Ottomotor-Management 978-3-322-93930-2, 978-3-322-93929-6

Citation preview

Ottomotor-Management Robert Bosch GmbH

Robert Bosch GmbH

OttomotorManagement 2. vollständig überarbeitete und erweiterte Auflage

Herausgeber:

© Robert Bosch GmbH, 2003 Softcover reprint of the hardcover 1st edition 2003 Postfach 1129,

Bibliografische Information der Deutschen Bibliothek Die Deutsche Bibliothek verzeichnet diese

D-73201 Plochingen.

Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie,

Unternehmensbereich

detaillierte bibliografische Daten sind im Internet

Automotive Aftermarket,

über abrufbar.

Abteilung Product Marketing Diagnostics & Test Equipment (AA/PDT5).

Chefredaktion: Dipl.-Ing. (FH) Horst Bauer.

Redaktion: Dipl.-Ing. Karl-Heinz Dietsche, Dipl.-Ing. (FH) Thomas Jäger, Sven A. H utter.

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

Redaktionsschluss: 06.03.2003

Übereinstimmung des Inhalts mit den jeweils geltenden gesetzlichen Vorschriften.

1. Auflage 1998 2., vollständig überarbeitete und erweiterte

Haftung ist ausgeschlossen. Änderungen vorbehalten.

Auflage Mai 2003 Alle Rechte vorbehalten.

© Springer Fachmedien Wiesbaden 2003 Ursprünglich erschienen bei Friedr. Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft mbH, BraunschweiglWiesbaden, 2003. Der Vieweg Verlag ist ein Unternehmen der Fachverlagsgruppe Bertelsmann Springer. www.vieweg.de

ISBN 978-3-322-93930-2 ISBN 978-3-322-93929-6 (eBook) DOI 10.1007/978-3-322-93929-6

ND1

Nikolaus August Otto entwickelte mit dem Viertaktmotor eine Verbrennungskraftmaschine, die auch für den Einsatz in den ersten Automobilen Ende des 19. Jahrhunderts geeignet war. Dieser Motor trat daraufhin einen Siegeszug an und ermöglichte die Verbreitung des Automobils. Die in neuen Fahrzeugen eingebauten Benzinmotoren arbeiten immer noch nach dem gleichen Prinzip und bis heute trägt der "Otto-Motor" den Namen seines Erfinders. Ein Problem in der Anfangszeit des Automobilzeitalters stellte die Zündung dar. Erst Robert Bosch konnte dieses Problem zuverlässig lösen. Er entwickelte die von Otto für seine ortsfesten Motoren eingesetzte träge magnetelektrische Abschnappzündung zur leichteren AbreißMagnetzündung, wodurch der Ottomotor höhere Drehzahlen erreichte. Damit konnten die Anforderungen für den Einsatz des Motors in einem Automobil zunächst befriedigt werden. Die ebenfalls im Hause Bosch entwickelte Hochspannungs-Magnetzündung in Verbindung mit der Zündkerze - die im Jahr 2002 ihr hundertjähriges Jubiläum hatte - und schließlich die Batteriezündung genügten den weiter gestiegenen Anforderungen und sorgten für eine zuverlässige Zündung des Luft-Kraftstoff-Gemischs im Ottomotor. Ab den 1970er-Jahren wurden Weiterentwicklungen im Motorenbau vor allem wegen der immer strengeren Abgasgesetzgebungen erforderlich. Eine wichtige Rolle im Bestreben, Leistung und Komfort zu erhöhen sowie die Schadstoffemissionen zu verringern spielte die Elektronik. Im Hause Bosch wurden Systeme entwickelt, die den neu gestellten Anforderungen Rechnung trugen. Eine wichtige Stellung nehmen die Benzineinspritzung sowie die Zündung ein, die bei Bosch im Motormanagement-System Motronic zusammengefasst sind. In die Motronic wurden immer weitere Teilsysteme integriert, wie z. B. die Füllungssteuerung mit der elektronisch gesteuerten Drosselklappe (elektronisches Gaspedal, EGAS). Die Erweiterung der Motronic für die Steuerung eines Ottomotors mit direkter Einspritzung in den Brennraum stellte eine weitere große Herausforderung für die Bosch-Ingenieure dar. In diesem Buch sind die Hefte der Schriftenreihe "Fachwissen Kfz-Technik" zusammengefasst. Es beschreibt, wie die verschiedenen Motormanagement-Systeme aufgebaut sind und wie sie sowie ihre Komponenten arbeiten. In einem Rückblick werden auch die früheren Systeme zur Motorsteuerung, die verschiedenen Benzineinspritzsysteme und Zündsysteme, erläutert. Schließlich sind diese Systeme in älteren Fahrzeugen immer noch vorhanden. Ein weiteres Thema dieses Buches ist die Abgasgesetzgebung, die einen wesentlichen Einfluss auf den Umfang der Motronic-Systeme hat. Dieses Kapitel gibt einen Einblick in die Komplexität der gesetzlichen Vorgaben. Bis ein Motronic-System in einem neu entwickelten Fahrzeug arbeitet, ist ein immenser Entwicklungsaufwand erforderlich. Ein Kapitel dieses Buches gibt deshalb einen Überblick, wie diese Systeme im Hause Bosch zur Serienreife gebracht werden. Ein umfangreiches Inhalts- und Sachwortverzeichnis sowie das Abkürzungsverzeichnis machen dieses Buch zu einem idealen Nachschlagewerk zum Thema "Ottomotor-Management". Die Redaktion

6

Inhalt

10 Geschichte

66 Benzineinspritzung

des Automobils

10 Entwicklungsgeschichte 12 Pioniere der Kfz-Technik 14 Das Lebenswerk von Robert Bosch

im Überblick

66 Übersicht 68 Anfänge der Gemischbildung

76 Benzineinspritzsysteme im Wandel der Zeit

16 Grundlagen des Ottomotors

16 20 23 24 26

Arbeitsweise Klopfende Verbrennung Drehmoment und Leistung

76 82 92 94 108

D-Jetronic K-Ketronic KE-Jetronic L-Jetronic Mono-Jetronic

Motorwirkungsgrad

28 Ottokraftstoffe

128 Kraftstoffförderung 128 Übersicht 129 Kraftstoffförderung bei

34 Steuerung

130 Kraftstoffförderung bei

Spezifischer Kraftstoffverbrauch

Saugrohreinspritzung des Ottomotors

34 36 39 42

Anforderungen Füllungssteuerung Gemischbildung Zündung

44 Entwicklungsgeschichte Ottomotor-Steuerungssysteme

44 45 46 49

Benzin-Direkteinspritzung

133 Kraftstoffverdunstungs-

Übersicht

Rückhaltesystem

134 136 137 137 138 138 138

Kraftstoffverteilerstück Kraftstoffdruckregler Kraftstoffdruckdämpfer Kraftstoffbehälter Kraftstoffleitungen

Mechanische Systeme Elektronische Systeme Motormanagement Motronic-System

140 140 141 142

50 Systeme zur Füllungssteuerung

50 Steuerung der Luftfüllung 52 Variable Ventilsteuerzeiten 55 Gesteuerte Ladungsbewegung

56 57 60 62 65

Elektrokraftstoffpumpe Kraftstofffilter

Abgasrückführung Dynamische Aufladung Mechanische Aufladung Abgasturboaufladung Ladeluftkühlung

Saugrohreinspritzung Übersicht Arbeitsweise Elektromagnetische Einspritzventile

144 Einspritzarten 146 146 147 148 148 150 152 154 155 156

Benzin-Direkteinspritzung Übersicht Arbeitsweise Rail Hochdruckpumpe Drucksteuerventil Hochdruck-Einspritzventil Brennverfahren Gemischbildung Betriebsarten

Inhalt

158 Zündung im Überblick 158 Übersicht 160 Anfänge der Zündung 170 Batterie-Zündsysteme im Wandel der Zeit

232 Motormanagement Motronic 232 Systemübersicht 238 M-Motronic 246 ME-Motronic 250 MED-Motronic

176 Induktive Zündanlage 256 Sensoren

176 Aufbau 177 Arbeitsweise

256 Einsatz im Kfz

177 Einsatzgebiete

258 Temperatursensoren

178 Zündungsendstufe

259 Tankfüllstandsensor

178 Zündspule

260 Stauscheiben-

180 Spannungsverteilung

Potenziometer

181 Zündkerze

261 Drosselklappensensor

182 Verbindungs- und

262 Fahrpedalsensoren

Entstörmillel

264 Hall-Phasensensoren

183 Zündenergie

266 Induktionssensor für TZ

185 Zündzeitpunkt

267 Hall-Sensor für TZ 268 Induktive

186 Zündspulen

Motordrehzahlsensoren

186 Aufgabe 187 Anforderungen

269 Piezoelektrische

188 Prinzipieller Aufbau und

270 Mikromechanische

Arbeitsweise 193 Ausführungen 198 Elektronik in der Zündspule 200 Elektrische Parameter 202 Simulationsbasierte Entwicklung von Zündspulen 203 Herstellung von Zündspulen 204 Zündkerzen

Klopfsensoren Drucksensoren 273 Dickschicht-Drucksensoren 275 Hochdrucksensoren 276 StaudruckLuftmengenmesser 278 HitzdrahtLuftmassenmesser HLM 279 HeißfilmLuftmassenmesser HFM2

204 Aufgabe 205 Anwendung

280 Heißfilm-Luftmassenmesser HFM5

206 Anforderungen

282 Zweipunkt-Lambda-Sonden

207 Aufbau

286 Planare Breitband-Lambda-

210 Elektrodenwerkstoffe

Sonde LSU4

211 Zündkerzenkonzepte 212 Elektrodenabstand

288 Steuergerät

213 Funkenlage

288 Einsatzbedingungen

214 Wärmewert der Zündkerze

288 Aufbau

216 Anpassung von Zündkerzen

288 Datenverarbeitung

220 Betriebsverhalten der Zündkerze 222 Ausführungen

294 Elektronische Steuerung und Regelung

228 Typformel für Zündkerzen

294 Übersicht

229 Simulationsbasierte Ent-

296 Subsysteme und Haupt-

wicklung von Zündkerzen 230 Herstellung von Zündkerzen

funktionen

7

B

Inhall

304 Elektronische Diagnose 304 Eigendiagnose 307 On-Board-Diagnose (OBD) 308 OBD: Allgemeine Anforderungen 311 OBD: Diagnose-SystemManagement 312 OBD: Einzeldiagnosen 324 Datenübertragung

370 Werkstatt-Technik

22 Kraftstoffverbrauch in der Praxis

376 Überprüfung des

61

Geschichte von

81

Kompressorfahrzeugen Einspritzgeschichte(n)

Zündsystems 377 Zündspulen-Praxis 380 Zündkerzen-Praxis 386 Abgasuntersuchung (AU)

132 Integration im Kraftfahrzeug: Tankeinbaueinheit

388 Prinzip der Abgasmessung

139 Entwicklung der Kraft-

zwischen elektronischen Systemen 324 Systemübersicht 324 Serielle Datenübertragung 329 Ausblick

Redaktionelle Kästen

370 Übersicht 372 Prüfung von Steuergeräten in Fahrzeugen

390 Steuergeräteentwicklung

stoffversorgungssysteme (Beispiele)

390 Übersicht 394 Hardwareentwicklung

151 Reduzierung des Kraftstoff-

398 Funktionsentwicklung

164 Präsentation des

400 Softwareentwicklung

verbrauchs mit BDE Bosch-Niederspannungs-

404 Applikation

Magnetzünders 166 Einsatz der Magnetzündung

331 Hauptbestandteile

412 Sachwortverzeichnis

332 Nebenbestandteile

412 Sachwörter 418 Abkürzungen

169 Bosch-Batteriezündung (Lehrtafel)

330 Abgasemissionen 330 Übersicht

334 Einflüsse auf Rohemissionen 338 Schadstoffminderung 338 Übersicht 339 Thermische Nachbehandlung 340 Katalytische Abgasreinigung 340 Übersicht

182 Unfallgefahr 197 Zündspulen-Geschichte: Die Asphaltzündspule 219 100 Jahre Zündkerzen Produktvielfalt 237 Motronic-Systeme im Motorsport 257 Miniaturen 274 Mikromechanik 293 Leistungsfähigkeit der Steuergeräte

340 Oxidationskatalysator

333 Ozon und Smog

341 Dreiwegekatalysator

349 Patentwesen

344 NOx-Speicherkatalysator 346 Lambda-Regelkreis

375 Weltweiter Service

348 Aufheizen des Katalysators

411 Bosch-Prüfzentrum

360 Treibhauseffekt

Boxberg 350 Abgasgesetzgebung 350 Übersicht 352 CARB-Gesetzgebung 356 EPA-Gesetzgebung 358 EU-Gesetzgebung 362 USA-Testzyklen 364 Europäischer Testzyklus 365 Japan-Testzyklus 366 Abgasprüfung 368 Verdunstungsprüfung

Autoren

Grundlagen des Ottomotors Dipl.-Ing. Michael Oder, Or.-Ing. RainerOrtmann, Dipl.-Ing. Werner Häming, Dipl.-Ing. Werner Hess. Steuerung des Ottomotors Dipl.-Ing. Michael Oder, Oipl.-Ing. WalterGollin. Systeme zur Füllungssteuerung Dipl.-Ing. Georg Mallebrein, Dipl.-Ing. Christian Köhler, Dipl.-Ing. Oliver Schlesiger, Dipl.-Ing. Michael Bäuerle. Kraftstoffförderung Dr. Thomas Frenz, Or.-Ing. Dieter Lederer, Dipl.-Ing. Albert Gerhard, Dipl.-Betriebsw. Michael Ziegler, Dipl.-Ing. (FH) Eckhard Bodenhausen, Dipl.-Ing. (FH) Annette Wittke, Dipl.-Ing. (FH) Bernd Kudicke. Saugrohreinspritzung Oipl.-Ing. (FH) Klaus Joos. Benzin-Direkteinspritzung Dipl.-Ing. Michael Oder, Dipl.-Ing. Helmut Rembold. Induktive Zündanlage Dipl.-Ing. WalterGollin. Zündspulen Dipl.-Ing. (FH) Klaus Lerchenmüller, Dipl.-Ing. (FH) Markus Weimert, Dipl.-Ing. Tim Skowronek. Zündkerzen Dipl.-Ing. Erich Breuser. Motormanagement Motronic Dipl.-Ing. Bernhard Mencher, Dipl.-Ing. Christian Köhler, Dipl.-Red. Ulrich Michel!. Steuergerät Dipl.-Ing. Adolf Fritz, Dipl.-Ing. Martin Kaiser.

Elektronische Steuerung und Regelung Dr.-Ing. Jürgen Haag. Elektronische Diagnose Dr.-Ing. Matthias Knirsch, Dr.-Ing. Matthias Tappe, Dr. Michael Eggers. Abgasemissionen Dipl.-Ing. Eberhard Schnaibel, Dipl.-Ing. Christian Köhler. Schadstoffminderung Dipl.-Ing. Christian Köhler. Katalytische Abgasreinigung Oipl.-Ing. Eberhard Schnaibel. Abgasgesetzgebung Dr. Michael Eggers, Dr.-lng. Gerold König. Werkstatt-Technik Dipl.-Ing. Rainer Rehage, Oipl.-Ing. (FH) Volker Engel, Dipl.-Ing. (FH) Hans-Günther Weißhaar, Rainer Heinzmann, Karl-Heinz Vocke. Steuergeräteentwicklung Dipl.-Ing. Adolf Fritz, Dipl.-Phys. Lutz Reuschenbach, Dipl.-Ing. (FH) Bert Scheible, Dipl.-Ing. Eberhard Frech. Weitere Autoren Dipl.-Phys. Patentanwalt Ralf-Hoiger Behrens (Patentwesen) , Dietrich Kuhlgatz (Lebenswerk von Robert Bosch) sowie die Redaktion in Zusammenarbeit mit den zuständigen Fachabteilungen unseres Hauses. Soweit nicht anders angegeben, handelt es sich um Mitarbeiter der Robert Bosch GmbH.

9

10

Geschichte des Automobils

Entwicklungsgeschichle

Geschichte des Automobils Die Mobilität spielt für die Menschen seit jeher eine große Rolle. In fast jeder Epoche versuchte man Mittel zu fmden, die Menschen über längere Strecken mit größtmöglichster Geschwindigkeit zu tragen vermochten. Mit der Entwicklung von zuverlässigen Verbrennungsmotoren, die mit flüssigen Kraftstoffen betrieben werden konnten, wurde der Traum des selbstfahrenden "Automobils" Wirklichkeit (griechisch: autos = selbst + lateinisch: mobilis = beweglich).

Entwicklungsgeschichte Dalmle. MOlor·Kulsche von 1894 (Quelle : Dalmle,o,rysler Classlc. KonzernarchIv)

Die erste Fahrt mit einem

• 1770 Dampfwagen von Joseph Cugnot

molorgetriebenen Fahr· zeug schreibt man Joseph Cugnol zu (1770). Sein dreirädriges, schwerfälliges Holzge· fährt mil Dampfanlrieb konnte mit einer Wasser

4

tollung 12 Minulen

Für die Entstehung eines Gefährtes, das in unserem Zeitalter nicht mehr wegzudenken ist, waren viele Voraussetzungen nötig, ohne die ein solches Projekt nicht hätte umgesetzt werden können. Einige Daten sind an dieser Stelle vorangestellt, die einen wesentlichen Beitrag zur Entwicklung des Automobils beitrugen: • Circa 3500 v. Chr. Die Entwicklung des Rades wird den Sumerern zugeschrieben • Circa 1300 Weiterentwicklung der Kutsche mit Elementen wie Lenkung, Radaufhängung und Federung

• 1801 Etienne Lenoir entwickelt den Gasmotor • 1870 Nikolaus Otto baut den ersten ViertaktVerbrennungsmotor

fahren .

Das Paleni, das Ben. am 29. Januar 1886 er' leih wUfde, basierte nichl auf einer umgebauten

Kulsche, sondern steifte

1

eIne eigensländige ganz·

i

heilliche Konstruktion

dar (Quelle: DaimlerChrysler Classic. Konlernarchiv)

0

V

f'

Ｍ］

. .Ｍｾ Ｎ＠ , ... " ｾＬＭ］

ｾ Ｂ ﾷ ｬ＠

Ｇ＠ ｾ＠

lJ,i

Carl Benz kann sich 1885 als Erfinder des ersten Automobils in die Annalen der Geschichte eintragen. Mit seinem Patent beginnt die rasante En t-

wicklung des Automobils mit Verbrennungsmotor. Die öffentliche Meinung war jedoch noch gespalten. Die Verfechter des neuen Zeitalters rühmten das Automobil als Inbegriff des Fortschritts, während der Großteil der Bevölkerung gegen die zunehmende Belästigung durch Staub, Lärm, Unfallgefahr und rücksichtslose Autofahrer protestierte. Dennoch war das Automobil nicht mehr aufzuhalten. In den Anfangen stellte der Kauf eines Automobils eine Herausforderung dar. Es gab praktisch kein Straßennetz, an Reparaturstätten war nicht zu denken, Treibstoff erwarb man in der Apotheke und Ersatzteile ließ man vor Ort schmieden. Umso erwähnenswerter ist die erste Fernfahrt von Bertha Benz im Jahr 1888. Sie war wohl die erste Frau am Steuer eines motorisierten Fahrzeugs, die dazu noch durch die Bewältigung der damals enormen Distanz über 100 km von Mannheim nach Pforzheim im Südwesten Deutschlands die Zuverlässigkeit des Automobils bekräftigte.

Am Anfang konzentrierten sich - außer Benz - in Deutschland jedoch wenige Unternehmer auf die weltweite Bedeutung der motorgetriebenen Fahrzeuge. Die Franzosen sollten das Automobil groß machen. Panhard & Levassor nutzten die Rechte der Daimler-Motoren für Frankreich zum Bau eigener Automobile. Panhard sind Konstruktionsmerkmale wie Lenkrad, geneigte Lenksäule, Kupplungspedal, Luftreifen und Röhrenkühler zu verdanken. In den folgenden Jahren schossen Firmen wie Peugeot, Citroen, Renault, Fiat, Ford, Rolls-Royce, Austin und andere wie Pilze aus dem Boden. Gottlieb Daimler, der seine Motoren nahezu weltweit vertrieb, hatte hieran einen nicht unerheblichen Einfluss.

Geschichte des Automobils

Die anfangs am Kutschenbau orientierten Wagen wurden sehr schnell zu Automobilen im heutigen Sinne weiterentwickelt. Allerdings wurde jedes Automobil einzeln in Handarbeit gefertigt. Das änderte sich grundlegend im Jahr 1913 mit der Einführung des Fließbandes durch Henry Ford. Mit dem T-Modell revolutionierte er die Automobilbranche in Amerika. Das Auto war ab diesem Zeitpunkt kein Luxusgut mehr. Höhere Stückzahlen machten eine rapide Senkung der Preise möglich, womit das Automobil den Massen zugänglich wurde. Citroen und Opel waren eine der ersten, die das Fließband nach Europa brachten, doch erst Mitte der 1920er-Jahre setzte es sich durch. Die Automobilhersteller erkannten schnell, dass sie sich auf die Wünsche der Kunden einstellen mussten, um am Markt erfolgreich zu sein. Man nutzte Rennerfolge zu Werbernaßnahmen. Professionelle Fahrer prägten sich und ihre Automarke mit einem Geschwindigkeitsrekord in die Köpfe der Zuschauer ein. Weiterhin bemühte man sich um eine breitere Produktpalette. So entstand über die Jahrzehnte hinweg eine Vielfalt an Autoformen, die sich jeweils am Zeitgeist sowie den wirtschaftlichen und politischen Einflüssen orientierten. Zum Beispiel setzten sich Stromlinienfahrzeuge vor dem Zweiten Weltkrieg nicht durch; repräsentative Autos waren gefragt. Exklusivste Fahrzeuge wie der Mercedes-Benz 500 K, RollsRoyce Phantom III, 855 Horch oder Bugatti Royale wurden entwickelt.

Entwicklungsgeschichte

Der Zweite Weltkrieg hatte einen erheblichen Einfluss auf die Entwicklungvon Kleinwagen. Der heute als Käfer bekannte Volkswagen wurde von Ferdinand Porsche konstruiert und in Wolfsburg produziert. Nach Ende des Krieges waren vor allem kleine, erschwingliche Wagen gefragt. Die Hersteller reagierten auf diese Nachfrage: So entstanden Autos wie der Goliath GP 700, Lloyd 300, Citroen 2CV, Trabant, Isetta oder Fiat 500 C (ital.: Topolino = Mäuschen). Autos wurden nun nach neuen Standards gebaut; man legte mehr Wert auf Technik, integriertes Zubehör und vor allem ein vernünftiges Preis-Leistungs-Verhältnis. Heute wird einhoher Standard der Insassensicherheit gewährt; Airbag, ABS, ASR,ESP und intelligente Sensoren sind wegen der steigenden Anzahl von Verkehrsteilnehmern und der im Vergleich zu früher hohen Geschwindigkeiten unerlässlich. Das Auto wurde durch die innovative Arbeit der Automobilindustrie sowie der gestiegenen Marktanforderungen stetig weiterentwickelt. Es gibt jedoch Gebiete, die auch für die Zukunft eine Herausforderung darstellen. Ein Beispiel ist die weitere Reduzierung der Umweltbelastungen durch alternative Energiequellen (z. B. Brennstoffzelle). Eines wird sich in naher Zukunft wohl nicht ändern - der Begriff, der für das Auto seit mehr als 100 Jahren steht und schon dessen Urväter begeisterte: individuelle Mobilität.

11

Das T·Modeli oder liebevoll .Tin L,ZlJe· (engl. : Blechllesel) gcnann t wu rde mehr I

als 15 Mllhonen Mal gebaut. Diese Rekord·

zahl wurde erst in den 1970er·Jahren durch den VW·Käfer gebrochen (Bildquellen: Ford. Volkswagen AG )

Modellsludien ,eigen

heule schon, wiedie Aulos von morgen

aussehen könnten (Bildquelle : Peugeol)

Der Belgier Camille Jenatzy war der erste

Mensch, der 1899 die 100 kmlh·Marke durch · brach. Heute hegt der Geschwindigkeitsrekord

bel 1227,9 km/h

Mercedes·Benz 500 K Cabnolet C. BaUjahr 1934 (Quelle: DaimlerChrysler ClasslC, KonzernarchIv)

12

Geschichte des Automobils

Pioniere der Kfz-Technik

Pioniere der Kfz-Technik Aufgrund der Vielzahl an Personen. die sich mit der Entwicklung des

Automobils beschäftigt haben, stellt d.ese Aul· IIs1ung keinen Anspruch

auf VOllständigkeIt

1866: NIkolaus August 0110 (Bildquelle : Deutz AG) ersteht das Patent auf die almosphänsche Gasmaschine

Wilhelm Maybach IBlldquelle: MTU Fnedrlchshafen GmbH)

Nikolaus August Otto (1832-1891), gebürtig aus Holzhausen (Deutschland), entwickelte schon früh sein Interesse für Technik Neben seiner Anstellung als Reisender für Lebensmittelgroßhandlungen beschäftigte er sich mit der Funktion von Gasmotoren. Ab 1862 spezialisierte sich Otto vollends auf den Motorenbau. Es gelang ihm, den Gasmotor des französischen Technikers Etienne Lenoir zu verbessern. Dafür erhielt er 1867 auf der Pariser Weltausstellung die Goldmedaille. Zusammen mit Daimler und Maybach entwickelte er einen Verbrennungsmotor, basierend auf dem 1861 von ihm gefundenen Viertaktprinzip. Bis heute ist dieser Motor unter dem Namen "Otto-Motor" bekannt. 1884 erfand er die Magnetzündung, womit Motoren nun mit Benzin betrieben werden konnten. Diese Neuheit stellte die Grundlage für das spätere Lebenswerk von Robert Bosch dar. Ottos Verdienst liegt darin, dass er als Erster den Viertakt-Verbrennungsmotor gebaut und dessen Überlegenheit über alle Vorläufer demonstriert hat.

GOltheb Dalmrer (BIldquelle : DalmlefCh rysler Classlc. Konzernarchiv )

Gottlieb Daimler (1834-1900) stammte aus Schorndorf (Deutschland) und studierte Maschinenbau am Polytechnikum in Stuttgart. 1865 lernte er den hoch begabten Ingenieur Wilhelm Maybach kennen. Beide sollte fortan eine dauernde Zusammenarbeit verbinden. Neben der Erfindung des ersten Motorrads ("Reitrad") beschäftigte sich

Daimler vor allem mit der Entwicklung eines für den Einsatz in Fahrzeugen geeigneten Ottomotors. 1889 stellten Daimler und Maybach in Paris den ersten "Stahlradwagen" mit Zwei-Zylinder-V-Motor vor. Schon ein Jahr später pflegte Daimler internationale Beziehungen mit der Vermarktung des schnell laufenden Daimler-Motors. So ließ 1891 Armand Peugeot einen von ihm konstruierten Wagen bei der Rad-Fernfahrt ParisBrest - Paris erfolgreich mitfahren und stellte sowohl seine Konstruktion als auch die Zuverlässigkeit des verwendeten DaimlerMotors unter Beweis. Daimlers Verdienst resultiert aus der stetigen Weiterentwicklung des Ottomotors und dem Vertrieb in andere Länder. Wilhelm Maybach (1846-1929),geboren in Heilbronn (Deutschland), absolvierte eine Ausbildung zum Technischen Zeichner. Bald darauf war er als Detailkonstrukteur unter anderem bei der Firma Gasmotoren Deutz AG (von Otto gegründet) tätig. Schon zu Lebzeiten wurde er als "König der Konstrukteure" bezeichnet. Maybach überarbeitete den Ottomotor und brachte ihn zur Serienreife. Er entwickelte unter anderem auch die Wasserkühlung, den Spritzdüsenvergaser und die Doppelzündung. Im Jahr 1900 konstruierte Maybach unter Verwendung von Leichtmetall einen revolutionären Rennwagen. Auf Anregung des österreichischen Geschäftsmannes Jellinek wurde dieses Fahrzeug entwickelt. Er bestellte 36 Wagen mit der Be. dingung, das Modell nach seiner Tochter "Mercedes" zu benennen. Maybachs konstruktive Virtuosität war wegweisend für die moderne Autoindustrie. Mit seinem Tod endete die große Zeit der Kraftfahrzeugpioniere.

Geschichte des Automobils

Carl Friedrich Benz (1844-1929),geboren in Karlsruhe (Deutschland), studierte Maschinenbau am Polytechnikum in Karlsruhe. 1871 gründete er seine erste Fabrik für Eisengießerei und Industriebauteile in Mannheim. Unabhängig von Daimler und Maybach trieb er ebenfalls den Einbau von Motoren in ein Fahrzeug voran. Nachdem die wichtigsten Ansprüche aus Ottos Viertaktpatent für nichtig erklärt worden waren, entwickelte Benz neben einem eigenen Viertaktmotor auch einen Oberflächenvergaser, die elektrische Zündung, die Kupplung, die Wasserkühlung sowie eine Art Gangschaltung. 1886 meldete er sein Patent an und stellte der Öffentlichkeit seinen Motorwagen vor. Bis zum Jahr 1900 konnte Benz über 600 Typen-Konstruktionen zum Verkauf anbieten. Bei Benz & Co. wurde in der Zeit von 1894 bis 1901 das "Velo" gefertigt, das mit einer produzierten Gesamtstückzahl von ca. 1 200 Exemplaren als erstes GroßserienAutomobil bezeichnet werden kann. Benz fusionierte 1926 mit Daimler zur "DaimlerBenzAG". Das Vermächtnis von Benz liegt im Bau des ersten Automobils und dessen industriellen Fertigung. Henry Ford (1863 bis 1947) stammte aus Dearborn, Michigan (USA). Ford erarbeitete sich 1891 als Ingenieur bei der Edison Illuminating Company eine sichere Position, widmete sich aber persönlich der Weiterentwicklung des Ottomotors.

Pioniere der Kfz-Technik

Die Gebrüder Duryea bauten 1893 das erste Automobil in Amerika. Ford konnte 1896 mit seinem Wagen, dem "Quadricyde Runabout", nachziehen, der die Ausgangsbasis für zahlreiche Konstruktionen werden sollte. 1908 brachte Ford das legendäre "Model T" heraus, das ab 1913 am Fließband gefertigt wurde. Ford dominierte ab dem Jahr 1921 den Automarkt der USA mit einem Anteil von 55% der gesamten Industrieproduktion.

13

1886- Benz schrelbl als

Erfinder des ersten Automobils mit Verbren· nungsmotor W eltgeschlchle

(Boldq uelle _

DalmlerChrysler Classlc, Konzernarchiv)

Der Name Henry Ford steht für die Motorisierung Amerikas. Dank seiner Ideen wurde das Automobil einer breiten Bevölkerungsschicht zugänglich. Rudolf Christian Karl Diesel (1858 bis 1929), gebürtig aus Paris (Frankreich), fasste mit 14 Jahren den Entschluss, Ingenieur zu werden. Er schloss sein Examen am Polytechnikum München mit der besten Leistung seit Bestehen der Anstalt ab. 1892 erhielt Diesel das Patent für den später nach ihm benannten "Diesel-Motor", der schnell seine Verbreitung als stationärer Motor und als Schiffsmotor fand. 1908 fuhr der erste Lastwagen mit einem Dieselmotor. Sein Einzug in die Pkw-Welt dauerte jedoch Jahrzehnte. Erst im Jahr 1936 wurde er im Mercedes 260 D in Serie eingebaut. Heute ist der Dieselmotor so weit entwickelt, dass er gegenüber dem Ottomotor gleichberechtigt ist. Mit dem hohen Wirkungsgrad seines Motors hat Diesel wesentlich zu einer wirtschaftlicheren Nutzung des Verbrennungsmotors beigetragen. Mit Lizenzvergaben konnte Diesel international tätig werden, erntete aber zu Lebzeiten nicht mehr die gebührende Anerkennung.

Rudolt C K Diesel (Boldquelle: HOSl ollsches Archov der MAN AG)

Henry Fo rd (B ildquelle- Ford )

14

ｾ ｅｳ＠

Geschichte des Automobils

war mir Immer ein

uner1ragl1che r G edanke. es könne Jemand bei

Das Lebenswerk von Robert Boseh

Das Lebenswerk von Robert Bosch (1861-1942)

Prüfung eines melnor Erzeugnisse nachweisen. dass Ich IrgendwIe Minderwertiges leiste, Deshalb habe Ich ste ls

versuch" nur Arbei t hinauszugebe n. die Jeder

sachhehen Prüfung

standhlell. also sozu' sagen vom Guten d as

Beste war." Robert Bosch

Robert Bosch, geboren am 23. September 1861 in Albeck bei Ulm (Deutschland), entstammte einer wohlhabenden Bauernfamilie. Nach seiner Ausbildung zum Feinmechaniker arbeitete er zeitweise in verschiedenen Unternehmen, wobei er seine technischen sowie kaufmännischen Fähigkeiten und Erfahrungen weiter ausbaute. Nach einem halben Jahr als Gasthörer im Fach Elektrotechnik an der TH Stuttgart reiste er in die USA um bei "Edison Illuminating" zu arbeiten. Später war er bei "Siemens Brothers" in England beschäftigt.

IB,ldquellen B osch Arch,v)

1886 entschloss er sich, eine "Werkstätte für Feinmechanik und Elektrotechnik" in einem Hinterhaus im Stuttgarter Westen zu eröffnen. Er beschäftigte einen weiteren Mecha-

ROBo BOSCH UOt .. ebü .... tr. 715 ••

®",pllon" i!aust,l,grapA,n. Erste Anzeige

In der

StUtlg.rter Tag szeltung . Del Beobachte,", 1887

Fadtmlnnlaebe

Prll'n« ud Blilablel.....

An1egunga nd Reparatur

ａｉ･ｰ｡ｾ＠

TOD

(81

aowie ..nv Arbeiten der Peinft\et!hanJk-.

niker sowie einen Lehrling. Am Anfang lag sein Arbeitsgebiet in der Installation und Reparatur von Telefonen, Telegrafen, Blitzableitern und anderen feinmechanischen Tätigkeiten. Sein Engagement in der schnellen Bearbeitung neuer Problemstellungen sollte ihm auch später stets einen Vorsprung verschaffen. Die von Bosch entwickelte Niederspannungs-Magnetzündung im Jahr 1897 stellte - im Gegensatz zu den unzuverlässigen Vorläufern - den Durchbruch für die Automobilindustrie dar. Dieses Produkt war der Ausgangspunkt für die rasche Expansion des Unternehmens von Robert Bosch. Er verstand es immer, die Zweckbestimmtheit der technisch-wirtschaftlichen Welt mit den humanen Erfordernissen in Einklang zu bringen. Auf sozialem Gebiet galt Bosch als Vorreiter. Technische Pionierarbeit hat Bosch mit der Entwicklung und Ausreifung folgender Produkte geleistet: • Niederspannungs-Magnetzünder, • Hochspannungs-Magnetzünder für höhere Drehzahlen (konstruiert von seinem Mitarbeiter Gottlob Honold), • Zündkerze, • Zündverteiler, • Batterie für Pkw und Motorrad, • Anlasser (Starter), • Lichtmaschine (Generator), • Lichtanlage mit erstem elektrischen Scheinwerfer, • Autoradio (gefertigt bei den "IdealWerken", ab 1938 "Blaupunkt"), • erste Lichtanlage für das Fahrrad, • Boschhorn (Hupe), • Batteriezündung, • Boschwinker (damals als typisch für den deutschen Organisations geist belächelt heute als Blinker unverzichtbar). Viele weitere Entwicklungen, auch im gesellschaftlichen Bereich, könnte man hier aufzählen. Sie zeigen, dass Bosch seiner Zeit voraus war. Sein vorwärts strebender Geist hat die Automobilentwicklung stark

Geschichte des Automobils

Das Lebenswerk von Robert Bosch

vorangetrieben. Mit der steigenden Zahl der selbstfahrenden "Automobilisten" wuchs das Bedürfnis nach Werkstätten rasch an. In den 1920er-Jahren begann Robert Bosch mit dem systematischen Aufbau einer flächendeckenden Kundenorganisation. 1926 erhielten diese Werkstätten den einheitlichen, als Markenzeichen angemeldeten Namen "Bosch-Dienst". Einen ebenso hohen Anspruch hatte Bosch an die Umsetzung sozialer Ziele. Er führte 1906 den 8-Stunden-Tag ein und gewährte den Arbeitern hohe Löhne. 1910 stiftete er eine Million Mark zur Förderung der technischen Bildung. Die Fertigstellung des 500000. Magnetzünders nahm er zum Anlass, den arbeits freien Samstagnachmittag einzuführen. Weitere Verbesserungen waren z. B. die Altersversorgung, Arbeitsplätze für Schwerbehinderte und die Urlaubsregelung. Boschs Aussage, "Beruf und Lehrpraxis sind ein kundigerer Erzieher als bloße Theorie" führte 1913 zur Einrichtung einer Lehrwerkstatt, die 104 Lehrlingen Platz bot. Mitte 1914 war der Name Bosch schon weltweit vertreten, doch lagen in der großen Expansionszeit zwischen den Jahren 1908 bis 1940 auch zwei Weltkriege. Bis 1914 gingen 88 % der in Stuttgart gefertigten Erzeugnisse ins Ausland. Bosch konnte durch die großen Heereslieferungen weiterhin expandieren, doch missfielen ihm die Gewinne in Anbetracht der Gräuel dieser Jahre. Er spendete daraufhin 13 Mio. RM (Reichsmark) für soziale Zwecke. Nach dem Ersten Weltkrieg war es schwer, im Ausland wieder Fuß zu fassen. Beispielsweise wurden in den USA die Bosch-Fabriken, Verkaufsniededassungen sowie die Wort-und Bildmarke konfisziert und an ein US-Unternehmen verkauft. Das bedeutete unter anderem, dass Produkte unter dem Namen "Bosch" erschienen, die nicht von ihm produziert waren. Erst Ende der 1920er-Jahre hatte Bosch alle Rechte zurückerworben und konnte sich wieder in

15

Ersles Geschäftshaus in der Londoner

Siore Sireel (Bildquelle: Boseh-Archiv)

den USA etablieren. Boschs unbeugsame Entschlossenheit, Schwierigkeiten zu meistern, brachte die Firma wieder auf den Weltmarkt und prägte den Mitarbeitern die internationale Bedeutung der Firma Bosch ins Bewusstsein ein. Zwei beispielhafte Daten stellen noch einmal den sozialen Einsatz Boschs heraus: 1936 stiftete er Mittel zum Bau eines Krankenhauses, das 1940 eingeweiht wurde. In der Eröffnungsrede hob Bosch sein Engagement für eine soziale Zusammenarbeit hervor: "Jede Arbeit ist wichtig, auch die kleinste. Es soll sich keiner einbilden, seine Arbeit sei über die eines Mitarbeiters erhaben." 1942 starb mit Robert Bosch ein Unternehmer, der sowohl auf dem technischelektrischen als auch auf sozialem Gebiet ein Pionier war. Noch heute gilt er als Vorbild für vorandrängenden Zeitgeist, unermüdlichen fleiß, soziale Verbesserungen, Unternehmensgeist und Bildungsförderung. Seine Erkenntnis in Bezug auf Fortschritt war: "Wissen, Können, Wollen sind wichtig, für den Erfolg jedoch entscheidend ist ihr harmonisches Zusammenspiel." 1964 wurde die Robert Bosch Stiftung GmbH gegründet, zu deren Aufgaben die Gesundheitspflege, Wohlfahrtspflege, Bildung, Erziehung, Förderung der Kunst, Kultur sowie Geistes- und Sozialwissenschaften zählen. Durch sie werden die Ideale von Robert Bosch bis in die heutige Zeit gepflegt.

..Jedem sein ａｵＱＰｭｯ｢ｬ

Das probagierte

Boseh schon 1931 on der M,tarbe,terzeltung

. Boseh·Zünder".

ｾ＠

16

Grundlagen des Ottomotors

Arbeitsweise

Grundlagen des Ottomotors Der Ottomotor!) ist ein fremdgezündeter Verbrennungsmotor, der ein Luft-Kraftstoff-Gemisch verbrennt und damit die im Kraftstoff enthaltene chemische Energie in Bewegungsenergie umwandelt. Lange Zeit hatte der Vergaser die Aufgabe, das Luft-Kraftstoff-Gemisch bereitzustellen. Der Vergaser bildet das brennfähige Gemisch im Saugrohr, das die für die Verbrennung benötigte Luft ansaugt. Gesetzliche Vorgaben zur Einhaltung von Abgasemissions-Grenzwerten verhalfen der Benzineinspritzung, die eine exaktere Kraftstoffzumessung ermöglicht, zum Durchbruch. Bei der Saugrohreinspritzung (SRE) entsteht das Luft-Kraftstoff-Gemisch - wie bei Vergaseranlagen - im Saugrohr. Weitere Vorteile, insbesondere bezuglieh des Kraftstoffverbrauchs und der Leistungssteigerung, brachte die Entwicklung der Benzin-Direkteinspritzung (BDE). Diese Technik spritzt den Kraftstoff zum richtigen Zeitpunkt direkt in den Brennraum ein.

Arbeitsweise Angetrieben durch die Verbrennung des Luft-Kraftstoff-Gemischs führt der Kolben (Bild 1, Pos. 8) im Zylinder (9) eine periodische Auf- und Abbewegung aus. Dieses Funktionsprinzip gab diesem Motor den Namen "Hubkolbenmotor". Die Pleuelstange (10) setzt diese Hubbewegung in eine Rotationsbewegung der Kurbelwelle (11) um. Eine Schwungrnasse an der Kurbelwelle hält die Bewegung aufrecht. Die Kurbelwellendrehzahl wird auch Motordrehzahl genannt.

1) Benannt nach N,kolaus August Otto (1832 bis 1891), der 1878 auf der Panser Weltausstellung erstmals einen

Gasmotor mit Verdichtung nach dem Vier1akt-Arbelts · prinzip zeigte,

Viertakt-Verfahren Die meisten in Kraftfahrzeugen eingesetzten Verbrennungsmotoren arbeiten nach dem Viertakt -Verfahren. Beim Viertakt -Verfahren steuern Gaswechselventile (5 und 6) den Gaswechsel (Ladungswechsel). Sie öffnen und schließen die Ein- und Auslasskanäle des Zylinders und steuern so die Zufuhr von Frischgas und das Ausstoßen der Abgase. I. Ta kt: Allsaugtakl Ausgehend vom oberen Totpunkt (OT) bewegt sich der Kolben abwärts und vergrößert das Brennraumvolumen (7) im Zylinder. Dadurch strömt frische Luft (bei Benzin-Direkteinspritzung) bzw. das LuftKraftstoff-Gemisch (bei Saugrohreinspritzung) über das geöffnete Einlassventil (5) in den Brennraum.

Im unteren Totpunkt (UT) hat das Brennraumvolumen seine maximale Größe (Vh+ Vc ) erreicht. 2. Takt: Verdichtungstakt Die Gaswechselventile sind nun geschlossen. Der aufwärts gehende Kolben verkleinert das Brennraumvolumen und verdichtet das Gemisch. Bei Motoren mit Saugrohreinspritzung befmdet sich das Luft-KraftstoffGemisch schon am Ende des Ansaugtakts im Brennraum. Bei der Benzin-Direkteinspritzung wird der Kraftstoff - je nach Betriebsart - erst gegen Ende des Verdichtungstakts eingespritzt. Im oberen Totpunkt hat das Volumen seine minimale Größe (Kompressionsvolumen Vc ) erreicht.

Grundlagen des Ottomotors

3. Takt : Arbeitstakt Bereits bevor der Kolben den oberen Totpunkt (OT) erreicht hat, leitet die Zündkerze (2) zu einem vorgegebenen Zündzeitpunkt (Zündwinkel) die Verbrennung des Luft-Kraftstoff-Gemischs ein (Fremdzündung). Bis das Gemisch vollständig entflammt, hat der Kolben den oberen Totpunkt überschritten. Die Gaswechselventile sind weiterhin geschlossen. Die frei werdende Verbrennungswärme erhöht den Druck im Zylinder und treibt den Kolben nach unten. 4. Takt: Au stoß tak t

Bereits kurz vor dem unteren Totpunkt (UT) öffnet das Auslassventil (6) . Die unter hohem Druck stehenden heißen Gase strömen aus dem Zylinder. Der aufwärts gehende Kolben stößt die restlichen Rückstände aus. Nach jeweils zwei Kurbelwellenumdrehungen beginnt ein neues Arbeitsspiel mit dem Ansaugtakt.

17

Arbeitsweise

Ventilsteuerzeiten

Die auf der Einlass- (3) und Auslassnockenwelle (l) aufgesetzten Nocken öffnen und schließen die Gaswechselventile. Bei Motoren mit nur einer einzigen Nockenwelle überträgt ein Hebelmechanismus die Hubbewegung der Nocken auf die Gaswechselventile. Die Steuerzeiten geben die Schließ- und Öffnungszeiten der Ventile bezogen auf die KurbelwellensteIlung an. Die Steuerzeiten werden deshalb in "Grad Kurbelwelle" angegeben. Gasströmungen und -schwingungen werden zum besseren Füllen und Entleeren des Brennraums ausgenützt. Deshalb überschneiden sich die Ventilöffnungszeiten in einem gewissen Kurbelwellenbereich. Die Kurbelwelle treibt die Nockenwelle über einen Zahnriemen (bzw. eine Kette oder Zahnräder) an. Ein Arbeitsspiel dauert beim Viertakt -Verfahren zwei Kurbelwellenumdrehungen. Die Drehzahl der Nockenwelle ist deshalb nur halb so groß wie die Drehzahl der Kurbelwelle. Das Untersetzungsverhältnis zwischen Kurbel- und Nockenwelle beträgt somit 2: 1.

Arbedssplel des Viertakt- O Uomolors (am Beispiel eines Motors m,1 Saugrohreinspritzung und getrenn ter Ein- und Auslassnockenwelle)

Bild 1

a

Ansaugtakt

b

Verdichtungstakt

c

Arbeitstakt

d

Ausstoßtakt Auslassnocken·

welle

2

Zundkerze

3

EInlassnockenwelle

4

Elnspntzventll

5

Einlassventil

6

Auslassvenlll

7

Brenmaum

8

Kolben

9

Zylonder

10 Pleuelstange

11 Kurbelwelle M

Drehmoment

rｾ＠

Kurbelwellenwlnk I

Kolbenhub \ 'h

Hubvolumen

\'c KompressIonsvolumen

Grundlagen des Ottomotors

1B

Arbeitsweise

Ventllsteuerzedcn-Dlagramm emes Vlertakl· Ottomotors

Bild 2 Einlassventil Eb E,nlassvenl,l öllnel

E

ES

Einlassventil

schheßI A AO

Auslassventil

Auslassventil

A=

öltnet AS

Auslassventd schheßt

OT

Im Ventilsteuerzeiten-Diagramm (Bild 2) sind die Öffnungs- und Schließzeiten der Ein- und Auslassventile aufgetragen. Verdichtung

Gemischverteilung im Brennraum

Aus dem Hubvolumen Vh und dem Kompressionsvolumen Vc ergibt sich das Verdichtungsverhältnis f. = (Vh + Vc)!Vc.

Homogene Vc:rteilung Bei Mmoren mit Saugrohreinspritzung liegt das Luft -Kraftstoff-Gemisch im gesamten Brennraum homogen verteilt mit der gleichen Luftzahl A vor (Bild 3a). Auch Motoren mit Magerkonzept, die in bestimmten Betriebsbereichen mit Luftüberschuss fahren, werden mit homogener Gemischverteilung betrieben.

OT ZOT Zünd·OT unterer

zugeführte Luftmasse theoretischer Luftbedarf

Im stöchiometrischen Betrieb hat A den Wert 1,0. Weitere Bezeichnungen für A sind auch Luftzahl und Luftverhältnis. Eine Anreicherung des Gemischs mit Kraftstoff führt zu A- Werten kleiner 1. Bei einer Abmagerung liegt Luft im überschuss vor, der A- Wert ist größer 1. Ab einer bestimmten Grenze stößt das Gemisch an die Magerlaufgrenze, das magere Gemisch ist dann nicht mehr zündfähig.

oberer Totpunkt

(JOT Überschne'dungs·

UT ZZ

Luft-Kraftstoff-Verhältnis

Für eine vollständige Verbrennung des LuftKraftstoff-Gemischs müssen die Gemischanteile im stöchiometrischen Verhältnis vorliegen. Das ist der Fall, wenn für die Verbrennung von 1 kg Kraftstoff 14,7 kg Luft zur Verfügung stehen. Das Luft -Kraftstoff-Verhältnis A (Lambda) gibt an, wie weit das tatsächlich vorhandene Luft -Kraftstoff-Gemisch vom theoretisch notwendigen Luftbedarf abweicht:

Totpunkt

Zündze'lpunkt

Die Verdichtung des Motors hat entscheidenden Einfluss auf • das erzeugte Drehmoment, • die abgegebene Leistung, • den Kraftstoffverbrauch und die • Schadstoffemissionen. Das Verdichtungsverhältnis f. beträgt beim Ottomotor je nach Motorbauweise und Einspritzart (Saugrohr- oder Direkteinspritzung) f. = 7 ... 13. Werte wie beim Dieselmotor (f. = 14 ... 24) sind beim Ottomotor nicht möglich, da sich bei hohem Kompressionsdruck und der sich daraus ergebenden hohen Temperatur im Brennraum das LuftKraftstoff-Gemisch aufgrund der begrenzten Klopffestigkeit des Benzins selbstständig und unkontrolliert entzündet. Daraus entsteht das für den Motor schädliche Klopfen.

Schichlladung Eine brennfähige Gemischwolke mit A'" 1 befindet sich zum Zündzeitpunkt im Bereich der Zündkerze. Der übrige Brennraum ist mit nicht brennfähigem Gas ohne Kraftstoffanteil oder mit einem sehr mageren LuftKraftstoff-Gemisch gefüllt. Die zündfähige Gemischwolke, die nur einen Teil des Brennraums ausfüllt, wird als Schichtladung bezeichnet (Bild 3b). Das Gemisch ist - über den gesamten Brennraum gesehen - sehr mager (bis ZUA'" 10). Dieser Magerbetrieb ermöglicht niedrige Kraftstoffverbrauchswerte.

Grundlagen des Ottomotors

Die Schichtladung ist nur mit der BenzinDirekteinspritzung effektiv möglich. Sie entsteht dadurch, dass der Kraftstoff erst kurz vor dem Zündzeitpunkt direkt in den Brennraum eingespritzt wird. Gemtschvertellung Im Brennraum

a

I

Arbeitsweise

19

Gemischzündung und Entflammung

Die Zündkerze entzündet das Luft-Kraftstoff-Gemisch durch eine Funkenentladung. Die sichere Entflammung nach der Zündung hängt vom Luft -Kraftstoff-Verhältnis A ab und liegt im Bereich von A = 0,75 ... 1,3. Bei geeignetem Strömungszustand am Ort der Zündkerzenelektroden können auch magere Gemische mit A:

1 bar

5 Volumen

v

Diagramm

a

Ansaugen

b

verdichlen

c

arbei ten

d

ausstoßen

ZZ Zündzeit pu nkt AÖ Auslass öffnet

26

Grundlagen des Ottomotors

Spezifischer Kraftstoffverbrauch

Spezifischer Kraftstoffverbrauch Der spezifische Kraftstoffverbrauch be gibt die Kraftstoffmasse (in Gramm) an, die ein Verbrennungsmotor benötigt, um eine bestimmte Arbeit (kW . h, Kilowattstunde) zu verrichten. Diese Größe sagt deshalb mehr über die Energieausnutzung des Kraftstoffs aus als die Angaben I/h oder 1/100 km.

Einfluss der Luftzahl Homogene Gemi chverteilung Der spezifische Kraftstoffverbrauch nimmt bei homogener Gemischverteilung zunächst mit steigender Luftzahl ..1. ab (Bild 1). Die Abnahme im Bereich bis ..1. = 1,0 erklärt sich daraus, dass die Verbrennung bei fettem Luft -Kraftstoff-Gemisch wegen Luftmangels unvollständig abläuft. Im Magerbetrieb (..1. > 1) muss die Drosselklappe weiter geöffnet werden, um ein definiertes Drehmoment einstellen zu können. Diese Entdrosse1ung sowie der höhere thermodynamische Wirkungsgrad im Magerbetrieb führen zu einem geringeren spezifischen Kraftstoffverbrauch. Mit zunehmender Luftzahl sinkt die Flammengeschwindigkeit im magerem GeEinfluss von Luftzahl A und ZOndwinkel Cl, auf den Kraftstoffverbrauch bei homogener Gemisch· verteilung

misch. Der daraus entstehende Entflammungsverzug muss durch eine Frühverstellung des Zündwinkels kompensiert werden. Bei weiter ansteigender Luftzahl wird die Magerlaufgrenze des Motors erreicht und es kommt zu unvollständigen Verbrennungen (Verbrennungsaussetzer). Das führt zu einem steilen Anstieg des Kraftstoffverbrauchs. Bei welcher Luftzahl die Magerlaufgrenze liegt, hängt vom jeweiligen Motor ab. Schichtlad llng Motoren mit Benzin-Direkteinspritzung können im Schichtbetrieb mit hohen Luftzahlen arbeiten. Der Kraftstoff befindet sich nur in der Schichtladungswolke im Bereich um die Zündkerze. Die Luftzahl in der Schichtladungswolke beträgt ungefähr ..1. = 1. Der übrige Teil des Brennraums ist mit Luft und Inertgas (Abgasrückführung) gefüllt. Die damit verbundene Entdrosselung führt zu einer Reduzierung der Ladungswechselverluste. Dies und thermodynamische Effekte führen zu einer deutlichen Reduzierung des spezifischen Kraftstoffverbrauchs.

Einfluss des Zündwinkels Homogene Gemischverte ilung Für einen gegebenen Arbeitspunkt gibt es jeweils einen optimalen Verbrennungsschwerpunkt, zu dem ein definierter Zündwinkel gehört (Bild 1). Jede Abweichung von diesem Zündwinkel führt zu einer Verschlechterung des spezifischen Kraftstoffverbrauchs.

ｌＭ

chichtladlln g

ｾ

ｾ

Ｑ ｾ Ｎ Ｔ＠

Luftzahl A

j

c

i ::>

GD

Bei Motoren mit Benzin-Direkteinspritzung sind im Schichtbetrieb die Variationsmöglichkeiten für den Zündwinkel eingeschränkt. Der Zündfunke muss ausgelöst werden, wenn die Gemischwolke die Zündkerze erreicht hat. Der optimale Zündwinkel hängt deshalb im Wesentlichen vom Einspritzzeitpunkt ab.

Grundlagen des Ottomotors

27

Spezifischer Kraftsloffverbrauch

Kraftstoffverbrauchskennfeld eines OttomotorS bel homogener Gem'SChb.ldung

Bild 2

Ｍｾ＠

Motordaten: 4·Zylinder· O ttomotor Hubraum: \'H

= 2,3 1

Leislung: P= 110 kW bel

5400 min" Maximales Drehmoment M= 220 N · mbe.

3700.,,4500 min- ' Effektiver Mitte ldruck :

Pm. = \2 bar (100%)

Q;

ｾ＠

20% ｾ＠

o ｾ＠

o

Berechnung des Dreh·

________________ 500

1000

1500

ｾ＠

2000

____________J -_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 2500

3000

3500

Drehzahl 11

4000

4500

5000

5500

6000

g ｾ＠

min'\ :;:

"

moments M und der Leistung I' über Zahlenwertgleichungen:

\'H- Pmo/O,12566

ｾ＠

M=

=

P=JI/·,,/9549

MinN'm

Verbrauchsoptimierung Ottomotoren müssen bei Betrieb mit homogener Gemischbildung mit stöchiometrischem Luft-Kraftstoff-Verhältnis A = 1 gefahren werden, damit der Dreiwegekatalysator seine bestmögliche Reinigungswirkung entfalten kann. Deshalb kann der spezifische Kraftstoffverbrauch nicht über die Luftzahl, sondern nur über den Zündwinkel optimiert werden. Bei der Zündwinkelfestlegung muss ein Kompromiss zwischen geringem Kraftstoffverbrauch und geringen AbgasRohemissionen gefunden werden. Bei betriebswarmem Katalysator überwiegt der Verbrauchsaspekt, da dann die Schadstoffe im Katalysator weitgehend konvertiert werden. Verbrauchskennfeld Auf einem Motorprüfstand kann der spezifische Kraftstoffverbrauch in Abhängigkeit vom relativen effektiven Mitteldruck im Zylinder und der Motordrehzahl gemessen werden. Die Messwerte werden im Verbrauchskennfeld (Bild 2) aufgetragen. Die Punkte mit gleichem spezifischem Ver-

brauch werden miteinander verbunden, sodass Kurven entstehen. Das Bild, das sich daraus ergibt, hat Ähnlichkeit mit einer MuscheL Deshalb werden die Kurven auch als Muschelkurven bezeichnet. Das Diagramm zeigt, dass sich der geringste spezifische Kraftstoffverbrauch bei einem hohen effektiven Mitteldruck Pm. im Drehzahlbereich um 2600 min- 1 einstellt. Der effektive Mitteldruck ist auch ein Maß für das Drehmoment M. In das Diagramm können deshalb Kurven für die Leistung P eingetragen werden. Sie haben die Form von Hyperbeln. Aus dem Diagramm wird ersichtlich, dass die gleiche Leistung bei unterschiedlicher Drehzahl und Drehmoment bereitsteht (Betriebspunkt A und B). Der spezifische Kraftstoffverbrauch ist in diesen Betriebspunkten aber unterschiedlich. In Punkt B ist er bei niedriger Drehzahl, aber höherem Drehmoment niedriger als in Punkt A. Die Anpassung an diesen Betriebspunkt wird über das Getriebe mit der Wahl eines höheren Gangs erreicht.

VM in dm 3

Pm. in bar /1

inmin· 1

Pin kW

28

Grundlagen des Ottomotors

Oltokraftstoffe

Bild 1 gibt eine übersicht über den Aufbau der wichtigsten Kohlenwasserstoffmoleküle. Der rein kettenförmige Aufbau der Moleküle bewirkt eine sehr gute Zündwilligkeit, allerdings auch eine geringe Klopffestigkeit. Ein kettenförmiger Aufbau mit zusätzlichen Seitenketten sowie ein ringförmiger Aufbau der Moleküle ergibt Kraftstoffkomponenten mit hoher Klopffestigkeit.

OUokraftstoffe Übersicht Der wichtigste Energieträger, aus dem Kraftstoffe gewonnen werden, ist das Erdöl. Es ist im Laufe von Jahrmillionen durch Zersetzung von abgestorbenen Lebewesen entstanden. Erdöl besteht aus sehr vielen Kohlenwasserstoffverbindungen, von denen jedoch nicht alle zur Herstellung von Ottokraftstoffen geeignet sind. Das Erdöl muss deshalb in Raffinerieanlagen entsprechend aufbereitet werden. Hierzu stehen zwei Möglichkeiten zur Verfügung: • Durch Destillieren oder Filtern werden die Komponenten voneinander getrennt. • Durch Umwandeln (z. B. Cracken, Reformieren) entstehen aus den vorhandenen Komponenten neue Kohlenwasserstoffe mit anderen Eigenschaften.

1

Aufbau von KohlenwasserstoHmolekülen (Beispiele)

I

Ottomotoren, die mit Wasserstoff betrieben werden, befinden sich derzeit in der Versuchsphase.

J

wenig klopffest

sehr klopffast

Kettenförmiger Aufbau

Kettenförmiger Aufbau mit Seitenketten

gasförmig bai oledngem Druck verflüssigtes Treibgas HH H I

Neben den aus Erdöl gewonnenen mineralischen Kraftstoffen werden vereinzelt auch andere Kraftstoffe verwendet wie z. B. • Alkohol (Methanol, Ethanol), • Flüssiggas (Autogas) und • Erdgas.

Bestandte,l das Eich krah.toffe. für Onok .. ftsloffa H

I

, ,,

I

H- C- C- C- H

H- C- H

H H H

H H H I

H H H H I

I

I

,

BUlan

H- C- C- C- C - H I

I

I

I

I

I

,

I

I

I

H H H H H

H

Ringförmiger Aufbau

I

I

t

I

I

Bemndte". des MOloren bonzols

I

H H H H H H I

I

Hexan

I

H - C- C- C- C- C- C - H I

,

Isooklan

I ' CI Hli

I

H - C- C- C- C- C - H I

I

H

H- C-HH-C- H

H

I

H

H

flüssig Bestandte,le des Beoz,"s und D'eselkraftstoffes H HHH H I

I

,I'

H

C. HIO

I

H H H H

I

H- C- C- C- C- C - H

I

I

HH HH H HH

Aeinbenzol Cs Hs

Cs H••

I

H H H H H H I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

H - c- c- c- c- c- c- c - H

H H H H H H H

Aingförmiger BesllIndleil des Benzins

H H H H H H H H H-

C-C-C-C-C-C-C-C- H I

I

I

I

I

Oktan

Ca Hll

I I

I

H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H

H-

c-c-c-c-c-c-c-c-c-c-c-c-c-c-c-cI

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

1

H H H H H H H H H H H H H H H H

H

I

I

Cetan

CHi HJA

H H

\

I

H H

H_'c"'c . . . i _ H Cycloh • .,n I I

H- C C - H I ..... c ..... \ H 1\ H

H H

I4;HI1

Grundlagen des Ottomotors

Kraftstoffnormen

Verschiedene nationale Normen legen die Mindestanforderungen für Ottokraftstoffe fest. EN 228 (Europäische Norm) beschreibt das in Europa eingeführte unverbleite Benzin ("Euro-Super"). In der nationalen Ausgabe DIN EN 228 sind darüber hinaus noch die unverbleiten Normal- und "Super Plus"Kraftstoffe beschrieben. In den USA sind Ottokraftstoffe in ASTM D4814 (American Society for Testing and Materials) spezifiziert.

Ottokraftsloffe

Verbleitcs Benzin Verbleite Ottokraftstoffe sind in Europa seit dem Jahr 2000 nicht mehr zugelassen bzw. dürfen nur in Ausnahmefällen für eine übergangszeit vertrieben werden. Weltweit sind aber in einzelnen Ländern noch verbleite Kraftstoffe im Handel. Ihr Anteil geht jedoch ständig zurück. Die im verb leiten Benzin enthaltenen Bleialkyle waren früher u. a. notwendig, um die Auslassventile zu schmieren. Die seit den 1980er-Jahren gefertigten Motoren sind nicht mehr auf Bleizusätze angewiesen.

Bestandteile von Ottokraftstoffen

Ottokraftstoffe bestehen aus Kohlenwasserstoffen, die Zusätze von sauerstoffhaltigen, organischen Komponenten sowie Additive zur Verbesserung ihrer Eigenschaften enthaltenkönnen. Es wird zwischen Normal- und Super-Kraftstoff unterschieden. Super-Kraftstoff weist eine höhere Klopffestigkeit zum Betreiben höher verdichteter Motoren auf. Außerdem gelten für Sommer und Winter sowie für verschiedene Regionen unterschiedliche Flüchtigkeitsmerkmale.

nverblcites Benzin (E 228 ) Der Einsatz von Katalysatoren zur Abgasnachbehandlung setzt den Betrieb mit bleifreiem Benzin voraus; denn Blei würde die Edelmetallbeschichtung (z. B. Platin) der Katalysatoren sowie die zur Regelung der Gemischaufbereitung eingesetzten LambdaSonden schädigen und damit inaktiv machen. Bleifreie Kraftstoffe bilden ein Gemisch aus besonders hochwertigen, hochoktanigen Komponenten (z. B. Platformate, Alkylate und Isomerisate). Zur Erhöhung der Klopffestigkeit können metallfreie Zusätze zugegeben werden. Geeignet sind hierfür Ether (z. B. Methyltertiärbutylether MTBE) in Konzentrationen von 3... 15 % sowie Alkoholgemische (Methanol 2... 3 %, höhere Alkohole). Der Bleigehalt für Benzin ist seit dem Jahr 2000 auf maximal 5 mg/I begrenzt.

Kenngrößen

Heizwert . Brennwert Der spezifische Heizwert H u (früher "unterer Heizwert") und der spezifische Brennwert Ho (früher "oberer Heizwert" oder "Verbrennungswärme") sind Größen, die den Energieinhalt von Brennstoffen kennzeichnen. Bei Kraftstoffen wie dem Benzin, in dessen Verbrennungsprodukten Wasser auftritt, hat nur der spezifische Heizwert H u ("Verbrennungswasser" dampfförmig) eine Bedeutung. Sauerstoffhaltige Kraftstoffkomponenten ("oxygenates") wie Alkohole, Ether, Fettsäuremethylester haben einen geringeren Heizwert als reine Kohlenwasserstoffe, weil der in ihnen gebundene Sauerstoff nicht an der Verbrennung teilnimmt. Um eine mit üblichen Kraftstoffen vergleichbare Leistung zu erreichen, steigt damit der Kraftstoffverbrauch. Dichte Die zulässige Dichtespanne für Kraftstoffe ist in der EN 228 auf 720 ... 775 kg/m 3 begrenzt. Super-Kraftstoffe haben wegen des i. a. höheren Aromatengehalts eine höhere Dichte als Normal-Kraftstoffe und in diesem Fall auch einen geringfügig höheren Heizwert.

29

30

Grundlagen des Ottomotors

Ottakraftstaffe

Klopffest igkeit Die Oktanzahl kennzeichnet die Klopffestigkeit eines Ottokraftstoffs. Je höher die Oktanzahl, desto klopffester ist der Kraftstoff. International gibt es zwei verschiedene Verfahren zur Bestimmung der Oktanzahl: die Research-Methode (ROZ) und die Motor-Methode (MOZ).

ROZ,MOZ ROZ (Research-Oktanzahl) nennt man die nach der Research-Methode bestimmte Oktanzahl. Sie kann als maßgeblich für das Beschleunigungsklopfen angesehen werden. MOZ (Motor-Oktanzahl) nennt man die nach der Motor-Methode bestimmte Oktanzahl. Sie beschreibt vorwiegend die Eigenschaften hinsichtlich des Hochgeschwindigkeitsklopfens.

Die Motor-Methode unterscheidet sich von der Research-Methode durch Gemischvorwärmung, höhere Drehzahl und veränderliche Zündzeitpunkteinstellung, wodurch sich eine höhere thermische Beanspruchung des zu untersuchenden Kraftstoffs ergibt. Die MOZ-Werte sind niedriger als die ROZWerte. Der Zahlenwert der Oktanzahl bis 100 gibt an, wie viel Volumenprozent iso-Oktan C8H 18 (Trimethylpentan) sich in einem Gemisch mit n-Heptan C7H 16 befindet, das in einem Prüfmotor gleiches Klopfverhalten zeigt wie der zu prüfende Kraftstoff. Dem sehr klopffesten iso-Oktan wird dabei die Oktanzahl 100 ROZ bzw. MOZ, dem sehr klopffreudigen n-Heptan die Oktanzahl 0 zugeordnet.

Kenngröße

Klopffestigkeit Super, min.

ROZ/MOZ

95/85

Nomal . min. ')

ROZ/MOZ

91182,5

Super Plus ' )

ROZ/MOZ

98/88

Dichte

kg/m>

720 ...775

Schwefel, max.

mglkg

150

Benzol, """'.

Val."*>

Blei,

mgll

m&X.

6

AOchtigkeit Dampfdruck im Sommer. m,n.lmax.

kPa

45/60

Dampfdruck im Winter, min.lmax.

kPa

60/90')

verdampfte Menge bei 70·C im Sommer, min.lmax.

Vol."*>

20/48

verdampfte Menge bei 70·C im Winter. mlnJmax.

Vol."*>

22150

verdampfte Menge bei 100'C, min.lmax.

Vol.-%

46/71

verdampfte Menge bei 150'C, min./max.

Vol.,,*>

75/-

SIedeende, max.

'C

210

VU ÜbergangszeIt ). max. ' ) Tabelle 1

' ) Nationale Werte für Deutschland, ' ) VU = Vapour Lock Index, 3) Frühjahr und Herbst.

1150 ' )

Grundlagen des Ottomotors

Erhöhen der Klopffestigkeit Normales Destillat-Benzin hat eine niedrige Klopffestigkeit. Erst durch Vermischen verschiedener klopffester Raffinerie-Komponenten entsteht ein Kraftstoff mit ausreichenden Oktanzahlen. Dabei muss ein möglichst hohes Oktanzahlniveau über den ganzen Siedebereich vorliegen. Kohlenwasserstoffe mit ringförmigen Molekülaufbau (Aromaten) und verzweigten Ketten (iso-Paraffine) sind klopffester als geradkettige Moleküle (n-Paraffine). Zusätze von sauerstoffhaltigen Komponenten (Methanol, Ethanol, Methyltertiärbutylether) wirken sich positiv auf die Oktanzahl aus, diese Alkohole erhöhen aber die Flüchtigkeit und können Materialprobleme verursachen.

rlüchtigkcit Um ein gutes Fahrverhalten zu gewährleisten, müssen die Flüchtigkeitsmerkmale von Ottokraftstoffen hohe Anforderungen erfüllen. Auf der einen Seite sollen genügend leichtflüchtige Komponenten enthalten sein, um einen sicheren Kaltstart zu gewährleisten. Auf der anderen Seite darf die Flüchtigkeit nicht so hoch sein, dass es bei höheren Temperaturen zu Heißstart - und Fahrproblemen kommt ("vapour-lock"). Außerdem sollen die Verdampfungsverluste zum Schutz der Umwelt gering gehalten werden. Zum Beschreiben der Flüchtigkeit gibt es verschiedene Kenngrößen. In der EN 228 sind 10 verschiedene Flüchtigkeitsklassen spezifiziert, die sich in Dampfdruck, Siedeverlauf und dem VLI (Vapour-Lock-Index) unterscheiden. Die einzelnen Nationen können, jeweils nach den spezifischen klimatischen Gegebenheiten, einzelne dieser Klassen in ihrer nationalen Norm übernehmen.

Siedeverlauf Für das Betriebsverhalten sind einzelne Bereiche der Siedekurve wichtig. Sie lassen sich durch den bei drei Temperaturen verdampften Anteil kennzeichnen. Das verdampfte Volumen bis 70 oe soll für leichtes Anspringen des kalten Motors groß, zur Vermeidung

Ottokraftstoffe

von Dampfblasen bei heißem Motor aber nicht zu groß sein. Der bei 100 0 e verdampfte Kraftstoffanteil bestimmt neben dem Anwärmverhalten v. a. die Betriebsbereitschaft und das Beschleunigungsverhalten des warmen Motors. Das verdampfte Volumen bis 150 oe soll nicht zu niedrig liegen, um eine Schmierölverdünnung besonders bei kaltem Motor zu vermeiden.

Dampfdruck

Der bei 38 oe (lOO°F) nach EN 13016-1 gemessene Dampfdruck von Kraftstoffen ist in erster Linie eine sicherheitstechnische Kenngröße für die Handhabung im Fahrzeugtank. Ein anderes Verfahren zur Messung des Dampfdrucks ist das nach Reid. Der Dampfdruck wird in allen Spezifikationen limitiert, er beträgt z. B. für Deutschland im Sommer maximal 60 kPa und im Winter maximal 90kPa. Für Einspritzmotoren ist aber zur Beschreibung von Fahrstörungen infolge von Gasblasen die Kenntnis des Dampfdrucks bei höheren Temperaturen (80 ... 100 Oe) wichtiger. Bestimmungsverfahren hierfür sind entwickelt; eine Normung ist in Vorbereitung. Besonders Zumischungen von Methanol zum Kraftstoff bewirken einen starken Anstieg des Dampfdrucks bei höheren Temperaturen.

Dampf-Flüssigkeits-Verhältnis Diese Kenngröße ist ein Maß für die Neigung eines Kraftstoffs zur Dampfblasenbildung. Sie ist das aus einer Kraftstoffeinheit entstandene Dampfvolumen bei definiertem Gegendruck und bei einer bestimmten Temperatur. Sinkt der Gegendruck (z. B. bei Bergfahrten) und erhöht sich die Temperatur, so steigt das Dampf-Flüssigkeits-Verhältnis, was zu vermehrten Fahrstörungen führt. In der ASTM D4814 wird z. B. ein DampfFlüssigkeits-Verhältnis als Anforderung für Ottokraftstoffe spezifiziert.

31

32

Grundlagen des Ottomotors

Ottokraltstoffe

"Vapour-Lock-Index" (VLI)

Alterungsschutz

Diese Kenngröße ist die rechnerisch ermittelte Summe des Dampfdrucks (in kPa x 10) und der siebenfachen Menge des bis zu einer Temperatur von 70°C verdampften Kraftstoffanteils (aus dem Siedeverlauf) - jeweils als absolute Beträge. Der VLI beschreibt die Eigenschaften des Kraftstoffs im Hinblick auf das Heißstart- und Heißfahrverhalten besser als konventionelle Größen. Der VLI und das Dampf-Flüssigkeits-Verhältnis zeigen für Kraftstoffe ohne Alkoholzusätze eine gute Korrelation.

Den Kraftstoffen zugesetzte Alterungsschutzmittel erhöhen die Lagerstabilität, vor allem beim Einsatz von Crack-Komponenten. Sie verhindern eine Oxidation durch Luftsauerstoff und unterbinden eine katalytische Einwirkung von Metallionen (MetalIdeaktivatoren ).

Schwcfclgchalt Schwefel setzt sich im NOx-Speicherkatalysator, der bei der Benzin-Direkteinspritzung für die katalytische Abgasnachbehandlung sorgt, in Form von Sulfaten fest und inaktiviert dadurch die katalytische Beschichtung. Die Sulfatisierung kann durch Aufheizen des Katalysators wieder rückgängig gemacht werden, was sich aber negativ auf den Kraftstoffverbrauch auswirkt. Deshalb, aber auch wegen der angestrebten Minderung des SOz-Emissionen muss der Schwefelgehalt in den zukünftigen Kraftstoffen weiter reduziert werden. Erforderlich sind Schwefelgehalte kleiner 10 ppm. Additi ve Additive (Zusätze) bestimmen neben der Zusammensetzung der Kohlenwasserstoffe (Raffinerie-Komponenten) ganz wesentlich die Qualität von Kraftstoffen. Eingesetzt werden meist Pakete aus Einzelkomponenten mit verschiedenen Wirkungen. Additive müssen in ihrer Konzentration sehr sorgfältig abgestimmt und erprobt sein und dürfen auch keine negativen Nebenwirkungen haben. Sie werden deshalb vom Kraftstoffhersteller dosiert und beigemischt. Dies geschieht markenspezifisch beim Befüllen der Tankwagen in der Raffinerie. Eine nachträgliche Zugabe von Additiven in den Fahzeugtank durch den Betreiber sollte dann unterbleiben.

Einlasssystem-Reinhaltung Die Reinhaltung des gesamten Einlasssystems (Einspritzventile, Einlassventile) ist die Voraussetzung für die Erhaltung der im Neuzustand optimierten GemischeinsteIlung und -aufbereitung und somit für einen störungsfreien Fahrbetrieb und die Schadstoffminimierung im Abgas. Aus diesem Grund sollten dem Kraftstoff wirksame Reinigungsadditive zugesetzt sein ("detergent"Additive).

Korrosionsschutz Das "Einschleppen" von Wasser kann im Kraftstoffsystem zu Korrosion führen. Ein Zusatz von Additiven für den Korrosionsschutz, die den Wasserfilm unterwandern, kann die Korrosion sehr wirksam unterbinden. Umweltfreundliche Ottokraftstoffe Umweltbehörden und Gesetzgeber fordern zunehmend strengere Auflagen für Kraftstoffe, die niedrige Verdampfungs- und Schadstoffemissionen gewährleisten ("ÖkoBenzin", "reformulated gasoline"). Hierfür werden z. B. niedrigere Werte für Dampfdruck, Aromaten-, Benzol- und Schwefelgehalt sowie für das Siedeende vorgeschrieben. Die Zugabe von Additiven zur Einlasssystem-Reinhaltung wird in den USA für diese Kraftstoffe zwingend gefordert.

Grundlagen des Ottomotors

Alternativkraftstoffe für Ottomotoren

Für den Betrieb mit alternativen Kraftstoff müssen die Fahrzeuge besonders angepasst werden. Ein Umbau auf Gasbetrieb ist bei allen Fahrzeugen mit Verbrennungsmotoren möglich. überwiegend werden hierzu Ottomotoren auf bivalenten Betrieb (wahlweise Benzin- oder Gasbetrieb) umgerüstet. Au togas Dieses auch als LPG (Liquid Petroleum Gas, Flüssiggas) bezeichnete Gemisch aus den Hauptkomponenten Propan und Butan wird in geringem Umfang auch für den Betrieb von Kraftfahrzeugen eingesetzt. Es fällt bei der Gewinnung von Rohöl sowie bei Raffinerieprozessen an und lässt sich unter Druck verflüssigen (2 ... 20 bar, abhängig vom Verhältnis Propan/Butan und der Temperatur). LPG zeichnet sich durch eine hohe Oktanzahl aus (ROZ > 100). Da Autogas ein besonders gutes Gemisch mit Luft bildet, ist die Schadstoffemission (einschließlich CO 2 und anderen Komponenten, wie polyzyklische Kohlenwasserstoffe) deutlich geringer als bei Benzinbetrieb. Zudem ist Autogas frei von Blei- und Schwefelverbindungen. Erdgas Die großen und weit weniger als Erdöl genutzten Erdgasvorräte machen Erdgas auch für den Fahrzeugbetrieb interessant. Dabei ist der Aufbau der mit Erdgas betriebenen Gasanlage nahezu identisch mit der mit Autogas betriebenen Anlage. Der Hauptbestandteil von Erdgas ist Methan (CH4 ) mit einem Anteil von 80 ... 99 %. Der Rest besteht aus Inertgasen wie Kohlendioxid, Stickstoff und anderen niederwertigen Kohlenwasserstoffen. Erdgas wird entweder als Hochdruckgas (CNG, Compressed Natural Gas) bei 160... 200 bar mit dem Nachteil der geringeren Reichweite oder in einem kältefesten Behälter als verflüssigtes Gas (LNG, Liquid Natural Gas) bei -162°C mitgeführt. Wegen des hohen Aufwands bei der Flüssigspeiche-

Ottokraftsloffe

rung wird Erdgas bei fast allen Anwendungen in komprimierter Form verwendet. Erdgasfahrzeuge zeichnen sich durch niedrige COz-Emissionen aus, bedingt durch das günstige Wasserstoff-KohlenstoffVerhältnis von nahezu 4:1 (Benzin: 2,3:1) und der daraus resultierenden Verschiebung der Hauptverbrennungsprodukte CO 2 und H 20. Abgesehen von der nahezu partikelfreien Verbrennung entstehen in Verbindung mit einem geregelten Dreiwegekatalysator nur sehr geringe Emissionen der Schadstoffe NO x, CO und NMHC ("non-methane hydrocarbon": Summe aller Kohlenwasserstoffe abzüglich Methan). Methan ist als nichttoxisch eingestuft und wird somit nicht zu den Schadstoffen gerechnet. Alkohole Als alternative Kraftstoffe für Ottomotoren können Alkohole (vor allem Methanol und Ethanol) sowie daraus abgeleitete Produkte (z. B. Ether) verwendet werden. Methanol lässt sich aus reichlich vorhandenen kohlenstoffhaltigen Rohstoffen wie Kohle, Erdgas, Schweröl usw. herstellen. Ethanol wird in einigen Ländern (z. B. Brasilien, aber auch in den USA) durch Vergären aus Biomasse (Zuckerrohr, Getreide) gewonnen und als Kraftstoff bzw. Kraftstoffzusatz eingesetzt. Da eine lückenlose Versorgung mit Methanol-Kraftstoffen nicht gewährleistet ist, müssen die Motoren und Motorsteuerungssysteme für flexiblen Mischbetrieb (von Rein-Benzin bis zur Beimischung von 85 % Methanol) ausgelegt werden. Geeignete Lambda-Sonden ermöglichen eine optimale Abgasreinigung durch den Betrieb mit Katalysator. Heizwert und andere, von herkömmlichen Kraftstoffen unterschiedliche Eigenschaften machen zum Teil spezifische Änderungen an den Fahrzeugen notwendig.

33

Steuerung des Ottomotors

34

Anforderungen

Steuerung des Ottomotors Elektronische Steuerungs- und Regelungssysteme gewinnen im modernen Kraftfahrzeug immer mehr an Bedeutung. Sie haben die mechanischen Systeme (z.B. Zündversteller ) Zug um Zug verdrängt. Erst die Elektronik ermöglicht die Einhaltung der immer schärferen Bestimmungen der Abgasgesetzgebung.

Anforderungen Ein Ziel bei der Entwicklung von Motoren für Kraftfahrzeuge ist es, bei möglichst hoher Motorleistung den Kraftstoffverbrauch und die Abgasemissionen weitgehend gering zu halten und damit die Bestimmungen der Abgasgesetzgebung zu erfüllen. Die Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs ist nur über eine Verbesserung des Motorwirkungsgrads möglich. Insbesondere im Leerlauf und in der Teillast arbeitet der herkömmliche Ottomotor mit Saugrohreinspritzung mit einem geringen Wirkungsgrad. Aber gerade in diesen Betriebsbereichen wird der Motor am häufigsten betrie-

ben. Deshalb muss der Motorwirkungsgrad speziell im Leerlauf und in der Teillast verbessert werden, ohne jedoch den bei den bisherigen Motoren schon günstigen Wirkungsgrad im oberen Lastbereich negativ zu beeinflussen. Mit der Benzin-Direkteinspritzung kann diese Forderung erfüllt werden. Eine weitere Anforderung an den Motor ist, dass er schon bei niedrigen Drehzahlen ein hohes Drehmoment bereitstellt, um das Fahrzeug in kurzer Zeit beschleunigen zu können. Das Drehmoment ist damit die zentrale Größe bei der Steuerung des Ottomotors. Drehmomente am Ottomotor

Die von einem Ottomotor abgegebene Leistung P wird durch das verfügbare Kupplungsmoment M und die Motordrehzahl n bestimmt. Das Kupplungsmoment ergibt sich aus dem durch den Verbrennungsprozess erzeugten Drehmoment, vermindert um das Reibmoment (Reibungsverluste im Motor) und die Ladungswechselverluste, sowie das zum Betrieb der Nebenaggregate benötigte Drehmoment (Bild 1).

Drehmomente am An1uebsstrang

2

Luftmasse (I'rischgas/\illung)

Momenl aus

K;,;;r8;::;fIs;:oI::;OH;,;;masse=:.:...._ _ _ _- i Motor

Vemrennung

Zündwlnkel (Zundzei1punkl)

Bild 1 1

Nebenaggregale (Generalor, Klima-

kompressor usw,) 2

MOlor

3 Ｍ ｾ＠

Kupplung ＹＮＡ＾

Ｎ ｜ｾｩｬＡ＠

3

4

Motor-

Kupplungs-

moment

moment

Steuerung des Ottomotors

Das Verbrennungsmoment wird im Arbeitstakt erzeugt und ist - bei den heute noch vorwiegend vertretenen Motoren mit Saugrohreinspritzung - durch die folgenden Größen bestimmt: • die Luftmasse, die nach dem Schließen der Einlassventile für die Verbrennung zur Verfügung steht, • die zum gleichen Zeitpunkt verfügbare Kraftstoffmasse und • der Zeitpunkt, zu dem der Zündfunke die Verbrennung des Luft-KraftstoffGemischs einleitet. In Zukunft wird der Anteil an direkteinspritzenden Ottomotoren zunehmen. Diese Motoren arbeiten in bestimmten Betriebspunkten mit Luftüberschuss (Magerbetrieb). Im Zylinder befindet sich somit Luft, die keinen Einfluss auf das erzeugte Drehmoment hat. Wesentlichen Einfluss auf das erzeugte Drehmoment hat hier die Kraftstoffmasse. Aufgaben der Motorsteuerung

Eine Aufgabe der Motorsteuerung ist, das vom Motor zu erzeugende Drehmoment einzustellen. Dazu werden in den verschiedenen Teilsystemen (Füllungssteuerung, Gemischbildung, Zündung) der Motorsteuerung alle das Drehmoment beeinflussende Größen gesteuert. Ziel dieser Steuerung ist, das vom Fahrer geforderte Drehmoment bereitzustellen und gleichzeitig die hohen Anforderungen an Abgasemission, Kraftstoffverbrauch, Leistung, Komfort und Sicherheit zu erfüllen. Diese Aufgaben können nur noch mit Elektronik gelöst werden. Damit diese Bedingungen auch im Langzeitbetrieb erfüllt werden, führt die Motorsteuerung ständig eine Diagnose durch und zeigt dem Fahrer erkannte Fehlverhalten an. Das ist eine weitere wichtige Aufgabe der Motorsteuerung. Die Diagnose ermöglicht zudem eine einfachere Wartung des Systems in der Werkstatt.

Anforderungen

'Icilsy tcm Füllllngsstcllcrllng Bei konventionellen Einspritzsystemen steuert der Fahrer durch Betätigen des Fahrpedals direkt die Öffnung der Drosselklappe. Er legt damit die vom Motor angesaugte Frischluftmenge fest. Bei den Motorsteuerungssystemen mit Elektronischem Gaspedal (EGAS) gibt der Fahrer, z. B. wenn er beschleunigen will, im Grunde genommen mit der Fahrpedalstellung einen "Drehmomentwunsch" vor. Der Fahrpedalsensor misst dazu die Stellung des Fahrpedals. Im Teilsystem "Füllungssteuerung" wird die für den vorgegebenen Drehmomentwunsch erforderliche Luftfüllung der Motorzylinder ermittelt und die elektrisch angesteuerte Drosselklappe entsprechend weit geöffnet.

Tcilsystcm Gcm ischbildung Im Teilsystem "Gemischbildung" wird im Homogenbetrieb mit definiertem LuftKraftstoff-Verhältnis I.. die der Luftfüllung zugehörende Kraftstoffmasse berechnet und daraus die erforderliche Einspritzzeit und der günstigste Einspritzzeitpunkt bestimmt. Für die Benzin-Direkteinspritzung gelten in den Magerbetriebsarten, und dazu gehört im Wesentlichen der Schichtbetrieb, andere Verhältnisse. Hier bestimmt nicht die angesaugte Luftmasse, sondern das vom Fahrer geforderte Drehmoment die einzuspritzende Kraftstoffmasse. Tcilsys\('m Zündung Im Teilsystem "Zündung" wird schließlich der Kurbelwellenwinkel ermittelt, bei dem der Zündfunke das Luft-Kraftstoff-Gemisch zeitgerecht zündet.

35

36

Steuerung des Ottomotors

Füllungssteuerung

Füllungssteuerung Aufgabe der Füllungssteuerung ist es, die Systeme, die den Gasanteil im Zylinder beeinflussen, zu koordinieren. Bestandteile der Zylinderfüllung

Das Gasgemisch, das sich nach dem Schließen der Einlassventile im Zylinder befindet, wird als Zylinderfüllung bezeichnet. Es besteht aus dem zugeführten Frischgas und dem Restgas. Um eine vom Hubraum des Motors unabhängige Größe zu erhalten, hat man den Begriff "relative Luftfüllung rl" eingeführt. Sie ist als das Verhältnis von der aktuellen Füllung zur Füllung unter Normbedingung definiert (Po = 1013 hPa, Ta = 273 K).

Bild 1 Lull· und Krallsloff· däm pfe (aus Krall· slotfve rdu nslungs·

Rtickhal'CSYSlem) 2

Reg neuervcnhl mll ... anablem VentlIÖH· nungsquersChnlt1

3

Verbmdung zum KmflstoHverduns'

'ungs·Rückhalte· sysl em 4

ruckgeluhrtes

Frischgas Bestandteile des angesaugten Frischgases sind Frischluft sowie der darin mitgeführte Kraftstoff (Bild 1). Bei der Saugrohreinspritzung ist der gesamte Kraftstoff schon vor dem Einlassventil der Frischluft beigemischt. Bei Systemen mit Direkteinspritzung hingegen wird der Kraftstoff direkt in den Brennraum eingespritzt.

Abgas

5

Abgasruckluhrventol (AG R Ven1t1 1m,l varl.blem Vcnlilöff· nungsqu elschnllt

6

Lultmassens trom

IUmgebungs· dru ck 7

I''!

Luftmassenstrom

ISaugrohrdruck rJ 8

Frlschgasfullung (Brennraum·

druck rßI

9

Restg asfullung (B rennraum ·

druck rßI 10

Abgas (Abgasgegendruck

r.J

Der wesentliche Anteil der Frischluft strömt mit dem Luftmassenstrom (6, 7) über die Drosselklappe (13) zum Zylinder. Zusätzliches Frischgas in Form von Frischluft und Kraftstoffdämpfen kann über das Kraftstoffverdunstungs-Rückhaltesystem (3) zugeführt werden. Die über die Drosselklappe zugeführte und nach dem Schließen der Einlassventile (11) im Zylinder vorhandene Luft ist für homogenen Betrieb mit "A. ｾ＠ 1 die entscheidende Größe für die während der Verbrennung am Kolben verrichtete Arbeit und damit für das vom Motor abgegebene Drehmoment. Hier entspricht die Füllung dem Drehmoment bzw. der Motorlast. Im Magerbetrieb (Schichtbetrieb) hingegen ergibt sich das Drehmoment (Motorlast) direkt aus der eingespritzten Kraftstoffmasse. Die Luftmasse kann im Magerbetrieb bei gleichem Drehmoment unterschiedlich sein . Maßnahmen zur Steigerung von maximalem Drehmoment und maximaler Leistung des Motors bedingen fast immer eine Erhöhung der maximal möglichen Füllung. Die theoretische Maximalfüllung ist durch den Hubraum vorgegeben.

