten Steuergerätetypen. Ein Schreib-Lese-Speicher (RAM) ist erforderlich, um Rechenwerte , Adaptionswerte und eventuell auftretende Fehler im Gesamtsystem zu speichern (Diagnose). Das RAM benötigt zu seiner Funktion eine ständige Stromversorgung. Beim Abklemmen der Batterie verliert dieser Speicher den gesamten Datenbestand. Die Adaptionswerte müssen in diesem Fall nach Anschluß der Batterie vom Steuergerät wieder neu gelernt werden. Um das zu verhindern, werden deshalb bei einigen Gerätetypen die weiterhin benötigten variablen Werte in einem EEPROM (6) (nichtflüchtiger Speicher) statt in einem RAM gespeichert.

Signalausgabe Der Mikroprozessor steuert Endstufen an, die genügend Leistung für den direkten Anschluß der Stellglieder liefern. Diese Endstufen sind gegenüber Kurzschlüssen gegen Masse oder der Batteriespannung sowie gegen Zerstörung durch elektrische Überlastung geschützt. Die Diagnosefunktion erkennt den aufgetretenen Fehler an einigen Endstufen und schaltet (falls notwendig) den fehlerhaften Ausgang ab. Im RAM wird der Fehlereintrag gespeichert. Dieser Fehlereintrag kann in einer Werkstatt über die serielle Schnittstelle mit einem Tester abgerufen werden. Eine andere Schutzschaltung schaltet die Elektrokraftstoffpumpe unabhängig vom Steuergerät ab, sobald das Drehzahlsignal eine untere Grenze unterschreitet. Bei einigen Steuergeräten wird beim Abschalten der Klemme 15 im Zündschloß ("Zündung Aus") über eine Halteschaltung das Hauptrelais noch solange gehalten, bis die Programmabarbeitung abgeschlossen ist.

Steuergerät

Bild 1 ME7 -Steuergerät. 1 vielpolige Steckverbindung. 2 Leiterplatte. 3 Leistungsendstufen , 4 Mikroprozessor mit ROM (Funktionsrechner), 5 Flash-EPROM (zusätzlicher Programmspeicher mit fahrzeugspezifischem Programm) , 6 EEPROM, 7 Mikroprozessor mit ROM (Erweiterungsrechner), 8 Flash-EPROM (Programmspeicher für Erweiterungsrechner), 9 Umgebungsdrucksensor, 10 Peripheriebaustein CJ910 (integrierte SV-Spannungsversorgung und lnduktivgeberAuswerteschaltung).

RAM ist auf der Unterseite der Leiterplatte plaziert und deshalb nicht sichtbar.

357

ME-Motronic

Schnittstellen ZU anderen Systemen Systemübersicht Der verstärkte Einsatz von elektronischen Steuerungen im Kraftfahrzeug, wiez.B. - elektronische Motorsteuerung (Motronic), - elektronische Getriebesteuerung, - elektronische Wegfahrsperre, - Antiblockiersystem (ABS), - Antriebsschlupfregelung (ASR), - Bordcomputer usw., macht eine Vernetzung dieser einzelnen Steuerungen erforderlich. Der Informationsaustausch zwischen den Steuerungssystemen verringert die Anzahl von Sensoren und verbessert die Ausnutzung der Einzelsysteme. Die Schnittstellen können in zwei Kategorien unterteilt werden: - konventionelle Schnittstelle, z. B. binäre Signale (Schalteingänge), Tastverhältnisse (Pulsbreiten-modulierte Signale), - serielle Datenübertragung, z. B. Controller Area Network (CAN).