ZyfinderfUllung ,m Ollomolor

Restgas Der Restgasanteil ist der Anteil der Zylinderfüllung, der schon einmal an einer Verbrennung teilgenommen hat. Man unterscheidet prinzipiell zwischen internem und externem Restgas. Internes Restgas sind Gase, die nach der Verbrennung im oberen Totraum des Zylinders bleiben oder während gleichzeitig offenen Einlass- und Auslassventilen (also während der Ventilüberschneidung) aus dem Auslasskanal in das Saugrohr zurückgesaugt werden. Externes Restgas sind Abgase, die über ein AGR-Ventil in das Saugrohr eingeleitet werden.

11 Emlassvenlll 12

Auslassvenlll

13

Drosselklapp

/(

Drosselklappen-

wi nkel

11 8 eslandleile

imBrennraum. die srch ,nert verhallen ,

d. h.an der Verbrenn ung n,chl mehr l e,lnehmen.

Steuerung des Oltomotors

Während der interne Restgasanteil im Wesentlichen durch die Ventilsteuerzeiten im Ladungswechsel (Auslass Schließt, Einlass Öffnet) gesteuert wird, wird der externe Restgasanteil durch die Öffnung des AGRVentils gesteuert.

Füllungssteuerung

DrosselkennleId eines OUomOlors - - - Zwischenstellungen der Drosselklappe

Drosselklappe voll geoHnet I

Das Restgas besteht aus Inertgas 1) und - bei Betrieb mit Luftüberschuss - aus unverbrannter Luft. Der Inertgasanteil im Restgas nimmt nicht direkt an der Verbrennung während des nächsten Arbeitstakts teil, beeinflusst jedoch die Entflammung und den Verlauf der Verbrennung. Ein gezielt eingesetzter Restgasanteil kann dadurch die Emission von Stickoxiden (NO.) reduzieren.

Leerlauf

Um ein gefordertes Drehmoment zu erreichen, muss die vom Inertgas verdrängte Frischgasfüllung über eine größere Drosselklappenöffnung ausgeglichen werden. Damit verringern sich die Pumpverluste des Motors. Ein reduzierter Kraftstoffverbrauch ist die Folge. Steuerung der Frischgasfüllung

a llgro h rci Ilspri tZlillg Das von einem Ottomotor mit Saugrohreinspritzung erzeugte Drehmoment ist proportional zur Frischgasfüllung. Die Steuerung des Drehmoments geschieht über die Drosselklappe, die den vom Motor angesaugten Luftstrom steuert. Ist die Drosselklappe nicht vollständig geöffnet, wird die vom Motor angesaugte Luft gedrosselt und damit das erzeugte Drehmoment reduziert. Diese Drosselwirkung hängt von der Stellung und damit vom Öffnungsquerschnitt der Drosselklappe ab. Das maximale Drehmoment des Motors wird bei voll geöffneter Drosselklappe erreicht. Bild 2 zeigt den prinzipiellen Zusammenhang zwischen Frischgasfüllung und Drehzahl in Abhängigkeit von der Drosselklappenöffnung.

max.

min . Drehzahl

Direkteinspritzung Bei Ottomotoren mit Direkteinspritzung gelten im homogenen Betrieb mit '/.. ｾ＠ 1 (also nicht Magerbetrieb) die gleichen Verhältnisse wie bei der Saugrohreinspritzung. Um die Drosselverluste zu verringern, wird die Drosselklappe auch im Teillastbetrieb weit geöffnet. Im Idealfall treten bei vollständig geöffneter Drosselklappe - wie im Volllastbetrieb - keine Drosselverluste auf. Um das erzeugte Drehmoment in der Teillast zu begrenzen, darf nicht die gesamte in den Zylinder einströmende Luftmasse an der Verbrennung teilnehmen. In den Magerbetriebsarten mit Luftüberschuss ('/.. > 1) bleibt ein Teil der angesaugten Luft als Restgas im Zylinder oder wird im Ausstoßtakt ausgestoßen. Deshalb ist in den Magerbetriebsarten nicht mehr die im Brennraum eingeschlossene Luftfüllung die bestimmende Größe für das Drehmoment, sondern der in den Brennraum eingespritzte Kraftstoff.

37

38

Steuerung des Ottomotors

Füllungssteuerung

Ladungswechsel

Aufladung

Der Austausch der verbrauchten Zylinderladung (Abgas) gegen Frischgas geschieht durch ein zeitlich abgestimmtes Öffnen und Schließen der Einlass- und Auslassventile. Die Nocken der Nockenwelle bestimmen die Zeitpunkte des öffnens und Schließens der Ventile (Ventilsteuerzeiten) sowie den Verlauf der Ventilerhebung. Dadurch wird der Ladungswechselvorgang und somit auch die für die Verbrennung verfügbare Frischgasmenge beeinflusst. Die Ventilüberschneidung, d. h. die überlappung der Öffnungszeiten von Ein- und Auslassventilen, hat entscheidenden Einfluss auf die im Zylinder verbleibende Restgasmasse. Damit ist auch der Inertgasanteil der Zylinderfüllung für das nächste Arbeitsspiel festgelegt. In diesem Fall spricht man von "innerer" Abgasrückführung. Die Inertgasmasse in der Zylinderfüllung kann durch eine "äußere" Abgasrückführung vergrößert werden. Ein Abgasrückführventil verbindet Saugrohr und Abgasrohr. Die Steuerung dieses Ventils kann damit betriebspunktabhängig den Inertgasanteil in der Zylinderfüllung einstellen.

Das bei homogener Gemischverteilung mit Aｾ＠ 1 erreichbare Drehmoment ist proportional zur Frischgasfüllung. Daher kann das maximale Drehmoment gesteigert werden, indem die Luft vor Eintritt in den Zylinder verdichtet wird (Aufladung). Mit der Aufladung kann der Liefergrad aufWerte größer 1 erhöht werden.

Liefergrad

Während beim Luftdurchsatz (Luftaufwand) die gesamte während eines Arbeitsspiels durchgesetzte Ladung auf die durch das Hubvolumen vorgegebene theoretische Ladung bezogen wird, betrachtet man beim Liefergrad lediglich die im Zylinder tatsächlich verbliebene Frischgasladung. Angesaugtes Frischgas, das während der Ventilüberschneidung direkt in den Auslass strömt und der Verbrennung nicht zur Verfügung steht, bleibt unberücksichtigt. Für Saugmotoren beträgt der Liefergrad 0,6 ... 0,9. Er hängt von der Saugrohrgestaltung, der Brennraumform, den Öffnungsquerschnitten der Gaswechselventile und den Ventilsteuerzeiten ab.

Dynami che Aufladung Eine Aufladung kann schon allein durch Nutzung dynamischer Effekte im Saugrohr erzielt werden. Der Aufladungsgrad hängt von der Gestaltung des Saugrohrs sowie vom Betriebspunkt ab (im Wesentlichen von der Drehzahl, aber auch von der Füllung). Mit der Möglichkeit, die Saugrohrgeometrie während des Fahrbetriebs zu ändern (variable Saugrohrgeometrie), kann die dynamische Aufladung in einem weiten Betriebsbereich für eine Erhöhung der maximalen Füllung sorgen. Mechani che Aufladung Eine weitere Erhöhung der Luftdichte erzielen mechanisch angetriebene Verdichter, die von der Kurbelwelle des Motors angetrieben werden. Die komprimierte Luft wird über das Saugrohr in die Zylinder gepumpt. Abgasturboaufladung Im Unterschied zur mechanischen Aufladung wird der Verdichter des Abgasturboladers nicht von der Kurbelwelle angetrieben, sondern von einer Abgasturbine, die im Abgasstrang sitzt. Dadurch wird ein Teil der im Abgas enthaltenen Energie zurückgewonnen.

Steuerung des Ottomotors

Gemischbildung In diesem Teilsystem wird die zur angesaugten Luft passende Kraftstoffmasse berechnet. Der Kraftstoff wird über die Einspritzventile zugemessen.

Luft- Kraftstoff-Gemisch Der Ottomotor benötigt ein bestimmtes Luft -Kraftstoff-Verhältnis. Die ideale, theoretisch vollständige Verbrennung liegt bei einem Massenverhältnis von 14,7:1 vor. Dies wird auch als stöchiometrisches Verhältnis bezeichnet. Das heißt: zur Verbrennung von 1 kg Kraftstoffmasse werden 14,7 kg Luftmasse benötigt. Oder als Volumen ausgedrückt: 1 I Kraftstoff verbrennt vollständig mit ungefähr 9500 I Luft. Luftz.1hl . 1. Zur Kennzeichnung dafür, wie weit das tatsächlich vorhandene Luft -KraftstoffGemisch vom theoretisch notwendigen Massenverhältnis (14,7:1) abweicht, hat man die Luftzahl..1. eingeführt. Die Luftzahl gibt das Verhältnis von zugeführter Luftmasse zum Luftbedarf bei stöchiometrischer Verbrennung an. . 1. = 1: Die zugeführte Luftmasse entspricht der theoretisch erforderlichen Luftmasse. . 1. < 1: Es herrscht Luftmangel und damit fettes Gemisch. Eine Anreicherung mit Kraftstoff ist bei kaltem Motor erforderlich, um den an kalten Saugrohr- (bei Saugrohreinspritzung) und Zylinderwänden kondensierten Kraftstoff, der nicht verbrennt, zu kompensieren. . 1. > 1: Es herrscht Luftüberschuss und damit mageres Gemisch. Der erreichbare Maximalwert für die Luftzahl..1., die "Magerlaufgrenze", ist sehr stark von der Konstruktion des Motors und vom verwendeten Gemischautbereitungssystem abhängig. An der Magerlaufgrenze ist das Gemisch nicht mehr

Gemischbildung

zündwillig. Es treten Verbrennungsaussetzer auf. Die Laufunruhe des Motors und der Kraftstoffverbrauch nehmen stark zu, die Leistung nimmt ab. Bei Motoren mit Einspritzung direkt in den Brennraum herrschen andere Verbrennungsverhältnisse, sodass diese mit wesentlich höheren Luftzahlen betrieben werden können. Betriebsarten Homogen (..1. ｾ＠ 1): Bei Motoren mit Saugrohreinspritzung wird das Luft-KraftstoffGemisch im Ansaugtakt durch das offene Einlassventil angesaugt. Daraus ergibt sich eine weitgehend homogene Gemischverteilung im Brennraum. Auch mit der Benzin-Direkteinspritzung ist diese Betriebsart möglich. Der Kraftstoff wird während des Ansaugtakts eingespritzt. Homogen-Mager (..1. > 1): Das Luft-Kraftstoff-Gemisch liegt homogen verteilt mit definiertem Luftüberschuss im Brennraum vor. Schicht: Diese und die folgenden Betriebsarten sind nur bei der Benzin-Direkteinspritzung möglich. Der Kraftstoff wird erst kurz vor dem Zündzeitpunkt eingespritzt. Er liegt als Gemischwolke im Bereich um die Zündkerze vor. Homogen-Schicht: Zusätzlich zur Schichtladung befindet sich im gesamten Brennraum ein homogenes, mageres Gemisch. Diese Gemischverteilung wird durch eine Doppeleinspritzung erreicht. Homogen-Klopfschutz: Ebenfalls durch Doppeleinspritzungen wird eine Gemischverteilung erreicht, die klopfende Verbrennungen weitgehend verhindert. Schicht-Katheizen: Zusätzliche spät angesteuerte Einspritzungen sorgen für ein schnelles Aufheizen des Katalysators.

39

40

Steuerung des Ottomotors

Gemischbildung

Einfluss der Luflzahl i. auf die Schadstoll-

Einfluss der Luflzahl i. aul die LeiSlUng P

zusammensetzu ng Im Roha bgas

und den spezifische n Kraftstoffverbrauch be

bel homogener Gemischverteilung

bel homogener Gemischverteilung

ｾ＠ ｾ＠

co g I!!

-e

ｾ＠ ｾ＠

I!! :.::

ｾ＠

c

a b

Felles Gemisch (LufImangei) mageres G emisch (Luflüberschu ss)

ｾ＠

ｾ＠

ｾ￶＠

äiz

0.: . 1). Da in dieser Betriebsart nicht der gesamte Brennraum mit einem brennfähigen Gemisch gefüllt ist, sind auch das Drehmoment und die abgegebene Leistung verringert. Für maximale Leistung muss wie bei der Saugrohreinspritzung im gesamten Brennraum ein homogenes Gemisch vorliegen. Abhängig vom Brennverfahren und der Gemischverteilung im Brennraum entstehen im Magerbetrieb NOx-Emissionen, die nicht vom Dreiwegekatalysator reduziert werden können. Sie erfordern zusätzliche Maßnahmen zur Abgasreinigung mit einem NOx-Speicherkatalysator.

Steuerung des Ottomotors

Motor-Betriebszustände

Bei einigen Betriebszuständen weicht der Kraftstoffbedarf stark vom stationären Bedarf des betriebswarmen Motors ab, sodass korrigierende Eingriffe in die Gemischbildung erforderlich sind. und Warm lauf Beim Kaltstart verarmt das angesaugte LuftKraftstoff-Gemisch, es magert ab. Dies ist auf ungenügende Durchmischung der angesaugten Luft mit dem Kraftstoff, auf geringe Verdampfungsneigung des Kraftstoffs und auf starke Wandbenetzung (Kondensation des Kraftstoffs) an den noch kalten Saugrohr- (nur bei Saugrohreinspritzung) und Zylinderwänden zurückzuführen. Um dies auszugleichen und das "Anspringen" des kalten Motors zu erleichtern, muss im Augenblick des Starts zusätzlich Kraftstoff zugeführt werden. Solange der Motor seine Betriebstemperatur noch nicht erreicht hat, ist auch nach dem Startvorgang eine Anreicherung des Gemischs erforderlich. Das gilt auch für die Benzin-Direkteinspritzung. Der Magerbetrieb mit Schichtladung ist, je nach Auslegung von Motor und Brennverfahren, erst bei betriebswarmem Motor möglich. ｾｴＮｈ＠

Leerlauf und Teillast Übliche Motoren mit Saugrohreinspritzung werden nach Erreichen der Betriebstemperatur im Leerlauf und in der Teillast ausschließlich mit stöchiometrischem Gemisch betrieben. Dagegen ist es das Ziel bei Motoren mit Benzin-Direkteinspritzung, den Motor möglichst oft mit Schichtladung zu betreiben. Das ist im Leerlauf und in der Teillast möglich. In diesen Betriebszuständen steckt das größte Einsparpotenzial; durch den Magerbetrieb kann hier bis zu 40 % Kraftstoff eingespart werden. VolIJast Für diesen Betriebszustand sind die Verhältnisse bei Saugrohr- und Benzin-Direkteinspritzung im Wesentlichen gleich. Bei vollständig geöffneter Drosselklappe kann

Gemischbildung

eine Anreicherung des Gemischs erforderlich sein. Wie aus Bild 1 hervorgeht, lässt sich dadurch das größtmögliche Drehmoment bzw. die größtmögliche Leistung erzielen. Bt.,.'!\chl4..'ulligung lind VL'r!'llg4,.·rullg Die Verdampfungsneigung des Kraftstoffs hängt bei der Saugrohreinspritzung stark von dem im Saugrohr herrschenden Druck ab. Im Bereich der Einlassventile entsteht dadurch an den Saugrohrwänden ein Kraftstofffllm (Wandfllm). Schnelle Änderungen des Saugrohrdrucks, wie sie bei schnellen Änderungen der Drosselklappenöffnung auftreten, führen daher dazu, dass sich der Wandfllm verändert. Bei einer starken Beschleunigung steigt der Saugrohrdruck an, die Verdampfungsneigung des Kraftstoffs wird schlechter und der Wandfilm damit dicker. Da sich also ein Teil des eingespritzten Kraftstoffs als Wandfllm niederschlägt, magert der Motor kurzzeitig ab, bis der Wandfilm wieder stabil ist. Eine schnelle Verzögerung führt in analoger Weise zur Anfettung des Motors, da wegen des abnehmenden Saugrohrdrucks der Wandfilm abgebaut und von den Zylindern abgesaugt wird. Eine temperaturabhängige Korrekturfunktion ("übergangskompensation") korrigiert das Gemisch, um bestmögliches Fahrverhalten zu erhalten und das für den Katalysator notwendige konstante LuftKraftstoff-Verhältnis zu garantieren. Zusätzliche Wandfllmeffekte treten an den Zylinderwänden auf. Bei betriebswarmem Motor sind diese jedoch sehr gering. Deshalb spielen Wandfilmeffekte bei der Benzin-Direkteinspritzung bei betriebswarmem Motor keine Rolle.

Schiebebetrieb Im Schiebebetrieb wird die Kraftstoffzumessung unterbrochen (Schubabschalten). Das spart Kraftstoff beim Bergabfahren, schützt aber auch vor allem den Katalysator vor Überhitzung durch schlechte und unvollständige Verbrennungen.

41

42

Steuerung des Ottomotors

Zündung

Zündung Aufgabe der Zündung ist es, das verdichtete Luft-Kraftstoff-Gemisch im richtigen Zündzeitpunkt zu entzünden und so seine Verbrennung einzuleiten. Zündanlage

Im Ottomotor entflammt das Luft-Kraftstoff-Gemisch durch einen Zündfunken zwischen den Elektroden der Zündkerze. Die bei Ottomotoren vorwiegend eingesetzten induktiven Zündanlagen speichern die für den Zündfunken erforderliche elektrische Energie in der Zündspule. Diese Energie bestimmt die Zeitdauer, während der die stromdurchflossene Zündspule aufgeladen werden muss (Schließwinkel). Das Unterbrechen des Spulenstroms zu einem definierten Kurbelwellenwinkel (Zündwinkel) führt zum Zündfunken und damit zur Zündung des Luft -Kraftstoff-Gemischs. Bei den aktuellen Zündsystemen werden die Vorgänge, die zum Zünden des Gemischs führen, elektronisch gesteuert. Zündzeitpunkt

Zündzeitpunktverstellung Nach der Zündung vergehen ungefähr zwei Millisekunden, bis das Luft -KraftstoffGemisch vollständig verbrennt. Der Zünd-

ZOndwinkelkennfeld als Funktoon von Motordrehzahl 11 und ,elame, Luftfüllung rl

IZiJndwmkel

l

o

I*

zeitpunkt muss so gewählt werden, dass der Verbrennungsschwerpunkt und damit die Druckspitze im Zylinder kurz nach dem oberen Totpunkt liegt. Deshalb muss der Zündwinkel mit steigender Drehzahl nach früh verstellt werden. Ein weiterer Einfluss auf den Verbrennungsverlaufhat die Zylinderfüllung. Die Flammenfront breitet sich bei geringer Zylinderfüllung langsamer aus. Deshalb muss der Zündwinkel bei geringer Zylinderfüllung nach früh verstellt werden. Einfluss des Zündwinkels Der Zündwinkel hat entscheidenden Einfluss auf den Motorbetrieb. Er bestimmt • das abgegebene Drehmoment, • die Abgasemissionen und • den Kraftstoffverbrauch. Der Zündwinkel wird so vorgegeben, dass alle Anforderungen möglichst gut erfüllt werden. Im Betrieb darf es aber nicht zu anhaltendem Motorklopfen kommen. Grundanpassung des Zündwinkcls Bei elektronisch gesteuerten Zündsystemen berücksichtigt das Zündwinkelkennfeld (Bild 1) den Einfluss von Drehzahl und Zylinderfüllung auf den Zündwinkel. Dieses Kennfeld ist im Datenspeicher der Motorsteuerung gespeichert. Es bildet die Grundanpassung des Zündwinkels. Auf den beiden Achsen ist die Drehzahl und die relative Luftfüllung aufgetragen. Eine bestimmte Anzahl von Werten, typischerweise jeweils 16, bilden die Stützstellen des Kennfelds. Für jeweils ein Wertepaar ist ein Zündwinkel abgelegt. Das Kennfeld enthält somit 256 einstellbare Zündwinkelwerte. Durch lineare Interpolation zwischen zwei Stützstellen erhöht sich die Anzahl der Zündwinkelwerte auf 4096. Die elektronische Steuerung des Zündwinkels über Kennfelder ermöglicht es, in jedem Betriebspunkt des Motors den bestmöglichen Zündwinkel vorzugeben. Diese Kennfelder werden auf dem Motorenprüfstand ermittelt.

Steuerung des Ottomotors

Additivc Zünd\\'inkclkorrcktun:n Ein mageres Gemisch ist weniger zündwillig, sodass mehr Zeit vergeht, bis der Verbrennungsschwerpunkt erreicht ist. Deshalb muss ein mageres Gemisch früher gezündet werden. Das Luft -Kraftstoff-Verhältnis A hat deshalb Einfluss auf den Zündwinkel. Die Kühlmitteltemperatur hat einen weiteren Einfluss auf die Wahl des Zündwinkels. Deshalb müssen temperaturabhängige Zündwinkelkorrekturen vorgenommen werden. Diese Zündwinkelkorrekturen sind als Festwerte oder als Kennlinien (z. B. temperaturabhängige Korrektur) im Datenspeicher abgelegt. Sie verschieben den Grundzündwinkel um den vorgegebenen Betrag. Die Zündwinkelkorrektur kann eine Früh- oder auch eine Spätverstellung sein.

Gesonderte Zündwinkel Bestimmte Betriebszustände, z. B. Leerlauf oder Schubabschalten, erfordern vom Zündwinkelkennfeld abweichende Zündwinkel. Hierzu sind im Datenspeicher gesonderte Zündwinkel-Kennlinien abgelegt, auf die zugegriffen wird. Klopfrcgelung Klopfen ist ein Phänomen, das sich bei einem zu frühen Zündzeitpunkt einstellt. Hierbei kommt es nach Einsetzen der regulären Verbrennung aufgrund des hohen Druckanstiegs im Brennraum zur Selbstentzündung des noch nicht von der Flammenfront erfassten unverbrannten Restgemischs (Endgas). Die nachfolgende schlagartig ablaufende Verbrennung des Endgases führt lokal zu einem starken Druckanstieg. Die dadurch erzeugte Druckwelle breitet sich aus, trifft auf die Zylinderwände und ist somit als klopfende Verbrennung zumindest bei niedrigen Drehzahlen und geringem Motorgeräusch auch hörbar. Bei höheren Drehzahlen überdecken die Motorgeräusche das Motorklopfen.

Zündung

Bei länger andauerndem Klopfen können die Druckwellen und die erhöhte thermische Belastung mechanische Schäden am Motor verursachen. Um dies bei den heute hoch verdichteten Motoren, sowohl bei Saugrohrals auch bei Benzin-Direkteinspritzung, sicher zu vermeiden, gehört die Klopfregelung zum Standardumfang einer Motorsteuerung. Hierbei führen von Klopfsensoren erkannte Ansätze für klopfende Verbrennungen nur am betreffenden Zylinder zu einer Spätverstellung des Zündzeitpunkts. Um den höchstmöglichen Motorwirkungsgrad zu erzielen, kann deshalb die Grundanpassung des Zündwinkels (Zündwinkelkennfeld) direkt an die Klopfgrenze gelegt werden. Bei Motoren mit Benzin-Direkteinspritzung treten klopfende Verbrennungen nur im Homogenbetrieb auf. Im Schichtbetrieb neigt der Motor nicht zum Klopfen, da sich bei der Schichtladung in den Randzonen des Brennraums kein brennfähiges Gemisch befindet.

Schließwinkel Die in der Zündspule gespeicherte Energie hängt von der Einschaltdauer der Zündspule ab. Die Zeit, die zum Aufbau der erforderlichen Zündenergie in der Zündspule nötig ist, muss genau eingehalten werden, um die Zündspule thermisch nicht zu überlasten. Der Schließwinkel, der sich auf die Kurbelwelle bezieht, ist deshalb drehzahlabhängig. Der Zündspulenstrom hängt von der Batteriespannung ab. Deshalb muss bei der Berechnung des Schließwinkels auch die Batteriespannung berücksichtigt werden. Die Werte für den Schließwinkel sind in einem Kennfeld gespeichert, auf dessen Achsen die Batteriespannung und die Drehzahl aufgetragen sind.

43

44

Entwicklungsgeschichte Ottomotor-Steuerungssysteme

Übersicht

Entwicklu ngsgesch ichte Ottomotor-Steuerungssysteme Das Funktionsprinzip des Ottomotors hat sich seit dem ersten Einsatz in einem Kraftfahrzeug vor mehr als 100 Jahren nicht wesentlich geändert. Trotzdem hat ein moderner Ottomotor mit seinen Vorfahren nicht mehr viel gemeinsam_ Die Motortechnik hat sich ständig weiterentwickelt_ Die Motoren wurden immer leistungsstärker und in den letzten drei Jahrzehnten auch immer schadstoffarmer, aber auch sparsamer im Kraftstoffverbrauch_ Einen wesentlichen Beitrag zu dieser Entwicklung hat die Umstellung der mechanischen auf die elektronische Motorsteuerung geleistet.

Beispiele für Sieuergeräle

a

b

Übersicht Bi ld 1 a

Motorsteuerung mit

elektronischem

Elnspn tzsystem LH3.2-Jelronic und

b

Eleklronlschem Zündsyslem

Die Tabelle 1 gibt eine übersicht über die Entwicklungsgeschichte der wichtigsten bei Bosch entwickelten Steuerungssysteme für Ottomotoren. Bild 1 zeigt, wie sich die Steuergeräte im Laufe der Zeit durch Fortschritte in der Mikroelektronik weiterentwickelt haben.

EZI29K aus dem

C

Jahr 1992, lewells mIt 8 -BII-Mikrocontrollern C

Entwicklung von Steuerungssystemen von Bosch filr Ottomotoren (Beispiele)

MOlronic M4A aus

dem Jahr 1995 mll 8-Bit-Mrkroconlroller: Integration der Funktionalitäl von

1965

Transistorzündung TZ

1961

D-Jetronic (Elektronisches Einspril2System, saugrohrdruckgesteuert)

1973

K-Jetronic (mechanisch'hydraulisches Einspril2System)

1973

l -Jetronic (Elektronisches Einspritzsystem mit Luftmengenmessung)

1979

M-Motronic (Erstes Motormanagementsystem für Einspritzung und Zündung)

1981

LH-Jetronic (Elektronisches Einspritzsystem mit Luftmassenmessung)

1982

KE-Jetronic (K·Jetronic mit elektronisch gesteuerten Zusatzfunktionen)

LH und EZ ,n eInem Steuergerät

sOWie

zusäl zlochem FunkIlonsumfang

Iz.B .

On-Board · Dla9 nose O BD) d

Molronoc ME9 aus dem Jahr 2002 mit 32 -B,t -Mlkro'

1982

Elektronisches Zündsystem EZ

1982

Klopfregelung

1986

Elektronische Motorieistungssteuerung EMS (Elektronisches Gaspedal)

wesentlich größerem

1987

Mono-Jetronic (ZentraJeinspril2Syslem)

Funktionsumfang

1989

Mono-Motronic (Zentraleinspritzung und Zündung)

1994

ME·Motronic (Motronic mit integriertem Elektronischem Gaspedal, EGAS)

controller: gertngere Baugröße Im Vergleich zur M4.4 trotz

(u. a.Elektron,sehe. Gaspedal EGAS)

2000 Tabelle t

MED-Motronic (Motronic fOr BenzinDirekteins ritzung)

d

ｾ＠

Sem

i

:> ｾ＠

Entwicklungsgeschichte Ottomotor-Steuerungssysteme

Mechanische Systeme Bis Ende der 1960er-Jahre wurde der Ottomotor rein mechanisch gesteuert. Es gab im Wesentlichen nur zwei Parameter, die eingestellt werden konnten: die Kraftstoffmenge und der Zündwinkel. Einspritzung

Benzin-Einspritzanlagen konnten sich zunächst nicht gegen das einfacher zu beherrschende Vergaserprinzip durchsetzen. Mit dem Vergaser wird - gesteuert über das Fahrpedal- die zu verdampfende Kraftstoffmenge passend zur angesaugten Luft vorgegeben. Die mechanische Steuerung des Vergasers lässt allerdings keine exakte Kraftstoffzumessung, wie sie heute gefordert ist, zu. Das verhalf der Einspritzung zum Durchbruch.

45

Mechanische Systeme

K-Jctronic Dieses mechanisch-hydraulische Einspritzsystem spritzt für jeden Zylinder getrennt (Einzeleinspritzanlage, Mehrpunkteinspritzung, Multi Point Injection) den Kraftstoff kontinuierlich über Einspritzventile in das Saugrohr ein. Die Einspritzmenge wird durch den Druck am Einspritzventil bestimmt. Die Kraftstoffzumessung geschieht bei der K-Jetronic rein mechanisch. Der Luftmengenmesser erfasst den vom Motor angesaugten Luftvolumenstrom und wirkt direkt auf den Steuerkolben im Mengenteiler, der den Druck und damit die zugemessene Kraftstoffmenge beeinflusst. Weitere Größen, die einen Einfluss auf die Einspritzmenge haben, können mit einbezogen werden (z. B. Temperatur). Der Vorteil dieses mechanischen Einspritzsystems lag im Kostenvorteil gegenüber den damals schon eingesetzten elektronischen Einspritzsystemen.

Komponenten der K-Jetronic

Bild 2 1 Krahstoffspeicher

2 Eleklrokraflsloffpumpe

3 Kraftslotffiller 4 Warmlaufregler

5 Gemischregler mit Luftmengenmesser

und Kraftsloffmengenteller

i ::I'

ｾ＠

::>

6 Kaltstartventil 7 Thermozeilschalter B Einspritzvenlile

9 Zusalzluhschieber 10 elektronisches Steuerrelais

46

Entwicklungsgeschichte Ottomotor-Steuerungssysteme

Zündung

( Z) Bei der Spulenzündung wird die für den Funkenüberschlag an der Zündkerze benötigte Zündenergie in einer Zündspule gespeichert_ Die hohe Zündspannung entsteht durch Hochtransformieren der beim Abschalten des Spulenstroms entstehenden Induktionsspannung (mechanischer Unterbrecherkontaktl_ Die Zündspannung wird im Zündverteiler auf die einzelnen Zündkerzen verteilt. Der Fliehkraftversteller mit Unterdruckdose sowie der Unterbrecherkontakt sind die Steuerungskomponenten der Spulenzündung. Mit ihnen lässt sich der Zündzeitpunkt drehzahl- und lastabhängig festlegen. Dieses Zündsystem wurde 1934 zum erstem Mal in Serie eingesetzt. Es setzte sich in den folgenden Jahren rasch gegenüber dem bis dahin für die Hochspannungserzeugung verwendeten Magnetzünder durch. ｰｬ｣ｊＱｩｾￜ､ｴｧ＠

Tran iSlorzündung Das erste elektronische Bauteil, das in der Motorsteuerung eingesetzt wurde, ist der Transistor. Er hat den verschleißbehafteten Unterbrecherkontakt ersetzen können. Damit konnte der Einfluss des Kontaktbrands auf den Zündwinkel ausgeschaltet werden. Die Transistorzündung wurde 1965 eingeführt. Die mechanische Steuerung des Zündwinkels und Schließwinkels blieb aber für die nächsten Jahre noch weiter bestehen.

Mechanische Systeme/Elektronische Systeme

Elektronische Systeme Die Elektronik wurde Zug um Zug zur Steuerung von Einspritzung und Zündung eingeführt. Mittlerweile gibt es keine Systeme mehr, die durch Mechanik gesteuert werden. Einspritzung

D-Jetro nic Die D-Jetronic ist ein elektronisch gesteuertes Einzeleinspritzsystem mit intermittierender Einspritzung. Der Kraftstoffdruck an den elektromagnetischen Einspritzventilen ist konstant, die Einspritzmenge ist durch die Länge der Einspritzimpulse bestimmt. Diese Einspritzzeit ergibt sich aus der Drehzahl und dem Gegendruck im Saugrohr. Die Drehzahlinformation erhält die D-Jetronic von zwei im Zündverteiler untergebrachten, um 1800 versetzten, wartungsfreien Unterbrecherkontakten. Der Saugrohrdrucksensor liefert die Information für die Motorlast. Die Motor- und Lufttemperatur werden von Temperatursensoren erfasst und korrigieren die von Last und Drehzahl bestimmte Grundeinspritzzeit. Die D-Jetronic ist mit analogen elektronischen Bauelementen aufgebaut. L-Jetronic Im Gegensatz zur D-Jetronic ergibt sich bei der L-Jetronic die Einspritzzeit aus der Drehzahl und der angesaugten Luftmenge. Hierzu befindet sich hinter der Drosselklappe ein Luftmengenmesser, der abhängig vom Volumenstrom ein elektrisches Signal an das Steuergerät abgibt. Die Messung der Luftmenge berücksichtigt alle motorischen Änderungen (z. B. Verschleiß, Ablagerungen im Brennraum) und ermöglicht deshalb gegenüber der Saugrohrdruckmessung in der D-Jetronic eine genauere Gemischzusammensetzung. Die Drehzahlinformation erhält die L-Jetronic bei kontaktgesteuerten Zündanlagen vom Unterbrecherkontakt des Zündverteilers, bei kontaktlos gesteuerten Zündanlagen von Klemme 1 der Zündspule.

Entwicklungsgeschichte Ottomotor-Steuerungssysteme

Die L-Jetronic ist in Analogtechnik aufgebaut. Die weiterentwickelte L3-Jetronic ermöglicht Datenverarbeitung in Digitaltechnik. Damit sind zusätzliche Funktionen mit besseren Anpassungsmöglichkeiten darstellbar. KE- Jetro n ic Die KE-Jetronic baut auf der bewährten K-Jetronic auf, die um ein elektronisches Steuergerät, einen Systemdruckregler und einen elektrohydraulischen Drucksteller für die Steuerung der Gemischzusammensetzung erweitert wurde. Mit der elektroni-

47

Elektronische Systeme

schen Beeinflussung der Kraftstoffzumessung ist eine bessere Anpassung der Gemischaufbereitung an die äußeren Bedingungen und an den Betriebszustand möglich. LH-/etro nic Die LH-Jetronic unterscheidet sich von der L-Jetronic im Wesentlichen durch die Art der Lasterfassung. Statt der Luftmenge erfasst die LH-Jetronic die Luftmasse. Damit ist der Messwert unabhängig von der Luftdichte, die von Temperatur und Druck abhängt.

Komponenten der L-Jetronic

Bild 3 1

Luftmengenmesser

2 S teuergerät

3 K rallstolflilter 4 Elekt rokraftstolf·

10

pumpe 5 K raftstotfdruckregler 6 Zu satzluftschieber

7 Thermozeitschaller

B Temper-alursensor

9 Drosselklappen· schalter 10 Kaltstartvenlil 11 Einsprilzventile

48

Entwicklungsgeschichte Ottomotor-Steuerungssysteme

Elektronische Systeme

Mono-Jetronic Die Mono-Jetronic ist ein Zentraleinspritzsystem, mit dem der Kraftstoff an zentraler Stelle von nur einem einzigen elektromagnetischen Einspritzventil eingespritzt wird (Zentraleinspritzanlage, Einzelpunkteinspritzung, Single Point Injection). Dieses gegenüber Einzeleinspritzanlagen preisgünstigere Einspritzsystem führte zur Einführung der elektronischen Benzineinspritzung auch in Mittelklasse- und Kleinfahrzeugen.

Die elektronischen Zündsysteme werden in Verbindung mit elektronischen Einspritzsystemen eingesetzt. Für Neuanläufe kamen diese Systeme bis 1998 zum Einsatz, mittlerweile ist die Zündung zusammen mit der Einspritzung in der Motronic integriert.

Zündung Die mechanische Zündwinkelverstellung konnte erst mit der Einführung des Mikrocontrollers im Kraftfahrzeug durch eine elektronische Verstellung ersetzt werden. Der last- und drehzahlabhängige Zündwinkel ist in einem Kennfeld im Programmund Datenspeicher des Zündungssteuergeräts dauerhaft abgelegt. Der Zündwinkel ist somit langzeitstabil und kann nicht durch Verschleißteile beeinflusst werden.

Elektronische Zündung (EZ) Das elektronische Zündsystem EZ steuert die Zündungsendstufe an, die Schließ- und Zündwinkel sind in Kennfeldern gespeichert (Kennfeldzündung). Zusätzliche Einflüsse, z. B. durch die Motor- oder Ansauglufttemperatur, können bei der Zündwinkelberechnung korrigierend berücksichtigt werden. Vollclcktronische Zü ndung (VZ) Bei der vollelektronischen Zündung entfällt der mechanische Hochspannungsverteiler, die Spannungsverteilung geschieht elektronisch im Zündungssteuergerät. Die Hochspannung wird in mehreren Zündspulen erzeugt.

Übersicht der Motorsteuerungssysteme

Systembezeichnung

o

Jetronlc

L

Art der Einspritzung simultan (sequentiell bei LH 4.1)

MONO

zentral

K

kontinuierlich

KE KE MONO

Motron ic

kontinuierlich mit elektronischer Anpassung zentral

Saugrohrdruck Luftmengel Luftmasse Drosselklappenstellungl Drehzahl Luftmenge Luftmenge Luftmenge Drosselklappenstellungl Drehzahl Luftmenge

ML

M

Hauptsteuergröße

simullanlsequentiell

MP

Luftmenge/ Luftmasse Saugrohrdruck

Bild4 D.ese Grafik gibl einen Uberbllck Ober d.e Motorsteuerungssysteme,

wie sie von Boseh im

Laufe der Entwicklung eingesetzt wurden.

Luftmasse

ME sequentiell MED

Luftmasse

Entwicklungsgeschichte Ottomotor-Steuerungssysteme

Motormanagement Motronic-System Die elektronische Benzineinspritzung und die elektronische Zündung ermöglichten die Entwicklung von Motoren, die zum einen leistungsfähiger wurden und zum anderen festgelegte Abgasgrenzwerte einhalten konnten. Die steigende Integrationsdichte bei den elektronischen Bauteilen führte zu immer leistungsfähigeren Mikrocontrollern und Halbleiterspeichern mit deutlich höherer Speicherkapazität. So konnten die Aufgaben der elektronischen Benzineinspritzung und der elektronischen Kennfeldzündung einem einzigen Mikrocontroller übertragen werden. Damit war es möglich, beide Systeme - elektronische Einspritzung und Zündung - in einem Steuergerät zusammenzufassen. So entstand die Motronic. M-Motronic

Die M-Motronic wurde bereits 1979 in Serie eingeführt. Sie integrierte die Funktionalität des Einzeleinspritzsystems Jetronic mit einer elektronischen Kennfeldzündung. Damit war es möglich geworden, die Kraftstoffzumessung und die Zündungssteuerung bestmöglich aufeinander anzupassen. Mit dem rasanten Fortschritt in der Halbleitertechnik wurde die Rechenleistung der Microcontroller immer höher und die Speicherkapazität der Programm- und Datenspeicher immer größer. So konnten mehr und mehr Funktionen, wie z. B. Klopfregelung oder Ladedruckregelung für den Abgasturbolader, in die Motronic integriert werden. Funktionen wie z. B. Abgasrückführung oder Tankentlüftung, welche die Abgas- und Verdunstungsemissionen reduzieren, wurden durch die Vorgaben der Abgasgesetzgebung unumgänglich. Somit hat sich dieses elektronische Steuerungsund Regelungssystem zu einem komplexen Motormanagementsystem entwickelt.

Motormanagement Motronic-System

KE-Motronic

Der Einsatz der M -Motronic war anfangs aufgrund der noch sehr teuren Elektronik und Komponenten für die Einspritzung nur in Oberklassefahrzeugen möglich. Die Forderung nach Einhaltung von Abgasgrenzwerten führte zur Entwicklung von einfacheren Motronic-Systemen, die auch in Mittelklassefahrzeugen und Kleinwagen eingesetzt werden konnten. Mit der KE-Motronic wurde das zur damaligen Zeit bewährte mechanisch-elektronische Einspritzsystem KE-Jetronic mit einer elektronischen Kennfeldzündung in einem Steuergerät kombiniert. Mono-Motronic

Die Vereinfachung der Mono-Motronic gegenüber der M-Motronic bestand darin, dass nur ein einziges Einspritzventil an zentraler Stelle den Kraftstoff intermittierend in das Saugrohr einspritzt. Das Einspritzsystem der Mono-Motronic entsprach somit der Mono-Jetronic. ME-Motronic

Die ME-Motronic (Serienanlauf 1994) basiert auf der M-Motronic. Zusätzlich ist die elektronische Motodeistungssteuerung, die 1986 als separates System in Serie eingeführt wurde, in die Motronic integriert. Bei diesem Motronic-System, auch EGAS (Elektronisches Gaspedal) genannt, ist die konventionelle Betätigung der Drosselklappe über Bowdenzug durch eine elektrisch verstellbare Drosselklappe und zusätzlich einen Pedalwegsensor im Fahrpedalmodul ersetzt. MED-Motronic

Die MED-Motronic (Serienanlauf 2000) ist gegenüber der ME-Motronic um die Funktionalität der Benzin-Direkteinspritzung erweitert. Der hohe Steuerungs- und Regelungsaufwand erfordert Mikrocontroller mit einer sehr hohen Rechenleistung.

49

50

Systeme zur FÜllungssteuerung

Steuerung der Luftfüllung

Systeme zur Füllungssteuerung Beim homogen betriebenen Ottomotor ist die zugeführte Luftmasse die entscheidende Größe für das abgegebene Drehmoment und damit für die Leistung. Deshalb kommt neben der Kraftstoffzumessung auch den Systemen, die die Zylinderfüllung beeinflussen, eine besondere Bedeutung zu. Einige dieser Systeme können auch den Inertgasanteil der Zylinderfüllung und damit das Abgas beeinflussen.

Steuerung der Luftfüllung Für die Verbrennung des Kraftstoffs ist Sauerstoff nötig, den der Motor der angesaugten Luft entzieht. Bei Motoren mit äußerer Gemischbildung (Saugrohreinspritzung) und auch bei Motoren mit BenzinDirekteinspritzung im Homogenbetrieb mit einem Luft-Kraftstoff-Verhältnis von A = 1 ist das abgegebene Drehmoment direkt abhängig von der zugeführten Luftmasse. Die Drosselklappe, die sich im Ansaugtrakt befindet, steuert den vom Motor angesaugten Luftstrom und damit die Zylinderfüllung.

Pnnz.p der Luflsleuerung bei herkömmlichen Systemen durch eine mechanisch verstellbare Drosselklappe und emen Bypass-Luftsteller

2

Bi ld I

I 2

Fahrpedal Se,I7ug

5

bzw Gestange 3

Drosselklappe

4

An saugkanal

5

angesaugler Luftstrom

6

Bypass- Luftstrom

7

leerlaulsleller IBypass·Luftsleller)

8

Steuergerat

9

EIngangsgrößen

(elektrISche S'gnale)

9

Herkömmliche Systeme

Bei herkömmlichen Systemen (Bild 1) wird die Drosselklappe (3) mechanisch betätigt. Ein Seilzug oder ein Gestänge (2) überträgt die Bewegung des Fahrpedals (1) auf die Drosselklappe. Der veränderliche Anstellwinkel der Drosselklappe beeinflusst den Öffnungsquerschnitt des Ansaugkanals (4) und steuert so den vom Motor angesaugten Luftstrom (5) und damit das abgegebene Drehmoment. 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. Diese Informationen werden dem Steuergerät (8) als elektrische Signale (9) zugeführt. Der zusätzliche Luftbedarf wird gedeckt, indem ein Bypass-Luftsteller (7) einen zusätzlichen Bypass-Luftstrom (6) an der Drosselklappe vorbeiführt oder indem ein Drosselklappenansteller den Minimalanschlag der Drosselklappe verändert. In beiden Fällen lässt sich jedoch der vom Motor benötigte Luftstrom nur in begrenztem Umfang, etwa für eine Leerlaufregelung, elektronisch beeinflussen.

Systeme zur Füllungssteuerung

51

Steuerung der Luftfüllung

Das EGAS·System (Elektronisches Gaspedal)

2 Sensoren

l

,

Aktoren

-,

...-t--._--:A:-----+-... ._

_.I

3

4

5

I

Sild 2 I '2

Fahrpedalsensor

3

Drosselklappen·

Motorsteuergerät

winkelsensor 4

Fahrpedalmodul

- - -.... Motorsteuergerät ••- - - - - .

Drosselvorrichtung

(Gleichstrommo tor) 5

Systeme mit EGAS

Bei der Elektronischen Motorleistungssteuerung (EGAS, elektronisches Gaspedal) übernimmt ein elektronisches Steuergerät (Bild 2, Pos. 2) die Ansteuerung der Drosselklappe (5). Die Drosselklappe ist mit dem Drosselklappenantrieb (4) - einem Gleichstrommotor - und dem Drosselklappenwinkelsensor (3) als Einheit zusammengefasst. Sie wird als Drosselvorrichtung bezeichnet. Zur Ansteuerung der Drosselvorrichtung wird die Stellung des Fahrpedals mithilfe zweier gegenläufiger Potenziometer (Fahrpedalsensor, 1) erfasst. Die für diesen Fahrerwunsch erforderliche Öffnung der Drosselklappe wird dann unter Berücksichtigung des aktuellen Betriebszustands des Motors (Motordrehzahl, Motortemperatur usw.) vom Motorsteuergerät errechnet und in Ansteuersignale für den Drosselklappenantrieb umgesetzt. Der Drosselklappenwinkelsensor liefert eine Rückmeldung der aktuellen Stellung der Drosselklappe und ermöglicht somit das exakte Einhalten der gewünschten Drosselklappenposition.

Die aus Gründen der Redundanz doppelt vorhandenen Potentiometer an Fahrpedal und Drosselvorrichtung sind Bestandteil des EGAS-Überwachungskonzepts. Für den Fall, dass Störungen im leistungsbestimmenden Teil des Systems erkannt werden, nimmt die Drosselklappe sofort eine festgelegte Position (Notlautbetrieb ) ein. In aktuellen Motormanagementsystemen ist die EGAS-Ansteuerung in das Motorsteuergerät, das die Zündung, die Einspritzung und sonstige Zusatzfunktionen steuert, integriert worden. Das spezielle EGASSteuergerät ist entfallen. Mit dem EGAS ist eine bessere Gemischzusammensetzung möglich, sodass die immer strengeren Forderungen der Abgasgesetzgebung eingehalten werden können. Zur Erfüllung aller Anforderungen, die die Benzin-Direkteinspritzung an das Gesamtsystem stellt, ist EGAS unverzichtbar.

Drosselklappen· antrieb Drosselklappe

52

Systeme zur Füllungssteuerung

Variable Ventils!euerzei!en

Nockenwellen-Phasenverstellung

Variable Ventilsteuerzeiten Neben der Drosselung des vom Motor angesaugten Frischgasstroms mithilfe der Drosselklappe gibt es weitere Möglichkeiten, die Zylinderfüllung zu beeinflussen. Mit variablen Ventilsteuerzeiten kann sowohl der Frischgas- als auch der Restgasanteil beeinflusst werden. Für die Ventilsteuerzeiten ist von Bedeutung, dass sich das Verhalten der in den Zylinder ein- und ausströmenden Gassäulen z. B. in Abhängigkeit von der Drehzahl oder der Drosselklappenöffnung stark verändert. Bei festen Ventilsteuerzeiten kann der Ladungswechsel somit nur für einen bestimmten Betriebsbereich bestmöglich angepasst sein. Variable Ventilsteuerzeiten erlauben die Anpassung an verschiedene Drehzahlen und Zylinderfüllungen. Daraus ergeben sich folgende Vorteile: • höhere Leistung, • günstiger Drehmomentverlauf über einen weiten Drehzahlbereich, • Reduzierung der Schadstoffemissionen, • geringerer Kraftstoffverbrauch und • Reduzierung der Motorgeräusche.

Verdrehen der Einlassnockenwelle

Bild 1 t

Spät

2

normal

3

lruh

A

VenhlOberschne'dung

ｾ

ｾ

Ｍｾ

s ｾＶｯ

ｩ＠

::. Kurbelwellenwinkel ｾ＠

::.:::>

Im herkömmlichen Motor sind die Kurbelwelle und die Nockenwelle über einen Zahnriemen oder eine Kette mechanisch fest miteinander gekoppelt. Bei Motoren mit Nockenwellenverstellung wird mindestens die Einlassnockenwelle, zunehmend aber auch zusätzlich die Auslassnockenwelle gegenüber der Kurbelwelle verdreht. Mit der Nockenwellenverstellung kann also die Ventilüberschneidung geändert werden. Die Ventilöffnungsdauer und der Ventilhub werden durch die Nockenwellen-Phasenverstellung jedoch nicht beeinflusst. Das bedeutet, dass "Einlass öffnet" und "Einlass schließt" fest miteinander gekoppelt sind. Die Verstellung der Nockenwellen ist durch Einsatz von elektrisch oder elektrohydraulisch betätigten Steilem möglich. Einfache Steuerungen ermöglichen für die Verstellung nur zwei verschiedene Positionen. Die variable Nockenwellensteuerung erlaubt innerhalb eines Bereichs ein stufenloses Verdrehen der Nockenwellen gegenüber der Kurbelwelle. Bild 1 zeigt, wie sich die "Lage" bzw. der Ventilhub des geöffneten Einlassventils (bezogen auf den oberen Totpunkt) verändert, wenn die Einlassnockenwelle verstellt wird. Spätverstellung der Einlas nockenwelle Die Spätverstellung der Einlassnockenwelle führt zu einem späten Öffnen des Einlassventils und damit zu einer geringen oder überhaupt keiner Ventilüberschneidung. Dadurch ist im niedrigen Drehzahlbereich « 2000 min- 1) die Rückströmung der verbrannten Abgase durch das Einlassventil in das Saugrohr gering. Der geringere Restgasanteil im anschließend angesaugten Gemisch führt bei niedrigen Drehzahlen zu einem verbesserten Verbrennungsablauf und zu einem ruhigeren Leerlauf. Die Leerlaufdrehzahl kann deshalb abgesenkt werden, was sich insbesondere günstig auf den Kraftstoffverbrauch auswirkt.

Systeme zur Füllungssteuerung

Bei hohen Drehzahlen (> 5000 min-1 ) wird die Nockenwelle ebenfalls nach spät verstellt. Mit dem späten Schließen des Einlassventils weit nach UT wird eine höhere Füllung erzielt. Dieser Nachladeeffekt kommt durch die hohe Strömungsgeschwindigkeit des Frischgases durch das Einlassventil zustande. Das Frischgas strömt auch dann noch nach, wenn der Kolben sich wieder aufwärts bewegt und das Gemisch komprimiert. Das Einlassventil schließt deshalb erst weit nach dem unteren Totpunkt (UT). Frühver teilung der Ei nla nockenwelle Im mittleren Drehzahlbereich ist die Strömungsgeschwindigkeit des Frischgases durch das Einlassventil gering. Der bei hohen Drehzahlen auftretende Nachladeeffekt ist hier deshalb nicht gegeben. Das frühe Schließen des Einlassventils schon kurz nach UT verhindert bei mittleren Drehzahlen, dass der aufwärts gehende Kolben das angesaugte Frischgas wieder durch das Einlassventil in das Saugrohr ausschiebt. Die Frühverstellung der Einlassnockenwelle sorgt hier für die bestmögliche Füllung und damit für einen guten Drehmomentverlauf. Die Frühverstellung der Einlassnockenwelle bewirkt eine größere Ventilüberschneidung. Das frühe Öffnen des Einlassventils führt dazu, dass die über das Auslassventil noch nicht ganz ausgestoßenen Abgase kurz vor dem oberen Totpunkt (OT) vom noch aufwärts gehenden Kolben durch das geöffnete Einlassventil in das Saugrohr gedrückt werden. Diese Abgase werden anschließend wieder angesaugt und erhöhen den Restgasanteil der Zylinderfüllung. Der durch die Frühverstellung der Einlassnockenwelle vergrößerte Restgasanteil im angesaugten Gemisch (innere Abgasrückführung) beeinflusst die Verbrennung und reduziert durch die geringeren Spitzentemperaturen die NOx-Bildung. Der höhere Inertgasanteil in der Zylinderfüllung erfordert einen größeren Öffnungsquerschnitt der Drosselklappe. Damit ver-

53

Variable Ventilsteuerzeiten

ringern sich die Drosselverluste. Deshalb kann mit der Ventilüberschneidung auch eine Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs erreicht werden. Vers tellung der Auslassnockenwelle Mit Systemen, die auch die Auslassnockenwelle verstellen können, kann der Restgasanteil nicht nur durch Verdrehen der Einlass-, sondern auch der Auslassnockenwelle variiert werden. Damit können die Gesamtfüllung (bestimmt durch "Einlass schließt") und der Restgasanteil (beeinflusst von "Einlass öffnet" und "Auslass schließt") getrennt voneinander gesteuert werden. Nockenwellenumschaltung

Bei der Nockenwellenumschaltung wird zwischen zwei unterschiedlichen Nockenformen umgeschaltet (Bild 2). Damit ändern sich sowohl der Ventilhub als auch die Ventilsteuerzeit (Hubkonturumschaltung). Ein erster Nocken gibt die optimalen Steuerzeiten und Ventilhübe von Ein- und Auslassventilen für den unteren und mittleren Drehzahlbereich vor. Ein zweiter Nocken steuert die höheren Ventilhübe und die längeren Ventilöffnungszeiten für hohe Drehzahlen.

Nockenwellenschaltung

Einlass (verstellbar)

I;', I

\

I

\

I I I

\ \ \ \ \

Bild 2

Kurbelwellenwinkel

1

Siandardnocken

2

Zusalznocken

54

Systeme zur Füllungssteuerung

Variable Ventilsteuerzeiten

Beispiel fOr ein System mit stufenloser Ventilsteuerzeiten· und Ventilhubveränderung

a

b

Bild 3 MinImaler Hub b maxImaler Hub a

Im niedrigen und mittleren Drehzahlbereich sorgen kleine Ventilhübe mit dem damit verbundenen geringen Öffnungsquerschnitt für eine höhere Einströmgeschwindigkeit und damit für eine bessere Verwirbelung der Frischluft (bei Benzin-Direkteinspritzung) bzw. des Luft-Kraftstoff-Gemischs (bei Saugrohreinspritzung) in den Zylinder. Damit ist in der Teillast eine sehr gute Gemischautbereitung gewährleistet. Bei hoher Drehzahl und hoher Drehmomentanforderung (bei Volllast) ist aufgrund der geforderten hohen Motorleistung die maximale Füllung erforderlich. Hierzu wird der große Ventilhub eingestellt. Die Umschaltung auf verschiedene Nockenformen wird z. B. dadurch erreicht, dass der Zusatznocken durch Einkoppeln eines vorher frei schwingenden Schlepphebels auf die Standard-Kipphebel drehzahlabhängig geschaltet wird. Eine andere Umschaltmöglichkeit bieten Schalt-Tassenstößel.

Vollvariable Ventilsteuerung mit Nockenwelle

Eine Ventilsteuerung, bei der sowohl der Ventilhub als auch die Ventilsteuerzeiten veränderlich sind, bezeichnet man als vollvariabel. Räumliche Nockenprofile und z. B. eine längsverschiebbare Nockenwelle ermöglichen noch größere Freiheitsgrade beim Betrieb des Motors (Bild 3). Bei dieser Nockenwellensteuerung können sowohl die Ventilhübe (nur auf der Einlassseite) und damit die Öffnungswinkel der Ventile als auch die Phasenlage zwischen der Nockenund der Kurbelwelle stufenlos verstellt werden. Diese vollvariable Nockenwellensteuerung ermöglicht durch ein frühes Schließen des Einlassventils eine Laststeuerung, bei der das Saugrohr schon nennenswert entdrosselt werden kann. Damit lässt sich der Kraftstoffverbrauch gegenüber einer einfachen Nockenwellen-Phasenverstellung noch etwas reduzieren. Vollvariable Ventilsteuerung ohne Nockenwelle

Den größten Freiheitsgrad einer Ventilsteuerung und das größte Potenzial einer Verbrauchsreduzierung bieten Systeme mit einer Ventilsteuerung ohne Nockenwelle. Bei dieser Ventilsteuerung werden die Ventile z. B. über elektromagnetisch betätigte Steiler bewegt. Ein zusätzliches Steuergerät übernimmt die Ansteuerung. Ziel dieser vollvariablen Ventiltriebe ohne Nockenwelle ist eine weitgehende Entdrosselung des Saugrohrs mit sehr geringen Ladungswechselverlusten. Weitere Verbrauchsvorteile können durch Ventil- und Zylinderabschaltung erzielt werden. Diese vollvariablen Systeme ermöglichen zudem eine bestmögliche Füllung und damit ein maximales Drehmoment sowie eine bessere Gemischautbereitung und damit verbunden geringere Schadstoffkonzentrationen im Abgas.

Systeme zur Füllungssteuerung

55

Gesteuerte Ladungsbewegung

Ladungsbewegungsklappe

Gesteuerte Ladungsbewegung Für eine gute Gemischautbereitung spielen die Strömungsverhältnisse im Saugrohr und im Zylinder eine wesentliche Rolle. Hohe Ladungsbewegungen sorgen für eine gute Durchmischung des Luft-Kraftstoff-Gemischs und damit für eine gute, schadstoffarme Verbrennung. Es gibt verschiedene Möglichkeiten, gezielt eine stärkere Ladungsbewegung zu erzeugen. Nockenwellenumschaltung

Wie im Abschnitt "Variable Ventilsteuerzeiten" beschrieben, kann im niedrigen und mittleren Drehzahlbereich mit der Nockenwellenumschaltung ein kleiner Ventilhub gewählt werden. Der geringe Öffnungsquerschnitt des Einlassventils sorgt für eine hohe Einströmgeschwindigkeit der Luft bzw. des Luft-Kraftstoff-Gemischs. Dadurch ist bei Saugrohreinspritzung eine gute Durchmischung des Luft-Kraftstoff-Gemischs gewährleistet.

Bei Systemen mit Benzin-Direkteinspritzung wird auch ein anderes Verfahren eingesetzt. Das Saugrohr ist im Bereich des Einlassventils in zwei Kanäle getrennt, wobei sich ein Kanal durch eine Klappe - die Ladungsbewegungsklappe - verschließen lässt (Bild 1). Das gezielte Anströmen bestimmter Teile der Einlassventile bzw. nur eines von zwei Einlassventilen ermöglicht eine walzen- bzw. drallförmige Bewegung des Gases im Brennraum. Die Ladungsbewegungsklappe macht die Intensität der Ladungsbewegung steuerbar. Diese erzwungene Strömung stellt im Schichtbetrieb den Gemischtransport zur Zündkerze sicher und unterstützt die Gemischautbereitung. Im Homogenbetrieb ist die Ladungsbewegungsklappe in der Regel bei hohen Drehmomenten und Drehzahlen geöffnet. In diesem Betriebspunkt soll der volle Strömungsquerschnitt zur Verfügung stehen, um einen hohen Füllungsgrad für hohe Drehmomente zu erzielen. Durch die frühe Einspritzung in den Brennraum, die bereits im Ansaugtakt erfolgt, sowie das hohe Temperaturniveau wird eine gute Gemischautbereitung auch ohne erhöhte Ladungsbewegung erreicht.

Steuerbare Ladung.bewegung im Saugrohr mit der Ladungsbewegungsklappe

1

2

3

4

Bild 1 t

Saugrohr

2

Drosselklappe

3

Ladungsbewegungsklappe

4 5

Trennsteg En , lassvenhl

56

Systeme zur Fül(ungssteuerung

Abgasrückführung

Abgasrückführung Die im Zylinder verbleibende Restgasmasse - und damit der Inertgasanteil der Zylinderfüllung - kann über variable Steuerzeiten beeinflusst werden. In diesem Fall spricht man von einer "inneren" Abgasrückführung (AGR). Eine größere Variation des Inertgasanteils ist über eine "äußere" Abgasrückführung möglich, bei der über eine Leitung bereits ausgestoßene Abgase zum Saugrohr zurückgeführt werden (Bild 1, Pos. 3). Das AGR-System führt zu geringeren Stickoxidemissionen (NOx) und zu einem geringeren Kraftstoffverbrauch. Begrenzung der NOx-Emission

Die AGR ist ein wirkungsvolles Mittel zur Absenkung der Stickoxidemissionen. Durch Zumischen von bereits verbranntem Abgas zum Luft-Kraftstoff-Gemisch wird die Verbrennungs-Spitzentemperatur gesenkt. Diese Maßnahme reduziert die sehr stark temperaturabhängige Stickoxidemission. Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs

Mit der AGR wird die Gesamtfüllung bei gleich bleibender Frischluftfüllung vergrößert. Deshalb muss der Motor über die Drosselklappe (2) weniger stark gedrosselt werden, um ein bestimmtes Drehmoment zu erreichen. Ein niedrigerer Kraftstoffverbrauch ist die Folge.

AGR bei Benzin-Direkteinspritzung

Auch bei Motoren mit Benzin-Direkteinspritzung wird die AGR zur Verbrauchssenkung und zur NOx-Reduzierung genutzt. Sie ist sogar unumgänglich, da dadurch die NOx-Emissionen in den Magerbetriebsarten so vermindert werden, dass andere Maßnahmen zur Abgasnachbehandlung reduziert werden können (z. B. fetter Homogenbetrieb zur NOx-"Ausspeicherung" aus dem NO xSpeicherkatalysator). Dies wirkt sich auch positiv auf den Kraftstoffverbrauch aus. Damit Abgas über das AGR-Ventil angesaugt werden kann, muss ein Druckgefälle zwischen Saugrohr und Abgasstrang herrschen. Direkteinspritzende Motoren werden aber auch in der Teillast nahezu ungedrosselt gefahren. Ferner wird im Magerbetrieb eine nicht unerhebliche Menge Sauerstoff über die AGR in das Saugrohr eingeleitet. Ein ungedrosselter Betrieb und die Einleitung von Sauerstoff über die AGR in das Saugrohr erfordern deshalb eine Steuerstrategie, die sowohl die Drosselklappe als auch das AGR-Ventil koordiniert. Hieraus ergeben sich erhöhte Anforderungen an das AGR-System: es muss präzise und zuverlässig arbeiten, und es muss robust gegenüber den Ablagerungen sein, die sich aufgrund der niedrigeren Abgastemperatur in den Abgas führenden Teilen bilden.

Arbeitsweise der AGR

Bild 1 1

ａ ｮｧＮｳ｡Ｂｴｾ＠

Fnschluft

2

D'ossel lappe

3

ru c gefuhrles Abgas

4

Molorsleue'geral

5

Abgasrllt: fuhrvenhl

(AG R·Ven, ,1)

6

Abgas

Ir

Oreh7ahl

rl

,el ative Luft fUllung

Das Motorsteuergerät (4) steuert abhängig vom Betriebspunkt des Motors das elektrisch betätigte AGR-Ventil (5) an und legt damit dessen Öffnungsquerschnitt fest. Über diesen Querschnitt wird dem Abgas (6) ein Teilstrom entnommen (3) und der angesaugten Frischluft (l) zugeführt. Damit ist der Abgasanteil der Zylinderfüllung festgelegt.

6

Systeme zur Füllungssteuerung

Dynamische Aufladung Das erreichbare Motordrehmoment ist näherungsweise proportional dem Frischgasanteil der Zylinderfüllung. Das maximale Drehmoment kann daher in gewissen Grenzen 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. Angeregt durch die Saugarbeit des Kolbens löst das öffnende Einlassventil eine zurücklaufende Druckwelle aus. Am offenen Ende des Saugrohrs trifft die Druckwelle auf ruhende Umgebungsluft, wird dort reflektiert und läuft wieder zurück in Richtung Einlassventil. Die dadurch entstehenden Druckschwankungen am Einlassventil können ausgenutzt werden, um die Frischgasfüllung zu vergrößern und damit ein höchstmögliches Drehmoment zu erreichen. Dieser Aufladeeffekt beruht also auf der Ausnutzung der Dynamik der angesaugten Luft. Die dynamischen Effekte im Saugrohr hängen von den geometrischen Verhältnissen im Saugrohr, aber auch von der Motordrehzahl ab. Saugrohre für Vergasermotoren und Zentraleinspritzanlagen benötigen zur gleichmäßigen Verteilung des Luft-KraftstoffGemischs kurze und für jeden Zylinder möglichst gleich lange Einzelrohre. Bei Einzeleinspritzanlagen wird der Kraftstoff kurz vor dem Einlassventil in das Saugrohr (Saugrohreinspritzung) oder direkt in den Brennraum (Benzin -Direkteinspritzung) eingespritzt. Die Saugrohre transportieren hier im Wesentlichen nur Luft. Dies bietet vielfältigere Möglichkeiten bei der Saugrohrgestaltung, da sich an den Saugrohren praktisch kein Kraftstoff niederschlagen kann. Deshalb gibt es bei Einzeleinspritzanlagen keine Probleme mit der Kraftstoffgleichverteilung.

57

Dynamische Au/ladung

Schwingsaugrohraufladung

Saugrohre für Einzeleinspritzanlagen bestehen aus den Einzelschwingrohren und Sammelbehälter (Sammler). Bei der Schwingsaugrohraufladung (Bild 1) hat jeder Zylinder ein gesondertes Einzelschwingrohr (2) bestimmter Länge, das meist an einen Sammelbehälter (3) angeschlossen ist. In diesen Schwingrohren können sich die Druckwellen unabhängig voneinander ausbreiten. Der Aufladeeffekt ist abhängig von der Saugrohrgeometrie und der Motordrehzahl. Länge und Durchmesser der Einzelschwingrohre werden deshalb so auf die Ventilsteuerzeiten abgestimmt, dass im gewünschten Drehzahlbereich eine am Ende des Schwingrohrs reflektierte Druckwelle durch das geöffnete Einlassventil des Zylinders (1) läuft und somit eine bessere Füllung ermöglicht. Lange, dünne Schwingrohre bewirken einen hohen Aufladeeffekt im niedrigen Drehzahlbereich. Kurze, weite Schwingrohre wirken sich günstig auf den Drehmomentverlauf im oberen Drehzahlbereich aus.

Bild 1 1

Zylinder

2

Einzelschwingrohr

3

Sammelbehälter

4

Drosselklappe

Systeme zur Füllungssteuerung

5B

Dynamische Aufladung

Resonanzaufladung

Variable Saugrohrgeometrie

Bei einer bestimmten Motordrehzahl kommen die Gasschwingungen im Saugrohr, angeregt durch die periodische Kolbenbewegung, in Resonanz. Das führt zu einer zusätzlichen Drucksteigerung und zu einem zusätzlichen Aufladeeffekt. Bei Resonanzsaugrohrsystemen (Bild 2) werden Gruppen von Zylindern (1) mit gleichen Zündabständen über kurze Saugrohre (2) an jeweils einen Resonanzbehälter (3) angeschlossen. Diese sind über Resonanzsaugrohre (4) mit der Atmosphäre bzw. einem Sammelbehälter (5) verbunden und wirken als Helmholtz-Resonatoren. Die Auftrennung in zwei Zylindergruppen mit zwei Resonanzsaugrohren verhindert eine überschneidung der Strömungsvorgänge von zwei in der Zündfolge benachbarten Zylindern. Der Drehzahlbereich, bei dem der Aufladeeffekt durch die entstehende Resonanz groß sein soll, bestimmt die Länge der Resonanzsaugrohre und die Größe der Resonanzbehälter. Die teilweise benötigten großen Sammlervolumen können aber durch ihre Speicherwirkung bei schnellen Laständerungen Dynamikfehler zur Folge haben.

Die zusätzliche Füllung durch die dynamische Aufladung hängt vom Betriebspunkt des Motors ab. Die beiden zuvor genannten Systeme erhöhen die erzielbare maximale Füllung (Liefergrad) vor allem im unteren Drehzahlbereich (Bild 3). Einen nahezu idealen Drehmomentverlauf ermöglicht eine variable Saugrohrgeometrie (Schalt-Ansaugsysteme), bei der zum Beispiel über Klappen in Abhängigkeit vom Motorbetriebspunkt verschiedene Verstellungen möglich sind: • Verstellen der Schwingsaugrohrlänge, • Umschalten zwischen verschiedenen Schwingsaugrohrlängen oder unterschiedlichen Durchmessern von Schwingsaugrohren, • wahlweises Abschalten eines Einzelrohrs je Zylinder bei Mehrfachschwingsaugrohren und • Umschalten auf unterschiedliche Sammlervolumen.

Prinzip der Resonanzaufladung

Zum Umschalten der Schalt-Ansaugsysteme dienen zum Beispiel elektrisch oder elektropneumatisch betätigte Klappen.

Sleigerung der maximalen Luflfüllung (Llefe'grad) durch dynamische Aulladung

Bild 2 Zylinder 2

kurzes Sa ugrohr

3

Resonanz behälle,

4

Resonanzsaugrohr

5 6

Drosse lkla ppe

A

Zyhndergruppe A

B

Zyhndergruppc B

Sammelbehäller

Bild 3 Sys lem mil Resona.nzauftadung 2

System mit

Normalsaug rohr

MOIOrdrehzahl

11

"nenn

Systeme zur Füllungssteuerung

59

Dynamische Aufladung

Schwingsaugrohr y terne Bei dem in Bild 4 dargestellten Saugrohrsystem kann zwischen zwei verschiedenen Schwingsaugrohren umgeschaltet werden. Im unteren Drehzahlbereich ist die Umschaltklappe (1) geschlossen und die angesaugte Luft strömt durch das lange Schwingsaugrohr (3) zu den Zylindern. Bei hohen Drehzahlen und geöffneter Umschaltklappe nimmt die angesaugte Luft den Weg durch das kurze, weite Saugrohr (4). Damit ist eine bessere Zylinderfüllung bei hohen Drehzahlen möglich.

Bild 5 t Zylinder 2 Schw.ngsaugrohr (kurzes Saugrohr' 3 Resonanzbehälter 4

Resonanzsaugrohr

5

Sammelbehälter

6

Drosselklappe

7

Umschaltklappe

A

Zytindergruppe A

B

Zylindergruppe B

a

SaugrohrverhältnIsse bei

geschlossener Umschaltklappe b

Saugrohrverhält· nisse bei geöffneter Umschaltklappe

Schwingsaugrohrsystem

a

2

3

Re onanz augrohrsysterne Mit Öffnen einer Resonanzklappe wird ein zweites Resonanzrohr zugeschaltet. Die veränderte Geometrie dieser Anordnung beeinflusst die Eigenfrequenz der Sauganlage. Das größere wirksame Volumen bei zugeschaltetem zusätzlichen Resonanzrohr verbessert die Füllung im unteren Drehzahlbereich. Kombiniertes Resonanz- und Schwing augrohrsystern Eine Kombination von Resonanz- und Schwingsaugrohrsystem ist gegeben, wenn die geöffnete Umschaltklappe (Bild 5, Pos. 7) die beiden Resonanzbehälter (3) zu einem einzigen Volumen verbinden kann. Es entsteht dann ein Luftsammler für die kurzen Schwingsaugrohre (2) mit hoher Eigenfrequenz. Bei niedrigen und mittleren Drehzahlen ist die Umschaltklappe geschlossen. Das System wirkt als Resonanzsaugrohrsystem. Die niedrige Eigenfrequenz ist dann durch das lange Resonanzsaugrohr (4) festgelegt.

Bild 4 a Saugrohrgeometrie bei geschlossener

Umschaltklappe b

Saugrohrgeometrie bei geöffneter Umschallklappe Umschaltklappe

2

Sammelbehäller

3

langes. dünnes

Schwingsaugrohr bei geschlossener

Umschaltklappe 4

kurzes, weiles Schwingsaugrohr bei geöffneter

Umschaltklappe

60

Systeme zur Füllungssteuerung

Mechanische Aufladung

Mechanische Aufladung Aufbau und Arbeitsweise

Eine größere Zylinderfüllung und damit eine Erhöhung des Drehmoments ist durch den Einsatz von Aufladegeräten möglich. Bei der mechanischen Aufladung wird ein Verdichter direkt vom Verbrennungsmotor angetrieben. Mechanisch angetriebene Verdichter gibt es als Verdrängerlader (Kompressor) mit unterschiedlichen Bauformen (z. B. Roots-Lader, Flügelzellenlader, Spirallader, Schraubenlader), oder als Strömungslader (z. B. Radialverdichter). Bild 1 zeigt das Funktionsprinzip eines Schraubenladers mit den beiden gegeneinander drehenden Schrauben. In der Regel sind Motor- und Verdichterdrehzahl z. B. über einen Riemenantrieb fest miteinander gekoppelt. Ladedrucksteuerung

Der Ladedruck kann beim mechanischen Lader über einen Bypass gesteuert werden. Ein Teil des verdichteten Luftmassenstroms gelangt in die Zylinder und bestimmt die Füllung, der andere Teil strömt über den Bypass zurück zur Ansaugseite. Die Ansteuerung des Bypassventils übernimmt die Motorsteuerung. Funklionsprinzip des Schraubenladers

t Bild 1 1

Angesaugte Luft

2

komprimierte Luh

Vor- und Nachteile

Wegen der direkten Kopplung von Verdichter und Kurbelwelle wird beim mechanischen Lader bei einer Drehzahlerhöhung der Verdichter unverzögert beschleunigt. Dadurch ergibt sich im Vergleich zur Abgasturboaufladung ein höheres Motordrehmoment und ein besseres Ansprechverhalten im dynamischen Betrieb. Da die zum Antrieb des Verdichters notwendige Leistung jedoch nicht als effektive Motorleistung zur Verfügung stehen kann, steht diesem Vorteil- im Vergleich zur Abgasturboaufladung - ein etwas erhöhter Kraftstoffverbrauch entgegen. Dieser Nachteil wird gemildert, wenn der Verdichter über eine von der Motorsteuerung geschaltete Kupplung bei niedrigen Motorlasten abgeschaltet werden kann.

Systeme zur Füllungssteuerung

Geschichte von Kompressorfahrzeugen

1938 wurde auf der Internationalen Automobil-

Auf der Berliner Automobilausstellung 1921 stellte die Daimler-Motoren-Gesellschaft die

und Motorradausstellung in Berlin der Typ 770

Pkw-Typen 6/20 PS und 10/35 PS mit Vier-

.Großer Mercedes' (W150) mit einem 7,7-

zylinder-Kompressormotoren vor.

Liter-Achtzylinder-Reihenmotor mit Kompres-

Im Jahr 1922 wurde zum ersten Mal ein Fahrleug mit Kompressormotor bei einem Autorennen eingesetzt. Male Sailer gewann bei

sor gezeigt. Dieser Motor leistete 230 PS. Im Vergleich zu den heute eingesetzten Kompressormotoren war die auf den Hubraum

der Targa Florio auf Sizilien auf Mercedes

bezogene Leistung damals eher bescheiden.

28/95 PS mit Kompressor den Titel bei den

Der Mercedes SLK, der seit Ende des

Serienwagen. 1924 wurden auf der Berliner Automobilausstellung die neuen Pkw-Typen Mercedes

61

20. Jahrhunderts über die Straßen rollt, schöpft aus 2,3 Liter Hubraum eine leistung von 142 kW (192 PS) bei 5300 min- I •

15170/100 PS und 24/100/140 PS mit Sechs-

19 22

zylinder-Kompressor motoren vorgestellt. Im

Mereedes 26/95 PS

gleichen Jahr fuhr NSU mit dem 5/15 Kompressor-Rennwagen auf der Avus spektakuläre Geschwindigkeitsrekorde und Siege ein. Dem Mercedes-Benz Typ ,S' gelang 1927 beim ersten Einsatz beim Eröffnungsrennen

1924

des Nürburgrings ein Dreifachsieg. Sieger wurde Rudolf Caracciola. Der Kompressor-

Mereedes Typ 2411 00 6-Zylinder

Sechszylinder des Typ .S" mit 6,8 Liter Hubraum leistete 120 PS ohne und 180 PS mit Kompressor. 1932 siegte Manfred von Brauchitsch auf einem .SSKL" (. Super-SportKUrl-Leicht") beim Avus-Rennen in Berlin und stellte mit 200 km/h einen Klassenweltrekord auf. Der . SSKL' war die letzte Stufe in der

1927 Mercedes Typ . S· 6·Zylinder, 6,6 /, 60 1 PS

Entwicklung der .S'-Reihe. 1934 begann die Ära der Silberpfeile. Beim ersten Einsatz beim Internationalen Eifelrennen auf dem Nürburgring siegt von Brauchitsch in neuer Rekordzeit. Mit einem Stromlin ien-Silberpfeil wurde 1938 ein für öffentliche Straßen bis heute ungebrochener

1934 Mercedes Typ 500K 6 ·Zylinder

Geschwind igkeitsrekord aufgestellt: 432,6 kmlh bei 1 km mit fliegendem Start. Silberpfeile mit Kompressormotoren gab es auch von Auto-Union, die sich mit den MercedesSilberpfeilen packende Duelle lieferten. 1934 wurde auf der Berliner Automobllausstellung der Mercedes Typ 500K mit einem

193 6 . GroBer M ereedes' Typ 770 (W I50 ), 7,7 /, 230 PS

Achtzylinder-Kompressormotor vorgestellt. 1936 kam das Nachfolgemodell mit einem noch leistungsstärkeren 5,4-I-Motor.

(Q uelle: alle Bolder aus Da,mlerChrysler C lassie.

Konzernarchiv)

62

Systeme zur Füllungssteuerung

Abgasturboaufladung

Abgasturboaufladung Von den bekannten Verfahren zur Aufladung von Verbrennungsmotoren findet die Abgasturboaufladung die breiteste Anwendung. Die Abgasturboaufladung ermöglicht bereits bei Motoren mit kleinem Hubraum hohe Drehmomente und Leistungen bei guten Motorwirkungsgraden. Wurde die Abgasturboaufladung noch vor wenigen Jahren vor allem zur Steigerung des Leistungsgewichts eingesetzt, so findet sie heute zunehmend zur Steigerung des maximalen Drehmoments bei niedrigen und mittleren Drehzahlen Anwendung. Dies gilt insbesondere in Verbindung mit der elektronischen Ladedruckregelung.

Aufbau und Arbeitsweise Der Abgasturbolader (Bild 1) besteht in seinen Hauptbauteilen aus einer Abgasturbine (3) und einem Verdichter (1), deren Räder auf einer gemeinsamen Welle (2) angeordnet sind. Die Energie zum Antrieb der Abgasturbine wird größtenteils dem Abgas entnommen. Dabei wird die Energie genutzt, die im heißen und unter Druck stehenden Abgas enthalten ist. Andererseits muss aber auch Energie aufgewendet werden, um das Abgas beim Verlassen des Motors höher aufzustauen und damit die notwendige Verdichterleistung zu erhalten. Das heiße Abgas (Bild 2, Pos. 7) bläst die Abgasturbine (4) radial an und versetzt sie in eine schnelle Drehbewegung (bis ca. 250000 min- 1). Die nach innen gerichteten Schaufeln des Turbinenrads leiten das Abgas zur Mitte hin, wo es dann axial wieder austritt.

Abgaslurbolader fOr Pkw (Bild : 3K,Wamer, BaureIhe K 14)

Bild t

I

Verdlchlcrrad

2 3

Welle

4

AbgasturbIne E,nlass AbgasmaSSenstrom

5

Auslass

kompnmlerte Luft

2

3

Systeme zur Füllungssteuerung

Im mitgedrehten Verdichter (3) sind die Strömungsverhältnisse umgekehrt. Die Frischluft (5) tritt in der Mitte des Verdichters axial ein und wird von den Schaufeln radial nach außen geschleudert und dabei verdichtet. Der Abgasturbolader sitzt im heißen Abgasstrang. Er muss deshalb aus hochwarmfesten Werkstoffen gefertigt sein.

Abgasturbolader- Bauarten Wastega te- Lader Motoren sollen bereits bei niedrigen Drehzahlen ein hohes Drehmoment erreichen. Deshalb wird das Turbinengehäuse für einen kleinen Abgasrnassenstrom ausgelegt, z. B. Volllast bei n $ 2000 min- 1• Damit nun bei größeren Abgasrnassenströmen der Abgasturbolader den Motor nicht überlädt, muss in diesem Bereich ein Teilstrom über ein Bypassventil, das Wastegate (Bild 2, Pos. 8), an der Turbine vorbei in die Abgasanlage abgeführt werden. üblicherweise ist dieses Bypassventil in Klappenausführung im Turbinengehäuse integriert. Das Wastegate wird über das Ladedruckregelventil (6) betätigt. Dieses Ventil ist über eine Steuerleitung (2) pneumatisch mit dem Taktventil (1) verbunden, das ladedruckabhängig vom Motorsteuergerät über ein elektrisches Signal angesteuert wird und den Ladedruck beeinflusst. Ein Ladedrucksensor liefert die Information über den aktuellen Ladedruck. Bei zu niedrigem Ladedruck wird das Taktventil so angesteuert, dass in der Steuerleitung ein geringer Druck herrscht. Das Ladedruckregelventil schließt das Wastegate und ein höherer Anteil des Abgasrnassenstroms treibt die Turbine an. Bei zu hohem Ladedruck wird das Taktventil so angesteuert, dass in der Steuerleitung ein höherer Druck herrscht. Das Ladedruckregelventil öffnet das Wastegate und der Anteil des Abgasrnassenstroms durch die Turbine wird geringer.

63

Abgasturboaufiadung

VTG-Lader Verstellbare Turbinen (VTG: Variable Turbinen-Geometrie) bieten eine weitere Möglichkeit, den Abgasrnassenstrom bei hoher Motordrehzahl zu begrenzen (Bild 3, nächste Seite). Der VTG- Lader ist bei Dieselmotoren Stand der Technik. Bei Ottomotoren konnte er sich u. a. wegen der hohen thermischen Belastung durch die heißeren Abgase noch nicht durchsetzen. Die verstellbaren Leitschaufeln (3) passen den Strömungsquerschnitt und damit den an der Turbine anstehenden Gasdruck dem geforderten Ladedruck durch Variation der Geometrie an. Bei niedriger Drehzahl geben sie einen kleinen Strömungsquerschnitt frei, sodass der Abgasrnassenstrom in der Turbine eine hohe Geschwindigkeit erreicht und die Abgasturbine auf eine hohe Drehzahl bringt (Bild 3a).

Aufbau des Abgasturboladers am Beispiel des Wastegate· Laders

Bild 2 1 2

Taktvenlll pneumatische SteuerlOilung

3

Verdichter

5

Ansaugluftstrom

6

Ladedruckregel -

Abgasturbine

6

(Frischluft) ventil

7

Abgasstrom

B

Wastegate

9

Bypasskanal

J1IL

7

AnsteuersIgnal für Taktventil

\ '1

Volumenstrom

durch Turbine Vwa Volumenstrom

durch Wastegate

p, 1'0

Ladedruck Druck In der Membrane

64

Systeme zur Füllungssteuerung

Abgasturboaufladung

Bei hoher Motordrehzahl geben die Leitschaufeln einen großen Strömungsquerschnitt frei, der die große Abgasmenge aufnehmen kann, ohne die Abgasturbine auf zu hohe Geschwindigkeiten zu beschleunigen (Bild 3b). Der Ladedruck wird dadurch begrenzt. Durch die Drehbewegung eines Verstellrings (2) ergibt sich eine einfache Verstellung des Leitschaufelwinkels. Dabei werden die Leitschaufeln entweder direkt über einzelne an ihnen befestigte Verstellhebel (4) oder über Verstellnocken auf den gewünschten Winkel eingestellt. Das Verdrehen des Verstellrings geschieht pneumatisch über eine Verstelldose (5) mit Unter- oder Überdruck. Die Motorsteuerung steuert diesen Verstellmechanismus an. Damit kann der Ladedruck in Abhängigkeit des Motorbetriebszustands bestmöglich eingestellt werden.

Sild 3 •

VST-Lader Beim VST-Lader (VST: Variable Schieberturbine) wird die "Turbinengröße" durch sukzessives Öffnen zweier Strömungskanäle (Bild 4, Pos. 2 und 3) mithilfe eines Regelschiebers (4) angepasst. Zunächst ist nur der erste Strömungskanal offen. Der kleine Öffnungsquerschnitt führt zu einer hohen Strömungsgeschwindigkeit des Abgases und damit zu einer hohen Drehzahl der Abgasturbine (1). Bei Erreichen des zulässigen Ladedrucks öffnet der Regelschieber kontinuierlich den zweiten Strömungskanal, sodass die Strömungsgeschwindigkeit des Abgases und damit der Ladedruck abnimmt. Mithilfe des im Turbinengehäuse integrierten Bypasskanals (5) ist es auch möglich, Teile des Abgasmassenstroms an der Abgasturbine vorbeizuleiten. Die Einstellung des Regelschiebers wird über eine pneumatische Druckdose von der Motorsteuerung vorgenommen.

Tubinengeomelrie des VST·Laders

Variable Tublnengeomet"e des VTG'Laders

Leltschaufelstellung lür hohen Ladedruck

b

Lellschaufelslellung

für niedrigen

a

a

Ladedruck AbgasturbIne 2

Verslellnng

3 4

leltschaufeln Verstell hebel

5

Verstelldose

6

Abgasstrom

6

... Hohe Strömungs· geschwindigkeit « ｾ＠

medrlge Strömungs-

geschwindigkeit

b

Bild 4 a

Nur ein ｓｬｲ ￶ｭｵｮ

ｧｳ

kanal offen

b

betde Strömungs kanäle offen

AbgasturbIne 2

t.Strömungskanal

3 4

2.Strömungskanal Regelschieber

5

Bypasskanal

6

Verstellgabel

ｾ＠

b

Systeme zur Füllungssteuerung

Vor- und Nachteile der Abgasturboaufladung

Gegenüber einem Saugmotor mit gleicher Leistung sprechen vor allem das geringere Gewicht und der reduzierte Bauraum für den Turbomotor ("Downsizing"). über den nutzbaren Drehzahlbereich ergibt sich ein besserer Drehmomentverlauf (Bild 5, Kurve 4 im Vergleich zu Kurve 3). Daraus ergibt sich bei einer bestimmten Drehzahl eine höhere Leistung (A -'> B). Die im Beispiel in Bild 5 geforderte Leistung (B bzw. C) stellt der Auflademotor wegen des günstigeren Drehmomentverlaufs bei Volllast schon bei niedrigeren Drehzahlen bereit. In der Teillast muss die Drosselklappe weiter geöffnet sein. Der Arbeitspunkt wird dadurch in einen Bereich mit geringeren Reibungs- und Drosselverlustanteilen verlagert (C -'> B). Daraus ergibt sich ein geringerer Kraftstoffverbrauch, obwohl aufgeladene Motoren wegen der niedrigeren Verdichtung eigentlich einen etwas schlechteren Wirkungsgrad aufweisen. Als Nachteil des Turboladers ist das niedrigere Drehmoment bei sehr niedrigen Drehzahlen zu nennen. In diesem Bereich reicht die im Abgas vorhandene Energie nicht aus, um die Abgasturbine anzutreiben. Im instationären Betrieb ist der Drehmomentverlauf auch bei mittleren Drehzahlen ungünstiger gegenüber dem Saugmotor (Kurve 5). Das liegt daran, dass der Abgasrnassenstrom verzögert aufgebaut wird. Beim Beschleunigen aus niedrigen Drehzahlen heraus ergibt sich somit das "Turboloch". Das Turboloch kann durch Ausnutzung der dynamischen Aufladung gemindert werden. Sie unterstützt das Hochlaufverhalten des Laders. Weitere Varianten stellen Turbolader mit zusätzlichem Elektromotor oder mit einem zusätzlichen, elektrisch angetriebenen Verdichter dar. Diese beschleunigen das Verdichterrad bzw. den Luftmassenstrom unabhängig vom Abgasrnassenstrom und vermeiden das Turboloch.

65

Abgasturboaufladung, Ladeluftkühlung

Leistungs- und Drehmomentverlauf eines Motors mit Abgasturbolader im Vergleich zu einem S.ugmotor

Bild 5

1, 3 Saug motor im stationären 8e tneb 2, 4 Auflademotor im stat ionären Betneb

5 1/4

1/2

3/4

Motordrehzahl nI""",,"

Drehmomentverl.uf des Aufiademotors

im n I stationären (dynamischen) Bet rieb

Ladeluftkühlung Während des Verdichtens wird die Luft im Lader erwärmt. Da warme Luft gegenüber kalter Luft eine geringere Dichte hat, wirkt sich die Erwärmung nachteilig auf die Zylinderfüllung aus. Ein Ladeluftkühler kühlt die verdichtete und erwärmte Luft wieder ab. Die Ladeluftkühlung bewirkt deshalb eine Erhöhung der Zylinderfüllung gegenüber aufgeladenen Motoren ohne Ladeluftkühlung. Damit ist eine weitere Erhöhung des Drehmoments und der Leistung möglich. Die niedrigere Temperatur der Verbrennungsluft führt auch zu niedrigeren Temperaturen der im Verdichtungstakt komprimierten Zylinderfüllung. Daraus ergeben sich weitere Vorteile: • geringere Klopfneigung, • besserer thermischer Wirkungsgrad und damit geringerer Kraftstoffverbrauch, • geringere thermische Belastung der Kolben sowie • geringere NOx-Emission.

66

Benzineinspritzung im Überblick

Übersicht

Benzineinspritzung im Uberblick Einspritzsysteme oder Vergaser haben die Aufgabe, ein dem jeweiligen Betriebszustand des Motors bestmöglich angepasstes Luft-Kraftstoff-Gemisch bereitzustellen. Einspritzsysteme, insbesondere elektronische Systeme, eignen sich besser zur Einhaltung eng vorgegebener Grenzen für die Gemischzusammensetzung als Vergaser. Daraus ergeben sich Vorteile in Bezug auf Kraftstoffverbrauch, Fahrverhalten und Leistung. Die Anforderungen der immer strenger gewordenen Abgasgesetzgebung haben im automobilen Einsatzbereich dazu geführt, dass die Einspritzung den Vergaser vollständig verdrängt hat. Bisher wurden fast ausschließlich Systeme verwendet, bei denen die Gemischbildung außerhalb des Brennraums stattfindet (Saugrohreinspritzung). Systeme mit innerer Gemischbildung, also mit Einspritzung des Kraftstoffs direkt in den Brennraum (Benzin-Direkteinspritzung), eignen sich zur weiteren Senkung des Kraftstoffverbrauchs und gewinnen daher zunehmend an Bedeutung.

Einzeleinspritzanlage

Übersicht Äußere Gemischbildung Benzineinspritzsysteme mit äußerer Gemischbildung sind dadurch gekennzeichnet, dass das Luft-Kraftstoff-Gemisch außerhalb des Brennraums, also im Saugrohr, entsteht. Sie wurden immer weiterentwickelt, um den steigenden Anforderungen gerecht zu werden. Heute sind nur noch elektronisch gesteuerte Einzeleinspritzsysteme von Bedeutung. Einzeleinspritza nlagen Bei Einzeleinspritzanlagen ist jedem Zylinder ein Einspritzventil zugeordnet (Mehrpunkteinspritzung, Multi Point Injection), das den Kraftstoff direkt vor das Einlassventil des Zylinders spritzt (Bild 1). Einzeleinspritzanlagen bilden ideale Vorausset zungen, die beschriebenen Anforderungen an ein Gemischaufbereitungssystem zu erfüllen.

Mechanisches Einspritzsystem Das K-Jetronic-System arbeitet antriebslos und spritzt den Kraftstoff kontinuierlich 1) ein. Die eingespritzte Kraftstoffmasse wird nicht durch das Einspritzventil bestimmt, sondern von einem Mengenteiler vorgegeben.

Kombiniert mechanisch-elektronisches Einspritzsystem Die KE-Jetronic basiert auf dem mechanischen Grundsystem der K-Jetronic. Sie ermöglicht durch weitere Betriebsdatenerfassung elektronisch gesteuerte Zusatzfunktionen, um die Einspritzmenge den veränderlichen Motorbetriebszuständen exakter anzupassen. Bild 1 I

Kraflsloff

2 3

Lufl Drosselklappe

4

Saugrohr

5

E mspnuventde

6

Molor

.) conllnuus (la!.): unaulhörhch, loridauernd 2) Inlcrml t1 ere (tat.) : zeitwei lig ausse tzend

Benzineinspritzung im Überblick

Elektronische Einspritzsysteme Elektronisch gesteuerte Einspritzsysteme spritzen den Kraftstoff mit elektromagnetisch betätigten Einspritzventilen intermittierend 2) ein. Die eingespritzte Kraftstoffmasse wird durch die Ventilöffnungszeit (bei bekanntem Druckabfall über dem Ventil) bestimmt. Beispiele: L-Jetronic, LH -Jetronic und Motronic als integriertes Motormanagementsystem (M- und ME-Motronic). Zentralei nspritzanlage Bei der Zentraleinspritzanlage sitzt ein elektromagnetisches Einspritzventil an zentraler Stelle vor der Drosselklappe (Einzelpunkteinspritzung, Single Point Injection) und spritzt den Kraftstoff intermittierend in das Saugrohr ein (Bild 2). Die Bosch-Zentraleinspritzsysteme werden als Mono-Jetronic bzw. Mono-Motronic bezeichnet.

67

Übersicht

Innere Gemischbildung Bei Direkteinspritzsystemen wird der Kraftstoff durch elektromagnetisch betätigte Einspritzventile direkt in den Brennraum eingespritzt. Jedem Zylinder ist ein Einspritzventil zugeordnet (Bild 3). Die Gemischbildung findet innerhalb des Brennraums statt. Die Gemischbildung im Brennraum erlaubt zwei völlig unterschiedliche Betriebsarten: Im Homogenbetrieb liegt wie bei der äußeren Gemischbildung im gesamten Brennraum homogenes Gemisch vor; die gesamte im Brennraum verfügbare Frischluft nimmt am Verbrennungsvorgang teil. Daher wird diese Betriebsart bei hoher Drehmomentanforderung verwendet. Im Schichtbetrieb muss das Gemisch nur im Bereich um die Zündkerze zündfähig sein. Im übrigen Teil des Brennraums befindet sich nur Frisch- und Restgas ohne unverbrannten Kraftstoff. Im Leerlauf- und Teillastbereich ergibt das ein insgesamt sehr mageres Gemisch und damit eine Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs. Zur Steuerung der Motoren mit BenzinDirekteinspritzung wird die MED-Motronic eingesetzt.

Direkteinspritza nlage

ZenlraJelnsprilzanlage

Bild 2

3

t

4

Kraftstoff

2

luft

3

Drosselklappe

4

Saugrohr

5

Einspntzventil

6

Motor

Bild 3

,..« ｾ＠

ｾ＠

::E ::::J

ｾ＠

i

1 2

Kraftstoff

ｾ＠

3

Drosselklappe (EGAS)

6

::E

4

Saugrohr

5 6

Einspritzventile

.:. ｾ＠ ;;; ::::J

ｾ＠

luft

MOlor

68

Benzineinspritzung im Überblick

Anfänge der Gemischbildung

Anfänge der Gemischbildung In der Zeit, als die ersten atmosphärischen Maschinen von verschiedenen Erfindern entworfen wurden, stellte sich in diesem Zusammenhang auch das Problem der Bildung eines zündfähigen Gemischs. Insbesondere von der Lösung dieses Problems im Zusammenhang mit dem Zündmechanismus hing es ab, ob ein solcher Motor mit innerer Verbrennung überhaupt laufen konnte. Der Vergaser in seinen Grundzügen wurde schon im 18. Jahrhundert entwickelt. Damals versuchte man, flüssige Stoffe so zu verdampfen, dass damit eine BeleuchtungsPrinzip eines Dochtvergasers

8

7

11-- - - 2

Bild 1 Krallslofl-Luh-

6

Gemisch zum Motor 2

RIngschieber

3

LuflelnlnU

4

Dochl

5

3

ＱｴＺｉ

SchwImmergehäuse mit Schwimmer

6

Kraft.loffzufuhrung

7

Zusalzluft

8

Drosselklappe

Ｘｩｾｊｉ］＠

ｾ ＺｊｴＮ［ＸＭ

Ｍ

4

i ｾ＠

et

5

Prinzip eines Oberllächenvergasers

Bild 2 I

Luftelntfltl

2

Kraft'loH·Lull-

7

3 4

Gemisch zum MOlor

3

KraftSloHabscheider

4

Schwimmer

5 6 7

Krallsloff Abgase vom MOlor E,nlüll'lutzen für BenZin

5

ii


et

oder Heizeinrichtung betrieben werden konnte. Als erster regte Robert Street im Jahr 1795 an, in einer atmosphärischen Maschine Terpentin oder Teeröl zu verdampfen. Samuel Morey und Eskine Hazard entwickelten um 1825 einen Zweizylindermotor; dafür konstruierten sie auch den ersten Vergaser, der unter der Nummer 5402 patentiert wurde (britisches Patent). Bis zu diesem Zeitpunkt funktionierten diese Gemischbildungssysteme vorwiegend mit Terpentin oder Petroleum als Treibstoff. Dies änderte sich jedoch im Jahr 1833, als es dem Chemieprofessor Eilhard Mitscherlich aus Berlin gelang, Benzoesäure thermisch zu spalten. Er erhielt dadurch den so genannten Faraday'schen Kohlenwasserstoff und nannte ihn Benzin. Der erste Vergaser für Benzin wurde von William Barnett entworfen; er erhielt dafür 1838 das Patent Nr. 7615. Die erwähnten Entwicklungen stellten in dieser Zeit entweder Dochtvergaser (Bild 1) oder Oberflächenvergaser (Bild 2) dar. Der erste Vergaser, der in einem Fahrzeug benutzt wurde, war ein Dochtvergaser. Sein Docht saugte den Kraftstoff, ähnlich wie bei einer Öllampe, an. Dieser Docht führte durch einen Luftstrom im Motor, wodurch sich Luft und Kraftstoff vermischten. Im Oberflächenvergaser hingegen, bei dem der Kraftstoff durch die Abgase des Motors erhitzt wurde, entstand dadurch an der Oberfläche des Kraftstoffs eine Dampfschicht, die sich durch einen Luftstrom wieder zu dem nötigen Luft-KraftstoffGemisch zusammenfügte. 1882 meldete dann Siegfried Marcus in Berlin den von ihm entwickelten Bürstenvergaser (Bild 3) zum Patent an. In diesem Gemischbildner sorgt eine über das Antriebsrad (1) getriebene schnell rotierende kreisrunde Bürste (3) im Zusammenspiel mit einem Abstreifer (2) für die Bildung von Kraftstoffnebel in der Bürstenkammer (4). Dieser wird über den Stutzen (5) vom Motor angesaugt. Der Bürstenvergaser konnte sich über ca. elf Jahre behaupten.

Benzineinspritzung im Überblick

69

Anfänge der Gemischbildung

Bürslenvergaser 'Yon Slegfried Marcus

Bild 3

1885 hatte Nikolaus August Ottos Ringen um den mit kohlenwasserstofthaltigen Kraftstoffen (Spiritus/Benzin) betriebenen Verbrennungsmotor Erfolg; dieses Ziel hatte er sich bereits 1860 gesetzt. Der erste mit einem Oberflächenvergaser und elektrischem Zündapparat eigener Konstruktion ausgerüstete und nach dem Viertaktverfah-

ren arbeitende Benzinmotor (Ottomotor) wurde auf der Weltausstellung in Antwerpen mit hoher Anerkennung ausgezeichnet. Diese Konstruktion ist von der Firma Otto & Langen, Deutz, in zahlreichen Exemplaren über viele Jahre gebaut und vertrieben worden (Bild 4).

I

Anlnebsrad

2

Abweiler

3

rOlierende BürSle

4

Bü rSlenkammer

5

Ansaugslul2en

Bi ld 4 A

Vergaser

B

MOlor mit Zündanlage

Benzinmotor von Nikolaus Augusl Quo

1 Lulteinlrill

2 Lultrohr 3 Kieslopf IFlammenscl1ul2) 4 Wassert richter 5 EinlüllslUtzen lür Kraflsloff 6 Schwimmer Benzingefäß 8 Zuleitung der

Auspuffgase

9 Hahn 10 Untersatz zum

Beheizen lt Kühlwassermantel 12 Wasserrohrlauf 13 Kühlwassereintritt

8

17

14 Gaseinlritt

ｾ＠

;;; :::E

:>

=

15 Zündappara! 16 Gashahn 17 Lufleintritt 18 Lufthahn

70

Benzineinspritzung im Überblick

Anfänge der Gemischbildung

Im gleichen Jahr baute earl Benz in seinen ersten Patent-Motorwagen (Bild 5) einen Oberflächenvergaser eigener Konstruktion ein. Kurze Zeit später verbesserte er die Erstausrüstung seines Vergasers mit einem Ventilschwimmer, "um den Benzinstand selbstständig stets auf gleicher Höhe zu halten". 1893 stellte Wilhelm Maybach seinen Spritzdüsenvergaser vor (Bild 7). Bei diesem wurde der Kraftstoff aus einer Kraftstoffdüse auf eine Prallfläche gesprüht, wodurch sich der Kraftstoffkegelförmig verteilte (Bild 8).

Oberflächenverg.ser von 18B5 (Schnittmodell)

Spritzdüsenvergaser von Wilhelm Maybach

2

8

7

3

4

6

5

Bild 1

Lulleinlass

2 3

Krallslolfzulauf federnder Tupfer

4

Gemischaustrill

5

Drehschieber-

6

Drehschieber fOr

arretierung

7

Schwimmer Spritzdüse

>-

::;

"

'" '"

Gemischregelung

8

.. " >-

ｾ＠

:::>

:i!

'"

::; :::>

411

Benzineinspritzung im Überblick

1906/07 erschienen der Claudel-Vergaser und die Vergaserkonstruktion von Fran'Y0is Bavery, die für weiteren Fortschritt im VerPnl"lZlp eInes Spntzdüsenvergasers

2

3

4

71

Anfänge der Gemischbildung

gaserbau sorgten. In diesen Vergasern, die später unter der Bezeichnung "ZENITHVergaser" ein Begriff wurden, liefert bei steigen der Luftgeschwindigkeit die kraftstoffverarmende Neben- oder Ausgleichsdüse ein fast unveränderliches Gemisch (Bild 9). In die gleiche Zeit fiel auch die Anmeldung der Vergaserpatente von Mennesson und Goudard. Ihre Konstruktionen erlangten unter dem Markennamen SOLEX Weltruf (Bild 10). In den folgenden Jahren entstanden eine große Anzahl von Vergaserkonstruktionen. Einige davon sollen genannt sein: SUM, CUDELL, FAVORIT, ESCOMA, GRAETZIN. Nachdem 1906 der HaakVergaser patentiert und von der Firma PALLAS gebaut worden war, entwickelten Schüttler und Deutrich im Jahr 1912 PALLAS-Vergaser mit Ringschwimmer und Kombinationsdüse (Bild 11). Im Jahr 1914 schrieb das Königlich Preußische Kriegsministerium einen Wettbewerb für Benzol-Vergaser aus. Schon damals enthielten die Prüfbedingungen die Auflage, die Reinheit der Abgase zu beachten. Unter 14 verschiedenen Konkurrenzfabrikaten, die alle auf dem Prüfstand der Technischen Hochschule in Charlottenburg sowie in gleich starken Wagen von der Deutschen Heeresverwaltung auf einer 800 km langen schwierigen Winterfahrt geprüft wurden, erhielt ein ZENITH -Vergaser den 1. Preis zuerkannt.

Bild 8 Kraftstoff·Luft Gemisch zum Motor

2

Pralllläche

3

Kraftstolfdüse

4

Luftolntfltt

(Sprotzduse)

5

Schw.mmergehäuse mi t SchWimmer

6 7

Kaftstoffzulührung Drosselklappe

72

Benzineinspritzung im Überblick

Anfänge der Gemischbildung

In der darauf folgenden Zeit begann die vielseitige Detailarbeit und Spezialisierung. Verschiedene Bauarten und Zusatzeinrichtungen wurden entwickelt, z. B. Drehschieber und Vordrosseln als Starthilfen, Membransysteme anstelle des Schwimmers für Flugvergaser, Pumpensysteme als Beschleunigungshilfen. Die Vielfalt der Modifikationen ist so umfangreich, dass sie den Rahmen dieses Kapitels sprengen würde. In den 1920er-Jahren kamen zur Verwirklichung höherer Motorleistung Einfach- und Doppelvergaser (Vergaser mit zwei Drosselklappen) als Mehrfachvergaseranlagen zum Einsatz (mehrere synchron angesteuerte Einfach- oder Doppelvergaser). In den folgenden Jahrzehnten nahm die Vielfalt der Vergaservarianten der einzelnen Hersteller immer mehr zu. Parallel zu den Vergaserweiterentwicklungen wurden für Flugmotoren in den 1930erJahren die ersten Benzineinspritzsysteme mit Direkteinspritzung entwickelt (Beispiel Bild 12). Für diesen Motor wurden zwei 12Zylinder-Reiheneinspritzpumpen benötigt, welche jeweils auf dem Kurbelgehäuse

zwischen den Zylinderbänken angebracht waren (im Bild 12 nicht sichtbar). Eine solche Pumpe ist in Bild 13 zu sehen; sie hat eine Baulänge von ca. 70 cm. Auch in der legendären dreimotorigen Ju 52 haben Ende der 1930er-Jahre Direkteinspritzsysteme in Verbindung mit 9-Zylinder-Sternmotoren von BMW (Bild 14) Anwendung gefunden. Besonders beachtenswert ist die Boxer-Bauform der mechanischen Einspritzpumpe (Bild 15) von Bosch. 12·Zyhnde,·Relnenelnspntzpumpe (Länge ca, 70 cm)

Augmoto, von Daimler· Benz mit 24 Zylindern in Reihen·X·Bauform, Typ OB 604

Bild 12 Dieser Flugmolor wurde von 1939 bis 1942 von der Dalmler·8enz AG

produziert. Es gab Varianten von 48,5 Li ter Hubraum mit

2350 PS (1741 kW) bis 50,0 Li ter Hubraum mit

3500 PS (2593 kW) , alle mit Benzlnd,rekteinspri tzung von Bosch. Der Motor hatte eine Gesamtlänge von 2,15 m _

(Boldquelle: DalmlerChrysler Classoe. Konzernarchiv)

Benzineinspritzung im Überblick

Anfänge der Gemischbildung

Gulbrod Superior 600 Cabrio (1950- '954; ab 1952 mil Direkleinsprilzung)

Gol,alh GP700E (1951-1957; ab 1954 mll Direklelnspnlzung)

Bosch-Elnspritzpumpe in (Länge ca. 35 cm) ｂｯｸ･ｲ

ｾ ｂ｡ｵｦｯｲｭ＠

Diese Art der Einspritzsysteme, die mit direkter Einspritzung arbeiteten, tauchten in den 50er-Jahren auch in Pkws auf. Zu nennen wäre hier der "Gutbrod Superior Wagen", der 1952 auf den Markt kam (Bild 16), sowie der Goliath GP700E, der 1954 vorgestellt wurde (Bild 17). Diese beiden Fahrzeuge waren Kleinwagen, in denen 2-ZylinderZweitaktmotoren mit weniger als einem Liter Hubraum eingebaut waren. Entsprechend klein war auch die jeweilige Einspritzpumpe (Bild 18).

Die Komponentenübersicht dieses Zweizylinder-Einspritzsystems, das als erstes Benzin-Direkteinspritzsystem in Personenkraftwagen in die Geschichte der Automobilentwicklung einging, ist in Bild 19 (nächste Seite) ersichtlich.

73

74

Benzineinspritzung im Überblick

Anfänge der Gemischbildung

Komponenten der BenLln·Dlrektelnspnlzung von Bosch für die Zweitaktmotoren Im Gutbrod und Golialh

5

Bild 19 Entlüftungsleitung Membranblock des Gemischreglers 3 EntiOftungsleitung 4 vom Kraftsloffbehälter 5 Einsprilzventil

6 Kraflsiofffilter 7 Klappenslulzen des Gemischreglers 8 vom Ölbehälter 9

ÖI-Schm,erpumpe

10 E,nspritzpumpe 11 ÜberSlrömvenlil

Aber auch im Sportwagen Mercedes-Benz 300SL (Bild 17) war eine Benzin-Direkteinspritzung von Bosch eingebaut. Er wurde am 6. Februar 1954 auf der International Motor Sports Show in New York der Weltöffentlichkeit vorgestellt. Sein gegenüber der Vertikalen um 50 0 geneigte 6-ZylinderReihenmotor (MI98/11) hatte 2996 ccm Hubraum und leistete 215 PS (159 kW).

Bild 20 Bildquelle: DaimlerChrysler Classic. Konzernarchiv

Eine ganz andere Facette der Gemischbildung für Benzinmotoren kam in der letzten Zeit des Zweiten Weltkriegs und einige Zeit danach auf: die Holzvergaseranlagen. Das Holzgas der glimmenden Holzkohle wurde genutzt, um ein zündfähiges Gemisch zu bilden (Bild 21). Die Baugröße dieser Anlagen war allerdings nicht zu übersehen (Bild 22).

Benzineinspritzung im Überblick

Anfänge der Gemischbildung

75

Schema eIner HOlzvergaseranlago

Bild 2 1 1

Aufgrund immer strenger werdender Abgasnormen hat sich die Automobilindustrie zusehens vom Vergaser abgewandt. Es gab jedoch Anfang der 1990er-Jahre auch eine erfolgreiche Entwicklung von Bosch und Pierburg, die einen modifizierten herkömmlichen Vergaser mit modernen Aktoren versah: den Ecotronic-Vergaser (Bild 23). Mit ihm war es möglich, bei sparsamem Verbrauch die damals gültigen Abgasnormen einzuhalten.

Zum Abschluss dieses kurzen Rückblicks auf die Geschichte der Gemischbildung bliebe noch zu erwähnen, dass die verschiedenen Vergasertypen bis in die 1990erJahre hinein in die Fahrzeuge eingebaut wurden. Besonders bei den Kleinwagen fand der Vergaser wegen seiner Kostenvorteile lange Verwendung.

Gaserzeuger

2

Prallblechreiniger

3

AbSttzbehälter

4

GaskOhler

5

Nachreiniger

6

Anfachgebläse

7

Reglergruppe

76

Benzineinspritzung im Überblick

Benzineinspritzsysleme im Wandel der Zeit, D-Jetronic

Benzineinspritzsysteme im Wandel der Zeit Bereits um 1885, als die erste Saugrohreinspritzung bei einem stationären Industriemotor Einzug hielt, hat sich in der Welt der Benzineinspritzsysteme vieles verändert. Man versuchte sich 1925 mit einem in Flugzeugmotoren eingebauten schwimmerlosen Vergaser mit angebauter Einspritzvorrichtung, 1930 mit einer elektrisch angesteuerten Einspritzung in einem Rennmotorrad, bis dann schließlich Bosch 1951 eine mechanisch angetriebene Benzineinspritzpumpe für den Gutbrod Superior 600 und Goliath GP 700 entwickelte. Dies waren die ersten Pkw mit Benzineinspritzung, ausgeführt als Direkteinspritzung. Auch der legendäre Mercedes 300 SL war mit einer BenzinDirekteinspritzung mit mechanischer Reihenpumpe ausgestattet. über verschiedene Entwicklungsstufen der Saugrohreinspritzsysteme, die im Folgenden beschrieben werden, fuhrt der Weg derzeit wieder hin zu direkteinspritzenden Systemen.

An lagenschema O ·Jetm nic

Bild 1 I

Eleklronisches Sleuergeräl

2 EinsprilZllenlil 3 Drucksensor 4 Temperalurscnsor

Kühlwasser

5 Thennoschaller I ThennozeilschaJter 6 Elektrostartventil 7 ElektrokraftsloHpumpe

8 Kraftsiofffilter 9 Kraftsloffdruckregler 10 ZusalZluftschieber 11 Drosselklappenschaller 12 Einspritzauslöser 13 Lufltemperalursensor

D-Jetronic System übersicht Das druckgesteuerte Einspritzsystem, welches 1967 im VW 1600 LE auf den deutschen Markt kam, war das erste System mit einer Regelung über ein elektronisches Steuergerät. Der Drucksensor (damals "DruckfühlerU) misst den Druck im Ansaugrohr und gibt diesen Wert als repräsentative Größe für den Lastzustand des Motors an das Steuergerät weiter; daher der Name D-Jetronic.

Das elektronische Steuergerät (Bild 1, Pos. 1) empfängt Signale über Saugrohrdruck, Ansauglufttemperatur, Kühlwasser- bzw. Zylinderkopftemperatur, Stellung und Bewegung der Drosselklappe, den Startvorgang sowie über Motordrehzahl und Einspritzzeitpunkt. Es verarbeitet diese Daten und sendet elektrische Impulse an die Einspritzventile (2). Das Steuergerät ist mit den elektrischen Aggregaten über einen Vielfachstecker und Kabelbaum verbunden. Es enthält etwa 300 Bauelemente, davon ca. 70 Halbleiter.

Benzineinspritzung im Überblick

Die Einspritzventile (2) spritzen den Kraftstoff in die Saugrohre der Zylinder. Der Drucksensor (3) gibt Daten über die Motorbelastung an das Steuergerät. Die Temperatursensoren (4) melden die Temperaturen von Luft (13) und Kühlwasser (4) an das Steuergerät. Der Thermoschalter oder auch Thermozeitschalter (5) schaltet das Elektrostartventil (6), welches während des Startens bei niedrigen Temperaturen zusätzlich Kraftstoff in das Ansaugrohr einspritzt. Die Elektrokraftstoffpumpe (7) fördert stetig Kraftstoff zu den Einspritzventilen. Das Kraftstofftilter (8) ist zur Kraftstoffreinigung in die Kraftstoftleitung eingebaut. Der Kraftstoffdruckregler (9) hält den Druck in den Kraftstoftleitungen konstant. Der Zusatzluftschieber (10) sorgt temperaturabhängig für zusätzliche Luft während des Warmlaufens. Der Drosselklappenschalter (11) signalisiert dem Steuergerät Leerlauf, Beschleunigung und Volllast. Der Einspritzauslöser (12) sitzt im Zündverteiler und gibt dem Steuergerät Impulse für den Einspritzbeginn und die Information über die Motordrehzahl.

Arbeitsprinzip Bei der von Bosch entwickelten D-Jetronic handelt es sich um eine vorwiegend durch Saugrohrdruck und Drehzahl gesteuerte Benzineinspritzung. Im Saugrohr herrscht vor der Drosselklappe der atmosphärische Druck der Umgebung, hinter der Drosselklappe ein niedrigerer Druck, der sich in Abhängigkeit der Drosselklappenstellung verändert. Für die Ermittlung der wichtigsten Information, der Motorbelastung, dient dieser niedrigere Druck im Sammelsaugrohr als Messgröße. Er ist ein Maß für das Volumen der angesaugten Luft und damit der Motorbelastung. Die Information über den Druck im Sammelsaugrohr ermittelt der Drucksensor. Die Anlage heißt deshalb "drucksensorgesteuerte" oder kurz "D-Jetronic".

77

D·Jetronic

Einspritzzeitpu nkt Besondere Kontakte im Zündverteiler bestimmen - entsprechend der Nockenwellensteuerung - den Beginn des Impulses zum Öffnen der Einspritzventile (Bild 2). Diese Kontakte befinden sich unter der fliehkraftabhängigen Verstelleinrichtung im Zündverteiler und werden durch einen Nocken auf der Verteilerwelle betätigt. Außerdem erhält das Steuergerät über den zeitlichen Abstand der Auslöseimpulse Informationen über die Motordrehzahl, die unter anderem zur Errechnung der Einspritzdauer mit herangezogen wird. Einspritzdauer Die Einspritzdauer wird hauptsächlich von zwei Faktoren bestimmt: vom Lastzustand des Motors und der Drehzahl. Drucksensor und Einspritzauslöser liefern die erforderlichen Signale an das Steuergerät. Dieses lässt über elektrische Impulse nach errechneter Dauer die Einspritzventile mehr oder weniger Kraftstoff einspritzen. Auf diese Weise wird die "Kraftstoffgrundmenge" festgelegt. Zündverleiler m.1 EmspnlZauslöser

ｾＢ

ｾＱｬｩＡＮ ｾ

ｮｲ

Ｍ ｾ

Ｓ＠ Ｍ

Ｔ＠

Bild 2 1

Unlerdruckdose

2

Einspritzauslöser

3

Verteilerläufer

4

Unlerbrecherkonlakl

5

fliehkraflabhäng;ger

6

Versleller Nocken

Benzineinspritzung im Überblick

78

o

360

D-Jetronic

360 °KW 720 ｾ＠

720

ｾ＠

KurbelwellensteIlung •

Einlassventil ＧＪｾ＠ geöffnet

Einspritzbeginn

f

Zündzeitpunkt ｾ＠

ｾ＠

Grundsätzlich muss beachtet werden: Den Beginn der Einspritzung bewirkt der Einspritzauslöser im Zündverteiler. Die Dauer der Einspritzung - und damit die Einspritzmenge - bestimmt der Drucksensor über den elektronischen Zeitschalter im Steuergerät. Während der Impulsdauer ist die Einspritzventilgruppe geöffnet (Bild 3).

Bild 4

Druck ensor Das Messsystem des Drucksensors (Bild 4) ist in einem dichten Metallgehäuse eingebaut, das über eine Leitung mit dem Sammelsaugrohr des Motors in Verbindung steht (Bild 5). Der Drucksensor enthält zwei Membrandosen (Bild 4, Pos. 2, 3), die den Anker (6) einer Spule (5) verschieben. Mit zunehmender Last, d. h. mit zunehmendem Druck im Sammelsaugrohr werden die Membrandosen zusammengedrückt und der Anker

1 Membran

2 Membrandose 3 Membrandose 4 BlaUfeder 5 Spule

Drucksensor mit z usätzlicher Membran für Voillaslanreicherung

4

6 Anker 7 Kem

8 Teillaslanschlag 9 Voillaslanschlag 10 Ven ..1

Bild 5 f'c

almosphärischer Druck

1"1 Druck im Sammelsaugrohr ,

Drosselklappe

2

Temperalursensor

3

Drucksensor

9

8

765

weiter in die Spule gezogen, wodurch sich deren Induktivität verändert. Es handelt sich somit um einen Messwandler, der ein pneumatisches Signal in ein elektrisches umwandelt. Der Induktivgeber des Drucksensors ist an einen elektronischen Zeitgeber im Steuergerät angeschlossen . Dieser bestimmt die Dauer der elektrischen Impulse zur Ansteuerung der Einspritzventile. Damit wird der Saugrohrdruck unmittelbar in die entsprechende Einspritzdauer umgewandelt. Bei geschlossener Drosselklappe ist der Saugrohrdruck niedrig. Die Membrandosen sind weniger stark zusammengedrückt und schieben den Anker aus der Spule (Bild 6). Die Induktivität der Spule nimmt ab, der Impuls wird kürzer, die Ventile spritzen weniger Kraftstoff ab.

Anpassung an BetriebSbedingungen Volllast Bei Teillastbetrieb des Motors wird der Kraftstoff so bemessen, dass der Kraftstoffverbrauch und der Anteil unverbrannter Abgasbestandteile möglichst gering ist. Bei Volllast dagegen wird die Kraftstoffmenge nach der maximalen Leistung festgelegt, d. h. bei Volllast muss zusätzlich Kraftstoff eingespritzt werden.

Benzineinspritzung im Überblick

Die Information für diese Volllastanreicherung (Druckverhältnisse im Saugrohr) gibt der Drucksensor. Gesteuert vom Membranteil verändert sich die Induktivität der Spule. Im Teillastbereich (Bild 7) ist der Atmosphärendruck po größer als der Druck im Saugrohr P1' Die Membran legt sich infolgedessen an ihren Teillastanschlag an. Nur die Membrandosen 1 und 2 wirken auf den Anker. Im Volllastfall (Bild 8) ist der Saugrohrdruck etwa gleich dem atmosphärischen Druck. Die Feder ist dann in der Lage, die Membran gegen ihren Volllastanschlag zu drücken. Diese zusätzliche Bewegung überlagert sich der Bewegung durch die Membrandosen 1 und 2 und signalisiert dem Steuergerät den Volllastfall. Bei Anlagen, die verschärften Abgasbedingungen unterliegen, wird die Volllastanreicherung durch einen weiteren Kontakt im Drosselklappenschalter gesteuert. Dadurch entfällt der Membranteil des Drucksensors für die Volllastanreicherung. Höhenkorrektur In Anlagen mit Volllastanreicherung über den Drosselklappenschalter enthält der Drucksensor keine Doppelmembrandose, sondern eine geschlossene Membrandose und eine weitere, gegenüber der freien Atmosphäre offene Membrandose. Damit wird nicht allein der Druck im Saugrohr, sondern auch der Differenzdruck zwischen freier Atmosphäre und Sammelsaugrohr mit berücksichtigt. In der Praxis heißt dies, dass im Teillastbereich eine weitaus bessere Anpassung des Motors an unterschiedliche Höhenlagen erreicht wird. Beschleunigung Beim Öffnen der Drosselklappe - also beim Beschleunigen - meldet der Drucksensor den Druckanstieg mit einer geringen Verzögerung an das Steuergerät. Diese geringe Ansprechverzögerung ist deshalb vorhanden, weil der Druckaufbau im Drucksensor gegenüber der Drosselklappenänderung eine gewisse Zeit erfordert. Um diese geringe

79

D-Jetronic

Bild 6 Grundlunktion: Membrandosen 2 und 3 gedehnt

.'" >-

1

Membran

2

Membrandose

3

Membrandose

4

Blallfeder

5

Spule

6

Anker

7 8

Teillastanschlag

9

Volllastanschlag

Kern

CI>

9

p.

8

7

Drucksensor bei Teillast P,

6

5

" = ::E

;;>

Po almosphärischer Druck P, Saugrohrdruck

Po

Bi ld 7 Grundlunktion : Membrandosen 2 und 3 leicht zusammen· gedrückt ; Zusal2:funktion:

Membran 1 lieg I am Teillastanschlag an

Po atmosphärischer Druck PI

Saugrohrdruck

Drucksensor bei Volllast p, -= Pe

Bild 8 Grundlunktion: Membrandosen 2 und 3

zusammengedruckt; Zusatzfunklion:

Membran 1 liegl am Volllastanschlag an

Pe atmosphlirischer Druck PI

Saugrohrdruck

80

Benzineinspritzung im Überblick

D-Jetronic

Drosselklappensehaller

Bild 9 1

Konlaklbahn für Beschleunigungsanrelcherung

2

Volllasikonlaki

3

Leerlaufkonlakl

Ansprechverzögerung zu überbrücken, ist ein Drosselklappenschalter vorhanden, der beim Öffnen der Drosselklappe über das Steuergerät für zusätzliche Einspritzimpulse sorgt.

Drosselklappenschalter Der Drosselklappenschalter ist mit Schleifkontakten und Kontaktbahnen ausgerüstet. Er wird entsprechend der Drosselklappenbewegung unmittelbar durch die Drosselklappenwelle betätigt.

Beim Beschleunigen greift der Schleifkontakt die kammförmigen Kontaktbahnen ab und bewirkt dadurch sowohl eine Verlängerung der Einspritzzeit als auch zusätzliche Einspritzimpulse für die Beschleunigungsanreicherung.

Ansallglllfttemperatur Die Einspritzmenge wird in erster Linie durch den Saugrohrdruck gesteuert. Jedoch gilt die Steuerung der Kraftstoffmenge exakt nur für eine konstante Temperatur, denn bei niedriger Außentemperatur ist die Dichte der angesaugten Luft höher. Das Luft-Kraftstoff-Gemisch würde abmagern, wenn die Steuerung die Lufttemperatur nicht berücksichtigen würde. Vor allem bei Außentemperaturen von 0 oe bis -20 oe kann dies zu Verbrennungsaussetzern führen. Um diesen Nachteil zu vermeiden, wird ein Temperatursensor eingebaut. Mit abnehmender Lufttemperatur (höherer Luftdichte) bewirkt dieser Temperatursensor über das Steuergerät eine Zunahme der Einspritzmenge entsprechend der Luftdichte. Der Temperatursensor besteht aus einem in ein Metallgehäuse eingebauten temperaturabhängigen Widerstand.

Benzineinspritzung im Überblick

Einspritzgeschichte(n)

Die Benzineinspritzung hat eine lange Vergan-

1967 gelang der Benzineinspritzung ein

genheit. Bereits 1898 fertigte die Gas-

weiterer Schritt nach vorn: das erste elektroni-

motorenfabnk Deutz Stempel pumpen zur

sche EInspritzsystem: die vom Saugrohrdruck

Benzineinspritzung In kleinen Stückzahlen _

gesteuerte D-Jetronicl

Nachdem man wenig später das heutige VergaserprinzIp entdeckte, war d ie Benzinein-

1973 kam dann die luftmengenmessende L-Jetronic auf den Markt, zeitgleich mit der

spritzung beim damaligen Stand der Technik

mechanlsch'hydraulisch gesteuerten

nicht mehr konkurrenzfähig _

K-Jetronic , ebenfalls ein luft mengen-

Bei Boseh fiel bereits 1912 der Startschuss für die ersten Versuche an Benzin-Einspntzpumpen. 1937 ging dann der erste Flugzeugmotor, 1200 PS Leistung, mit Bosch-Benzin-

messendes System. 1976 erhielt die K-Jetronic als erstes System eine Lambda-Regelung. 1979 wurde ein neues System eingeführt:

einspritzung in Serie. Die Unsicherheit der

die Motronic mit der digitalen Verarbeitung

Vergasertechnik wegen Vereisung und Brand-

vieler Motortunktionen. Dieses System ver-

gefahr hatte die Entwicklung der Benzin-

band die L-Jetronic und eine elektronische

einspritzung gerade In diesem Bereich

Kennfeldzündung. Der erste Mikroprozessor

gefördert. Die e igentlicheÄra der Bosch-

in einem Automobil!

Benzineinspritzung begann, doch bis zur

1982 wurde die um einen elektrOnischen

BenzIneinspritzung In einem Pkw war es noch

Regelkreis und die Lambda-Sonde erweiterte

ein weiter Weg.

K-Jetronic als KE-Jetronic angeboten.

1952 wurde eine Bosch-Direkleinspritzung

kostengünstiges Zentraleinspritzsystem , das

zum ersten Mal serienmäBig in einen Klein-

die Ausrüstung mit Jetronic auch bei kleineren

Ab 1987 kam die Mono-Jetronlc hinzu: ein

wagen eingebaut. Dann folgte der Einbau Im

Fahrzeugen möglich machte und den Vergaser

legendären 300 SL, einem Serien sportwagen

endgültig verdrängte.

von Daimler-Benz. In den Folgejahren wurden die mechanischen Einspritzpumpen immer weiterentwickelt und ._. Ek>sch·Benzineinspritzung aus dem Jahre 1954

81

82

Benzineinspritzung im Überblick

K-Jetronic

K-Jetronic Systemübersicht

Die K-Jetronic ist ein mechanisch-hydraulisch gesteuertes Einspritzsystem, das den Kraftstoff in Abhängigkeit von der angesaugten Luftmenge zumisst und kontinuierlich vor die Einlassventile des Motors spritzt. Bestimmte Betriebszustände des Motors erfordern korrigierende Eingriffe in die Gemischbildung, die die K-Jetronic zur Optimierung von Start- und Fahrverhalten, Leistung und Abgaszusammensetzung vornimmt. Wegen der direkten Luftmengenmessung berücksichtigt die K-Jetronic auch motorische Veränderungen und gestattet die Verwendung von Einrichtungen zur Abgasreinigung, für die eine genaue Messung der Ansaugluftmenge Voraussetzung ist. Die K-Jetronic wurde ursprünglich als rein mechanisch arbeitendes System konzipiert und später mit elektronischer Zusatzausrüstung ausgestattet, welche auch die Lambda-Regelung realisiert.

Bild I 1

K,altsloffbehlille,

Das Einspritzsystem K-Jetronic umfasst folgende Funktionsbereiche: • Kraftstoffversorgung, • Luftmengenmessung und • Kraftstoffzumessung. Kraftstoffversorgung Der Kraftstoff wird durch eine elektrisch angetriebene Kraftstoffpumpe (Bild I, Pos. 2) über einen Kraftstoffspeicher (3) und ein Filter (4) zu einem Mengenteiler (9) gefördert, der den Kraftstoff den Einspritzventilen (6) der einzelnen Zylinder zuteilt. Luftlllengenlllessung Die vom Motor angesaugte Luftlllenge wird über die Drosselklappe (16) gesteuert und von einem Luftmengenmesser (10) gemessen. KraftstoffzlIlllessung Als Kriterium für die Kraftstoffzumessung dient die vom Motor entsprechend der DrosselklappensteIlung angesaugte Luftmenge. Sie wird vom Luftmengenmesser gemessen, der den Mengenteiler steuert. Luftmengenmesser und Mengenteiler sind Teile des Gemischreglers.

2 Eleklrok,afl sloffpumpe

Anlagenseherna K-Jetronic mit Lambda' Regelung

3 KrallsloHspelehe, 4 KrallstofHilte' 5

Wa,mlaul,egler

6 Elnspnt",enlil 7

Sammelsaugrohr

8

ｋ ｡ｬ ｴ ｳ ｬ｡ｾＮ

･ｮｴ

ｬ＠

9 Krafl slolfmengenteller 10 Luflmengenmesser

I t Taktve nhl t 2 Lambda- Sonde t3 Thermozeilsehaller t4 Zilndverleller t5 Zusatzlultschleber 16 D,osselklappe mol Drosselklappen· schalter (lur Variante mit

lambda-Regelung) 18 Zund·Start·Scnaller 19 Ballene

.. ｾ＠

17 Sieuergoräl

ｾ＠ ｾ＠

::l

=

Benzineinspritzung im Überblick

K·Jetronic

Das Einspritzen des Kraftstoffs erfolgt kontinuierlich, d. h. ohne Rücksicht auf die Stellung des Einlassventils. Bei geschlossenem Einlassventil wird das Gemisch "vorgelagert". Zur Anpassung an verschiedene Betriebszustände wie Start, Warmlauf, Leerlauf und Volllast erfolgt eine Steuerung der Gemischanreicherung. Zusätzlich sind Ergänzungsfunktionen wie Schubabschaltung, Drehzahlbegrenzung und Lambda-Regelung möglich.

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. Eine Sicherheitsschaltung vermeidet das Fördern von Kraftstoff bei eingeschalteter Zündung und stehendem Motor, z. B. nach einem Unfall. Die Kraftstoffpumpe befindet sich in unmittelbarer Nähe des Kraftstoffbehälters und arbeitet wartungsfrei.

Kraftstoffversorgung

Kraft toffspcichcr Der Kraftstoffspeicher hält nach dem Abstellen des Motors für eine gewisse Zeit den Druck im Kraftstoffversorgungssystem, um das erneute Starten - besonders des heißen Motors - zu erleichtern. Die besondere Bauweise des Speichergehäuses wirkt dämpfend auf das Kraftstoffpumpengeräusch. Der Innenraum des Kraftstoffspeichers ist durch eine Membran in zwei Kammern unterteilt. Eine Kammer dient als Speicher für den Kraftstoff. Die andere Kammer bildet ein Ausgleichsvolumen und steht über einen Entlüftungsanschluss mit der Atmosphäre oder mit dem Kraftstoffbehälter in Verbindung. Während des Betriebs ist die Speicherkammer mit Kraftstoff gefüllt. Die Membran wölbt sich dabei gegen den Druck der Feder bis zum Anschlag in den Federraum. In dieser Stellung, die dem größten Speichervolumen entspricht, verbleibt die Membran, solange der Motor läuft.

Das System zur Kraftstoffversorgung besteht aus • Elektrokraftstoffpumpe, • Kraftstoffspeicher, • Feinfilter, • Systemdruckregler und • Einspritzventilen. Eine elektrisch angetriebene Rollenzellenpumpe fördert den Kraftstoff vom Kraftstoffbehälter mit einem Druck von über 5 bar in einen Kraftstoffspeicher und durch ein Filter in den Kraftstoffmengenteiler. Vom Kraftstoffmengenteiler fließt der Kraftstoff zu den Einspritzventilen. Die Einspritzventile spritzen den Kraftstoff kontinuierlich in die Ansaugkanäle des Motors. Daher die Systembezeichnung K-Jetronic (kontinuierlich). Beim Öffnen der Einlassventile wird das Gemisch in die Zylinder gesaugt. Der Kraftstoff-Systemdruckregler hält den Versorgungsdruck im System konstant und leitet den überschüssigen Kraftstoff zum Kraftstoffbehälter zurück. Elcktrokraftstoffpumpe Die Elektrokraftstoffpumpe ist eine von einem permanent erregten Elektromotor angetriebene Rollenzellenpumpe. Sie fördert mehr Kraftstoff als der Verbrennungsmotor maximal benötigt, um bei allen möglichen Betriebszuständen den Druck im Kraftstoffsystem aufrechterhalten zu können. Ein Rückschlagventil in der Pumpe entkoppelt das Kraftstoffsystem vom Kraftstoffbehälter,

Kraftstofffilter Das Kraftstofffilter hält Verunreinigungen im Kraftstoff zurück, die die Funktion der Einspritzanlage beeinträchtigen könnten. Das Filter enthält einen Papiereinsatz mit einer mittleren Porenweite von 10 11m und ein nachgeschaltetes Fusselsieb.

83

64

Benzineinsprilzung im Überblick

K-Jetronic

System druckregler Der Systemdruckregler hält den Druck im Kraftstoffsystem konstant. Der im Gehäuse des Kraftstoffmengenteilers eingebaute Druckregler regelt den Förderdruck (Systemdruck) auf ca. 5 bar. Da die Elektrokraftstoffpumpe mehr Kraftstoff fördert als vom Motor verbraucht wird, gibt ein Kolben im Druckregler eine Öffnung frei, durch die der Syslemdruckregler am KraftstoffmengenteIler

a

1 2 Bild 2 a

in Ruhestellung

b

in Arbeitsstellung

1

Zulauf Systemdruck

2 3

Dichtung

ｾ＠

l1li

Regelfeder Einspntzvental

Bild 3 in Ruhestellung in Betriebsstellung

1

Ventilgehäuse

2

Filter

3

Ventilnadel

4

Ventilsitz

ｾ＠

::E ::>

Kolben

b

5

>-

ROcklauf zum Kraft-

a

4

b

stoHbehälter

4 5

3

a

überschüssige Kraftstoff zum Kraftstoffbehälter zurückfließt. Der Druck im Kraftstoffsystem und die Federkraft auf den Kolben (Bild 2, Pos. 4) des Druckreglers befinden sich im Gleichgewicht. Fördert die Kraftstoffpumpe beispielsweise etwas weniger Kraftstoff, so verkleinert der Kolben - von der Feder (5) in seine neue Lage gedrückt - den Abflussquerschnitt. Dadurch wird weniger Kraftstoff abgeführt und der Systemdruck damit wieder auf den vorgegebenen Wert geregelt. Beim Abstellen des Motors wird die Kraftstoffpumpe abgeschaltet. Der Systemdruck sinkt unter den Öffnungsdruck der Einspritzventile. Der Druckregler schließt die Rücklauföffnung und verhindert einen weiteren Druckabbau im Kraftstoffsystem. Einspritzventile Die Einspritzventile öffnen bei einem bestimmten Druck und spritzen den zugemessenen Kraftstoff in die Ansaugrohre vor die Einlassventile der Zylinder. Die Einspritzventile sind in einem Halter befestigt, der sie gut gegen die vom Motor abgestrahlte Wärme isoliert. Die Einspritzventile haben keine Zumessfunktion. Sie öffnen selbsttätig, sobald der Öffnungsdruck z. B. 3,5 bar überschreitet. Das Nadelventil (Bild 3), dessen Nadel (3) beim Einspritzen mit hoher Frequenz schwach hörbar schwingt ("schnarrt"), sorgt für eine gute Zerstäubung des Kraftstoffs selbst bei kleinsten Einspritzmengen. 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 gelangen. 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, wodurch der Kraftstoff an der Austrittstelle sehr gut zerstäubt.

Benzineinspritzung im Überblick

Kraftstoffzumessung

Aufgabe der Gemischaufbereitung ist die Zumessung einer Kraftstoffmenge, die der angesaugten Luftmenge entspricht. Die Kraftstoffzumessung erfolgt in der Grundfunktion durch den Gemischregler. Er besteht aus Luftmengenmesser und Kraftstoffmengenteiler. Bei einigen Betriebszuständen weicht der Kraftstoffbedarf aber stark vom Normalwert ab, sodass hier zusätzliche Eingriffe in die Gemischbildung erforderlich sind (siehe Abschnitt "Anpassung an Betriebszustände"). Luftm engenmesser Die vom Motor angesaugte Luftmenge ist ein Maß für dessen Leistung. Der Luftmengenmesser arbeitet nach dem Schwebekörperprinzip und misst die vom Motor angesaugte Luftmenge. Die Ansaugluftmenge dient als Hauptsteuergröße zum Bilden der Grundeinspritzmenge. Sie ist eine geeignete Größe, um den Kraftstoffbedarf zu ermitteln. Veränderungen im Ansaugverhalten des Motors bleiben daher ohne Auswirkungen auf die Gemischbildung. Da die angesaugte Luftmenge erst den Luftmengenmesser passieren muss, bevor sie in den Motor gelangt, eilt die Luftmengenmessung der tatsächlichen Luftfüllung in den Zylinder zeitlich voraus. Dies ermöglicht - neben anderen, nachfolgend beschriebenen Maßnahmen - die richtige Gemischanpassung zu jeder Zeit. Die gesamte vom Motor angesaugte Luftmenge strömt durch den Luftmengenmesser, der vor der Drosselklappe eingebaut ist. Der Luftmengenmesser besteht aus einem Lufttrichter (Bild 4, Pos. 1), in dem sich eine bewegliche Stauscheibe (Schwebekörper, Pos. 2) befindet. Die durch den Lufttrichter strömende Luft bewegt die Stauscheibe um ein bestimmtes Maß aus ihrer Ruhelage. Ein Hebelsystem überträgt die Bewegungen der Stauscheibe auf einen Steuerkolben, der die bei Grundfunktionen erforderliche Kraftstoffgrundmenge bestimmt.

85

K-Jetronic

Stetgstrom-Luftmengenmesser

Bi ld 4

a

Slauscheibe tn

Ruhestellung b

Stauschetbe In

Arbeitsstellung I

Luftlrichler

2

Slausche.be

3

Entlastungsque.. schn.tt

>-

i i< :::Ii

:::l

ｾ＠

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(3). 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 Blattfeder (7) sorgt für korrekte Nulllage in der Abstellphase. Kraftstoffmengen teiler Der Kraftstoffmengenteiler teilt die Kraftstoffgrundmenge entsprechend der Stellung der Stauscheibe im Luftmengenmesser den einzelnen Zylindern zu. Die Stellung der Staubscheibe ist ein Maß für die vom Motor angesaugte Luftmenge. Ein Hebel überträgt die Stellung der Stauscheibe auf den Steuerkolben (Bild 5, nächste Seite, Pos. 5).

4

Gemrsche. nstellschraube

5

Drehpunkt

6 7

Hebel Blattfeder

86

Benzineinspritzung im Überblick

K-Jetronic

Auf den Steuerkolben wirkt - entgegen der von der Stauscheibe übertragenen Hubbewegung - eine hydraulische Kraft, die von einem Steuerdruck erzeugt wird. Sie bewirkt unter anderem, dass der Steuerkolben der Bewegung der Stauscheibe folgt und nicht z. B. beim Abwärtshub der Stauscheibe in der oberen Endstellung bleibt. Weitere wichtige Funktionen des Steuerdrucks werden in den Abschnitten "Warmlaufanreicherung" und "Volllastanreicherung" beschrieben.

Kraltstoffmengenteiler

Bild 5 Ansaugluft 2 3

KraftsloHzulauf

Steuerd,uck

4

zugemessene Kraft-

5

Steuerkolben

6 7

Schhlzlräger

stoffmenge

Krahsloffmengen-

leller

Bild 6 t W orkung des Steuerdrucks

(Hydraulische Kraft) 2 Dämpfungsdrossel 3

Je nach 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. 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.

Lel1ung zum

Warmlaufregler

4 zum Einlassventil

Differenzdruckvenhl mit System· und Steuerdruck

5 Druck In der Oberkammer des

D.fferenzd ruckvenills (0.1 bar< Systemdruck)

6 Regelteder 7 Entkoppetdrossel 8 Druck In der Unterkammer = System-

druck (Forderdruck)

9 Mem bran 10 Wirkung der Luftkraft über H ebel der Slausche,be 11 Steuerschhtze

11

5 6 7 >-

ｾ＠ ｾ＠

i


GI!

teuerd ru ck Der Steuerdruck wird über eine Drosselbohrung vom Systemdruck abgezweigt (Bild 6). Die Drossel dient dabei zur Entkopplung von Steuerdruckkreis und Systemdruckkreis. Eine Leitung stellt die Verbindung zwischen Mengenteiler und Warmlaufregler (Steuerdruckregler ) her. Der Steuerdruck beträgt beim Kaltstart ca. 0,5 bar und wird mit zunehmender Erwärmung des Motors vom Warmlaufregler auf ca. 3,7 bar angehoben. Der Steuerdruck drückt über eine Dämpfungsdrossel auf den Steuerkolben und bildet somit die Gegenkraft zur Luftkraft, die am Luftmengenmesser auftritt. Die Dämpfungsdrossel verhindert dabei ein Schwingen der Stauscheibe infolge der Ansaugpulsation. Die Höhe des Steuerdrucks beeinflusst die Kraftstoffzuteilung. Bei geringem Steuerdruck kann die angesaugte Luftmenge die Stauscheibe weiter anheben. Dadurch werden über den Steuerkolben die Steuerschlitze (11) weiter geöffnet und dem Motor mehr Kraftstoff zugeteilt. Bei höherem Steuerdruck kann die angesaugte Luftmenge die Stauscheibe nicht so weit anheben, die Kraftstoffzuteilung ist folglich geringer. Um den Steuerdruckkreis nach dem Abstellen des Motors sicher abzudichten und den Druck im Kraftstoffsystem zu halten, befindet sich in der Rücklaufleitung des Warmlaufreglers ein Absperrventil. Es ist an den Systemdruckregler angebaut und wird durch den Kolben des Druckreglers aufgestoßen (Aufstoßventil) und während des Betriebs offen gehalten.

Benzineinspritzung im Überblick

Geht nach Abstellen des Motors der Kolben des Systemdruckreglers in seine Ruhelage, so schließt eine Feder das Aufstoßventil.

Differenzdruckven ti le 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 Kraftstoffgrundmenge im gleichen Verhältnis zur Folge haben, so muss an den Steuerschlitzen (Bild 6, Pos. 11) 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 0,1 bar. Die Differenzdruckventile ermöglichen eine hohe Zumessgenauigkeit. Als Differenzdruckventile werden Flachsitzventile verwendet. Sie befinden sich im Mengenteiler und sind je einem Steuerschlitz zugeordnet. Eine Membran trennt die Oberkammer von der Unterkammer des Ventils. Die Unterkammern aller Ventile sind durch eine Ringleitung miteinander verbunden und stehen unter Förderdruck (Systemdruck). Der Ventilsitz befindet sich in der Oberkammer. Die Oberkammern sind mit je einem Steuerschlitz und den Anschlüssen zu den Einspritzventilen verbunden. Sie sind gegeneinander abgedichtet. Die Membranen sind federbelastet. Der Differenzdruck wird durch die Kraft einer Schraubenfeder (Bild 6, Pos. 6) 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 0,1 bar ein-

K·Jetronic

87

stellt. An der Membran herrscht also Kräftegleichgewicht, das für jede Kraftstoffgrundmenge durch Regeln des Ventilquerschnitts aufrechterhalten wird. Gemi chbildung 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 Gemischs. Anpassung an Betriebszustände

über die bisher beschriebene Grundfunktion hinaus erfordern bestimmte Betriebszustände korrigierende Eingriffe in die Gemischbildung, um die Leistung zu optimieren, die Abgaszusammensetzung zu verbessern oder das Start- und Fahrverhalten zu verbessern.

Gelll isch-Grunda n passung Die Grundanpassung des Gemischs an die Betriebsbedingungen Leerlauf, Teillast und Volllast erfolgt durch eine bestimmte Gestaltung des Lufttrichters (Bild 7). 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 Volllast ein für jeweils diesen Betriebsbereich optimales Gemisch dem Motor zuzuteilen. In der Praxis bedeuTnchterkorrekluren am luftmengenmesser

>-

2

3

ｾ＠

ｾ＠

Bild 7

2 ｾ＠

=

2 3

IOrVolliasl lur Teiliasl für Leerlauf

88

Benzineinspritzung im Überblick

K-Jetronic

tet dies fettere Gemische für Leerlauf und Volllast sowie mageres Gemisch für den Teillast bereich. Diese Anpassung wird durch verschiedene Kegelwinkel des Lufttrichters im Luftmengenmesser erreicht. 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 demenstprechend so geformt sein, dass sich je nach Stauscheibenstellung (Leerlauf, Teillast, Volllast) ein unterschiedlich angereichertes Gemisch ergibt: bei Leerlauf und bei Volllast ein fetteres, bei Teillast dagegen ein magereres Gemisch (Volllast- und Leerlaufanreicherung). Kallslarlanrcichcru ng Abhängig von der Motortemperatur spritzt das Kaltstartventil während des Startens zeitlich begrenzt eine zusätzliche Menge Kraftstoff ein. Um beim Kaltstart die Kondensationsverluste des Kraftstoffanteils im angesaugten Gemisch auszugleichen und das Anspringen des kalten Motors zu erleichtern, muss im Moment des Startens zusätzlich Kraftstoff eingespritzt werden. Das Einspritzen dieser zusätzlichen Kraftstoffmenge in das Sammelsaugrohr erfolgt durch das Kaltstartventil. 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 Aist vorübergehend kleiner als 1.

Kaltstartventil Das Kaltstartventil ist ein elektromagnetisch betätigtes Ventil. Im Ventil sitzt die Wicklung des Elektromagneten. In Ruhestellung presst eine Feder den beweglichen Anker des Elekt-

romagneten 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 Düse, die dem Strahl einen Drall verleiht. Die Dralldüse zerstäubt den Kraftstoff besonders fein und reichert die Luft im Sammelsaugrohr hinter der Drosselklappe mit Kraftstoff an. Das Kaltstartventil ist so an das Sammelsaugrohr angebaut, dass eine günstige Verteilung des Luft-Kraftstoff-Gemischs auf alle Zylinder gegeben ist.

Thermozeitschalter Der Thermozeitschalter begrenzt zeit- und temperaturabhängig die Spritzzeit des Kaltstartventils. Er besteht 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 Thermozeitschalter 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 befmdliche 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 überfettet. Beim Kaltstart ist für das Bemessen der Einschaltdauer hauptsächlich die Leistung der Heizwicklungen maßgebend (Abschaltung z. B. bei -20 o e nach etwa 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.

Benzineinspritzung im Überblick

Warmlaufanreicherung Die Warmlaufanreicherung erfolgt durch den Warmlaufregler. Er senkt bei kaltem Motor in Abhängigkeit von der Motortemperatur den Steuerdruck und bewirkt eine größere Öffnung der Steuerdrosseln (Bild 8). Zu Beginn der an den Kaltstart anschließenden Warmlaufphase kondensiert noch ein Teil des eingespritzten Kraftstoffs in den Saugrohren und an den Zylinderwänden. Dadurch könnten Verbrennungsaussetzer auftreten. Das Luft -KraftstoffGemisch muss daher während des Warmlaufs angereichert werden (,1 < 1). Dabei muss bei steigender Motortemperatur die Anreicherung kontinuierlich verringert werden, um eine Überfettung des Gemischs bei höheren Motortemperaturen zu verhindern. Diese Art der Gemischregelung für den Warmlauf wird über den Steuerdruck der Jetronic-Anlage vom Warmlaufregler (Steuerdruckregler) vorgenommen.

Warm laufregler Die Veränderung des Steuerdrucks erfolgt durch den Warmlaufregler, der so am Motor angebracht ist, dass er dessen Temperatur annehmen kann. Mit einer zusätzlichen elektrischen Heizung lässt sich dieser Regler genau auf die Charakteristik des Motors abstimmen. Der Warmlaufregler besteht aus einem federgesteuerten Flachsitz(membran)ventil (Bild 8, Pos. 4) und einer elektrisch beheizten Bimetallfeder (2). Zur Volllastanreicherung dienen die Komponenten 3 sowie 8 bis 12; diese sind beim einfachen Warmlaufregler nicht vorhanden. In kaltem Zustand drückt die Bimetallfeder gegen die äußere Ventilfeder (7) und verringert dadurch die wirksame Federkraft auf die Membranunterseite des Ventils (4). Der Absteuerquerschnitt des Ventils ist dann etwas weiter geöffnet, wodurch mehr Kraftstoff aus dem Steuerdruckkreis abgeführt wird und damit der Steuerdruck niedrig ist. Die elektrische Heizung (1) und der Motor erwärmen ab Startbeginn die Bimetallfeder.

99

K-Jetronic

Sie biegt sich und verringert dabei die Gegenkraft auf die Ventilfeder. Die Wirkung der Ventilfeder auf das Flachsitzventil nimmt dadurch zu. Das Flachsitzventil verkleinert den Absteuerquerschnitt, wodurch der Druck im Steuerdruckrelais ansteigt. Die Warmlaufanreicherung ist be endet, wenn die Bimetallfeder völlig von der Ventilfeder abgehoben hat. Die nun ausschließlich wirkende Ventilfeder regelt den Steuerdruck auf seinen Normalwert. Der Steuerdruck beträgt beim Kaltstart etwa 0,5 bar und bei warmem Motor etwa 3,7 bar. Leerlaufstab ilisienlng Während des Warmlaufs erhält der Motor durch den Einfluss des Zusatzluftschiebers mehr Gemisch, um die erhöhte Reibung in kaltem Zustand zu überwinden und einen stabilen Leerlauf zu gewährleisten. Warmlaulregter (Steuerdruckregler) mi t Voi llasimembran

Bild 8

a

bei Leerlauf und

b

bei Volllast

Teillast

1 eiekirische Heizung 2 Bimel.llfeder 3

Unlerdruck· anschluss (vom S.ugrohr)

4 Venl.ilmembran 5 Rücklauf .um Kraft.toftbehllfter 6 Steuerdruck (vom KraftSloffmengenleiler) 7 liußere Venlilfeder

9 innere Venlilfeder 9 oberer Anschlag tO Enllüftung Membran 12 unterer Anschlag 11

90

Benzineinspritzung im Überblick

K·Jetronic

Bei kaltem Motor bestehen erhöhte Reibungswiderstände, die der Motor im Leerlauf zusätzlich überwinden muss. Über den Zusatzluftschieber saugt der Motor unter Umgehung der Drosselklappe zusätzlich Luft an. Da der Luftmengenmesser diese zusätzliche Luft misst und bei der Kraftstoffzuteilung berücksichtigt, erhält der Motor insgesamt mehr Gemisch. Dadurch lässt sich bei kaltem Motor eine Leerlaufstabilisierung erreichen.

ZusatzluJtschieber Im Zusatzluftschieber steuert eine Bimetallfeder über eine Lochblende den Öffnungsquerschnitt einer Umgehungsleitung (Bypass). Damit gibt diese Lochblende in Abhängigkeit von der Temperatur für den Kaltstart einen entsprechend großen Querschnitt frei, der bei zunehmender Motortemperatur jedoch stetig verringert und schließlich geschlossen wird. Die Bimetallfeder verfügt zusätzlich über eine elektrische Heizung, die eine Begrenzung der Öffnungszeit je nach Motortyp ermöglicht Der Einbauort richtet sich danach, dass der Zusatzluftschieber die Temperatur des Motors annimmt. Dadurch ist gewährleistet, dass der Zusatzluftschieber nur bei kaltem Motor in Aktion tritt. Volllasranreicherung Motoren, die im Teillastbereich mit sehr magerem Gemisch betrieben werden, benötigen bei V01llastbetrieb zusätzlich zur Gemischkorrektur eine Anreicherung durch die Lufttrichterform. Diese Aufgabe übernimmt ein dafür speziell ausgelegter Warmlaufregler durch Regelung des Steuerdrucks in Abhängigkeit vom Saugrohrdruck (Bild 8). Diese Variante des Warmlaufreglers weist statt einer zwei Ventilfedern auf. Die äußere Feder (7) liegt wie beim normalen Warmlaufregler am Gehäuse auf, die innere Feder (8) dagegen auf einer Membran (11). Diese Membran teilt den Warmlaufregler in eine Oberkammer und eine Unterkammer. In der Oberkammer wirkt der Saugrohrdruck (3),

der über eine Schlauchleitung vom Saugrohr hinter der Drosselklappe abgenommen wird. Die Unterkammer steht je nach Ausführung direkt mit der Atmosphäre oder über eine zweite Schlauchleitung mit dem Luftfilter in Verbindung. Bei niedrigem Saugrohrdruck im Leerlauf- und Teillastbereich hebt sich die Membran (11) bis zu ihrem oberen Anschlag (9) an, wobei die innere Feder ihre maximale Vorspannung erhält Die Federvorspannung der beiden Ventilfedern verursacht somit den bestimmten Steuerdruckwert für diese Lastbereiche. In Richtung Volllast öffnet die Drosselklappe weiter, und der Unterdruck im Saugrohr fällt ab. Dadurch löst sich die Membran vom oberen Anschlag und drückt gegen den unteren Anschlag (12). Die innere Ventilfeder wird entlastet, der Steuerdruck um den vorgegebenen Wert abgesenkt und damit eine Gemischanreicherung erzielt. Übergangsverhalten beim Beschleunigen

Übergänge von einem Betriebszustand in einen anderen lösen Gemischabweichungen aus, die sich zu einer Verbesserung des Fahrverhaltens nützen lassen. Ein gutes Übergangsverhalten beim Beschleunigen ergibt sich durch das Überschwingen der Stauscheibe des Luftmengenmessers. Wird bei konstanter Drehzahl die Drosselklappe plötzlich geöffnet, so durchströmt den Luftmengenmesser sowohl die Luftmenge, die in die Brennräume gelangt, als auch die Luftmenge, die erforderlich ist, um den Druck im Saugrohr auf das neue Niveau anzuheben. Die Stauscheibe schwingt dadurch kurzzeitig über den Hub bei voller Drosselklappenöffnung hinaus. Dieses Überschwingen der Stauscheibe bewirkt eine höhere Kraftstoffzufuhr (Beschleunigungsanreicherung), mit der ein gutes übergangsverhalten erreicht wird.

Benzineinspritzung im Überblick

Ergänzungsfunktionen Schubabschaltung Die im Schiebebetrieb wirksam werdende, ruckfrei arbeitende Schubabschaltung spricht abhängig von der Drehzahl an. Die Drehzahlinformation dazu liefert die Zündanlage. Der Eingriff erfolgt über einen Luftbypass zur Stauscheibe. Ein von einem Drehzahlrelais angesteuertes Magnetventil öffnet bei einer bestimmten Drehzahl den Bypass. Daraufhin geht die Stauscheibe in die Nulllage und unterbindet dabei die Kraftstoffzumessung. Durch das Abschalten der Kraftstoffzufuhr im Schiebebetrieb lässt sich der Kraftstoffverbrauch nicht nur bei Bergabfahrten, sondern auch im Stadtverkehr spürbar verringern. Drehzahlbegrenzung Die Kraftstoffzufuhr lässt sich zur Begrenzung der maximal zulässigen Motordrehzahl absperren. Lambda-Regelung Zur Einhaltung der Abgasgrenzwerte ist die Steuerung des LuftKraftstoff-Verhältnisses nicht genau genug. Die zum Betrieb eines Dreiwegekatalysators notwendige Lambda-Regelung bedingt bei der K-Jetronic den Einsatz eines elektronischen Steuergeräts, dessen wesentliche Eingangsgröße das Signal der Lambda-Sonde ist. Um die eingespritzte Kraftstoffmenge dem gewünschten Luft -Kraftstoff-Verhältnis mit A = 1 anzupassen, wird der Druck in den Unterkammern des Kraftstoffmengenteilers variiert. Wird beispielsweise der Druck in den Unterkammern gesenkt, so steigt der Differenzdruck an den Steuerschlitzen an, wodurch die eingespritzte Kraftstoffrnenge erhöht wird. Um den Druck in den Unterkammern variieren zu können, sind diese im Vergleich zum normalen K-Jetronic-

91

K-Jetronic

Mengenteiler über eine Festdrossel vom Systemdruck entkoppelt. Eine weitere Drossel stellt eine Verbindung zwischen den Unterkammern und dem Kraftstoffrücklauf her. Diese Drossel ist variabel: Ist sie geöffnet, so kann sich der Druck in den Unterkammern abbauen (Bild 9). Ist sie geschlossen, so stellt sich in den Unterkammern der Systemdruck ein. Wird diese Drossel in schnellem Rhythmus geöffnet und geschlossen, so lässt sich entsprechend dem Verhältnis von Schließzeit zu Öffnungszeit der Druck in den Unterkammern variieren. Als variable Drossel wird ein elektromagnetisches Ventil, das Taktventil, eingesetzt. Es wird durch elektrische Impulse vom Lambda-Regler gesteuert.

K-Jetronic mit Lambda-Regelung

2

3

Bild 9 1 Lambda·Sonde 2 Lambda-Regler (Steuergerät) 3 Taktvenhl (vanable Drossel) 4 Kraftstorfmengen·

teiler 5 Unlerkammem der Differenzdruckventila

6 Steuerschlitze 7 Entkoppeldrossel (Festdrossel) 8 Kraftstofl2ulauf 9 Kraftsloff,ücklauf 10 zum Einspritzventil

92

Benzineinspritzung im Überblick

KE-Jetronic

KE-Jetronic Der Systemaufbau der KE-Jetronic (Bild 1) gleicht im Wesentlichen dem der K-Jetronic. Der markanteste Unterschied liegt bei der KE-Jetronic in der elektronischen Gemischregelung, die hier über einen Aktor auf die Gemischbildung Einfluss nimmt. Dieser Aktor ist ein elektrohydraulischer Drucksteller. Elektrohydraulischer Drucksteller

Aufbau Der elektrohydraulische Drucksteller ist an den Kraftstoffmengenteiler angebaut (Bild 2). Er stellt einen Differenzdruckregler dar, der nach Art eines Düse-PrallplatteSystems arbeitet und dessen Druckabfall von einem elektrischen Strom gesteuert wird. Zwischen zwei Doppel-Magnetpolen (Bild 3, Pos. 5) hängt in einem Gehäuse aus nicht magnetischem Material ein Anker (11) in reibungsfreier Spannungslagerung. Diese besteht aus einer Membranplatte aus federelastischem Werkstoff. Bild 1 1 Kraftsloffbehälter

Elektrokraftstoff-

Arbeitsweise In den Magnetpolen und den zugehörigen Luftspalten überlagern sich die Magnetflüsse eines Dauermagneten (gestrichelte Linie im Bild 3) und eines Elektromagneten (durchgezogene 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 die Luftspalte auf den Anker über und von dort durch den Anker hindurch. In den zwei diagonal zueinander liegenden Luftspalten L2 , L3 (Bild 3) addieren sich der dauermagnetische und der elektromagnetische Fluss, in den beiden anderen Luftspalten L1> L4 subtrahieren 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.

Anlagenscherna KE·JelronlC mll Lamba·Regelung

pumpe 3 KraftstoffspeIcher 4 Kraftsiofffilier 5 Systemdruckregler 6

Einspritzvenlil

7 $ammelsaugrohr

8 Kaltstartventil 9 Kraftsloffmengenteiler

10

Lultmengenmesser

11 eteklrohydr. ulischer Drucksleller 12 Lambda·Sonde 13 ThermozeitschaUer 14 Motortemperal ur·

sensor 15 ZOndverteiler 16 Zusatzluflschleber 17 Drosselklappe mit

Drosselklappen'

> d; schen und mechanischen ＠ ｾ 12 13 14 Kräftenwegzudrücken. ｾ＠ :> Die Druckdifferenz zwischen dem Zulaufund dem RücklaufPrallplatte von der Düse weg. Dabei fällt anschluss bei einer Durchströmung, die am Drucksteller ein Druck von wenigen durch eine in Reihe geschaltete Festdrossel Hundertstel bar ab. Damit können z. B. bestimmt ist, ist proportional zum elektriZusatzfunktionen wie Schub ab schaltung schen Strom. Der entsprechend dem Druckstellerstrom veränderbare Druckabfall an und Drehzahlbegrenzung mit einer Absperrung der Kraftstoffzuführung zu den der Düse ergibt einen veränderbaren Einspritzventilen erfüllt werden. Unterkammerdruck. Um den gleichen Wert ändert sich der Oberkammerdruck. Dies wiederum bewirkt eine veränderte Differenz zwischen OberkammerQuerschniu des elektrohydraulischen Druckstellers und Systemdruck (also an den Steuerschlitzen) und stellt somit ein Mittel 5 6 7 zum Beeinflussen der zu den Einspritzventilen strömenden Kraftstoffmenge dar. Infolge 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 Stroms um, dann zieht der Anker die

.

*

Bild 2 I Stau klappe 2 Kraflstollmengen· leiler

3 Kraft.tollzu"u ••

(Syslemdruck) 4 Krallstoll zu den

Einspritzventilen 5 Kraflstolfrücklauf· leitung zum Druckregler

6 Festdrosset 7 überkammer

8 Unterkammer 9 Membran 10 Drucksteller

11 Prallplaue 12 Düse 13 Magnetpol 14 Luftspalt

Bild 3 I

Krallslollzufluss (Systemdruck)

2 Düse 3 Prallplaue 4 Kraftstoffabßuss (Systemdruck) 5 Magnetpol 6 Magnetspule 7 Dauermagnetnuss 8 Permanentmagnet

(um 90 Grad in die Zeichenebene gerOckt) 9 Einstellschraube fOr

Grundmoment t 0 Elektromagnetfl uss It

Anker (LI bis L. sind Luftspalte)

94

Benzineinspritzung im Überblick

L-Jetronic

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. Die Aufgabe der Benzineinspritzung ist es, jedem Zylinder gerade so viel Kraftstoff zuzumessen, wie für den augenblicklichen Betriebszustand des Motors gebraucht wird. Aufgrund der stetigen Veränderung des Betriebszustandes ist eine rasche Anpassung der Kraftstoffmenge an die augenblickliche Fahrsituation von ausschlaggebender Bedeu-

tung. Die elektronisch gesteuerte Benzineinspritzung erfüllt diese Anforderungen. Mit ihr lassen sich beliebig viele Betriebsdaten an beliebiger Stelle des Kraftfahrzeugs erfassen und durch Messfühler (Sensoren) in elektrische Signale umwandeln. Diese Signale werden dem Steuergerät der Einspritzanlage zugeleitet. Das Steuergerät verarbeitet sie und errechnet daraus die einzuspritzende Kraftstoffmenge. Diese wird über die Einspritzdauer beeinflusst. Funktion Die Elektrokraftstoffpumpe (Bild 1, Pos. 2) fördert den Kraftstoff zum Motor und erzeugt den zum Einspritzen nötigen Druck. Einspritzventile (5) spritzen den Kraftstoff in die Einzelsaugrohre. Ein elektronisches Steuergerät (4) steuert die Einspritzventile. Nachfolgend sind wesentliche Funktionsbereiche angeführt.

4 Bild 1 1 KraftstoHbehäller

2 Elektrokraftstoff' pumpe 3 Kraftstofffilter 4 Steuergerät 5 En i spritzventil

6 Verteilerrohr und Druckregler

7 Sammelsaugrohr 8 Kaltstartventil 9 Drosselklappenschalter 10 Luftmengenmesser

tl Lambda·Sonde 12 Thermoleitschalter 13 Molorlemperatursensor 14 Zündverteiler t5 Zusatzlultschieber 16 Ballerie 17 Zünd-Start-Schalter

BOSCH 16 "==::1>

1

Benzineinspritzung im Überblick

Kraftstoffver orgung Das Kraftstoffsystem fördert den Kraftstoff vom Kraftstoftbehälter zu den Einspritzventilen, erzeugt den zum Einspritzen nötigen Druck und hält ihn konstant. Anfangs kamen Standardsysteme, später dann auch rücklauffreie Systeme zu Anwendung. Weitere Einzelheiten sind im Kapitel "Kraftstoffförderung" zu finden.

L-Jetronic

liche Belastung der Zylinder. Bei L-JetronicAnlagen 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 Betriebsdatenerfassung Die Sensoren erfassen die den Betriebszustand des Motors kennzeichnenden Messgrößen. Wichtigste Messgröße ist die vom Motor angesaugte Luftmenge, die der Luftmengenmesser erfasst. Weitere Sensoren erfassen die Drosselklappenstellung, die Motordrehzahl, die Lufttemperatur und die Motortemperatur (s. Kapitel "Sensoren"). Kraftstoffzumessllng Das elektronische Steuergerät wertet die von den Sensoren gelieferten Signale aus und bildet daraus die entsprechenden Steuerimpulse für die Einspritzventile. Die Menge des einzuspritzenden Kraftstoffs wird über die Öffnungsdauer der Einspritzventile festgelegt. Lambda-Regelung Mit der Lambda-Regelung kann das LlIftKraftstoff-Verhältnis sehr genau bei A. = 1 eingehalten werden. Das Steuergerät vergleicht das Signal der Lambda-Sonde mit einem Sollwert und steuert damit einen Zweipunktregler an. Der Eingriff in die Kraftstoffzumessung wird über die Öffnungsdauer der Einspritzventile vorgenommen. Vorteile der L-Jetronic

Kraftstoffverbrauch Bei Vergaseranlagen ergeben sich durch Entmischungsvorgänge in den Ansaugrohren ungleiche Luft-Kraftstoff-Gemische für die einzelnen Zylinder. Die Kraftstoffzuteilung ist deshalb nicht optimal. Die Folgen sind hoher Kraftstoffverbrallch und unterschied-

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 ermöglicht die Einstellung eines Luft-Kraftstoff-Verhältnisses von A. = 1.

Höhere spezifische Leistung Die L-Jetronic ermöglicht eine strömungsgünstige Gestaltung der Ansaugwege für eine optimale Luftverteilung und Zylinderfüllung und damit ein höheres Drehmoment. Da der Kraftstoff direkt vor die Einlassventile gespritzt wird, erhält der Motor durch die Ansaugrohre nur Luft. Dadurch werden eine den Anforderungen entsprechende spezifische Leistung und ein praxisgerechterer Drehmomentverlauf erreicht.

95

96

Benzineinspritzung im Überblick

L-Jetronic

Betriebsdatenerfassung

Messgrößen zur Feinanpassung

Sensoren erfassen den Betriebszustand des Motors und leiten diesen in Form elektrischer Signale an das Steuergerät weiter. Sensoren und Steuergerät bilden das Steuersystem.

Um das Fahrverhalten zu optimieren, können noch weitere Betriebsbereiche und Einflüsse berücksichtigt werden. Die bereits erwähnten Sensoren erfassen die Daten für das Übergangsverhalten bei Beschleunigen, Höchstdrehzahlbegrenzung 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.

Me sgrößen Das Steuergerät wertet alle Messgrößen zusammen in der Weise aus, dass der Motor stets mit der für den augenblicklichen Betriebsfall notwendigen Kraftstoffmenge versorgt wird. Es werden drei Hauptgruppen an Messgrößen unterschieden.

Hauptmessgrößen Hauptmessgrößen sind die Motordrehzahl und die vom Motor angesaugte Luftmenge. Aus ihnen wird die Luftmenge pro Hub bestimmt, die als direktes Maß für den Lastzustand des Motors gilt.

Drehzahlerfas ung 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 2).

Messgrößen zur Anpassung Für Betriebszustände, die vom Normalbetrieb abweichen (z. B. Kaltstart, Warmlauf) , muss das Gemisch den veränderten Bedingungen angepasst werden. Die Erfassung erfolgt über Sensoren, die die Motortemperatur dem Steuergerät mitteilen. Zur Anpassung an verschiedene Lastzustände meldet der Drosselklappenschalter den Lastbereich (Leerlauf, Teillast, Volllast) an das Steuergerät. Drehzahlerfassung bei konlaklgesleuerter Zündanlage

2

Bild 2 1

ZO ndverteiler

2

Steuergerät

11

MOlordreh,ahl

Luftmcngcnmcssullg Die vom Motor angesaugte Luftmenge ist ein Maß für dessen Lastzustand. Die Luftmengenmessung berücksichtigt verschiedene motorbedingte Anderungen, die während der Lebensdauer des Fahrzeugs auftreten können, wie z. B. • Verschleiß, • Ablagerungen im Brennraum und • Anderungen 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. 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.

Benzineinspritzung im Überblick

Kraftstoffzumessung

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 Kraftstoffs über die Öffnungsdauer der Einspritzventile bestimmt wird. Elektronische

97

L-Jetronic

Die Verbindung des Steuergeräts 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.

teuergerä t

Aufbau

Betriebsdatenverarbeitung

Das Steuergerät der L-Jetronic befindet sich in einem spritzwassergeschützten Gehäuse, das außerhalb der Wärmeabstrahlung des Motors im Fahrzeug untergebracht ist. Die elektronischen Bauteile des Steuergeräts sind auf Leiterplatten angeordnet, die Leistungsbauteile der Endstufen befinden sich auf dem Metallrahmen des Steuergeräts, 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. Impulsformer, Impulsteiler, DivisionsSteuer-Multivibrator, Bild 3) und Bauteilen in Hybridbausteinen steigert die Zuverlässigkeit des Steuergeräts.

Drehzahl und angesaugte Luftmenge bestimmen die Grundeinspritzzeit. Die Taktfrequenz der Einspritzimpulse wird aus der Motordrehzahl ermittelt. Die dazu von der Zündanlage gelieferten Impulse bereitet das Steuergerät auf. Sie durchlaufen dabei zunächst einen Impulsformer, der aus dem in Form gedämpfter Schwingungen "angelieferten" Signal Rechteckimpulse bildet. Diese werden dann 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

Blockschema des Steuergeräts

Drehzahl

Ir=--

Lastbereich

ｾ＠

....L..n_-

I

,

Impulsformer

o

Frequenzteiler

I o

Einspritzventile

- --

1/211 .....-_---L __ -,

I o

ｾ＠ ｾｕｉｴｎｩ｢

Divisions-

Mulliplizierstufe

steuer-

］Ｍ Luftmenge

____L----.-----r- - - --.-

Motortemperatur

Lufttemperatur

Bordnetz-

Bild 3 1;

Einsprilzimpulse. kOrrigiert

spannung

Tp Grundslnsprituelt "

Drehzahl

98

Benzineinspritzung im Überblick

L-Jetronic

unabhängig von der Stellung des Einlassventils. Bei geschlossenem Einlassventil wird der Kraftstoff vorgelagert und beim nächsten Öffnen des Einlassventils zusammen mit der Luft in den Verbrennungsraum gesaugt. Die Einspritzdauer ist von der Luftmenge und Drehzahl abhängig.

Bi ld 4 A

Klappenwlnkel ln Abhanglgkell der Luftmenge

8

Größe des SpannungssIgnals In Abhängigkeil des KlappenwlOkels

C

e1ngespnllte KraftSlolfmenge In Abhang.gke.' des SpannungssIgnals

D

theoretisch notwendige Krafts'oHmenge

0

Luftmenge in Abhäng.glke" des

Das Steuergerät wertet auch das Signal vom Potentiometer des Luftmengenmessers aus. Das Bild 4 zeigt die Zusammenhänge zwischen Luftmenge, Klappenwinkel, Potenziometerspannung und eingespritztem Kraftstoff. Geht man von einer bestimmten, durch den Luftmengenmesser strömenden Luftmenge 01. aus (Punkt Q), so ergibt sich die theoretisch benötigte Kraftstoffmenge OK (Punkt D). Außerdem stellt sich in Abhängigkeit von der Luftmenge ein bestimmter Klappenwinkel ein (Punkt A). Das von der Stauklappe betätigte Potenziometer liefert ein Spannungssignal Us an das Steuergerät (Punkt B). Das Steuergerät steuert die Einspritzventile an, wobei der Punkt C die eingespritzte Kraftstoffmenge VE darstellt. Man erkennt, dass die praktisch eingespritzte und die theoretisch notwendige Kraftstoffmenge gleich sind (Linie C-D).

Klappenw.nkels

Bildung der Einspritzimpulse (Bild 5) Die Bildung der Grundeinspritzzeit erfolgt in einer speziellen Schaltungsgruppe des Steuergeräts, dem Divisions-Steuer-Multivibrator (DSM). Der DSM bekommt vom Frequenzteiler die Drehzahlinformation n und wertet sie zusammen mit dem Luftmengensignal Us aus. Zum Zweck der intermittierenden Kraftstoffeinspritzung verwandelt der DSM die Spannung Us in rechteckförmige Steuerimpulse. Die Dauer Tp dieser Impulse bestimmt die Grundeinspritzmenge, d. h. die einzuspritzende Kraftstoffmenge je Ansaughub, ohne Berücksichtigung von Korrekturen. Deshalb bezeichnet man T p als "Grundeinspritzzeit". Je größer die angesaugte 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 01., dann sinkt der absolute Druck hinter der Drosselklappe, und die Zylinder saugen pro Hub weniger Luft an, d. h., die Zylinderfüllung ist kleiner (Bilder 5 und 6). Infolgedessen ist weniger Kraftstoff zur Verbrennung erforderlich und die Impulsdauer T p dementsprechend kurz. Nimmt die

Q.: benö"g'e Kraftslolfmenge

(.\

Zusammenhänge zwischen den SteuergröSen

Signale und SteuergröSen am Steuergerät

angesaugte

Eir;;J3ll959rößen

Luftmenge

l TS SpannungSSIgnal \ 'f

eingespritzte Krafts'olfmenge

Bild 5

Cd.

angesaugle Luft·

"l

Luftlemperalur

11

MOlordrehzahl

I'

Lastbereich des

60

Motors

90'

menge

30

,.... MotortemperalUr

ｾ＠ ｾ＠

\ 'E elngesprotz,e Kraft·

tl ...

sloHmenge

Q.z Zusalzluftmenge \ 'E5 S'artmehrmenge

l 'B Bordnetzspannung

V6543210 Us

100

ｾ＠

150 m'lh

ｾ＠

:::> ｾ＠

Benzineinspritzung im Überblick

Motorleistung und damit die pro Minute angesaugte Luftmenge bei gleich bleibender Drehzahl zu, dann nimmt auch die Zylinderfüllung zu, und es wird mehr Kraftstoff gebraucht; die Impulsdauer 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 (Volllast), 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.

99

Uetronic

Die Anpassung der Grundeinspritzzeit an die verschiedenen Betriebsbedingungen erfolgt durch die Multiplizierstufe im Steuergerät (Bild 6). 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, Volllastbetrieb 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

f r 4-Zylinder-MOloren Impulsschema der L J· elronic ü

Artleitszyklus Zündung (j=2,,) Impulsformer (J=2,,) Frequenzteiler Bild 6 Zundpulsfrequenz

DiVlsionssteuerMultivibrator

bzw Zundlunkenzahl "

MOlordrehzahl

ｊ ｾ＠

Grundemspntzzelt

T"" ｉｭｰｵｬｳｾ･ｴ

Ｍ

verlangen.Jng durch Korrekturen

J" Impulszettverlange·

Multiplizlerstufe

rung durch Spannungskompensatlon

r,

Impulssleuerzelt

Die wirkliche EInspnlZd.uer le Zyklus weicht von der Imputssteuerzelt ab,

Endstufe

weil sowohl eine

Ansprcch- als auch eine Ablallveflöge-

Zeit

rung die EInsprItzdauer ve randern

100

Benzineinspritzung im Überblick

L-Jetronic

ein Maß für die Kraftstoffanreicherung, ausgedrückt 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 3 und 6).

Spannungskompensation Die Anzugszeit der Einspritzventile hängt stark von der Batteriespannung ab. Die sich daraus ergebende Ansprechverzögerung 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 ent1adener 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 wird die Batteriespannung als Steuergröße vom Steuergerät erfasst. Eine elektronische Kompensationsstufe verlängert die Ventilsteuerimpulse gerade um den Betrag Tu der spannungsabhängigen Ansprechverzögerung der Einspritzventile. Die Gesamtdauer der Einspritzimpulse Ti besteht damit aus der Summe von Tp, Tm und Tu (Bild 6).

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. Beide Endstufen arbeiten im Gleichtakt. Der Einspritz-

takt ist so gewählt, dass je Nockenwellenumdrehung zweimal die Hälfte des Kraftstoffs eingespritzt wird, den jeder Zylinder benötigt. Neben der Ansteuerung der Einspritzventile über Vorwiderstände gibt es Steuergeräte mit geregelter Endstufe. Bei diesen 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 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.

Gcmischbildllng 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.

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 KraftstoffBedarfskennlinie für alle Betriebsbereiche.

Benzineinspritzung im Überblick

Kal lslartanreicherung Abhängig von der Motortemperatur wird während des Startens zeitlich begrenzt eine zusätzliche Menge Kraftstoff eingespritzt. Das Gemisch wird dadurch "feUer". Dies geschieht, um beim Kaltstart die Kondensationsverluste des Kraftstoffanteils im angesaugten Gemisch auszugleichen und das Anspringen des kalten Motors zu erleichtern. Für die Kaltstartanreicherung gibt es zwei Methoden:

Startsteuerung durch Steuergerät und Einspritzventile Durch Verlängerung der Einspritzdauer der Einspritzventile wird während der Startphase mehr Kraftstoff eingespritzt. Die Startsteuerung wird im Steuergerät nach Auswertung der Signale vom Zünd-StartSchalter und dem Motortemperatursensor aktiviert.

Steuerung über Thermozeitschalter und Kaltstartventil Das Einspritzen der zusätzlichen Kraftstoffmenge erfolgt durch das Kaltstartventil in das Sammelsaugrohr. Die Einschaltdauer des Kaltstartventils wird von einem Thermozeitschalter in Abhängigkeit von der Motortemperatur zeitlich begrenzt. Das Kaltstartventil ist ein elektromagnetisch betätigtes Ventil. Im Ventil sitzt die Wicklung des Elektromagneten. In Ruhestellung presst die 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 Düse, die dem Strahl einen Drall verleiht. Die Dralldüse zerstäubt den Kraftstoff besonders fein und reichert die Luft im Sammelsaugrohr hinter der Drosselklappe mit Kraftstoff an. Der Thermozeitschalter besteht aus einem elektrisch beheizten Bimetallstreifen, der in Abhängigkeit von seiner Temperatur einen

L-Jetronic

Kontakt öffnet oder schließt. Die Ansteuerung erfolgt über den Zünd-Start-Schalter. Der Thermozeitschalter ist an einer für die Motortemperatur repräsentativen Stelle befestigt. Der Thermozeitschalter begrenzt beim Kaltstart die Einschaltdauer des Kaltstartventils. Die Einschaltdauer hängt dabei von der Erwärmung des Thermozeitschalters durch die Motorwärme und durch die in ihm selbst befindliche elektrische Heizung ab. 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 oe 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. Bei länger dauerndem Startvorgang oder wiederholtem Startversuch spritzt das Kaltstartventil nicht mehr ein. ac hstart- und Wa rmlall fa nreicherll ng An den Kaltstart schließt sich die Warmlaufphase des Motors an. Der Motor benötigt in diesem Bereich eine beträchtliche Warmlaufanreicherung, weil ein Teil des Kraftstoffs 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.