Konventionelle Schnittstellen

358

Die konventionelle Kommunikation im Kraftfahrzeug ist dadurch gekennzeichnet, daß jedem Signal eine Einzelleitung zugeordnet ist. Binäre Signale können nur durch die zwei Zustände "1" oder "0" (Binärcode), z. B. Klimakompressor "Ein" oder "Aus", übertragen werden. Über Tastverhältnisse können mehrere Zustände, wie z. B. Stellung der Drosselklappe, übertragen werden. Die Zunahme des Datenaustausches zwischen den elektronischen Komponenten im Kraftfahrzeug kann mit konventionellen Schnittstellen nicht mehr sinnvoll bewältigt werden. Die "Komplexität" der Kabelbäume ist schon heute

nur mit großen Aufwand beherrschbar, und die Anforderungen an den Datenaustausch zwischen den Steuergeräten steigen (Bild 1).

Serielle Datenübertragung (CAN) Diese Probleme können durch den Einsatz von CAN, einem speziell für Kraftfahrzeuge konzipierten Bussystem (Datensammelschiene), gelöst werden. Sofern die elektronischen Steuergeräte eine serielle Schnittstelle CAN besitzen, können die oben genannten Signale über CAN übertragen werden. Es gibt drei wesentliche Einsatzgebiete für CAN im Kfz: - Steuergerätekopplung, - Karosserie- und Komfortelektronik (Multiplex), - mobile Kommunikation. Die folgende Beschreibung bezieht sich auf die Steuergerätekopplung. Steuergerätekopplung Bei der Steuergerätekopplung werden elektronische Systeme wie Motronic, elektronische Getriebesteuerung usw. miteinander gekoppelt. Typische Übertragungsraten liegen zwischen ca. 125 kBiVs und 1 MBit/s. Sie müssen so hoch sein, daß ein gefordertes Echtzeitverhalten garantiert werden kann. Ein Bild 1 Konventionelle Datenübertragung.

Getriebesteuerung

Metronie

ABS/ASR

Elektronische Wegfahrsperre

Vorteil des seriellen Datenübertragungsmediums gegenüber konventionellen Schnittstellen (z. B. Tastverhältnis, Schaltsignal und Analogsignal) ist auch die höhere Geschwindigkeit ohne große Belastung der Steuergeräte-Zentraleinheiten (CPU). Buskonfiguration CAN arbeitet nach dem "Multi-Master"Prinzip. Bei diesem Prinzip sind mehrere gleichberechtigte Steuereinheiten durch eine lineare Busstruktur miteinander verbunden (Bild 2). Diese Struktur hat den Vorteil, daß das Bussystem bei Ausfall eines Teilnehmers für alle anderen weiterhin voll verfügbar ist. Im Vergleich zu anderen logischen Anordnungen (wie Ring- oder Sternstrukturen) wird damit die Wahrscheinlichkeit für einen Gesamtausfall wesentlich verringert. Bei Ring- bzw. Sternstrukturen führt der Ausfall eines Teilnehmers bzw. der Zentraleinheit zum GesamtausfalL Inhaltsbezogene Adressierung Das Bussystem CAN adressiert Informationen bezüglich ihres Inhalts. Dazu wird jeder "Botschaft" ein fester, elf Bit langer "ldentifier" zugeordnet. Der ldentifier kennzeichnet den Inhalt der Botschaft (z. B. Motordrehzahl). Eine Station verwertet ausschließlich diejenigen Daten, deren zugehörige ldentifier in der Liste Bild 2

Lineare Busstruktur.

Station

1

Station 2

Station

Station

3

4

entgegenzunehmender Botschaften gespeichert sind (Akzeptanzprüfung). Dadurch benötigt CAN keine Stationsadressen für die Datenübertragung, und die Knoten brauchen die Systemkonfiguration nicht zu verwalten.

Schnittstellen

Busvergabe Wenn der Bus frei ist, kann jede Station beginnen, ihre wichtigste Botschaft zu übertragen. Beginnen mehrere Stationen gleichzeitig zu senden, dann wird zur Auflösung der resultierenden Buszugriffskonflikte ein "Wired-And"-Arbitrierungsschema verwendet. Bei diesem Schema setzt sich die Botschaft mit der höchsten Priorität durch, ohne daß ein Zeit- bzw. Bitverlust eintritt. Jeder Sender, der die Arbitrierung verliert, wird automatisch zum Empfänger und wiederholt seinen Sendeversuch, sobald der Bus frei ist. Botschaftsformat Für die Übertragung auf dem Bus wird ein Datenrahmen (Data Frame) aufgebaut, dessen Länge weniger als 130 Bit beträgt. Damit ist sichergestellt, daß die Wartezeit bis zur nächsten, möglicherweise sehr dringlichen Übertragung stets kurz gehalten wird. "Data Frame" besteht aus sieben aufeinanderfolgenden Feldern. Standardisierung CAN ist bei der internationalen Normenorganisation ISO als Standard für den Einsatz im Kfz für Datenreihen über 125 kBiUs und zusammen mit zwei weiteren Protokollen für Datenraten bis zu 125 kBiUs vorgesehen.

359

MEDMotronic

Motormanagement MED-Motronic Überblick Mit der Benzin-Direkteinspritzung bei Ottomotoren läßt sich im Vergleich zur herkömmlichen Saugrohreinspritzung der Kraftstoffverbrauch um bis zu 20% senken und die verkehrsbedingte C0 2 Emission nachhaltig verringern. Um die Direkteinspritzung überhaupt möglich zu machen, bedarf es während des Betriebes exakt abgestimmter Wechsel zwischen der sogenannten Ladungsschichtung bei Teillast und des Betriebes mit einem homogenen Gemisch bei Vollast Probleme, die sich bislang für die Realisierung dieser Einspritzart stellten, wie z.B. - die Begrenzung der Motorleistung im Schichtladebetrieb und - die fehlende Möglichkeit zur katalytischen NOx-Abgasnachbehandlung im mageren Betrieb, sind durch die technischen Fortschritte bei der Motorsteuerung und der Katalysatortechnik lösbar geworden. Die Benzin-Direkteinspritzung hat damit gute Aussichten für einen breiten Einsatz im zukünftigen Ottomotor.

Gesamtsystem Motronic MED7 Aufgabe

360

Das Motormanagementsystem Motronic MED 7 ermöglicht durch seine hohe Flexibilität eine optimale Steuerung moderner Ottomotoren mit direkter Einspritzung. Die Vielzahl der veränderlichen Stellgrößen richten allerdings hohe An-

forderungen an die Applikation des Einspritzsystems unter allen Betriebsbedingungen. Die Anforderungen, die an das Motorsteuerungssystem gestellt werden, sind im wesentlichen: - die nötige Kraftstoffmenge exakt zuzumessen, - den nötigen Einspritzdruck zu erzeugen und - den richtigen Einspritzzeitpunkt zu definieren sowie - den Kraftstoff direkt und präzise in die Brennräume des Motors einzubringen. Außerdem muß es die verschiedenen Momentenanforderungen an einen Motor koordinieren, um dann die erforderlichen Stelleingriffe am Motor vorzunehmen. Eine wesentliche Systemschnittstelle liefert das im Motor indizierte 1) Drehmoment. Die Struktur der Momentensteuerung ist untergliedert in die drei Funktionsbereiche (Bild 1): - Momentenanforderung, - Momentenkoordination und - Momentenumsetzung. Die wichtigste Momentenanforderung entsteht aus dem Fahrerwunsch durch die Betätigung des Fahrpedals. Die Stellung des Fahrpedals wird von der Motorsteuerung als Anforderung für ein bestimmtes Drehmoment an den Verbrennungsmotor interpretiert. Weitere Momentenanforderungen können unter anderem auch von der Getriebesteuerung, der Antriebsschlupfregelung oder der Fahrdynamikregelung gestellt werden. 1) Das indizierte Moment beschreibt das tatsächlich lieferbare Drehmoment des Verbrennungsmotors.