101

102

Benzineinspritzung im Überblick

L·Jetronic

Nach Ablauf der Nachstartanhebung benötigt der Motor nur noch eine geringe Anreicherung, die über die Motortemperatur abgeregelt wird. Das Diagramm (Bild 7) zeigt einen typischen Verlauf der Anreicherung über der Zeit bei einer Starttemperatur von 22 oe. Um diese Regelvorgänge auslösen zu können, muss dem Steuergerät die Motortemperatur mitgeteilt werden. Dies geschieht durch den Motortemperatursensor. Teilla tanpa sung Die weitaus meiste Zeit läuft der Motor im Teillastbereich. Die Kraftstoff-Bedarfskenn linie für diesen Bereich ist im Steuergerät programmiert und bestimmt die Kraftstoffzumessung. Sie ist so ausgelegt, dass der Motor im Teillastbereich einen niedrigen Kraftstoffverbrauch aufweist. Be chleunigung anreicherung Während des Beschleunigens misst die L-Jetronic zusätzlich Kraftstoff zu. Öffnet sich die Drosselklappe plötzlich, so magert das Luft-Kraftstoff-Gemisch kurzzeitig ab. Es bedarf einer kurzzeitigen GemischanreiVerlauf der Warmla.ufanreicherung

cherung, um ein gutes Übergangsverhalten zu erzielen. Bei diesem plötzlichen Öffnen der Drosselklappe durchströmt den Luftmengenmesser sowohl die Luftmenge, die in die Brennräume gelangt, als auch die Luftmenge, die erforderlich ist, um den Druck im Saugrohr auf das neue Niveau anzuheben. Dadurch schwingt die Stauklappe kurzzeitig über die Stellung bei voller Drosselklappenöffnung hinaus. Dieses Überschwingen bewirkt eine höhere Kraftstoffzuteilung (Beschleunigungsanreicherung) , mit der ein gutes übergangsverhalten erreicht wird. Da diese Beschleunigungsanreicherung während der Warmlaufphase nicht ausreicht, wertet in diesem Betriebszustand das Steuergerät zusätzlich ein elektrisches Signal der Geschwindigkeit aus, mit der die Stauklappe im Luftmengenmesser ausschlägt. VoWastanreicherung Bei Volllast gibt der Motor sein größtes Drehmoment ab. Hierzu muss das LuftKraftstoff-Gemisch gegenüber der Teillast angereichert werden. Die Höhe dieser Anreicherung ist motorspezifisch im Steuergerät programmiert. Die Information über den Lastzustand erhält das Steuergerät vom Drosselklappenschalter.

1,75

Drosselklappenschalter Der Drosselklappenschalter (Bild 8) meldet die DrosselklappensteIlungen "Leerlauf' und "Volllast" an das Steuergerät. Er ist am Drosselklappenstutzen befestigt. Die Drosselklappenwelle, auf der die Drosselklappe sitzt, betätigt den Schalter. Eine Schaltkulisse fährt die Kontakte des Drosselklappenschalters an. In den Endstellungen "Leerlauf' und "Volllast" schließt jeweils ein Kontakt.

1

1,50

5 :;;:

'" '".,2 .c: 1ii c:

" 1,25

Ｎ ｾ＠

c:

« Bild 7 Anrelcherungsfaktor F als Funktion der Zell

a

Oberw,egend zell' abhängiger Anlell

b

mOlortemperalur' abhängiger Anl ell

c

1,OOL...-_ _ _ _ｾ＠

o ｾ＠

8ｾ＠

_ _ｾ｟Ｎｉ＠

ro zeil-

ｾ＠

ｳ ｾ＠

ｾ＠

Benzineinspritzung im Überblick

teuerung der Leerlallfdrehza hl Der Luftmengenmesser enthält einen einstellbaren Bypass, über den eine geringe Luftmenge die Stauklappe umgehen kann. Die Leerlaufgemisch-Einstellschraube ermöglicht die GrundeinsteIlung des Gemischverhältnisses durch Veränderung des Bypass-Querschnitts (Bild 9). Um auch bei kaltem Motor einen runden Leerlauf zu erzielen, hebt die Leerlaufsteuerung zusätzlich die Leerlaufdrehzahl an. 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 L-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 den Querschnitt der Umgehungsleitung (Bypass). Der Öffnungsquerschnitt dieser

103

L-Jetronic

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. Der Einbauort des Zusatzluftschiebers ist so gewählt, dass er möglichst gut die Motortemperatur annimmt. Der Zusatzluftschieber arbeitet bei warmem Motor nicht. lllfttemperatllranpa sung Die eingespritzte Kraftstoffmenge wird der Lufttemperatur angepasst. Die für die Verbrennung maßgebende Luftmasse ist von der Temperatur der angesaugten Luftmenge abhängig. Kalte Luft ist dichter. Dies bedeutet, dass bei gleicher DrosselklappensteIlung die Zylinderfüllung mit zunehmender Lufttemperatur schlechter wird. Zur Erfassung dieses Effektes ist im Ansaugkanal des Luftmengenmessers ein Temperatursensor angebracht, der die Temperatur der angesaugten Luft dem Steuergerät meldet, welches die zuzuteilende Kraftstoffmenge entsprechend steuert.

Leerlaufdrehzahlsleuerung

Leerlauf-Nolllasl·Korreklur

2

3 Bild 8 I Drosselklappe 2 Drosselklappenschalter 3 Steuergerät

Bild 9 t Drosselklappe

3

4

2

Luftmeng nmesser

3 4

Zusatzluhsclu.ber Lee,laufgemlschE,nsleIlschraube

104

Benzineinspritzung im Überblick

L·Jetronic

L3-Jetronic Aus der L-Jetronic sind spezielle Systeme hervorgegangen. Eine Variante bildet die L3-Jetronic, die sich von der L-Jetronic in folgenden Einzelheiten unterscheidet: • Das motorraumtaugliche Steuergerät ist am Luftmengenmesser angebaut und benötigt damit keinen Platz im Fahrgastraum, • die Einheit von Steuergerät und Luftmengenmesser mit internen Verbindungen vereinfacht den Kabelbaum und senkt den Montageaufwand, • der Einsatz der Digitaltechnik ermöglicht im Gegensatz zur zuvor angewandten Analogtechnik die Realisierung von neuen Funktionen mit besseren Anpassungsmöglichkeiten. Die L-Jetronic gibt es sowohl mit LambdaRegelung (Bild 10) als auch ohne. Beide Versionen verfügen über eine Notlauffunktion, die es ermöglicht, bei Ausfall des Mikrocom-

puters das Fahrzeug noch bis zur nächsten Werkstatt zu fahren. Außerdem werden die Eingangssignale auf Plausibilität geprüft, d. h. ein unrealistisches Eingangssignal (z. B. Motortemperatur tiefer als -40°C) wird ignoriert und durch einen im Steuergerät gespeicherten Wert ersetzt. Krafts toffver orgung Die Kraftstoffversorgung erfolgt wie bei der L-Jetronic. Betrieb datenerfa sllng Die Daten werden über die gleichen Komponenten wie bei der L-Jetronic erfasst. Eine Ausnahme bildet der Luftmengenmesser.

Luftmengenmesser Das Steuergerät des Luftmengenmessers ist in einer Mess- und Steuereinheit (Bild 11) integriert. Die Abmessungen sowohl der Potenziometerkammer des Luftmengenmessers als auch des Steuergeräts sind so

Schema einer L3-Jelronic-Anlage

Bild 10 Kraltsloflbehäller EleklrokraUSlolI· pumpe 3 Kraf1sloffflller 4 Einsprltzvenlll 5 Verteilerrohr 6 Druckregler 7 Sammelsaugrohr 8 Drosselklappen· schaller g Luftmengenmesser

10 Sieuergerät 11 Lambda·Sonde 12 Motortamperatur·

>-

sensor 13 Zündverteiler 14 Zusatzluftschleber

15 BaUerle 16 ZOnd·Stan·Schaller

BOSCH 15

ｾ＠ｾ＠

...d;

:>

=

Benzineinspritzung im Überblick

weit reduziert, dass die Bauhöhe der gesamten Einheit die des bisherigen Luftmengenmessers nicht übertrifft. Weitere Merkmale des Luftmengenmessers (Bild 12) sind das verringerte Gewicht des AluminiumansteIle des Zinkgehäuses, der erweiterte Mess-bereich und das verbesserte Dämpfungsverhaiten bei plötzlichen Änderungen der Luftmenge. Kraftstoffzumessung Elektromagnetisch betätigte Einspritzventile spritzen den Kraftstoff auf die Einlassventile des Motors ein. Jedem Zylinder ist ein Magnetventil zugeordnet, das je Kurbelwellenumdrehung einmal betätigt wird. Zur Verringerung des Schaltungsaufwands sind alle Ventile elektrisch parallel geschaltet. Der Differenzdruck zwischen Kraftstoffdruck und Saugrohrdruck wird auf 2,5 oder 3 bar konstant gehalten, sodass die eingespritzte Kraftstoffmenge nur von der Öffnungsdauer der Ventile abhängt. Das Steuergerät liefert hierfür Steuerimpulse, deren Dauer von der angesaugten Luftmenge, von der Motordrehzahl und von weiteren Einflussgrößen abhängt. Diese werden von Sensoren erfasst und im Steuergerät verarbeitet.

105

L-Jetronic

Widerstände und 23 Kondensatoren. Nur 33 tausendstel Millimeter dünne Golddrähte stellen die Verbindung von den IC zu der Dickschiehtplatte her. Anpa ung an Betriebszustände Korrigierende Eingriffe in die Gemischbildung realisiert die L3-Jetronic mit den Komponenten wie Drosselklappenschalter, Zusatzluftschieber, Motortemperatursensor und der Lambda-Regelung. Die jeweilige Arbeitsweise ist unter dem Kapitel L-Jetronie erklärt. Mess· und Steuereinheit

Bild 11 1 Steuergerät 2

Luftmengenmesser mit Potenziometer

Elektronisches Steuergerät Das digitale Steuergerät passt das Luft-Kraftstoff-Verhältnis - im Unterschied zur L-Jetronic - über ein Last-Drehzahl-Kennfeld an. Das Steuergerät berechnet aus den Eingabesignalen der Sensoren die Einspritzzeit als Maß für die einzuspritzende Kraftstoffmenge. Das Steuergerät ermöglicht die Beeinflussung der erforderlichen Funktionen. Das Steuergerät für den Anbau am Luftmengenmesser muss minimale Baugröße und wenige Steckverbindungen aufweisen sowie widerstandsfest gegen Hitze, Vibrationen und Feuchtigkeit sein. Diese Bedingungen werden durch den Einsatz eines speziellen Hybrids und einer kleinen Leiterplatte im Steuergerät erfüllt. Auf dem Hybrid befinden sich außer dem Mikrocomputer fünf weitere integrierte Bausteine (IC) sowie 88 gedruckte

Luftmengenmesser

>-

3

2

;

ｾ＠

:::E

Bild 12 1 Stauklappe 2 Kompensations-

:J

111

3

klappe Dämpfungsvolumen

106

Benzineinspritzung im Überblick

L-Jetronic

LH-Jetronic Die LH-Jetronic (Bild 13) ist mit der L-Jetronic eng verwandt_ Der Unterschied liegt in der Luftmengenmessung. Das Ergebnis ist damit unabhängig von der Luftdichte, die von Temperatur und Druck abhängt. Kraftstoffversorgung Die Kraftstoffversorgung erfolgt wie bei der L-Jetronic. Betrieb datenerfassung Der Datentransfer erfolgt in der gleichen Weise, wie bei der L-Jetronic_ Eine Besonderheit stellt die Luftmassenmessung dar. luftmassenmesser Bei dem Hitzdraht-Luftmassenmesser und dem Heißfilm-Luftmassenmesser handelt es

sich um "thermische" Lastsensoren. Sie sind zwischen Luftfilter und Drosselklappe eingebaut und erfassen den vom Motor angesaugten Luftmassenstrom [kg/h). Beide Sensoren arbeiten nach demselben Prinzip.

Hitzdraht-LuJtmassenmesser Beim Hitzdraht-Luftmassenmesser (Bilder 14 und 15) ist der elektrisch beheizte Körper der Hitzdraht, ein 70 flm dünner Platindraht. Die Ansauglufttemperatur wird durch einen Temperatursensor erfasst. Hitzdraht und Ansaugluft -Temperatursensor sind Bestandteile einer Brückenschaltung und funktionieren dort als temperaturabhängige Widerstände. Ein dem Luftmassenstrom proportionales Spannungssignal wird dem Steuergerät zugeführt.

Schema einer LH -Jetronic-Anlage

4

Bild 13

1 Krahstoffbehälter 2 Elektrokrahstoff·

pumpe 3 Kraftstolffilter 4 Steuergerät 5 Einspritzventil 6 Verteilerrohr 7 Druckregler

8 Sammetsaugrohr 9 Drossel klappenschalter tO HitzdrahtLuftmassenmesser

11 Lambda·Sonde 12 Motonemperatur-

sensor

>-

13 l Ondveneiler

ｾ＠

14 Leerlaufdrehsteller

:I

15 Batterie 16 Zünd-Start-Schaller

ｾ＠

:::>

4D

Benzineinspritzung im Überblick

107

L-Jetronic

Hitzdraht·luftmassenmesser

Bild 14 Im Innern des Messrohres ist der 70 JI-I" dünne Platindraht

aufgespannt

Bild 15

Heißfilm-Luftmassenmesser Beim Heißfilm-Luftmassenmesser (Bild 16) ist der elektrisch beheizte Körper ein PlatinFilmwiderstand (Heizelernent). Die Temperatur des Heizelernents wird von einem temperaturabhängigen Widerstand (Durchflusssensor) erfasst. Die Spannung am Heizelement ist das Maß für den Luftmassenstrom. Diese wird von der Elektronik des Heißfilm-Luftmassenmesser in eine für das Steuergerät angepasste Spannung umgewandelt.

1

ｾ＠

Hybridschaltung

2

Deckel

3

Metalleinsat.

Innenrohr mit

ｾ＠

;;


Haltering

Heißfilm-Lul1massenmesser

a

Kraftstojfzumessung Die Kraftstoffzumessung wird gleich gesteuert wie bei der L-Jetronic.

Anpassung an Betriebszustände Verschiedene Betriebszustände werden mit Hilfe der gleichen Auswertungsmöglichkeiten der L-Jetronic erfasst und zu Eingriffen in der Gemischbildung benutzt.

2

5 Bild 16 Heißfilmsensor

b

Steckrohr mit eingebautem HeIßfilmsensor

.,,..

5

0

0> 0

"

ｾ＠

:; =>

1

Kuhlkörper

2

Zwischenbaustein

3

Leistungsbauslein

5

Sensorelement

Hybridschattung {Heizelementl

Benzineinsprilzung im Überblick

108

Mono·Jetronic

Mono-Jetronic System übersicht Die Mono-Jetronic ist ein elektronisch gesteuertes Niederdruck-Zentraleinspritzsystem für Vierzylinder-Motoren mit einem zentral angeordneten elektromagnetischen Einspritzventil- im Gegensatz zu je einem Einspritzventil pro Zylinder bei den Einzeleinspritzsystemen KE- und L-Jetronic. Kernstück der Mono-Jetronic ist das Einspritzaggregat mit einem elektromagnetischen Einspritzventil, das den Kraftstoff intermit tierend (zeitweilig aussetzend) oberhalb der Drosselklappe einspritzt (Bild 1). Die Verteilung des Kraftstoffs auf die einzelnen Zylinder erfolgt durch das Saugrohr. Verschiedene Sensoren ermitteln alle wesentlichen Betriebsgrößen des Motors, die für eine optimale Gemischanpassung notwendig sind. Eingangsgrößen sind z. B.:

• • • • • • • •

Drosselklappenwinkel, Motordrehzahl, Motor- und Ansauglufttemperatur, Leerlauf-IVolllaststellung der Drosselklappe, Restsauerstoffgehalt im Abgas und (je nach Fahrzeugausstattung) GetriebesteIlung des Automatikgetriebes, Klimabereitschaft sowie Schaltstellung des Klimakompressors der Klimaanlage.

Eingangsschaltungen im Steuergerät bereiten diese Daten für den Mikroprozessor auf. Dieser verarbeitet die Betriebsdaten, erkennt daraus den Betriebszustand des Motors und berechnet abhängig davon Stellsignale. Endstufen verstärken die Signale und steuern Einspritzventil, Drosselklappenansteller und Regenerierventil (KraftstoffverdunstungsRückhaltesystem) an.

Systemübersieht Mono·Jetronic

Bi ld 1 1 Kraflslolfbehäller 2 Elektrokraltstoff· pumpe 3 Kraflstoffhtter 4 Druckregler

7

5 elektromagnetisches

Ei nspritzvcn1il

6 Lu fuemperatur· sensor 7 eleklronisches Steuergerät

8 Drosselklappen· ansteller 9 Drosselklappe mit

Drosselklappen· potenziometer 10 Regenenervenlll 11

Akhvkohlebehätter

12 Lambda·Sonde 13 Motortemperatur·

sensor 14 Zündverteiler

>-

15 Ballene

ｾ＠

ｾ＠

16 Zünd·Slart·Schaller 17 RelaiS 18 DIagnoseanschluss 19 Einsprilzaggregal

ｾ＠

ｾ＠

:::>

Benzineinspritzung im Überblick

Mono-Jetronic

Ausführungen

Einspritzaggregat

Die nachfolgende Beschreibung mit den zugehörigen Abbildungen bezieht sich auf eine typische Ausführung der Mono-Jetronic (Bild 1). Weitere Varianten sind auf die individuellen Anforderungen, die die Automobilhersteller an ein Benzineinspritzsystem stellen, abgestimmt.

Das Einspritzaggregat sitzt direkt auf dem Saugrohr und versorgt den Motor mit fein zerstäubtem Kraftstoff. Es bildet den Kern der Mono-Jetronic-Anlage. Sein Aufbau ist dadurch bestimmt, dass im Gegensatz zu Einzeleinspritzsystemen (z. B. L-Jetronic) die Benzineinspritzung zentral erfolgt und die vom Motor angesaugte Luftmenge indirekt durch die Verknüpfung der beiden Größen "Drossenklappenwinkel a" und "Motordrehzahl n" bestimmt wird (Bild 2) .

Die Mono-Jetronic gliedert sich in folgende Funktionsbereiche: • Kraftstoffversorgung, • Betriebsdatenerfassung und • Betriebsdatenverarbeitung. Gru ndfunktion Die Steuerung der Benzineinspritzung bildet den Kern der Mono-Jetronic. Zusatzfunktionen Weitere Steuer- und Regelfunktionen erweitern die Grundfunktion und gestatten eine Überwachung der Komponenten, die Einfluss auf die Abgaszusammensetzung nehmen. Dazu gehören: • Leerlaufdrehzahlregelung, • Lambda-Regelung und • Steuerung des KraftstoffverdunstungsRückhaltesystems.

109

Unterteil Das Unterteil des Einspritzaggregats umfasst die Drosselklappe mit dem Drosselklappenpotenziometer zum Messen des Drosselklappenwinkels. Auf einer am Unterteil angebrachten Konsole befindet sich der Drosselklappenansteller als Stellglied der Leerlaufdrehzahlregelung.

Oberteil Das Oberteil umfasst das gesamte Kraftstoffsystem des Einspritzaggregats, bestehend aus dem Einspritzventil, dem Druckregler und den erforderlichen Kraftstoffkanälen, die sich im Haltearm des Einspritzaggregats für das Einspritzventil befinden. Es handelt sich

Einspritzaggregat (Ansicht mit Teilschnitt)

2 Bild 2 1

Einspritzventil

2

Lufttemperatursensor

3

Drosselktappe

4

Kraftstoffdruckregler

5 6 7

Kraftstoffrucklaul Kraftstoffzulaul Drosselklappen' potenziometer

>-

3

(auf verlängerter

ｾ＠

Drosselklappen-

ｾ＠

welle. nicht sichlbar)

ｾ＠

:::>

*

8

Drosselklappen-

ｾＧＯＬ｜ｙｩｬ

Ｌ ＧｬＡ ｲ＠

110

Benzineinspritzung im Überblick

Mono-Jetronic

um zwei zum Einbauraum des Einspritzventils fallende Kanäle, über die das Einspritzventil mit Kraftstoff versorgt wird. über den unteren Kanal wird der Kraftstoff zugeführt. Der obere Kanal stellt die Verbindung zur Unterkammer des Druckreglers her, von wo aus der zu viel geförderte Kraftstoff über das Plattenventil des Druckreglers in die Kraftstoffrückleitung gelangt. Diese Anordnung der Kraftstoffkanäle stellt sicher, dass sich auch bei vermehrter Dampfblasenbildung des Kraftstoffs (wie sie z. B. infolge starker Erwärmung des Einspritzaggregats nach Abstellen des Motors auftreten kann) am Zumessbereich des Einspritzventils genügend viel Kraftstoff angesammelt hat, um einen sicheren Start zu gewährleisten. Ein Bund an dem Siebkörper des Einspritzventils begrenzt den freien Querschnitt zwischen dem Zu- und Rücklaufkanal auf ein definiertes Maß, sodass der zu viel geförderte, nicht abgespritzte Kraftstoff in zwei Teilströme aufgeteilt wird. Ein Teilstrom durchströmt das Einspritzventil, während der andere Teilstrom das Einspritzventil umfließt. Dadurch ist eine intensive Spülung und eine rasche Abkühlung des Einspritzventils gewährleistet. Diese Anordnung der Kraftstoffkanäle mit Umspülung und Durchspülung des Einspritzventils bewirkt das sehr gute Heißstartverhalten des Mono-JetronicSystems. Ferner ist an der Abdeckkappe des Oberteils auch der Lufttemperatursensor zum Messen der Ansauglufttemperatur angebracht.

kommt eine Tankeinbaueinheit zum Einsatz, die • die Elektrokraftstoffpumpe, • ein saugseitiges Kraftstofffilter, • eine Füllstandsanzeige, • einen Dralltopf als Kraftstoffreservoir sOWie

• elektrische und hydraulische Anschlüsse nach außen enthält. Die bei der Mono-Jetronic vorzugsweise eingesetzte Elektrokraftstoffpumpe eignet sich speziell für den hier vorliegenden niedrigen Systemdruck. Sie ist als zweistufige Strömungspumpe ausgeführt: eine Seitenkanalpumpe dient als Vorstufe und eine Peripheralpumpe als Hauptstufe, wobei beide Stufen in einem Laufrad integriert sind. Kraftstoffd ruckregelu ng Die Kraftstoffdruckregelung hat die Aufgabe, die Differenz zwischen dem Kraftstoffund dem Umgebungsdruck an der Zumessstelle des Einspritzventils auf 100 kPa konstant zu halten. Bei der Mono-Jetronic ist der Druckregler baulich im Hydraulikteil des Einspritzaggregats integriert. Eine Gummigewebemembran teilt den Druckregler in eine kraftstoffbeaufschlagte Unterkammer (Bild 3, Pos. 6) und in eine

Kraftstoffversorgung

Bild 3 I Belühungsötfnungen 2 Membran 3 Ventil träger 4

5

Druckfeder Oberkammer

6

Unterkammer

7

Ventilpl.Ue

Die Kraftstoffversorgung dient der Kraftstoffzuführung vom Kraftstoffbehälter bis zum elektromagnetischen Einspritzventil. Kraftstoffförderung Eine Elektrokraftstofipumpe fördert den Kraftstoff kontinuierlich aus dem Kraftstoffbehälter über ein Kraftstofffilter zum Einspritzaggregat. Für die Mono-Jetronic

>-

Benzineinspritzung im Überblick

Oberkammer (5), in der sich eine vorgespannte Schraubenfeder (4) auf der Membran abstützt. Eine beweglich gelagerte Ventilplatte, die über den Ventilträger mit der Membran verbunden ist, wird durch die Federkraft auf den Ventilsitz gepresst (Flachsitzventil). Übersteigt die aus dem Kraftstoffdruck und der Membranfläche resultierende Kraft die entgegengerichtete Federkraft, so wird die Ventilplatte etwas von ihrem Sitz abgehoben, und es kann Kraftstoff durch den freigegebenen Querschnitt zum Kraftstoffbehälter zurückfließen. In diesem Gleichgewichtszustand beträgt der Differenzdruck zwischen Ober- und Unterkammer 100 kPa. In der Federkammer wirkt über Belüftungsöffnungen derselbe Umgebungsdruck wie an der Abspritzstelle des Einspritzventils. Der Hub der Ventilplatte variiert hierbei in Abhängigkeit von Förderund Verbrauchsmenge. Die Federkennlinie und die Membranfläche sind so gewählt, dass der geregelte Druck über einen weiten Förderbereich in engen Grenzen eingehalten wird. Mit dem Abstellen des Motors endet auch die Kraftstoffförderung. Das Rückschlagventil der Elektrokraftstoffpumpe und das Druckreglerventil schließen, wodurch der Druck in der Kraftstoffzulaufleitung und im Hydrau!ikteil über eine gewisse Zeit erhalten bleibt. Diese Funktionsweise verhindert bei abgestelltem Motor weitMotorkennfeld gehend eine Dampfblasenbildung infolge % der Kraftstofferwär60 mung in der Kraftstoffzulaufleitung durch die Motorabwärme und gewährleistet so stets einen sicheren Start.

Mono-Jetronic

Betriebsdatenerfassung

Sensoren erfassen alle wesentlichen Betriebsdaten und damit den Betriebszustand des Motors. Die gewonnenen Informationen werden als elektrische Signale zum elektronischen Steuergerät geleitet, dort in digitale Signale umgewandelt und zur Ansteuerung der verschiedenen Stellglieder weiterverarbeitet. Luftfüllung Zum Erzielen eines bestimmten Luft-Kraftstoff-Verhältnisses muss die Luftmasse, die der Motor pro Arbeitshub ansaugt, erfasst werden. Wenn diese Luftmasse, im folgenden Luftfüllung genannt, bekannt ist, kann durch Ansteuern des Einspritzventils mit entsprechender Zeitdauer die passende Kraftstoffmenge zugeordnet werden. Das Bestimmen der Luftfüllung bei der Mono-Jetronic erfolgt indirekt durch die Verknüpfung der beiden Größen Drosselklappenwinkel a und Motordrehzahl n. Die Luftfüllung in Abhängigkeit von a und n wird für einen Motor auf dem Motorprüfstand ermittelt. Bild 4 zeigt das typische Diagramm eines Motorkennfeldes; dabei ist die relative Luftfüllung in Abhängigkeit von Drosselklappenwinkel a und Motordrehzahl n aufgetragen. Ist das Motorkennfeld für einen Motor bekannt, so ist die Luftfüllung bei konstanter Luftdichte durch a und n exakt bestimmt (a/n-System).

rc 90

Bild 4 Relative Luftfüllung

22

20

o

------:9', 14

o

1000

111

2000

3000

4000

DrehzahllJ

5000

ｾ＠ ｾ＠

abhängig von Motordrehzahl " und Drosselk1appenw,nkel a

ｾ＠

6OOOmin-1 ｾ＠

x

Relative Luft

a

füllungsänderung

112

Benzineinspritzung im Überblick

Mono-Jetronic

Durch Betätigen der Drosselklappe vom Gaspedal aus steuert der Fahrer den Ansaugluftstrom des Ottomotors und gibt damit den gewünschten Betriebspunkt vor. Das Drosselklappenpotenziometer im Einspritzaggregat erfasst dabei den Drosselklappenwinkel a. Neben der Drosselklappenstellung a sind Motordrehzahl n und Luftdichte zusätzliche Einflussgrößen für die vom Motor angesaugte Luftmasse. Die notwendige Information über die Drehzahl liefert die Zündanlage. Aufgrund des konstanten Kraftstoffüberdrucks im Einspritzventil gegenüber dem Umgebungsdruck an der Abspritzstelle ist die Öffnungsdauer des Einspritzventils pro Ansteuerimpuls allein für die eingespritzte Kraftstoffmenge ausschlaggebend. Diese Öffnungsdauer wird "Einspritzzeit" genannt. Um ein gewünschtes Luft-Kraftstoff-Verhältnis sicherzustellen, muss die Einspritzzeit proportional zur erfassten Luftfüllung gewählt werden. Das heißt: Die Einspritzzeit kann direkt a und n zugeordnet werden. Bei der Mono-Jetronic erfolgt diese Zuordnung durch ein "Lambda-Kennfeld" mit den Eingangs größen a und n. Der Einfluss der Luftdichte, die von der Ansauglufttemperatur und vom Luftdruck abhängig ist, wird dabei vollständig kompensiert. Die Ansauglufttemperatur wird beim Eintritt in das Einspritzaggregat der Mono-Jetronic gemessen und im elektronischen Steuergerät mit einem Korrekturfaktor berücksichtigt. Die Mono-Jetronic enthält grundsätzlich eine "Lambda-Regelung", um das LuftKraftstoff-Verhältnis für den Dreiwegekata1ysator bei A = 1 zu halten. Darüber hinaus wird eine Lambda-Regelung zusätzlich genutzt, um "adaptive" Gemischkorrekturen durchzuführen, d. h., das System passt sich den wechselnden Bedingungen selbstlernend an. Diese Korrekturwerte berücksichtigen neben dem Einfluss des Luftdrucks (insbesondere Luftdruckänderungen infolge von

Fahrten in unterschiedlichen Höhen) auch die individuellen Toleranzen und die Abweichungen, die während der gesamten Laufzeit eines Fahrzeugs am Motor und den Einspritzaggregaten auftreten können. Beim Abstellen des Motors bleiben die "gelernten" Korrekturwerte gespeichert, sodass sie bei einem erneuten Start sofort wieder wirksam sind. Mit dieser "adaptiven" Gemischsteuerung und dem zusätzlich überlagerten LambdaRegelkreis garantiert die indirekte Erfassung der angesaugten Luftmasse durch die a/n-Steuerung eine uneingeschränkte Gemischkonstanz, ohne dass eine Luftmassenmessung durchgeführt werden muss. Drosselklallpenwinkel Das Drosselklappenwinkelsignal a dient dem elektronischen Steuergerät zur Berechnung der Drosselklappenstellung und der Drosselklappen -Winkelgeschwindigkeit. Die DrosselklappensteIlung ist eine wichtige Eingangsgröße für die Funktionen der Luftfüllungserfassung bzw. Einspritzzeitberechnung und Stellungsrückmeldung des Drosselklappenanstellers bei geschlossenem Leerlaufschalter. Die Drosselklappen -Winkelgeschwindigkeit wird hauptsächlich für die Übergangskompensation benötigt. Die erforderliche Auflösegenauigkeit des a-Signals wird durch die Luftfüllungserfassung bestimmt. Um ein problemloses Fahr- und Abgasverhalten zu erzielen, muss die Auflösung der Luftfüllung sowie der Einspritzzeit in kleinsten digitalen Stufen (Quantelung) so fein erfolgen, dass ein Luft -Kraftstoff-Verhältnis mit der Genauigkeit von 2 % eingestellt werden kann. Der Motorkennfeldbereich, bei dem sich die Luftfüllung in Abhängigkeit von a am stärksten ändert, liegt bei kleinen Drosselklappenwinkeln a und niederer Drehzahl n, d. h. im Leerlauf und bei unterer Teillast. Wie aus Bild 4 hervorgeht, führen in diesem Bereich Winkeländerungen von z. B. ±l,5 0 zu einer relativen Luftfüllungsänderung bzw. Lambda -Änderung von ± 17 %, während

Benzineinspritzung im Überblick

außer halb dieses Bereichs bei höheren Drosselklappenwinkeln dieselbe Winkeländerung einen nahezu vernachlässigbaren Einfluss ausübt. Daraus folgt, dass im Leerlauf und bei unterer Teillast eine hohe Winkelauflösung notwendig ist. Um die erforderliche hohe Signalauflösung zu gewährleisten, ist im Drosselklappenpotenziometer der DrosselklappenWinkelbereich zwischen Leerlauf und Volllast auf zwei Widerstandsbahnen aufgeteilt. Die erste Bahn umfasst den Winkelbereich von 0° ... 24°, die zweite den Bereich von 18°... 90°. Im elektronischen Steuergerät werden die Winkelsignale (a) getrennt über je einen Analog-Digital-Wandler-Kanal umgesetzt. Drehzahl Die für die a/n-Steuerung notwendige Drehzahlinformation wird aus der Periodenzeit des Zündsignals gewonnen. Dabei werden im elektronischen Steuergerät die von der Zündung bereitgestellten Signale verarbeitet. Dies sind entweder der vom Zündschaltgerät bereits aufbereitete TDImpuls oder das an der Klemme 1 (Us) der Niederspannungsseite der Zündspule vorhandene Spannungssignal. Gleichzeitig werden diese Signale auch zum Auslösen der Einspritzimpulse verwendet, wobei jeder Zündimpuls einen Einspritzimpuls auslöst. Motortemperatur Die Motortemperatur hat einen erheblichen Einfluss auf den Kraftstoffbedarf. Ein Temperatursensor im Kühlmittelkreislauf des Motors misst die Motortemperatur und gibt ein elektrisches Signal an das Steuergerät. Ansa uglu fl tcmpcral II r Die Dichte der Ansaugluft ist abhängig von ihrer Temperatur. Zum Kompensieren dieses Einflusses erfasst ein Temperatursensor auf der Anströmseite des Einspritzaggregats die Temperatur der vom Motor angesaugten Luft und meldet diese dem Steuergerät.

Mono-Jetronic

Betriebszustände Das Erkennen der Betriebszustände "Leerlauf' und "Volllast" ist für die Volllastanreicherung und die Schubabschaltung wichtig, um die Einspritzmenge für diese Betriebszustände zu optimieren. Der Zustand "Leerlauf' wird bei geschlossener Drosselklappe aus dem betätigten Leerlaufkontakt eines Schalters erkannt, der sich im Drosselklappenansteller befindet. "Volllast" leitet das Steuergerät aus dem elektrischen Signal des Drosselklappenpotenziometers ab. Batteriespannung Die Anzugs- und Abfallzeit des elektromagnetischen Einspritzventils hängt von der Batteriespannung ab. Treten während des Betriebes Schwankungen der Bordnetzspannung auf, so korrigiert das elektronische Steuergerät die dadurch hervorgerufene Ansprechverzögerung des Einspritzventils durch Änderung der Einspritzzeit. Außerdem erfolgt bei besonders niedrigen Spannungen, wie sie bei einem extremen Kaltstart auftreten können, eine Verlängerung der Einspritzimpulse. Diese Einspritzimpulsverlängerung bewirkt eine Kompensation der Fördercharakteristik der verwendeten Elektrokraftstoffpumpe, die den System druck unter diesen Bedingungen nicht vollständig aufbaut. Das elektronische Steuergerät liest die Batteriespannung als kontinuierliches Eingangssignal über den Analog -Digital-Wand1er in den Mikroprozessor ein. Schaltsignale von Klimaanlage und/oder Automatikgetriebe Durch die Motorbelastung beim Einschalten der Klimaanlage oder Betätigen des Automatikgetriebes sinkt bei entsprechend ausgerüsteten Fahrzeugen die Motordrehzahl im Leerlauf ab. Um dies zu vermeiden, erfasst das elektronische Steuergerät die Betriebszustände "Klimabereitschaft ein", "Klimakompressor ein" und die Stellung "Drive" beim Automatikgetriebe als Schaltsignale. Entsprechend diesen Schaltsignalen

113

114

Benzineinspritzung im Überblick

Mono-Jetronic

beeinflusst das elektronische Steuergerät die Sollwertvorgabe für die Leerlaufdrehzahlregelung. Um die erforderliche Kühlleistung der Klimaanlage zu gewährleisten, kann es notwendig sein, die Leerlaufdrehzahl anzuheben. Oft wird auch eine Absenkung der Leerlaufdrehzahl nach Einlegen der Stellung "Drive" bei Fahrzeugen mit Automatikgetriebe notwendig. Gem ischzu ammensetzung Die Gemischzusammensetzung ist im Hinblick auf die Abgasnachbehandlung durch einen Dreiwegekatalysator genau einzuhalten. Eine Lambda-Sonde im Abgasstrom liefert ein elektrisches Signal über die augenblickliche Gemischzusammensetzung an das elektronische Steuergerät, mit dem eine Regelung der Gemischzusammensetzung auf das stöchiometrische Verhältnis ermöglicht wird. Sie ist am Abgasrohr des Motors an einer Stelle eingebaut, an der über den gesamten Betriebsbereich des Motors die für die Funktion der Sonde nötige Temperatur herrscht. Betriebsdatenverarbeitung

Das Steuergerät verarbeitet die von den Sensoren gelieferten Daten über den Betriebszustand des Motors. Es bildet daraus mithilfe der programmierten Steuergerätefunktionen die Ansteuersignale für das Einspritzventil, den Drosselklappenansteller und das Aktivkohle-Regenerierventil. Elektronische

teuergerät

Das Steuergerät befindet sich in einem Kunststoffgehäuse aus glasfaserverstärktem Polyamid. Es ist außerhalb der Wärmestrahlung des Motors im Fahrgastraum oder im "Wasserkasten" zwischen Motorraum und Fahrgastraum untergebracht. Die elektronischen Bauelemente des Steuergeräts befinden sich auf einer einzigen Leiterplatte. Die Leistungsendstufen und der Spannungsstabilisator, der die elektronischen Bauteile mit einer 5-V-Spannung versorgt, sind zur besseren Wärmeabfuhr am Kühlkörper befestigt. Ein 25-poliger Stecker

verbindet das Steuergerät mit Batterie, Sensoren und Stellgliedern. Analog-Digital-Wandler Die kontinuierlichen Analogsignale, wie die beiden Spannungen des Drosselklappenpotenziometers, die Lambda-Sondenspannung, das Motortemperatursignal, das Ansauglufttemperatursignal, die Versorgungsspannung (Batteriespannung) und ein im Steuergerät gebildetes Referenzsignal werden vom Analog -Digital-Wandler in Datenworte umgewandelt und von einem Mikroprozessor über den Datenbus eingelesen. Ein Analog-Digital-Eingang wird benutzt, um je nach Eingangsspannung verschiedene im Lesespeicher abgelegte Datensätze anzuwählen (Datencodierung). Das Drehzahlsignal von der Zündung wird dagegen über einen integrierten Schaltkreis (Ie) aufbereitet und dem Mikroprozessor zugeführt. Zusätzlich wird das Drehzahlsignal direkt über eine Endstufe zur Ansteuerung des Kraftstoffpumpenrelais genutzt. Mikroproze or Kernstück des elektronischen Steuergeräts ist der Mikroprozessor (Bild 5). Er ist über den Daten- und Adressbus mit dem programmierbaren Lesespeicher (EPROM) und dem Schreib-Lese-Speicher (RAM) verbunden. Der Lesespeicher enthält den Programmcode sowie die Daten der Funktionsparametrierung. Der Schreib-lese-Speicher dient insbesondere zum Speichern der Adaptionswerte (Adaption: selbstlernende Anpassung an sich wandelnde Bedingungen). Damit die Adaptionswerte beim Abschalten der Anlage nicht gelöscht werden, ist dieser Speicherbaustein ständig mit der Fahrzeugbatterie verbunden. Den stabilen Grundtakt für die Rechenvorgänge liefert ein Quarz-Oszillator mit einer Frequenz von 6 MHz. über ein Signalinterface, das die Impulse in Größe und Form so anpasst, dass sie vom Mikroprozessor verarbeitet werden können, führt die Schaltsignale dem Mikroprozessor zu. Zu

Benzineinspritzung im Überblick

diesen Schaltsignalen gehört die Stellung des Leerlaufschalters, die Diagnoseleitung, bei Automatikfahrzeugen die Stellung des Getriebewählhebels (Neutral, Drive) und bei Fahrzeugen mit Klimaanlage ein Signal, wenn die Klimaanlage eingeschaltet ist (Klimabereitschaft) sowie der Schaltzustand des Klimakompressors. Endstufen Über verschiedene Endstufen werden das Einspritzventil, der Drosselklappenansteller, das Aktivkohle-Regenerierventil und das Pumpenrelais angesteuert. Falls im Fahrzeug eingebaut, wird bei erkanntem Sensorenoder Stellerfehler eine "Fehlerlampe" zur Warnung des Fahrers angesteuert. Der Fehlerlampenausgang wird zusätzlich zur Diagnoseeinleitung und Diagnoseausgabe verwendet.

Mono-Jetronic

115

Lambda-Kennfeld Die exakte Anpassung des Luft -KraftstoffVerhältnisses in jedem stationären Betriebspunkt des warmen Motors erfolgt über ein Lambda-Kennfeld, das im digitalen Schaltungsteil des Steuergeräts elektronisch gespeichert ist (Bild 6). Es wird durch Versuche auf dem Motorprüfstand gewonnen. Bei einem Motorsteuerungskonzept mit Lambda-Regelung wie bei der Mono-JetroLambda-Kennfeld

Ｎｾ＠ a. In

:'i:

os

ｾ＠

E ｾ＠ 1,0

'"c:

Cl

ｾ＠

- 30

o

0,6

__

'N

+50

+100

Motortemperatur IM

::>

.,

'0

a: 02 ｯ

ｾ＠

o

__

__ ｾ＠

2

ｾ

c

］［Ｚｾｬ＠

*

ｾ

ｾ＠

4 Startzeit I s

6

ｳ

ｾ＠

ｾ＠

Benzineinspritzung im Überblick

• Die Nachstartanreicherung ist abhängig von der Motortemperatur als Korrekturfaktor abgelegt (Bild 9c). Mit diesem "Nachstartfaktor" werden die aus dem Lambda-Kennfeld errechneten Einspritzzeiten korrigiert. Die Verminderung des Nachstartfaktors auf den Wert 1 erfolgt in Abhängigkeit von der Zeit. • Die Warmlaufanreicherung ist ebenfalls als Korrekturfaktor abhängig von der Motortemperatur abgelegt; die Verminderung dieses Faktors auf den Wert 1 bestimmt ausschließlich die Motortemperatur (Bild 9d). Beide Funktionen wirken gleichzeitig. Das heißt, die Einspritzzeiten aus dem LambdaKennfeld werden sowohl mit dem Nachstartfaktor als auch mit dem Warmlauffaktor angeglichen.

Ansaugluftabhängige Gemischkorrektur Die für die Verbrennung maßgebende Luftmasse ist von der Temperatur der angesaugten Luft abhängig. Kalte Luft ist dichter als warme Luft. Dies bedeutet, dass bei gleicher DrosselklappensteIlung die Zylinderfüllung mit zunehmender Lufttemperatur geringer wird. Das Einspritzaggregat der Mono-Jetronie verfügt deshalb über einen Temperatursensor, der die Temperatur der angesaugten Luft dem Steuergerät meldet. Über einen von der Lufttemperatur abhängigen Anreicherungsfaktor korrigiert das Steuergerät die Einspritzzeit bzw. -menge (Bild 11). Anreicherungsfaktor in Abhängigkeit von der Ansaugfufttemperatur

-30

o

20

Ansauglufttemperatur I l

Mono-Jetronic

Übergangskompensation Bei Laständerungen, die durch Drosselklappenbewegungen ausgelöst werden, sorgt die Übergangskompensation für die dynamische Gemischkorrektur. Um ein gutes Fahrund Abgasverhalten zu erzielen, muss bei einem Zentraleinspritzsystem die Übergangskompensation mit einem wesentlich höheren Funktionsaufwand realisiert werden, als dies bei Einzeleinspritzung der Fall ist. Dies ist notwendig, da die Gemischverteilung bei Zentraleinspritzung über das Saugrohr erfolgt und dabei im Übergang hinsichtlich des Kraftstofftransports drei unterschiedliche Zustände berücksichtigt werden müssen: • Kraftstoffdampf, der im Einspritzaggregat oder im Saugrohr entsteht oder durch Verdampfen von flüssigem Wandfilm an den Saugrohrwänden gebildet wird. Dieser Kraftstoffdampf bewegt sich sehr schnell mit der Geschwindigkeit des Ansaugluftstroms. • Kraftstofftröpfchen, die unterschiedlich schnell, aber immer noch in der Größenordnung der Geschwindigkeit der Luftströmung, transportiert werden. Die Tröpfchen werden jedoch teilweise an die Saugrohrwände geschleudert und tragen dort zum Aufbau des flüssigen Wandfilms bei. • Flüssiger Kraftstoff, der mit reduzierter Geschwindigkeit als Wandfilm an den Wänden des Saugrohrs zum Verbrennungsraum transportiert wird. Dieser Kraftstoffanteil steht der Verbrennung zeitlich verzögert zur Verfügung. Während bei niedrigem Saugrohrdruck, also im Leerlauf und bei unterer Teillast, der Kraftstoff im Saugrohr fast ausschließlich dampfförmig vorliegt und nahezu kein Wandfilm vorhanden ist, erhöht sich der Wandfilmanteil mit zunehmendem Saugrohrdruck, d.h. mit zunehmender Drosselklappenöffnung bzw. abnehmender Drehzahl. Dies hat zur Folge, dass bei einer Drosselklappenbetätigung während einer Übergangszeit die Bilanz zwischen Zu- und

119

120

Benzineinspritzung im Überblick

Mono·Jetronic

Abfuhr von Kraftstoff zum bzw. vom Wandfilm nicht ausgeglichen ist. Die beim Öffnen der Drosselklappe sich erhöhende Wandfilmmenge würde ohne Kompensation durch die Beschleunigungsanreicherung im Übergang zu einer Abmagerung in den Zylindern führen. Entsprechend wird beim Schließen der Drosselklappe die Wandfilmmenge abgebaut, die ohne Kompensation durch die Verzögerungsabmagerung im Übergang zu einer Gemischanreicherung in den Zylindern führen würde. Neben der saugrohrdruckabhängigen Verdampfungsneigung des Kraftstoffs sind die Temperaturverhältnisse ebenfalls von großer Bedeutung. Bei noch kaltem Saugrohr oder bei niedriger Ansauglufttemperatur erhöht sich deshalb der Wandfilmanteil zusätzlich. Bei der Mono-Jetronic werden diese dynamischen Gemischtransporteffekte durch komplexe elektronische Funktionen berücksichtigt. Damit wird im Übergang ein LuftKraftstoff-Gemisch möglichst nahe bei A= 1 sichergestellt. Die Funktionen für Beschleunigungsanreicherung und Verzögerungsabmagerung sind abhängig von Drosselklappenwinkel, Drehzahl, Ansauglufttemperatur, Motortemperatur und Geschwindigkeit des Drosselklappenwinkels. Eine Verzögerungsabmagerung oder Beschleunigungsanreicherung wird ausgelöst, Auslöseschwelle für Obergangskompensation

wenn die Winkelgeschwindigkeit der Drosselklappe die zugehörige Auslöseschwelle überschreitet. Die Auslöseschwelle für die Beschleunigungsanreicherung ist in Form einer Kennlinie als Funktion des Drosselklappenwinkels gespeichert (Bild 12). Für die Verzögerungsabmagerung existiert eine konstante Auslöseschwelle. In Abhängigkeit von der Winkelgeschwindigkeit wird für die Beschleunigungsanreicherung ein dynamischer Gemischanreicherungsfaktor und für die Verzögerungsabmagerung ein dynamischer Gemischabmagerungsfaktor wirksam. Diese dynamischen Gemischkorrekturfaktoren sind als Kennlinien gespeichert. Das Saugrohr wird zur Verringerung des Wandfilms mit der vom Motor zurückfließenden Kühlflüssigkeit beheizt. Zusätzlich erfolgt zur Verbesserung der Gemischaufbereitung eine Erwärmung der Ansaugluft über die Luftvorwärmeeinrichtung. Zur Berücksichtigung dieser Einflüsse dienen Bewertungskennlinien, über die die dynamischen Gemischkorrekturfaktoren abhängig von Motortemperatur und Ansauglufttemperatur beeinflusst werden. Zur Berücksichtigung der saugrohrdruckabhängigen Wandfilmmenge ist ein Kennfeld in Abhängigkeit von Drosselklappenwinkel und Drehzahl mit zusätzlich auf die dynamischen Gemischkorrekturfaktoren wirkenden Bewertungsfaktoren gespeichert. Die übergangskompensation wirkt als so genannter Gesamtübergangsfaktor auf die Einspritzzeit der Einspritzimpulse. Da die Laständerungen im Verhältnis zum Einspritzrhythmus sehr schnell erfolgen können, ist darüber hinaus die Ausgabe eines zusätzlichen Einspritzimpulses - des Zwischenspritzers - möglich. Lambda-Regelung

Bild 12 1

Beschleunigungs· anreicherung

2

Verzögerungs·

_

abmagerung keine Auslösung

Drosselklappenwinkel

a

Die Lambda-Regelung regelt das Luft-Kraftstoff-Gemisch auf A = 1 ein. Dazu liefert die im Abgasstrom liegende Lambda-Sonde ständig ein Signal, mit dem das Steuergerät das augenblicklich vorliegende verbrannte

Benzineinspritzung im Überblick

Luft-Kraftstoff-Gemisch überprüft und bei Bedarf die Kraftstoffeinspritzzeit verlängert oder verkürzt. Die Lambda-Regelung ist der Grundsteuerung des Gemischbildungssystems überlagert. Sie sorgt dafür, dass das System optimal auf den Dreiwegekatalysator abgestimmt ist. Der mithilfe der Lambda-Sonde gebildete Regelkreis erkennt und korrigiert Abweichungen vom stöchiometrischen LuftKraftstoff-Verhältnis. Die Lambda-Sonde (Zweipunkt-Sonde) als Messsensor im Abgasrohr liefert eine Information darüber, ob das Gemisch fetter oder magerer als A = 1 ist. Bei einer Abweichung davon macht das Ausgangssignal der Sonde einen Spannungssprung, den die Regelschaltung auswertet. Eine hohe Sondenspannung (ca. 800 m V) zeigt ein fetteres, eine niedere Sondenspannung (ca. 200 m V) ein magereres Gemisch als A = 1 an. Im Bild 13 ist der Spannungsverlauf des Lambda-Sondensignals in Abhängigkeit von der Zeit dargestellt. Bei jedem Übergang von fettem zu magerem sowie von magerem zu fettem Gemisch wird der Lambda-Regler angesteuert. Der Lambda-Korrekturfaktor wird zur Beeinflussung der Ansteuerzeiten des Einspritzventils herangezogen. Bei einem Spannungssprung der Lambda-Sonde wird

Mono-Jelronic

zunächst das Gemisch um einen bestimmten Betrag sofort verändert, um möglichst schnell eine Gemischkorrektur herbeizuführen. Anschließend folgt die Stellgröße einer programmierten Anpassungsfunktion, bis ein erneuter Spannungssprung der Lambda-Sonde erfolgt. Das Luft-KraftstoffGemisch wechselt dabei ständig seine Zusammensetzung in einem sehr engen Bereich um A = 1 in Richtung "fett" bzw. "mager". Wäre es möglich, das Lambda-Kennfeld ideal auf A= 1 anzupassen, so würde die Stellgröße für den Lambda-Regler (LambdaKorrekturfaktor) ständig nur um den Neutralwert von 1,0 regeln. Da dies aufgrund unvermeidlicher Toleranzen nicht gegeben ist, folgt die Lambda-Regelung den Abweichungen vom Idealwert und regelt jeden Punkt des Kennfeldes auf A = l. Die Lambda-Sonde gibt erst bei Temperaturen über ca. 350 oe ein auswertbares Signal. Bis zum Erreichen dieser Temperatur wird auf eine Regelung verzichtet.

Gemischadaption Die Gemischadaption ermöglicht eine selbstständige, individuelle Feinanpassung der Gemischsteuerung an den jeweiligen Motor. Darüber hinaus wird der Luftdichteeinfluss auf die Gemischsteuerung zuverlässig kompensiert. Ziel der Spannungsverlauf des Lambda·Sondensignals Gemischadaption ist es, die Luft-Kraftstoff-Gemlsch Einflüsse aufgrund der ToleVerlauf der ranzen oder der Sondenspannung im Laufe der Zeit auftretenLambdaKorrekturden Verändefaktor rung an Motor anfenen und Einspritzkomponenten Neutralwert 1,0 0 zu berücksichtigen. Dies sind abmagern im Wesentｾ＠ :::> Zeit 1 _ _ lichen drei ｾ＠ Effekte:

ｾ＠

t

j

121

122

Benzineinspritzung im Überblick

Mono-Jetronic

• Einflüsse, die hauptsächlich durch Luftdichteänderungen bei Höhenfahrten hervorgerufen werden ("Luftfluss-multiplikativer Einfluss"). • Einflüsse, die im Wesentlichen durch Änderungen der Leckluftrate bedingt sind. Verursacht werden solche Änderungen z. B. durch Zusetzen eventuell vorhandener Leckspalte stromabwärts der Drosselklappe mit Schmutz ("Luftflussadditiver Einfluss"). • Einflüsse durch individuelle Streuungen der Einspritzventil-Verzugszeit ("Einspritzzeit-additiver Einfluss").

Die Berechnung der "Gemischadaptionsvariablen" verläuft auf folgende Weise: Die bereits bekannte Lambda-Regler-Stellgröße wird beim Auftreten eines Gemischfehlers so lange verändert, bis das Gemisch auf A= 1 korrigiert ist. Dabei stellt die Abweichung der Lambda-Regler-Stellgröße vom Neutralwert den wirksamen Gemischkorrekturwert des Lambda-Reglers dar. Für die Gemischadaption werden diese Werte der LambdaRegler-Stellgröße nach jedem Signalsprung mit einem Gewichtungsfaktor bewertet und zur bereichsabhängig zugeschalteten Adaptionsvariablen hinzuaddiert. Dadurch verändert sich die Adaptionsvariable jeweils mit Treppenstufen, deren Höhe proportional zum jeweilig wirksamen Gemischkorrekturwert der Lambda-Regelung ist. Mit jedem Schritt wird somit ein zusätzlicher Bruchteil der notwendigen Gemischkorrektur kompensiert (Bild 14). Die Schritte erfolgen, abhängig von der jeweiligen Last und Drehzahl des Motors, im Zeitraster zwischen 1 s und wenigen 100 ms. Die Adaptionsvariablen werden so schnell aktualisiert, dass Toleranz- und Drifteinflüsse auf das Abgas- und Fahrverhalten vollständig kompensiert werden.

Da es Kennfeldbereiche gibt, in denen sich diese Einflüsse zum Teil sehr stark auswirken, wird das Kennfeld in drei Gemischadaptionsbereiche unterteilt: • Änderungen der Luftdichte sind im gesamten Kennfeld gleichmäßig wirksam. Der Gemischadaptionsbereich für die Adaptionsvariable, die die Luftdichte berücksichtigt ("Luftfluss-multiplikativer Wert"), umfasst deshalb das gesamte Kennfeld. • Änderungen in der Leckluftrate machen sich besonders bei kleinem Luftdurchfluss bemerkbar (z. B. in der Nähe des Leerlaufs). In einem zweiten Bereich wird deshalb ein zusätzlicher Adaptionswert ermittelt ("LuftZyklischer Wechsel zwischen Gemi.schadaplion und Adaption des Beladungsfaklors fluss-additiver Wert"). • Änderungen in der abgespritzen lambdaKraftstoffmenge Korrekturfaktor pro Einspritzanfelten impuls wirken Neulralwer11,O sich bei niedriger ｾ＠ abmagem Einspritzfrequenz stark aus. Deshalb wird in einem dritten Bereich ein Adaptionsvariable weiterer Adaptions5! ｾＭ＠ ｾ＠ wert bestimmt ("Einspritzzeit Zeit l _ ::!: :::> additiver Wert"). ｾ＠

t

Benzineinspritzung im Überblick

Leerlaufdrehzahlregelung Mit der Leerlaufdrehzahlregelung lässt sich die Leerlaufdrehzahl absenken und stabilisieren; sie sorgt während der gesamten Lebensdauer des Fahrzeuges für eine gleich bleibende Motordrehzahl im Leerlauf. Bei dieser Leerlaufdrehzahlregelung wird der Drosselklappenansteller, der die Drosselklappe über einen Hebel öffnet, so angesteuert, dass die Leerlaufdrehzahl unter allen Bedingungen (z. B. belastetes Bordnetz, eingeschaltete Klimaanlage, eingelegte Fahrstufe bei Automatikfahrzeugen, voll wirkende Lenkhilfe usw.) bei heißem und bei kaltem Motor auf dem vorgegebenen Wert gehalten wird. Dies gilt auch bei Bergfahrten in großer Höhe, wo aufgrund der abnehmenden Luftdichte höhere Leerlauf-Drosselklappenwinkel notwendig sind. Im Steuergerät sind zwei motortemperaturabhängige Kennlinien für die Leerlaufdrehzahl gespeichert (Bild ISa): • Kennlinie 1 für Automatikfahrzeuge mit eingelegter Fahrstufe (Drive). • Kennlinie 2 für Handschaltfahrzeuge bzw. Automatikfahrzeuge mit nicht eingelegter Fahrstufe (Neutral). Zur Verringerung der Kriechneigung von Automatikfahrzeugen erfolgt mit eingelegter Fahrstufe meist eine Absenkung der Leerlaufdrehzahl. Mit eingeschalteter Klimaanlage (Klimabereitschaft) wird die Leerlaufdrehzahl häufig durch Vorgabe einer Mindestdrehzahl angehoben, um eine ausreichende Kühlleistung sicherzustellen (Kennlinie 3). Um Drehzahländerungen beim Zu- und Abschalten des Klimakompressors zu vermeiden, bleibt die Drehzahl auch bei nicht eingerücktem Kompressor angehoben. Der Drehzahlregler berechnet aus der Differenz zwischen aktueller Motordrehzahl und SolIdrehzahl (11soll) die geeignete Korrektur der Drosselklappenanstellung. Die Ansteuerung des Drosselklappenanstellers erfolgt bei geschlossenem Leerlaufschalter über einen Lageregier. Dieser

Mono-Jetronic

123

bestimmt das Ansteuersignal für den Drosselklappenansteller durch Differenzbildung aus der berechneten Drosselklappenwinkelstellung und der über das Drosselklappenpotenziometer erfassten aktuellen Stellung. Um Drehzahleinbrüche beim übergang z. B. aus Schub in Leerlauf zu vermeiden, darf der Drosselklappenansteller nicht zu weit geschlossen sein. Dies wird durch Vorsteuerkennlinien, die den minimalen Stellbereich des Drosselklappenanstellers elektronisch begrenzen, erreicht. Im Steuergerät ist deshalb je eine temperaturabhängige Drosselklappenvorsteuerkennlinie für "Drive" und "Neutral" gespeichert (Bild ISb). leerlaufdrehzahlregelung

a min-' ＱＲＰＭ

ＭＺ

ｾ＠

"

:2

ｾＱＰ＠

ｾ＠

o

800

ts Gi -'" c Ｎ ｾ＠

16

c

12

'"

8

ｾ＠

4

8. Co :i: Gi

0

0

- 20

40 0 Molortemperalur I M

c Bild 15

a

Solid rehzahlen

b

Drosselklappenvorsteu erung

c

Unterdruck-

begre nl ung

L---;----r-----t------t--J c n lOl'

"1011

+400

+1000

i

Itsoll

+1750

min-I !

Drehzahl"

;;: :::E

ｾ＠

::::I

1

Dri,e

2

N eutral

3

Klimabereitschaft

V

Drosselklappen· vorsteuerung

124

Benzineinspritzung im Überblick

Mono·Jetronic

Zusätzlich werden unterschiedliche Vorsteuerkorrekturen bei eingeschalteter Klimaanlage, abhängig davon, ob der Klimakompressor eingerückt oder nicht eingerückt ist, wirksam. Damit die Vorsteuerung immer auf dem optimalen Wert steht, werden zusätzlich Vorsteuerkorrekturwerte adaptiert, und zwar für alle vorkommenden Kombinationen aus den Eingangssignalen "GetriebesteIlung" (Drive/Neutra!), "Klimabereitschaft" (ja/nein) und "Klimakompressor" (ja/nein). Ziel dieser Anpassung ist es, den insgesamt wirkenden Vorsteuerwert so zu wählen, dass dieser im Leerlauf in einem vorgegebenen Abstand zum aktuellen Drosselklappenwinkel steht. Damit bei Höhenfahrten die richtige Korrektur der Vorsteuerwerte schon vor der ersten Leerlaufphase wirksam wird, erfolgt zusätzlich eine luftdichteabhängige Vorsteuerkorrektur. Die Möglichkeit, mit dem Drosselklappenansteller auch außerhalb des Leerlaufs die Drosselklappe anzustellen (wenn der Fahrer das Gaspedal nicht betätigt), wird zusätzlich genutzt, um eine Unterdruckbegrenzerfunktion durchzuführen. Diese Funktion öffnet bei Schiebebetrieb über eine drehzahlabhängige Kenn-

Bild 16 1

Motorgehäuse mit

Elektromotor 2

Schnecke

3

Schneckenrad

4

Stellwelle

5

Leerlaufkontakt

6

Gummirollbalg

linie (Bild 15c) die Drosselklappe gerade so weit, dass Betriebspunkte mit sehr geringer Füllung (unvollständige Verbrennungen) ausgespart werden.

Drosselklappenansteller Der Drosselklappenansteller (Bild 16) wirkt über seine Stellwelle (4) auf den Drosselklappenhebel und kann so die dem Motor zur Verfügung gestellte Luftmenge beeinflussen. Er enthält einen Gleichstrommotor (1), der über eine Schnecke (2) und ein Schneckenrad (3) eine Stellwelle betätigt, die abhängig von der Drehrichtung des Gleichstrommotors entweder ausfährt und dabei die Drosselklappe öffnet oder aber bei entgegengesetzter Polung des Elektromotors den Öffnungswinkel der Drosselklappe zurücknimmt. In der Stellwelle ist ein Schaltkontakt integriert, der beim Anliegen der Stellwelle an dem Drosselklappenhebel geschlossen ist und somit dem Steuergerät den Betriebszustand "Leerlauf' anzeigt. Voillastanreicherung Wenn der Fahrer das Gaspedal ganz durchgetreten hat, erwartet er die maximale Leistungsabgabe vom Motor. Die maximale Leistung erzielt ein Verbrennungsmotor bei einem gegenüber dem stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-VerhäItnis um ca. 10... 15 % angefetteten Gemisch. Die Höhe der Volllastanreicherung ist als Faktor abgelegt, mit dem die aus dem Lambda-Kennfeld errechneten Einspritzzeiten multipliziert werden. Die Volllastanreicherung ist wirksam, sobald ein (wenige Grade vor dem Anschlag) festgelegter Drosselklappenwinkel überschritten ist. Drehzahlbegrenzung Extrem hohe Drehzahlen können zur Zerstörung des Motors führen. Durch die Drehzahlbegrenzung wird vermieden, dass eine maximal zulässige Motordrehzahl überschritten wird. Bei geringem überschreiten dieser für jeden Motor festiegbaren Drehzahl 110 unterdrückt das Steuergerät die Ein-

Benzineinspritzung im Überblick

spritzimpulse. Sinkt die Drehzahl wieder unter diesen vorgegebenen Drehzahlwert, so wird die Einspritzung wieder eingeschaltet. Dies erfolgt in schnellem Wechsel innerhalb eines Drehzahltoleranzbandes um die vorgegebene maximal zulässige Motordrehzahl.

Mono·Jetronic

ausreichender Verbrennungsluft nur unvollständig verbrennen kann. Um diesem Effekt entgegenzuwirken, wird die Drosselklappe durch den Drosselklappenansteller während des Schubs abhängig von der Drehzahl geöffnet wird. Liegt ein steiler Drehzahlabfall während des Schubs vor, so stellt sich die Drosselklappenöffnung nicht mehr abhängig von der fallenden Drehzahl ein. In diesem Fall erfolgt eine zeitlich langsamere Rücknahme des Drosselklappenwinkels. Während des Schubs "trocknet" das Saugrohr aus, und der gesamte an den Wänden haftende Kraftstofffilm verdampft. Nach Beendigung des Schubs muss dieser Wandfilm wieder durch den zugeführten Kraftstoff aufgebaut werden, wodurch sich bis zur Herstellung des Gleichgewichtzustandes ein etwas abgemagertes Luft-Kraftstoff-Gemisch einstellt. Zur Unterstützung des Wandfllmaufbaus wird unmittelbar nach Beendigung des Schubs ein zusätzlicher Einspritzimpuls ausgegeben, dessen Länge sich nach der Dauer des Schubs richtet.

Schiebebetrieb Wenn der Fahrer während der Fahrt den Fuß vom Gaspedal nimmt und damit die Drosselklappe ganz schließt, wird der Motor durch die kinetische Energie des Fahrzeugs angetrieben (Schiebebetrieb, Schub). Zur Minderung der Abgasemission und des Kraftstoffverbrauchs sowie zur Verbesserung des Fahrverhaltens sind in diesem Betriebszustand mehrere Funktionen aktiv. Wenn die Motordrehzahl eine festgelegte Schwelle (Bild 17, Drehzahlschwelle 2) überschritten hat und die Drosselklappe geschlossen ist, wird das Einspritzventil nicht mehr angesteuert, dem Motor also kein Kraftstoff mehr zugeführt. Mit dem Unterschreiten einer zweiten Drehzahlschwelle (Drehzahlschwelle 3) wird dann die Kraftstoffeinspritzung wieder aufgenommen. Wenn während des Schubs die Drehzahl sehr stark abfällt, wie dies z. B. beim Auskuppeln geschehen kann, so wird bereits bei einer höheren Drehzahl (Drehzahlschwelle 1) wieder eingespritzt, um zu verhindern, dass die Drehzahl unter die Leerlaufdrehzahl fällt oder gar der Motor Kraftsloffeinspritzung während des Schiebebelriebs ganz ausgeht. Ｍｾ＠ Mit dem Schließen der Drosselklappe bei höheren Drehzahlen tritt einerseits eine Schwelle 1 starke Verzögerung des Schwelle 2 Fahrzeugs durch den Schwelle 3 geschleppten Motor ein, andererseits steigt der Ausstoß von Leerlauf- geöffnet Kohlenwasserstoffen, kontakt geschlossen weil durch den fallenEin· aktiv den Saugrohrdruck spritzung inaktiv der Kraftstofffilm verdampft und in Ermangelung von

125

126

Benzineinspritzung im Überblick

Mono-Jetronic

Batteriespannungsabhängige Funktionen

Spannungskompensation Einspritzventil Das elektromagnetische Einspritzventil hat die Eigenschaft, beim Beginn eines Stromimpulses infolge der Selbstinduktion verzögert zu öffnen und am Impulsende verzögert zu schließen. Öffnungs- und Schließzeiten liegen in der Größenordnung von 0,8 ms. Die Öffnungszeit hängt stark, die Schließzeit dagegen nur wenig von der Batteriespannung ab. Die sich daraus ergebende Ansprechverzögerung hätte ohne elektronische Spannungskorrektur eine zu kurze Einspritzdauer und somit eine zu geringe Einspritzmenge zur Folge. Aus diesem Grund muss das Absinken der Bordnetzspannung durch eine spannungsabhängige Verlängerung der Einspritzzeit, den additiven Ventilkorrekturwert, ausgeglichen werden (Bild 18a). Das Steuergerät erfasst die Ist-Spannung und verlängert die Ventilsteuerimpulse um den Betrag der spannungsabhängigen Ansprechverzögerung des Einspritzventils.

Spannungskompensation Elektrokraftstoffpumpe

Bild 18 a b

Spannungskompen· salion Einspritzventil Spannungskompen· sation Elek1rokraft-

stoffpumpe: 1 2

lür Strömungs· pumpe lür Verdränger· pumpe

Die Drehzahl des Elektromotors der Kraftstoffpumpe ist stark spannungsabhängig. Aus diesem Grunde ist die nach dem Strömungsprinzip arbeitende Kraftstoffpumpe bei niedrigen Bordnetzspannungen (z. B. bei Kaltstart) nicht mehr in der Lage, den Systemdruck auf seinen Sollwert aufzubauen. Dies hätte eine zu geringe Einspritzmenge zur Folge. Um diesen Effekt auszugleichen, wird über eine Spannungskorrekturfunktion insbesondere bei tiefen Batteriespannungen eine Korrektur der Einspritzzeiten vorgenommen (Bild 18b). Wird eine Elektrokraftstoffpumpe eingesetzt, die nach dem Verdrängerprinzip arbeitet, so ist keine Spannungskorrekturfunktion notwendig. Über einen Codiereingang am Steuergerät kann daher die Spannungskorrekturfunktion je nach verwendeter Pumpe aktiviert werden.

Steuerung des Regeneriergasstroms Der in dem Aktivkohlebehälter gespeicherte Kraftstoff wird durch Spülen der Aktivkohleschüttung mit Frischluft von dieser aufgenommen und dem Motor zur Verbrennung zugeführt. Über ein in der Verbindung zwischen Aktivkohlebehälter und Einspritzaggregat angeordnetes Regenerierventil (Taktventil) erfolgt die Steuerung des Regeneriergasstroms. Ziel der Steuerung ist es, bei allen Betriebszuständen möglichst viel gespeicherten Kraftstoff dem Motor zuzuführen, also den Regeneriergasstrom so groß wie möglich zu wählen, ohne dass es dabei zu Beeinträchtigungen des Fahrverhaltens kommt. Zur Sicherstellung einer bestimmungsgemäßen Funktion der Gemischadaption ist es unerlässlich, zyklisch zwischen einem Normalbetrieb, der die Gemischadaption möglich macht, und einem Regenerierbetrieb zu wechseln. Ferner ist es notwendig, in der Regenerierphase die Höhe der Beladung des Regeneriergases mit Kraftstoff Korrektur der Einspritzzeit in Abhängigkeit von der BaHeriespannung

Ｎ ｾ＠

g> 2 ｾ＠

c

'cu ｾ＠ >

0,6

____ ｏｾ＠

________ ｾ＠

__ ｾ＠

J

ｾ＠

b

.9-"" ｾ＠

.,

:s
4\)

3 4

Aktivkohlebehälter Frischluft

5

Regenenervenlil

6

Leitung ,um Saug·

7 8

Drosselklappe

rohr

Saugrohr

Kraftstoffförderung

134

Elektrokraftstoffpumpe (EKP)

Elektrokraftstoffpumpe (EKP) Aufgabe

Die Elektrokraftstoffpumpe (EKP) muss dem Motor bei allen Betriebszuständen ausreichend Kraftstoff mit dem zum Einsprit zen nötigen Druck zuführen. Die wesentlichen Anforderungen sind: • Fördermenge zwischen 60 und 200 l/h bei Nennspannung, • Druck im Kraftstoffsystem zwischen 300 und 450 kPa (3 .. .4,5 bar), • Aufbau des Systemdrucks ab 50 bis 60 % der Nennspannung; bestimmend hierfür ist der Betrieb bei Kaltstart. Außerdem dient die EKP zunehmend als Vorförderpumpe für moderne Direkteinspritzsysteme sowohl für Benzin- als auch für Dieselmotoren. Für Benzin-Direkteinspritzsysteme sind bei Heißförderbetrieb zumindest zeitweise Drücke bis 700 kPa bereitzustellen.

Aufbau der Elektrokraftstoffpumpe am Beispiel einer Strömungspumpe

3 A

4-

Aufbau

Die Elektrokraftstoffpumpe besteht aus: • Anschlussdeckel (Bild 1, A), in dem gegebenenfalls auch Elemente zur Funkentstörung integriert sein können, • Elektromotor (B) und • Pumpenelement (C), ausgeführt als Verdränger- oder Strömungspumpe (Beschreibung im Abschnitt "Bauarten"). Bauarten

Verdrängerp umpen In einer Verdrängerpumpe wird Kraftstoff angesaugt und in einem abgeschlossenen Raum durch die Rotation des Pumpelernents komprimiert und zur Hochdruckseite transportiert. Für die Elektrokraft stoffpumpe kommen die Rollenzellenpumpe und die Innenzahnradpumpe zur Anwendung (Bilder 2a, 2b). Verdrängerpumpen sind vorteilhaft bei hohen Systemdrücken (400 kPa und mehr) und haben ein gutes Niederspannungsverhalten, d. h. eine relativ "flache" Förderleistungskennlinie in Abhängigkeit von der Betriebsspannung. Der Wirkungsgrad kann bis zu 25 % betragen. Je nach Detailausführung und Einbausituation können die unvermeidlichen Druckpulsationen Geräusche verursachen. Ein weiterer, gelegentlich auftretender Nachteil kann ein Absinken der Förderleistung bei heißem Benzin sein, wenn anstelle von Flüssigkeit Gasblasen gefördert werden. Deshalb haben gebräuchliche Verdrängerpumpen zusätzlich Peripheral-Vorstufen zur Entgasung integriert.

Bild'

1

Elektrischer

2

hydraulischer

Anschluss

5

Anschluss (Kraftstoffau slass)

3

RUckschlagventil

4

KohlebUrsten

5

Motoranker mit

00

B

Permanentmagnet

6

Ululrad der

6

Ström ungspumpe

7

hydraulischer Anschluss (Kraftstoffzufluss)

7

c

Während für die klassische Funktion der Elektrokraftstoffpumpe in elektronischen Benzineinspritzsystemen die Verdrängerpumpe von der Strömungspumpe weitgehend abgelöst wurde, ergibt sich für die Verdrängerpumpe ein neues Anwendungsfeld bei der Vorförderung für Direkteinspritzsysteme mit ihrem wesentlich erweiterten Druckbedarf.

Strömung pumpen Ein mit zahlreichen Schaufeln (Bild 2c, Pos. 6) im Bereich des Umfangs versehenes Laufrad dreht sich in einer aus zwei fest stehenden Gehäuseteilen bestehenden Kammer. Diese Gehäuseteile weisen im Bereich der Laufradschaufeln jeweils einen Kanal (7) auf. Die Kanäle beginnen in Höhe der Saugöffnung (A) und enden dort, wo der Kraftstoff das Pumpenelement mit Systemdruck verlässt (B). Der "Unterbrecher" (8) zwischen Kanalanfang und Kanalende unterbindet eine innere Leckage. Zur Verbesserung der Heißfördereigenschaften befindet sich in einem gewissen Winkelabstand von der Ansaugöffnung eine kleine Entgasungsbohrung, die unter Inkaufnahme einer minimalen Leckage den Austritt eventueller Gasblasen ermöglicht (nicht notwendig bei Dieselanwendung).

135

Elektrokraftstoffpumpe (EKP)

Kraftstoffförderung

Funktionsprinz.ipien von Elektrokraftstoffpumpe

a

2

b

3

4

Bild 2

a

Der Druck baut sich längs des Kanals durch den Impulsaustausch zwischen den Laufradschaufeln und den Flüssigkeitsteilchen auf. Die Folge davon ist eine spiralige Rotation des im Laufrad und in den Kanälen befindlichen Flüssigkeitsvolumens. Bei der Peripheralpumpe (Bild 2c) umgibt der Kanal die Laufradschaufeln am gesamten Umfang (peripheral). Bei der Seitenkanalpumpe liegen die bei den Kanäle beidseitig des Laufrads seitlich neben den Schaufeln. Strömungspumpen sind geräuscharm, da der Druckaufbau kontinuierlich und nahezu pulsationsfrei erfolgt. Der Wirkungsgrad liegt zwischen 10 und ca. 20 %. Die Konstruktion ist gegenüber Verdrängerpumpen aber deutlich vereinfacht. Systemdrücke bis 450 kPa sind auch mit einstufigen Pumpen erreichbar. Auch höhere Systemdrücke, wie sie in Zukunft kurzzeitig für hoch aufgeladene Motoren sowie für Motoren mit Benzin-Direkteinspritzung notwendig sein werden, sind mit Strömungspumpen im Kurzzeitbetrieb möglich.

Rollenzellenpumpe (RZP)

blnnenzahnradpumpe

(IZP)

c

8

5

6

7

7 57 6

c

Peripheralpumpe (PP)

A

Saugöffnung

BAuslass

Aus Kostengründen und wegen Vorteilen bei der Geräuschentwicklung beinhalten die Kraftstoffsysteme neu konzipierter Fahrzeuge mit Ottomotor fast ausschließlich Strömungspumpen.

1

Nutscheibe (exzentrisch)

2 3

Rolle n i neres Antriebsrad

4

Läufer (exzentrisch)

5

Laufrad

6 7

Laufradschaufeln Kanal (peripher)

8

.Unterbrecher"

Kraftstoffförderung

136

Kraftstofffilter

Kraftstofffi Iter Einspritzanlagen in Fahrzeugen mit Ottomotor arbeiten mit höchster Präzision. Um die Präzisionsteile nicht zu schädigen, benötigen diese Anlagen eine wirksame Reinigung des Kraftstoffs. Filter im Kraftstoffkreislauf nehmen die den Verschleiß bewirkenden Teilchen auf. Sie können als wechselbare Inline-Filter oder in den Kraftstoffbehälter integrierte "Lebensdauer"Filter (Intank) ausgeführt sein. Am Abscheiden der Schmutzstoffe in Form fester Teilchen sind neben dem Siebeffekt auch noch Aufprall-, Diffusions- und Sperreffekte beteiligt. Die Abscheidegüte dieser einzelnen

Schnijtbild eines Kraftstofffillers

4

1

Deckel Gehäuse Filte reinsatz

Stülzplatte

Für Systeme mit Saugrohreinspritzung hat der Filtereinsatz eine mittlere Porenweite von lO 11m. Für die Benzin-Direkteinspritzung ist eine weitaus feinere Filtrierung erforderlich. Partikel mit einer Größe von mehr als 5 11m müssen zu 85 % abgeschieden werden. Darüber hinaus ist für die Benzin-Direkteinspritzung die Restschmutzforderung im Neuzustand des Filters ein wichtiger Punkt: Metall-, Mineral- und Kunststoffpartikel sowie Glasfasern mit Teilchengrößen von mehr als 200 11m sind nicht zulässig.

Die Filtergehäuse (2) sind wahlweise aus Stahl, Aluminium oder Kunststoff (komplett metallfrei) gefertigt. Es gibt sie mit Gewinde-, Schlauch- oder Schnellanschluss.

3

2 3 4

Als Filtermedium haben sich gefaltete Papiere - teilweise mit speziellen Imprägnierungen - durchgesetzt (Bild 1, Pos. 3). Sie sind so im Kraftstoffkreislauf integriert, dass jeder Flächenanteil des Filtermediums möglichst mit gleicher Fließgeschwindigkeit des Kraftstoffs durchströmt wird.

Die Standzeit (garantierte Kilometerleistung) herkömmlicher Inline-Filter liegt je nach Filtervolumen zwischen 60000 km und 90000km. Für Intank-Filter werden 160 000 km garantiert. Für Systeme mit Benzin-Direkteinspritzung gibt es Filter (Intank und Inline) mit einer Standzeit größer 250000 km.

2

Bild 1

Effekte hängt von der Größe und der Durchflussgeschwindigkeit der Teilchen ab. Das Filtermedium ist darauf abgestimmt.

ｾ＠

.

;;;: ::Ei

:::>

4l>

Die Filterwirkung hängt von der Durchströmungsrichtung ab. Beim Wechsel von Inline-Filtern muss deshalb die auf dem Gehäuse mit einem Pfeil angegebene Durchflussrichtung unbedingt eingehalten werden.

Kraftstoffförderung

Kraftstoffverte iIerstück Saugrohreinspritzung Das Kraftstoffverteilerstück (Fuel Rail) erfüllt folgende Aufgaben: • Aufnahme und Fixierung der Einspritzventile, • Speichern von Kraftstoffvolumen und • Sicherstellen der Gleichverteilung auf alle Einspritzventile.

Kraftstoffverteilerstück, Kraftstoffdruckregler

137

Kraftstoffdruckregler DR2

r:-i1t-- 3 4 Bild 1

Neben den Einspritzventilen ist meist auch der Kraftstoffdruckregler und eventuell ein Druckdämpfer am Kraftstoffverteilerstück befestigt. Die gezielte Abstimmung der Abmessungen des Kraftstoffverteilerstücks verhindert örtliche Kraftstoffdruckänderungen durch Resonanzen beim Öffnen und Schließen der Einspritzventile. Last-und drehzahlabhängige Unregelmäßigkeiten der Einspritzmengen werden dadurch vermieden. Abhängig von den Anforderungen der verschiedenen Fahrzeugtypen besteht das Kraftstoffverteilerstück aus Edelstahl oder Kunststoff. Zu Prüfzwecken und zum Druckabbau im Service kann ein Diagnoseventil integriert sein.

Benzin-Direkteinspritzung Bei der Benzin-Direkteinspritzung ist der Kraftstoffverteiler (Rail) hinter der Hochdruckpumpe angeordnet. Das Rail ist deshalb Bestandteil des Hochdruckteils.

Kraftstoffd ruckreg ler Saugrohreinspritzung Die vom Einspritzventil eingespritzte Kraftstoffmenge ist abhängig von der Einspritzzeit und von der Druckdifferenz zwischen Kraftstoffdruck im Kraftstoffverteilerstück und Gegendruck im Saugrohr. Bei Systemen mit Rücklauf wird der Druckeinfluss kompensiert, indem ein Druckregler die Differenz zwischen Kraftstoffdruck und Saugrohrdruck konstant hält. Dieser Druckregler lässt gerade so viel Kraftstoff zum Kraft-

'----+--+--- 5

stoffbehälter zurückfließen, dass das Druckgefälle an den Einspritzventilen konstant bleibt. Zur vollständigen Durchspülung des Kraftstoffverteilerstücks ist der Kraftstoffdruckregler normalerweise an dessen Ende montiert. Bei rücklauffreien Systemen sitzt der Druckregler in der Einbaueinheit im Kraftstoffbehälter. Der Kraftstoffdruck im Kraftstoffverteilerstück wird auf einen konstanten Wert gegenüber dem Umgebungsdruck geregelt. Die Druckdifferenz zum Saugrohrdruck ist daher nicht konstant und wird bei der Berechnung der Einspritzdauer berücksichtigt. Der Kraftstoffdruckregler ist als membrangesteuerter Überströmdruckregler ausgebildet (Bild 1). Eine Gummigewebemembran (4) teilt den Kraftstoffdruckregler in eine Kraftstoffkammer und in eine Federkammer. Die Feder (2) presst über den in die Membran integrierten Ventilträger (3) eine beweglich gelagerte Ventilplatte auf einen Ventilsitz. Wenn die durch den Kraftstoffdruck auf die Membran ausgeübte Kraft die Federkraft überschreitet, öffnet das Ventil und lässt gerade so viel Kraftstoff zum Kraftstoffbehälter fließen, dass sich an der Membran ein Kräftegleichgewicht einstellt.

1

Saugrohranschluss

2

Feder

3

Ventilträger

4

Membran

5

Ventil

6

Kraftstotfzulauf

7

Kraftstoffrücklauf

138

Kraftstoffförderung

Kraftstoffdruckdämpfer, Kraftstoffbehälter, Kraftstoffleitungen

Bei Einzeleinspritzanlagen ist die Federkammer pneumatisch mit dem Sammelsaugrohr hinter der Drosselklappe verbunden. Der Saugrohrunterdruck wirkt dadurch auch in der Federkammer. An der Membran steht damit das gleiche Druckverhältnis an wie an den Einspritzventilen. Das Druckgefälle an den Einspritzventilen hängt deshalb allein von der Federkraft und der Membranfläche ab und bleibt folglich konstant. Benzin-Direkteinspritzung

Bei Systemen mit Benzin-Direkteinspritzung muss sowohl der Druck im Hochdruck- als auch im Niederdruckkreis geregelt werden. Für die Regelung im Niederdruckkreis werden die gleichen Kraftstoffdruckregler wie bei der Saugrohreinspritzung eingesetzt.

Kraftstoffd ruckdä mpfer Das Takten der Einspritzventile und das periodische Ausschieben von Kraftstoff bei Elektrokraftstoffpumpen nach dem Verdrängerprinzip führt zu Schwingungen des Kraftstoffdrucks. Diese Schwingungen können Druckresonanzen verursachen und damit die Zumessgenauigkeit des Kraftstoffs stören. Die Schwingungen können sich unter Umständen auch über die Befestigungselemente von Elektrokraftstoffpumpe, Kraftstoftleitungen und Kraftstoffverteilerstück auf den Kraftstoffbehälter und die Karosserie des Fahrzeugs übertragen und Geräusche verursachen. Diese Probleme werden durch eine gezielte Gestaltung der Befestigungselemente und durch den Einsatz spezieller Kraftstoffdruckdämpfer vermieden. Der Kraftstoffdruckdämpfer ist ähnlich aufgebaut wie der Kraftstoffdruckregler. Wie bei diesem trennt eine federbelastete Membran den Kraftstoff- und den Luftraum. Die Federkraft ist so dimensioniert, dass die Membran von ihrem Sitz abhebt, sobald der Kraftstoffdruck seinen Arbeitsbereich erreicht. Der dadurch variable Kraftstoffraum kann beim Auftreten von Druck-

spitzen Kraftstoff aufnehmen und beim Absinken des Drucks wieder Kraftstoff abgeben. Um bei saugrohrbedingter Schwankung des Kraftstoffabsolutdrucks stets im günstigsten Betriebsbereich zu arbeiten, kann die Federkammer mit einem Saugrohranschluss versehen sein. Wie der Kraftstoffdruckregler kann auch der Kraftstoffdruckdämpfer am Kraftstoffverteilerstück oder in der Kraftstoftleitung sitzen. Bei der Benzin-Direkteinspritzung ergibt sich als zusätzlicher Anbauort die Hochdruckpumpe.

Kraftstoffbehä Ite r Der Kraftstoffbehälter (Tank) speichert den Kraftstoff. Er muss korrosionsfest und bei doppeltem Betriebsüberdruck, mindestens aber bei 0,03 MPa (0,3 bar) überdruck, dicht sein. Auftretender überdruck muss durch geeignete Öffnungen oder Sicherheitsventile selbsttätig entweichen. Bei Kurvenfahrt, Schräglage oder Stößen darf kein Kraftstoff aus dem Füllverschluss oder den Einrichtungen zum Druckausgleich ausfließen. Der Kraftstoffbehälter muss so weit vom Motor entfernt sein, dass auch bei Unfällen ein Entzünden des Kraftstoffs vermieden wird.

Kraftstoffleitungen Die Kraftstoftleitungen leiten den Kraftstoff aus dem Kraftstoffbehälter zur Einspritzanlage. Es können fugenlose, elastische Metallschläuche oder kraftstofffeste Schläuche aus schwer brennbaren Stoffen eingebaut werden. Sie müssen so angeordnet sein, dass mechanische Beschädigungen verhindert werden und im Fehlerfall abtropfender oder verdunstender Kraftstoff sich weder ansammeln noch entzünden kann. Alle Kraftstoff führenden Teile müssen gegen betriebsstörende Wärme geschützt sein. Der Kraftstoff darf nicht durch Schwerkraft gefördert werden.

Kraftstoffförderung

139

Kraftstoffversorgungssysteme

Entwicklung der Kraftstoffversorgungssysteme (Beispiele)

a K-/KE -Jetronic mit E e l ktrokraftstoffpumpe fUr Leitungseinbau .

--

ｾ＠

·" · 001 b L-Jetronic/ Motronic mit E el ktrokraftstoffpumpe tür Leitungseinbau.

c L-Jetronic/ Motronic mit Elektrokraftstoffpumpe für Tankeinbau.

ｾ＠

ｾ＠

n

6tH

H H

"

ｾ＠

rat]

6tH

..

4

3

2

Cf}

4

rr

J,

rr

..

t

I

3 ｾ＠

d Mono -Jetronic mit Elektrokraftstoffpumpe tur Tankeinbau .

6

ｾ＠

Bild 1

11

1

Krallsto flbehälter

2

Elekt rokrall stoff·

3

Krallstolffilter

pumpe (EKP)

3

Kraft stoHverteller 4a Kra ftstoffmengen·

teiler (K·IKE·Jetronoc)

ｾ＠

;;; ｾ＠

ｾ＠

::>

5 6

Einspritzvenlil Druckregler Kraftstoffspeicher (K·/ KE·)etron,c)

140

Saugrohreinspritzung

Übersicht

Saugrohreinspritzung Ottomotoren mit Saugrohreinspritzung bilden das Luft-Kraftstoff-Gemisch außerhalb des Brennraums im Saugrohr. Diese Motoren sowie deren Steuerungssysteme konnten im Lauf der Zeit immer weiter verbessert werden. Sie haben aufgrund der besseren Kraftstoffzumessung den Vergasermotor, der auch mit äußerer Gemischbildung arbeitet, vollständig verdrängt.

Übersicht An Fahrzeuge, die dem neuesten technischen Stand entsprechen, werden hohe Ansprüche an Laufkultur und Abgasverhalten gestellt. Daraus ergeben sich hohe Anforderungen an die Zusammensetzung des Luft -KraftstoffGemischs. Neben der genauen Dosierung der eingespritzten Kraftstoffmasse entsprechend der vom Motor angesaugten Luft ist auch die zeitgenaue Einspritzung von Bedeutung.

Saugrohreinspritzung

Bild 1

1

Zylinder m,t Kolben

2 3

Auslassvenhle Zündspule m,t

4

Einlassventile

5

Einsprilzventll

6

Saugrohr

Zündkerze

Diese Anforderungen wurden - bedingt auch durch die stetige Entwicklung der Abgasgesetzgebung - immer höher geschraubt. Dementsprechend wurden die Einspritzsysteme immer weiter entwickelt. Stand der Technik bei der Saugrohreinspritzung ist die elektronisch gesteuerte Einzeleinspritzanlage, bei der der Kraftstoff für jeden Zylinder einzeln intermittierend (d. h. zeitweilig aussetzend) direkt vor die Einlassventile eingespritzt wird. Keine Bedeutung mehr für Neuentwicklungen haben die mechanischen, kontinuierlich einspritzenden Einzeleinspritzsysteme sowie Systeme mit Zentraleinspritzung, die den Kraftstoff ebenfalls intermittierend, aber nur über ein einziges Einspritzventil vor der Drosselklappe in das Saugrohr einspritzen.

Saugrohreinspritzung

Arbeitsweise Benzineinspritzsysteme mit Saugrohreinspritzung sind dadurch gekennzeichnet, dass das Luft -Kraftstoff-Gemisch außerhalb des Brennraums, also im Saugrohr, entsteht (Bild 1). Das Einspritzventil (5) spritzt den Kraftstoff vor die Einlassventile (4). Im darauf folgenden Ansaugtakt strömt das entstandende Luft -Kraftstoff-Gemisch durch die geöffneten Einlassventile in den Zylinder (1). Pro Zylinder können auch nur ein oder sogar drei Einlassventile vorhanden sein. Die Einspritzventile sind so ausgewählt, dass der Kraftstoffbedarf des Motors unter allen Umständen - auch bei Volllast und hohen Drehzahlen - gedeckt wird.

Gemischbildung Einspritzung des Kraftstoffs Die Elektrokraftstoffpumpe fördert den Kraftstoff zu den Einspritzventilen. Dort steht der Kraftstoff mit dem Systemdruck an. Bei Einzeleinspritzanlagen ist jedem Zylinder ein Einspritzventil zugeordnet. Die Einspritzventile spritzen den Kraftstoff intermittierend in das Saugrohr (6) vor das Einlassventil. Dort verdampft der fein zerstäubte Kraftstoff größtenteils und bildet mit der über die Drosselklappe zuströmenden Luft das Luft-Kraftstoff-Gemisch. Damit für die Bildung dieses Gemischs ausreichend Zeit zur Verfügung steht, ist es vorteilhaft, wenn der Kraftstoff vor das geschlossene Einlassventil gespritzt und damit "vorgelagert" wird. Ein Teil des Kraftstoffs schlägt sich im Bereich der Einlassventile als Wandfilm nieder. Die Dicke des Wandfilms hängt vom Druck im Saugrohr und damit vom Lastzustand des Motors ab. Für ein gutes dynamisches Motorverhalten ist die im Wandfilm ge-

Arbeitsweise

speicherte Kraftstoffmasse möglichst gering zu halten. Das wird durch eine entsprechende Saugrohrgestaltung und Geometrie des Kraftstoffstrahls (Spraygeometrie) erreicht. Da das Einspritzventil direkt vor dem Einlassventil sitzt, ist der Wandfilmeffekt bei Einzeleinspritzanlagen sehr viel geringer als bei den früheren Vergasermotoren und Zentraleinspritzanlagen. Der Dreiwegekatalysator kann die bei der Verbrennung entstandenen Schadstoffe bei stöchiometrischem Luft -Kraftstoff-Gemisch (,1, = 1) weitgehend abbauen. Deshalb werden Motoren mit Saugrohreinspritzung in den meisten Betriebspunkten mit dieser Gemischzusammensetzung betrieben. Messen der Luftmasse Damit das Luft -Kraftstoff-Gemisch genau eingestellt werden kann, kommt der Messung der an der Verbrennung beteiligten Luftmasse eine große Bedeutung zu. Der Luftmassenmesser, der vor der Drosselklappe sitzt, misst den Luftmassenstrom, der in das Saugrohr einströmt, und gibt ein elektrisches Signal an das Motorsteuergerät weiter. Alternativ dazu gibt es auch Systeme, die mit einem Drucksensor den Saugrohrdruck messen und daraus in Verbindung mit der Drosselklappenstellung und der Drehzahl die angesaugte Luftmasse berechnen. Das Steuergerät ermittelt aus der angesaugten Luftmasse und dem aktuellen Betriebszustand des Motors die erforderliche Kraftstoffmasse. Einspritzzeit Die Einspritzzeit, die nötig ist, um die berechnete Kraftstoffmasse einzuspritzen, ergibt sich in Abhängigkeit vom Öffnungsquerschnitt des Einspritzventils und der Differenz zwischen Saugrohrdruck und dem Druck im Kraftstoffversorgungssystem.

141

142

Saugrohreinspritzung

Elektromagnetische Einspritzventile

Elektromagnetische Einspritzventile Aufgabe

Elektrisch angesteuerte Einspritzventile spritzen den unter Systemdruck stehenden Kraftstoff in das Saugrohr ein. Sie erlauben es, eine genau an den Bedarf des Motors angepasste Kraftstoffmenge zuzumessen. Sie werden über Endstufen, die im Motorsteuergerät integriert sind, mit dem vom Motormanagement berechneten Signal angesteuert. Aufbau und Arbeitsweise

Elektromagnetische Einspritzventile (Bild 1) bestehen im Wesentlichen aus • dem Ventilgehäuse (9) mit elektrischem (8) und hydraulischem Anschluss (1), • der Spule des Elektromagneten (4), • der beweglichen Ventilnadel (6) mit Magnetanker und Dichtkugel, • dem Ventilsitz (10) mit der Spritzlochscheibe (7) sowie der • Feder (5). Um einen störungsfreien Betrieb zu gewährleisten, ist das Einspritzventil im Kraftstoff führenden Bereich aus korrosionsbeständigem Stahl gefertigt. Ein Filtersieb (3) im Kraftstoffzulauf schützt das Einspritzventil vor Verschrnutzung. Anschlüsse Bei den gegenwärtig verwendeten Einspritzventilen verläuft die Kraftstoffzuführung in axialer Richtung zum Einspritzventil von oben nach unten (Top feed). Die Kraftstoffleitung ist mit einer Klemm-/Spannvorrichtung am hydraulischen Anschluss (1) befestigt. Halteklemmen sorgen für eine zuverlässige Fixierung. Der Dichtring (0- Ring) am hydraulischen Anschluss (2) dichtet das Einspritzventil gegen das Kraftstoffverteilerstück ab. Der elektrische Anschluss des Einspritzventils ist mit dem Motorsteuergerät verbunden.

Funktion des Ventils Bei stromloser Spule drücken die Feder und die aus dem Kraftstoffdruck resultierende Kraft die Ventilnadel mit der Dichtkugel in den kegelförmigen Ventilsitz. Hierdurch wird das Kraftstoffversorgungssystem gegen das Saugrohr abgedichtet. Wird die Spule bestromt, entsteht ein Magnetfeld, das den Magnetanker der Ventilnadel anzieht. Die Dichtkugel hebt vom Ventilsitz ab und der Kraftstoff wird eingespritzt. Wird der Erregerstrom abgeschaltet, schließt die Ventilnadel wieder durch Federkraft. Kraftstoffaustritt Die Zerstäubung des Kraftstoffs geschieht mit einer Spritzlochscheibe, die ein oder mehrere Löcher besitzt. Mit den gestanzten Spritzlöchern wird eine hohe Konstanz der abgespritzten Kraftstoffmenge erzielt. Die Spritzlochscheibe ist auch unempfindlich gegenüber Kraftstoffablagerungen. Das Strahlbild des austretenden Kraftstoffs ergibt sich durch die Anordnung und die Anzahl der Spritzlöcher. Die gute Ventildichtheit im Bereich des Ventilsitzes ist durch das Dichtprinzip Kegel/Kugel gewährleistet. Das Einspritzventil wird in die dafür vorgesehene Öffnung am Saugrohr eingeschoben. Der untere Dichtring dichtet das Einspritzventil gegen das Saugrohr ab. Die abgespritzte Kraftstoffrnenge pro Zeiteinheit ist im Wesentlichen bestimmt durch • den Systemdruck im Kraftstoffversorgungssystem, • den Gegendruck im Saugrohr und • die Geometrie des Kraftstoffaustrittsbereichs. Bauformen

Im Lauf der Zeit wurden die Einspritzventile immer weiter entwickelt und den wachsenden Anforderungen hinsichtlich Technik, Qualität, Zuverlässigkeit und Gewicht angepasst. So entstanden unterschiedliche Ausführungen von Einspritzventilen.

Saugrohreinspritzung

Einspritzventil EV6 Das Einspritzventil EV6 ist das Standardeinspritzventil für die aktuellen Einspritzanlagen (Bilder 1 und 2a). Es zeichnet sich durch kleine Außenabmessungen und ein geringes Gewicht aus. Dieses Einspritzventil bietet damit die Voraussetzung zur Konzeption von kompakten Saugmodulen. Das EV6 weist zudem ein gutes Heißbenzinverhalten auf, d. h., die Neigung zur Dampfblasenbildung bei heißem Kraftstoff ist gering. Das erleichtert den Einsatz rücklauffreier Kraftstoffversorgungssysteme, da dort die Kraftstofftemperatur im Einspritzventil gegenüber Systemen mit Rücklauf höher ist. Dank verschleißfester Oberflächen zeigt das EV6 auch eine hohe Dauerlaufstabilität und eine hohe Lebensdauer. Aufgrund der hohen Dichtheit erfüllen diese Ventile alle zukünftigen Anforderungen bezüglich "zero evaporation". Das heißt, es treten keine Kraftstoffdämpfe aus dem Ventil aus. Zur besseren Zerstäubung des Kraftstoffs wurde die Variante "EV6 mit Luftumfassung" entwickelt. Fein zerstäubter Kraftstoff

Elektromagnetische Einspritzventile

143

kann auch auf eine andere Art erzeugt werden: in Zukunft werden neben den heute verwendeten Spritzlochscheiben mit bis zu vier Löchern Mehrlochplatten mit zehn bis zwölf Löchern eingesetzt. Diese Einspritzventile erzeugen einen sehr fein zerstäubten Kraftstoffnebel. Für verschiedene Anwendungsbereiche stehen Einspritzventile mit unterschiedlichen Baulängen, Durchflussklassen und elektrischen Eigenschaften zur Verfügung. Das EV6 ist auch für den Einsatz von Kraftstoffen mit einem Ethanolgehalt von bis zu 85 % geeignet. in pritzventil EV 14 Die Weiterentwicklung der Einspritzventile führt zum EV14 (Bild 2b). Dieses Ventil baut auf den Merkmalen des EV6 auf. Es ist noch kompakter gebaut, was auch die Integration im Kraftstoffverteiler ermöglicht. Das EV14 gibt es in drei Baulängen (Kompakt, Standard und Lang). Das macht die individuelle Anpassung an die Saugrohrgeometrie des Motors möglich.

Ausführungen von Einspritzvenlilen

Aufbau des elektromagnetischen Einspritzventils EV6

Bild 1 Hydraulischer

2 Ｓ

Anschluss Ｍ

ＭＧ

Ｚｮｩ

ｾ＠

8

2

Dichtringe IO·Ringe)

3 4

4

5

9

FilIerSieb Spule

5

Feder

6

Venlilnadel mit Magnetanker und Dichtkugel

6

7

Spritzlochscheibe

8

elektrischer Anschluss

9 Ventilgehäuse 10 Ventilsilz

2 ＠ｾ 0. E::

7

;;;

:I

:::>

=

...;;;ｾ＠ CD

:I :::>

=

Bild 2 a

EV6 Standard

b

EV 14 Kompakt

144

Saug,oh,einsp,itzung

Elektromagnetische Einspritzventile, Einspritzarten

Strahlaufbereitung Die Strahlautbereitung der Einspritzventile, d. h. Strahlform, Strahlwinkel und Tröpfchengröße, beeinflusst die Bildung des LuftKraftstoff-Gemischs. Individuelle Geometrien von Saugrohr und Zylinderkopf machen unterschiedliche Ausführungen der Strahlautbereitung erforderlich. Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, stehen verschiedene Varianten der Strahlautbereitung zur Verfügung. Bild 3 zeigt die wichtigsten Strahlformen. Schnurstrahl Mit einer Spritzlochscheibe mit nur einer einzigen Öffnung entsteht ein dünner, konzentrierter und impulsreicher Kraftstoffstrahl, der eine Benetzung der Saugrohrwand weitgehend verhindert. Diese Einspritzventile sind geeignet bei langen Wegen zwischen Abspritzpunkt und Einlassventil sowie bei engen Saugrohren. Wegen der geringen Kraftstoffzerstäubung werden Einspritzventile mit Schnurstrahl nur noch in Ausnahmefällen eingesetzt. Strahlformen

Bild 3 aSchnurstrahl

b c

Kegelstrahl

d

Gamma-Winkel

Zweistrahl

",,: 60 % des Kraftstoffs befinden sich innerhalb des Winkels"

"50: 50 % des Kraftstoffs befinden sich innerhalb des Winkels

ß:

a

70% des Kraftstoffs im Einzelstrahl befinden sich innerhalb des

y:

Winkelsß Strahlrichtungswinkel

Kegelstrah l Durch die Öffnungen der Spritzlochscheibe treten einzelne Kraftstoffstrahlen aus. Die Summe der Kraftstoffstrahlen bildet einen Strahlkegel. Typisches Einsatzgebiet der Kegelstrahlventile sind Motoren mit nur einem Einlassventil pro Zylinder. Aber auch bei zwei Einlassventilen ist der Kegelstrahl geeignet. Zweistrahl Die Zweistrahlautbereitung wird häufig bei Motoren mit zwei Einlassventilen pro Zylinder eingesetzt. Bei drei Einlassventilen ist der Zweistrahl unbedingt erforderlich. Die Öffnungen der Spritzlochscheibe sind derart angeordnet, dass zwei Kraftstoffstrahlen - die aus mehreren Einzelstrahlen zusammengesetzt sein können (zwei Kegelstrahlen) - aus dem Einspritzventil austreten und vor die Einlassventile oder auf den Trennsteg zwischen den Einlassventilen spritzen. Gamma-Winkel Dieser Kraftstoffstrahl (Einstrahl und Zweistrahl) ist gegenüber der Hauptachse des Einspritzventils um einen bestimmten Winkel, den Strahlrichtungswinkel gekippt. Einspritzventile mit dieser Strahlform finden Anwendung bei schwierigen Einbauverhältnissen.

Einspritzarten Neben der korrekten Einspritzdauer ist die Lage der Einspritzung bezogen auf den Kurbelwellenwinkel ein weiterer Parameter zur Optimierung der Verbrauchs- und Abgaswerte. Die Variationsmöglichkeiten sind hierbei von der verwendeten Einspritzart abhängig (Bild 1). Neue Einspritzsysteme bieten die Möglichkeit zur sequenziellen oder zylinderindividuellen Einspritzung.

Saugrohreinspritzung

Simultane Einspritzung

Einspritzarten

145

den offenen Einlasskanal. Die Zeit, die für die Verdampfung des Kraftstoffs zur Verfügung steht, ist aber auch hier für die verschiedenen Zylinder unterschiedlich.

Bei der simultanen Einspritzung werden alle Einspritzventile zum gleichen Zeitpunkt betätigt. Die Zeit, die zum Verdampfen des Kraftstoffs zur Verfügung steht, ist deshalb für die Zylinder unterschiedlich. Um trotzdem eine gute Gemischbildung zu erreichen wird die für die Verbrennung benötigte Kraftstoffmenge in zwei Hälften aufgeteilt und jeweils einmal pro Kurbelwellenumdrehung eingespritzt. Bei dieser Einspritzart wird bei einigen Zylindern der Kraftstoff nicht vor dem Einlassventil vorgelagert, sondern in den offenen Einlasskanal gespritzt. Der Einspritzbeginn ist fest vorgegeben.

Sequenzielle Einspritzung (SEFI)

Der Kraftstoff wird für jeden Zylinder einzeln eingespritzt. Die Einspritzventile werden nacheinander in der Zündfolge betätigt. Die Einspritzzeit und der Einspritzbeginn - bezogen auf den oberen Totpunkt des jeweiligen Zylinders - ist für alle Zylinder gleich. Damit wird der Kraftstoff für jeden Zylinder gleich vorgelagert. Der Einspritzbeginn ist frei programmierbar und kann an den Motorbetriebszustand angepasst werden.

Gruppeneinspritzung

Bei der Gruppeneinspritzung werden die Einspritzventile zu zwei Gruppen zusammengefasst. Die beiden Gruppen spritzen die gesamte Einspritzmenge im Wechsel ein Mal pro Kurbelwellenumdrehung ein.

Zylinderindividuelle Einspritzung (elF!)

Diese Einspritzart bietet die größten Freiheitsgrade. Gegenüber der sequenziellen Einspritzung bietet sie den Vorteil, dass hier für jeden Zylinder die Einspritzzeit individuell beeinflusst werden kann. Damit können Ungleichmäßigkeiten, z. B. bei der Zylinderfüllung, ausgeglichen werden.

Diese Anordnung ermöglicht bereits eine betriebspunktabhängige Wahl der Einspritzlage und vermeidet in weiten Kennfeldbereichen die unerwünschte Einspritzung in Einspritzarten bei der Saugrohreinspritzung

-360 0 Zündfolge OT Zyl. 1 a Zyl.l _ _ _ t

360·

720·

1080' KW

Zyl.3 Zyl. 4 Zyl.2 b Zyl.l Zyl. 3 Zyl.4 Zyl.2

__

t

Bild 1

a

_ _

Einlassventil offen Einspritzung

t Zündung

c Zyl , l Zyl, 3 Zyl.4 Zyl.2

b c

Simultane Einspritzung Gruppeneinsprit· . ung sequenzielle Ein· spritzung (SEFI) und zylinderindividuelle

Einspritzung (CIFI)

146

Benzin-Direkteinspritzung

Übersicht

Benzin-Direkteinspritzung Motoren mit Benzin-Direkteinspritzung bilden das Luft-Kraftstoff-Gemisch im Brennraum. Durch das offene Einlassventil strömt im Ansaugtakt nur noch die Verbrennungsluft. Der Kraftstoff wird mit speziellen Einspritzventilen direkt in den Brennraum eingespritzt.

Übersicht Die Forderung nach leistungsfähigen Ottomotoren bei gleichzeitig niedrigem Kraftstoffverbrauch führte zur Wiederentdeckung der Benzin-Direkteinspritzung. Das Prinzip ist nicht neu. Bereits 1937 kam ein Flugzeugmotor mit einer mechanischen BenzinDirekteinspritzung zum Einsatz. 1951 wurde

B ild 1 Kolben

'2

Einlassventil

3

Z(lndspule mit aufgesteckter Zundkerze

4

Auslassventil

5

Hochdruck- E,nsprltz-

6

Kraltsloffverteolerrohr

ventil

(Ra,l)

ein Zweitakt-Motor mit einer mechanischen Benzin-Direkteinspritzung erstmals serienmäßig in einem Pkw, dem "Gutbrod", eingebaut. 1954 folgte der "Mercedes 300 SL" mit einem Viertakt-Motor und Direkteinspritzung. Die Konstruktion eines direkteinspritzenden Motors war für die damalige Zeit sehr aufwändig. Zudem stellte diese Technik hohe Anforderungen an die benötigten Werkstoffe. Die Dauerhaltbarkeit des Motors war ein weiteres Problem. All diese Probleme verhinderten über eine lange Zeit den Durchbruch der BenzinDirekteinspritzung.

Benzin-Oirekteinspritzung

Arbeitsweise Benzin -Direkteinspritzsysteme sind durch eine Hochdruckeinspritzung direkt in den Brennraum gekennzeichnet. Das Luft-Kraftstoff-Gemisch entsteht wie beim Dieselmotor innerhalb des Brennraums (innere Gemischbildung) .

Hochdruckerzeugung Die Elektrokraftstoffpumpe fördert den Kraftstoff mit dem Vorförderdruck von 0,3 ... 0,5 MPa (3 ... 5 bar) zur Hochdruckpumpe (Bild 1, Pos.I). Die Hochdruckpumpe erzeugt abhängig vom Betriebspunkt (gefordertes Drehmoment und Drehzahl) den Systemdruck. Der unter Hochdruck stehende Kraftstoff gelangt in das Rail (4) und wird dort gespeichert. Der Kraftstoffdruck wird mit dem Hochdrucksensor (6) gemessen und über das Drucksteuerventil (8) aufWerte zwischen 5 ... 12 MPa eingestellt. Am Rail, auch als "Common Rail" bezeichnet, sind die Hochdruck-Einspritzventile (5) angeordnet. Sie werden vom Motorsteuergerät angesteuert und spritzen den Kraftstoff in den Brennraum des Zylinders (9) ein.

Gemischbildung Der eingespritzte, durch den hohen Einspritzdruck fein zerstäubte Kraftstoff bildet mit der angesaugten Luft im Brennraum das Luft-Kraftstoff-Gemisch. Je nach Betriebszustand des Motors wird der Kraftstoff derart eingespritzt, dass sich ein homogen über den gesamten Brennraum verteiltes Gemisch mit A ｾ＠ 1 (Homogenbetrieb ) oder eine Schichtladungswolke mit A ｾ＠ 1 im Bereich der Zündkerze ergibt (Schicht- bzw. Magerbetrieb ). Der übrige Brennraum ist beim Schichtbetrieb entweder mit angesaugter Frischluft, mit dem von der Abgasrückführung rückgeführten Inertgas oder mit einem sehr mageren Luft-Kraftstoff-Gemisch gefüllt. Damit ergibt sich ein insgesamt mageres Luft-Kraftstoff-Gemisch mit AGesamt> 1.

Arbeitsweise

Diese verschiedenen Möglichkeiten, den Motor zu betreiben, werden als Betriebsarten bezeichnet. Die Auswahl der Betriebsart erfolgt einerseits aufgrund von Drehzahl und dem geforderten Drehmoment, andererseits durch funktionale Anforderungen wie z. B. die Regeneration des Speicherkatalysators.

Drehmoment Im Schichtbetrieb ist die eingespritzte Kraftstoffmasse die bestimmende Größe für das erzeugte Drehmoment. Der Luftüberschuss ermöglicht auch in der Teillast einen entdrosselten Betrieb mit weit geöffneter Drosselklappe. Diese Maßnahme senkt die Ladungswechselarbeit und reduziert damit den Kraftstoffverbrauch. Im Homogen-Mager-Betrieb mitA > 1 und homogener Gemischverteilung wird durch eine Entdrosselung ebenfalls eine Kraftstoffeinsparung erreicht. Sie ist jedoch nicht so hoch wie im Schichtbetrieb. Im Homogenbetrieb mit A ｾ＠ 1 verhält sich der Motor mit Benzin-Direkteinspritzung im Wesentlichen gleich wie der Motor mit Saugrohreinspritzung.

Abgasnachbehandlung Katalysatoren haben die Aufgabe, die Schadstoffe im Abgas abzubauen. Der Dreiwegekatalysator erfordert ein stöchiometrisch zusammengesetztes Luft -Kraftstoff-Gemisch, um seine bestmögliche Wirkung zu entfalten. Die erhöhten Stickoxidemissionen, die bei Magerbetrieb infolge des Luftüberschusses entstehen, werden in einem NOx Speicherkatalysator zwischengespeichert und dann unter kurzzeitigem Betrieb mit Kraftstoffüberschuss zu Stickstoff, Kohlendioxid und Wasser reduziert.

147

148

Benzin-Direkteinspritzung

Rail, Hochdruckpumpe

Rail

Hochdruckpumpe

Das Rail (Kraftstoffverteilerrohr) hat die Aufgabe, den von der Hochdruckpumpe geförderten Kraftstoff zu speichern und an die Hochdruck-Einspritzventile zu verteilen. Das Volumen des Rails ist ausreichend groß, um Druckpulsationen im Kraftstoffkreislauf auszugleichen.

Aufgabe

Das Rail besteht aus Aluminium. Die Ausführungsformen (Volumen, Maße, Gewicht usw.) sind motor- und systemspezifisch. Das Rail hat Anschlüsse für die weiteren Komponenten des Einspritzsystems (Hochdruckpumpe, Drucksteuerventil, Hochdrucksensor, Hochdruck -Einspritzventile ). Die Konstruktion gewährleistet die Dichtheit des Rails sowie die Dichtheit zu dessen Schnittstellen.

Dreizylinderpumpe HDPl

Bild 1 a Längsschnitt b Ouerschnitt 1 Euenler 2 Gleilschuh 3 Pumpenzylinder 4 Pumpenkolben (Kolben hohl , Kraft siolfzulauf) 5 Verschlusskugel 6 Auslassvenlil 7 Einlassvenlil 8 Hochdruckanschluss zum Rail 9 Kraflsloffzulauf (Niederdruck) 10 Hubring 11 axial wirkende Dichlung (Gleilringdichlung) 12 slalische Dichlung 13 Anlriebswelle

Die Hochdruckpumpe (HDP) hat die Aufgabe, den von der Elektrokraftstoffpumpe (EKP) mit einem Vordruck von 0,3 ... 0,5 MPa gelieferten Kraftstoff in ausreichender Menge auf das für die Hochdruckeinspritzung (Benzin-Direkteinspritzung) erforderliche Niveau von 5... 12 MPa zu verdichten. Beim Starten des Motors wird der Kraftstoff zunächst unter Vordruck eingespritzt. Beim anschließenden Hochlauf des Motors erfolgt dann der Hochdruckaufbau. Die Hochdruckpumpe wird im Betrieb ausschließlich mit Kraftstoff geschmiert und gekühlt. Zum Einsatz kommen Dreizylinderpumpen sowie bedarfgesteuerte Einzylinderpumpen.

Benzin-Direkteinspritzung

Dreizylinderpumpe HDP1

Das Aggregat ist vom Prinzip her als Radialkolbenpumpe mit drei um jeweils 120° in Umfangsrichtung zueinander versetzten Kolben ausgeführt. Bild 1 zeigt die realisierte Lösung im Längs- bzw. Querschnitt. Angetrieben von der Motornockenwelle dreht sich die Antriebswelle mit dem Exzenter, der dabei für die Hubbewegung des Pumpenkolbens im Pumpenzylinder sorgt. Bei der Abwärtsbewegung des Kolbens strömt Kraftstoff mit dem Vordruck von 0,3.. .0,5 MPa aus der Kraftstoffzuleitung durch den hohlen Pumpenkolben über das Einlassventil in den Förderraum. Bei der Aufwärtsbewegung des Kolbens wird dieses Flüssigkeitsvolumen verdichtet und strömt nach dem Überschreiten des Raildrucks über das Auslassventil zum Hochdruckanschluss. Durch die gewählte Kolbenanordnung findet wechselweise eine überschneidende Förderung statt, aus der wiederum eine

149

Hochdruckpumpe

geringe Förderstrompulsation und damit eine niedrige Druckpulsation im Rail resultiert. Die Fördermenge selbst ist proportional zur Drehzahl. Um sicherzustellen, dass bei maximaler Einspritzmenge entsprechend dem Kraftstoftbedarf des Motors der Systemdruck noch ausreichend schnell variiert werden kann, wird die maximale Fördermenge der HDP um einen definierten Betrag größer ausgelegt. Bei Betrieb mit konstantem Raildruck bzw. bei Teillast wird der zu viel geförderte Kraftstoff über das Drucksteuerventil aufVordruckniveau entspannt und auf die Saugseite der HDP zurückgeführt. Einzylinderpumpe HDP2

Die Einzylinderpumpe HDP2 ist als Steckpumpe mit direktem Antrieb über die Nockenwelle ausgeführt (Bild 2). Die übertragung der Hubbewegung auf den Pumpenkolben übernimmt ein direkt im Zylinderkopf integrierter Tassenstößel.

Einzylinderpumpe HDP2

ｾＭ

Ｍ

ＱＰ＠

Bild 2 1 Kraft'loHzulauf

(NiederdruCk)

2 Hochdruckanschluss zum Rail

3 LeckagerOcklauf 4 Au.lassvenlil

5 Einlassvenlil 6 Pumpen kolben 7 Kolbendichlung

1- - - - - - 8

8 Pumpenzylinder 9 Mengensleuervenlil 10 Druckdämpfer

7 Dunkelblau: Hochdruck'

bereich Ｍ ｾＭ

Ｍ

Ｍ

Ｍ

Ｖ＠

MiUelblau:

Nieder· druckbereich

Hellblau:

druckoser

Bereich (RücklauO

150

Benzin-Oireldeinspritzung

Hochdruckpumpe. Drucksteuerventil

Das Bild zeigt den prinzipiellen Aufbau des Aggregats. Am Förderraum ist jetzt zusätzlich zum Einlass- und Auslassventil noch ein elektrisch schaltbares Mengensteuerventil mit Rückführung in den Zulauf angeordnet. In der stromlos offenen Position findet keine Hochdruckförderung statt, da der komplette Förderstrom wieder in den Zulauf zurückströmt. Im aktiven Betrieb wird das Ventil im unteren Totpunkt des Pumpenkolbens geschlossen und nach Erreichen des vorgegebenen Raildrucks zur Beendigung der Förderung geöffnet. Der bis zum oberen Totpunkt noch weiter geförderte Kraftstoff strömt wieder in den Zulauf. Diese Steuerungsart stellt sicher, dass immer gerade so viel Kraftstoff gefördert wird wie der Motor benötigt, was wiederum die Leistungsaufnahme der Pumpe und damit den Kraftstoffverbrauch reduziert. Zur Dämpfung von Druckpulsationen, die sich aus der Fördercharakteristik der Einzylinderpumpe ergeben, ist im Zulauf direkt vor dem Einlassventil ein Druckdämpfer eingebaut. Zum Einsatz kommt dabei das von der Saugrohreinspritzung her bekannte Prinzip des Membranfederspeichers. Ein weiteres wichtiges Funktionselement ist die im Pumpenzylinder angeordnete Kolbendichtung als "Trennstelle" zwischen Kraftstoff- und Motorölbereich. Zur Erhöhung der Betriebssicherheit wird die Dichtung durch Anschluss an die zum Tank führende Leckageleitung druckentlastet.

Bild 1

1

EIekinscher Anschluss

2 3

Druckfeder

4

Magnelanker

5

D,chlnnge

Spule

(Ü -Ringe) 6

Ablaufbohrung

7

V entilkugel

8

V enllls;tz

9

Zulauf m;1 Zulaufsieb

Drucksteuerventil Aufgabe Das Drucksteuerventil ist zwischen Rail und Niederdruckseite der Hochdruckpumpe HDPl angeordnet und stellt den gewünschten Druck im Rail durch Androsselung des Förderstroms der HDPl ein. Der überschüssig geförderte Kraftstoff wird in den Niederdruckkreislauf zurückgeführt. Aufbau und Arbeitsweise Ein pulsweitenmoduliertes Signal steuert die Spule (Bild 1, Pos. 3) an. Entsprechend dem Tastverhältnis hebt die Ventilkugel (7) mehr oder weniger vom Ventilsitz (8) ab und verändert so nach Bedarf den Durchflussquerschnitt des Ventils. Das Drucksteuerventil ist stromlos geschlossen, um auch bei Ausfall der elektrischen Ansteuerung den notwendigen Raildruck sicherzustellen. Zum Schutz der Komponenten vor unzulässig hohem Raildruck ist eine mechanische Druckbegrenzungsfunktion integriert.

Schnitt durch das Drucksteuerventil

Benzin-Direkteinspritzung

Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs mit BDE

. -. Die Emission von Kohlendioxid (C0:zl ist einer

BDE - insgesamt eine Reduzierung um 25%

der Faktoren, die für den Treibhauseffekt auf

(Bild 3). Das ist der Wert , den die ACEA

der Erde verantwortlich sind . Ein Anteil der

fordert.

Gesamtemission fällt dabei auf den StraBenMaßnahmen zur Verbrauchssenkung

verkehr. Bei einer weltweit steigenden Fahrleistung lässt sich eine gleichzeitige CO 2 Reduzierung nur über eine Vernngerung des

Mluelklasse-Fahrzeug. MVEG-Ziklus

Kraftstoffverbrauchs pro gefahrenen Kilometer

AbgasrückfOhrung

T1U!orelischas

Thermomanagement

n

erreichen. Die Vereinigung der Automobilhersteller in Europa (ACEA, Association des Construc-

Start I Stop

teurs Europeen d'Automobiles) hat sich dazu

Homogen Mager

verpflichtet, den AusstoB von CO2 aus Kraft-

Variabler Ventilhub BenzlnDlreldelnsprltzung

fahrzeugen, ausgehend vom Stand 1995, bis zum Jahr 2008 um 25% zu reduzieren (Bild 1).

Verbrauchseinsparu ng

\l(Jn ...bls POlenzia,

o

o

10

15

ｾ 20

i

ｾ＠ 25% ｾ＠

Es gibt verschiedene Möglichkeiten, den Kraftstoffverbrauch von Fahrzeugen mit Ottomotor

Maßnahmen zu, Verbrauchssenkung in Kombination mit der Ｘ ･ｮｺｪｾｄｩＬｫｴｳｰｲｵｧ＠

zu senken (Bild 2). Die Benzln-Direkt-

einspritzung birgt das gröBte Potenzial. Mit ihr ist kurzfristig eine Verbrauchsreduzierung von 10...15% erreichbar, das theoretische Patenzialliegt sogar bei 25%. Werden die anderen Maßnahmen mit der Benzin-Direkteinspritzung kombiniert, so ergibt sich - bei einem ange-

BenzlnDlreldelnsprltzung + Thermomanagement

Verbrauchsemspa .unU

+ Start I Stop + Aufladung

nommenen Grundwert von 12 % für die

5

,

10 15 20 2S 30%

Erwartete Verbrauchsreduzierung beim Pkw

11100 km

g/km

11 .45

= 8.55 . ｾ＠

7.7 .

ｾ＠

71

ｾ＠ ｾ＠

;;:

1

5.8 . 5.0

Benzin

7.0 6.3

5.2 4.5

c::

Ｎ ｾ＠

o

E

LU

Diesel

1990

1995

2000

2002

2005

2008

2010

151

Benzin-Direkteinspritzung

152

Hochdruck-Einspritzventil

Hochd ruck- Einspritzventi I Aufgabe

Das Hochdruck -Einspritzventil (HD EV) stellt die Schnittstelle zwischen dem Rail und dem Brennraum dar. Aufgabe des Hochdruck-Einspritzventils ist, den Kraftstoff zu dosieren und durch dessen Zerstäubung eine gezielte Durchmischung von Kraftstoff und Luft in einem bestimmten räumlichen Bereich des Brennraums zu erzielen. Abhängig vom gewünschten Betriebszustand wird der Kraftstoff im Bereich um die Zündkerze konzentriert (geschichtet) oder gleichmäßig im gesamten Brennraum zerstäubt (homogene Verteilung).

Aufbau des HOchdruck·Einspritzventils (HDEV)

Aufbau und Arbeitsweise

Das Hochdruck-Einspritzventil (Bild 1) besteht aus den Komponenten • Gehäuse (5), • Ventilsitz (7), • Düsennadel mit Magnetanker (6), • Feder (3) und einer • Spule (4). Bei Strom durchflossener Spule wird ein Magnetfeld erzeugt. Dadurch hebt die Ventilnadel gegen den Federdruck vom Ventilsitz ab und gibt die Ventilauslassbohrung (8) frei. Aufgrund der Druckdifferenz zwischen Raildruck und Brennraumdruck wird nun der Kraftstoff in den Brennraum gedrückt. Beim Abschalten des Stroms wird die Düsennadel aufgrund des Federdrucks in den Ventilsitz gepresst und unterbricht den Kraftstofffluss. Das Ventil öffnet gegen den Raildruck schnell, gewährleistet während der Öffnungszeit einen konstanten Öffnungsquerschnitt und schließt wieder mit dem Raildruck. Die eingespritzte Kraftstoffmenge ist damit (bei gegebenen Öffnungsquerschnitt) abhängig vom Raildruck, vom Gegendruck im Brennraum und der Öffnungszeit des Ventils. Durch eine geeignete Düsengeometrie an der Ventilspitze wird eine sehr gute Zerstäubung des Kraftstoffs erreicht. Im Unterschied zur Saugrohreinspritzung wird der Kraftstoff bei der Benzin-Direkteinspritzung schneller, genauer und mit einer besseren Ausbildung des Kraftstoffstrahls eingespritzt. Anforderungen

Bild 1 1

Zulauf mll FeInsieb

2

elektn.cher Anschluss

3

Feder

4

Spule

5

Gehäuse

6

DOsennadel mit

7

Magnetanker Ventilsitz

8

Venlilauslassbohrung

Wesentlicher Unterschied der BenzinDirekteinspritzung im Vergleich zur Saugrohreinspritzung sind ein höherer Kraftstoffdruck und eine deutlich kürzere Zeit, die für die Einbringung des Kraftstoffs direkt in den Brennraum zur Verfügung steht. Bild 2 zeigt die Anforderungen an das Einspritzventil. Bei der Saugrohreinspritzung

Benzin-Oirekteinspritzung

stehen zwei Kurbelwellenumdrehungen zur Verfügung, um den Kraftstoff in das Saugrohr einzuspritzen. Das entspricht bei einer Drehzahl von 6000 min- 1 einer Einspritzdauer von 20 ms. Bei der Benzin-Direkteinspritzung steht deutlich weniger Zeit zur Verfügung. Für den Homogenbetrieb muss der Kraftstoff im Ansaugtakt eingespritzt werden. Somit steht nur eine halbe Kurbelwellenumdrehung für den Einspritzvorgang zur Verfügung. Bei 6000 min- 1 entspricht das einer Einspritzdauer von 5 ms. Bei der Benzin-Direkteinspritzung ist der Kraftstoffbedarf im Leerlauf im Verhältnis zur Volllast sehr viel geringer als bei der Saugrohreinspritzung (Faktor 1:12). Daraus ergibt sich eine Einspritzzeit im Leerlauf von ungefähr 0,4 ms. Ansteuerung des Einspritzventils HDEV

153

Hochdruck·Einspritzventil

(Bild 3). Der Mikrocontroller im Motorsteuergerät liefert nur ein digitales Ansteuersignal (a). Aus diesem Signal erzeugt ein spezieller Ansteuerbaustein das Ansteuersignal (b), mit dem die HDEV-Leistungsendstufe das Einspritzventil ansteuert. Ein Boosterkondensator erzeugt die Ansteuerspannung von 50 ... 90 V. Diese Spannung führt zu einem hohen Strom zu Beginn des Einschaltvorgangs und sorgt damit für ein schnelles Anheben der Ventilnadel (c) . Bei geöffnetem Einspritzventil (maximaler Ventilnadelhub) reicht ein geringerer Ansteuerstrom aus, um den Ventilnadelhub konstant zu halten. Bei konstantem Ventilnadelhub ergibt sich eine zur Einspritzdauer proportionale Einspritzmenge (d). Die Vormagnetisierungszeit, während der das Einspritzventil noch nicht öffnet, wird bei der Einspritzzeitberechnung berücksichtigt.

Um einen definierten und reproduzierbaren Einspritzvorgang zu gewährleisten, muss das Hochdruck-Einspritzventil mit einem komplexen Stromverlauf angesteuert werden

Signalverläufe für die Ansteuerung des Hochdruck·Einspritzventils (HOEV)

Vergleich zwischen Benzin·OirekteinsprilZung und Saugrohreinspritzung

Ｑｾ］＠ ｏｾＭ

ｾＭ＠

ｫ ｾＯｶｭ＠

E

ｾｘ＠

b

Vormagnetrslerung I vrn. tvm

r- I ..... vrn

Ih

I

c

o

0,4

3.55

20 EinspritzzeH in ms

J

.... lan

ｾ＠

1\

Funktion der Einspritzzeit

ｾＯ｡｢＠

r--

Bild 2 Einspntzmenge als

d

Bild 3 a

AnsteuersIgnal

b

Siromverlauf im EinspritzventIl

ElOspnt2Zeit -

c d

Nadelhub elOgespritzte Ktaltstoffmenge

154

Benzin-Direkteinspritzung

Brennverfahren

Brennverfahren Als Brennverfahren bezeichnet man die Art und Weise, wie die Gemischbildung und die Energieumsetzung im Brennraum zu Stande kommen. Abhängig von dem gewählten Verfahren bilden sich Luftströmungen aus. Um die gewünschte Ladungsschichtung zu erreichen, spritzt das Einspritzventil den Kraftstoff so in die Luftströmung ein, dass er in einem räumlich begrenzten Bereich verdampft. Die Luftströmung transportiert die Gemischwolke bis zum Zündzeitpunkt an die Zündkerze. Zwei grundsätzlich verschiedene Brennverfahren sind möglich. Strömungsverhältnisse bei den

verschiedenen Brenn.erfahren

a r--r-r-

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

Strahlgeführtes Brennverfahren Das strahlgeführte Brennverfahren zeichnet sich dadurch aus, dass der Kraftstoff in unmittelbarer Umgebung der Zündkerze eingespritzt wird und dort verdampft (Bild la). Das erfordert eine exakte Positionierung von Zündkerze und Einspritzdüse und eine präzise Strahlausrichtung, um das Gemisch zum richtigen Zeitpunkt entzünden zu können. Die Wärmewechselbelastung der Zündkerze ist dabei sehr hoch, da die heiße Zündkerze unter Umständen vom relativ kalten Einspritzstrahl direkt benetzt wird. Wandgeführtes Brennverfahren Beim wandgeführten Brennverfahren wird zwischen zwei möglichen Luftströmungen unterschieden, die durch eine gezielte Gestaltung der Einlasskanäle und des Kolbens entstehen. Das Einspritzventil spritzt den Kraftstoff in die Luftströmung. Das entstehende Luft-Kraftstoff-Gemisch gelangt mit dieser Strömung als geschlossene Wolke zur Zündkerze. Drall-Strömung Die durch das geöffnete Einlassventil vom Zylinderkolben angesaugte Luft erzeugt eine turbulente Strömung (Rotationsbewegung der Luft) entlang der Zylinderwand (Bild lb). Dieses Brennverfahren wird auch als Swirl-Verfahren bezeichnet (engl. swirl: Drall). Tumble-Strömung Bei diesem Verfahren entsteht eine walzenförmige Luftströmung (engl. tumble: Walze), die von oben kommend durch eine ausgeprägte Kolbenmulde umgelenkt wird und sich wieder nach oben in Richtung Zündkerze bewegt (Bild lc).

Bild 1 Strahlgeführt b wandgeführte Swirl-Strömung a

c

wandgefOhrte Tumble-Strömung

Benzin·Oirekteinspritzung

Gemischbildung Aufgabe

Aufgabe der Gemischbildung ist die Bereitstellung eines möglichst homogenen, brennfähigen Luft -Kraftstoff-Gemischs. Anforderungen

In der Betriebsart "Homogen" (homogen

A :s; 1 und auch homogen mager) soll dieses Gemisch im gesamten Brennraum homogen sein. Im Schichtbetrieb hingegen ist das Gemisch nur innerhalb eines räumlich begrenzten Bereichs homogen, während sich im restlichen Brennraum Frischluft oder Inertgas befindet. Homogen kann eine Gas- bzw. Gas-Kraftstoffdampf-Mischung nur sein, wenn der gesamte Kraftstoff verdampft ist. Einfluss auf die Verdampfung haben mehrere Faktoren: • die Temperatur im Brennraum, • die Tropfengröße des Kraftstoffs und • die Zeit, die zur Verdampfung zur Verfügung steht. Einflussgrößen

Temperatureinfluss Brennfähig ist ein Gemisch mit Ottokraftstoff im Bereich von A= 0,6 ... 1,6, abhängig von Temperatur, Druck und Brennraumgeometrie des Motors. Bei tiefen Temperaturen verdampft der Kraftstoff nicht vollständig. Deshalb muss unter diesen Bedingungen mehr Kraftstoff eingespritzt werden, um ein brennfähiges Gemisch zu erhalten. Gemischbildu ng im Homogenbetrieb Um eine möglichst lange Zeit für die Gemischbildung zu erhalten, wird der Kraftstoff möglichst frühzeitig eingespritzt. Deshalb wird im Homogenbetrieb bereits im Ansaugtakt eingespritzt und mithilfe der einströmenden Luft eine schnelle Verdampfung des Kraftstoffs und eine gute Homogenisierung des Gemischs erreicht.

Gemischbildung

Gem ischbildung im Schichtbetrieb Für den Schichtbetrieb ist die Ausbildung der brennfähigen Gemischwolke, die sich zum Zündzeitpunkt im Bereich der Zündkerze befindet, entscheidend. Dazu wird der Kraftstoff während der Verdichtungsphase so eingespritzt, dass eine Gemischwolke entsteht, die durch die Luftströmungen im Brennraum und vom sich aufwärts bewegenden Kolben in den Bereich der Zündkerze geführt wird. Der Einspritzzeitpunkt ist von der Drehzahl und vom geforderten Drehmoment abhängig. Eindringtiefe Die Tropfengröße des eingespritzten Kraftstoffs ist abhängig vom Einspritzdruck und dem Druck im Brennraum. Mit steigendem Einspritzdruck können kleinere Tropfengrößen erzielt werden, die schneller verdampfen. Bei gleichem Brennraumdruck und steigendem Einspritzdruck erhöht sich die Eindringtiefe, d. h. die Weglänge, die der einzelne Tropfen zurücklegt, bis er vollständig verdampft ist. Ist dieser zurückgelegte Weg länger als der Abstand von der Einspritzdüse zur Brennraumwand, wird die Zylinderwand oder der Kolben benetzt (Wandbenetzung). Verdampft dieser Kraftstoff an Zylinderwand und Kolben nicht vor der Zündung, kommt es zu keiner oder nur zu einer unvollständigen Verbrennung.

155

Benzin-Direkteinspritzung

156

Betriebsarten

Betriebsarten Bei der Benzin-Direkteinspritzung sind sechs Betriebsarten bekannt (Bild 1): • Schichtbetrieb, • Homogenbetrieb, • Homogen-Mager-Betrieb, • Homogen-Schicht-Betrieb, • Homogen-Klopfschutz-Betrieb und • Schicht-Katheizen. Diese Betriebsarten ermöglichen eine bestmögliche Anpassung für jeden Betriebszustand des Motors. Die Umschaltung der Betriebsart im Fahrbetrieb geschieht ohne Drehmomentsprünge und damit vom Fahrer unbemerkt. Die Linien im Diagramm (Bild 1) zeigen, welche Betriebsarten bei einer starken Beschleunigung (hohe Drehmomentänderung bei zunächst unveränderter Drehzahl) und bei einer langsamen Beschleunigung (geringe Drehmomentänderung bei zunehmender Drehzahl) durchfahren werden.

Bi ld 1 A

Homogenbelrieb mil

A= 1; diese Belriebsart iSI in allen Bereichen

B

möglich Magerbelrieb oder Homogenbelrieb

Homogenbetrieb

Im unteren Drehmomentbereich bei Drehzahlen bis ungefähr 3000 min- 1 wird der Motor im Schichtbetrieb gefahren. Dazu spritzt das Einspritzventil den Kraftstoff während des Verdichtungstakts kurz vor dem Zündzeitpunkt ein. Während der kurzen Zeit bis zum Zündzeitpunkt trans-

Bei hohem Drehmoment und hoher Drehzahl wird der Motor anstelle des Schichtbetriebs homogen mit il = 1 (in Ausnahmefällen mit il < 1) betrieben. Der Beginn der Kraftstoffeinspritzung liegt im Ansaugtakt, sodass sich das gebildete Luft -KraftstoffGemisch im gesamten Brennraum verteilen kann. Die eingespritzte Kraftstoffmasse ist so bemessen, dass das Luft -Kraftstoff-Gemisch im stöchiometrischen Verhältnis oder in Ausnahmefällen mit leichtem Kraftstoffüberschuss vorliegt (il ::; 1). Diese Betriebsart ist bei einer hohen Drehmomentanforderung notwendig, da sie den gesamten Brennraum ausnutzt. Wegen des stöchiometrisch vorliegenden LuftKraftstoff-Gemischs ist in dieser Betriebsart auch die Rohemission an Schadstoffen niedrig. Bei Homogenbetrieb entspricht die Verbrennung weitgehend der Verbrennung bei der Saugrohreinspritzung.

Betriebsarten·Kennfeld der BentinDirekteinspritzung

diese Betriebsart iSI auch im Bereich C

und D möglich Schichtbetrieb mit AGR Belriebsarten mil

C

Ooppeleinsprilzung: Schicht-Kai heizen·

0

Betrieb; gleicher 8e· reich wie Sch,chtbetriebmitAGR Homogen-Schicht-

E

Betrieb Homogen-Klopfschutz·Betrieb

Die Größen "Drehzahl" und "Drehmoment" begrenzen den Schichtbetrieb. Bei zu hohem Drehmoment entsteht Ruß durch lokale fette Bereiche. Bei zu hoher Drehzahl kann die Ladungsschichtung und der geordnete Transport des Gemischs zur Zündkerze aufgrund zu hoher Turbulenz nicht mehr aufrechterhalten werden.

Schichtbetrieb

A= 1 mitAGR;

C

portiert die im Brennraum herrschende Luftströmung das aufbereitete Luft-Kraftstoff-Gemisch zur Zündkerze. Eine Verteilung des Gemischs im ganzen Brennraum findet wegen des späten Einspritzzeitpunkts nicht statt. Im Schichtbetrieb ist das Gemisch über den gesamten Brennraum betrachtet sehr mager. Mit einem großen Luftüberschuss ist die NOx-Rohemission sehr hoch. Abhilfe schafft bei dieser Betriebsart eine hohe Abgasrückführrate. Die rückgeführten Abgase reduzieren die Verbrennungstemperatur und senken dadurch die temperaturabhängigen NOx-Emissionen.

ｾ＠

"'C., E

ｾ＠

.

=

Induktive Zündanlage

Arbeitsweise Die Funktion einer Zündspule beruht auf dem Induktionsgesetz. Die im Magnetfeld der Primärwicklung gespeicherte Energie wird durch magnetische Induktion auf die Sekundärseite der Zündspule übertragen. Strom und Spannung werden abhängig vom Verhältnis der Windungszahlen (übersetzungsverhältnis) von der Primär- auf die Sekundärseite umgesetzt. Bei der Sparschaltung (Bild 2a) sind jeweils ein Anschluss der Primär- und Sekundärwicklung miteinander verbunden und an Klemme 15 (Fahrtschalter) geführt. Der andere Anschluss der Primärwicklung ist mit der Zündungsendstufe gekoppelt (Klemme 1). Der zweite Anschluss der Sekundärwicklung (Klemme 4) ist mit dem Zündverteiler (bei ROV) bzw. mit der Zündkerze (bei RUV) verbunden. Aufgrund des wegfallenden Anschlusses ergeben sich mit dem Spartrafoprinzip Kostenvorteile für die Zündspule. Allerdings fehlt die galvanische Trennung zwischen den beiden elektrischen Kreisen, sodass Störungen von der Zündspule in das Bordnetz gelangen können. In den Bildern 2b und 2c sind die Primärund Sekundärwicklungen nicht zusammengeschaltet. Bei der Einzelfunken-Zündspule liegt die eine Seite der Sekundärwicklung (Klemme 4a) auf Masse, die andere Seite (Klemme 4) ist direkt an die Zündkerze angeschlossen. Bei der Zweifunken-Zündspule gehen beide Anschlüsse der Sekundärwicklung zu je einer Zündkerze (Klemme 4a und 4b).

Hochspannungserzeugung Das Motorsteuergerät schaltet die Zündungsendstufe während der berechneten Schließzeit ein. Innerhalb dieser Zeit steigt der Primärstrom der Zündspule auf seinen Sollwert und baut dabei ein Magnetfeld auf. Die Höhe des Primärstroms und die Größe der Primärinduktivität der Zündspule bestimmen die im Magnetfeld gespeicherte Energie. Im Zündzeitpunkt unterbricht die Zündungsendstufe den Stromfluss. Durch die

Zündspule

Änderung des Magnetfelds wird in der Sekundärwicklung der Zündspule die Sekundärspannung induziert. Die maximal mögliche Sekundärspannung (Sekundärspannungsangebot) hängt von der in der Zündspule gespeicherten Energie, der Wicklungskapazität und dem übersetzungsverhältnis der Zündspule, der Sekundärlast (Zündkerze) und der Primärspannungsbegrenzung der Zündungsendstufe ab. Die Sekundärspannung muss in jedem Fall über der zum Funkendurchbruch an der Zündkerze notwendigen Spannung (Zündspannungsbedarf) liegen. Die Funkenenergie muss zur Zündung des Gemischs auch bei Auftreten von Folgefunken ausreichend groß sein. Folgefunken treten auf, wenn der Zündfunke durch Turbulenzen des Gemischs ausgelenkt wird und abreißt. Beim Einschalten des Primärstroms wird in der Sekundärwicklung eine unerwünschte Spannung von ca. 1 ... 2 kV induziert (Einschaltspannung): sie hat eine der Hochspannung entgegengesetzte Polarität. Ein Funkenüberschlag an der Zündkerze (Einschaltfunke ) muss vermieden werden. Bei Systemen mit Rotierender Hochspannungsverteilung wird der Einschaltfunke durch die vorgeschaltete Verteilerfunkenstrecke wirksam unterdrückt. Bei Ruhender Spannungsverteilung mit EinzelfunkenZündspulen sperrt eine Diode (EFU-Diode, siehe Bilder 2a und 2b) im Hochspannungskreis den Einschaltfunken. Die EFUDiode kann auf der "heißen Seite" (der Zündkerze zugewandten Seite) oder auch auf der "kalten Seite" (der Zündkerze ab gewandten Seite) sein. Bei ZweifunkenZündspulen wird der Einschaltfunke durch die hohe überschlagspannung der Reihenschaltung von zwei Zündkerzen ohne Zusatzmaßnahmen unterbunden. Beim Abschalten des Primärstroms entsteht in der Primärwicklung eine Selbstinduktionsspannung von einigen hundert Volt, die zum Schutz der Endstufe auf 200 ... 400 V begrenzt wird.

179

180

Induktive Zündanlage

Spannungsverteilung

Ruhende Spannungsverteilung (RUV)

Spannungsverteilung Aufgabe

Die in der Zündspule erzeugte Hochspannung muss zum Zündzeitpunkt an der richtigen Zündkerze anliegen. Dies ist Aufgabe der Spannungsverteilung. Rotierende Hochspannungsverteilung (ROV)

Bei der Rotierenden Hochspannungsverteilung (ROV) wird die von nur einer einzigen Zündspule (Bild 3a, Pos. 2) erzeugte Hochspannung von einem Zündverteiler (3) mechanisch auf die einzelnen Zündkerzen (5) verteilt. Diese Art der Spannungsverteilung hat für neue Motormanagement-Systeme keine Bedeutung mehr.

Prinzip der Spannungsverteilung

Bild 3

a

Rotierende Vertei-

b

Ruhende Verteilung

lung (ROV) (RUV) mit Einzelfunken' Zündspulen

1

Zündschloss

2 3

ZOndverteiier

4

Zündkabel

5 6 7

Steuergerät

Zündspule

ZOndkerze

Batterie

I ::>

=

Bei der verteilerlosen, elektronischen oder Ruhenden Spannungsverteilung (RUV) entfallen die mechanischen Komponenten (Bild 3 b). Die Zündspulen sind direkt mit den Zündkerzen verbunden und die Spannungsverteilung geschieht auf der Primärseite der Zündspulen. Damit ist eine verschleiß- und verlustfreie Spannungsverteilung möglich. Für diese Art der Spannungsverteilung gibt es zwei Varianten. Anlage mit Einzelfunken-Zün dspulen Jedem Zylinder ist eine Zündungsendstufe und eine Zündspule zugeordnet. Das Motorsteuergerät steuert entsprechend der Zündfolge die Zündungsendstufe an. Da die Verteilerverluste entfallen, können diese Zündspulen besonders klein gebaut sein. Sie sitzen vorzugsweise direkt über der Zündkerze. Die Ruhende Spannungsverteilung mit Einzelfunken-Zündspulen ist universell für alle Zylinderzahlen einsetzbar. Es gibt keine Einschränkungen des Zündwinkelverstellbereichs. Allerdings muss die Anlage über einen Nockenwellensensor zusätzlich mit der Nockenwelle synchronisiert werden. Anlage mit Zweifunken-Zündspulen Eine Zündungsendstufe und eine Zündspule sind jeweils zwei Zylindern zugeordnet. Die Enden der Sekundärwicklung sind an jeweils eine Zündkerze in unterschiedlichen Zylindern angeschlossen. Die Zylinder sind so gewählt, dass sich im Verdichtungstakt des einen Zylinders der zweite gerade im Ausstoßtakt befindet (bei geradzahligen Zylinderzahlen). Im Zündzeitpunkt erfolgt an beiden Zündkerzen ein Funkenüberschlag. Es muss sichergestellt sein, dass durch den Funken im Ausstoßtakt (Stützfunke) kein Restgas oder angesaugtes Frischgas entflammt. Dadurch ergibt sich eine Einschränkung des möglichen Zündwinkelverstellbereichs. Die Anlage muss aber nicht mit der Nockenwelle synchronisiert sein. Aufgrund der Einschränkungen können ZweifunkenZündspulen nicht empfohlen werden.

Induktive Zündanlage

Zündkerze Aufgabe Die Zündkerze entzündet das Luft-Kraftstoff-Gemisch im Brennraum durch einen Funken zwischen den Elektroden.

181

allen Betriebsfällen vom Angebot der Sekundärspannung der Zündanlage sicher gedeckt werden.

Zündkerze (Teilschnitt) und Funkenstrecke

Aufbau und Arbeitsweise Die Zündkerze (Bild 4) ist eine keramikisolierte, gasdichte Hochspannungsdurchführung in den Brennraum mit einer Mittelelektrode (1) und einer oder mehreren Masseelektroden (2).

a

-r

b

Die Lage der Masseelektrode(n) bestimmt den Funkentyp. Liegt die Masseelektrode gegenüber der Mittelelektrode, spricht man von einer Luftfunkenkerze (a, b). Bei seitlich angestellten Masseelektroden ergeben sich Luftgleit- (c) oder reine Gleitfunkenkerzen (d). Nach Unterbrechung des Primärstroms im Zündzeitpunkt steigt die Spannung in der Sekundärwicklung der Zündspule innerhalb kurzer Zeit (ca. 30 Ils, s. Bild 5) auf die Zündspannung an. Bei überschreiten der notwendigen Zündspannung wird die Funkenstrecke der Zündkerze zwischen Mittelelektrode und Masseelektrode leitend. Die auf Zündspannung aufgeladenen Kapazitäten im Sekundärkreis (Zündkerze, Zündkabel und Zündspule) entladen sich schlagartig in einem Funkenkopf. Danach wird die gespeicherte Energie der Zündspule während einer Funkendauer von typisch 1 ... 2 ms in einer Glimmentladung (Funkenschwanz) umgesetzt. In der Nachschwingphase wird die in der Zündspule enthaltene Restenergie abgebaut.

Zündkerze

Bild 4

c

Mittelelektrode

2

Masseelektrode

a

Luftfunkenstreoke

b

Luftfunkenstrecke

c

Luftgleitfunken·

mit Dachelektrode mit Seitenelektrode

d

strecke (Luftfunken oder Gleitlunken möglich) d

Gleitlunkenstrecke

EA Elektrodenabstand

Zeitlicher Verlauf der Spannung an den Elektroden einer ZUndkerze

ｫｖＧＭｯｲＮｾＬ＠

ＱＵ

Ｑ］ｾＺＧｩｬ［＠

CI C

::J

C

Zündkerzenverschleiß Im Motorbetrieb verschleißen die Elektroden der Zündkerze infolge Erosion durch den Funkenstrom und Korrosion durch die heißen Gase im Brennraum. Der Elektrodenabstand wird größer. Dadurch steigt der Zündspannungsbedarf. Er muss bis zum Ende des vorgesehenen Wechselintervalls in

ｾ＠

5

(J)

I

Bild 5 K Funkenkopf

:::>

S

Funkenschwanz

fF

Funkendauer

c

o

2,0 Zeit

3,0

ms

GD

182

Induktive Zündanlage

Verbindungs- und Entstärmittel, Zündspannung

Verbindungs- und Entstörmittel Zündkabel

Die in der Zündspule erzeugte Hochspannung muss zur Zündkerze geführt werden. Hierzu werden bei Zündspulen, die nicht direkt auf der Zündkerze aufgesetzt sind, kunststoffisolierte, hochspannungsfeste Leitungen verwendet, an deren Enden passende Stecker zur Kontaktierung der Hochspannungskomponenten angebracht sind. Da jede Hochspannungsleitung eine kapazitive Belastung für die Zündanlage ist und damit das Angebot der Sekundärspannung verringert wird, müssen die Leitungen möglichst kurz sein. Entstörwiderstände, Abschirmung

Jeder Funkendurchbruch an Zündkerze oder Zündverteiler (bei rotierender Hochspannungsverteilung) ist durch die impulsförmige Entladung eine Störquelle. Durch Entstörwiderstände im Hochspannungskreis wird der Spitzenstrom der Entladung begrenzt. Um die Störabstrahlung des Hochspannungskreises zu minimieren, müssen die Entstörwiderstände möglichst nahe an der Störquelle sitzen. üblicherweise sind die Entstörwiderstände in die Zündkerzenstecker, die Anschlussstecker und bei rotierender Hochspannungsverteilung auch in den Zündverteilerläufer integriert. Ferner gibt es Zündkerzen mit integriertem Entstörwiderstand. Eine Erhöhung des sekundärseitigen Widerstands führt jedoch zu zusätzlichen Energieverlusten im Zündkreis und damit zu einer niedrigeren Funkenenergie an der Zündkerze. Eine weitere Verringerung der Abstrahlung lässt sich durch eine teilweise oder vollständige Abschirmung der Zündanlage erreichen. Dabei sind auch die Zündkabel geschirmt. Dieser Aufwand ist nur in Sonderfällen gerechtfertigt (Behördenfahrzeuge, Militärfahrzeuge, Funkbetrieb ).

Zündspannung Die Zündspannung ist der Spannungswert, bei dem an den Elektroden der Zündkerze der Funkenüberschlag auftritt. Er hängt unter anderem ab • von der Dichte des Luft-KraftstoffGemischs im Brennraum und damit auch vom Zündzeitpunkt, • von der Zusammensetzung des LuftKraftstoff-Gemischs (Luftzahl, LambdaWert), • von der Strömungsgeschwindigkeit und Turbulenzen, • von der Elektrodengeometrie, • vom Elektrodenmaterial sowie • vom Elektrodenabstand. Es muss sichergestellt sein, dass der Zündspannungsbedarf unter allen Umständen von der Zündanlage bereitgestellt wird.

---

Unfal lgefahr -------

-

Alle elektrischen ZOndanlagen 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 Zündspule, Zündkerze, Zündleitungen usw. • Anschließen von Motortestgeräten wie Zündzeitpunkt·Stroboskop, SChließwinkelDrehzahl·Tester, Zündoszilloskop u.w. Bei der Prüfung der Zündanlage mit eingeschalteter Zündung treten an der gesamten Anlage gefährliche Spannungen auf. Prüfarbeiten sollen deshalb nur durch ausgebildetes Fachpersonal erfolgen.

Induktive Zündanlage

Zündenergie

183

Zündenergie

Funkenschwanz Die restliche in der Zündspule gespeicherte Energie (induktiver Anteil) wird anschließend freigesetzt. Die Energie ergibt sich aus der Differenz von der in der Zündspule gespeicherten Gesamtenergie und der durch die kapazitive Entladung freigesetzten Energie.

Der Abschaltstrom und die Zündspulenparameter bestimmen die Energie, die die Zündspule speichert und dann als Zündenergie im Zündfunken zur Verfügung steht. Die Zündenergie hat entscheidenden Einfluss auf die Gemischentflammung. Eine gute Gemischentflammung ist Voraussetzung für einen leistungsfähigen und trotzdem schadstoffarmen Motorbetrieb. Das stellt hohe Anforderungen an die Zündanlage.

Das bedeutet: je höher der Zündspannungsbedarf, desto größer ist der Anteil der Gesamtenergie, der im Funkenkopf steckt. Bei hohem Zündspannungsbedarf, beispielsweise wegen verschlissenen Zündkerzen, reicht die im Funkenschwanz vorhandene Energie unter Umständen nicht mehr aus, um ein entzündetes Gemisch vollständig zu entflammen oder eine ausgeblasene Flamme durch Folgefunken nochmals zu zünden. Bei weiter steigendem Zündspannungsbedarf wird die Aussetzergrenze erreicht. Die verfügbare Energie reicht nicht mehr aus, um einen Funkenüberschlag zu erzeugen und schwingt in einer gedämpften Schwingung aus (Zündaussetzer) .

Energiebilanz einer Zündung Die in der Zündspule gespeicherte Energie wird nach Auslösen des Zündfunkens freigesetzt. Diese Energie teilt sich in zwei verschiedene Anteile auf. Funkenkopf Die Energie E, die in der sekundärseitigen Kapazität C des Zündkreises gespeichert ist und zum Zündzeitpunkt schlagartig freigesetzt wird, nimmt quadratisch mit der anliegenden Spannung U zu (E = 1/2 C[J2). Die in Bild 6 dargestellte Kurve zeigt deshalb einen quadratischen Verlauf.

Energiebilanz einer Zündung ohne Nebenschluss-, Wiclersllancls·

ｭｊｲＭ

ｾ

Ｍ

ｾ

Ｍｾ

Ｍｮ

ｾＭ

ＭＮ

ｾＭ

ＢＧＭｭ｟

ｾ

Ｍ｟Ｌ＠

LlJ

Ｎ ｾ＠

Q)

ＳＰ

ＱＧ］ ］ｾ＠

c:

W

ＲＰ

ｆ

］ｾ＠

Bild 6 Die Energiewerte gellen für eine beispielhafte

10 1==-

ZOndanlage mit einer ZOndspulenkapazilät von

g

o

5

10

15

20 Zündspannung U

kV

I GD

35 pF, einer externen

last von 25 pF (Gesamtkapazität C = 60 pF) und einer Sekundärindukti· vität von 15 H .

Induktive Zündanlage

184

Zündenergie

ebensch IlIssveri liste Bild 6 (vorige Seite) stellt die Verhältnisse vereinfacht dar. Durch ohmsche Widerstände in der Zündspule und den Zündleitungen sowie durch die Entstörwiderstände entstehen Verluste, die nicht als Zündenergie zur Verfügung stehen. Weitere Verluste entstehen durch Nebenschlusswiderstände. Diese können durch Schmutz an den Hochspannungsverbindungen, aber vor allem auch durch Ablagerungen und Ruß an der Zündkerze innerhalb des Brennraums verursacht werden. Die Höhe der Nebenschlussverluste hängt auch vom Zündspannungsbedarf ab. Je höher die an der Zündkerze anliegende Spannung, desto größer sind die über die Nebenschlusswiderstände abfließenden Ströme.

Bild 7 Fotografische Aufnahme des Zündfu nkens : aufgenommen mit einer Highspeedkamera an

einem TrMsparenlmolor

1

Zündfunken

2

Kraftstoffspray

Entzündung des Gemischs

Zum Entzünden eines Luft-KraftstoffGemischs durch elektrische Funken ist pro Einzelzündung unter Idealbedingungen (z. B. in einer "Verbrennungsbombe") eine Energie von etwa 0,2 mJ erforderlich, sofern das Gemisch ruhend, homogen und stöchiometrisch zusammengesetzt ist. Fette und magere Gemische brauchen unter solchen Bedingungen über 3 mJ. Die Energie, die zum Zünden des Gemischs benötigt wird, ist nur ein Bruchteil der im Zündfunken steckenden Gesamtenergie, der Zündenergie. Bei herkömmlichen Zündanlagen sind zur Erzeugung eines Hochspannungsüberschlags im Zündzeitpunkt bei hohen Durchbruchspannungen Energien von über 15mJ notwendig. Zur Aufrechterhaltung einer bestimmten Funkendauer und zur Abdeckung von Verlusten, z. B. Nebenschluss an der Zündkerze durch Verschrnutzung, muss weitere Energie bereitstehen. So ergeben sich Zündenergien von wenigstens 30 ... 50 mJ. Das entspricht einer in der Zündspule gespeicherten Energie von 60 ... 120mJ. Turbulenzen im Gemisch, wie sie im Schichtbetrieb bei der Benzin-Direkteinspritzung auftreten, können den Zündfunken bis zum Abriss auslenken (Bild 7). Dann sind zur Zündung des Gemischs Folgefunken erforderlich, deren Energie ebenfalls in der Zündspule bereitgestellt werden muss. Bei mageren Gemischen ist eine besonders hohe Energie notwendig, um den erhöhten Zündspannungsbedarf decken zu können und gleichzeitig eine vorteilhaft lange Funkendauer zu gewährleisten, da die Zündneigung mit höherem Luftanteil im Gemisch abnimmt. Steht zu wenig Zündenergie zur Verfügung, kommt die Zündung des Gemischs nicht zustande. Das Gemisch kann dann nicht entflammen und es kommt zu Verbrennungsaussetzern.

Induktive Zündanlage

Aus diesem Grund muss so viel Zündenergie bereitgestellt werden, dass selbst unter ungünstigen äußeren Bedingungen das LuftKraftstoff-Gemisch mit Sicherheit entflammt. Dabei kann es ausreichen, wenn ein kleines Gemischvolumen vom Funken entzündet wird. Das entflammende Gemisch an der Zündkerze entzündet dann auch das übrige Gemisch im Zylinder und leitet so den Verbrennungsvorgang ein.

Einflüsse auf Zündeigenschaft Gute Aufbereitung und leichter Zutritt des Gemischs zum Zündfunken verbessern die Zündeigenschaft ebenso wie lange Funkendauer und große Funkenlänge bzw. großer Elektrodenabstand. Günstig wirkt sich auch eine Gemischturbulenz aus, vorausgesetzt, dass für eventuell benötigte Folgefunken genügend Energie zur Verfügung steht. Die Turbulenzen sorgen für eine schnellere Verteilung der Flammenfront im Brennraum und damit für eine schnellere Verbrennung des Gemischs im gesamten Brennraum. Auch die Verschrnutzung der Zündkerze ist von Bedeutung. Bei stark verschmutzten Zündkerzen fließt während der Zeit, in der die Hochspannung aufgebaut wird, Energie aus der Zündspule über den ZündkerzenNebenschluss (Ablagerungen) ab. Dies führt zu einer Reduzierung der Hochspannung und zu einer Verkürzung der Funkendauer mit Auswirkung auf das Abgas und im Grenzfall- bei stark verschmutzten oder nassen Zündkerzen - zu Zündaussetzern. Zündaussetzer führen zu Verbrennungsaussetzern, die den Kraftstoffverbrauch und die Schadstoffemissionen erhöhen und den Katalysator schädigen können.

185

Zündenergie, Zündzeitpunkt

Zündzeitpunkt Vom Augenblick des Zündfunkens bis zur vollständigen Gemischverbrennung vergehen etwa zwei Millisekunden. Bei gleicher Gemischzusammensetzung bleibt diese Zeit konstant. Mit steigender Drehzahl muss deshalb - bezogen auf den Kurbelwellenwinkel- immer früher gezündet werden. Bei geringer Zylinderfüllung ist das LuftKraftstoff-Gemisch weniger zündfähig. Dies bewirkt einen größeren Zündverzug, sodass der Zündwinkel weiter nach früh verstellt werden muss. Für eine bestmögliche Abgabe des Drehmoments muss der Zündwinkel so gewählt werden, dass der Verbrennungsschwerpunkt und damit die Druckspitze kurz nach dem oberen Totpunkt (OT) liegt, klopfende Verbrennungen aber vermieden werden (Bild 8). Im Schichtbetrieb (Benzin-Direkteinsprit zung) ist der Variationsbereich für den Zündzeitpunkt durch das Einspritzende und die notwendige Zeit zur Gemischaufbereitung während des Verdichtungstakts eingeschränkt.

Druckverlauf im Brennraum bei verschiedenen Zündwinkeln (Zündzeitpunkten)

BildS

750

SOO

Ｒｾｯￜｮ､ｷｫ･ｬ＠

ｾＵＰ＠

I

1

o

-50" -75

0

2

Zündung

z., Zu früh

(klopfende Verbren·

ｾ＠

ｾ＠

ZOndung Z. i m richtigen Zeitpunkt

nung) 3

Zündung

Z. zu spät

186

Zündspulen

Aufgabe

Zündspulen Die Zündspule ist diejenige Komponente der induktiven Zündanlage, welche aus der niedrigen Batteriespannung die für den Funkenüberschlag an der Zündkerze erforderliche Hochspannung erzeugt. Gespeist aus dem Gleichspannungsbordnetz liefert sie Zündimpulse für die Zündkerze mit der erforderlichen Hochspannung und Funkenenergie. Diese Komponente wurde im Laufe der Zeit immer weiter entwickelt und den gestiegenen Anforderungen an den Ottomotor angepasst.

Aufgabe Die zum Zünden des Luft-Kraftstoff-Gemischs erforderliche Hochspannung und Zündenergie muss vor dem Funkenüberschlag aufgebaut und gespeichert werden. Die Zündspule ist zugleich sowohl Transformator als auch Energiespeicher. Sie speichert die magnetische Energie in dem vom Primärstrom aufgebauten Magnetfeld

und setzt die Energie beim Abschalten des Primärstroms im Zündzeitpunkt frei. Die Zündspule muss genau auf die übrigen Komponenten (Zündungsendstufe, Zündkerze) des Zündsystems abgestimmt sein_ Wichtige Kenngrößen sind: • Die für die Zündkerze zur Verfügung stehende Funkenenergie WFU> • der zum Zeitpunkt des Funkenüberschlags an der Zündkerze eingeprägte Funkenstrom hu, • die Brenndauer des Funkens an der Zündkerze tFu und • eine für alle Betriebsbedingungen genügend hohe Zündspannung Uz. Bei der Auslegung des Zündsystems sind einerseits die Wechselwirkung der einzelnen Parameter des Systems mit der Zündungsendstufe, der Zündspule und der Zündkerze zu beachten, andererseits die Anforderungen des jeweiligen Motorkonzepts.

Haupttypen der Boseh-Zündspulen

Bild 1 Modul mit drei ElnzelfunkenZündspulen

2

Modul mit vier ElnzelfunkenZündspulen

3

ElnzelfunkenZündspule (KompakIZündspule)

4

EinzeifunkenZündspule (SI ab-

3

4

5

6

7

zündspule)

5

Zweifunken· Zündspule (ein Magnetkreis)

6

ZweifunkenZündspule mit zwei Magnetkreisen (vier Hochspannungsdome)

7

Modul mit zwei

Ein.zelfunken· ZOndspulen

1

I :>

ｾ＠

Zündspulen

Beispiele: • Um eine sichere Entflammung des Gemischs unter allen Bedingungen zu gewährleisten, benötigen Motoren mit Turboaufladung höhere Funkenenergien als Motoren mit Saugrohreinspritzung; den höchsten Energiebedarf haben Motoren mit Benzin -Direkteinspritzung. • Der Funkenstrom hat bei heutigen Zündkerzen einen untergeordneten Einfluss auf die Lebensdauer der Zündkerze. • Turbo- bzw. Kompressormotoren benötigen durchweg höhere Zündspannungen als Motoren ohne Aufladung. • Zur richtigen Auslegung des Arbeitspunkts (Primärstrom) müssen die Zündungsendstufe und die Zündspule aufeinander abgestimmt sein. • Die Verbindung zwischen Zündspule und Zündkerze muss unter allen Bedingungen (Spannung, Temperatur, Vibration, Medienbeständigkeit ) funktionssicher abgestimmt und ausgeführt sein. Einsatzgebiete

Mit der Batteriezündung, die sich in den 1930er-Jahren gegenüber der Magnetzündung durchsetzte, fand die Zündspule in Bosch-Zündsystemen ihre erste Anwendung. Seit dieser Zeit wurde sie immer weiter entwickelt und den verschiedenen Einsatzzwecken angepasst. Die Zündspule kommt in allen Fahrzeugen und Geräten mit induktiver Zündanlage zum Einsatz.

Aufgabe, Anforderungen

Anforderungen Der Schadstoffausstoß von Verbrennungsmotoren wird durch die Forderungen der Abgasgesetzgebung sehr stark begrenzt. Zündaussetzer und unvollständige Gemischverbrennungen, die einen drastischen Anstieg der HC-Emissionen verursachen, müssen deshalb unbedingt vermieden werden. Eine Voraussetzung dafür ist, dass die Zündspule immer und über die gesamte Lebensdauer hinaus eine hinreichend große Zündenergie bereitstellt. Diese Forderung stellte immer höhere Anforderungen an die elektrischen Eigenschaften der Zündspule, sodass diese Komponente des Zündsystems immer weiterentwickelt und verbessert werden musste. Neben diesen Anforderungen müssen auch die geometrischen und konstruktiven Gegebenheiten des Motors berücksichtigt werden. In früheren Zündsystemen mit rotierender Hochspannungsverteilung (Zündverteiler, (Asphalt- )Zündspule, Zündleitungen) war die Zündspule aufgrund der Montage am Motor oder bei Karosserieanbau in standardisierter Bauform ausgeführt. Eine Zündspule ist sowohl elektrisch als auch mechanisch und chemisch eine hoch beanspruchte Komponente im Fahrzeug, die wartungs- und störungsfrei über die gesamte Fahrzeuglebensdauer ihre Funktion erfüllen muss. Abhängig von der Einbausituation im Fahrzeug - häufig Direkteinbau im Zylinderkopf - sind folgende Einsatzund Betriebsbedingungen für heutige Zündspulen für die gesamte Fahrzeuglebensdauer maßgebend: • Einsatztemperaturbereich von --40 ... + 150°C, • Sekundärspannung bis zu 30000 V, • Primärstrom zwischen 7 und 15 A, • dynamische Schüttelbeanspruchung bis 50 g, • dauerhafte Beständigkeit gegen unterschiedliche Medien (Benzin, Öl, Bremsflüssigkeit usw.).

187

Zündspulen

188

Prinzipieller Aufbau und Arbeitsweise

Prinzipieller Aufbau und Arbeitsweise Funktionsprinzip Primär- und Sekundärwicklungen Die Zündspule (Bild 1, Pos. 3) arbeitet nach dem Prinzip eines Transformators. Auf einem gemeinsamen Eisenkern sind zwei Wicklungen aufgesetzt. Die Primärwicklung besteht aus dickem Draht mit wenigen Windungen. Ein Ende der Wicklung ist über den Zündschalter mit dem Pluspol der Batterie (1) verbunden (Klemme 15). Das andere Ende (Klemme 1) ist an die Zündungsendstufe (4) angeschlossen, die damit den Primärstrom schalten kann. Bis Ende der 1970er-Jahre wurden zum Schalten des Primärstromes noch Unterbrecherkontakte in den Zündverteilern verwendet, diese haben heute keine Bedeutung mehr. Die Sekundärwicklung besteht aus dünnem Draht mit vielen Windungen. Das übersetzungsverhältnis liegt allgemein zwischen 1:50... 1:150.

Prinzipieller Aulbau der Hochspannungserzeugung mit der Zündspule

KI.15

2

Aufbau de Magnetfeldes Sobald die Zündungsendstufe den Stromkreis der Primärspule schließt, entsteht in ihr ein Magnetfeld. Durch Selbstinduktion entsteht in dieser Spule eine Induktionsspannung, die gemäß der Lenz'schen Regel der Ursache - also dem Aufbau des Magnetfelds durch den Stromfluss in der Primärwicklung - entgegenwirkt. Aus diesem Grund erfolgt der Aufbau des Magnetfeldes in Abhängigkeit des Eisenquerschnitts und der Wicklung (Induktivität) verhältnismäßig langsam (Bild 2). Bleibt der Stromkreis geschlossen, wird der Primärstrom weiter zunehmen; ab einer bestimmten Höhe des Stromes tritt im Eisenkreis abhängig vom verwendeten ferromagnetischen Material eine magnetische Sättigung ein, die Induktivität nimmt ab und der Strom wird ab diesem Zeitpunkt stärker zunehmen. Die Verluste steigen dann innerhalb der Zündspule ebenfalls sehr stark an. Es ist daher sinnvoll, den Arbeitspunkt möglichst unterhalb der magnetischen Sättigung zu legen. Dies wird über die Schließzeit bestimmt.

Primärstromverlauf in der Zündspule

KI.4

Bild 1 1 2

Balte,ie EFU ·Diode (in der Zündspule integriert)

3

Zündspule mit Eisenkern, Primär·

und Sekundär·

1

T'V

3

wicklung 4

Zündungsendstule (altemativim

KI.4a

Motromc·Steuer·

gerät oder in der

Zündspule integriert) 5

Zündkerze

KI.I, K1.4, KI.4a, KI.15 Klemmenbezeich· nungen

zei!1

Zündspulen

r- lagnetisic rll ng kur ve und Hysterese Der Kern einer Zündspule besteht aus weichmagnetischem Material (im Gegensatz hierzu bestehen Dauermagnete aus hartmagnetischem Material). Charakteristisch für dieses Material ist die Magnetisierungskurve, die den Zusammenhang zwischen der magnetischen Feldstärke H und der Flussdichte B im Material angibt (Bild 3). Bei Erreichen der maximalen Flussdichte wird bei weiterer Erhöhung der Feldstärke nur noch eine sehr geringe Erhöhung der Flussdichte erreicht, die "Sättigung" tritt ein. Eine weitere Eigenschaft des Materials ist die Hysterese der Magnetisierungskurve. Diese charakterisiert eine Eigenschaft des Materials, dass bei Magnetisierung und Entmagnetisierung bei gleicher Flussdichte unterschiedliche Feldstärken notwendig sind. Je mehr dieses Hystereseverhalten ausgeprägt ist, desto höher sind die Eigenverluste des verwendeten Materials. Die von der Hysteresekurve eingeschlossene Fläche ist dann groß.

Magnetisierungskurve mit Hystereseschleife

lB9

Prinzipieller Aufbau und Arbeitsweise

lagnetk re is Das am häufigsten verwendete Material in Zündspulen ist Elektroblech und wird in unterschiedlichen Blechstärken und Qualitäten verarbeitet. Es wird je nach Anforderung kornorientiertes (höhere maximale Flussdichte, teuer) oder nicht kornorientiertes (geringere maximale Flussdichte) Material verwendet. Hauptsächlich werden Blechstärken von 0,3 ... 0,5 mm verarbeitet. Zur Reduzierung der Wirbelstromverluste werden voneinander elektrisch isolierte Blechlamellen eingesetzt. Die Lamellen werden gestanzt, zu "Stanzpaketen" gestapelt und verbunden; hiermit wird der notwendige Querschnitt und die geometrische Form gebildet. Um die elektrischen Leistungsdaten einer Zündspule bei definierter Geometrie zu erreichen, ist es notwendig, eine möglichst optimale Geometrie des Magnetkreises zu finden. Zur Erfüllung der elektrischen Anforderungen und zur Erhöhung der speicherbaren magnetischen Energie ist ein Luftspalt notwendig (Bild 4, Pos. 1). Der Luftspalt bewirkt eine Scherung des Eisenkreises. Das Eisenkreis einer Kompaktzündspule mit O · n ud I·Kem

Bild 3

t

t

Neukurve (Magnetisierungs·

kurve des ent· magnetisierten

2 3

Eisenkerns)

2

Hysteresekurve

He Koerzitivfeldstärke Remanenz

n.

4 Bild 4 1

luftspalI bzw.

2 3

I-Kern

Permanentmagnel

Magnetische Feldstärke f/

ｾ＠

>-

ｾ＠

=

Befestigungsbohrung

4

O ·Kern

190

Zündspulen

Prinzipieller Aufbau und Arbeitsweise

hat zur Folge, dass der Magnetkreis erst bei erheblich höheren Strömen in die magnetische Sättigung geht. Ohne Luftspalt würde diese Sättigung bereits bei geringen Strömen auftreten und bei weiterer Erhöhung des Stromes die gespeicherte Energie nur unwesentlich zunehmen (Bild 5). Wichtig in diesem Zusammenhang ist, dass im Luftspalt der weitaus größte Anteil der magnetischen Energie gespeichert wird. Bei der Entwicklung einer Zündspule wird eine für die geforderten elektrischen Daten geeignete Dimensionierung des Magnetkreises und des Luftspaltes über FEM-Simulation ausgelegt. Hierbei wird die Geometrie dahingehend optimiert, dass bei gegebenem Strom ein Maximum an speicherbarer magnetischer Energie ohne Sättigung des Magnetkreises erzielt wird. Mit den Anforderungen hinsichtlich Bauraumreduzierung, wie dies besonders bei Stabzündspulen gegeben ist, besteht die Möglichkeit, durch den Einbau von Permanentmagneten (Bild 4, Pos. 1) die speicherbare magnetische Energie zu erhöhen. Dabei wird der Permanentmagnet so gepolt, dass dieser ein dem magnetischen Feld der Wicklung entgegen gerichtetes Feld erzeugt. Diese Vormagnetisierung hat den Vorteil, dass in diesem Magnetkreis mehr Energie gespeichert werden kann. Scherung des Magnetkreises

t

""$

Bild 5

t

Hysterese bel Eisenkern ohne Luftspalt

2

Hysterese bei Eisenkern mit Luft.palt

/I. Aussteuerung bei Eisenkern

ii

n ｾ＠

:J

er: Ql

ｾ＠

.t:::

ｾ＠

[;J' E

t ｾ＠

ohne Luftspalt

11. Aussteuerung bei Eisenkern mit Luft.palt

magnetische Feldstärke H -

ｾ＠

:::>

=

Erze uge n der Hoch pannu ng Im Zündzeitpunkt schaltet die Zündungsendstufe den Spulenstrom ab. Das in diesem Moment schnell zusammenbrechende Magnetfeld induziert in der Sekundärwicklung die Sekundärspannung. Die Sekundärwicklung stellt physikalisch gesehen einen Schwingkreis, bestehend aus induktiven, kapazitiven und ohmsehen Komponenten dar. Das maximal erreichbare Spannungsniveau ist abhängig • vom Verhältnis der Windungszahlen von Primär- und Sekundärwicklung in Verbindung mit der Primärspannungsbegrenzung der Zündungsendstufe, • der Wicklungskapazität und der Kapazität zu benachbarten Bauteilen in der Zündspule, • der gespeicherten Energie, • der sekundären Last (z. B. Zündkerze) und der • Lamellierung des Eisenkreises. Einschaltfu nken Bei Einschalten des Primärstroms wird aufgrund der Änderung des Stromgradienten eine plötzliche magnetische Flussänderung im Eisenkern hervorgerufen. Dadurch wird in der Sekundärwicklung eine Spannung induziert. Sie hat eine gegenüber der induzierten Hochspannung beim Abschalten eine umgekehrte Polarität, da der Gradient der Stromänderung positiv ist. Da dieser Gradient im Verhältnis zum Gradienten bei Abschalten des Primärstroms sehr klein ist, ist die induzierte Spannung - trotz des großen Übersetzungsverhältnis der Windungszahlen - verhältnismäßig gering. Sie liegt im Bereich von 1...2 kV und ist unter Umständen ausreichend zur Funkenbildung und Entflammung des Gemischs. Zur Vermeidung von Motorschäden muss ein Funkenüberschlag (Einschaltfunke) an der Zündkerze ausgeschlossen werden. Bei der Rotierenden Hochspannungsverteilung wird dieser Einschaltfunke durch die vorgeschaltete Verteilerfunkenstrecke unterdrückt. Der Verteilerfingerkontakt steht zum

Zündspulen

Einschaltzeitpunkt nicht dem Verteilerkappenkontakt gegenüber. Bei der Ruhenden Spannungsverteilung mit Einzelfunken-Zündspulen verhindert die EFU-Diode (Einschaltfunkenunterdrückung) den Einschaltfunken (siehe Bild 1, Pos. 2). Bei Zweifunken-Zündspulen wird der Einschaltfunken durch die hohe überschlagsspannung der Reihenschaltung von zwei Zündkerzen ohne Zusatzmaßnahmen unterbunden.

Wärmeentwicklung in der Zünd pule Der Wirkungsgrad bzw. die verfügbare Sekundärenergie im Verhältnis zur gespeicherten Primärenergie liegt im Bereich von 50 ... 60 %. Hochleistungszündspulen für Spezialanwendungen erreichen unter gewissen Randbedingungen einen Wirkungsgrad bis zu 80 %. Die Energiedifferenz wird im Wesentlichen durch die ohmsehen Verluste in den Wicklungen, Ummagnetisierungsverluste und Wirbelstromverluste in Wärme umgesetzt. Eine zusätzliche Verlustwärmequelle kann eine in die Zündspule integrierte Endstufe darstellen. Im Halbleitermaterial wird durch den Primärstrom ein Spannungsfall hervorgerufen, der zu Verlustleistung führt. Ebenso wird durch das Schaltverhalten beim Abschalten des Primärstromes - v. a. bei "langsamen" Zündungsendstufen - eine nicht zu vernachlässigende Verlustenergie erzeugt. Hohe Sekundärspannungen werden üblicherweise durch die Primärspannungsbegrenzung (Klammerung) in der Endstufe begrenzt; hier wird ein Teil der in der Zündspule gespeicherten Energie (Klammerenergie) in der Endstufe zusätzlich als Verlustwärme abgegeben.

Prinzipieller Aufbau und Arbeitsweise

Kapazitive Last Die parasitären Kapazitäten der Zündspule, das Zündkabel, der Zündkerzenschacht, die Zündkerze und umgebende Motorkomponenten stellen eine zwar geringe, anbetracht der hohen Spannungen und Spannungsgradienten jedoch eine Kapazität mit erheblichem Einfluss dar. Durch die erhöhte Kapazität reduziert sich der Sekundärspannungsanstieg. Somit werden die in der Wicklung umgesetzten Wirkverluste größer, die Hochspannung wird geringer. Zur Zündung des Gemischs steht daher nicht die gesamte Sekundärenergie zur Verfügung.

unken energie Die für die Zündkerze zur Verfügung stehende elektrische Energie in der Zündspule wird als Funkenenergie bezeichnet. Sie ist ein wesentliches Auslegungskriterium einer Zündspule und bestimmt in Abhängigkeit der Wicklungsauslegung u. a. den Funkenstrom und die Funkenbrenndauer an der Zündkerze. Zur Gemischentflammung in Saug- und Turbomotoren sind Funkenenergien von 30 .. .50 mJ üblich. Für Motoren mit BenzinDirekteinspritzung ist zur sicheren Entflammung in allen Betriebspunkten des Motors eine höhere Funkenenergie (bis zu 100 mJ) notwendig.