Aufbau

Die Momentenkordination wird zentral in der Motorsteuerung vorgenommen. Diese Vergehensweise bietet folgende Vorteile: - ein Informationsaustausch zwischen Funktionen, die ein Moment passend zu ihrem jeweiligen Zustand anfordern, ist nicht mehr nötig, - eine gegenseitige Beeinflussung der einzelnen Funktionen auf der Stellgrößenebene ist ausgeschlossen, - die einzelnen Funktionen haben eine klar definierte Schnittstelle, - die Funktionsstruktur ist problemlos erweiterbar und - die Funktionsanpassung an den Motor durch das Fehlen von Querkopplungen zwischen den einzelnen Funktionen ist vereinfacht.

ln Bild 2 ist ein Gesamtsystem der Direkteinspritzung mit den wesentlichen Komponenten der Metronie MED7 dargestellt. Das Hochdruck-Einspritzsystem ist als Speichereinspritzsystem ausgeführt. Der Kraftstoff kann damit zu jedem beliebigen Zeitpunkt mit elektromagnetischen Hochdruck-Einspritzventilen direkt in den Zylinder eingespritzt werden. Im Vergleich zu dem Basis-Steuergerät ME7 ist für die Benzin-Direkteinspritzung zusätzlich eine Endstufe zur Ansteuerung des Drucksteuerventils integriert. Die angesaugte Luftmasse ist über die elektronisch gesteuerte Drosselklappe (EGAS) frei verstellbar. Zur genauen Erfassung wird ein Heißfilm-Luftmassenmesser eingesetzt. Die Gemischkontrolle ist über universelle LambdaSonden LSF und LSU im Abgasstrom vor und nach dem Katalysator gesichert. Sie dienen zur Regelung des A. = 1- Betriebs, des Magerbetriebs und zur genauen Steuerung der Regenerierung des Katalysators. Wichtig, insbesondere im dynamischen Betrieb, ist die genaue Einstellung der Abgasrückführrate.

Die Metronie MED7 von Bosch basiert auf der Metronie ME7 für die SaugrohrEinspritzung. Dieses Motronic-System bietet mit der neuartigen Momentenstruktur bereits eine günstige Voraussetzung für den Einsatz bei der BenzinDirekteinspritzung.

Überblick, Gesamtsystem

Bild 1

Momentenstruktur des Motronic-Systems MED 7.

Fahrpedalstellung Fahrgeschwindigkeitsregler

Momentenumsetzung

Momentenkoordination

Momentenanforderung

Aktuelle Verlustmomente

r-

Start Leerlaufregelung Aufheizen Katalysator

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Motor- und Bauteileschutz Geschwindigkeitsbegrenzung Drehzahlbegrenzung

r-

Antriebsschlupfregelung (ASR) Motorschleppregelung (MSR) Fahrdynamikregelung (ESP)

r-

•

Drosselklappenwinkel

ｾ＠

Koordination der Momentenanforderungen

Lambda-Regelung

. ..

•

Einspritzzeit

Zündwinkel

361

MEDMotronic

Zur Messung der Abgasrückführung (AGR) ist deshalb ein Drucksensor vorgesehen, der den Druck im Saugrohr überwacht.

zunächst ein Vordruck von 0,35 MPa (3,5 bar) erzeugt. Damit wird die vom Verbrennungsmotor angetriebene Hochdruckpumpe gespeist. Hochdruckkreis

Arbeitsweise Kraftstofförderung und Einspritzung Die an das Einspritzsystem gestellten Hauptanforderungen nach - freier Wahl des Einspritzzeitpunktes und - variablem Systemdruck lassen sich mit einem Speichereinspritzsystem am besten erfüllen. Es bietet die Möglichkeit, den im Speicher unter Druck vorgelagerten Kraftstoff zu jedem beliebigen Zeitpunkt mit einem elektromagnetisch gesteuerten Einspritzventil direkt in den Brennraum einzuspritzen. Niederdruckkreis ln einem tankseitig angeordneten Niederdruckkreis, bestehend aus Elektrokraftstoffpumpe und parallelgeschaltetem mechanischem Druckregler, wird