191

192

Zündspulen

Prinzipieller Aufbau und Arbeitsweise

Arten von Zündspulen Einzelfunken-Zünds pu lc Bei Zündsystemen mit Einzelfunken-Zündspulen ist jeder Zündkerze eine Zündspule zugeordnet. Die Einzelfunken-Zündspule erzeugt pro Arbeitstakt einen Zündfunken. Deshalb ist bei diesen Systemen eine Synchronisierung auf die Nockenwelle erforderlich.

diesem Zündsystem keine Synchronisation mit der Nockenwelle erforderlich. Allerdings ist diese Zündspule nur für Motoren mit geradzahliger Zylinderzahl einsetzbar. Zum Zeitpunkt der überschneidung herrscht kein Kompressionsdruck im Zylinder und die überschlagsspannung an der Zündkerze ist daher sehr gering. Dieser "Stützfunke" benötigt daher nur sehr geringe Energien zum überschlag.

Zweifun ken-Z ündspulc

EinJachzündung (eine Zündkerze pro Zylinder) Die Zweifunken-Zündspule erzeugt für zwei Zündkerzen gleichzeitig eine Zündspannung. Die Verteilung auf die Zylinder erfolgt so, dass • das Luft-Kraftstoff-Gemisch des einen Zylinders am Ende des Verdichtungstakts gezündet wird, • der Zündfunke des anderen Zylinders in der Ventilüberschneidung am Ende des Ausstoßtakts fällt. Die Zweifunken-Zündspule erzeugt pro Kurbelwellenumdrehung bzw. zweimal je Arbeitstakt einen Funken. Deshalb ist bei Zundspulenbezelchnung bel Bos

Doppe/zündung Bei Zündsystemen mit zwei Zündkerzen pro Zylinder werden die von einer Zündspule erzeugten Zündspannungen auf zwei unterschiedliche Zylinder verteilt. Die Vorteile, die sich daraus ergeben sind • eine Reduzierung der Emissionswerte, • eine geringfügig höhere Leistung, • zwei Funken an unterschiedlichen Orten im Brennraum, • die Möglichkeit, durch eine zeitversetzte Zündung eine weichere Verbrennung zu erreichen, • gute Notlaufeigenschaften, falls eine Zündspule wegen eines Defekts ausfällt.

eh

Terminologie

xX Y

BeIspiele

(S)(E) ZS 1 L-I--Zündspule 1 Endstufe _

L _- -- - - -

L -_ _ __ _ _

Stabspule

ZS-P(E) Stabspule Ｈｭｾ＠

integ. ES)

2x2 ZS

Zündspule mit • 2 Magnetkreisen • 2 Funken pro Kreis .. . d.h .4 Hochspannungsdome

4x1 ZS

Modul mit 4 unabhängigen Einzelfunken-Zündspulen

neu: Pencil coil

Anzahl der Magnetkreise

U"" )

Niederspannung Zur Vereinfachung der

DehOilion der Typfami lien wurden bel Bosch folgende Bezeichnungen eingeführt

Endstufe -

ｉＨ

ｈｲｾ＠ Hochspannung (umgekehrte Polarität) oder Masse

Zündspulen

Ausführungen Bei den für Neuentwicklungen eingesetzten Zündspulentypen handelt es sich im Wesentlichen um • Kompaktzündspulen und • Stabzündspulen. Bei den im folgenden beschriebenen Varianten ist z. T. die Integration der Zündungsendstufe in das Gehäuse möglich. Kompaktzündspule

193

Ausführungen

prägnierharz unter Vakuum vergossen und anschließend ausgehärtet. Das ergibt • eine hohe mechanische Festigkeit, • einen guten Schutz vor Umwelteinflüssen und • eine hervorragende Isolation der Hochspannung. Abschließend wird der Silikonmantel auf den Hochspannungsdom aufgeschoben und fixiert. Nach abschließender 100 %- Prüfung auf alle relevanten elektrischen Daten ist die Zündspule einsatzbereit.

Aufbau Der Magnetkreis der Kompaktzündspule besteht aus dem 0- Kern und dem I-Kern (Bild 1), auf dem die Primär- und die Sekundärwicklungen aufgesteckt sind. Diese AnordAufbau der KompakIzündspule "'--_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _., nung wird in das Zündspulengehäuse eingebaut. Die Primärwicklung (mit Draht 8 bewickelter I-Kern) wird mit dem Primärsteckanschluss Ｒ Ｍ ｾ＠ elektrisch und mechanisch verbunden. Ebenfalls ver3 - - - - - - -'------ 9 Ｔ ＭＺ［ ｾ ｾ＠ bunden wird der WicklungsＵ Ｍ ｾＡＮ＠ '----------10 anfang der Sekundärwicklung (mit Draht be. .ｾ Ｍ Ｑ＠ wickelter Spulenkörper). Der zündkerzenseitige Anschluss 6 der Sekundärwicklung befin7 - --H det sich im Gehäuse und die elektrische Kontaktierung wird bei der Montage der Wicklungen hergestellt. ｾ Ｍ ＱＲ＠ Im Gehäuse integriert ist der Hochspannungsdom, der einerseits das Kontaktteil zur Zündkerzenkontaktieｾ ｾＭ ＱＳ＠ rung trägt und andererseits den Silikonmantel zur Isolation der Hochspannung zu außenliegenden Teilen und ｾ Ｍ ＱＴ＠ dem Zündkerzenschacht > aufnimmt. Nach dem Zusammenbau ｾ＠ der Bauteile wird das Innere ｾ＠ des Gehäuses mit einem Im-

I

Bild 1 1 Leilerpla11e 2 Endslufe

3 EFU -D,ode 4 Sekundärspulenkörper 5 Sekundärdrahl 6 Konlaklblech 7 Hochspannungsbolzen 8 Pnmärslecker 9 Pnmärdrahl 10 I·Kern 11

Permanentmagnet

12 O -Kern 13 Feder

14 S,l,konmanlel

194

Zündspulen

Ausführungen

ｗ･ｾ｢｡ｵＭ und COP-Variante Aufgrund der kompakten Bauweise der Zündspule ist der zuvor in Bild 1 dargestellte Aufbau möglich. Diese Bauart wird als COP bezeichnet (Coil on Plug). Die Zündspule wird direkt auf die Zündkerze montiert, sodass zusätzliche Hochspannungs-Verbindungskabel entfallen (Bild 2a). Damit ergibt sich eine geringere kapazitive Belastung des Sekundärkreises der Zündspule. Zusätzlich wird durch die Bauteilreduzierung die Funktionssicherheit erhöht (z. B. kein Marderverbiss der Zündkabel mehr möglich). Bei der selteneren Wegbauvariante werden die Kompaktzündspulen irgendwo im Motorraum mit Schrauben befestigt. Hierzu sind Befestigungsaugen oder ein zusätzlicher Halter vorgesehen. Die Hochspannungsverbindung wird über jeweils ein Hochspannungs-Zündkabel von der Zündspule zur Zündkerze bewerkstelligt. Grundsätzlich sind COP- und WegbauVarianten nahezu baugleich aufgebaut, die Wegbauvariante (Karosserieanbau) besitzt jedoch geringere Anforderungen hinsichtlich Temperatur- und Schüttelbeanspruchung.

Weitere Zündspulen-Bauarten ZS2x2 Die Rotierende Hochspannungsverteilung wurde Zug um Zug durch die Ruhende Spannungsverteilung ersetzt. Damit die Fahrzeughersteller auch bestehende Motoren auf die Ruhende Verteilung umrüsten konnten, bestand die Notwendigkeit nach einer geeigneten Lösung. Für eine einfache Umrüstung eines Motortyps auf die Ruhende Verteilung eignet sich die ZS 2x2 (Bild 3) bzw. ZS 3x2. Diese Zündspule enthält zwei bzw. drei Magnetkreise und erzeugt zwei Funken pro Kreis. Damit kann bei einem Vier- bzw. Sechszylindermotor der Zündverteiler ersetzt werden. Der Anpassungsaufwand beim Fahrzeughersteller ist aufgrund der flexiblen Montage im Motorraum gering, ein angepasstes Motorsteuergerät ist jedoch erforderlich. Bei dieser Lösung mit Wegbau-Zündspulen sind in den meisten Fällen allerdings Hochspannungs-Zündkabel erforderlich.

Zündspule 2x2 für die Umrüstung von Rotierender auf Ruhende Spannungsverteilung

Einzelfunken·Zündspulen

a

Bild 2 a

COP·Variante einer

Ei nzelfu nken· Kompaktzündspule

b

Wegbau,Varianle:

zwel Einzelfunken· Zündspulen Im Modul, Anschluss

der Zündkerzen über zwei Zündleitungen

1;;

>-

I

ｾ＠

::Ii :>

ｾ＠

:> ｾ＠

Zündspulen

ZS-Module Bei den Zündspulenmodulen sind mehrere Zündspulen in einem gemeinsamen Gehäuse zu einer Baugruppe zusammengefasst (Bild 4). Funktional gesehen bleiben diese Zündspulen voneinander unabhängig. Die Vorteile, die sich durch den Einsatz von Zündspulenmodulen ergeben, sind • eine vereinfachte Montage (nur ein Arbeitsgang für drei bzw. vier Zündspulen) mit • weniger Schraubverbindungen und • Anschluss mit nur einem Steckanschluss zum Motorkabelbaum sowie • Kosteneinsparungen durch die schnellere Montage und vereinfachten Kabelbaum.

Nachteilig sind • die Notwendigkeit einer motorspezifischen Geometrie des Moduls und • die Eignung nicht für alle, sondern nur für bestimmte Zylinderkopfausführungen.

Zündspulenmodule mit KompaktzUndspulen

195

Ausführungen

Stabzündspule

Die Stabzündspule ermöglicht eine bestmögliche Ausnutzung der Platzverhältnisse im Motorraum. Durch die zylindrische Bauform kann der Zündkerzenschacht als Montageraum mitbenutzt werden und ermöglicht eine bauraumoptimierte Anordnung im Zylinderkopf (Bild 5). Stabzündspulen werden immer direkt auf die Zündkerze montiert, daher sind keinerlei zusätzlichen Hochspannungs-Verbindungskabel erforderlich. Aufbau und Magnetkreis Stabzündspulen (auch als "Pencil Coil" bezeichnet) arbeiten wie Kompaktzündspulen nach dem selben induktiven Prinzip. Aufgrund der Rotationssymmetrie unterscheiden sie sich im Aufbau jedoch deutlich von Kompaktzündspulen. Der auffälligste Unterschied ist der Magnetkreis. Dieser besteht zwar aus den gleichen Materialien, der im Zentrum Einbau im Zündkerzenschacht: Grö6envergleich von Kompaktzündspule zur Stabzündspule

a

Bild 4 a ZS 3xlM b ZS 4xlM

Bild 5 1

KompaktzOndspule

2

StabzOndspule

3

Zylinderkopf

196

Zündspulen

Ausführungen

liegende Stabkern (Bild 6, Pos. 5) wird hier aus verschieden breit gestanzten Blechlamellen annähernd kreisrund gestapelt und paketiert. Der magnetische Kreis wird über das Rückschlussblech (9) als gerollte und geschlitzte Hülse - ebenfalls aus Elektroblech, teilweise aus mehreren Lagen - hergestellt. Im Gegensatz zu Kompaktzündspulen liegt die Primärwicklung (7) mit größerem Durchmesser über der Sekundärwicklung (6), dessen Spulenkörper gleichzeitig den Stabkern aufnimmt; hierfür sind konstruktive und funktionale Vorteile maßgebend.

2

- - - - -3

7 8 9 10 Bild 6

1 Steckanschlusss 2 Leiterplatle mit Zündungsendstufe

3 Permanentmagnet 4 Befestigungsarm

5 lamelherter Elektroblechkern (Stabkem)

6 Sekundärwicklung 7 Primärwicklung B Gehäuse 9 Rückschlussblech 10 Permanentmagnet 11

Hochspannungsdom

.

12 Silikonmantel 13 aufgesteckte

>

3

ｾ＠

Zündkerze

Zwischenräume sind mit Vergussmasse verfüllt

::> ｾ＠

Die kompakte Bauform der Stabzündspule lässt bei gegebener Geometrie hinsichtlich der elektrischen Auslegung nur eine sehr eingeschränkte Variation des Magnetkreises (Stabkern, Rückschlussblech) und Wicklungen zu. Um möglichst effizient die geometrischen und elektrischen Anforderungen zu erreichen, ist die Anwendung der FEMSimulation und weiterer rechnerunterstützter Tools eine unumgängliche Voraussetzung. Beim überwiegendem Anteil der Stabzündspulenanwendungen werden - aufgrund des eingeschränkten Bauraums - zur Erhöhung der Funkenenergie Permanentmagnete eingesetzt (siehe Abschnitt "Funktionsprinzip/Magnetkreis"). Die Kontaktierung der Zündkerze und der Anschluss an den Motorkabelbaum ist bei Stabzündspulen vergleichbar mit den Kompaktzündspulen. Varianten Stabzündspulen stehen für die verschiedenen Anwendungszwecke in mehreren Varianten zur Verfügung (z. B. unterschiedliche Durchmesser und Baulängen). Optional kann die Zündungsendstufe in das Gehäuse integriert sein. Ein häufig anzutreffender Durchmesser, gemessen am zylindrischen Mittelteil (Rückschlussblech bzw. Gehäuse), ist ca. 22 mm. Dieses Maß ist abgeleitet vom Bohrungsdurchmesser des Zündkerzenschachtes in einem Zylinderkopf mit Zündkerzen in Standardbauform und einer Schlüsselweite SW16. Die Länge einer Stabzündspule wird durch die Einbausituation im Zylinderkopf und die geforderten bzw. möglichen elektrischen Daten bestimmt. Einer Verlängerung des aktiven Teils (Transformator) sind wegen der Zunahme der parasitären Kapazitäten und Verschlechterung des Magnetkreises jedoch Grenzen gesetzt; es wird kein Optimum der elektrischen Daten mehr erreicht.

Zündspulen

-

197

Zündspulen-Geschichte

.-

Ein Relikt aus vergangener Zeit, aber immer noch im Einsatz: Die Asphaltzündspule (Bild) ist noch in einigen älteren Fahrzeugen zu finden . Die Asphaltzündspule besteht aus einem Becher (5) , in den Mantelbleche (7) für den magnetischen Rückschluss eingebaut sind. Die Sekundärwicklung (9) ist direkt auf den lamellierten Eisenkern (12) gewickelt und über den Kern elektrisch mit dem Mitteldom im Zündspulendeckel (3) verbunden . Da die Hochspannung auf dem Eisenkern liegt, muss dieser durch den Deckel und einen zusätzlich im Boden eingelegten Isolierkörper (11) isoliert sein . Die Primärwicklung (8) liegt außen über der Sekundärwicklung. Die sI olation und die mechanische Fixierung der Wicklungen erfolgt durch einen Verguss mit Asphalt.

Der isolierte Zündspulendeckel enthält

Aufbau der AsphaltzündspuleJ

symmetrisch zum Hochspannungsdom (Klemme 4) den Anschluss für die

KI. 4

Batteriespannung (Klemme 15) und die Verbindung zum Zündunterbrecher (Klemme 1). Die hauptsächlich in der Primärwicklung entstehende Verlustwärme wird über die Mantelbleche auf den Becher abgeleitet. Die breiten Befestigungsschellen (6) sorgen dafür, dass möglichst viel Wärme an die Karosserie abgeleitet wird . Die Asphaltzündspule verlor in den 1980er-Jahren für Neuprojekte immer

Hochspannungs· ansehluss auBen 2 Wiclcellagen mil

mehr an Bedeutung und wurde von der Kunststoffzündspu le abgelöst. FUr

Isolierpapier

den weltweiten Ersatzteilhandel wird

3 Isolierdeckel

diese Zündspulenbauform in Brasilien

(Zündspulendeckel)

immer noch gefertigt.

4 Hochspannungsanschluss intern über Federkontakt

5 Gehäuse (Becher) 6 Befestigungsscheite magnetisches

c

:b

ｾ＠

ｾ＠

8

=

Manleiblech

8 Primärwicklung

9 Sekundärwicklung 10 Vergussmasse (Asphalt)

11 Isolierkörper 12 Eisenkern

Zündspulen

198

Elektronik in der Zündspule

Elektronik in der Zündspule Bei früheren Konzepten war die Zündungsendstufe überwiegend als separates Modul ausgeführt und im Motorraum und bei Rotierender Verteilung auch an der Zündspule oder am Zündverteiler befestigt. Mit der Umstellung auf die Ruhende Spannungsverteilung und zunehmender Miniaturisierung der Elektronik wurden kompakte Zündungsendstufen als integrierte Schaltkreise, die in den Zündungssteuergeräten bzw. in den Motorsteuergeräten integriert werden konnten, entwickelt. Der ständig wachsende Funktionsumfang der Motorsteuergeräte (Motronic) und neue Motorkonzepte (z. B. mit Benzin-Direkteinspritzung) erfordern aufgrund der Thermik (Gesamtveriustieistung der Endstufen) und des Bauraums zunehmend die Auslagerung der Zündungsendstufen aus dem Steuergerät. Eine Möglichkeit ist die Integration in die Zündspule, u. a. mit der Möglichkeit einer kürzeren Primärleitungslänge und damit reduziertem Spannungsfall in der Zuleitung.

Aufbau Sowohl für die Kompakt- als auch die Stabzündspule ist die Integration der Endstufe im Gehäuse möglich. Bild 1 zeigt den Einbau in eine Stabzündspule. Das Endstufenmodul- teilweise mit zusätzlichen FunktioEinbau der Endstufe in einem SlablOndspulen· Gehäuse

Bild 1 1

Pnmärstecker

2 3

SMD·Bauteile EleklJon,k für Mehr·

4

funkenzündung und lonenslrommessung Kontaktierung für die Primärwicklung

5

SlablOndspulenTransformator

6 7

Belesl,gungsauge Endslute

nen - ist auf einer kleinen Leiterplatte aufgebaut. Wegen der begrenzten Abmessungen kommen SMD-Bauteile (Surface Mounted Device) zur Anwendung. Die Endstufentransistoren (7) sind in standardisierten TO-Gehäusen integriert und mit der Leiterplatte oder den Stromschienen verbunden. Zusätzliche Funktionen für Überwachungs-, Diagnose oder andere Funktionen (z. B. lonenstromsignalverstärkung, Mehrfunkenzündung usw.) sind optional in weiteren elektronischen Bauteilen integriert (3). Der Primäranschluss (1) ist direkt mit der Leiterplatte verbunden. Unterhalb der Leiterplatte befindet sich die Kontaktierung für die Primärwicklung der Zündspule (4).

Endstufen Die konventionellen Endstufen sind in BIPTechnik (Bosch Integrated Power, Bipolartechnologie) aufgebaut. Mit dem IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor, Mischform zwischen Feldeffekt- und Bipolartransistor) steht eine neue Technik zur Verfügung, die gegenüber den BIP einige Vorteile aufweist: • leistungslose (spannungsgesteuerte) statt stromgesteuerte Ansteuerung, • geringere Sättigungsspannung bei höherem Strom, • geringe Schaltzeiten, • höhere Klammerspannung möglich, • höhere Klammerenergie, • keine Stromregelung bzw. -begrenzung erforderlich, • höhere Dauerbetriebstemperatur. Dem Nachteil einer hohen Eingangsimpedanz des IGBT wird durch zusätzliche Beschaltung auf dem Chip entgegengewirkt; hierdurch wird die Störempfindlichkeit reduziert. Bestimmte Endstufen liefern z. T. Signale an das Steuergerät zurück, welches Fehler (Kurzschlüsse, Leitungsabfall) erkennt und auswertet. Einige Endstufen haben auch eine übertemperaturabschaltung integriert, um eine thermische Überlastung zu vermeiden.

Zündspulen

Mehrfunkenzündung (MFZ)

Die gespeicherte Energie kleiner Zündspulen reicht unter kritischen Gemischbedingungen nicht immer zur sicheren Entflammung aus. Zur bedarfsgerechten Steuerung der Zündenergie sind kostenaufwändige Lösungen bekannt (Dual Energy Ignition, Wechselstromzündung u.a.). Die Mehrfunkenzündung, MFZ (auch als Pulszugzündung, PZZ bezeichnet) stellt eine kostengünstige Lösung dar. Arbeitsweise Die Basis der Mehrfunkenzündung ist eine Spulenzündung mit kurzer Ladezeit (Bild 2). Der erste Zündfunke wird durch wiederholtes Ein- und Ausschalten der Endstufe zu einem Funkenband oder Pulszug, bestehend aus mehreren aufeinander folgenden Funken, erweitert. Die einzelnen Funken können durch ein frühes Nachladen abgebrochen werden. Während der Nachladephasen erfolgt keine Energieübertragung in die Zündkerze zur Entflammung des Gemischs. Die Einfunkenzündung (EFZ) hat folgende charakteristischen Kennzeichen: • Lange Aufladezeit, • ein einzelner Funke, • Funkendauer ist durch die gespeicherte Energie bestimmt, • ein Folgefunke ist über das Motronic-

IEll

Steuergerät nur bei sehr niedrigen Drehzahlen möglich. Die Mehrfunkenzündung ist gekennzeichnet durch • kurze Aufladezeiten und • ein Funkenband mit steuerbarer Dauer. Oberhalb einer gewissen Motordrehzahl ist die Ausgabe nur eines Funkens sinnvoll, da für einen zweiten Funken zu wenig Zeit zur Verfügung steht und der Motor in diesem Zeitraum bereits einige Winkelgrade weiter dreht. Ionenstrommessung

Nach Ausbrennen des Zündfunkens wird der Raum zwischen den Elektroden der Zündkerze ionisiert. Der Stromkreis - gebildet von einer Spannungsquelle, Zündkerze und Strommesseinrichtung (Bild 3) - wird geschlossen. Aus dem Stromverlauf lässt sich auf die Qualität der Verbrennung schließen. Eine Auswertung dieses Signals ist sehr aufwändig und erfordert einen beträchtlichen elektronischen und softwaretechnischen Zusatzaufwand. Die Detektierung einer klopfenden Verbrennung ist mit diesem System gut möglich. Weitere, detaillierte Analysen des Verbrennungsvorgangs sind in der Entwicklung.

Vergleich der Signalverläufe von Einfunkenzündung

I und Mehrfunkenzündung

Einfunkenzündung • lange Aufladezeit • ein einziger Funke • Funkdauer ist durch die gespeicherte Engergie bestimmt

Mehrfunkenzündung • kurze Aufladezeit • Funkenband mn steuerbarer Dauer

ｐｲｩｭ￤ｳｴｯ

ｾ＠

L-ｾ＠ Funkenstrom

'"

L--J "'---Primärstrom

AAAAA

L--...JUUUUL

Elektronik in der Zündspule

-

u

199

200

Zündspulen

Elektrische Parameter

Elektrische Parameter Induktivität

Die Induktivität wird bestimmt durch Material und Querschnitt des durchfluteten Magnetkreises, der Windungszahl und Geometrie der Kupferwicklung und dem Strom durch die Wicklung. Eine Zündspule besitzt eine Primär- und eine Sekundärinduktivität, wobei die Sekundärinduktivität um ein vielfaches höher als die Primärinduktivität ist. Kapazität

Man unterscheidet bei einer Zündspule Eigenkapazitäten und parasitäre Kapazitäten sowie Lastkapazitäten. Die Eigenkapazitäten werden im Wesentlichen durch innere Kapazitäten der Sekundärwicklung, abhängig vom Wicklungsaufbau, gebildet. Bei Stabzündspulen sind zusätzlich die geringen Isolationsabstände der Wicklungen zueinander und zum innen liegenden Stabkern von Bedeutung. Durch eine mit Simulationstools optimierte elektrostatische Auslegung der Zündspule werden die kapazitiven Verhältnisse soweit als möglich optimiert und somit die elektrischen Werte der Zündspule verbessert.

Die äußeren Lastkapazitäten werden durch die Einbausituation (z. B. metallischer Zündkerzenschacht), die Zündkerze und eventuell vorhandene HochspannungsVerbindungsleitungen bestimmt. Diese Bedingungen lassen sich meistens nicht beeinflussen und müssen durch geeignete Auslegung der Zündspule mit berücksichtigt werden. Gespeicherte Energie

Abhängig von der Auslegung einer Zündspule (Geometrie, Material des Magnetkreises, zusätzliche Magnete) und der verwendeten Zündungsendstufe lässt sich in einer Zündspule nur bis zu einer bestimmten Größenordnung magnetische Energie speichern. Bei weiterer Erhöhung des Primärstromes ist nur noch ein geringer Zuwachs der gespeicherten Energie möglich, die Verluste steigen hier jedoch überproportional an und würden in kurzer Zeit zur Zerstörung der Zündspule führen. Eine optimale Auslegung einer Zündspule liegt - unter Berücksichtigung aller Toleranzen - bei einem Arbeitspunkt knapp unterhalb der magnetischen Sättigung des Magnetkreises. Ohmscher Widerstand

Kenngrößen von Zündspulen 6,5 ... 9,OA

I, T,

Primärstrom Ladezeit

1,5".4,0 ms

U,

Sekundärspannung

29".35 kV

T",

Fu nkendauer

1,3... 2,0 ms

W'"

Fu nkenenergie

30 ... 50 mJ für Benzin·Direkt· einspritzung bis 100 mJ

1",

Funkenstrom

80".115 mA

R,

Ohmseher Widerstand

0,3".0,6

n

der Primärwicklung

R,

Ohmscher Widerstand

5 ...15 kfl

der Sekundärwicklung

N,

Windungszahl

t50 ... 200

der Primärwicklung

N, Tabelle 1

Windungszahl der Sekundärwicklung

8000.,,22000

Der ohmsche Widerstand der Wicklungen wird durch den temperaturabhängigen spezifischen Widerstand von Kupfer bestimmt. Der Primärwiderstand sollte für günstige Kaltstartbedingungen (reduzierte Batteriespannung) möglichst gering sein. Er liegt in der Größenordnung von wenigen hundert Milliohm. Der Widerstand der Sekundärwicklung liegt im Bereich von mehreren Kiloohm und wirkt sich nachteilig auf die Eigenverluste der Zündspule aus.

Zündspulen

Verlustleistung Die ohmschen Widerstände der Wicklungen, die kapazitiven Verluste und Ummagnetisierungsverluste sowie bauformbedingte Abweichungen vom idealen Magnetkreis bestimmen die Verluste in einer Zündspule. Bedingt durch einen Wirkungsgrad von 50...60% werden bei hoher Drehzahl verhältnismäßig hohe Verlustleistungen in Form von Wärme erzeugt. Durch die Wahl von verlustminimierten Auslegungen, geeigneten konstruktiven Lösungen und thermisch hochbelastbaren Materialien wird hier entgegen gewirkt. Windungsverhältnis Das Windungsverhältnis ist das rechnerische Verhältnis zwischen Primär- und Sekundärwindungszahl der Kupferwicklungen. Es liegt für Standardzündspulen in der Größenordnungvon 1:50... 1:150. Durch die Wahl eines geeigneten Windungsverhältnisses wird z. B. die Höhe des Funkenstroms und in gewissem Maße die maximale Sekundärspannung in Abhängigkeit von der Zündungsendstufe bestimmt. Hochspannungs-und Funkencharakteristik Eine ideale Zündspule erzielt eine möglichst hohe und laststabile Hochspannung mit sehr schnellem Spannungsanstieg. Dies garantiert unter betriebsrelevanten Bedingungen einen Funken an der Zündkerze und eine sichere Entflammung des Gemischs. Bedingt durch die realen Eigenschaften der Wicklungen, des Magnetkreises und der verwendeten Zündungsendstufe sind hier jedoch Grenzen gesetzt. Die Hochspannung ist so gepolt, dass die Mittelelektrode der Zündkerze negatives Potential gegenüber der Fahrzeugmasse aufweist. Die negative Polung wirkt einem Elektrodenverschleiß an der Zündkerze entgegen.

Elektrische Parameter

Dynamischer Innenwiderstand Eine weitere wichtige Größe ist der dynamische Innenwiderstand (Impedanz) der Zündspule, da er in Verbindung mit der inneren und äußeren Kapazität die Geschwindigkeit des Spannungsanstiegs mit bestimmt und damit ein Maß dafür ist, wie viel Energie aus der Zündspule über Nebenschlusswiderstände zum Augenblick des Funkendurchbruchs abfließen kann. Ein niedriger Innenwiderstand ist bei verschmutzten oder nassen Zündkerzen vorteilhaft. Der Innenwiderstand ist von der Sekundärinduktivität abhängig.

201

202

Zündspulen

Simulationsbasierte Entwicklung von Zündspulen

Simulationsbasierte Entwicklung von Zündspulen Bei der Entwicklung der Zündspule gelangt man aufgrund der immer höheren technischen Anforderungen an das Ende der mit "Trial and Error" -Methode erreichbaren Effizienz. Ein Ausweg ist der Einsatz von CAE bei der Produktentwicklung. Unter CAE (Computer Aided Engineering) versteht man den Sammelbegriff für Rechnerleistungen im Ingenieurbereich. Dieser beinhaltet sämtliche Aufgaben des CAD (Computer Aided Design) verbunden mit Berechnungsroutinen. Die Vorteile des CAE-Einsatzes sind: • Fundierte Entscheidungen in frühen Phasen der Entwicklung (auch ohne Prototyp), • Bestimmung erprobungswürdiger Muster und • besseres Verständnis der physikalischen Zusammenhänge. Bei der Entwicklung der Zündspule werden in unterschiedlichen Simulationsbereichen Berechnungsprogramme eingesetzt: • Strukturmechanik (mechanische und thermische Beanspruchungsanalysen), • Strömungsmechanik (Analyse von Formfüllvorgängen ), • Elektromagnetik (Analyse des elektromagnetischen Systemverhaltens ). Von besonderer Bedeutung bei der Entwicklung der Zündspule ist der Einsatz der elektromagnetischen Simulation. Hierbei wird zwischen geometrieorientierter Simulation und Verhaltenssimulation unterschieden. Bei der geometrieorientierten Simulation wird die Finite-Element-Methode (FEM) eingesetzt Hierbei wird ausgehend von einem CAD-Modell die Geometrie der Zündspule modelliert Diese wird mit entsprechenden Randbedingungen (Stromdichten, elektrische Potenzialen usw.) versehen und anschließend in ein FEM -Modell umgewandelt. Nach der überführung in ein Be-

rechnungsmodell und der Lösung der daraus abgeleiteten Gleichungssysteme können die analysierten Werte, die die gewünschten Aussagen über das Berechnungsproblem liefern, anschaulich dargestellt werden. Diese Methode erlaubt die rein virtuelle simulationsbasierte Auslegung der Zündspule am Rechner. Abhängig von dem Analyseziel kann hierbei die Geometrie der Zündspule optimiert werden (magnetische Optimierung des Eisenkreises, elektrostatische Optimierung elektrisch leitfähiger Konturen). Mit der Verhaltenssimulation ist es nun möglich, das elektrische Verhalten der zuvor geometrieorientiert analysierten Zündspule im Gesamtsystem - bestehend aus Zündungsendstufe, Zündspule und Zündkerze unter praxisrelevanten Bedingungen zu untersuchen. Diese Berechnungsmethode erlaubt die Ermittlung der Ausgangsdaten der Zündspule. Elektrische Größen wie Funkenenergie und Funkenströme sind somit berechenbar. Der Einsatz der elektromagnetischen Simulation ermöglicht die virtuelle Entwicklung von Zündspulen. Ausgehend von den Simulationsergebnissen sind somit Geometriedaten und Wicklungsauslegung definiert und es können Prototypen aufgebaut werden. Die elektrischen Werte dieser Zündspulenmuster reichen nahe an die Ergebnisse der Simulation. Die Anzahl der zeitintensiven Rekursionen, die sich im konventionellen Produktentstehungsprozess der Zündspulen ergeben, kann deutlich reduziert werden.

Zündspulen

Herstellung von Zündspulen Zündspulen werden bei Bosch in einem vollautomatisierten Herstellungsprozess gefertigt. Die folgende Übersicht zeigt den Ablauf. Thermopla tische pritzteile l. Primär- und Sekundärspulenkörper 2. Zündspulengehäuse 3. Primärstecker

203

Herstellung von Zündspulen

Endmontage l. Silikonmantel und eventuell weitere Teile Schlus prüfung 1. Überprüfung der elektrischen und mechanischen Kenngrößen 2. Beschriftung Verpackung und Ablieferung

Gestanzte und paketierles Elektroblech l. O-Kern und I-Kern (Kompaktzündspule) 2. Stabkern und Rückschlussblech (Stabzündspule) Gestanzte Verbindung teile l. Stromschienen 2. Kontaktteile Fertigungsschritte l. Umspritzen O-Kern (Gehäuse) und 1Kern (Primärspulenkörper) bzw. Stabkern (Primärspulenkörper ) 2. Wickeln Primär- und Sekundärwicklung (Bild 1) 3. Kontaktierung Sekundärdraht auf Kontaktteil 4. Montage der Einzelteile 4.1 Stromschienen und Primärstecker montieren 4.2 Primäranschluss mit Primärwicklung verbinden 4.3 Vormontierte Primärwicklung in Sekundärwicklung montieren 4.4 Hochspannungs-Kontaktteil in Gehäuse montieren 4.5 Stabzündspule: Rückschlussblech auf Gehäuse montieren 4.6 Komplette Wicklung in Gehäuse einsetzen Vergießen 1. Vorwärmen 2. Vakuumverguss 3. Aushärten

Bild 1 t

Draht (Dicke 0,05 mm, im Bild als dicker Strich dargestellt)

2

Drahtführe,

3

Spindel

4

Sekundärwicklung

5

Sekundärspulenkörper

6

Kontakttell

Bild 2 1

Zundspulenwlcklung

2

Zünd spulengehäuse

204

Zündkerzen

Aufgabe

Zündkerzen Die Zündung des Luft-Kraftstoff-Gemischs im Ottomotor erfolgt elektrisch. Die elektrische Energie wird der Batterie entnommen und in der Zündspule zwischengespeichert. Die in der Zündspule erzeugte Hochspannung bewirkt einen Funkenüberschlag zwischen den Elektroden der Zündkerze im Brennraum des Motors. Die in dem Funken enthaltene Energie entzündet das verdichtete Luft-Kraftstoff-Gemisch.

Aufgabe Aufgabe der Zündkerze ist es, beim Ottomotor die Zündenergie in den Brennraum einzubringen und durch den elektrischen Funken zwischen den Elektroden die Verbrennung des Luft-Kraftstoff-Gemischs einzuleiten.

Durch den Aufbau der Zündkerze muss sichergestellt sein, dass die zu übertragene Hochspannung immer sicher gegen den Zylinderkopf isoliert und der Brennraum nach außen abgedichtet wird. Die Zündkerze bestimmt im Zusammenwirken mit den anderen Komponenten des Motors, z. B. den Zünd- und Gemischaufbereitungssystemen, in entscheidendem Maße die Funktion des Ottomotors. Sie muss • einen sicheren Kaltstart ermöglichen, • über die gesamte Lebensdauer einen aussetzerfreien Betrieb gewährleisten und • sie darf bei längerem Betrieb im Bereich der Höchstgeschwindigkeit nicht überhitzen. Um diese Funktionen über die gesamte Lebensdauer der Zündkerze sicherzustellen, muss das richtige Zündkerzenkonzept schon sehr früh in der Entwicklungsphase der Motoren festgelegt werden. In Entflammungsuntersuchungen wird das optimale Zündkerzenkonzept hinsichtlich Abgasemission und Laufruhe bestimmt. Ein wichtiger Kennwert der Zündkerze ist der Wärmewert. Die Zündkerze mit dem richtigen Wärmewert verhindert, dass sie im Betrieb so heiß wird, dass von ihr thermische Entflammungen ausgehen und den Motor schädigen.

Zündkerzen

Anwendung Einsatzgebiete

Die Zündkerze wurde von Bosch im Jahr 1902 in Verbindung mit dem Magnetzünder zum ersten Mal in einem Pkw eingesetzt. Diese Komponente hat daraufhin einen unvergleichbaren Siegeszug in der Automobiltechnik angetreten. Die Zündkerze findet in allen von einem Ottomotor angetriebenen Fahrzeugen und Geräten Verwendung - sowohl für Motoren, die nach dem Zweitakt- als auch nach dem Viertakt -Verfahren arbeiten. Sie ist zu finden in • • • • • • •

Pkw, Nkw, Zweiräder (Motorrad, Motorroller, Mofa), Booten und Schiffen, Land- und Baumaschinen, Motorsägen, Gartengeräten (z. B. Rasenmäher) usw.

Die größten Stückzahlen entfallen auf den Pkw-Sektor, da in jedem Fahrzeug entsprechend der Motorzylinderzahl gleich mehrere Zündkerzen erforderlich sind. Die motorgetriebenen Geräte arbeiten wegen der geringeren Motorleistung in der Regel mit Einzylindermotoren und benötigen nur eine einzige Zündkerze. Im Nkw-Bereich kommen in Europa - zumindest für schwere Nkw - vorwiegend Dieselmotoren zum Einsatz, sodass in diesem Sektor der Bedarf an Zündkerzen gering ist. In den USA jedoch ist auch bei schweren Nkw der Ottomotor am verbreitetsten.

Anwendung

Typenvielfalt

1902 leisteten Motoren pro 1000 cm 3 Hubraum lediglich ca. 6 PS. Mittlerweile werden 100 PS erreicht, bei Rennmotoren sogar bis 300 PS. Der technische Aufwand für die Entwicklung und Herstellung von Zündkerzen, die solche Leistungen ermöglichen, ist enorm. Die erste Zündkerze musste 15 ... 25-mal pro Sekunde zünden. Eine heutige Zündkerze muss das 5fache leisten. Die obere Temperaturgrenze stieg von 600°C auf ca. 900 °C, die Zündspannung von 10 000 V auf bis zu 30000 V. Schließlich: während die Zündkerzen von heute mindestens 15000 km überstehen müssen, musste früher alle 1000 km zum Zündkerzenschlüssel gegriffen werden. Am Prinzip der Zündkerze hat sich in 100 Jahren wenig geändert. Trotzdem entwickelte Bosch im Lauf der Zeit mehr als 20000 verschiedene Typen, um der Motorenentwicklung gerecht zu werden. Aber auch das aktuelle Zündkerzenprogramm ist vielfältig. Es werden hohe Anforderungen an die Zündkerze bezüglich der • elektrischen und • mechanischen Eigenschaften sowie der • chemischen und • thermischen Belastbarkeit

gestellt. Neben diesen Anforderungen muss die Zündkerze auch an die geometrischen Vorgaben der Motorkonstruktion (z. B. Zündkerzenlage im Zylinderkopf) angepasst sein. Aufgrund dieser Anforderungen ist - hervorgerufen durch die unterschiedlichsten Motoren - eine Vielfalt von Zündkerzen erforderlich. Derzeit gibt es von Bosch mehr als 1250 verschiedene Zündkerzenvarianten, die im Handel und in den Kundendienstwerkstätten verfügbar sein müssen.

205

206

Zündkerzen

Anforderungen

Anforderungen Anforderungen an die elektrischen Eigenschaften

Beim Betrieb der Zündkerzen mit elektronischen Zündanlagen können Spannungen bis über 30000 V auftreten, die nicht zu Durchschlägen am Isolator führen dürfen. Die sich aus dem Verbrennungsprozess abscheidenden 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 SpanDruck· und Temperaturbeanspruchung der Zündkerze

Zweilaktmolor Taktphase

Über·

stromen

Veni:hten

Verbremeo Aussldlen Arbeiten

U.

Gastemp.

...12O°C

200... 400°C

200J... 2fIOOOC

500...

GasOuck

1 bar

5...8 bar

15...30 bar

1...3 bar

180" Ol

1200°C

270"

360" UT

Anforderungen an die mechanischen Eigenschaften

Die Zündkerze muss den im Verbrennungsraum periodisch auftretenden Drücken (bis ca. 100 bar) widerstehen, ohne an Gasdichtheit einzubüßen. Zusätzlich wird eine hohe mechanische Festigkeit besonders von der Keramik gefordert, die bei der Montage und im Betrieb durch den Zündkerzenstecker und die Zündleitung belastet wird. Das Gehäuse muss die Kräfte beim Anziehen ohne bleibende Verformung aufnehmen. Anforderungen an die chemische Belastbarkeit

Der in den Brennraum ragende Teil der Zündkerze kann bis zur Rotglut erhitzen 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

VIeIIakImoIor laktphase

Veni:hten

Verllrennen Ausstdlen u. Arbeiten

Gastemp.

300...

600°C

200J... 3OOO°C

GasOuck

8...15bar

3O... 50bar 1...5bar

Kolbenstellung

ｾｩ＠

KlJbeI. winkel

nungen keine überschläge durch den Isolator auftreten. Der elektrische Widerstand des Isolators muss bis zu 1000 oe hinreichend groß sein und darf sich über der Lebensdauer der Zündkerze nur wenig verringern.

0" Ol

180"

ur

1300.. 1600°C

360" Ol

Ansaugef1

... 120OC 0,9 bar

540"

ur

720" OT

9 UMZ03260

Während des Betriebs nimmt die Zündkerze in rascher Folge Wärme aus den heißen Verbrennungsgasen auf und wird kurz danach durch das angesaugte kalte Luft-KraftstoffGemisch abgekühlt. An die Beständigkeit des Isolator gegen "Thermoschock" werden deshalb hohe Anforderungen gestellt. Ebenso muss die Zündkerze die im Brennraum aufgenommene Wärme möglichst gut an den Zylinderkopf des Motors abführen; die Anschlussseite der Zündkerze sollte sich möglichst wenig erwärmen.

Zündkerzen

Aufbau Die wichtigsten Bestandteile einer Zündkerze sind (Bild 1) • Anschlussbolzen (1), • Isolator (2), • Gehäuse (3), • Dichtsitz (6) und • Elektroden (8,9).

207

Aufbau

Die Oberfläche der Isolator-Anschlussseite ist mit einer bleifreien Glasur überzogen. Auf der glatten Glasur haften Feuchtigkeit und Schmutz weniger gut, wodurch Kriechströme weitgehend vermieden werden.

Aufbau der ZQndkerze

Anschlussbolzen Der Anschlussbolzen aus Stahl ist im Isolator mit einer leitfähigen Glasschmelze, die auch die leitende Verbindung zur Mittelelektrode herstellt, gasdicht eingeschmolzen. Er hat an dem aus dem Isolator herausragenden Ende ein Gewinde, in das der Zündkerzenstecker der Zündleitung einrastet. Für Anschlussstecker nach ISO-/DINNorm wird entweder auf das Gewinde des Anschlussbolzens eine Anschlussmutter (mit der geforderten Außenkontur) aufgeschraubt, oder der Bolzen wird bei der Herstellung bereits mit einem massiven ISO-/DIN-Anschluss versehen. Isolator Der Isolator besteht aus einer Spezialkeramik. Er hat die Aufgabe, die Mittelelektrode und den Anschlussbolzen gegen das Gehäuse zu isolieren. Die Forderungen nach guter Wärmeleitfähigkeit bei hohem elektrischem Isoliervermögen stehen in starkem Gegensatz zu den Eigenschaften der meisten Isolierstoffe. Der von Bosch verwendete Werkstoff besteht aus Aluminiumoxid (Alz0 3), dem in geringem Anteil andere Stoffe zugemischt sind. Nachdem diese Spezialkeramik gebrannt ist, werden nicht nur die Forderungen nach mechanischer und chemischer Festigkeit erfüllt, sondern das dichte Gefüge sorgt auch für eine hohe Sicherheit gegen elektrische Durchschläge. Zur Verbesserung des Kaltwiederholstart verhaltens bei Luftfunken-Zündkerzen kann die Außenkontur des Isolatorfußes modifiziert werden, um ein günstigeres Aufheizverhalten zu erreichen.

3

4

. -....- _.-1- 5 ｾ

ｊ｟

Ｖ＠

Bild 1 1

Anschlussbolzen mit

Anschlussmutter

. --7

2

s I olator aus ａｉ

Gehäuse

4

Warmschrumpfzone

5

leolendes Glas

6

D,chtring (D,chIS'IZ)

7

Gewinde

8 ｾＭ

Ｍ

ＺＱ Ｐ Ｓｾ ｋ･ｲ｡ｭｩｫ＠

3

Ｙ＠

VerbundmlHel·

elektrode ＨｎｾｃｵＩ＠

9

Masseelcklrode (hIer als Verbundelektrode N,/Cu)

208

Zündkerzen

Aufbau

Gehäuse Das Gehäuse wird aus Stahl über einen Kaltumformungsprozess hergestellt. Aus dem Presswerkzeug kommt der Rohling schon mit seiner endgültigen Kontur und muss nur noch an einzelnen Stellen spanend be-

a

b

arbeitet werden. Der untere Teil des Gehäuses ist mit einem Gewinde (Bild 1, Pos. 7) versehen, damit die Zündkerze im Zylinderkopf befestigt und nach einem vorgegebenem Wechselintervall ausgetauscht werden kann. Auf die Stirnseite des Gehäuses werden - je nach Zündkerzenkonzept - bis zu 4 Masseelektroden aufgeschweißt. Zum Schutz des Gehäuses gegen Korrosion ist auf der Oberfläche galvanisch eine Nickelschicht aufgebracht, die in den Aluminiumzylinderköpfen ein Festfressen des Gewindes verhindert. Am oberen Teil des Gehäuses befindet sich ein Sechs- oder bei neueren Zündkerzenkonzepten auch ein Doppelsechskant zum Ansetzen des Schraubenschlüssels. Mit dem Doppelsechskant kann bei unveränderter Isolatorkopfgeometrie die Schlüsselweite reduziert werden. Dadurch wird für die Zündkerze weniger Platz im Zylinderkopf benötigt und der Motorenkonstrukteur ist freier in der Gestaltung der Kühlkanäle. Der obere Teil des Zündkerzengehäuses wird nach dem Einsetzen des Stöpsels (Isolator mit funktionssicher montierter Mittelelektrode und Anschlussbolzen) umgebördelt und fixiert diesen in seiner Position. Der anschließende Schrumpfprozess - induktive Erwärmung unter hohem Druck - stellt die gasdichte Verbindung zwischen Isolator und Gehäuse her und garantiert eine gute Wärmeleitung.

Dichtsitz

2

Bild 2 a

Flachdichtsitz mil

b

Dichlring Kegeldichlsitz ohne Dichlring

t 2

Dichtring kegelige Dichlfläche

Je nach Motorbauart dichtet ein Flach- oder Kegeldichtsitz (Bild 2) zwischen der Zündkerze und dem Zylinderkopf ab. Beim Flachdichtsitz wird ein Dichtring (1) als Dichtelement verwendet. Der Dichtring ist "unverlierbar" am Zündkerzengehäuse angebracht. Er hat eine spezielle Formgebung und dichtet bei Montage der Zündkerze nach Vorschrift dauerelastisch ab. Beim Kegeldichtsitz dichtet eine kegelige Fläche (2) des Zündkerzengehäuses ohne Verwendung eines Dichtrings direkt auf einer entsprechenden Fläche des Zylinderkopfs ab.

Zündkerzen

Elektroden

Beim Funkenüberschlag und dem Betrieb bei höherer Temperatur wird das Elektrodenmaterial so stark beansprucht, dass die Elektroden verschleißen - der Elektrodenabstand wird größer. Um die Forderungen nach bestimmten Wechselintervallen erfüllen zu können, müssen die Elektrodenwerkstoffe so konzipiert sein, dass sie eine gute Erosionsbeständigkeit (Abbrand durch den Funken) und eine gute Korrosionsbeständigkeit (Verschleiß durch chemisch-thermische Angriffe) aufweisen. Erreicht wird dies im Wesentlichen durch die Verwendung von hochtemperaturfesten Nickellegierungen. Miltelelektrode Die Mittelelektrode (Bild 1, Pos. 8) ist mit ihrem Kopf in der leitenden Glasschmelze verankert und zur besseren Wärmeableitung mit einem Kupferkern versehen. Bei "Longlife"-Zündkerzen dient die Mittelelektrode als Trägermaterial zur Aufnahme eines Edelmetallstifts, der über eine Laserschweißung dauerhaft mit der Basiselektrode verbunden wird. Darüberhinaus gibt es noch Zündkerzenkonzepte, bei denen die Elektrode nur aus einem dünnen PlatinDraht hergestellt und mit der Keramik eingesintert wird, um einen guten Wärmetransport sicherzustellen. Masseelektroden Die Masseelektroden (9) sind am Gehäuse befestigt und haben vorwiegend einen rechteckigen Querschnitt. Je nach Art der Anordnung unterscheidet man zwischen Dachund Seitenelektroden (Bild 3). Die Dauerstandfestigkeit der Masseelektroden wird durch deren Wärmeleitfähigkeit bestimmt. Die Wärmeableitung kann durch die Verwendung von Verbundwerkstoffen (wie bei den Mittelelektroden) zwar verbessert werden, aber letztendlich bestimmt die Länge und der Profilquerschnitt die Temperatur der Masseelektroden und damit deren Verschleißverhalten.

209

Aufbau

Ein stärkeres Masseelelektroden-Profil sowie mehrere Masseelektroden erhöhen die Standzeit der Zündkerzen.

Elektrodenformen

a

b

c

Bild 3

a b c

Dacheleklrode Sertenelektroden ｇｬ･ｴｦｵｮｫ

Ｇ ｚｮ､

ｾ＠

kerze ohne Masse·

elektrode (Spelialanwendung für Rennmotoren)

210

Zündkerzen

Eleklrodenwerksloffe

Elektrodenwerkstoffe Grundsätzlich leiten reine Metalle die Wärme besser als Legierungen. Andererseits reagieren reine Metalle - wie z. B. Nickelauf chemische Angriffe von Verbrennungsgasen und festen Verbrennungsrückständen empfindlicher als Legierungen. Durch Zulegierung von Mangan und Silizium wird die chemische Beständigkeit von Nickel vor allem gegen das sehr aggressive Schwefeldioxid (Schwefel ist Bestandteil des Schmieröls und des Kraftstoffs) verbessert. Zusätze aus Aluminium und Yttrium steigern darüber hinaus die Zunder- und Oxidationsbeständigkeit. Verbundelektroden

Die korrosionsbeständigen Nickellegierungen haben sich zur Herstellung von Zündkerzenelektroden durchgesetzt. Mit einem Kupferkern versehen kann die Wärmeableitung zusätzlich gesteigert werden, so dass diese Verbundelektroden den Forderungen nach hohem Wärmeleitvermögen und hoher Korrosionsbeständigkeit gerecht werden (Bild 1). Auch die Masseelektroden, die zur Einstellung des Elektrodenabstandes biegbar sein müssen, können aus einer Nickel-BasisLegierung oder einem Verbundwerkstoff bestehen. Bild 1

a

Mit Dachelektrode

b

mit Seltenelektroden

t

Leitendes Glas

Zündkerzen mit Verbundelektroden

----------1

a 2

LuftspalI

3

Isolatorfuß

4

Silbermittelelektroden

Silber weist unter allen Werkstoffen die höchste elektrische und thermische Leitfähigkeit aus. Es ist darüber hinaus chemisch außerordentlich beständig, sofern bleifreier Kraftstoff verwendet wird und der Werkstoff keiner hohen Temperatur in reduzierender Atmosphäre (fettes Luft-Kraftstoff-Gemisch) ausgesetzt wird. Eine erhebliche Steigerung der Warmfestigkeit wird durch Teilchenverbundwerkstoffe auf Silberbasis erreicht. Platinelektroden

Platin (Pt) bzw. Platinlegierungen weisen eine sehr gute Korrosions- und Oxidationsbeständigkeit sowie eine hohe Abbrandfestigkeit auf. Sie werden daher als Elektrodenwerkstoffe für "Longlife"-Zündkerzen eingesetzt. Bei einigen Zündkerzentypen wird der Pt-Stift bereits bei der Herstellung des Keramikkörpers in die Keramik eingefügt. In dem nachfolgenden Sinterprozess schrumpft die Keramik auf den Pt -Stift und fixiert diesen dauerhaft im Stöpsel. Bei anderen Zündkerzentypen werden die dünnen Pt-Stifte auf die Mittelelektrode aufgeschweißt (Bild 2). Die dauerstandfeste Verbindung wird bei Bosch mit einem kontinuierlich arbeitenden Laser hergestellt.

Lasergeschwei61e Stffte

b

Verbundmillel·

elektrode 5

Verbundmasse·

2

elekttode

6

Masseetektroden

Bild 2 t

Verbundelektrode

2

Laserschwetßnaht

3

Plallnst,ft

(N,fCu)

---- 3 ｾ＠

I :::>

=

Zündkerzen

Zündkerzen konzepte Die gegenseitige Anordnung der Elektroden und die Position der Masseelektroden zum Isolator bestimmt den Typ des Zündkerzenkonzeptes (Bild 1). Luflfunkenkonzept

Bei den Luftfunkenkonzepten ist die Masseelektrode so zur Mittelelektrode angestellt, dass der Zündfunke auf direktem Weg zwischen den Elektroden springt und das Luft-Kraftstoff-Gemisch entzündet, das sich zwischen den Elektroden befindet.

211

Zündkerzenkonzepte

Luftgleitfunkenkonzepte

Bei diesen Zündkerzenkonzepten sind die Masseelektroden in einem bestimmten Abstand zur Mittelelektrode und zur Keramikstirnseite angestellt. Dadurch ergeben sich zwei alternative Funkenstrecken, die beide Entladungsformen - Luftfunken und Luftgleitfunken - ermöglichen und unterschiedliche Zündspannungsbedarfswerte aufweisen. Je nach Betriebsbedingungen und Zündkerzenzustand (Zündkerzenverschleiß ) springt der Funke als Luft-oder als Luftgleitfunken.

Gleitfunkenkonzept

Durch die definierte Anstellung der Masseelektroden zur Keramik gleitet der Funke zunächst von der Mittelelektrode über die Oberfläche der Isolatorfußspitze und springt dann über einen Gasspalt zur Masseelektrode. Da für eine Entladung über die Oberfläche eine niedrigere Zündspannung benötigt wird als für die Entladung durch einen gleich großen Luftspalt, kann der Gleitfunke bei gleichem Zündspannungsbedarf größere Elektrodenabstände überbrücken als der Luftfunke. Dadurch entsteht ein größerer Flammenkern und die Entflammungseigenschaften werden deutlich verbessert. Gleichzeitig hat der Gleitfunke im Kaltwiederholstart eine reinigende Wirkung bzw. verhindert, dass sich auf der Isolatorstirnseite Ruß niederschlägt. Die Eigenschaften beim häufigen Starten des Motors bei niedriger Temperatur werden verbessert.

ZOndkerzenkonzepte

Bild 1 a

luflfunke

b

Gleilfunke

c

luhgleitfunke

212

Zündkerzen

Elektroden.b.t.nd (EA)

Elektrodenabstand (EA)

Bild ' Zündkerze mit

a

Dachelektrode

Der Elektrodenabstand ist die kürzeste Entfernung zwischen Mittel- und Masseelelektrode(n) und bestimmt u. a. die Länge des Funkens (Bild 1). Je kleiner der Elektrodenabstand ist, umso niedriger ist die Spannung, die benötigt wird, um einen Zündfunken zu erzeugen. Bei zu kleinem Elektrodenabstand entsteht nur ein kleiner Flammenkern im Elektrodenbereich. über die Kontaktflächen mit den Elektroden wird diesem wiederum Energie entzogen (Quenching), der Flammenkern kann sich nur sehr langsam ausbreiten. Im Extremfall kann die Energieabfuhr so groß sein, dass sogar Entflammungsaussetzer auftreten können. Mit zunehmendem Elektrodenabstand (z. B. durch Verschleiß der Elektroden) werden die Entflammungsbedingungen zwar verbessert, da die Quenchingverluste geringer sind. Der erforderliche Zündspannungsbedarf steigt aber an (Bild 2). Bei gegebenem Zündspannungsangebot der Zündspule wird die Zündspannungsreserve reduziert und die Gefahr von Zündaussetzern erhöht.

Bei Bosch-Zündkerzen ist der richtige Elektrodenabstand bereits ab Werk eingestellt.

Elektroden.bstand (EA)

EA

(Luftfunke) b

Zündkerze mit Seitenelektrode (Luftfunke oder Lu ftgleitfunke)

c

Gleilfunkenkerze

Bild 2 L'o Zündspannungs·

angebot

U;z Zündspannung U Zündspannung.reserve

Den genauen, für den jeweiligen Motor optimalen Elektrodenabstand ermittelt der Motorenhersteller aus verschiedenen Tests. Zunächst werden in charakteristischen Betriebspunkten der Motoren Entflammungsuntersuchungen durchgeführt und der minimale Elektrodenabstand ermittelt. Die Festlegung erfolgt über die Bewertung der Abgasemission, der Laufruhe und des Kraftstoffverbrauchs. In anschließenden Dauerläufen wird das Verschleißverhalten dieser Zündkerzen bestimmt und hinsichtlich des Zündspannungsbedarfs bewertet. Ist ein ausreichender Sicherheitsabstand zur Zündaussetzergrenze gegeben wird der Elektrodenabstand festgeschrieben. Er kann entweder der Betriebsanleitung oder den Zündkerzen-Verkaufsunterlagen von Bosch entnommen werden.

Zusammenhang zwischen Elektrodenabstand und Zündspannung

ｯ

________________ ｾ＠

0,4

0,6

0,8 1,0 1.2 Elektrodenabstand

ｾ＠

mm

0

! ｾ＠

:>

ｾ＠

Zündkerzen

Funkenlage Die Lage der Funkenstrecke relativ zur Brennraumwand definiert die Funkenlage (Bild la). Bei modernen Motoren (insbesondere auch bei BDE-Motoren) ist ein deutlicher Einfluss der Funkenlage auf die Verbrennung zu beobachten. Zur Charakterisierung der Verbrennung dient die Laufruhe des Motors, die wiederum über eine statistische Auswertung des mittleren indizierten Drucks beschrieben werden kann. Aus der Höhe der Standardabweichung bzw. des Variationskoeffizienten (cov = S/Pmi' 100 [%]) kann abgeleitet werden, wie gleichmäßig die Verbrennung abläuft. Diese Werte liefern auch Informationen, ob durch verschleppte oder aussetzende Verbrennungen der Motorlauf nachhaltig beeinflusst wird. Als Maß für die Laufgrenze ist für cov ein Wert von 5 % definiert. Bild 1 zeigt für zwei verschiedene Funkenlagen, wie sich die Laufruhe des Motors ändert, wenn das Luft -Kraftstoff-Gemisch abgemagert und/oder der Zündwinkel nach Früh oder Spät verstellt wird. Die Linien beschreiben konstante Laufruhewerte, der 5 %-Grenzwert ist blau hervorgehoben. Werte oberhalb dieser Kurve «5 %-Bereich) stehen für eine gute Laufruhe des Motors der Verbrennungsablauf der einzelnen Arbeitszyklen ist gleichmäßig und ohne größere Schwankungen. Werte unterhalb dieser Kurve (> 5 %-Bereich) beschreiben Laufunruhe für verschiedene Funkenlagen

Funkenlage

einen schlechteren Motorlauf - die Verbrennungen verlaufen nicht immer gleichmäßig, im Extremfall können schon einzelne Aussetzer oder verschleppte Verbrennungen auftreten. Aus dem Vergleich dieser beiden Diagramme kann abgeleitet werden, dass an diesem Motor mit einer tiefer in den Brennraum ragenden Funkenlage das Entflammungsverhalten spürbar verbessert wird, da der Zündwinkelbereich über der 5%-Linie größer wird und die Laufgrenze zu höheren Luftzahlen verschoben ist. Längere Masseelektroden führen allerdings zu höheren Temperaturen, was wiederum einen Anstieg im Elektrodenverschleiß zur Folge hat. Außerdem sinkt die Eigenresonanzfrequenz, was zu Schwingungsbrüchen führen kann. Daher erfordern vorgezogene Funkenlagen mehrere Maßnahmen, um die geforderten Standzeiten erreichen zu können: • Verlängerung des Zündkerzengehäuses über die Brennraumwand hinaus. Durch diesen Bund wird die Bruchgefahr der Elektroden reduziert. • Einbringen eines Kupferkerns in die Masseelektroden. Durch den direkten Kontakt des Kupfers mit dem Zündkerzengehäuse kann die Temperatur um ca. 70°C abgesenkt werden. • Einsatz von hochtemperaturfesten Elektrodenwerkstoffen.

213

Bild 1 a

Deflnilion der

Funkenlage I b

Diagramm fur

c

Diagramm für

1=3mm f=7mm

Vl

LInien geben Belnebs'

c

b

punkte mit konstanten an

Ｇ ｴｈｾｗ･ｲｮ＠

" ". ,

Ｌ ＮＧ ｲ ｾ ﾷ＠ 100 I%J Standard-

abweichung P'T'" mlUlerer IndiZierter

Druck 5 %·L,nre: Laufgrenze

1,1

1,2

1,0

Luftzahl J..

1,1

1,2

5%·B re ,eh schlechte Lautruhe

Zündkerzen

214

Wärmewert der Zündkerze

Wärmewert der Zündkerze Betriebstemperatur der Zündkerze

Arbeitsbereich Im kalten Zustand wird der Motor mit einem fetten Luft -Kraftstoff-Gemisch betrieben. Dadurch kann während des Verbrennungsvorgangs durch unvollständige Verbrennungen Ruß entstehen, der sich im Brennraum und auf der Zündkerze ablagert. Diese Rückstände verschmutzen den Isolatorfuß und bewirken eine mehr oder weniger leitfähige Verbindung zwischen Mittelelektrode und Zündkerzengehäuse (Bild 1). Dieser "Nebenschluss" leitet einen Teil der Zündenergie als "Nebenschlussstrom" ab und reduziert die zur Entflammung benötigte Energie. Mit zunehmender Verschmutzung steigt die Wahrscheinlichkeit, dass kein Zündfunke mehr zustande kommt. Die Ablagerung von Verbrennungsrückständen auf dem Isolatorfuß ist stark von dessen Temperatur abhängig und findet vorwiegend unterhalb von ca. soooe statt. Bei höherer Temperatur verbrennen die kohlenstoffhaltigen Rückstände auf dem Isolatorfuß, die Zündkerze "reinigt" sich also selbst. Bild 1

Nebenschluss bei verschmutztem Isolatorfuß

- .. Nebenschlussstr om

führt zu verringer1em Hochspannungsangebot

Man strebt deshalb eine Betriebstemperatur des Isolatorfußes an, die über der "Freibrenngrenze" von ca. soooe (für bleifreien Kraftstoff) liegt und schon kurz nach dem Start erreicht wird. Als obere Temperaturgrenze sollen ca. 900 oe nicht überschritten werden. Oberhalb dieser Temperatur unterliegen die Elektroden einem starken Verschleiß durch Oxidation und Heißgaskorrosion. Bei einem weiteren Anstieg der Temperaturen können Glühzündungen nicht mehr ausgeschlossen werden (Bild 2). Dabei entzündet sich das Luft-Kraftstoff-Gemisch an den heißen Zündkerzenteilen; diese unkontrollierten Zündungen können den Motor sehr stark belasten oder sogar zerstören. Thermi ehe Belastbarkeit Die Zündkerze wird im Motorbetrieb durch die bei der Verbrennung entstehenden Temperaturen erhitzt. Ein Teil der von der Zündkerze aufgenommenen Wärme wird an das Frischgas abgegeben. Der größte Teil wird über die Mittelelektrode und den Isolator an das Zündkerzengehäuse übertragen und an den Zylinderkopf abgeleitet (Bild 3). Die Betriebstemperatur stellt sich als GleichgeArbeitsbereich der Zündkerze

Bild 2 Zündker;ze mit

1100

passender W ärmekennzahl 2

1000

Zundkerze mit zu niedriger W ärm e-

kennz.hl l kalt e Zündkerze) 3

Zundkerze mit Zu

hoher W ärmekenn' zahl (heiße Zünd· kerze) Die Tempe'alur Im Arbellsberelch sollte bel

verschiedenen MOlorleistungen zWi schen

500 ...900 · C am Isolator liegen

ｾｏＭＱｯ

Ｅ＠ abgegebene ｍｯｴｾ･ｩｳｵｮｧ＠

I 5!

:::>

=

Zündkerzen

wichtstemperatur zwischen Wärmeaufnahme aus dem Motor und Wärmeabfuhr an den Zylinderkopf ein. Die Wärmezufuhr ist vom Motor abhängig. Motoren mit hoher spezifischer Leistung haben in der Regel höhere Brennraumtemperaturen als Motoren mit niedriger spezifischer Leistung. Die Wärmeabfuhr ist im Wesentlichen über die konstruktive Gestaltung des Isolatorfußes festgelegt. Die Größe der Isolatoroberfläche bestimmt die Wärmeaufnahme, über die Querschnittsfläche und die Mittelelektrode wird die Wärmeabfuhr beeinflusst. Die Zündkerze muss deshalb in Ihrem Wärmeaufnahmevermögen dem Motortyp entsprechend angepasst sein. Kennzeichen für die thermische Belastbarkeit der Zündkerze ist der Wärmewert.

Wärmewert und Wärmewertkennzahl Der Wärmewert einer Zündkerze wird relativ zu Kalibrierzündkerzen ermittelt und mit Hilfe einer Wärmewertkennzahl beschrieben. Eine niedrige Kennzahl (z. B. 2... 5) beschreibt eine "kalte Zündkerze" mit geringer Wärmeaufnahme durch einen kurzen Isolatorfuß. Hohe Wärmewertkennzahlen (z. B. 7... 10) kennzeichnen "heiße Zündkerzen" mit hoher Wärmeaufnahme durch lange Isolatorfüße. Um Zündkerzen verschiedenen Wärmewerts leicht unterscheiden und den entsprechenden Motoren zuordnen zu können, sind diese Kennzahlen Bestandteil der Zündkerzentypformel. Der richtige Wärmewert wird in Volllastmessungen ermittelt, da in diesen Betriebspunkten die thermische Belastung der Zündkerzen am höchsten ist. Die Zündkerzen dürfen im Betrieb nie so heiß werden, dass von ihnen thermische Entflammungen ausgehen. Mit einem Sicherheitsabstand in der Wärmewertempfehlung zu dieser Selbstentflammungsgrenze werden die Streuungen in der Motoren- und Zündkerzenfertigung abgedeckt und auch berücksichtigt, dass sich die Motoren in ihren thermischen Eigen-

215

Wärmewert der Zündkerze

schaften über der Laufzeit verändern können. So können z. B. Ölascheablagerungen im Brennraum das Verdichtungsverhältnis erhöhen, was wiederum eine höhere Temperaturbelastung der Zündkerze zur Folge hat. Wenn in den abschließenden Kaltstartuntersuchungen mit dieser Wärmewertempfehlung keine Ausfälle mit verrußten Zündkerzen auftreten, ist der richtige Wärmewert für den Motor bestimmt. Die unterschiedlichen Eigenschaften der Kraftfahrzeugmotoren hinsichtlich Betriebsbelastung, Arbeitsverfahren, Verdichtung, Drehzahl, Kühlung und Kraftstoff machen es unmöglich, mit einer Einheitszündkerze für alle Motoren auszukommen. Ein und dieselbe Zündkerze würde sich an dem einen Motor sehr stark erhitzen, in einem anderen Motor dagegen relativ niedrige Temperaturen annehmen.

Wärmeleitwege in der Zündkerze

Bild 3 Ein großer Anteil der aus dem Brennraum aufgenommenen Wärme wird durch Wärme-

leilung abgeführt (geringer Anleil der

Kühlung von ca. 20 % durch vorbeislrömendes Frischgemisch ist hier

nichl berücksichligl)

216

Zündkerzen

Anpassung von Zündkerzen

Ionenstrommessung

Anpassung von Zündkerzen Die für den Motor geeignete Zündkerze wird gemeinsam vom Motorenhersteller und von Bosch festgelegt. Temperaturmessung

Eine erste Aussage zur richtigen Zündkerzenauswahl gibt die Temperaturmessung mit speziell hergestellten Temperatur-Messzündkerzen (Bild 1). Mit einem Thermoelement (2) in der Mittelelektrode (3) lassen sich in den einzelnen Zylindern die Temperaturen in Abhängigkeit von Drehzahl und Last aufnehmen. Damit ist eine Sicherheit für die Anpassung der Zündkerze gewährleistet, aber auch auf einfache Art die Bestimmung des heißesten Zylinders und Betriebspunkts für die nachfolgenden Messungen möglich. Temperalur-MesszUndkerze

Mit dem Ionenstrom-Messverfahren von Bosch wird der Verbrennungsablauf zur Bestimmung des Wärmewertbedarfs des Motors herangezogen. Die ionisierende Wirkung von Flammen erlaubt über eine Leitfähigkeitsmessung in der Funkenstrecke, den zeitlichen Ablauf der Verbrennung zu beurteilen (Bild 2). Zum Zündzeitpunkt steigt der Ionenstrom sehr stark an, da durch den elektrischen Zündfunken sehr viele Ladungsträger in der Funkenstrecke vorhanden sind. Nachdem die Zündspule entladen ist, nimmt der Stromfluss zwar ab, durch die Verbrennung sind aber immer noch genügend Ladungsträger vorhanden, sodass der Verbrennungsvorgang weiterhin sichtbar bleibt. Wird parallel dazu der Brennraumdruck mit aufgenommen, ist eine normale Verbrennung mit einem gleichmäßigen Druckanstieg zu sehen, die Lage des Druckmaximimums liegt nach dem Zünd-OT. Wird bei diesen Messungen der Wärmewert der Zündkerze variiert, zeigt der Verbrennungsablauf charakteristische Veränderungen mit der thermischen Belastung einer Zündkerze in Abhängigkeit des Wärmewerts (Bild 4). Schall schema der lonenstrommessung

Bild 1 I

1901alor

2

Mantel· thermoelement

3

Milielelekirode

4

M ssstelle

2

ｾ＠

Bild 2 t

Hochspannung von

der Zündspule

2 Ionenstromadapter 2. K,ppd,ode 3 Zündkerze 4

Ionenstromgerät

5

Oszilloskop

5

4

ｾ＠

ｾ＠

3 ｾ＠

,:. :::>

1 ｾ＠

:b

g ｾ＠

ｾ＠:::>

Zündkerzen

Der Vorteil dieses Verfahrens gegenüber einer reinen Temperaturmessung im Brennraum liegt in der Ermittlung der Entflammungswahrscheinlichkeit, die nicht nur von der Temperatur, sondern auch von den konstruktiven Parametern des Motors und der Zündkerze abhängt.

Begriff definitionen Für die Wärmewertanpassung von Zündkerzen wurden entsprechend einer internationalen Übereinkunft Begriffe und Definitionen für die unkontrollierte Zündung von Luft -Kraftstoff-Gemischen festgelegt (ISO 2542 - 1972, Bild 3). Thermi che Entflammung Unter "Selbstzündung" (auto ignition) werden Zündungen des Luft-KraftstoffGemischs verstanden, die unabhängig vom Zündfunken und meistens an einer heißen Oberfläche entstehen (z. B. an der zu heißen Isolatorfußoberfläche einer Zündkerze mit zu hohem Wärmewert). Aufgrund Ihrer zeitlichen Lage relativ zum Zündzeitpunkt können diese in zwei Kategorien unterteilt werden.

217

Anpassung von Zündkerzen

Charakteristische lonenstram-Oszillogramme

a

270"

t

I

450·

270"

b

t

ｾ＠ Cl

270·

Begriffe IOr die Wärmewertanpassung

270· Bild 3

c

SZ Selbstzündung OT oberer Totpunkt VE Vorentllammung

ｾ＠

t

NE Nachentllammung WWR Wärmewertreserve in °KW

ZZP Zündze'lpunkt in 'KW vor OT

Cl

270"

450"

Ui

t

Bild 4

E

j

Zündwinkel

ｖ ｾ ｾ ｾＭ

ｾＭ

ｾＭ

ｾ＠

iｾ＠

aNormale Verbrennung b

Zündung mil Nach·

:::>

=

ausgetaslele entflammung

c

Vorentflammung

218

Bild 5 Zundkerzenauswahl: Fü r Kraftfahrer sind die

Vorschriften der Motorhersteller oder dIe Empfehlungen in den

Verkaufsunterlage n von Boseh bIndend. Bosch bietet für jeden Motor die optimale Zündkerze - S,e finden

sie In diesem Katalog

Zündkerzen

Anpassung von Zündkerzen

Nachentflammungen Die "Nachentflammungen" (post ignition) treten nach dem elektrischen Zündzeitpunkt auf, sind jedoch für den praktischen Motorbetrieb unkritisch, da die elektrische Zündung immer früher erfolgt. Um herauszufinden, ob durch die Zündkerze thermische Entflammungen eingeleitet werden, muss bei dieser Messung der elektrische Zündfunke unterdrückt werden. Beim Auftreten einer Nachentflammung steigt der Ionenstrom erst deutlich nach dem Zündzeitpunkt an. Da aber eine Verbrennung eingeleitet wird, ist auch ein Druckanstieg und damit eine Drehmomentabgabe zu registrieren (Bild 4 b).

ausgelöst werden, größer als bei Zündkerzen mit kürzeren Isolatorfüßen. Zur Auswahl des für den jeweiligen Motor korrekten Wärmewertes werden in Applikationsmessungen daher Zündkerzen mit verschiedenen Wärmewerten miteinander verglichen und ihre Neigung zu Nach- oder Vorentflammungen registriert. Anpassungsmessungen von Zündkerzen werden vorzugsweise auf dem Motorprüfstand oder am Fahrzeug auf dem Rollenprüfstand vorgenommen. Messfahrten zur Ermittlung des heißesten Betriebspunktes bei Volllast über längere Zeit auf öffentlichen Straßen sind aus Sicherheitsgründen nicht zulässig.

Vorentflammungen Die "Vorentflammungen" (pre ignition) treten vor dem elektrischen Zündzeitpunkt auf (Bild 4c) und können durch ihren unkontrollierten Verlauf zu schweren Motorschäden führen. Durch die zu frühe Verbrennungseinleitung verschiebt sich nicht nur die Lage des Druckmaximums zum OT, sondern auch der maximale Brennraumdruck zu höheren Werten. Damit steigt die Temperaturbelastung der Bauteile im Brennraum. Daher muss die Anpassung der Zündkerzen so erfolgen, dass keine Vorentflarnmungen auftreten.

Zündkerzenauswahl Ziel einer Anpassung ist es, eine Zündkerze auszuwählen, die vorentflammungsfrei betrieben werden kann und die eine ausreichende Wärmewertreserve besitzt. Das heißt, Vorentflammungen dürfen erst mit einer um mindestens zwei Wärmewertstufen heißeren Zündkerzen auftreten. Die vorstehenden Ausführungen verdeutlichen, dass Zündkerzen nicht beliebig ausgewählt und eingesetzt werden können. Vielmehr ist zur Auswahl geeigneter Zündkerzen eine enge Zusammenarbeit zwischen Motorund Zündkerzenhersteller üblich.

Auswertung der Messergebnisse Mit dem Bosch-Ionenstrom-Messverfahren können beide Typen sicher erfasst werden. Zur Detektion der Nachentflammungen muss jedoch der Zündfunke in gewissen Abständen unterdrückt werden. Die Lage der Nachentflarnmungen relativ zum Zündzeitpunkt sowie der prozentuale Anteil der Nachentflammungen zur Austastrate liefern Informationen über die Belastung der Zündkerze im Motor. Da Zündkerzen mit längeren Isolatorfüßen (heiße Zündkerzen) mehr Wärme aus dem Brennraum aufnehmen und die aufgenommene Wärme schlechter ableiten, ist die Wahrscheinlichkeit, dass mit diesen Zündkerzen Nachentflammungen oder sogar Vorentflammungen

Bosch Zondkerzenkat_al_o9 ::......_ _ _ _ _ _-I

Zündkerzen

1916

1917

1918

1947

1919

1948

1920

1949

1963

1976

1977

1921

1950

1922

1951

1923

1952

1964 1965 1966

1978

1979

!

1980

•

1924

1953

1967

1981

1911

1912

1913

1914

1925

1926

1927

1928 1929

1955

1956

1957

1954

1968 1969

1982

,

.L

100 Jahre Zündkerzen - Produklvielfall

'"

-

1996

1997

1983

1970

1984

J.

1915

1958

1971

1972 1973

1985

1986 1987

•

-

• >-

1988 1989

1990 1991

1992 1993

1994

1995

1998

1999

2000 20012002

I :::>

ｾ＠

219

Zündkerzen

220

Betriebsverhalten der Zündkerze

Betriebsverhalten der Zündkerze Veränderungen im Betrieb Aufgrund des Betriebs der Zündkerze in einer aggressiven Atmosphäre unter z. T. hohen Temperaturen entsteht an den Elektroden Verschleiß, der den Zündspannungsbedarf ansteigen lässt. Wenn der Zündspannungsbedarf vom Angebot der Zündspule nicht mehr gedeckt werden kann, kommt es zu Zündaussetzern. Weiterhin kann die Funktion der Zündkerze aber auch wegen alterungsbedingter Veränderungen im Motor oder durch Verschmutzung beeinträchtigt werden. Die Alterung des Motors kann Undichtigkeiten zur Folge haben, die wiederum einen höheren Ölanteil im Brennraum nach sich ziehen. Dies führt zu verstärkten Ablagerungen von Ruß, Asche und Ölkohle auf der Zündkerze, die Nebenschlüsse und damit Zünd-

a

0-1-- - - - - 2

b

Bild 1 Zundkerze mIt

b

Zündkerze mll

Dachelektrode

Seuenelektrodcn 1

M,ttelelektrode

2

Masseelektrode

Elektrodenverschleiß Unter Elektrodenverschleiß versteht man einen Materialabtrag an den Elektroden, der mit zunehmender Betriebsdauer den Elektrodenabstand merklich wachsen lässt. Verantwortlich dafür sind im Wesentlichen zwei Mechanismen: • Funkenerosion und • Korrosion im Brennraum. Flinkencrosioll und Korrosion Der überschlag elektrischer Funken führt zu einer Anhebung der Temperatur der Elektroden bis zu deren Schmelztemperatur. Die aufgeschmolzenen mikroskopisch kleinen Oberflächenbereiche reagieren mit dem Sauerstoff oder den anderen Bestandteilen der Verbrennungsgase. Die Folge ist ein Materialabtrag, der zu der Zunahme des Elektrodenabstands und des Zündspannungsbedarfs führt (Bild 1).

Verschleiß an Mi"el· und Masseelektroden

a

aussetzer bewirken können. Sind darüber hinaus den Kraftstoffen noch Additive zur Verbesserung der Klopfeigenschaften zugegeben, können sich Ablagerungen bilden, die unter Temperaturbelastung leitend werden und zu einem Heißnebenschluss führen. Die Folgen sind auch hier Zündaussetzer, die mit einem deutlichen Anstieg der Schadstoffemission verbunden sind und zur Schädigung des Katalysators führen können. Daher müssen die Zündkerzen regelmäßig ausgetauscht werden.

>-

;;; C'
4D

Zur Minimierung des Elektrodenverschleißes werden Werkstoffe mit hoher Temperaturbeständigkeit eingesetzt (z. B. Platin und Platinlegierungen) Aber auch durch geeignete Wahl der Elektrodengeometrie (z. B. kleinere Durchmesser, dünne Stifte) und des Zündkerzenkonzepts (Gleitfunken-Zündkerzen) kann der Materialabtrag bei gleicher Laufleistung reduziert werden. Der in der Glasschmelze realisierte ohmsche Widerstand verringert den Abbrand und trägt somit auch zu einer Verschleißminderung bei.

Zündkerzen

Anomale Betriebszustände Anomale Betriebszustände können den Motor und die Zündkerzen zerstören. Dazu gehören: • Glühzündung, • klopfende Verbrennung und • hoher Ölverbrauch (Aschebildung und Ölkohlebildung). Falsch eingestellte Zündanlagen sowie die Verwendung von Zündkerzen mit nicht zum Motor passendem Wärmewert oder die Verwendung ungeeigneter Kraftstoffe können Motor und Zündkerzen schädigen. Glühzünduilg Wegen örtlicher Uberhitzung im Volllastbetrieb können Glühzündung an folgenden Stellen entstehen: • an der Spitze des Isolatorfußes der Zündkerze, • am Auslassventil, • an vorstehenden Zylinderkopfdichtungen und • an sich lösenden Ablagerungen.

Betriebsverhalten der Zündkerze

221

Klopfende Verbren nu ng Unter Klopfen versteht man eine unkontrollierte Verbrennung mit sehr steilem Druckanstieg. Dieser entsteht wegen selbstzündenden Gemischteilen vor einer Flammenfront, die durch den elektrischen Funken eingeleitet wurde. Die Verbrennung läuft wesentlich schneller ab als die normale Verbrennung. Es treten Druckschwingungen mit hohen Spitzendrücken und hohen Frequenzen auf, die den normalen Druckverlauf überlagern (Bild 3). Durch die hohen Druckgradienten erfahren die Bauteile (Zylinderkopf, Ventile, Kolben und Zündkerzen) eine hohe Temperaturbelastung, die zu einer Schädigung einer oder mehrerer Bauteile führen kann. Das Schadensbild ähnelt dem bei Kavitationsschäden, die bei Strömungen mit Ultraschallgeschwindigkeit entstehen. Auswirkungen klopfender Verbrennungen sind bei den Zündkerzen zuerst an der Oberfläche der Masseelektrode in Form von Grübchenbildung zu erkennen.

Die Glühzündung ist ein unkontrollierter Entflammungsvorgang, bei dem die Temperatur im Brennraum so stark ansteigen kann, dass schwere Schäden am Motor und an der Zündkerze entstehen. Druckverlauf im Zylinder

Schadensbild einer durch starke. Klopfen geschädigten Masseelektrode

t Bild 3

Kurbelwellenwinkel

1

Be inormaler

2

Verbrennung bei Idopfende, Verbrennung

222

Zündkerzen

Ausführungen

Ausführungen Entsprechend der Vielfalt der Einsatzgebiete gibt es verschiedene Zündkerzenbauformen mit über 1400 Einzelvarianten für: • Pkw,

• • • • • •

Nkw, Zweiräder, Boote und Schiffe, Land- und Baumaschinen, Motorsägen, Gartengeräte usw.

SUPER Zündkerze SUPER Zündkerzen (Bild 1) repräsentieren den Großteil des Zündkerzenprogramms von Bosch und dienen als Basis für viele darauf aufbauende Zündkerzentypen und -konzepte. Für nahezu jede Anwendung gibt es eine geeignete Variante, die mit ihrem speziellen Wärmewertbereich dem jeweiligen Motor angepasst ist. Das Schnittbild der SUPER Zündkerze ist im Abschnitt "Aufbau" dargestellt (Bild 1). Die wesentlichen Merkmale der SUPER Zündkerze sind: Die SUPER Zündkerte von Boseh

Bild 1 1

VerbundMitlelelektrode mIt Ku pferkern

Bild 2 a

Dachelektrode

b

Dachelektrode und vorgezogener Funkenl,ge

e

Dachelektrode und Platin Mitlelelektrode

• eine Verbund-Mittelelektrode aus einer Nickel-Chrom-Legierung mit eingeschlossenem Kupferkern, • optional eine Verbund-Masseelektrode zur Reduzierung des Masseelektrodenverschleiß durch Absenken der maximalen Temperatur an der Elektrode und • ein bereits ab Werk für den jeweiligen Motor eingestellter Elektrodenabstand. Das Zündkerzengesicht ist je nach Anforderung unterschiedlich ausgeführt. Im Vergleich zur klassischen SUPER Zündkerze (Bild 2a) ist in Bild 2b eine aktuelle Variante dargestellt, die neben einer tiefer in den Brennraum ragenden Funkenlage eine optimierte Isolatorfußgeometrie besitzt und außerdem mit einer dünneren Mittelelektrode ausgeführt ist, um das Kaltwiederholstartverhalten zu verbessern. Die Variante in Bild 2c ist mit einem lasergeschweißten Edelmetallstift versehen, der nicht nur eine höhere Standzeit garantiert, sondern aufgrund seines geringen Durchmessers auch bessere Entflammungseigenschaften aufweist. Elektrodenformen der SUPER Zündkerte

Zündkerzen

SUPER 4 Zündkerze Au !bau Die SUPER 4 Zündkerze von Bosch unterscheidet sich von herkömmlichen SUPER Zündkerzen durch • vier symmetrisch angeordnete Masseelektroden (Bild 3), • eine versilberte Mittelelektrode und • einen bereits für die gesamte Nutzungsdauer eingestellten Elektrodenabstand

Arbeit weise Die vier Masseelektroden sind aus einem dünnen Profil gefertigt, um gute Entflammungseigenschaften sicherzustellen. Sie sind in einem definierten Abstand zur Mittelelektrode und zur Isolatorfußspitze angestellt, damit der Funke - abhängig von den Betriebsbedingungen - entweder als Luftfunken oder als Luftgleitfunken überspringen kann. Insgesamt ergeben sich acht mögliche Funkenstrecken. Welche dieser Funkenstrecke gewählt wird, ist normalerweise rein zufällig. Jleichmäßiger Elektrndenver hl iß Da die Wahrscheinlichkeit der Funkenausbreitung für alle Elektroden gleich ist, verteilen sich die Funken gleichmäßig über den Isolatorfuß. Dadurch ist auch der Verschleiß der Masseelektroden gleichmäßig auf alle vier Elektroden verteilt. Elektroden der SUPER 4 Zündkerze von Bosch

Ausführungen

223

\>\'ärmebcreich Die versilberte Mittelelektrode leitet die Wärme gut ab. Die Gefahr von Glühzündungen wegen Überhitzung wird dadurch geringer und der sichere Arbeitsbereich erweitert. Die SUPER 4 Zündkerze deckt damit mindestens zwei Wärmewertbereiche von herkömmlichen Zündkerzen ab. Damit können mit relativ wenigen Zündkerzentypen viele Fahrzeuge bei der Wartung nachgerüstet werden.

Zündkerzenwirkung grad Durch die dünn ausgeführten Masseelektroden der SUPER 4 Zündkerze wird dem Zündfunken weniger Energie entzogen, als dies bei herkömmlichen Zündkerzen der Fall ist. Der Zündkerzenwirkungsgrad steigt, denn dem Luft-Krafstoff-Gemisch steht für jede Zündung eine um bis zu 40 % höhere Zündenergie zur Verfügung (Bild 4). Entnammungswahr cheinlichkei t Mit zunehmendem Luftüberschuss (mageres Gemisch, A > 1) sinkt die Wahrscheinlichkeit, dass die an das Gas abgegebene Energie ausreicht, um das Gemisch sicher zu entflammen. In Laborerprobungen konnte mit der SUPER 4 Zündkerze das Gemisch noch mit A= 1,55 sicher entflammt werden, während mit der Standard-Zündkerze in diesem Bereichen mehr als die Hälfte aller Zündkerzenwirkungsgrad

ｯｾ＠

__ ｾ＠

__

Leerlauf -

ｾ＠

______ Teillast

-

Bild 4 ｾ＠

Voll last

1

HerkömmlIche Zündker2e

2

SUPER 4 Zünd· kerze von Bosch

224

Zündkerzen

Ausführungen

Zündungen nicht zur Verbrennungseinleitung ausreichte (Bild 5). Verhalten bei Kaltstarts Durch die Gleitfunkenbildung erfolgt die Selbstreinigung auch bei niedrigen Temperaturen. Dadurch sind bis zu dreimal mehr Kaltstarts möglich als mit herkömmlichen Zündkerzen (Starten ohne den Motor warmzufahren ).

Umwclt- und Kataly atorschutz Das verbesserte Kaltwiederholstartverhalten und die größere Entflammungssicherheit auch in der Warmlaufphase senken den Anteil an unverbranntem Kraftstoff und mindern dadurch die He-Emissionen. Vorteile Die SUPER 4 Zündkerze hat gegenüber herkömmlichen Zündkerzen folgende verbesserte Eigenschaften: • größere Entflammungssicherheit durch acht mögliche Funkenstrecken, • Selbstreinigung durch Gleitfunkentechnik und • erweiterter Wärmewertbereich.

Platin+4 Zündkerze

Aufbau Die Platin+4 Zündkerze (Bild 6) ist eine Gleitfunken-Zündkerze für längere Wechselintervalle und unterscheidet sich von herkömmlichen Zündkerzen durch • vier symmetrisch angeordnete Masseelektroden mit Doppelbiegung (9), • eine eingesinterte dünne Mittelelektrode aus Platin (8), • einen geometrisch verbesserten Kontaktstift (7) aus einer speziellen Legierung, • eine Isolatorkeramik (2) mit hoher Durchschlagsfestigkeit und • eine funktionell verbesserte Form des Isolatorfußes.

Aufbau der Platin+4 Zündkerze

--------1

Ｇ ａ ＬＮ ｾｉＬＭ

Ｍ

Ｍ

2

Bild 5 Herkömmliche

Einfluss der Gemischzusammensetzung auf die Entflammungswahrscheinlichkelt

Zündkerze

2

SUPER 4 Zünd' kerze von Bosch

3 ｄ

.1 :

Bild 6 Ansch lussbolzen

2

Isolator

3

Gehäuse

4

Warmschrumplzone

5

Olchtnng

6

Glasschmelze

7

Kontaktstift

8

Plat,nst,1I (M,ttelelektrode)

9

Masseelektroden

abgebildet)

Ｔ＠

ｾ＠

--1.; --

5

:;-;-r+-- - 6

.r:. tU

ｾ＠

"""ff:;r-- - 7

c E E tU ;;; c w

"

o

i..

1,9

ｾ＠ :::>

(nur zwei der

vier Elekt roden

ｾ Ｍ

j!

-'= .\1

ｾ＠

·,Wi'h( ; - - - - 8

'----- 9

Zündkerzen

A rbeit weise

Entflammungssicherheit Der sehr große Elektrodenabstand (EA) von 1,6 mm verschafft der Platin+4 Zündkerze eine hervorragende Entflammungssicherheit. Außerdem sind die vier Masseelektroden im Brennraum des Motors so günstig angeordnet, dass keine "Ab deckung" des Zündfunkens erfolgt. Dadurch kann sich der Flammenkern nahezu unbehindert in den Brennraum ausbreiten und das gesamte Luft-Kraftstoff-Gemisch vollständig entflammen.

Kaltwiederholstarteigenschaften

Ausführungen

225

Der Vergleich in Bild 7 zeigt, dass der geringe Elektrodenverschleiß der Platin+4 Zündkerzen während einer Motorlaufzeit von 800 h auf einem Motorprüfstand (entspricht über 100000 km im realen Fahrbetrieb ) zu einer weit geringeren Zunahme des Zündspannungsbedarfs führt als bei herkömmlichen Zündkerzen. Die Bilder 8 und 9 zeigen zusätzlich die "Zündkerzengesichter" der Platin+4 Zündkerze im Neuzustand und nach einer Motorlaufzeit von 800 h, wobei der geringe Elektrodenverschleiß nach Dauerlaufende deutlich erkennbar ist. Kerzengesicht einer Platin+4 Zündkerze Im Neuzustand

Die Kaltwiederholstarteigenschaften sind durch das Gleitfunkenprinzip gegenüber Zündkerzen mit Luftfunken deutlich verbessert.

Elektrodenverschleiß Beim Elektrodenverschleiß ergeben sich Vorteile, da sowohl der abbrandfeste Platinstift der Mittelelektrode als auch der verbesserte Werkstoff der vier Masseelektroden zu den hohen Standzeiten beiträgt. Auch der ohmsche Widerstand in der Glasschmelze vermindert die kapazitive Entladung, sodass die Funkenerosion ebenfalls vermindert wird

Kerzengesicht einer Platin+4 Zündkerze nach BOa Stunden Motorlau!zeit

Zunahme des Zündspannungsbedarfs während der Motoriau!zeit

ｷｲＭ

ｾＭ

ＭＮ＠

l "M_........... o

200

ｍｯ

400

ｴｯｾ｡

ｵｦｺ

･ｩ

ｴ＠

Bild 7

o 600

600 h

ｾ＠ j :::>

GD

1

Zündkerze mit Lu!tfunken

(EA = O,7 mm) 2

Platin+4 Zündkerze mIt GleItfunken

(EA= l ,6mm)

226

Zündkerzen

Ausführungen

Vorteile der Plati n+4 Zündkerze Die Platin+4 Zündkerze zeichnet sich durch verschiedene Eigenschaften aus, die sie besonders für Langzeitanwendungen geeignet macht: • Hohe Elektroden- und Keramikstandzeiten verlängern die Zündkerzenwechselintervalle bis zu 100000 km, • höhere Anzahl von möglichen Startwiederholungen bei Kälte, • sehr gute Entflammungseigenschaften und daher eine entscheidend verbesserte Laufruhe des Motors.

Zündkerzen für direkteinspritzende Ottomotoren

Im Gegensatz zu den Saugrohreinspritzmotoren entsteht bei diesen Motoren eine ausgeprägte Ladungsbewegung in Form eines Swirl oder Dralls, mit der das LuftKraftstoff-Gemisch zu der Zündkerze transportiert wird. Da sich die Strömung in Betrag und Richtung in unterschiedlichen Betriebspunkten ändert, ist eine tief in den Brennraum ragende Funkenlage für die Entflammung sehr vorteilhaft. Nachteilig wirkt sich diese aber auf die Temperatur der Masseelektrode aus, so dass Maßnahmen ergriffen werden müssen, um die Temperatur abzusenken. Durch eine Verlängerung des Gehäuses kann die Länge der Masseelektroden und damit deren Temperatur wieder reduziert werden, so dass damit tragfähige Konzepte darzustellen sind. Je nach Brennverfahren kommen sowohl Luftfunken- als auch Gleitfunkenkerzen zum Einsatz (Bild 10).

Zündkerzen für direkteinspritzende OUomotoren

a

Bild 10

a

Gleilfunkenzündkerze ohne Edelmetall

b

Gleilfun kenzündkerze mit Platin-

Mitteleleklrode c

Luftfunkenzündkerze mit Platin auf der

Mitteleleklrode

b

c

Zündkerzen

Spezialzündkerzen

Anwendung Für besondere Anforderungen werden Spezialzündkerzen eingesetzt. Diese unterscheiden sich im konstruktiven Aufbau, der von den Einsatzbedingungen und den Einbauverhältnissen am Motor bestimmt wird. Zündkerzen im Motor port Motoren für Sportfahrzeuge sind wegen des ständigen Volllastbetriebs hohen thermischen Belastungen ausgesetzt. Zündkerzen für diese Betriebsverhältnisse haben meist Edelmetallelektroden (Silber, Platin) und einen kurzen Isolatorfuß. Die Wärmeaufnahme dieser Zündkerzen ist durch den Isolatorfuß sehr gering, die Wärmeabfuhr durch die Mittelelektrode hoch (Bild 11). Zündkerzen mit Widerstand Durch einen Widerstand in der Zuleitung zur Funkenstrecke der Zündkerzen kann die Weiterleitung der Störimpulse auf die Zündleitung und damit die Störabstrahlung ver-

Ausführungen

227

ringert werden. Durch den geringen Strom in der Bogenphase des Zündfunkens wird auch die Elektrodenerosion verringert. Der Widerstand wird durch die Spezialglasschmelze zwischen Mittelelektrode und Anschlussbolzen gebildet. Der notwendige Widerstand der Glasschmelze wird durch entsprechende Zusätze erreicht. Vollge chirmte Zündkerzen Bei sehr hohen Ansprüchen an die Entstörung (Funkgeräte, Autotelefon) kann eine Abschirmung der Zündkerzen notwendig sein. Bei vollgeschirmten Zündkerzen ist der Isolator mit einer Abschirmhülse aus Metall umgeben. Der Anschluss befindet sich im Innern des Isolators. Die abgeschirmte Zündleitung wird mit einer überwurfmutter auf der Hülse befestigt. Vollgeschirmte Zündkerzen sind wasserdicht (Bild 12).

Vollgeschirmte Zündkerze

Zündker1e für Motorspor1

Ｑｾ

ｫ［Ａ

Ｍ

Ｓ＠

11- - - - 2

Bild 11 , Silber· Miltelelektrode 2

kurzer Isolator

Bild 12

....5"- - - 2

1

Spezialglasschmelze (Entstörwiderstand)

2

Zündkabelanschluss

3

AbschirmhiJlse

228

Zündkerzen

Typtarmel tür Zündkerzen

Typformel für Zündkerzen Die Kennzeichnung der Zündkerzentypen wird durch eine Typformel festgelegt (Bild 1). In der Typformel sind alle Zünd-

ｂ

ｾＮＷＢＬ＠

ｃ

］ＢｾＰＵＬ＠ ｅ

ｾＢ＠

s ... ｏｩｯｾＬＢＧ＠

Sbform 0 .... Ftriuriag9 A odal B

000IgI1O,9""

kerzenmerkmale enthalten - mit Ausnahme des Elektrodenabstands. Dieser wird zusätzlich auf der Verpackung angegeben. Die für den jeweiligen Motor passende Zündkerze ist vom Motorhersteller und von Bosch vorgeschrieben bzw. empfohlen.

Zündkerzen

S imulationsbasierte Entwicklung von Zündkerzen Die Finite-Element-Methode (FEM) ist ein mathematisches Näherungsverfahren zur Lösung von Differenzialgleichungen, die das Verhalten von physikalischen Systemen beschreiben. Die Struktur wird dazu in einzelne Bereiche (finite Elemente) unterteilt. FEM wird bei der Zündkerze zur Berechnung von Temperaturfeldern, elektrischen Feldern und strukturmechanischen Problemstellungen genutzt. Geometrie- und Werkstoffänderungen an der Zündkerze, oder auch unterschiedliche physikalische Randbedingungen und deren Auswirkungen, können ohne aufwändige Versuche vorab bestimmt werden. Dies ist die Basis für eine gezielte Herstellung von Versuchsmustern, mit denen die Verifizierung der Berechnungsergebnisse exemplarisch erfolgt. Temperaturfeld

Entscheidend für den Wärmewert der Zündkerze sind die maximalen Temperaturen des Keramikisolators und der Mittelelektrode im Brennraum. Bild la zeigt beispielhaft das axialsymmetrische Halbmodell einer Zündkerze und einen Ausschnitt des Zylinderkopfs. Anhand der farbig dargestellten Tem-

a

229

Simulationsbasierte Entwicklung von Zündkerzen

peraturfelder ist ersichtlich, dass die höchste Temperatur an der Spitze des Keramikisolators auftritt. Elektrisches Feld

Zum Zündzeitpunkt soll die angelegte Hochspannung zum Funkenüberschlag an den Elektroden führen. Funkendurchschläge in der Keramik oder das Ableiten des Funkens über den Keramikisolator zum Zündkerzengehäuse können zu verschleppten Verbrennungen oder Entflammungsaussetzern führen. Bild Ib zeigt ein axialsymmetrisches Halbmodell mit den entsprechenden Feldstärkevektoren zwischen der Mittelelektrode und dem Gehäuse. Das elektrische Feld durchdringt die Nichtleiter Keramik und das dazwischenliegende Gas. Strukturmechanik

Bei der Verbrennung liegen im Brennraum hohe Drücke vor, die einen gasdichten Verbund des Zündkerzengehäuses mit dem Keramikisolator erfordern. Bild lc zeigt ein axialsymmetrisches Halbmodell einer Zündkerze nach dem Bördeln und Warmschrumpfen des Zündkerzengehäuses. Berechnet wurden die Einspannkraft und die mechanischen Spannungen des Zündkerzengehäuses.

b

Bild 1 Axialsymmelrische Hal b· modelle einer Zü ndkerze

a

Temperalurverteilung

im Keramikisolator und in der Mittel· eiekirode b

Ee I kirische Feld·

stärke im Bereich Mil1elelekl rode und G ehäuse

c

Einspannkraft

und mechanische Spannungen des Zündke rzen· gehäuses

230

Zündkerzen

Herstellung von Zündkerzen

Herstellung von Zündkerzen Pro Tag verlassen ca. eine Million Zündkerzen das Bamberger Werk - europaweit die einzige Fertigungsstätte des Unternehmens Bosch für dieses Produkt. Für lokale Märkte und Erstausrüstungskunden fertigen daneben Werke in Indien, Brasilien, China und Russland Zündkerzen nach den weltweit gültigen Bosch-Qualitätsstandards. Insgesamt wurden weit über sieben Milliarden Zündkerzen von Bosch gefertigt. In drei parallelen Arbeitsgängen entstehen die Einzelteile, die in der Endmontage zu einer Zündkerze zusammengefügt werden. Isolator Die hochwertige Keramik besteht im Wesentlichen aus Aluminiumoxid. Zur Herstellung wird die Tonerde mit Zuschlagsstoffen und Bindemitteln versehen und fein gemahlen. Das Granulat wird in Formen gefüllt und unter hohem Druck verpresst. Dabei wird dem Rohling auch schon die innere Form mitgegeben. Durch Schleifen der äußeren Kontur entsteht der Weichstein, der mit dem späteren Stöpsel schon sehr viel Ähnlichkeit hat. Die Keramikkörper durchlaufen einen Sinterofen und erhalten bei ca. 1600°C ihre endgültige Form. Die durch den Sinterprozess auftretende Schwindung beträgt ungefähr 20 % und muss bei der Herstellung des Weichsteins mit berücksichtigt werden. Nachdem die Isolatoren gebrannt sind, wird am Isolatorkopf die Beschriftung aufgebracht und dieser anschließend mit einer bleifreien Glasur überzogen. Stöpsel Für die Herstellung der Mittelelektroden kommen Ronden aus Kupfer und einer Nickellegierung zum Einsatz, die miteinander verbunden werden und anschließend in einem Fließpressvorgang zu der Mittelelektrode umgeformt werden. Das Anstauchen eines Flügels im hinteren Bereich der Elektrode sorgt später für die sichere Verankerung im Stöpsel. Nachdem die Mittelelektrode in

den Isolator eingefügt ist, wird in die Bohrung Panat eingefüllt. Das Panat besteht aus Glaspartikeln, denen leitfähige Teilchen hinzugefügt werden, um nach dem Einschmelzen eine leitfähige Verbindung zu dem Anschlussbolzen herzustellen. Durch Variation der einzelnen Komponenten kann auch der Widerstand des Panates variiert werden. Es sind Widerstandswerte bis zu 10 kQ darstellbar. Der Anschlussbolzen wird vom Draht gefertigt und erhält über Stauchen und Rändeln seine endgültige Form. Nachdem er mit einer schützenden Nickeloberfläche versehen ist, wird er in den Stöpsel eingesetzt. Der Stöpsel durchläuft anschließend einen Ofen und wird auf über 850°C erhitzt. Bei diesen Temperaturen wird das Panat schmelzflüssig, es umfließt die Mittelelektrode und der Anschlussbolzen kann in diese Schmelze eingedrückt werden. Nach dem Abkühlen des Stöpsels ist eine gasdichte und elektrisch leitende Verbindung zwischen der Mittelelektrode und dem Anschlussbolzen sichergestellt. Gehäuse Das Gehäuse besteht aus einem Stahlwerkstoff und wird auch fließpresstechnisch hergestellt. Dazu wird ein wenige Zentimeter großes Stück vom Draht abgeschert und in einer Presse in mehreren Arbeitsgängen kalt umgeformt bis die endgültige Kontur des Zündkerzengehäuses entsteht. Danach sind nur noch wenige spanende Arbeitsgänge (zur Herstellung der Schrumpf- und Gewindeeinstiche ) notwendig. Nachdem die Masseelektroden (je nach KE-Typ bis zu vier Masseelektroden) auf das Gehäuse aufgeschweißt sind, wird das Gewinde aufgerollt und anschließend das komplette Gehäuse vernickelt, um es so vor Korrosion zu schützen.

Zündkerzen

Zündkerzenmontage Bei der Zündkerzenmontage wird in das Zündkerzengehäuse ein Dichtring eingelegt und der Stöpsel in das Gehäuse eingefügt. Durch Umbördeln des oberen Gehäuseteiles wird der Stöpsel im Gehäuse fixiert. Ein anschließender Schrumpfvorgang (hier wird das Zündkerzengehäuse partiell über Induktion auf über 900 oe erwärmt) sorgt für die gasdichte Verbindung zwischen Zündkerzengehäuse und Stöpsel. Abschließend wird bei den Flachdichtsitz-Zündkerzen ein äußerer Dichtring montiert, der unter leichtem Druck verformt und auf diese Art und Weise unverlierbar wird. Dadurch kann bei

Herstellung von Zündkerzen

der späteren Montage in den Zylinderkopf sichergestellt werden, dass der Brennraum abgedichtet ist. Bei bestimmten Zündkerzenausführungen muss auf den mit einem M4-Gewinde versehenen Anschlussbolzen noch eine SAEMutter aufgeschraubt und zur sicheren Befestigung mehrfach verstemmt werden. Nach dem Einstellen des Elektrodenabstands auf die Vorgaben des Motorenherstellers ist der Montageprozess beendet und die Zündkerzen werden in markt- und kundenspezifischen Verpackungen zum Versand vorbereitet.

Fertigungsablauf für eine Zündkerze

Aluminium·

I

Anschlussbolzen: Abscheren vom Drahl

OXId

Kerzengehause: Abscheren vom Drahl

Kallpressen • Stute 1 lsolalor pressen

lsolalor schIeen Ober Zündkabel) b

ZS 1,1 : Einzel'

> 10

funken-Zündspule (Ausführung als

ｾ＠

KompaktzOndspule) mit aufgesteckter Zündker>e

=> ｾ＠

Lambda-Sonden Die Lambda-Sonde (20) misst den Sauerstoffgehalt im Abgas und lässt so Rückschlüsse auf die Zusammensetzung des LuftKraftstoff-Gemischs zu. Das Motorsteuergerät nutzt das Lambda-Sondensignal, um den Kraftstoff im stöchiometrischen Verhältnis (,1. = 1) zumessen zu können. Bei dieser Gemischzusammensetzung zeigt der Dreiwegekatalysator seine bestmögliche Reinigungswirkung. Bei M-Motronic-Systemen kommen ausschließlich Zweipunkt-Lambda-Sonden zum Einsatz. Je nach System kann eine zusätzliche Sonde (33) für eine Zweisonden-Regelung und zur überwachung der Katalysatoralterung hinter dem Katalysator eingebaut sem. Sekundärluftsystem Das kurzzeitige Einblasen von Luft in das Abgasrohr nach dem Motorstart führt zu einer Nachverbrennung der im Abgas enthaltenen unverbrannten Kohlenwasserstoffe (HC). Diese Maßnahme reduziert zum einen die HC-Emissionen. Zum anderen verkürzt sie die Aufheizzeit des Katalysators, sodass dieser seine Betriebstemperatur schneller erreicht. Die Sekundärluftpumpe (4) bläst diese Luft (Sekundärluft) ein, wobei die Zufuhrleitung im nicht aktiven Betrieb über das Sekundärluftventil (5) geschlossen ist. Das Motorsteuergerät steuert dazu diese beiden Komponenten an.

Motormanagement Motronic

M-Motronic

Komponenten für On-Board-Diagnose

Kommunikation

Die in Bild 1 mit 1) gekennzeichneten Komponenten werden für die On-BoardDiagnose verwendet. Die kalifornische Abgasgesetzgebung (CARB) stellt besonders hohe Anforderungen an das Diagnosesystem der Motronic. Einige abgasrelevanten Systeme können nur mithilfe zusätzlicher Komponenten diagnostiziert werden.

CAN -Schnittstelle Je nach Ausstattung des Fahrzeugs kann die M-Motronic mit einem CAN-Bussystem ausgestattet sein. Über die CAN-Schnittstelle (Bild 1, Pos. 28) können mit anderen elektronischen Systemen (z. B. Getriebesteuerung, Antiblockiersystem ABS) Daten ausgetauscht werden.

Betriebsdaten

Fehlerlampe (MIL) Die Fehlerlampe (25) ist im Instrumentenfeld bzw. im Kombiinstrument integriert. Sie zeigt dem Fahrer ein Fehlverhalten im Motronic-System an.

Neben den schon erwähnten Sensoren erfassen noch eine Reihe weiterer Sensoren und Sollwertgeber die Betriebsdaten. Beispiele hierfür sind: • Drehzahlsensor (Bild 1, Pos. 22) für das Erkennen der Kurbelwellenstellung und Berechnung der Motordrehzahl, • Phasensensor (l3) zum Erkennen der Phasenlage (Arbeitsspiel des Motors) bzw. der Nockenwellenposition, • Motortemperatur- (19) und Ansauglufttemperatursensor zum Berechnen von temperaturabhängigen Korrekturgrößen, • Klopfsensor (18) zum Erkennen von Motorklopfen. Nebenaggregate

Motorlüfter Abhängig von der Motortemperatur schaltet das Steuergerät den Motorlüfter zu, um den Motor zusätzlich zu kühlen und die Motortemperatur abzusenken. Der Motorlüfter kann je nach System auch in mehreren Stufen zugeschaltet werden. Konventionelle Steuerungen schalten den Motorlüfter über einen Thermostat. Klimakompressor Für den Betrieb des Klimakompressors ist eine hohe Leistung erforderlich, die der Motor liefern muss. Dieser Anteil geht für den Antrieb des Fahrzeugs verloren. In Situationen, bei denen die volle Motorleistung zur Verfügung stehen muss (z. B. beim überholvorgang bei Volllast), kann die Motorsteuerung den Kompressor zeitweise abschalten.

Kraftstoffvcrbrauch ignal Die Motronic berechnet aus der Einspritzzeit den Kraftstoffverbrauch und gibt diese Information als Impulse über eine Leitung an den Bordcomputer. Der Kraftstoffverbrauch kann auch über die CAN-Schnittstelle übertragen werden. Diagnoseschnittstelle über die Diagnoseschnittstelle "K-Leitung" (24) werden in der Kundendienstwerkstatt System-Testgeräte (z. B. KTS500) angeschlossen. Sie ermöglichen das Auslesen der während des Betriebs vom Diagnosesystem abgespeicherten Fehler. Zunächst war das Auslesen der Fehlerinformationen nur mit einer Diagnoselampe über einen Blinkcode möglich. Mittlerweile können die Information über Motortester mit textfähigen Displays ausgelesen werden. Bei Fahrzeugen, die mit einer On-BoardDiagnose entsprechend OBD II ausgestattet sind, können mit einem "Scan-Tool" (Tester) die abgasrelevanten Fehler mitsamt den "Umweltbedingungen", die beim Auftreten des Fehlers herrschten, ausgelesen werden.

245

246

MOlormanagement Molronic

ME·Motronic

ME-Motronic Eine elektronische Motorsteuerung mit elektronischem Gaspedal (EGAS) zeichnet sich dadurch aus, dass die mechanische Verbindung (Gestänge oder Bowdenzug) zwischen Fahrpedal und Drosselklappe nicht mehr vorhanden ist. Die Stellung des Fahrpedals, d. h. der Fahrerwunsch, wird von einem Potenziometer am Fahrpedal (Pedalwegsensor im Fahrpedalmodul, Bild 1, Pos. 23) erfasst und in Form eines analogen Spannungssignals vom Motorsteuergerät (12) eingelesen. Im Steuergerät werden Signale erzeugt, die den Öffnungsquerschnitt der elektrisch angesteuerten Drosselklappe (3) so einstellen, dass der Verbrennungsmotor das geforderte Drehmoment einstellt. Ein System, das die Motorleistung auf diese Weise einstellt, wurde von Bosch zum ersten Mal 1986 eingeführt. Neben dem Motorsteuergerät kam damals noch ein separates Steuergerät für die Motorleistungssteuerung zum Einsatz. Die Steigerung der Integrationsdichte von elektronischen Systemen ermöglichte die Integration von Motronic-Funktionen und Motorleistungssteuerung in einem einzigen Steuergerät (1994). Es bestand jedoch noch

Bild 1

11

eine Aufgabenteilung auf zwei Mikrocontroller. Der nächste Schritt folgte im Jahr 1998 mit der neuen Motronic-Generation ME?, die alle Funktionen des Motormanagements in einem Mikrocontroller abarbeitet. Möglich wurde dieser Schritt durch die immer höhere Leistungsfähigkeit der Mikrocontroller. Bei dem für die ME? eingesetzten Chip handelt es sich um einen 16-Bit-Rechner. Das Systembild (Bild 1) zeigt ein Beispiel eines ME-Motronic-Systems. Der Systemumfang wird bestimmt durch die Anforderungen bezüglich der Motorleistung sowie den Forderungen der jeweils geltenden Abgas- und Diagnosegesetzgebung. Die wesentlichen Unterscheidungsmerkmale der ME-Motronic gegenüber der M-Motronic sind die elektrische Ansteuerung der Drosselklappe und die drehmomentbasierte Funktionsstruktur der Anwendungs-Software.

Lambda-Sonde vor Vorkat

1 Aktivkohlebehälter

12 Motorsteuergerät

2 Heißfilm·luftmassenmesser

13 AbgasrOckführventoi

25 Tankeinbaueinhei t mit Elekl!o· kraltstoflpumpe. Kraltstoflfilter und Kraltstoffdruckregler

26

(HFM) mit integriertem

14 Drehzahlsensor

Temperatursensor

15 Klopfsensor

3

Drosselvorrichtung (EGAS)

16 MotortemperatursenSof

4

Regenerierventil

17 Vorkat (Dreiwegekatalysator)

Der im Bild dargestellte System-

t8 Lambda-Sonde nach Vorkat

umfang bezüglich der On·Board-

5 Saugrohrdrucksensor

Hauptkatalysalor (Dreiwege· katalysator)

6 KraftstoffverteilerstUck

t9 CAN-Schnit1stelle

Diagnose entspricht den

7 Einspritzvenlil

20 Fehlerlampe

rungen der EOBD

8 Akloren und Sensoren für

21

variable Nockenwellen-

steuerung

9 Zündspule mit aufgesteckter Zündkerze

10 Nockenwellen·Phasensensor

Diagnoseschnittstelle

22 Schniltsterle zum ImmobilizerSteuergerät (Wegfahrsperre)

23 Fahrpedalmodul mit Pedal-

wegsensor 24 Krahstoffbehälter

ａｮｬｯｲ､･

ｾ＠

Motormanagement Motronic

ME-Motronic

Komponenten für die elektronische Steuerung und Regelung eines ME-Motronic-Systems

'"

o

'"

'"'"

247

246

Moto,management Mot,onic

ME-Motronic

Komponenten Luftsystem

Komponenten Kraftstoffsystem

Drosselklappe Bei der ME-Motronic wird die Drosselklappenstellung elektrisch über den in der Drosselvorrichtung (Bild 1, Pos_ 3) integrierten Stellmotor eingestellt, d_ h_ die Motorleistungssteuerung geschieht auf elektronischem Weg_ Damit kann der Luftmassenfluss im Saugrohr unabhängig von der Fahrpedalstellung eingestellt werden_ Die vom Pedalwegsensor (23) erfasste Fahrpedalstellung dient als Eingangsgröße für das Motorsteuergerät; sie ist das Maß für den Drehmomentwunsch des Fahrers_ Im Leerlauf öffnet die Drosselklappe so weit, dass sich die vorgegebene Leerlaufdrehzahl einstellt Der zusätzliche LuftBypass über den Leerlaufsteller, wie er von der M-Motronic bekannt ist, entfällt

Das Kraftstoffsystem der ME-Motronic unterscheidet sich nicht von dem der M-Motronic. Für die zeitliche Ansteuerung der Einspritzventile (7) wird - außer bei bestimmten Betriebszuständen - nur noch die sequenzielle bzw_ zylinderindividuelle Einspritzung eingesetzt_

Sensoren für Lasterfas Ll ng Als Lastsensoren werden in der ME-Motronic • der Heißfilm-Luftmassenmesser, HFM (2) und/oder • der Saugrohrdrucksensor (5) eingesetzt_ Vorwiegend findet für die Lasterfassung der HFM Anwendung, der den vom Motor angesaugten Luftmassenstrom misst Daraus berechnet die Motronic die im Zylinder eingeschlossene Luftmasse_ Ein zusätzlicher Saugrohrdrucksensor wird bei HFM-Anwendung nur für die Diagnose des Abgasrückführsystems verwendet Alternativ zu dieser Lasterfassung gibt es auch p-Systeme (p steht für Druck), die die Motorlast mit dem Saugrohrdrucksensor ermitteln_ Aus dem im Saugrohr herrschenden Unterdruck, der gemessenen Ansauglufttemperatur und der Motordrehzahl kann dann ebenso die im Zylinder zur Verbrennung zur Verfügung stehende Luftmasse berechnet werden_ Bei aufgeladenen Motoren ist zusätzlich ein Sensor erforderlich, der den Ladedruck erfasst

Komponenten Zündungssystem

In der ME-Motronic kommt ausschließlich die Ruhende Spannungsverteilung (RUV) mit Einzelfunken-Zündspulen (9) oder Zweifunken-Zündspulen zum Einsatz_ Komponenten Abgasreinigungssystem

Das Abgasreinigungssystem der ME-Motronic besteht wie bei der M-Motronic aus • einem oder zwei Dreiwegekatalysatoren (Vor- und Hauptkatalysator, Pos_ 17 und 26), • den Lambda-Sonden Vor- (11) und Hinter-Kat (13)_ Optional können zum Einsatz kommen: • Das Sekundärluftsystem mit Sekundärluftpumpe und Sekundärluftventil zum schnellen Aufheizen des Katalysators sowie • ein Abgastemperatursensor bei Motoren mit Abgasturboaufladung, um die Abgastemperatur zu überwachen (Bauteileschutz)_ Bild 1 zeigt einen motornah gebauten VorKatalysator mit nachfolgendem Hauptkatalysator_ Zur Messung der Sauerstoffkonzentration im Abgas vor dem Katalysator werden neben den Zweipunkt-Sonden auch Breitband-Lambda-Sonden (für stetige Lambda-Regelung) eingesetzt. Daraus ergibt sich ein besseres dynamisches Verhalten der Lambda-Regelung_ Für die zur Zweisondenregelung und zu Diagnosezwecken hinter dem Katalysator angeordneten LambdaSonden handelt es sich immer um Zweipunktsonden_

Moto,management Mot,onie

Die Einstellung des Drehmoments geschieht über zwei Pfade. Im Luftpfad (Hauptpfad) wird aus dem umzusetzenden Drehmoment eine Sollfüllung berechnet. Aus dieser Sollfüllung wird der Soll-Drosselklappenwinkel ermittelt. Die einzuspritzende Kraftstoffmasse ist aufgrund des fest vorgegebenen LambdaWerts von der Füllung abhängig. Mit dem Luftpfad sind nur langsame Drehmomentänderungen einstellbar (z. B. Integralanteil der Leerlaufdrehzahlregelung). Im kurbelwellensynchronen Pfad wird aus der aktuell vorhandenen Füllung das für diesen Betriebspunktpunkt maximal mögliche Drehmoment berechnet. Ist das gewünschte Drehmoment kleiner als das maximal mögliche, so kann für eine schnelle Drehmomentreduzierung (z. B. Differenzialanteil der Leerlaufdrehzahlregelung, Drehmomentrücknahme beim Schaltvorgang, Ruckeldämpfung) der Zündwinkel in Richtung Spät verschoben oder einzelne oder mehrere Zylinder vollständig ausgeblendet werden (Einspritzausblendung, z. B. ASREingriff oder im Schub).

Überwachungskonzept Im Fahrbetrieb darf es unter keinen Umständen zu Zuständen kommen, die zu einer vom Fahrer ungewollten Beschleunigung des Fahrzeugs führen. An das Sicherheitskonzept der elektronischen Motorleistungssteuerung werden deshalb hohe Anforderungen gestellt. Hierzu enthält das Steuergerät neben dem Hauptrechner zusätzlich einen überwachungsrechner, die sich beide gegenseitig überwachen. Drehmomentstruktur Mit der ME-Motronic wurde die drehmomentorientierte Systemstruktur eingeführt. Alle Leistungsanforderungen (Bild 2) an den Motor werden konsequent in einen Drehmomentwunsch umgerechnet. Im Drehmomentkoordinator werden diese Anforderungen von internen und externen Verbrauchern sowie weitere Vorgaben bezüglich des Motorwirkungsgrads priorisiert. Das resultierende Sollmoment wird auf die Anteile des Luft-, Kraftstoff- und Zündsystems aufgeteilt. Der Füllungsanteil (Luftsystem) wird durch eine Querschnittsänderung der Drosselklappe und bei Turbomotoren zusätzlich durch die Ansteuerung des WastegateVentils realisiert. Der Kraftstoffanteil wird im Wesentlichen durch den eingespritzten Kraftstoff, unter Berücksichtigung der Tankentlüftung (KraftstoffverdunstungsRückhaltesystem), bestimmt.

EI

Drehmomenbasierte Systemstruktur der M E-Motronic

Externe Momentanforderungen

• Fahrer

• GeschwindlQkeltsrllilelung • GeschwindlQkeltsbegrenzung ｾ＠ • Ge1riebesIeuerung • Fahrdynarnlk

• Fahrtcomtort

Interne ｾ＠ Momentanforderungen Moment • Start

• Leerlautr8llelung • Drehzahlbegrenzung • Bauteileschutt

ME·Motronic

I

Bei den bisherigen M-Motronic-Systemen wird eine Zurücknahme des Drehmoments (z. B. auf Anforderung des automatischen Getriebes beim Schaltvorgang) direkt von der jeweiligen Funktion z. B. durch Spätverstellung des Zündwinkels vorgenommen. Eine Koordination der einzelnen Anforderungen und eine koordinierte Umsetzung ist nicht gegeben.

WirkungsgradAnforderungen • Start

• Aufhellen Katalysato, • Leerlautrllilelung

1

Wirkungsgrad

DrehmomentKoordinator

,.-..,..,.._ _--, DrosselklappenMomentwinkel

Umsetzer

r='---+ Elnsprilzzen EinsprilZAushlendung

Zündwinkel WaslegaleÖffnung

249

250

Motormanagement Motronic

MED-Motronic

MED-Motronic Mit der Einführung der Direkteinspritzung beim Ottomotor (Benzin-Direkteinspritzung, BDE) wurde ein neues Steuerungskonzept erforderlich_ Das Einspritzventil muss sowohl eine homogene Gemischverteilung (Homogenbetrieb ) - wie sie bei der M- und ME-Motronic für die Saugrohreinspritzung (SRE) realisiert ist - als auch eine lokal begrenzte Ladungsschicht (Schichtbetrieb ) im Brennraum erzeugen können_ Die homogene Gemischverteilung wird durch Einspritzen des Kraftstoffs im Ansaugtakt, die Schichtwolke durch Einspritzen gegen Ende des Verdichtungstakts, kurz vor dem Zünden des Gemischs erreicht_ Erst mit diesem Schichtbetrieb, der im unteren bis mittleren Drehzahl- und Drehmomentbereich eingestellt wird, kann der Vorteil der Direkteinspritzung bezüglich Kraftstoffverbrauch ausgespielt werden_ Es gibt aber auch Systeme mit Direkteinspritzung, bei denen der Motor im gesamten Betriebsbereich mit homogenem, stöchiometrisch (,1, = 1) zusammengesetztem Gemisch betrieben wird_

Bild 1

Regenerierventil

3

Hochdruckpumpe HDP2 mit

6

23 Diagnoseschninstelle 24 Schnittstelle zum Immobilizer'

10 Hochdruckrail (Kraftstoff-

integrierlem Mengensleuer

5

Das wesentliche Unterscheidungsmerkmal der MED-Motronic gegenüber der ME-Motronic zeigt sich im Kraftstoffsystem sowie in der Abgasanlage mit dem NO xSpeicherkatalysator. Auf den folgenden Seiten sind im Wesentlichen nur die Unterschiede aufgeführt.

9 Kraftsloffdrucksensor

2

4

Das Systembild (Bild 1) zeigt ein Beispiel eines MED-Motronic-Systems. Die erste MED wurde 2000 in einem VW Lupo in Serie eingeführt.

Saugrohrdrucksensor (DS·S)

8

Aklivkohlebehäller

Das Motor-Managementsystem, das diese Anforderung erfüllt, trägt die Bezeichnung MED-Motronic_Im Vergleich zur ME-Motronic ist die erforderliche Rechenleistung nochmals stark angestiegen.

a

verteilerstOck) 11

Nockenwellen -Phasensen sor

Sieuergerät (Wegfahrsperre)

25

Fahrpedalmodul mit Pedal-

wegsensor

ventil

12 lambda· Sonde vOr Vorkat

26 Kraltstoffbehälter

Aktoren und Sensoren rur

13 Abgasrückführvent il

27 Tankeinbaueinheit mit Elektro'

variable Nockenwellen-

14 Hochdruek-Einspritzvenlil

kraftstoffpumpe. Kraftstolftiller

steuerung

15 Klopfsenoor

und Kraftsloffdruckregler

Zündspule mit aufgesteckler

16 Motortemperatursensor

28 Abgastemperatursensor

Zündkerze

17 Vor1co

@

'"

ｾ＠ ::> ｾ＠

mit Hall-Sensor 4

Gehäuseunterteil

5 6

Anlenkelemen1

Rückstellfeder (z. B. Zahnrad)

Hall-Winkelsensor ARS1 (Aufbau mit Winkelsteilungen a _ . d)

Bild4 1

Rotorscheibe

2 3

Polschuh

4 5 6

Luftspalt

«

Drehwinkel

(dauermagnetisch) RussleltsfOck Hall·Sensor Achse (weichmagnetisch)

Hall-Winkelsensor ARS2

a

b

Bild 5 a

ｾ＠

>ｾ＠

ｾ＠

Einbau in das Fahrpedalmodul

b

Bauelemenle

1

Hall·Sensor

2

Pedalachse

3

Magnet

264

Sensoren

Hall·Phasensensoren

Hall-Phasen sensoren Anwendung Die Nockenwelle ist gegenüber der Kurbelwelle um 1:2 untersetzt. Ihre Stellung zeigt an, ob sich ein zum oberen Totpunkt bewegender Motorkolben im Verdichtungs- oder im Ausstoßtakt befindet. Der Phasensensor an der Nockenwelle (auch Phasengeber genannt) gibt diese Information an das Steuergerät.

eine zweispurige Lochblende (Bild 3 a) oder ein Zweispurimpulsrad (Bild 3 b), um in beiden Hall-Elementen ein gegensinniges Signal erzeugen zu können (Bild 4). Diese Sensoren werden bei hohen Anforderungen an die Genauigkeit eingesetzt. Weitere Vorteile sind ein vergleichsweise großer Luftspaltbereich und eine gute Temperaturkompensation.

Aufbau und Arbeitsweise

Bild 1 Plällchenslrom

I"

Hall-Strom

Iv

Versorgungsstrom

U"

Hall-Spannung Längsspannu ng

U.

8

magnetische Induktion:

Cl

Ablenkung der Elektro nen durch das Magnetfeld

Bild 2 a

Positionierung von

Sensor und Einspur· impufsrad

b Ausgangssignalve rlauf UA 1

Elektrische r Anschluss (Stecker)

2

Sensorgehäuse

3

Motorgehäuse

4 Dichtring 5

Dauermag net

6 Hall· IC 7 Impulsrad m it Zahn/Segment (Z) und Lücke ( L) " Luftspalt 'f Drehwi nkel

Hall-Stabsensoren Hall-Stabsensoren (Bild 2a) nutzen den Hall-Effekt: Mit der Nockenwelle rotiert ein Rotor (Pos. 7, Impulsrad mit Zähnen bzw. Segmenten oder Lochblende) aus ferromagnetischem Material. Der Hall-IC (6) befindet sich zwischen Rotor und einem Dauermagneten (5), der ein Magnetfeld senkrecht zum Hall-Element liefert. Passiert nun ein Zahn (Z) das Strom durchflossene Sensorelement (Halbleiterplättchen) des Stabsensors, verändert er die Feldstärke des Magnetfelds senkrecht zum Hall-Element. Somit werden die Elektronen, die von einer an das Element angelegten Längsspannung getrieben werden, senkrecht zur Stromrichtung stärker abgelenkt (Bild 1, Winkel a). Dadurch entsteht ein Spannungssignal (Hall-Spannung), das im Millivolt-Bereich liegt und unabhängig von der Relativgeschwindigkeit zwischen dem Sensor und dem Impulsrad ist. Die integrierte Auswerteelektronik im Hall-IC des Sensors bereitet das Signal auf und gibt es als Rechtecksignal aus (Bild 2 b). Differenzial-Hall- tabsensoren Nach dem Differenzialprinzip arbeitende Stabsensoren verfügen über zwei räumlich radial bzw. axial versetzt angeordnete HallElemente (Bild 3, SI und S2). Diese liefern ein Ausgangssignal, das dem Flussdichteunterschied zwischen den zwei Messorten proportional ist. Notwendig dafür ist jedoch

+8

Hall·Stabsensor (Aufbau)

a

2- - - --1-

s'- - - ---fJeElIlt1 6

ＷＭ ｾ

-----.i

b

Drehwinkel ｾ＠ - . .

Ｚ＠

Sensoren

265

Hall-Phasensensoren

Differenzial-Hall-Slabsensoren

a

b

Bild 3 a Axialer Abgriff (Loch blende) b Radialer Abgritf (Zweispurimpulsrad) Eleklrischer Anschluss (Stecker) 2 3 4 5

eLFlZ tt I

Sensorgehäuse Motorgehäuse Dichlring Dau ermagnel

6 Differenzial-Hall-Ie mit Hall-Elementen

C

S, und S2

ｾ＠ ｾ＠

;;: ::E

11

::::I

=

7 Lochblende 8 Zweispurimpul srad Spur' Spur 2

Verlauf des Ausgangssignals U. eines Differenzial-Hall-Stabsensors

L2

LI

U-----U----Z,

Z2

'l's

Z3

f

n

High

Z4

Low Bild 4

90'

Ausgangssignal Low:

180'

Material (Z) unter SI , Lücke (L) unler S2;

270'

360'

Ausgang.signal High: LOcke (L) unter SI ,

O'

Material (ZI unter S2 'f s Signalbreile

266

Sensoren

Induktionssensor für Transistorzündung

Induktionssensor für Transistorzündung Anwendung

Der Induktionssensor ist ein Zündauslösesensor für die Transistorzündung TZ-I. Er stellt einen elektrischen Wechselstromgenerator dar. Aus dem Vergleich seines Wechselspannungssignals mit einem der Stromregelzeit entsprechenden Spannungssignal wird der Einschaltzeitpunkt des Schließwinkels bestimmt.

zackenförmige Fortsätze (Statorzacken und Rotorzacken): Die Polscheibe trägt an der Außenseite z. B. rechtwinklig nach oben abgebogene Statorzacken. Dementsprechend hat der Rotor nach unten abgebogene Zacken. Die Zackenzahl von Rotor und Polscheibe stimmt in der Regel mit der Zylinderzahl des Motors überein. Feste und bewegliche Zacken haben in direkter Gegenüberstellung einen Abstand von ungefähr 0,5 mm. Arbeitsweise

Aufbau

Der Induktionssensor ist im Gehäuse des Zündverteilers anstelle des früher üblichen Zündunterbrecherkontakts untergebracht (Bild 1). Der weichmagnetische Kern der Induktionswicklung hat die Form einer Scheibe, "Polscheibe" genannt. Der Dauermagnet, die Induktionswicklung und die Polscheibe bilden eine feste geschlossene Baueinheit, den "Stator". Gegenüber dieser festen Anordnung dreht sich das auf der Zündverteilerwelle sitzende Impulsrad, "Rotor" genannt. Der Rotor dem Zündnocken des Unterbrechers vergleichbar - sitzt fest auf der Hohlwelle, die die Verteilerwelle umschließt. Kern und Rotor sind aus einem weichmagnetischen Stahl gefertigt; sie haben

Das Funktionsprinzip besteht darin, dass sich der Luftspalt zwischen Rotor- und Statorzacken beim Drehen des Rotors periodisch ändert. Mit ihm ändert sich der magnetische Fluss. Die Flussänderung induziert in der Induktionswicklung eine Wechselspannung. Die Scheitelspannung ± Os hängt proportional von der Drehzahl ab: ca. 0,5 V bei niedriger Drehzahl und ca. 100 V bei hoher Drehzahl. Die Frequenz f dieser Wechselspannung entspricht der Anzahl der Zündfunken pro Minute (Bild 2). Es ist: f= z· nl2

f Frequenz bzw. Funkenzahl (min- 1),

z

Zylinderzahl, n Motordrehzahl (min- 1).

Induktionssensor im Zündverteiler (Prinzip)

Induklionssensor im Zündverteiler (Ken nlinie)

I

I l::f

Bild 1

Cl

1

Dauermagnet

2

Induktionsw'cklung mit Kern

[

3

veränderl icher Luft·

15 c::

c:: c:: c::

::J

"'

Cl

spal t 4

üi

Rotor

ｾ＠ Bild 2 Us Signal spannung

Üs Sche, telspannung IZ

Zü nd zeItpunkt

ö

ｾ＠:>

=

L '

cc-o IZ

Zeit

ｾ＠ ｾ＠

:>

=

Sensoren

Hall-Sensor für Transistorzündung Anwendung Der Hall-Sensor ist ein Zündauslösesensor für die Transistorzündung TZ-H. Das Signal dieser "Hall-Schranke" im Zündverteiler entspricht im Informationsgehalt dem Signal der kontaktgesteuerten konventionellen Spulenzündung: während der Zündunterbrecher im Zündverteiler den Schließwinkel durch den Zündnocken bestimmt, gibt der Hall-Sensor im Zündverteiler das Tastverhältnis durch die Rotorblende vor.

267

Hall·Sensor für Transistorzündung

kleinen Rest, der vom Streufeld herrührt. Die Hall-Spannung erreicht ein Minimum. Die Gestalt der Rotorblende bestimmt den Schließwinkel, indem aus der Signalspannung Us (umgeformte Hall-Spannung, Bild 2) anschließend eine Rampenspannung erzeugt wird, auf der der Einschaltzeitpunkt des Schließwinkels verschoben wird. Arbeitsprinzip und Bauweise des Hall-Sensors erlauben eine Einstellung der Zündung am stehenden Motor, sofern keine Ruhestromabschaltung vorgesehen ist.

ündverteiler (Prinzip) Hall· Sensor im Z

Aufbau Der Hall-Sensor (Bild 1) ist im Zündverteiler untergebracht. Seine Magnetschranke ist auf die bewegliche Trägerplatte montiert. Der Hall-Ie sitzt auf einem Keramikträger und ist mit einem der Leitstücke zum Schutz gegen Feuchtigkeit, Verschrnutzung und mechanische Beschädigung in Kunststoff eingegossen. Leitstücke und Blendenrotor bestehen aus einem weichmagnetischen Werkstoff. 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-Sensors praktisch konstant; eine Schließwinkeleinstellung entfällt also.

1 2a 3 ｾＭ

Ｋ＠

Bild 1

1

Blende mit Breite b

2a Dauermagnet

2b weichmagnetische Leitstücke

3

Hall-IC

ｾ＠

4 LuftspalI Us Signalspannung (umgeformte Hall· Spannung)

ｾ＠

Arbeitsweise Dreht sich die Zündverteilerwelle, so laufen die Blenden des Rotors berührungslos durch den Luftspalt der Hall-Schranke: ist der Luftspalt frei, so wird der eingebaute Hall-Ie mit dem Hall-Sensorelement vom Magnetfeld durchsetzt (Bild 1). Am Hall-Sensorelement ist die magnetische Flussdichte hoch, und die Hall-Spannung hat ein Maximum. Der Hall-Ie ist eingeschaltet. Sobald eine der Blenden in den Luftspalt eintaucht, verläuft der Magnetfluss größtenteils im Blendenbereich und wird auf diese Weise vom Ie ferngehalten. Die Flussdichte am HallSensorelement verschwindet bis auf einen

ｯＨＩ

LHall-Sensor im Zündverteiler (Kennlinie)

Bild 2 IZ

TZ

Us Signalspannung

ZeitT-

(umgeformte Hall· Spannung) r,

Z(indzeitpunkt

268

Sensoren

Induktive Motordrehzahlsensoren

Induktive Motordrehzahlsensoren

Bild 1 ,

Dauermagnet

'2 Sensorgehäuse 3 Motorgehäuse 4 PolsllfI 5 WIcklung 6 Luflspalt 7 Impulsrad mit

BezuQsmarke

Anwendung Motordrehzahlsensoren (Stabsensoren), auch Drehzahlgeber genannt, werden eingesetzt zum: • Messen der Motordrehzahl und • Ermitteln der Kurbelwellenstellung (Stellung der Motorkolben). Die Drehzahl wird über den Zeitabstand der Signale des Drehzahlsensors berechnet. Das Signal des Drehzahlsensors ist eine der wichtigsten Größen der elektronischen Motorsteuerung.

Aufbau und Arbeitsweise Der Sensor ist - durch einen Luftspalt getrennt - direkt gegenüber einem ferromagnetischen Impulsrad montiert (Bild 1, Pos. 7). Er enthält einen Weicheisenkern (Polstift) (4), der von einer Wicklung (5) umgeben ist. Der Polstift ist mit einem Dauermagneten (1) verbunden. Ein Magnetfeld erstreckt sich über den Polstift bis hinein in das Impulsrad. Der magnetische Fluss durch die Spule hängt davon ab, ob dem Sensor eine Lücke oder ein Zahn des Impulsrads gegenübersteht. Ein Zahn bündelt den Streufluss des Magneten. Es kommt zu einer Verstärkung des Nutzflusses durch die Spule. Eine Lücke dagegen schwächt den Magnetfluss. Diese Magnetflussänderungen induzieren in der Spule Signal eines induktiven Molordrehzahlsensors

§ c: c:

Bild 2 I Zahn 2 Zahnlucke 3

B ezuQsmarke

Induktiver Motordrehzahlsensor (Aulbaul

j

3 2 Zeit_

eine zur Änderungsgeschwindigkeit und damit Drehzahl proportionale sinusähnliche Ausgangsspannung (Bild 2). Die Amplitude der Wechselspannung wächst mit steigender Drehzahl stark an (wenige mV ... >100 V). Eine ausreichende Amplitude ist ab einer Mindestdrehzahl von 30 Umdrehungen pro Minute vorhanden. Die Anzahl der Zähne des Impulsrads hängt vom Anwendungsfall ab. Bei magnetventilgesteuerten Motormanagementsystemen kommen Impulsräder mit 60er-Teilung zum Einsatz, wobei zwei Zähne aus-gelassen sind (7). Das Impulsrad hat somit 60 - 2 = 58 Zähne. Die besonders große Zahnlücke stellt eine Bezugsmarke dar und ist einer definierten Kurbelwellenstellung zugeordnet. Sie dient zur Synchronisation des Steuergeräts. Eine andere Impulsradausführung trägt am Umfang pro Zylinder einen Zahn. Bei einem Vierzylinder-Motor z. B. sind dies vier Zähne, d. h. pro Umdrehung ergeben sich vier Impulse. Zahn- und Polgeometrie müssen aneinander angepasst sein. Die Auswerteschaltung im Steuergerät formt die sinusähnliche Spannung mit stark unterschiedlicher Amplitude in eine Rechteckspannung mit konstanter Amplitude um. Dieses Signal wird im Mikrocontroller des Steuergeräts ausgewertet.

Sensoren

Piezoelektrische Klopfsensoren KS

und Anbau}

Anwendung Klopfsensoren sind vom Funktionsprinzip Vibrationssensoren und eignen sich zum Erfassen von Körperschallschwingungen. Diese treten im Kraftfahrzeug z. B. in Motoren bei unkontrollierten Verbrennungen als "Klopfen" auf. Sie werden vom Sensor in elektrische Signale umgewandelt und dem Steuergerät zugeführt. In 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. Diese werden dann entsprechend der Zündfolge umgeschaltet. Aufbau und Arbeitsweise Eine Masse übt auf Grund ihrer Trägheit Druckkräfte im Rhythmus der anregenden Schwingungen auf eine ringförmige Piezokeramik aus. Diese Kräfte bewirken innerhalb der Keramik eine Ladungsverschiebung: Zwischen der Keramikober- und -unterseite entsteht eine elektrische Spannung, die über Kontaktscheiben abgegriffen und im Steuergerät weiterverarbeitet wird.

Signale des KlopfsensorS

ohne Klopfen

a

ｾ＠ b

mit Klopfen

ｾ＠

269

Piezoelektrische Klopfsensoren KS

..... __ _

--

Bild 2 1

Pielokeramik

2

Seismische Masse mit Oruckktäften F

3

Gehäuse

4

Schraube

5

Kontaktierung

6

elektrischer Anschluss

7

Motorblock

V

Vibration

Die Empfindlichkeit ist die Ausgangsspannung pro Einheit der Beschleunigung [mV/g). Die vom Sensor abgegebenen Spannungen sind mit einem hochohmigen Wechselspannungsverstärker z. B. im Steuergerät des Zünd- oder des Motronic-Motormanagementsystems auswertbar (Bilder 1 und 2).

Anbau Der Anbauort eines Klopfsensors ist für den jeweiligen Motor so ausgewählt, dass Klopfen aus jedem Zylinder sicher erkannt werden kann. Er liegt meist auf der Breitseite des Motorblocks. Damit die entstehenden Signale (Körperschallschwingungen) vom Messort am Motorblock resonanzfrei und übereinstimmend mit der angegebenen Kennlinie direkt in den mit einer Schraube befestigten Sensor eingeleitet werden können, • muss die Befestigungsschraube mit einem definierten Drehmoment angezogen sein, • die Auflagefläche und die Bohrung im Motor müssen eine vorgeschriebene Güte aufweisen und • es dürfen keine Unterleg- oder Federscheiben zur Sicherung verwendet werden.

Bild 1 a

Druckverlauf im Zylinder

b

gefilterles Druck·

c

Signal des Klopf-

signal sensors

Sensoren

270

Mikromechanische Drucksensoren

Mikromechanische Drucksensoren Bild 1 1

Membran

2

Silizium·Chip

3

Referenzvakuum

4

Glas (Pyrex)

5

Brückenschaltung

p

Messdruck

Uo VerSOrgungs· spannung

Uu Messspannung

RI

Dehnwiderstand (gestaucht)

Messzelle des Drucksensors mit Referenz· vakuum auf der Strukturseite ( Schema)

Anwendung

Saugrohr- oder Ladedrucksensor Dieser Sensor misst den Absolutdruck im Lufteinlassrohr ("Saugrohr") zwischen Lader und Motor (typisch 250 kPa bzw. 2,5 bar) gegen ein Referenzvakuum und nicht gegen den Umgebungsdruck. Dadurch kann die Luftmasse genau bestimmt sowie der Ladedruck entsprechend dem Motorbedarf geregelt werden.

R, Dehnwiderstand (gedehnt)

Bild 2 1, 3 Elektrische Anschlüsse mit

eingeglaster DurchlOhrung 2

Referenzvakuum

4

Messzelle (Chip) mit Auswerteelektronik

5

Glassockel

6

Kappe

7

Zuführung für Messdruckp

Umgebungsdrucksensor Dieser Sensor (auch Atmosphärendruckfühler, ADF, genannt) ist im Steuergerät oder im Motorraum angebracht. Sein Signal dient der hähenabhängigen Korrektur der Sollwerte für die Regelkreise, z. B. der Abgasrückführung und der Ladedruckregelung. Damit kann die unterschiedliche Umgebungsluftdichte berücksichtigt werden. Der Umgebungsdrucksensor misst den Absolutdruck (60 ... 115 kPa bzw. 0,6 ... 1,15 bar). Öl- und Kraftstoffdrucksen or Öldrucksensoren sind am Ölfilter eingebaut und messen den Absolutäldruck, damit die Motorbelastung für die Serviceanzeige ermittelt werden kann. Ihr Druckbereich liegt bei 50 ... 1000 kPa bzw. 0,5 ... 10,0 bar. Die Messzelle wird wegen ihrer hohen Medienresistenz auch für die Druckmessung im Kraftstoff-Niederdruckteil eingesetzt. Sie ist im oder am Kraftstofffilter eingebaut. Mit ihrem Signal wird der Verschmutzungsgrad des Filters überwacht (Messbereich 20 ... 400 kPa bzw. 0,2 ... 4 bar). Ausführung mit Referenzvakuum auf der Strukturseite

Aufbau Die Messzelle ist das Herzstück des mikromechanischen Drucksensors. Sie besteht aus einem Silizium-Chip (Bild 1, Pos. 2), in den mikromechanisch eine dünne Membran eingeätzt ist (1). Auf der Membran sind vier

Messzelle des Drucksensors mit Kappe und Referenzvakuum auf der Strukturseite ( Aufbau)

2

3

Messzelle des Drucksenscrs mit Kappe und Referenzvakuum auf der S trukturseile (Ansicht)

Sensoren

Dehnwiderstände eindiffundiert (Rh R2 ), deren elektrischer Widerstand sich unter mechanischer Spannung ändert. Eine Kappe, unter der das Referenzvakuum eingeschlossen ist, umgibt die Messzelle auf ihrer Strukturseite und dichtet sie ab (Bilder 2 und 3). Im Gehäuse des Drucksensors kann zusätzlich ein Temperatursensor integriert sein (Bild 4, Pos. 1), dessen Signale unabhängig ausgewertet werden können. Somit genügt nur ein Sensorgehäuse, um an einer Stelle sowohl die Temperatur als auch den Druck zu messen. Arbeitsweise Je nach Höhe des Messdrucks wird die Membran der Sensorzelle unterschiedlich durchgebogen (10 .. . 1000 jJm). Die vier Dehnwiderstände auf der Membran ändern ihren elektrischen Widerstand unter den entstehenden mechanischen Spannungen (piezoresistiver Effekt). Die Messwiderstände sind auf dem Siliziumchip so angeordnet, dass bei Verformung der Membran der elektrische Widerstand von zwei Messwiderständen zunimmt und von den beiden anderen abnimmt. Die Messwiderstände sind in einer Wheatstone'schen Brückenschaltung angeordnet (Bild 1, Pos. 5). Durch die Änderung der Widerstände verändert sich auch das Verhältnis der elektrischen Spannungen an den Messwiderständen. Dadurch ändert sich die Messspannung UM. Diese noch nicht verstärkte Messspannung ist somit ein Maß für den Druck an der Membran. Mit der Brückenschaltung ergibt sich eine höhere Messspannung als bei der Auswertung eines einzelnen Widerstands. Die Wheatstone'sche Brückenschaltung ermöglicht damit eine hohe Empfindlichkeit des Sensors. Die nicht mit dem Messdruck beaufschlagte Strukturseite der Membran ist einem Referenzvakuum ausgesetzt (Bild 2, Pos. 2), sodass der Sensor den Absolutwert des Drucks misst.

271

Mikromechanische Drucksensoren

Mikromechanischer Drucksensor mit Referenzvakuum auf der Struklurseile (Aufbau)

Bild 4 1

Temperalursensor

(NTe) 2

Gehäuseunierteil

3

Saugrohrwand

4

D ci hlringe

5

eleklrischer Anschluss (SI ecker)

Mikromechanischer Ladedrucksensor (Kennlinie. Beispiel)

vr--------------------,

Druck

Die Elektronik für die Signalaufbereitung ist auf dem Chip integriert und hat die Aufgabe, die Brückenspannung zu verstärken, Temperatureinflüsse zu kompensieren und die Druckkennlinie zu linearisieren. Die Ausgangsspannung liegt im Bereich zwischen 0 .. . 5 V und wird über elektrische Anschlüsse dem Motorsteuergerät zugeführt (Bild 4, Pos. 5). Das Steuergerät berechnet aus dieser Ausgangsspannung den Druck (Bild 5).

6

Gehäusedeckel

7

Messzelle

Sensoren

272

Mikromechanische Drucksensoren

Ausführung mit Referenzvakuum in einer Kaverne Aufb au Der Drucksensor mit Referenzvakuum in einer Kaverne (Bilder 6 und 7) für die Anwendung als Saugrohr- oder Ladedrucksensor ist einfacher aufgebaut als mit Referenzvakuum auf der Strukturseite: Ein Silizium-Chip mit eingeätzter Membran und vier Dehnwiderständen in Brückenschaltung sitzt - wie beim Drucksensor mit Kappe und Referenzvakuum auf der Strukturseite - als Messzelle auf einem Glassockel.

Mikromechanischer Drucksensor mit Referenzvakuum in einer Kaverne (Aufbau)

Im Gehäuse des Drucksensors kann zusätzlich ein Temperatursensor integriert sein. Der Temperatursensor ragt offen in den Luftstrom und reagiert so schnellstmöglich auf Temperaturänderungen (Bild 6, Pos. 4).

5

Arbeitsweise Die Arbeitsweise und damit die Signalaufbereitung und -verstärkung sowie die Kennlinie stimmen mit dem Drucksensor mit Kappe und Referenzvakuum auf der Strukturseite überein. Der einzige Unterschied besteht darin, dass die Membran der Messzelle in die entgegengesetzte Richtung verformt wird und dadurch auch die Dehnwiderstände eine entgegengesetzte Verformung erfahren.

2 --

3 Bild 6 1

Saugrohrwand

2

Gehäuse

6

3

Dichtring

7

4

Temperatursensor

5

elektrischer

(NTC)

Anschluss (Stecker) 6

Gehäusedeckel

7

Messzelle

ｾ＠

Der Glassockel hat jedoch im Gegensatz zu jenem Sensor kein Loch, durch das der Messdruck von der Rückseite her auf die Messzelle einwirkt. Vielmehr wird der Silizium-Chip von der Seite mit Druck beaufschlagt, auf der sich die Auswerteelektronik befindet. Deshalb muss diese Seite mit einem speziellen Gel gegen Umwelteinflüsse geschützt sein (Bild 8, Pos. 1). Das Referenzvakuum befindet sich im Hohlraum (Kaverne) zwischen dem Silizium-Chip (6) und dem Glassockel (3). Das gesamte Messelement wird von einem Keramikhybrid (4) getragen, der Lötflächen für die weitere Kontaktierung im Sensor hat.

lcm

MeSSlelle des Drucksensors mit Referenzvakuum in Kaverne (Aufbau)

Miktomechanischer Drucksensor mit Referenzvakuum in e inerKaverne und integriertem Temperatursensor (Ansicht)

- - - - - -.....

Bild 8 Schuugel

1

2

Geirahmen

2

4

Ker.m ikhybrid

ｾ＠

GIsssockel

5 6

Messzelle (Chip) mit Auswerteelektronik

7

Bondverbindung

p

Messdruck

6

3

Kavememit

Referenzvakuum

5

>-

i

j

::!i

:::>

"

GD

GD

"

::!i :::>

Sensoren

Dickschicht- Drucksensoren Anwendung Dickschicht-Drucksensoren kommen vereinzelt alternativ zu mikromechanischen Drucksensoren (z. B. bei den Motormanagementsystemen M- und ME-Motronic) als Einbaueinheit für das Steuergerät oder eigenständige Baueinheit zur Anwendung. Sie werden eingesetzt als: • Saugrohr- oder Ladedrucksensor (Druckbereich 20 .. .400 kPa bzw. 0,2 .. .4,0 bar) und • Umgebungsdrucksensor (Druckbereich 60 ... 115 kPa bzw. 0,6 ... 1,15 bar).

D

273

Dickschicht·Drucksensoren

Dickschicht-Drucksensor (für Sieuergeräleeinbau)

2

3

4

5

ｾ ｬ］ｫ､＠

Bild 1 Messbereich :

I

Druckanschluss fOr Messdruckp 2

Druckmesszelle

3

Dichlsleg

Signalaufbereitung :

o

2cm

4

Auswerteschallung

5

D ci kschichlhybrid auf Keramiksubstral

Aufbau und Arbeitsweise Der Sensor ist in eine Druckmesszelle und einen Raum für die Auswerteschaltung unterteilt. Beide Bereiche sind auf einem gemeinsamen Keramiksubstrat angeordnet (Bild 1). Die Druckmesszelle (Bild 2) besteht aus einer "blasenförmigen" Dickschichtmembran, die einen Referenzdruck von 0,1 bar einschließt. Je nach Höhe des Messdrucks wird die Membran verschieden stark ausgelenkt. Im Bereich der Membran sind vier Dehnwiderstände in Brückenschaltung angeordnet: Zwei aktive Dehnwiderstände befinden sich in der Membranmitte und ändern ihre Leitfähigkeit unter mechanischer Spannung (Messdruck). Zwei passive Referenz-Dehnwiderstände sitzen auf dem Membranrand; sie fungieren primär als Brückenergänzungswiderstand zur Temperaturkompensation und tragen wenig zum Ausgangssignal bei. Die Auslenkung der Membran bei Druckeinwirkung bewirkt eine Änderung des Brückenabgleichs. Die Messspannung UM der Brücke ist damit ein Maß für den Messdruckp (Bild 3). Die Auswerteschaltung verstärkt die Brückenspannung, kompensiert die Temperatureinflüsse und linearisiert die Druck-Kennlinie. Die Ausgangsspannung UA der Auswerteschaltung wird dem Steuergerät zugeführt.

Dickschichl-Drucksensor (Druckrnesszelle)

2

3

4

4

2

5

Bild 2 Dickschichi· membran 2

passiver Referenz· Dehnwidersland

>-

ｾＭｉ＠

3

Referenzd ruck-

4

aktiver

kammer (, Blase") ｄ･ｨｮｷｩ､ｲ

ｾ＠

sland :> ｾ＠

5

Keramiksubstrat

I'

Messdruck.

Dickschichl-Drucksensor (Schaltung)

Vo Bild 3 A

DMS·Druck· messzelle

VA B

Verstärker

C Temperalur-Kompensationsschallung

ｾ＠

Ｎｌ

ｾ＠

ｾ＠

ｾ＠

:>

Ua Versorgungsspannung UM Messspannung

U. Ausgangsspannung

274

Sensoren

Mikromechanik

Als .Mikromechanik" bezeichnet man die Herstellung von mechanischen Bauelementen aus Halbleitern (im Regelfall aus Silizium) unter Zuhilfenahme von Halbleitertechniken. Neben den halbleitenden Eigenschaften werden auch die mechanischen Eigenschaften des Siliziums ausgenutzt. Damit lassen sich Sensorfunktionen auf kleinstem Raum ausführen. Folgende Techniken kommen zur Anwendung: Bulk-Mikromechanik Das Material des Silizium-Wafers wird mit anisotropem (alkalischem) Ätzen und mit oder ohne elektrochemischem Ätzstopp in der gesamten Tiefe bearbeitet. Dabei wird das Material von der Rückseite her im Innern der SiIi· ziumschicht (Bild 1, Pos. 2) dort abgetragen I wo keine Ätzmaske (1) aufliegt. Mit diesem Verfahren werden sehr kleine Membranen (a) mit typischen Dicken zwischen 5 und 50 Ilm, Öffnungen (b) sowie Balken und Stege (c) z. B. für Druck- oder Beschleunigungssensoren hergestellt.

Oberflächen-Mikromechanik Trägermaterial ist ein Silizium-Wafer, auf dessen Oberfläche sehr kleine mechanische Strukturen gebildet werden (Bild 2). Zunächst wird eine .Opferschicht" aufgebracht und mit Halbleiterprozessen (z. B. Ätzen) strukturiert (A). Darüber wird eine ca. 10 Ilm dicke Polysiliziumschicht abgeschieden (B) und deren gewünschte Struktur mithilfe einer Lackmaske senkrecht geätzt (C) . lm lelzten Prozessschritt wird die Opferoxidschicht unterhalb der Polysiliziumschicht mit gasförmigem Fluorwasserstoff entfernt (0). Damit werden Strukturen wie z. B. bewegliche Elektroden (Bild 3) für Beschleunigungssensoren freigelegt . Wafer-Bonden Beim anodisches Bonden und Sealglas· bonden werden zwei Wafer unter Einwirkung von Spannung und Wärme bzw. Wärme und Druck fest miteinander verbunden, um z. B.ein Referenzvakuum hermetisch einzuschließen oder empfindliche Strukturen durch Aufbringen von Kappen zu schUtzen.

Mit der Bulk'Mikromechanik herstellbare Strukturen

Maske aufeetzan a Bild 1 a

Herstellen einer

ｾ ｛＠

J

Membran b

Herstellen einer

b

Öffnung c

Herstellen von

[

Balken und Siegen

c Ällmaske 2

Silizium

Bild 2 A

Strukturieren der

B

AbscheIden des

C

Strukturieren des

A

PolysdLZiums PolysilizIums

0

B

Entfernen der OpferschIchi

Bild 3 1 Fesle Elektrode 2

Spall

3

federnde Efeklrode

:::] -

Oberflächen-Mikromechanik (Prozess.ehri"el

AbscheIden und Opferschichi

[

J

-

c o

Maske entfernen

Atzen

["'=7J -

1'Ct71

[\ 21 ｾ＠

t

ｾ

ｩ＠

[>iCXJ - lxxi! Oberflächen-Mikromechanik (Slrukturdetails)

Sensoren

Hochdrucksensoren Anwendung Hochdrucksensoren werden im Kraftfahrzeug zur Druckmessung von Kraftstoffen und von Bremsflüssigkeit angewandt: Diesel -Raildrucksensor Der Diesel-Raildrucksensor misst den Druck im Kraftstoffverteilerrohr (Rail) des DieselSpeichereinspritzsystems Common Rail. Der maximale Arbeitsdruck (Nenndruck) Pmax liegt bei 160 MPa (1600 bar). Der Kraftstoffdruck wird in einem Regelkreis geregelt. Er ist unabhängig von Last und Drehzahl annähernd konstant. Eventuelle Abweichungen vom Sollwert werden über ein Druckregelventil ausgeglichen.

Membran bei geringeren Drücken). Sobald der zu messende Druck über den Druckanschluss (4) auf die eine Seite der Membran wirkt, ändern die Dehnwiderstände auf Grund der Membrandurchbiegung (ca. 20 ).Im bei 1500 bar) ihren Widerstandswert. Die von der Brücke erzeugte Ausgangsspannung von 0... 80 mV wird über Verbindungsleitungen zu einer Auswerteschaltung (2) im Sensor geleitet. Sie verstärkt das Brückensignal auf 0.. .5 V und leitet es dem Steuergerät zu, das daraus mithilfe einer dort gespeicherten Kennlinie (Bild 2) den Druck berechnet. Hochdrucksensar

2cm

Benzin -Raildrucksensor Der Benzin-Raildrucksensor misst den Druck im Kraftstoffverteilerrohr (Rail) der MED-Motronic mit Benzin-Direkteinspritzung, der abhängig von Last und Drehzahl 5... 12 MPa (50 ... 120 bar) beträgt. Der gemessene Druck geht als Istgröße in die Raildruckregelung ein. Der drehzahl- und lastabhängige Sollwert ist in einem Kennfeld gespeichert und wird mit einem Drucksteuerventil im Rail eingestellt. Bremsflüssigkeits-Druck ensor Der Hochdrucksensor misst den Bremsflüssigkeitsdruck im Hydroaggregat von Fahrsicherheitssystemen (z. B. ESP), der in der Regel 25 MPa (250 bar) beträgt. Die maximalen Druckwerte pmax können bis auf 35 MPa (350 bar) ansteigen. Die Druckmessung und -überwachung wird vom Steuergerät ausgelöst und über Rückmeldungen dort ausgewertet.

Aufbau und Arbeitsweise Den Kern des Sensors bildet eine Stahlmembran, auf der Dehnwiderstände in Brückenschaltung aufgedampft sind (Bild 1, Pos. 3). Der Messbereich des Sensors hängt von der Dicke der Membran ab (dickere Membran bei höheren Drücken, dünnere

275

Hochdrucksensaren

Bild 1

_ -+- - - - 4

1

Eleklrischer Anschluss (Slecker)

ｾ Ｍ

Ｕ＠

ｾ＠

..

;;;:"

:::E :::>

ｾ＠

Hochdrucksensar (Kennlinie, Beispiel)

vr - - - - ------------, 4,5 ｾ＠

:::J

c:

[

ｾ＠

'"ｾ＠

..::" ｾ＠

0.5 0 Druck

Pmax

0.

ｾ＠

ｾ＠

!::

2

Auswerte.challung

3

Slahlmembran mil

4

Druckanschluss

Dehnwidersländen

5

Befesligungs· gewinde

276

Sensoren

Staudruck-Luflmengenmesser LMM

Staudruck- Luftmengenmesser LMM Anwendung Der Staudruck-Luftmengenmesser LMM ist noch in zahlreichen Ottomotoren mit bestimmten Ausführungen der L-Jetronic oder M-Motronic in Betrieb_ Er sitzt zwischen Luftfilter und Drosselklappe und erfasst den vom Motor angesaugten Luftstrom QL zur Bestimmung der Motorlast nach dem Staudruckprinzip (Bilder 1 bis 3)_

Bild 1 1 Stauklappe 2 Luftlemperatur· sensor

3

zum Steuergerät

4

Potentiometer

5 6

Dämpfungsvolumen Kompensations-

0.

klappe Ansaugluflstrom

Aufbau und Arbeitsweise Die bewegliche Stauklappe des Luftmengenmessers (Bild 1, Pos. 1) bildet eine variable Blende_ Der Ansaugluftstrom QL lenkt die Stauklappe gegen die konstante Rückstellkraft einer Feder so aus, dass der freie Querschnitt mit zunehmender Luftmenge immer größer wird. Die Änderung des freien Luftmengenmesser-Querschnitts in Abhängigkeit von der Stellung der Stauklappe ist so gewählt, dass sich ein logarithmischer Zusammenhang zwischen Stauklappenwinkel und angesaugter Luftmenge ergibt_ Dies hat eine große Empfindlichkeit des Luftmengenmessers bei kleinen Luftmengen, die eine hohe Messgenauigkeit erfordern, zur Folge. Die geforderte Messgenauigkeit beträgt 1 .. _3 % vom Messwert über einen Bereich von Qmax : Qmin = 100 : l. Ein Potentiometer (4) greift die WinkelsteIlung der Stauklappe ab und setzt diese in eine elektrische Ausgangsspannung UA (Bild 4) zur Weitergabe an das Steuergerät um_ Damit Alterung und Temperaturgang des Potentiometers keinen Einfluss auf die Genauigkeit haben, wertet das Steuergerät nur Widerstandsverhältnisse aus. Ein weiterer zu berücksichtigender Effekt sind die Saughübe in den einzelnen Motorzylindern, die Schwingungen im Ansaugsystem hervorrufen. Der Sensor kann solchen Schwankungen nur bis 10 Hz folgen_ Um diese Einflüsse möglichst gering zu halten, dämpft eine mit der messenden

Stauklappe fest verbundene Kompensationsklappe (Bild 1 Pos_ 6) in Verbindung mit einem "Dämpfungsvolumen" (5) die Schwingungen der pulsierenden Ansaugluft_ Die Messung nach dem Staudruckprinzip erfasst statt des gewünschten Massenflusses, der dem Produkt aus p - v proportional ist, nur ein Durchflussmaß, das dem Produkt aus jp. v proportional ist_ Für eine präzise Kraftstoffzumessung ist daher eine Dichtekorrektur (Lufttemperatur, Luftdruck) durchzuführen_ Um Änderungen der Luftdichte bei sich ändernden Temperaturen der Ansaugluft zu berücksichtigen, ermittelt das Steuergerät dazu einen Korrekturwert aus dem temperaturabhängigen Widerstand eines im Luftmengenmesser integrierten Temperatursensors (2)_ Bei Ausführungen der M-Motronic erfolgt zusätzlich eine barometrische Druckkorrektur_ Dazu ist ein Saugrohr-Drucksensor pneumatisch mit dem Saugrohr verbunden und nimmt so den SaugrohrAbsolutdruck auf. Er ist entweder direkt im Steuergerät integriert (mit einer Schlauchleitung zum Saugrohr) oder ist in Saugrohrnähe oder direkt am Saugrohr befestigt.

Staudruck-Luflmengenmesser

2 - -R___

aI

3

4

5

6

Sensoren

277

Staudruck-Luflmengenmesser LMM

Bild 2

Kompensations> klappe

ｾ＠ >-

ｾ＠

2 3 4 5

Slauklappe LeerlaufgemisehEinsleIlschraube

::E :>

=

Dämpfungsvolumen Bypass

(Bypass)

Ql An saugluflsl rom

Bild 3

1

7

Zahnkranz 10r die Federvorspannung

2 3 4

Rückholfeder Schleiferbahn Keramikplatte mil Widerständen und

＠ｾ = ::E :>

Leilungszügen

5 6

ｓ｣ｨｬ･ｾｲ｡｢ｧｩｦ＠

Sehleifer Pumpenkonlakl

Ql Ansauglultslrom

Staudruck-Luflmengenmesser (Potentiometersehallung und Spannungskennlinie)

Bild 4 Sehleiferbahn ｯｾ＠

o

__ｾ＠

1000

____ｾ＠

2000

Luftmenge Ql

__ｾ＠

2 IImin

Leilerslege (StützsielIen)

Für die Kennlinie g ill:

U. - lIQl

278

Sensoren

Hitzdraht·Luftmassenmesser HLM

Hitzdraht- Luftmassenmesser HLM Anwendung Der Hitzdraht -Luftmassenmesser HLM befindet sich bei bestimmten Ottomotoren mit LH-Jetronic oder M-Motronic als "thermischer" Lastsensor zwischen Luftfilter und Drosselklappe. Er erfasst den vom Motor angesaugten Luftmassenstrom QM zur Bestimmung der Motorlast. Der HLM ist der schnellste der im Einsatz befindlichen LuftDurchflussmesser, denn er kann noch Durchschnittsschwankungen bis zu 1 kHz folgen.

Bild 1 Rtc Temperatur·Kompen-

sationswiderstand RH Hitzdraht ·Heizwider·

stand NM Messwiderstand

R

l' Brücken·Abgle,ch· widerstände

UM Messspannung IH Heizstrom r,

Luhtemperatur

Q" Luftmassenstrom

Bild 2 1

Temperatur· Kompensations-

widerstand RK 2

Sensorring mit Hit'z-

draht RH 3

Präzisionswider·

stand (Messwider· stand R..) Qu Luftmassenstrom

Aufbau Der HLM besteht aus einem beidseitig mit Gittern geschützten röhrenförmigen Gehäuse, durch das der Ansaugluftstrom fließt. über den Querschnitt dieses Messrohrs ist ein beheizbarer, 70 firn dünner Hitzdraht aus Platin trapezförmig aufgespannt und erfasst so in guter Näherung den gesamten Strömungsquerschnitt. Davor (strömungsaufwärts) ragt ein TemperaturKompensationswiderstand (in Dünnschichttechnik) in den Luftstrom. Beide Komponenten sind Bestandteile einer Regelschaltung und wirken dort als temperaturabhängige Widerstände. Die Regelschaltung besteht vorwiegend aus einer Brückenschaltung und einem Verstärker (Bilder 1 und 2) . Arbeitsweise Der Temperatur-Kompensationswiderstand misst zuerst die Temperatur der durchströmenden Ansaugluft, die dann anschließend den beheizten Hitzdraht abkühlt. Eine Regelschaltung führt den Heizstrom so nach, dass der Hitzdraht eine konstante übertemperatur gegenüber der Ansauglufttemperatur annimmt. Dieses Messprinzip berücksichtigt die Luftdichte im richtigen Maß, da sie die Höhe der Wärmeabgabe vom Hitzdraht an die Luft mitbestimmt. Der Heizstrom ist dementsprechend ein Maß für den Luftmassenstrom. Der Heizstrom er-

zeugt an einem Präzisionswiderstand (Messwiderstand RM) ein dem Luftmassenstrom proportionales Spannungssignal UM, das dem Steuergerät zugeführt wird. Der HLM kann allerdings die Strömungsrichtung nicht erkennen. Um ein "Driften" der Messergebnisse wegen Schmutzablagerungen auf dem Platindraht zu vermeiden, wird der Hitzdraht nach jedem Abstellen des Motors zum Reinigen jeweils für eine Sekunde auf eine hohe Freibrenntemperatur von ca. 1000°C gebracht. Dabei dampft bzw. platzt der angelagerte Schmutz ab, und der Draht ist gereinigt. Hitzdraht·Luftmassenmesser (Schaltung)

----1

Hitzdraht·Lufimassenmesser (Komponenten)

Sensoren

Heißfilm-Luftmassenmesser HFM2 Anwendung Der Heißfilm-Luftmassenmesser HFM2 ist ein Dickschichtsensor, der sich bei bestimmten Ottomotoren mit LH-Jetronic oder M-Motronic als "thermischer" Lastsensor zwischen Luftfilter und Drosselklappe befindet. Er erfasst mit hoher Genauigkeit den vom Motor angesaugten Luftmassenstrom OM zur Bestimmung der Motorlast. Aufbau Der elektrisch beheizte Platin-Heizwiderstand RH (Heizer) des Heißfilm -Luftmassenmessers HFM2 befindet sich zusammen mit weiteren Brückenwiderständen auf einem Keramikplättchen (Substrat, Bild 1). Bestandteil der Brücke ist auch ein temperaturabhängiger Widerstand Rs (Durchflusssensor), der die Temperatur des Heizers erfasst. Die Trennung von Heizer und Durchflusssensor ist vorteilhaft für die Auslegung der Regelschaltung. Das Heizelement und der Lufttemperatur-Kompensationssen sor RK sind mit zwei Sägeschnitten thermisch entkoppelt (Bild 2). Da sich der Schmutz hauptsächlich an der Vorderkante des Sensorelementes anlagert, sind die für den Wärmeübergang entscheidenden Elemente stromabwärts auf dem Keramiksubstrat angeordnet. Zusätzlich ist der Sensor so gestaltet, dass Schmutzaufbau die Umströmung des Sensors nicht beeinflusst. Arbeitsweise Der elektrisch beheizte Platin-Heizwiderstand ragt in den Ansaugluftstrom, wo ihn die strömende Luft abkühlt. Die Regelschaltung führt den Heizstrom so nach, dass der Heizwiderstand eine konstante übertemperatur gegenüber der Ansauglufttemperatur annimmt. Die Luftdichte wird bei diesem Messprinzip im richtigen Maß berücksichtigt, da sie genau wie die Strömungsgeschwindigkeit die Höhe der Wärmeabgabe vom beheizten Körper an die Luft mitbe-

279

Heißfilm·Luftmassenmesser HFM2

stimmt. Der Heizstrom IH bzw. die Spannung am Heizer ist dann ein (nichtlineares) Maß für den Luftmassenstrom QM. Die Elektronik des Heißfilm-Luftmassenmessers wandelt diese Spannung in eine für das Steuergerät angepasste Spannung UM um. Daraus berechnet dann der Rechner des Steuergeräts die pro Arbeitsspiel angesaugte Luftmasse. Der HFM2 kann allerdings die Strömungsrichtung nicht erkennen. Die auf den Messwert bezogene Langzeitmessgenauigkeit von ±4 % bleibt ohne Freibrennen von Schmutz erhalten.

Heißfilm-luftmassenmesser (Schaltung)

Bild 1 Rt( Temperatur-Kompe n-

sahonssensor RH Heizwiderstand Rs Sensorwiderstand NIl

ｾ＠

;;;:

::E :::>

= ｾＭ

Brückenwiderstände

R" R, UM Messspann ung IH

Heilslrom

'L

LufHemperatur

QM Luflmassenstrom

HeiBfilm-Sensor (Su bstrat)

A

B

r=-==-=-=-.. ,

Bild 2 A B

2

ｾ＠

Vorderseite Rüc:kselle Keramiksubstral

1

:zwei Sägeschnitte

3

Kontakte

RK Temperatur-Kompen-

sahonssensor RH Heizwiderstand Rs Sensorwldersland

R, Brückenwidersland

280

Sensoren

HeiBfilm·Luftmassenmesser HFM5

Heißfilm-Luftmassenmesser HFM5 Anwendung

Eine optimale Verbrennung im Rahmen der gesetzlich festgelegten Abgasgrenzwerte setzt voraus, dass die dazu im jeweiligen Betriebszustand notwendige Luftmasse präzise zugeführt wird. Zu diesem Zweck misst der Heißfilm-Luftmassenmesser einen Teilstrom des tatsächlieh durch das Luftfilter bzw. das Messrohr strömenden Luftmassenstroms sehr genau. Er berücksichtigt auch die durch das Öffnen und Schließen der Ein- und Auslassventile hervorgerufenen Pulsationen und Rückströmungen. Änderungen der Ansauglufttemperatur haben keinen Einfluss auf die Messgenauigkeit. Aufbau

Der Heißfilm-Luftmassenmesser HFM5 ragt mit seinem Gehäuse (Bild 1, Pos. 5) in ein Messrohr (2), das je nach der für den Motor benötigten Luftmasse unterschiedliche

Durchmesser haben kann (für 370 . .. 970 kglh). Das Messrohr ist nach dem Luftfilter im Ansaugtrakt eingebaut. Es gibt auch Stecksensoren, die im Luftfilter montiert sind. Wesentliche Bestandteile des Sensors sind eine vom Messteilstrom der Luft im Einlass (8) angeströmte Messzelle (4) sowie eine integrierte Auswerteelektronik (3). Die Elemente der Messzelle sind auf ein Halbleitersubstrat und die Elemente der Auswerteelektronik (Hybridschaltung) auf ein Keramiksubstrat aufgedampft. Dadurch ist eine sehr kleine Bauweise möglich. Die Auswerteelektronik ist wiederum über elektrische Anschlüsse (1) mit dem Steuergerät verbunden. Der Teilstrom-Messkanal (6) ist so geformt, dass die Luft ohne Verwirbelung an der Sensormesszelle vorbei und über den Auslass (7) in das Messrohr zurückfließen kann. Dadurch verbessert sich das Sensorverhalten bei stark pulsierenden Strömungen, und neben den Vorwärtsströmungen werden auch Rückströmungen erkannt (Bild 2).

HeiBfilm·Luftmassenmesser HFM5 (Schema)

Arbeitsweise

Der Heißfilm-Luftmassenmesser ist ein "thermischer Sensor". Er arbeitet nach folgendem Prinzip:

Bild 1 , Elektrische Anschlüsse (Slecker) 2

Messrohr· oder

Auf der Sensormesszelle (Bild 3, Pos. 3) beheizt ein zentral angeordneter Heizwiderstand eine mikromechanische Sensormembran (5) und hält sie auf einer konstanten Temperatur. Außerhalb dieser geregelten Heizzone (4) fällt die Temperatur aufbeiden Seiten ab.

Luftfiltergehäuse· wand 3

Auswerteelektronik

(Hybridschaltung) 4

Sensormesszelle

5 6

Sensorgehäuse Teilslrom· Messkanal

7

Auslass Messteil· strom QM

8

Einlass Messteil· strom QM

Zwei symmetrisch zum Heizwiderstand stromauf- und stromabwärts auf der Membran aufgebrachte temperaturabhängige Widerstände (Messpunkte M" M2 ), erfassen die Temperaturverteilung auf der Membran. Ohne Luftanströmung ist das Temperaturprofil (1) auf beiden Seiten gleich (T, = T2 ).

Sensoren

Strömt Luft über die Sensormesszelle, verschiebt sich das gleichmäßige Temperaturprofil auf der Membran (2). Auf der Ansaugseite ist der Temperaturverlauf steiler, da die vorbeiströmende Luft diesen Bereich abkühlt. Auf der gegenüberliegenden, dem Motor zugewandten Seite kühlt die Sensormesszelle zunächst ab. Die vom Heizelement erhitzte Luft erwärmt dann aber im weiteren Verlauf die Sensormesszelle. Die Änderung der Temperaturverteilung führt zu einer Temperaturdifferenz (Lln zwischen den Messpunkten M1 und

M2 . Die an die Luft abgegebene Wärme und damit der Temperaturverlauf an der Sensormesszelle hängt von der vorbeiströmenden Luftmasse ab. Die Temperaturdifferenz ist (unabhängig von der absoluten Temperatur der vorbeiströmenden Luft) ein Maß für die Masse des Luftstroms; sie ist zudem richtungsabhängig, sodass der Luftmassenmesser sowohl den Betrag als auch die Richtung eines Luftmassenstromes erfassen kann. Auf Grund der sehr dünnen mikromechanischen Membran reagiert der Sensor sehr schnell auf Veränderungen « 15ms). Dies ist besonders bei stark pulsierenden Luftströmungen wichtig. Die Widerstands differenz an den Messpunkten M1 und M2 wandelt die im Sensor integrierte Auswerteelektronik in ein für das Steuergerät angepasstes analoges Spannungssignal zwischen 0 ... 5 V um. Mithilfe der im Steuergerät gespeicherten Sensorkennlinie (Bild 2) wird die gemessene Spannung in einen Wert für den Luftmassenstrom umgerechnet [kg/h]. Die Kennliniencharakteristik ist so gestaltet, dass die integrierte Diagnose im Steuergerät Störungen wie z. B. eine Leitungsunterbrechung erkennen kann. Im HeißfilmLuftmassenmesser HFM5 kann ein Temperatursensor für zusätzliche Auswertungen integriert sein. Er befindet sich auf der Sensormesszelle vor der Heizzone.

Heißfilm-Luftmassenmesser HFM5

281

Für die Bestimmung der Luftmasse ist er nicht erforderlich. Für bestimmte Fahrzeugapplikationen gibt es zusätzliche Vorkehrungen für eine bessere Wasser- und Schmutzabscheidung (Innenrohr, Schutzgitter). Heißfilm-Luhmassenmesser (Ausgangsspannung in Abhängigkeit vom vorbeisträmenden Messteilstrom) ｶｲＭ

Ｍｾ＠

6

RuckS1rOmung /

Ifofwartsströmung

5

OLL____ｾＭ＠

o

!"..Ｌ Ｇｭｷｾ＠

200 400 k9th 600 Luftmassenstrom

....om....,

ＨｍＧ

Ｇ ｾ Ｚ Ｈ ｬＱ＠ 2

Bild 3 Temperaturprolil ohne Anströmung 2

Temper. turprolll mit An strömung

3

S ensormes..elle

4

Heizzone

5

Sensormemb"",

6

M e•• rohr mit L uftmassenmesser An saugluftstrom

M " M, M esspunkte TI, T'2

Temperaturwerte an den Messpunkten M ,

und M 2

tl T Temper. turdifferenz

282

Sensoren

Zweipunkt-Lambda-Sonden

Zweipunkt-Lambda-Sonden Anwendung Zweipunkt-Lambda-Sonden kommen bei Ottomotoren mit Zweipunkt -Lambda -Regelung zum Einsatz_ Sie ragen in das Auspuffrohr und erfassen gleichmäßig den Abgasstrom aller Zylinder_ Die Wirkungsweise beruht auf dem Prinzip einer galvanischen Sauerstoff-Konzentrationszelle mit einem Festkörperelektrolyt "Zweipunktsonden" zeigen an, ob im Abgas fettes (A < 1) oder mageres Gemisch (A > 1) vorliegt. Die sprungförmige Kennlinie dieser Sonden erlaubt eine Gemischregelung aufA = 1 (Bild 1)_

Aufbau Finger onden Der Festkörperelektrolyt besteht aus einem einseitig geschlossenen gasundurchlässigen Keramikkörper aus Zirkoniumdioxid und ist mit Yttriumoxid stabilisiert. Die Oberflächen sind beidseitig mit Elektroden aus einer porösen dünnen Platinschicht versehen_ Die Platinelektrode auf der Außenseite, die in das Auspuffrohr ragt, wirkt wie ein (S pannungskennlinie für 600

mV

a

a

b

mageres Gem.sch (Lultüberschuss)

.g 0>

c c: c:

Bild 2 1

Sondenkeramik

2

Elektroden

3

Kontakte

4

G ehäuse· kontaklierung

Abgasrohr ke(amlsche Schutz-

sch.ch t (porös) 7

Abgas

8

Au6enlufl

Us Sonden spannung

os Cl.