Hochdruckpumpe: Diese Hochdruckpumpe hat die Aufgaben, - den Kraftstoffdruck von 0,35 MPa (3,5 bar) Vordruck auf bis zu 12 MPa (120 bar) zu erhöhen, - für geringe Druckschwankungen im Speicher zu sorgen und - einen Betrieb ausschließlich mit Kraftstoff (zur Vermeidung einer Vermischung mit Motoröl) zu gewährleisten. Speicher: Der Speicher muß einerseits große Elastizität aufweisen, um Druckpulsationen aus den periodischen Entnahmevorgängen und der Förderstrompulsation der Hochdruckpumpe zu dämpfen. Andererseits muß der Speicher so steif sein, daß der Raildruck schnell genug den Anforderungen des Motorbetriebs angepaßt werden kann. Der Druck im

Bild2 Motronic-System MEO 7 für Direkteinspritzung bei Ottomotoren. 1 Luftmassensensor mit Temperatursensor, 2 Drosselklappe (EGAS), 3 Saugrohrdrucksensor, 4 Hochdruckpumpe,

10 Lambda Sonde (LSF), 13 Drucksensor, 11 Fördermodul 14 Abgasrückführventil, 15 elektronisches einschließlich Vorförderpumpe, Steuergerät. 12 Einspritzventil, 7

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Speicher wird mit einem Drucksensor erfaßt. Die gewählte Elastizität des Kraftstoffspeichers resultiert hauptsächlich aus der Kraftstoffkompressibilität und dem Speichervolumen. Der Speicher ist rohrförmig aus Aluminium gefertigt und hat Anschlüsse für die Einspritzventile, das Drucksteuerventil, die Hochdruckpumpe und die zugehörige Sensorik. Drucksensor: Der Drucksensor dient zur Erfassung des Druckniveaus im Speicher. Als Sensorelement wird eine eingeschweißte Edelstahlmembrane verwendet, auf der die Meßwiderstände in Dünnfilmtechnik aufgebracht sind. Drucksteuerventil: Das Drucksteuerventil hat die Aufgabe, den Systemdruck im gesamten Betriebsbereich des Motors entsprechend den Kennfeldvorgaben einzustellen. Der Systemdruck ist dabei unabhängig von Einspritz- und Pumpenfördermenge. Die nach dem Drucksteuerventil abhängig vom Lastzustand abströmende Überschußmenge wird nicht zum Tank, sondern zur Saugseite der Hochdruckpumpe zurückgeführt. Dadurch wird verhindert, daß sich der Kraftstoff im Kraftstoffbehälter erwärmt und das Tankentlüftungssystem unnötig belastet. Einspritzventil: Das Einspritzventil ist die zentrale Komponente des Einspritzsystems. Es muß hohen Anforderungen hinsichtlich Einbaubedingungen, kurzen Einspritzzeiten und hohem Linearitätsbereich genügen und der großen Bedeutung der Einspritzstrahlformung Rechnung tragen. Die Einspritzventile der Benzin-Direkteinspritzung sind direkt an den Speicher angeschlossen. Durch das Ansteuersignal der Einspritzventile werden Einspritzbeginn und Einspritzmenge festgelegt.

Gemischbildung und Verbrennung Um die Benzin-Direkteinspritzung im Hinblick auf geringen Kraftstoffverbrauch und hohe Motorleistung voll auszuschöpfen, ist eine komplexe Motorsteuerung erforderlich. Dabei wird zwischen zwei grundlegenden Betriebsarten unterschieden:

Gesamtsystem

Unterer Lastbereich Im unteren Lastbereich wird der Motor mit einer stark geschichteten Zylinderladung und hohem Luftüberschuß betrieben, um einen möglichst niedrigen Kraftstoffverbrauch zu erreichen. Durch eine späte Einspritzung kurz vor dem Zündzeitpunkt wird als Idealzustand eine Aufteilung des Brennraums in zwei Zonen angestrebt: eine brennfähige LuftKraftstoff-Gemischwolke an der Zündkerze, eingelagert in einer isolierenden Schicht aus Luft und Restgas. Dadurch läßt sich der Motor unter Vermeidung von Ladungswechselverlusten weitgehend ungedrosselt betreiben. Außerdem steigt der thermodynamische Wirkungsgrad durch Vermeidung von Wärmeverlusten an den Brennraumwänden. Bei Schichtbetrieb ist das indizierte Moment nahezu proportional zur eingespritzten Kraftstoffmenge. Luftfüllung und Zündwinkel haben kaum Einfluß auf das Motormoment Im alltäglichen Fahrbetrieb sind dadurch Verbrauchsvorteile von etwa 20% im Vergleich zur Saugrohr-Einspritzung zu erwarten. Um die NOx-Emission zu verringern, wird außerdem eine hohe Abgasrückführrate angestrebt. Oberer Lastbereich Mit steigender Motorlast und damit steigender Einspritzmenge wird die Schichtladewolke zunehmend fetter. Dadurch würden sich Abgasverschlechterungen ergeben, insbesondere bezüglich der Rußemission. ln diesem oberen Lastbereich wird der Motor deshalb mit homogener Zylinderladung betrieben. Der Homogenbetrieb ist weitgehend von der ME7 für Saugrohr-Einspritzung übertragbar. Die Lambda-Koordination über-

363

MEDMotronic

nimmt die Steuerung zwischen A. = 1- und Magerbetrieb. Der Kraftstoff wird bereits während des Ansaugvorganges eingespritzt, um eine gute Durchmischung von Kraftstoff und Luft zu erzielen. Wie bei heutiger Saugrohr-Einspritzung wird die angesaugte Luftmasse entsprechend dem Drehmomentwunsch des Fahrers über die Drosselklappe eingestellt. Die benötigte Einspritzmenge wird aus der Luftmasse berechnet und über die Lambda-Regelung korrigiert. Wechsel der Lastbereiche Um die beiden zuvor beschriebenen Betriebsarten zu ermöglichen, ergeben sich zwei zentrale Anforderungen an die Motorsteuerung (Bild 1): - der Einspritzzeitpunkt muß betriebspunktabhängig zwischen spätem Einspritzzeitpunkt während der Kompressionsphase und frühem Einspritzzeitpunkt während der Ansaugphase verstellbar sein, - die Einstellung der angesaugten Luftmasse muß von der Fahrpedalstellung entkoppelt sein, um im unteren Lastbereich einen entdrosselten Motorbetrieb und im oberen Lastbereich eine Drosselsteuerung zu ermöglichen.

364

Bei einem Wechsel zwischen Homogenund Schichtbetrieb ist es entscheidend, Kraftstoffmenge, Luftfüllung und Zündwinkel so zu steuern, daß das vom Motor an das Getriebe abgegebene Moment konstant bleibt. Durch die Momentenstruktur werden auch hier die wesentlichen Funktionen zur Steuerung der elektronischem Drosselklappe direkt von der ME? übernommen. Vor der eigentlichen Umschaltung vom Schichtbetrieb in den Homogenbetrieb muß die Drosselklappe geschlossen werden (Bild 3). Mit abnehmendem Saugrohrdruck sinkt auch der Lambda-Wert. Bei der Umschaltung sind zwei Lambda-Grenzen maßgebend: - im Schichtbetrieb zur Vermeidung von Ruß eine Untergrenze von etwa A. = 1,5, - im Homogenbetrieb wegen der be-

grenzten Magerlauffähigkeit des Motors eine Obergrenze von etwa A. = 1,3. Deshalb wird beim Umschalten ein verbotener Bereich von 1,3 < A. < 1,5 überbrückt. Dies wird durch eine erhöhte Kraftstoffmenge im Umschaltpunkt ermöglicht. Damit hierbei kein Momentensprung auftritt, wird das Moment durch eine kurzzeitige Spätverstellung des Zündwinkels reduziert. Der Ablauf der Umschaltung vom Homogen- in den Schichtbetrieb erfolgt in umgekehrter Reihenfolge. Bild3

Umschaltvorgang Schicht-/Homogenbetrieb. a Schichtbetrieb, b Homogenbetrieb.

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a

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