'"c:

8

- _0 _- _--

1000

:>

5 6

oe Arbeitslemperalur)

Felles Gemisch (LufImangei)

b

Unbeheizte Fingersonde L521 Ein keramisches Stützrohr und eine Tellerfeder halten die aktive, fingerförmige Sondenkeramik im Sondengehäuse und dichten sie ab (Bild 3, Aufbau ähnlich der beheizten Lambda-Sonde Bild 4, jedoch ohne Heizelement)_ Ein Kontaktteil zwischen dem Stützrohr und der aktiven Sondenkeramik sorgt für die Kontaktierung der Innenelektrode bis zum AnschlusskabeL Der metallische Dichtring verbindet die Außenelektrode mit dem Sondengehäuse_ Eine metallische Schutzhülse, die gleichzeitig auch als Widerlager für die Tellerfeder dient, Anordnung eine, Fingersonde im Abgasroh,

Zweipunkt-Lambda-Sonde

Bild 1

kleiner Katalysator: das auftretende Abgas wird dort katalytisch nachbehandelt und ins stöchiometrische Gleichgewicht (A = 1) gebracht. Zusätzlich ist auf der dem Abgas ausgesetzten Seite zum Schutz vor Verschrnutzung eine poröse Keramikschicht (Spinellschicht) aufgebracht. Ein Metallrohr mit mehreren Schlitzen schützt den Keramikkörper gegen mechanische Beanspruchung (Stöße) und gegen Thermoschocks_ Der dem Abgas ab gewandte innere offene Raum steht mit der Außenluft als Referenzgas in Verbindung (Bild 2)_

ｾ＠

800 600

Q)

"0

c:

0

cn

400

ｾ＠

200

o

0,8

I

'-

0,9

1,1

LuftzahlJ

-B -

-

-

-

Sensoren

hält und fixiert den gesamten inneren Aufbau der Sonde. Sie schützt auch das Sondeninnere gegen Verschrnutzung. Das Anschlusskabel ist an dem nach außen geführten Kontaktteil "angecrimpt" und wird mit einer temperaturbeständigen Kappe vor Feuchtigkeit und mechanischer Beschädigung geschützt. Um Verbrennungsrückstände im Abgas von der Sondenkeramik fernzuhalten, ist am Sondengehäuse abgasseitig ein Schutzrohr mit einer besonderen Form angebracht. Die Schlitze im Schutzrohr sind so gestaltet, dass sie besonders wirkungsvoll vor großen thermischen und chemischen Belastungen schützen.

283

Zweipunkt·Lambda·Sonden

Beheizte Fingersonde LSH24 Die beheizte Fingersonde (Bild 4) besitzt zusätzlich ein Heizelernent. Bei dieser Sonde wird die Keramiktemperatur bei niedriger Motorlast (d. h. bei niedriger Abgastemperatur ) von der elektrischen Heizung, bei hoher Last von der Abgastemperatur bestimmt. Die beheizte Fingersonde lässt einen Einbau in größerer Entfernung vom Motor zu, sodass selbst Dauer-Vollastfahrten unproblematisch sind. Die externe Heizung führt zu einer schnellen Aufheizung, sodass innerhalb von 20 ... 30 s nach dem Start des Motors die Betriebstemperatur erreicht und damit die Lambda-Regelung freigegeben wird. Da die beheizte Sonde ständig eine optimale Betriebstemperatur hat, werden niedrige und stabile Abgasemissionen erreicht.

Bild 3

1

Schutlrohr

2

aktive Sondenkeramik

2

3

4

5

7

6

3

Sondengehäuse

4

Kontakt te,l

5

Schutzhülse

6

keramisches SlütZ·

7

Tellerfeder

8

Anschlusskabel

8

rohr

Beheizlc Finger-Lambda-Sonde LSH24

Bild 4

3

2

t

Sondengehause

2

kel3mlsches Stutzrohr

3

Anschlusskabel

4

Schutzrohr mit

5

akt,ve Sonden ·

6 7

Kontaklle,1 Schutzhülse

8 9

Klemmanschlüsse

Schh12en keramik

4

5

6

7

I

8

I 9

ｾ＠ 10

ｾ＠

::!;

=>

4b

HClzelcmcnt

für Heizelemen t 10 Tellerieder

284

Sensoren

Zweipunkt-Lambda-Sonden

'\

\.

Die Planarkeramik (Messzelle und Heizer sind integriert) hat die Form eines langgestreckten Plättchens mit rechteckigem Querschnitt Die Oberfläche der Messzelle ist mit einer mikroporösen Edelmetallschicht versehen_ Diese ist auf der Abgasseite zusätzlich von einer porösen keramischen Schutzschicht zum Verhindern von erosiven Schädigungen durch die Rückstände im Abgas abgedeckt Der Heizer besteht aus einem edelmetallhaltigen Mäander, der isoliert in das keramische Plättchen integriert ist und für eine schnelle Erwärmung sorgt Während die Referenzkammer im Innern der Sonde LSF4 (Bilder 6a und 7) einen Zugang zur Luft der Umgebung hat, enthält die Sonde LSF8 (Bilder 6b und 8) eine nach außen abgeschlossene Sauerstoff-Referenzkammer_

'"

\.

Arbeitsweise

Planare Lambda - on den Planare Sonden entsprechen funktionell den beheizten Fingersonden mit einer Sprungkennlinie bei A '" L Der Festkörperelektrolyt besteht jedoch aus einzelnen, aufeinander laminierten keramischen Folien (Bild 5)_ Ein doppelwandiges Schutzrohr schützt ihn vor thermischen und mechanischen Einflüssen_ Planare Lambda-Sonde (Funktionsschichten)

""-

2

""-

-..

3

4

Bild 5 Poröse Schutz-

5

schicht

2 3

AuBenelektrode

6

Sensorfolie

7

4

Innenelektrode

5

Referen:zluftkanal·

6 7 8 9

Isola,ionsschicht

6

B

folie

9

Heizer

T

ｾ＠

\

""-, ,, ,,

""-, ｾ＠

ｾ＠

Planare Lambda-Sonde (schemalischer Aufbau)

Bild 6 AusfOhnung LSF4 Ausführung LSFB

1

Abgas

2

poröse keramische

Schutzschichi

3

Messz.elle mit mikroporöser Edelmelallschichi

4a Referenzluftkenal 4b Referenzkammer für

0, S

Heizer

U. Ausgangsspannung Us Sondenspannung

Up Pumpspannung U.., Referen.spannung

:E

::.

Anschlusskontakte

b

;;; ｾ＠

Hei.erfolie

a

ｾ＠ ;;!;

b

Die Keramik der nach dem Nernst-Prinzip arbeitenden Zweipunktsonden wird ab etwa 350 oe für Sauerstoffionen leitend_ Da auch bei Betrieb mit Kraftstoffüberschuss noch Restsauerstoff im Abgas enthalten ist (z_ B. bei A '" 0,95 noch 0,2 ___ 0,3 Volumenprozent), tritt zwischen den beiden Grenzflächen wegen des unterschiedlichen Sauerstoffanteils aufbeiden Seiten der Sonde eine elektrische Spannung auf_ Dadurch ist es möglich, den Sauerstoffanteil im Abgas als Maß für das Luft -Kraftstoff-Verhältnis heranzuziehen_ Die Sonde LSF8 hat die Besonderheit, dass sie den Restsauerstoff des Abgases mit dem Sauerstoff einer nach außen abgeschlossenen Referenzkammer im Sondeninnern vergleicht Bei einer an zwei Elektroden angelegten Pumpspannung Up fließt ein Strom von 20 M, der permanent Sauerstoff aus dem Abgas durch die Sauerstoff leitende ZrOz-Keramik in die Referenzkammer mit porösem Füllmaterial hineinpumpt Aus der Referenzkammer diffundiert aber auch permanent Sauerstoff zur Abgasseite entsprechend dem dort herrschenden Sauerstoffgehalt_ Aus diesem Wechselspiel resultiert die jeweilige Sondenspannung_

Sensoren

Die von der Sonde je nach Sauerstoffanteil im Abgas abgegebene Spannung erreicht bei fettem Gemisch (A < 1) 800... 1000 m V, bei magerem Gemisch (A > 1) werden nur noch um 100 mV erreicht. Der übergang vom fetten zum mageren Bereich liegt bei 450 .. .500 mV. Auch die Temperatur des Keramikkörpers beeinflusst die Leitfähigkeit für die Sauerstoffionen und damit den Verlauf der abgegebenen Spannung in Abhängigkeit von der Luftzahl A (die Werte in Bild 1 gelten für ca. 600°C). Außerdem ist die Ansprechzeit für eine Spannungsänderung bei einem Wechsel der Gemischzusammensetzung stark temperaturabhängig.

285

Zweipunkt-Lambda-Sonden

Liegen diese Ansprechzeiten bei einer Keramiktemperatur unter 350 0 e im Sekundenbereich, so reagiert die Sonde bei optimaler Betriebstemperatur um 600 0 e schon nach einer Zeit< 50 ms. Nach dem Start eines Motors wird deshalb bis zum Erreichen der Mindest-Betriebstemperatur von etwa 350 0 die Lambda-Regelung abgeschaltet. Der Motor wird dabei gesteuert betrieben.

e

Zu hohe Temperaturen verkürzen die Lebensdauer. Deshalb muss die LambdaSonde so eingebaut sein, dass bei längerem Volllastbetrieb 850 oe nicht überschritten werden; für kurze Zeit sind bis zu 930 0 e zulässig.

Planare Lambda-Sonde LSF4

7

Bild 7 Schutuohr keramisches Dichtpaket 3

Sondengehäuse

4

keramisches Stütz'

5

planare Messzelle

rohr 6

SchutzhOlse

7

Anschlusskabel

Planare Lambda·Sonde LSF8

1cm

56

7

8 Bild 8 1

Schulzrohr

2

planare Messzelle

3

Isolierbuchse

4

keramisches Dichtpaket

5

Überwu rlmutler

6

D ci htflansch

7

Sondengehäuse

8

Metallmantelleilung

Sensoren

286

Planare Breitband·Lambda-Sonde LSU4

Planare Breitband-LambdaSonde LSU4 Anwendung Mit der Breitband-Lambda-Sonde kann die Sauerstoftkonzentration im Abgas in einem großen Bereich bestimmt und damit auf das Luft -Kraftstoff-Verhältnis im Brennraum geschlossen werden. Die Luftzahl A beschreibt dieses Luft -Kraftstoff-Verhältnis. Breitband-Lambda-Sonden können nicht nur im "stöchiometrischen" Punkt bei A = 1, sondern auch im mageren (A > 1) und fetten (A < 1) Bereich genau messen. Sie liefern im Bereich 0,7 < A < 00 (00 = Luft mit 21 % O 2) ein eindeutiges, stetiges elektrisches Signal (Bild 2).

Bild 1 1

Abgas

2

Abgasrohr

3

Heizer

4

Regeleleklronik

5

Referenzzelte mil Referen,luflkanal

6

Diffusionsspall

7

Nernsl'

Mit diesen Eigenschaften kommt die Breitband-Lambda-Sonde nicht nur bei Motormanagementsystemen mit Zweipunkt-Regelung (A = 1), sondern auch bei Regelkonzepten mit mageren und fetten Luft -KraftstoffGemischen zum Einsatz. Sie eignen sich aber auch für die Lambda-Regelung von Ottomotor-Magerkonzepten, Dieselmotoren, Gasmotoren und Gasheizthermen (daher die Bezeichnung LSU: Lambda-SondeUniversal). Die Sonde ragt in das Abgasrohr und erfasst den Abgasstrom aller Zylinder.

Sauerstoff· Pump,elle mit innerer und äußerer

Pumpeleklrode 9

poröse Schutzschichl

10 Gaszulrittsloch 11

poröse Diflu.ions· barriere

Ip

Pumpstrom

Up Pumpspannung U H Heizspannu ng ｕＮ

ｾ＠

Referen,spannung (450 mV, enlsprichl A = 1)

Us Sondenspannung

Aufbau Die Breitband-Lambda-Sonde LSU4 (Bild 3) ist eine planare Zweizellen-Grenzstromsonde. Ihre Messzelle (Bild 1) besteht aus einer Zirkondioxyd-Keramik (Zr02)' Sie ist die Kombination einer Nernst-Konzentrationszelle (Sensorzelle, Funktion wie bei einer Zweipunkt-Lambda-Sonde) und einer Sauerstoff-Pumpzelle, die Sauerstoffionen transportiert. Die Sauerstoff-Pumpzelle (Bild 1, Pos. 8) ist zu der Nernst-Konzentrationszelle (7) so angeordnet, dass zwischen beiden ein Diffusionsspalt (6) von etwa 10.. .50 firn entsteht. Der Diffusionsspalt steht mit dem Abgas durch ein Gaszutrittsloch (10) in Verbindung; die poröse Diffusionsbarriere (11) begrenzt dabei das Nachfließen der Sauerstoffmoleküle aus dem Abgas. Die Nernst-Konzentrationszelle ist auf der einen Seite durch einen Referenzluftkanal (5) über eine Öffnung mit der umgebenden Atmosphäre verbunden; auf der anderen Seite ist sie dem Abgas im Diffusionsspalt ausgesetzt.

Planare Breitband ·Lambda·Sonde (schemalischer Aufbau der Messzelle und Anordnung im Abgasrohr)

Konzenlrationszelle

6

Für eine genauere Regelung werden bei einigen Systemen auch mehrere Sonden eingesetzt, zum Beispiel vor und nach dem Katalysator sowie in den einzelnen Abgassträngen (Zylinderbänken).

2

3

r - - -------, .4

_

1

Sensoren

Die Sonde liefert erst bei einer Betriebstemperatur von mindestens 600 ... 800 oe ein brauchbares Signal. Damit diese Betriebstemperatur schnell erreicht wird, ist die Sonde mit einem integrierten Heizer (3) versehen.

Arbeitsweise Das Abgas gelangt durch das kleine Gaszutrittsloch der Pumpzelle in den eigentlichen Messraum (Diffusionsspalt) der Nernst-Konzentrationszelle. Damit die Luftzahl A im Diffusionsspalt eingestellt werden kann, vergleicht die Nernst-Konzentrationszelle das Gas im Diffusionsspalt mit der Umgebungsluft im Referenzluftkanal.

287

Planare Breitband-Lambda-Sonde LSU4

(positiver Pumpstrom). Bei fettem Abgas wird dagegen der Sauerstoff (durch katalytische Zersetzung von eÜ2 und H 2ü an der Abgaselektrode) aus dem Abgas der Umgebung in den Diffusionsspalt gepumpt (negativer Pumpstrom). Bei A = 1 muss kein Sauerstoff transportiert werden. Der Pumpstrom ist Null. Der Pumpstrom ist proportional der Sauerstoftkonzentration im Abgas und so ein (nicht lineares) Maß für die Luftzahl A (Bild 2).

Der gesamte Vorgang läuft auf folgende Weise ab: Durch Anlegen einer Pump spannung Up an den Platinelektroden der Pumpzelle kann Sauerstoff durch die Diffusionsbarriere hindurch aus dem Abgas in den Diffusionsspalt hinein- oder herausgepumpt werden. Eine elektronische Schaltung im Steuergerät regelt diese an der Pump zelle anliegende Spannung Up mithilfe der Nernst-Konzentrationszelle so, dass die Zusammensetzung des Gases im Diffusionsspalt konstant bei A = 1 liegt. Bei magerem Abgas pumpt die Pumpzelle den Sauerstoff nach außen

Pumpslrom Ip einer Breilband-Lambda·Sonde in Abh ängigkeil von der Luftzahl ｾ＠ des Abgases

mA r - - - - - -

E

i

ｏ ｲＮＭ

E

Ｍｾ

Ｗ｟Ｍ

ｾ＠

.f

ＭＲ

__ｾ＠ ｾ＠

0.7 1

__ｾ＠ 2 LuI1zahI i1

____- J 3

Planare Breilband-Lambda-Sonde LSU4 (Schnitt) Bild 3 Messzelle (Kombination aus Nemst· Konzentrationszelle

t=:-oo!

und Sauerslaff·

lem

Pumpzelle)

3

5

6

7

9

10

11

12

2

Doppelschulzrohr

3

Dichlring

4

Dichlpakel

5

Sondengehäuse

6 7

Konlaklhaller

8 9

PTFE -TOlle (Teflon)

SChulzhülse Konlaklclip

10 PTFE·Formschlauch

11 fünf Anschluss· leilungen 12 Dichlung

288

Steuergerät

Einsatzbedingungen, Aufbau, Datenverarbeitung

Steuergerät Mit der Digitaltechnik ergeben sich vielfältige Möglichkeiten zur Steuerung und Regelung elektronischer Systeme im Kraftfahrzeug. Viele Einflussgrößen können gleichzeitig mit einbewgen werden, sodass sich die Systeme bestmöglich betreiben lassen. Das Steuergerät empfangt die elektrischen Signale der Sensoren, wertet sie aus und berechnet die Ansteuersignale für die Stellglieder (Aktoren). Das Steuerungsprogramm - die "Software" - ist in einem Speicher abgelegt. Die Ausführung des Programms übernimmt ein Mikrocontroller. Die Bauteile des Steuergeräts werden als "Hardware" bezeichnet. Das MotronicSteuergerät umfasst alle Steuer- und Regelalgorithmen für das Motormanagement (Zündung, Gemischbildung usw.)

Einsatzbedingungen An das Steuergerät werden hohe Anforderungen gestellt. Es ist hohen Belastungen ausgesetzt durch • extreme Umgebungstemperaturen (im normalen Fahrbetrieb von -40 bis +60 ... + 125°C), • starke Temperaturwechsel, • Betriebsstoffe (Öl, Kraftstoff usw.), • Feuchteeinflüsse und • mechanische Beanspruchung wie z. B. Vibrationen durch den Motor. Das Steuergerät muss beim Start mit schwacher Batterie (z. B. Kaltstart) und bei hoher Ladespannung sicher arbeiten (Bordnetzschwankungen ). Weitere Anforderungen ergeben sich aus der EMV (Elektromagnetische Verträglichkeit). Die Forderungen an die elektromagnetische Störunempfindlichkeit und an die Begrenzung der Abstrahlung hochfrequenter Störsignale sind sehr hoch.

Aufbau Die Leiterplatte mit den elektrischen Bauteilen (Bild 1) befindet sich in einem Kunststoff- oder Metallgehäuse. Die Sensoren, die Stellglieder und die Stromversorgung sind über eine vielpolige Steckverbindung (1) an das Steuergerät angeschlossen. Die Hochleistungsendstufen (3) zur direkten Ansteuerung der Stellglieder sind so im Gehäuse des Steuergeräts integriert, dass eine sehr gute Wärmeableitung zum Gehäuse und zur Umgebung gewährleistet ist. Die meisten elektronischen Bauteile sind in SMD-Technik ausgeführt (Surface Mounted Devices, d. h. oberflächenmontierte Bauteile). Dies ermöglicht eine besonders Platz und Gewicht sparende Bauweise. Nur einige Leistungsbauteile und die Stecker sind in Durchsteckmontagetechnik ausgeführt. Für den Anbau des Steuergeräts direkt am Motor gibt es auch kompakte, thermisch höher beanspruchbare Ausführungen in Hybridtechnik.

Datenverarbeitung Eingangssignale

Sensoren bilden neben den Stellgliedern (Aktoren) als Peripherie die Schnittstelle zwischen dem Fahrzeug und dem Steuergerät als Verarbeitungseinheit. Die elektrischen Signale der Sensoren werden dem Steuergerät über Kabelbaum und den Anschlussstecker (1) zugeführt. Diese Signale können unterschiedliche Formen haben: Analoge Eingang ignale Analoge Eingangssignale können jeden beliebigen Spannungswert innerhalb eines bestimmten Bereichs annehmen. Beispiele für physikalische Größen, die als analoge Messwerte bereitstehen, sind die angesaugte Luftmasse, die Batteriespannung, der Saugrohr- und Ladedruck sowie die Kühlwasserund Ansauglufttemperatur. Sie werden von

Steuergerät

einem Analog-Digital-Wandler (ADW) im Mikrocontroller des Steuergeräts in digitale Werte umgeformt, mit denen die zentrale Recheneinheit des Mikrocontrollers rechnen kann. Die maximale Auflösung dieser Analogsignale beträgt 5 m V. Damit ergeben sich für den gesamten Messbereich von 0.. .5 V ca. 1000 Stufen. Digitale Eingangssignale Digitale Eingangssignale besitzen nur zwei Zustände: "High" (logisch 1) und "Low" (logisch 0). Beispiele für digitale Eingangssignale sind Schaltsignale (Ein/Aus) oder digitale Sensorsignale wie Drehzahlimpulse eines Hall- oder Feldplattensensors. Sie können vom Mikrocontroller direkt verarbeitet werden. Pulsförmige Eingangssignale Pulsförmige Eingangssignale von induktiven Sensoren mit Informationen über Drehzahl und Bezugsmarke werden in einem eigenen Schaltungsteil im Steuergerät aufbereitet. Dabei werden Störimpulse unterdrückt und die pulsförmigen Signale in digitale Rechtecksignale umgewandelt. Aulbau eines Steuergerä.ts am Beispiel einer M E-Motronic

289

Einsatzbedingungen, Aufbau, Datenverarbeitung

Signalaufbereitung Die Eingangssignale werden mit Schutzbeschaltungen auf zulässige Spannungspegel begrenzt. Das Nutzsignal wird durch Filterung weitgehend von überlagerten Störsignalen befreit und gegebenenfalls durch Verstärkung an die zulässige Eingangsspannung des Mikrocontrollers angepasst (0 ... 5 V). Je nach Integrationsstufe kann die Signalaufbereitung teilweise oder auch ganz bereits im Sensor stattfinden.

Signalverarbeitung Das Steuergerät ist die Schaltzentrale für die Funktionsabläufe der Motorsteuerung. Im Mikrocontroller laufen die Steuer- und Regelalgorithmen ab. Die von den Sensoren und den Schnittstellen zu anderen Systemen (z. B. CAN-Bus) bereitgestellten Eingangssignale dienen als Eingangsgrößen. Sie werden im Rechner nochmals plausibilisiert. Mithilfe des Steuergeräteprogramms werden die Ausgangssignale zur Ansteuerung der Aktoren berechnet.

Bild' 1 Vielpolige Steck· verbindung Leiterplatte 3 Leistungsendstufen 4 Mikrocontroller mit ROM (Funktions· rechner) 5 Flash-EPROM (zusätzlicher Programmspeicher mit fahrzeugspeziti· sehern Programm) 6 EEPROM 7 Mikrocontroller mit ROM (Erweiterungs· rechner, ASle) 8 Flash·EPROM (Programmspeicher für Erweiterungsrechner) 9 Umgebung"druck· sensor 10 Peripheriebaustein

(integrierte 5 V Spannungsversop gung und Induktivsensor-Auswerteschaltung) RAM ist auf der Unterseite der Leilerplalte

platziert und deshalb nicht sichtbar

290

Steuergerät

Datenverarbeitung

Mikrocontroller Der Mikrocontroller ist das zentrale Bauelement eines Steuergeräts (Bild 2). Er steuert dessen Funktionsablauf. Im Mikrocontroller sind außer der CPU (Central Processing Unit, d.h. zentrale Recheneinheit) noch Eingangs- und Ausgangskanäle, Timereinheiten, RAM, ROM, serielle Schnittstellen und weitere periphere Baugruppen auf einem Mikrochip integriert. Ein Quarz taktet den Mikrocontroller.

sche Daten (Einzeldaten, Kennlinien und Kennfelder) in diesem Speicher vorhanden. Hierbei handelt es sich um unveränderliche Daten, die im Fahrzeugbetrieb nicht verändert werden können. Sie beeinflussen die Steuer- und Regelablaufe des Programms. Der Programmspeicher kann im Mikrocontroller integriert und je nach Anwendung noch zusätzlich in einem separaten Bauteil erweitert sein (z. B. durch ein externes EPROM oder Flash-EPROM).

Progra mm- und Datenspeicher Der Mikrocontroller benötigt für die Berechnungen ein Programm - die "Software". Sie ist in Form von binären Zahlenwerten, die in Datensätze gegliedert sind, in einem Programmspeicher abgelegt. Die CPU liest diese Werte aus, interpretiert sie als Befehle und führt diese Befehle der Reihe nach aus. Das Programm ist in einem Festwertspeicher (ROM, EPROM oder Flash-EPROM) abgelegt. Zusätzlich sind variantenspezifi-

ROM Programmspeicher können als ROM (Read Only Memory) ausgeführt sein. Das ist ein Lesespeicher, dessen Inhalt bei der Herstellung festgelegt wird und danach nicht wieder geändert werden kann. Die Speicherkapazität des im Mikrocontroller integrierten ROM ist begrenzt. Für komplexe Anwendungen ist ein zusätzlicher Speicher erforderlich.

Signalverarbeitung im Sieuergerät

lL---f

S",,,,,",,, """'",' ｾ＠

ｬ］ｾ＠

Spannungsversorgung

ｾ］Ｚ［Ｍ

Steuergerät

Ｍ］ｩｆｴ

ＭＮｊ＠

Eingangssignale: digital

h

ｾ＠

c

L

ｾ Ｍ

V'YY\ AA ｾ＠

pulsförmig

Schnittstelle zu anderen Systemen

ｾ＠

c

ｾ＠

'l'

;;;: Diagnoseschnittstelle

:lE :::>

=

Steuergerät

EPROM Das EPROM (Erasable Programmable ROM, d. h.lösch- und programmierbares ROM) kann durch Bestrahlen mit UV-Licht gelöscht und mit einem Programmiergerät wieder neu beschrieben werden. Das EPROM ist meist als separates Bauteil ausgeführt. Die CPU spricht das EPROM über den Adress-/Datenbus an. Flash-EPROM (FEPROM) Das Flash-EPROM ist auf elektrischem Wege löschbar. Somit kann das Steuergerät in der Kundendienst-Werkstatt umprogrammiert werden, ohne es öffnen zu müssen. Das Steuergerät ist dabei über eine serielle Schnittstelle mit der Umprogrammierstation verbunden. Enthält der Mikrocontroller zusätzlich ein ROM, so sind dort die Programmierroutinen für die Flash -Programmierung abgelegt. Flash-EPROMs können auch zusammen mit dem Mikrocontroller auf einem Mikrochip integriert sein. Das Flash-EPROM hat aufgrund seiner Vorteile das herkömmliche EPROM weitgehend verdrängt.

Va ri ablc n- oder Arbeitss peicher Ein solcher Schreib-Lese-Speicher ist notwendig, um veränderliche Daten (Variablen), wie z. B. Rechenwerte und Signalwerte, zu speichern. RAM Die Ablage aller aktuellen Werte erfolgt im RAM (Random Access Memory, d. h. Schreib-Lese-Speicher). Für komplexe Anwendungen reicht die Speicherkapazität des im Mikrocontroller integrierten RAM nicht aus, sodass ein zusätzlicher RAM -Baustein erforderlich ist. Er ist über den Adress-/ Datenbus an den Mikrocontroller angeschlossen. Beim Trennen des Steuergeräts von der Versorgungsspannung verliert das RAM den gesamten Datenbestand (flüchtiger Speicher). Adaptionswerte (erlernte Werte über Motor- und Betriebszustand) müssen beim

Datenverarbeitung

nächsten Start aber wieder bereitstehen. Sie dürfen beim Abschalten der Zündung nicht gelöscht werden. Um das zu verhindern, ist das RAM permanent mit Spannung versorgt (Dauerversorgung). Beim Abklemmen der Batterie gehen jedoch auch diese Werte verloren. EEPROM (auch PPROM genannt) Daten, die auch bei abgeklemmter Batterie nicht verloren gehen dürfen (z. B. wichtige Adaptionswerte, Codes für die Wegfahrsperre), müssen dauerhaft in einem nicht flüchtigen Dauerspeicher abgelegt werden. Das EEPROM ist ein elektrisch löschbares EPROM, bei dem im Gegensatz zum FlashEPROM jede Speicherzelle einzeln gelöscht werden kann. Somit ist das EEPROM als nicht flüchtiger Schreib-Lese-Speicher einsetzbar. Einige Steuergeräte-Varianten nutzen auch separat löschbare Bereiche des FlashEPROMs als Dauerspeicher.

ASlC Wegen der immer größer werdenden Komplexität der Steuergerätefunktionen reichen die am Markt erhältlichen Standard-Mikrocontroller nicht aus. Abhilfe schaffen hier ASIC-Bausteine (Application Specific Integrated Circuit, d. h. anwendungsbezogene integrierte Schaltung). Diese IC (Integrated Circuit) werden nach den Vorgaben der Steuergeräteentwicklung entworfen und gefertigt. Sie enthalten beispielsweise ein zusätzliches RAM, Eingangs- und Ausgangskanäle und sie können PWMSignale erzeugen und ausgeben (siehe Abschnitt "PWM-Signale"). überwachungsl110d ul Das Steuergerät verfügt über ein überwachungsmodul. Der Mikrocontroller und das überwachungsmodul überwachen sich gegenseitig durch ein so genanntes "Frageund-Antwort Spiel". Wird ein Fehler erkannt, so können beide unabhängig voneinander entsprechende Ersatzfunktionen einleiten.

291

292

Steuergerät

Datenverarbeitung

Ausgangssignale Der Mikrocontroller steuert mit den Ausgangssignalen Endstufen an, die üblicherweise genügend Leistung für den direkten Anschluss der Stellglieder (Aktoren) liefern. Es ist auch möglich, dass für besonders große Stromverbraucher (z. B. Motorlüfter) bestimmte Endstufen ein Relais ansteuern. Die Endstufen sind gegenüber Kurzschlüssen gegen Masse oder der Batteriespannung sowie gegen Zerstörung infolge elektrischer oder thermischer überlastung geschützt. Diese Störungen sowie aufgetrennte Leitungen werden durch den Endstufen-IC als Fehler erkannt und dem Mikrocontroller gemeldet. chaltsignale Mit den Schaltsignalen können Stellglieder ein- und ausgeschaltet werden (z. B. Motorlüfter). PWM-Signalc Digitale Ausgangssignale können als PWMSignale ausgegeben werden. Diese "PulsWeiten-Modulierten" Signale sind Rechtecksignale mit konstanter Frequenz und variabler Einschaltzeit (Bild 3). Mit diesen Signalen können verschiedene Stellglieder (Aktoren) in beliebige Arbeitsstellungen gebracht werden (z. B. Abgasrückführventil, Ladedrucksteller ). PMW·Signale

Bild 3 a

Penodendauer (lest oder variabel)

b

va"able EInschallzeit

Kommunikation innerhalb des Steuergeräts Die peripheren Bauelemente, die den Mikrocontroller in seiner Arbeit unterstützen, müssen mit diesem kommunizieren können. Dies geschieht über den Adress-/ Datenbus. Der Mikrocontroller gibt über den Adressbus z. B. die RAM -Adresse aus, deren Speicherinhalt gelesen werden soll. Über den Datenbus werden dann die der Adresse zugehörigen Daten übertragen. Frühere Entwicklungen im Kfz-Bereich kamen mit einer 8-Bit-Busstruktur aus. Das heißt, der Datenbus besteht aus acht Leitungen, über den 256 Werte übertragen werden können. Mit dem bei diesen Systemen üblichen 16-Bit-Adressbus können 65536 Adressen angesprochen werden. Komplexe Systeme erfordern heutzutage 16 oder sogar 32 Bit für den Datenbus. Um an den Bauteilen Pins einzusparen, können Daten- und Adressbus in einem Multiplexsystem zusammengefasst werden, d. h. Adresse und Daten werden zeitlich versetzt übertragen und nutzen gleiche Leitungen. Für Daten, die nicht so schnell übertragen werden müssen (z. B. Fehlerspeicherdaten), werden serielle Schnittstellen mit nur einer Datenleitung eingesetzt. EOL-Programmierung Die Vielzahl von Fahrzeugvarianten, die unterschiedliche Steuerungsprogramme und Datensätze verlangen, erfordert ein Verfahren zur Reduzierung der vom Fahrzeughersteller benötigten Steuergerätetypen. Hierzu kann der komplette Speicherbereich des Flash-EPROMs mit dem Programm und dem variantenspezifischen Datensatz am Ende der Fahrzeugproduktion mit der EOLProgrammierung (End OfLine) programmiert werden. Eine weitere Möglichkeit zur Reduzierung der Variantenvielfalt ist, im Speicher mehrere Datenvarianten (z. B. Getriebevarianten) abzulegen, die dann durch Codierung am Bandende ausgewählt werden. Diese Codierung wird im EEPROM abgelegt.

Steuergerät

293

Lei stungsfähigkeit

Le'stungsfahlgkelt der Steuergerate

Die Leistungsfähigkeit der Steuergeräte geht einher mit den Entwicklungsfortschritten auf dem Gebiet der Mikroelektronik. Die ersten Benzineinspritzsysteme waren noch in Analogtechnik ausgeführt - mit eingeschränkter Rexibilität bei der Realisierung von Steuerungsfunktionen. Diese waren durch die Hardware festgelegt. Einen Fortschritt brachte die Digitaltechnik mit dem Einzug des Mikrocontrollers. Die gesamte Steuerung des Motors wanderte in diesen universell einsetzbaren Halbleiterchip. Die eigentliche Steuerungslogik befindet sich bei mikrocontrollergesteuerten Systemen in einem frei programmierbaren Halbleiterspeicher. Aus der zunächst einfachen Steuerung der Benzineinspritzung entwickelten sich komplexe Motormanagement·Systeme, die neben dem Einspritzsystem auch das Zündsystem mit Klopfregelung, die Abgasrückführung und eine Vielzahl weiterer Systeme steuern. Diese kontinuierliche Entwicklung wird sich auch in den nächsten Jahren noch weiter fortsetzen . Die Integration von Funktionen und vor allem deren Komplexität nehmen weiter zu. Diese Entwicklung ist nur dadurch möglich, dass die eingesetzten Mikrocontroller auch weiterhin immer leistungsfähiger werden. Lange Zeit wurden Mikrocontroller der 8051·Familie von Intel eingesetzt, bis sie Ende der 1980er-Jahre durch die 80515·Derivate

mit zusätzlichen Ein- und Ausgabemöglich' keiten für zeitgesteuerte Signale sowie einen integrierten Analog-Digital-Wandler abgelöst wurden. Damit konnten schon verhältnismäßig leistungsfähige Systeme realisiert werden. Bild 1 zeigt einen Leistungsvergleich eines Einspritz- (LH3.2) und Zündsystems (EZ129K) - ausgestattet mit 80C515-Controllern - mit den nachfolgenden Motronic-Systemen. Die ME7 hat bei einer Taktfrequenz von 40 MHz gegenüber der LH/EZ -Kombination annä· hernd eine 40fache Leistungsfähigkeit. Mit der ME9 wird sich dieser Wert mit einer neuen Generation von Mikrocontrollern und einer weiteren Steigerung der Taktfrequenz auf weit über das 50fache erhöhen. In absehbarer Zukunft werden im Mikro· controller nicht nur digitale Steuerungsabläufe abgearbeitet. Es werden Signalprozessoren integriert, die auch z. B. die von den Klopfsensoren gelieferten Signale direkt verarbeiten können. Beachtenswert sind auch die Entwicklungs· fortschritte im Bereich der Halbleiterspeicher. Komplexe Steuerungsprogramme benötigen immens viel Speicherplatz. Die Kapazität der eingesetzten Speicherchips lag Anfang der 1980er·Jahre noch bei 8 kByte. Bei der ME7 kommen mittlerweile schon l·MByte·Chips zum Einsatz, in naher Zukunft werden Spei· cher mit 2 MByte benötigt. Bild 1zeigt diese Entwicklung und die Tendenz für die Zukunft.

Enlwicldung von Steuergeräten

Bild 1 Grafische Darslellung der • Lelslungsfähigkeit von Motormanagement-

ｾｲ Ｍ

Syslemen,

Ｍｾ

ｍＺｾ

F\asII: 2.5M8

ｬｩ

ｾｎＧ＠ ｾ＠

ｾ＠

C16724MHz f1ash: 1MB

C1S724MHz

• Anzahl der Anschluss·

pins der Steuergeräte, • Speichergröße des Programmspeichers, • Speichergröße der Dalenspeicher (RAM).

f1ash: 512kB

1• ••ＧＮｉ

［ｾ

ＱＵｏｃ Ｑ Ｗａ ｉ Ｖｍｈｺ＠

Ros/I: 128kB

Zum Vergleich : Die Leistungsfähigkeit eines dem neuesten

Stand der Technik enl·

sprechenden Molormanagemenl-Systems ObertriHt bei weilern die Möglichkeiten von Apollo 13.

294

Elektronische Steuerung und Regelung

Übersicht

Elektronische Steuerung und Regelung Die Aufgabe des elektronischen Motorsteuergeräts besteht darin, alle Aktoren des Motor-Managementsystems - der Motronic - so anzusteuern, dass sich ein bestmöglicher Motorbetrieb bezüglich Kraftstoffverbrauch, Leistung, Abgasemission und Fahrkomfort ergibt. Um das zu erreichen, müssen viele Betriebsparameter z. B. mit Sensoren erfasst und in Algorithmen - das sind nach einem bestimmten Schema ablaufende Rechenvorgänge - verarbeitet werden. Als Ergebnis ergeben sich Signalverläufe, mit denen die Aktoren angesteuert werden.

Übersicht Die Zentrale des Motorsteuergeräts ist ein kleiner Mikrocomputer (Funktionsrechner) mit dem Programmspeicher (EPROM), in dem alle Algorithmen für die Ablaufsteuerung gespeichert sind (Bild 1). Die Eingangsgrößen, die z. B. aus den Informationen von Sollwertgebern und Sensoren abge-

leitet werden, beeinflussen die Berechnungen in den Algorithmen und damit die Ansteuersignale für die Aktoren. Die Aktoren wandeln die elektrischen Signale in mechanische Größen um (z. B. Variation des Durchflussquerschnitts von Ventilen). Das Motorsteuergerät ermöglicht über den CAN-Bus (Controller Area Network) auch einen Datenaustausch mit anderen elektronischen Systemen, wie z. B. dem ESP (Elektronisches Stabilitäts-Programm). Damit kann die Motorsteuerung in das Fahrzeug-Gesamtsystem integriert werden. Systeme mit elektronischer Motorleistungssteuerung (EGAS) stellen hohe Anforderungen bezüglich der Betriebssicherheit, da der mechanische Durchgriff auf den das Drehmoment bestimmenden Steiler (Drosselklappe) nicht mehr vorhanden ist. Ein Überwachungsmodul überwacht den Funktionsrechner und leitet im Fehlerfall Ersatzmaßnahmen ein.

Komponenten lür d ieelektronische S teuerung und Regelung eines ME·Motronic· Systems

Aktoren

Sensoren und Sollwertgeber Fahrpedalstellung

Ｎ ｟Ｎ ｾ

Luftmasse

ｾ

Ziindspulen mH Zündkerzen

ｾ＠

Drosselklappenstellung (EGAS)

ｉｩｪｦｲ ｛ Ｌ＠

Motortemperalur

:

K10pfintensität Lambda _Sonde 1

e:_

2 0:_

Kurbelwellendrehzahl und OT Nockenwellenstellung Getriebestufe Fahrzeuggeschwindigkeit

r ｾ＠

ｾ

EGA8-Steller

Ｚ＠

Einspritzventile Hauptrelais Motordrehzahlmes5er

Elektronische Steuerung und Regelung

Systemstruktur

Die Systemstruktur beschreibt funktionale und statische Aspekte der Motronic-Software-Architektur. Die Software der Motronic gliedert sich in 13 Subsysteme (z. B. Luftsystem, Kraftstoffsystem), die wiederum in insgesamt 50 Hauptfunktionen (z. B. Ladedruckregelung, Lambda-Regelung) unterteilt sind (Bild 2). Funktionaler Kern der Motronic-Software ist die Momentenstruktur (Subsysteme "Torque Demand" und "Torque Structure"), Diese kamen erst mit Einführung des EGAS (Elektronisches Gaspedal) in der ME? hinzu. Die Füllungssteuerung durch die elektrisch verstellbare Drosselklappe ermöglicht das Einstellen der vom Fahrer über das Fahrpedal vorgegebenen Drehmomentanforderung (Fahrerwunsch) . Gleichzeitig können alle zusätzlichen Drehmomentanforderungen, die sich aus dem Fahrbetrieb ergeben (z. B. beim Zuschalten des

Klimakompressors) , in der Drehmomentstruktur koordiniert werden. Bei den früheren M-Motronic-Systemen werden die Drehmomentanforderungen alle einzeln in den Funktionen durch Zündwinkeleingriffe (Verstellung in Richtung "Früh" oder "Spät"), Ansteuerung des Leerlaufstellers (Zusatzluft über den Bypass) oder Eingriffe in die Gemischbildung (Korrektur der Einspritzzeit) umgesetzt. Die neuen Generationen der M-Motronic verwenden ebenfalls die Momentenstruktur zur Koordination des einzustellenden Drehmoments.

..

System I Subsystem I

ｉ ｾ ﾷ ｉ ｾ ﾷＭ＠ COIIInII

ｾ＠

TD Torqui DIßllnd

.. ｾ＠

Übersicht

Ｍ

ｾ＠

295

296

Elektronische Steuerung und Regelung

Subsysteme und Hauptfunktionen

Subsysteme und Hauptfunktionen Die folgende Beschreibung zeigt einen ganz groben überblick über die wesentlichen Merkmale der in einer Motronic implementierten Hauptfunktionen. Eine detaillierte Darstellung ist in diesem Rahmen nicht möglich.

Torque Oemand (TO)

In der Systemstruktur der ME- und MEDMotronic, zunehmend aber auch in der M-Motronic, werden alle Drehmomentanforderungen an den Motor konsequent auf Momentenebene koordiniert. Das Subsystem Torque Demand (TD) erfasst alle Drehmomentanforderungen und stellt sie dem Subsystem Torque Structure (TS) als Eingangsgrößen zur Verfügung.

System Oocumentation (SO)

Unter System Documentation sind technische Unterlagen zusammengefasst, die das Kundenprojekt beschreiben (z. B. Steuergerätebeschreibung, Motor- und Fahrzeugdaten sowie Konfigurationsbeschreibungen ). System Control (SC)

In der System Control (Systemsteuerung) sind die systemsteuernden Funktionen, die das Gesamtsystem Motronic betreffen, zusammengefasst. In der Hauptfunktion System Control, SYC (Systemzustandssteuerung), werden die Zustände des Mikrocontrollers beschrieben: • Initialisierung (Systemhochlauf), • Running State (Normalzustand), hier werden die Hauptfunktionen abgearbeitet, • Steuergerätenachlauf (z. B. für Lüfternachlauf, Hardwaretest). Im System Control Gasoline Direct Injection Mode, SGD (Benzindirekteinspritzmodus), werden die Betriebsarten für die BenzinDirekteinspritzung (MED-Motronic) koordiniert und umgeschaltet. Zur Bestimmung der Soll-Betriebsart werden die Anforderungen unterschiedlicher Funktionalitäten unter Berücksichtigung von festgelegten Prioritäten im Betriebsartenkoordinator koordiniert.

Die Hauptfunktion Torque Demand Signal Conditioning, TDS (Momentenanforderung Signalaufbereitung), beinhaltet im Wesentlichen die Erfassung der FahrpedalsteIlung. Sie wird mit zwei unabhängigen Winkelsensoren erfasst und in einen normierten Fahrpedalwinkel umgerechnet. Durch verschiedene Plausibilitätsprüfungen wird dabei sichergestellt, dass bei einem Einfachfehler der normierte Fahrpedalwinkel keine höheren Werte annehmen kann, als es der tatsächlichen FahrpedalsteIlung entspricht. Die Hauptfunktion Torque Demand Driver, TDD (Fahrerwunsch), berechnet aus der FahrpedalsteIlung einen Sollwert für das Motordrehmoment. Darüber hinaus wird die Fahrpedalcharakteristik festgelegt. Die Hauptfunktion Torque Demand Auxiliary Functions, TDA (Drehmomente intern), erzeugt interne Momentenbegrenzungen und -anforderungen (z. B. Drehzahlbegrenzung, Dämpfung von Ruckelschwingungen). Die Torque Demand Idle Speed Control, TDI (Leerlaufdrehzahlregelung), regelt die Drehzahl des Motors bei nicht betätigtem Fahrpedal auf die Leerlaufdrehzahl ein. Der Sollwert der Leerlaufdrehzahl wird so vorgegeben, dass stets ein stabiler und ruhiger Motorlauf gewährleistet ist. Dementsprechend wird der Sollwert bei bestimmten Betriebsbedingungen (z. B. bei kaltem Motor) gegenüber der Nennleerlaufdrehzahl erhöht. Erhöhungen sind auch möglich zur Unterstützung des Katalysator-Heizens, zur Leistungssteigerung des Klimakompressors oder bei ungenügender Ladebilanz der Batterie.

Elektronische Steuerung und Regelung

Ausschnitt aus dem Slruklurbild: Die Subsysteme Torque Demand und Torque Structure mil h i ren Hauptfunklionen

TS Torque Slruclure

Die Torque Demand Cruise Control, TDC (Fahrgeschwindigkeitsregler), hält die Geschwindigkeit des Fahrzeugs bei nicht betätigtem Fahrpedal konstant, sofern dies im Rahmen des einstellbaren Motordrehmoments möglich ist. Zu den wichtigsten Abschaltbedingungen dieser Funktion zählen die Betätigung der "Aus-Taste" an der Bedieneinrichtung, die Betätigung von Bremse oder Kupplung sowie die Unterschreitung der erforderlichen Minimalgeschwindigkeit.

Torque Structure (TS) Im Subsystem Torque Structure (Drehmomentstruktur) werden alle Drehmomentanforderungen koordiniert. Das Drehmoment wird dann vom Luft-, Kraftstoffund Zündsystem eingestellt. Die Torque Coordination, TCD (Momentenkoordination), koordiniert alle Drehmomentanforderungen. Die verschiedenen An-

Subsysteme und Hauptfunktionen

forderungen (z. B. vom Fahrer, Drehzahlbegrenzung) werden priorisiert und abhängig von der aktuellen Betriebsart in Drehmoment-Sollwerte für die Steuerpfade umgerechnet. Die Torque Conversion Air, TCA (Momentenumsetzung Luft), berechnet aus den SollmomentEingangsgrößen den Sollwert der relativen Luftmasse. Dieser Füllungs-Sollwert wird so berechnet, dass sich das geforderte Luft-Sollmoment genau dann einstellt, wenn mit dem applizierten Lambda und dem applizierten Basiszünd-

winkel gefahren wird. Die Torque Conversion Combustion, TCC (Momentenumsetzung Verbrennung), berechnet aus den Sollmoment-Eingangsgrößen die Sollwerte von Lambda, Zündwinkel und Ausblendstufe. Das Torque Modelling, TMO (Momentenmodell Drehmoment), berechnet aus den aktuellen Werten für Füllung, Lambda, Zündwinkel, Reduzierstufe und Drehzahl ein theoretisch optimales indizierte Drehmoment des Motors. Mittels einer Wirkungsgradkette wird ein indiziertes tatsächliches Ist-Drehmoment gebildet. Die Wirkungsgradkette beinhaltet drei verschiedene Wirkungsgrade: den Ausblendwirkungsgrad (proportional zu der Anzahl der befeuerten Zylinder), den Zündwinkelwirkungsgrad (ergibt sich aus der Verschiebung des IstZündwinkels vom optimalen Zündwinkel) und den Lambda-Wirkungsgrad (ergibt sich aus der Wirkungsgradkennlinie als Funktion des Luft -Kraftstoff-Verhältnis).

297

298

Elektronische Steuerung und Regelung

Subsysteme und Hauptfunktionen

Auss "-

d>0,5 mm 2

Stromverlauf bei Tankleck mit

d S 0,5 mm

Zeit 1 -

3

Stromverlauf bei dichtem Tank

4

Referenzstromwert

Tankleckdiagnose mit Überdruckverlah,en

a

b

Bild 7

1

Referenzleck-

a

Strommessung

I { ;::::::::X:;S:I.__m_,

b

Fein· und GrobleckprOlung 1 Saugrohr mit

Drosselklappe 2 TankentiOftungsventil (Regeneriervenlil) 3 Aklivkohlebehäller 4

Diagnosemodul

5 Relerenzleck 0,5 mm 6 Flügelzellenpumpe 7 Umsehallvenlil 8 Luh/iller 9 Frischluft 10 Kralislotfbehäller

318

Elektronische Diagnose

Bild 9 1 Frischluft 2 Sekundärluftpumpe 3 S ekundärluftvenlil 4 Motor 5 En i blassteIle in das Abgasrohr 6 lambda· Sonde vor Kat

7 Katalysator 8 lambda·Sonde hinler KaI 9 Motors'euergerä' 10 Diagnoselampe

OBO: Einzeldiagnosen

Diagnose Sekundärlufteinblasung Der Betrieb des Motors mit einem fetten Gemisch (..1. < 1) - wie es z. B. bei niedrigen Temperaturen notwendig sein kann - führt zu hohen Kohlenwasserstoff- und Kohlenmonoxidkonzentrationen im Abgas. Diese Schadstoffe müssen im Abgastrakt nachoxidiert, d. h. nachverbrannt werden. Direkt hinter dem Abgaskrümmer befindet sich deshalb die Sekundärlufteinblasung, die den für die katalytische Nachverbrennung notwendigen Sauerstoff in das Abgas einbläst (Bild 9). Bei Ausfall dieses Systems steigen die Abgasemissionen beim Kaltstart oder bei einem kalten Katalysator an. Deshalb ist eine Diagnose notwendig. Die Diagnose der Sekundärlufteinblasung ist eine funktionale Prüfung, bei der getestet wird, ob die Pumpe einwandfrei läuft oder ob Störungen in der Zuleitung zum Abgasstrang vorliegen. Die Prüfung kann auf zwei Arten erfolgen. Beim passiven Test wird direkt nach dem Motorstart und während der Katalysatoraufheizung durch das Sekundärluftsystem die eingeblasene Sekundärluftmasse mithilfe der aktiven Lambda-Regelung berechnet und mit einem Referenzwert verglichen. Weicht die berechnete Luftmasse vom Referenzwert ab, wird auf Fehler erkannt. Beim aktiven Test wird während einer Leerlaufphase die Sekundärlufteinblasung nur für Diagnosezwecke aktiviert. Dabei werden direkt die Signale der LambdaSonden zur Berechnung der Sekundärluftmasse benutzt. Auch hier wird im Anschluss der berechnete Sekundärluftmassenstrom mit einem vorgegebenen Wert verglichen. Der passive Test, obwohl weniger genau, ist notwendig, da gerade zu Fahrtbeginn die Sekundärluftzuschaltung aktiv ist und hier schon ihre einwandfreie Funktionsfähigkeit gewährleistet werden muss.

Diagnose Kraftstoffsystem Fehler im Kraftstoffsystem (z. B. defektes Kraftstoffventil, Loch im Saugrohr) können dazu führen, dass eine optimale Gemischbildung nicht erreicht werden kann. Deshalb wird eine überwachung dieses Systems durch die OBD verlangt. Dazu werden u. a. die angesaugte Luftmasse (Signal Luftmassenmesser), die Drosselklappenstellung, das Luft -Kraftstoff-Verhältnis (Signal primäre Lambda-Sonde) sowie Informationen zum Betriebszustand im Steuergerät verarbeitet, und dann gemessene Werte mit den Modellrechnungen verglichen.

Prinzip der SekundM ufteinblasung

3

Elektronische Diagnose

Diagnose Lambda-Sonden

Das Lambda-Sonden-System besteht in der Regel aus zwei Sonden (vor und hinter Katalysator) und dem Lambda-Regelkreis. Vor dem Katalysator befindet sich meist eine Breitband-Lambda-Sonde, die kontinuierlich den A-Wert (d. h. das Luft-KraftstoffGemisch über den gesamten Bereich von fett nach mager) durch einen Spannungsverlauf misst (Bild lOa) und zu dessen Regelung genutzt wird. Bei älteren Konzepten wird eine Zweipunkt-Lambda-Sonde vor dem Katalysator verwendet. Diese zeigt durch einen Spannungssprung (Bild lOb) nur den Unterschied zwischen magerem (A > 1) und fettem (A < 1) Gemisch (Sprungsonde). Bei heutigen Konzepten ist eine sekundäre Lambda-Sonde - meist eine ZweipunktSonde - hinter dem Vor- oder Hauptkatalysator angebracht, die zum einen der Nachregelung der primären Lambda-Sonde dient, zum anderen für die OBD genutzt wird. Die Lambda-Sonden kontrollieren nicht nur das Luft-Kraftstoff-Gemisch im Abgas für die Motorsteuerung, sondern prüfen auch die Funktionsfähigkeit des Katalysators. Mögliche Fehler der Sonden sind: • Unterbrechungen oder Kurzschlüsse im Stromkreis, • Alterung (thermisch, Vergiftung) der Sonde (führt zu einer verringerten Dynamik des Sondensignals), • verfälschte Werte durch eine kalte Sonde (Betriebstemperatur nicht erreicht). Primär- onde Die Sonde vor dem Katalysator wird als Primär-Sonde oder Upstream-Sonde bezeichnet. Sie wird bezüglich • Plausibilität (Innenwiderstand, Ausgangsspannung - das eigentliche Signal- und andere Parameter) sowie • Dynamik (Signalanstiegsgeschwindigkeit beim Wechsel von "fett" zu "mager" und von "mager" zu "fett" sowie Periodendauer)

319

OBO: Einzeldiagnosen

geprüft. Besitzt die Sonde eine Heizung, so muss auch diese in ihrer Funktion überprüft werden. Die Prüfungen erfolgen während der Fahrt bei relativ konstanten Betriebsbedingungen. Die Breitband-Lambda-Sonde benötigt andere Diagnoseverfahren als die Zweipunkt-Lambda-Sonde, da für sie auch von A == 1 abweichende Vorgaben möglich sind. Sekundär-Sonde Die Sekundär- oder Downstream-Sonde(n) ist/sind u. a. für die Kontrolle des Katalysators zuständig. Sie überprüfen die Konvertierung des Katalysators und geben damit die für die Diagnose des Katalysators wichtigsten Werte ab. Man kann durch ihre Signale auch die Werte der ersten Sonde überprüfen. Darüber hinaus kann durch die Sekundärsonde die Langzeitstabilität der Emissionen durch Korrektur der Primärsondensignale sichergestellt werden. Bis auf die Periodendauer werden alle für die Primärsonden genannten Eigenschaften und Parameter auch bei den Sekundärsonden geprüft.

a :;, 0

5c: c:

'"c.

(/)

V 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0.5 0,0

0,7 1.0

1.6

2,2

3.4

2,8

4.0

Luftzahl Ä. b

V

,I I I

1,00

go

0,75

" [

0 5, 0

c:

ｾ＠

ｾ＠

cn 0,25

o

0,90

:'0.95

1,00

Luftzahl A

Bild 10

1,05

a

Breitband-lambda-

b

Sonde Zweipunkl-lambdaSonde

320

Elektronische Diagnose

OBO: Einzeldiagnosen

Diagnose Abgasrückführungssystem

Die Abgasrückführung (AGR) ist ein wirksames Mittel zur Absenkung der Stickoxidemission. Durch Zumischen von Abgas zum Luft-Kraftstoff-Gemisch wird die Verbrennungs-Spitzentemperatur gesenkt und damit die Bildung von Stickoxiden reduziert. Die Funktionsfähigkeit des Abgasrückführungssystems muss deshalb überwacht werden. Hierzu kommen zwei alternative Verfahren zum Einsatz. Bei der Diagnose auf Basis Saugrohrdruck wird im Teillastbetrieb das AGR-Ventil kurz geschlossen und die Druckänderung gemessen. Ein Vergleich von gemessenem und mit einem Modell berechneten Saugrohrdruck erlaubt eine Diagnose der Schließfunktion des AGR-Ventils. Die Diagnose auf Basis Laufunruhe kommt für Systeme ohne Luftmassenmesser oder ohne zusätzlichen Saugrohr-Drucksensor zum Einsatz. Im Leerlauf wird das AGR-Ventil leicht geöffnet. Bei intaktem Abgasrückführsystem führt die etwas erhöhte Restgasmasse zu einer etwas größeren Laufunruhe des Motors, die von der Laufunruheüberwachung des Systems zur Diagnose der AGR genutzt wird. Diagnose Kurbelgehäuseventilation

Das so genannte "Blow-by-Gas", welches durch Leckageströme zwischen Kolben, Kolbenringen und Zylinder in das Kurbelgehäuse einströmt, muss aus dem Kurbelgehäuse abgeführt werden. Dies ist die Aufgabe der Kurbelgehäuseentlüftung (PCV-System, positive crankcase ventilation). Die mit Abgasen angereicherte Luft wird in einem Zyklonabscheider von Ruß gereinigt und über ein PCV-Ventil in das Saugrohr geleitet, sodass die Kohlenwasserstoffe wieder der Verbrennung zugeführt werden. Ein mögliches Diagnoseprinzip beruht auf der Messung der Leerlaufdrehzahl, die bei Öffnung des PCV-Ventils ein bestimmtes Verhalten zeigen sollte, das ebenfalls mit einem Modell gerechnet wird. Bei einer zu großen Abweichung der beobachteten Leer-

laufdrehzahländerung vom modellierten Verhalten wird auf ein Leck geschlossen. Diagnose Motorkühlungssystem

Das Motorkühlsystem besteht aus einem kleinen und einem großen Kreislauf, die durch ein Thermostatventil verbunden sind. Der kleine Kreislauf wird in der Startphase zur schnellen Aufheizung des Motors verwendet und durch Schließen des Thermostatventils geschaltet. Bei einem defekten oder offen festsitzenden Thermostaten wird der Kühlmitteltemperaturanstieg verzögert - besonders bei niedrigen Umgebungstemperaturen - und führt zu erhöhten Emissionen. Die Thermostatüberwachung soll daher eine Verzögerung in der Aufwärmung der Motorkühlflüssigkeit detektieren. Dazu wird zuerst der Temperatursensor des Systems und darauf basierend das Thermostatventil getestet. Diagnose zur Überwachung der Aufheizmaßnahmen

Um eine hohe Konvertierungsrate zu erreichen, benötigt der Katalysator eine Betriebstemperatur von 400 ... 800°C. Noch höhere Temperaturen können allerdings seine Beschichtung zerstören. Ein Katalysator mit optimaler Betriebstemperatur reduziert die Motoremissionen um mehr als 99 %. Bei niedrigeren Temperaturen sinkt der Wirkungsgrad, sodass ein kalter Katalysator fast keine Konvertierung zeigt. Zur Einhaltung der Emissionsvorschriften ist darum eine schnelle Aufwärmung des Katalysators mittels einer speziellen Katalysatorheizstrategie notwendig. Bei einer Katalysatortemperatur von 200 ... 250°C (Light -Off-Temperatur, ungefähr 50 % Konvertierungsgrad) wird diese Aufwärmphase beendet. Der Katalysator wird jetzt durch die exothermen Konvertierungsreaktionen von selbst aufgeheizt. Beim Start des Motors kann der Katalysator durch zwei Vorgänge schneller aufgeheizt werden:

Elektronische Diagnose

• durch eine spätere Zündung des Kraftstoffgemischs wird ein heißeres Abgas erzeugt, • durch die katalytischen Reaktionen des unvollständig verbrannten Kraftstoffs im Katalysator heizt sich dieser selbst auf. Diese Aufheizung hat zur Folge, dass der Katalysator schneller seine Betriebstemperatur erreicht und die Abgasemissionen so früher absinken. Das Gesetz verlangt für einen einwandfreien Ablauf der Konvertierung eine überwachung der Temperatur in dem Bereich kurz vor dem Katalysator und eine überwachung der Aufheizphase. Die Aufheizung kann durch eine überwachung und Auswertung von Aufwärmparametern wie z. B. Zündwinkel, Drehzahl oder Frischluftmasse kontrolliert werden. Weiterhin werden die für die Aufheizmaßnahmen wichtigen Komponenten gezielt in dieser Zeit überwacht (z.B. Nockenwellen-Position bzw. -Verriegelung) .

Klimaanlage (Komponenten) Um den Leistungsbedarf der Klimaanlage zu decken, wird der Motor unter den gegebenen anderen Anforderungen i. A. in einem anderen Betriebspunkt betrieben. Wird bei eingeschalteter Klimaanlage dieser optimierte Betriebspunkt nicht angesteuert (bzw. bei ausgeschalteter Klimaanlage angesteuert), kann dies zu erhöhten Abgasemissionen führen und muss darum überwacht werden. Diagnose Variabler Ventiltrieb (VVT) Zur Senkung des Kraftstoffverbrauchs und der Abgasemissionen wird z. T. der variable Ventiltrieb eingesetzt. Während der VVT bisher als "comprehensive component" indirekt gesetzlich geregelt war, werden mit dem OBD II-Update explizite Anforderungen eingeführt. Für die Diagnose wird derzeit die Position der Nockenwelle gemessen und ein Soll-Ist-Wert-Vergleich durchgeführt.

OSD: Einzeldiagnosen

Direktes Ozon-Minderungssystem Eine Besonderheit der kalifornischen Abgasgesetzgebung ist die Möglichkeit, neben der Minderung der Abgase und Verdunstungsemissionen auch die atmosphärische Konzentration des Luftschadstoffs Ozon zu reduzieren. Hierzu dient eine katalytische Beschichtung, die auf den Kühler des Fahrzeugs aufgebracht wird (Direct Ozone Reduction, DOR). Basierend auf Oberfläche und Luftdurchsatz sowie Wirkungsgrad wird die Ozonminderung berechnet und dafür ein Kredit gutgeschrieben, der bei der Gesamtberechnung der erreichten Minderung der Abgas- und Verdunstungsemissionen (nur Kohlenwasserstoffe) berücksichtigt wird. Damit handelt es sich um ein emissionsminderndes Bauteil und muss ab MI 2006 vom OBD-System überwacht werden (durch die OBD II gesetzlich vorgeschrieben). Bisher konnte sich noch kein kosteneffizientes Prüfverfahren durchsetzen. Die Diagnosen, welche zur Diskussion stehen, sind: • Drucksensor: Durch Verunreinigungen gelangt weniger Ozon durch den Kühler. Ein Drucksensor kann diesen Druckabfall feststellen. • Widerstandsmessung: Die Beschichtung hat einen gewissen elektrischen Widerstand. Durch ihre Korrosion verändert sich auch der Widerstand. • Photodetektoren: Die Katalysatorbeschichtung ist lichtundurchlässig. Mit Detektoren können Lücken in der Beschichtung festgestellt werden. • Ozonsensoren: Sie messen die Ozonkonzentrationen vor und nach dem Katalysator. Alternativ zeichnet sich ab, dass CARB auch einen "Anwesenheitstest" für den DOR akzeptieren würde, jedoch nur unter Gewährung des halben Kredits.

321

322

Elektronische Diagnose

OBD: Einzeldiagnosen

Comprehensive Components

Plausibilitätsfehler ("rationality check")

Neben den vorher aufgeführten spezifischen Diagnosen, die in der kalifornischen Gesetzgebung explizit gefordert und in eigenen Abschnitten separat beschrieben werden, müssen auch sämtliche Sensoren und Aktoren (wie z. B. Drosselklappe oder Hochdruckpumpe) überwacht werden, wenn ein Fehler dieser Bauteile entweder Einfluss auf die Emissionen hat oder aber andere Diagnosen sperrt. Die Diagnoseanforderungen an diese Bauteile sind in diesem Abschnitt - nach Sensoren und Aktoren getrennt beschrieben.

Als Erweiterung im Sinne einer erhöhten Sensibilität der Diagnose fordert der Gesetzgeber über den Bereichsfehler hinaus die Durchführung von Plausibilitätsprüfungen (so genannte "rationality checks"). Kennzeichen einer solchen Plausibilitätsprüfung ist, dass die momentane Ausgangsspannung des Sensors nicht - wie bei der Bereichsprüfung - mit festen Grenzen verglichen wird, sondern mit Grenzen, die aufgrund des momentanen Betriebszustands des Motors eingeengt sind. Dies bedeutet, dass für diese Prüfung aktuelle Informationen aus der Motorsteuerung herangezogen werden müssen. Solche Prüfungen können z. B. durch Vergleich der Sensorausgangsspannung mit einem Modell oder aber durch Quervergleich mit einem anderen Sensor realisiert sein. Das Modell gibt dabei für jeden Betriebszustand des Motors einen bestimmten Erwartungsbereich für die modellierte Größe an.

Diagno e von Sensoren Sensoren müssen überwacht werden auf • elektrische Fehler, • Bereichsfehler und - nach Möglichkeit • Plausibilitätsfehler.

Elektrische Fehler Der Gesetzgeber versteht unter elektrischen Fehlern Kurzschluss nach Masse, Kurzschluss Versorgungsspannung oder Leitungsunterbrechung.

Oberprüfung auf Bereichsfehler ("range check") üblicherweise haben Sensoren eine festgelegte Ausgangskennlinie, oft mit einer unteren und oberen Begrenzung: d. h., der physikalische Messbereich des Sensors wird auf eine Ausgangsspannung z. B. im Bereich von 0,5 .. .4,5 V abgebildet. Ist die vom Sensor abgegebene Ausgangsspannung außerhalb dieses Bereichs, so liegt ein Bereichsfehler vor. Das heißt, die Grenzen für diese Prüfung ("range check") sind für jeden Sensor spezifische, feste Grenzen, die nicht vom aktuellen Betriebszustand des Motors abhängen. Sind bei einem Sensor elektrische Fehler von Bereichsfehlern nicht unterscheidbar, so wird dies vom Gesetzgeber akzeptiert.

Um bei Vorliegen eines Fehlers die Reparatur so zielführend und einfach wie möglich zu gestalten, soll zunächst die schadhafte Komponente so eindeutig wie möglich identifiziert werden. Darüber hinaus sollen die genannten Fehlerarten untereinander und - bei Bereichs- und Plausibilitätsprüfung auch nach Überschreitungen der unteren bzw. oberen Grenze getrennt unterschieden werden. Bei elektrischen Fehlern oder Bereichsfehlern kann i. A. auf ein Verkabelungsproblem geschlossen werden, während das Vorliegen eines Plausibilitätsfehlers eher auf einen Fehler der Komponente selbst deutet. Während die Prüfung auf elektrische und Bereichsfehler kontinuierlich erfolgen muss, müssen die Plausibilitätsfehler mit einer bestimmten Mindesthäufigkeit im Alltag ablaufen.

Elektronische Diagnose

Zu den solchermaßen zu überwachenden Sensoren gehören u. a. • der Luftmassenmesser, • diverse Drucksensoren (Saugrohrdruck, Umgebungsdruck, Tankdruck), • der Drehzahlsensor, • der Phasensensor, • der Ansauglufttemperatursensor, • der Abgastemperatursensor.

Beispiel Nachfolgend wird am Beispiel des Luftmassenmessers HFM die Diagnose beschrieben. Der Luftmassenmesser, der zur Erfassung der vom Motor angesaugten Luft und damit zur Berechnung der einzuspritzenden Kraftstoffmenge dient, misst die angesaugte Luftmasse und gibt diesen als Ausgangsspannung an die Motronic weiter. Die Luftmassen verändern sich durch unterschiedliche DrosseleinsteIlung oder Motordrehzahl. Die Diagnose überwacht nun, ob die Ausgangsspannung des Sensors bestimmte (applizierbare, feste) untere und obere Grenzen überschreitet und gibt in diesem Fall einen Bereichsfehler aus. Durch Vergleich des aktuellen Werts der vom HFM angegebenen Luftmasse mit der Stellung der Drosselklappe kann - abhängig vom aktuellen Betriebszustand des Motors auf einen Plausibilitätsfehler geschlossen werden, wenn der Unterschied der beiden Signale größer als eine bestimmte Toleranz ist. Beispiel: Die Drosselklappe ist ganz geöffnet, aber der HFM zeigt die bei Leerlauf angesaugte Luftmasse -+ Widerspruch.

OSD: Einzeldiagnosen

Diagnose der Aktoren Aktoren müssen auf elektrische Fehler und - falls technisch machbar - funktional überwacht werden. Funktionale überwachung bedeutet hier, dass die Umsetzung eines gegebenen Stellbefehls überwacht wird, indem die Systemreaktion in geeigneter Weise beobachtet wird. Das heißt, es werden - vergleichbar mit der Plausibilitätsdiagnose bei Sensoren - weitere Informationen aus dem System zur Beurteilung herangezogen. Zu den Aktoren gehören u. a. • sämtliche Endstufen, • die Drosselklappe, • das EGAS-System, • das Tankentlüftungsventil und • das Aktivkohleabsperrventil. Allerdings sind die meisten dieser Komponenten bereits bei den Systemdiagnosen mit berücksichtigt.

Beispiel Die Drosselklappe ist dafür zuständig, die Menge der Luft für die jeweilige Einspritzung bereitzustellen. Sie wird beim EGASSystem elektronisch gesteuert. Der Drosselklappenwinkel für die Frischluftzufuhr wird durch einen digitalen Positionscontroller gesteuert. Für die Diagnose der Drosselklappe wird der Controller darauf geprüft, ob eine Abweichung zwischen dem zu setzenden und dem tatsächlichen Winkel besteht. Ist diese Abweichung zu groß, wird ein Drosselklappenantriebsfehler festgestellt. Auch bei zu geringer Leistung des Drosselklappenantriebs wird dieser Fehler gesetzt. Beim EGAS wird nicht mehr ein mechanisches System zwischen Gaspedal und Drosselklappe eingesetzt, sondern der Fahrerwunsch am Gaspedal über zwei gleiche Potenziometer (zur Kontrolle) angefragt und im Motorsteuergerät weiterverarbeitet.

323

324

Datenübertragung zwischen elektronischen Systemen

Systemübersicht, Serielle Datenübertragung mit CAN

Datenübertragung zwischen elektronischen Systemen Kraftfahrzeuge sind mit einer ständig wachsenden Zahl von elektronischen Systemen ausgestattet. Diese benötigen einen intensiven Daten- und Informationsaustausch, wobei die Anforderungen an Datenmengen und Geschwindigkeit immer größer werden. Zum Beispiel tauscht das Elektronische Stabilitäts-Programm (ESP) Daten mit der Motor- und Getriebesteuerung aus, um die Fahrstabilität besonders wirksam zu gewährleisten.

Systemübersicht Der zunehmende Einsatz von elektronischen Steuer-, Regel- und Kommunikationssystemen im Kraftfahrzeug, wie z. B. • Elektronische Motorsteuerung (EDC, Motronic), • Elektronische Getriebesteuerung (EGS), • Antiblockiersystem (ABS), • Antriebsschlupfregelung (ASR), • Elektronisches Stabilitäts-Programm (ESP), • Adaptive Geschwindigkeitsregelung (ACC) und • Mobile Multimedia-Systeme und deren Anzeigeinstrumente und der damit verbundene Datenaustausch zwischen den Systemen erfordert eine Vernetzung dieser einzelnen Steuergeräte.

Zur Verdeutlichung: der Kabelbaum eines durchschnittlichen Mittelklassewagens besitzt heute etwa 300 Stecker mit insgesamt 2000 Steckerpins und ist 1,6 km lang. Der Ausweg liegt im Einsatz spezifischer, Kfz-tauglicher serieller Bussysteme, von denen sich CAN als ein Standard etabliert hat.

Serielle Datenübertragung mitCAN CAN (Controller Area Network) ist ein speziell für die Anwendung im Kraftfahrzeug entwickeltes lineares Bussystem (Bild 2). Es wird inzwischen auch in anderen Bereichen eingesetzt (z. B. in der Haustechnik). Die Daten werden auf einer gemeinsamen (Bus- )Leitung seriell, d. h. hintereinander übertragen. Alle CAN -Teilnehmer haben Zugriff auf den Bus. Über eine CANSchnittstelle in den Steuergeräten können diese Stationen Daten senden und empfangen. Durch die Vernetzung werden wesentlich weniger Leitungen benötigt, da auf einer Busleitung eine Vielzahl Daten ausgetauscht werden können und die Daten mehrfach gelesen werden können.

Konvenlionelle Datenübertragung

Gelriebesteuerung

Die herkömmliche Methode, diesen Datenaustausch über einzeln zugeordnete Datenleitungen von Punkt zu Punkt vorzunehmen, stößt an die Grenze des Machbaren (Bild 1). Auf diese Weise ist die Komplexität des Kabelbaums kaum noch zu handhaben. Die begrenzte Pinzahl der Steckverbinder beeinträchtigt zudem die Entwicklung der Steuergeräte.

Slatlon1

MOlorsteuerung Station 2

{!)§ ffi

ｬｉｾＱ＠

ｻ ｾ ｽ Ｋ］Ａ ｾＡ＠ ABS/ASR/ESP

Station 3

Komoiinstrument Station 4

ｾ＠

Datenübertragung zwischen elektronischen Systemen

Einsatzgebiete im Kfz

Im Kraftfahrzeug gibt es vier Einsatzgebiete für CAN mit unterschiedlichen Anforderungen: Multiplex-Anwend ung Die Multiplex-Anwendung eignet sich zur Steuerung und Regelung von Komponenten im Bereich der Karosserie- und Komfortelektronik, wie beispielsweise Klimaregelung, Zentralverriegelung und Sitzverstellung. Die übertragungsraten liegen typisch zwischen lO kBaud und 125 kBaud (1 kBaud = 1 kBit/s, Low-Speed-CAN) . Mobile Ko mmu nikation -Anwendungen CAN-Anwendungen im Bereich der mobilen Kommunikation verbinden MultimediaKomponenten wie Navigationssystem, Telefon, Audioanlage, TV usw. mit zentralen Anzeige- und Bedieneinheiten im Kraftfahrzeug. Die Vernetzung dient in erster Linie dazu, Bedienabläufe zu vereinheitlichen und Statusinformationen zusammenzufassen, um die Ablenkung des Fahrers auf ein Mindestmaß herabzusetzen. Bei diesen Anwendungen werden hohe Datenmengen übertragen. Die Datenraten liegen im Bereich bis 125 kBaud. Eine direkte übertragung von Audio- oder Videodaten ist dabei nicht möglich. Lineare 8uss1ruktur

Molorsteuerung

Getriebesteuerung

Station 2

Station 1

ij1

@ :

ABSIASRI ESP Station 3

ｾ＠

Kombiinstrumenl

Station 4

@ :3

Serielle Datenübertragung mit CAN

Diagnose-Anwendungen Die Diagnose unter Nutzung von CAN zielt darauf ab, die ohnehin vorhandene Vernetzung zur Diagnose der eingebundenen Steuergeräte zu verwenden. Die heute übliche Diagnose über die spezielle K-Leitung (ISO 9141) ist dann hinfällig. Auch bei Diagnose-Anwendungen werden hohe Datenmengen übertragen. Als Datenrate sind 250 kBaud bzw. 500 kBaud geplant. Echtzeit-Anwe ndu ngcn Bei Echtzeit-Anwendungen werden verschiedene Systeme wie z. B. Motorsteuerung, Getriebesteuerung und Elektronisches Stabilitäts-Programm (ESP) zur Steuerung und Regelung der Fahrzeugbewegung über den CAN-Bus miteinander vernetzt. Charakteristisch sind Übertragungsraten zwischen 125 kBaud und 1 MBaud, um die geforderte Reaktionsgeschwindigkeit der Systeme zu garantieren (High-Speed-CAN). Buskonfiguration

Unter Konfiguration versteht man die Anordnung und das Zusammenspiel eines Systems. Der CAN-Bus weist eine lineare Busstruktur auf (Bild 2). Im Vergleich zu anderen logischen Strukturen (Ringbus- oder Sternbus) weist ein solches Gesamtsystem eine geringe Ausfallwahrscheinlichkeit auf. Fällt ein Teilnehmer aus, steht der Bus den anderen Teilnehmern weiterhin voll zur Verfügung. Die am Bus angeschlossenen Stationen können sowohl Steuergeräte als auch Anzeigegeräte, Sensoren oder Aktoren sein. Sie arbeiten nach dem Multi-MasterPrinzip. Dabei obliegt die Zugriffskontrolle auf den Bus gleichberechtigt den beteiligten Stationen. Eine übergeordnete Verwaltung ist nicht notwendig.

325

326

Datenübertragung zwischen elektronischen Systemen

Inhaltsbezogene Adressierung

Busvergabe

Das Bussystem CAN adressiert die Informationen nicht über Stationsmerkmale, sondern nach ihrem Inhalt. Jeder Botschaft wird ein fester "Identifier" zugeordnet (Name der Botschaft). Er kennzeichnet den Inhalt dieser Botschaft (z. B. Motordrehzahl ). Dieser Identifier ist 11 Bit (Standard Format) oder 29 Bit lang (erweitertes oder extended Format). Durch die inhaltsbezogene Adressierung muss jeder Teilnehmer selbst entscheiden, ob er eine auf dem Bus gesendete Nachricht benötigt oder nicht ("Akzeptanzprüfung" Bild 3). Diese Funktion kann von einem speziellen CAN-Baustein erfüllt werden (Full-CAN). Dadurch wird der zentrale Mikrocontroller des Steuergeräts entlastet. Basic-CAN-Bausteine "sehen" alle Botschaften. Der Verzicht auf Stationsadressen und die dafür gewählte inhaltsbezogene Adressierung ermöglicht eine hohe Flexibilität des Gesamtsystems, mit dem Ausstattungsvarianten einfacher zu beherrschen sind. Benötigt ein Steuergerät neue Informationen, die bereits auf dem Bus vorhanden sind, kann es diese einfach abrufen. Ebenso können neue Stationen, sofern es sich um Empfänger handelt, in das System eingefügt (implementiert) werden, ohne die bestehenden Stationen modifizieren zu müssen.

Der Identifier bestimmt neben dem Dateninhalt gleichzeitig mit der "Priorität" den Vorrang, die eine Botschaft beim Senden hat. Ein Identifier, der einer niederen Binärzahl entspricht, besitzt eine hohe Priorität und umgekehrt. Prioritäten für Botschaften leiten sich beispielsweise aus der Änderungsgeschwindigkeit des Inhalts oder der Bedeutung für die Sicherheit ab. Botschaften mit gleicher Priorität gibt es nicht. Wenn der Bus frei ist und Botschaften zur Übertragung bereitstehen, kann jede Station mit dem Senden ihrer Nachricht beginnen. Ein dabei möglicherweise entstehender Konflikt im Buszugriff wird durch eine bitweise "Arbitrierung" der jeweiligen Identifier vermieden (Bild 4). Dabei setzt sich die Botschaft mit der höchsten Priorität durch, ohne dass es zu einem Zeit- oder Datenverlust kommt (nichtzerstörendes Protokoll). Das CAN-Protokoll beruht auf den beiden logischen Zuständen "dominant" (logisch 0) und "rezessiv" (logisch 1). Das "Wired-And" -Arbitrierungsschema bewirkt, dass die von einer Station ausgesandten dominanten Bit die rezessiven Bit anderer Stationen überschreiben. Die Station mit dem niedrigsten Identifier (sprich der höchsten Priorität) setzt sich am Bus durch.

ｬｾ＠

Adressierung und Akzeptanzprüfung

GAN

StatIon 1

Bild 3

GAN

GAN

GAN

Station 2

Station 3

Station 4

nehmen die Daten.

Bild 4 Station 2 setzt sich durch (Signal auf dem Bus = Signal von Station 2) .

o

Dominanter Pegel

Rezessiver Pegel

I

Bitweise Arbitrierung (Zuteilung der Busvergabe bei mehreren Botschaften)

Busleitung

Station 2 sendet, Station 1 und 4 über·

Serielle Datenübertragung mit CAN

ｾ＠

Bereit· stellung

SeIeI 1 (mager).

Zündzeilpunkt Die Entflammung des Luft -Kraftstoff-Gemischs, das heißt die zeitliche Phase vom Funkenüberschlag bis zur Ausbildung einer stabilen Flammenfront, hat auf den Verbrennungsablauf einen wesentlichen Einfluss. Sie wird durch den Zeitpunkt des Funkenüberschlags, die Zündenergie sowie die Gemischzusammensetzung an der Zündkerze bestimmt. Ein hoher Energieüberschuss bedeutet stabile Entflammungsverhältnisse mit positiven Auswirkungen auf die Stabilität des Verbrennungsablaufs von Arbeitsspiel zu Arbeitsspiel und damit auch auf die Abgaszusammensetzung. Neben der Luftzahl ..1. übt der Zündzeitpunkt den stärksten Einfluss auf die Schadstoffemissionen aus.

HG-Rohemission in Abhängigkeit der Luftzahl)' und des ZOndwinkels az

9

kW·h 16 < ｾ＠

ｾ＠

Abgasemission

NOx-Rohemission Einfluss de Drehmoments Die mit dem Drehmoment steigende Brennraumtemperatur begünstigt die NOx-Bildung. Die NOx-Rohemission nimmt daher mit dem abgegebenen Drehmoment überproportional zu.

Einflu

der Drehza hl

Da die Reaktionszeiten zur Bildung von NO x bei höheren Drehzahlen kleiner ist, nehmen die NOx-Emissionen mit steigender Drehzahl ab. Zusätzlich gilt es, den Restgasgehalt im Brennraum zu berücksichtigen, der zu niedrigeren Spitzen temperaturen führt. Da dieser Restgasgehalt in der Regel mit steigender Drehzahl abnimmt, ist dieser Effekt zu der oben beschriebenen Abhängigkeit gegenläufig.

Einflus der Luftzahl Die NOx-Emission in Abhängigkeit der Luftzahl verhält sich anders als bei der HC- und CO-Emission. Im fetten Bereich (A < 1) nimmt die NOx-Emission mit steigender Luftzahl zu (Bild 3). Der Grund dafür ist die zunehmende Sauerstoffkonzentration im Abgas, die die Reduzierung der Stickoxide behindert. Im mageren Bereich (A > 1) fällt die NOx-Emission mit steigender Luftzahl wieder, da eine zunehmende Verdünnung des Luft-Kraftstoff-Gemischs die Brennraumtemperatur senkt. Das Maximum der NOxEmission liegt bei leichtem Luftüberschuss im Bereich von A = 1,05 ... 1,1. Der Schichtbetrieb bei Motoren mit Benzin-Direkteinspritzung ist durch große Luftzahlen gekennzeichnet. Die NOx-Emissionen sind verglichen mit dem Betriebspunkt bei A = 1 niedrig. Allerdings ist der Dreiwegekatalysator bei magerem Abgas nicht in der Lage, die Stickoxide zu reduzieren. Deshalb wird in diesen Systemen ein NOxSpeicherkatalysator eingesetzt.

Einflüsse auf Rohemissionen

Einfluss des Zündzeitpunkts Im gesamten Bereich der Luftzahl Animmt die NOx-Emission mit steigender Frühzündung zu (Bild 3). Ursache dafür ist die höhere Brennraumspitzentemperatur bei früherem Zündzeitpunkt, die das chemische Gleichgewicht auf die Seite der NO x-Bildung verschiebt und vor allem die Reaktionsgeschwindigkeit der NO x - Bildung erhöht.

Ruß-Emission Ottomotoren weisen nahe des stöchiometrischen Gemischs keine erwähnenswerten Ruß-Emissionen auf. Im Schichtbetrieb bei Motoren mit Benzin-Direkteinspritzung kann es bei lokal sehr fetten Zonen oder Kraftstofftropfen zur Rußbildung kommen. Deshalb ist der Schichtbetrieb nur bis zu einer mittleren Drehzahl möglich, um sicherzustellen, dass die Zeit zur Gemischaufbereitung ausreichend groß ist.

NOx·Rohemission in Abhängigkeit der luftzahl A und des ZOndwinkefs (lz

9 kW·h

Cl

" z -'SOu I

I

c: 0

'i1i Q)

0

q:

"

z

I

\

: /so'\ \

16

I I •

12

, \

r\ \ \

:/ I

\

\

/./20' \ ' \

x

0

\

40· \

Ir \

O E

.r:

\

I

20

4

\\ ' "

''1/ /

8

ｾ［Ｎ＠

/

\

I'I./. /.

\\ \ " \

;%

0 0.8

1,0 Luftzahl A

"

ｾ＠

1,2

ｾＧＭ

--

1,4

.,

e ｾ＠

i


=

337

Schadstoffminderung

338

Übersicht

Schadstoffm inderu ng Die Abgasgesetzgebung fordert Grenzwerte für die Schadstoffemission. Ein Ziel der Motorenentwicklung ist, bei möglichst hoher Energieausnutzung, niedrigem Kraftstoffverbrauch, hoher Leistung und Drehmoment die bei der Verbrennung des LuftKraftstoff-Gemischs entstehenden Rohemissionen möglichst gering zu halten.

Übersicht Verbesserungen in der Motortechnik führten in den vergangenen Jahren zu verbesserten Verbrennungsprozessen und damit zu geringeren Rohemissionen. Die Entwicklung elektronischer Motorsteuerungssysteme ermöglichte eine exakte Einspritzung der benötigten Kraftstoffmenge und die genaue Einstellung des Zündzeitpunkts sowie die betriebspunktabhängige Optimierung der Ansteuerung aller vorhandenen Komponenten (z. B. Elektronische Drosselvorrichtung DV-E). Diese beiden Punkte führten neben der Leistungssteigerung der Motoren auch zu einer deutlichen Verbesserung der Abgasqualität.

Bild 1 1 Sekundärluflpumpe 2 angesaugte Lufl 3 Relais 4 Motorsteuergerät

5 Sekundärluftventil 6 Steuerventol

7 Battene 8 Einleitstelle ins Abgasrohr 9 Auslassventil

10 zum Saugrohr' anschluss

Nicht zu vernachlässigen sind aber auch die Qualitätsverbesserungen bei den Kraftstoffen. Die Ansprüche an den Kraftstoff sind aufgrund der immer höheren Motorleistung gestiegen. Additive verringern die Ablagerungen während der Verbrennung im Brennraum, reduzieren die giftigen Bestandteile des Abgases und verhindern schädliche Ablagerungen im Kraftstoffsystem. Die Umstellung auf bleifreien Kraftstoff war ein Meilenstein auf dem Weg zum schadstoffärmeren Abgas. Mit diesen Maßnahmen konnten die Rohemissionen seit den 1970er-Jahren um ca. 80 % verringert werden. Aber erst durch die Abgasnachbehandlung mit dem Katalysator war es möglich, die vom Gesetzgeber geforderten Abgasgrenzwerte einzuhalten.

Motorische Maßnahmen

Einen Beitrag zur Verringerung der entstehenden Schadstoffe leisten die verbesserten Möglichkeiten der Füllungssteuerung mit variablen Ventilsteuerzeiten (NockenwellenPhasenverstellung, Nockenwellenumschaltung). Eine weitere Schadstoffreduzierung resultiert aus der verbesserten Brennraumgestaltung mit • Optimierung der Brennraumgeometrie, sowIe • Mehrventiltechnik, • zentrale Lage der Zündkerze, • Doppelzündung mit zwei Zündkerzen bei Mehrventilmotoren, • hohe Verdichtung, • optimierte Position des Hochdruckeinspritzventils bei Direkteinspritzung. Rund um den Motor sind weitere Systeme und Komponenten angebaut, die die Schadstoffemission positiv beeinflussen. Zum Beispiel: • Systeme zur thermischen Nachbehandlung, • Abgasrückführung, • Kraftstoffverdunstungs-Rückhaltesystem.

SekundMuflsystem

---------1

Schadstoffminderung

Thermische Nachbehandlung Die Verbrennung des Luft-KraftstoffGemischs im Motor ist niemals vollständig. Kraftstoff, der nicht verbrennt, wird im Ausstoßtakt in das Abgassystem befördert und leistet somit keinen Beitrag zum Drehmomentaufbau. Es ergeben sich deshalb immer HC- und CO-Rohemissionen. Bei kaltem Motor schlägt sich zusätzlich an den kalten Zylinderwänden Kraftstoff nieder, der unverbrannt den Brennraum verlässt. Um dennoch einen runden und stabilen Motorlauf zu erhalten, muss deshalb während der Warmlaufphase das Luft-Kraftstoff-Gemisch angefettet werden. Die ausgestoßenen Kraftstoffbestandteile im Warmlauf führen zu einem drastischen Anstieg insbesondere der HC-, aber auch der CORohemissionen. Erschwerend kommt hinzu, dass der Katalysator eine Mindesttemperatur von etwa 300°C erreicht haben muss, bevor er die Schadstoffe umsetzen kann. Deshalb ist es zum ersten wichtig, die Rohemissionen während des Warmlaufes zu minimieren und zum zweiten Maßnahmen einzuführen, die den Katalysator schnell auf Betriebstemperatur bringen. Maßnahmen zur Verringerung der Rohemissionen vor Anspringen des Katalysators sind: • optimierter Start (Einspritzzeit, Zündung), • magerer Warmlauf (setzt Magerlauffähigkeit des Motors voraus) und • Sekundärlufteinblasung. Maßnahmen, die das schnelle Anspringen des Katalysators ermöglichen sind: • hohe Abgastemperaturen durch späte Zündwinkel und großen Gasmassenstrom, • motornahe Katalysatoren, • Doppeleinspritzung bei Benzin-Direkteinspritzung.

Thermische Nachbehandlung

Sekundärlufteinblasung

Die elektrisch angetriebene Sekundärluftpumpe (Bild 1, Pos. 1) saugt Luft an (2) und fördert sie - gesteuert über das Sekundärluftventil (5) - in den Abgasstrang (8). Das Ventil verhindert das Rückströmen von Abgas in die Pumpe und in das Luftsystem und muss deshalb bei ausgeschalteter Pumpe geschlossen sein. Das Einschalten der Sekundärluftpumpe erfordert einen hohen Strom. Sie muss deshalb über das Relais (3) geschaltet werden. Das Sekundärluftventil wird pneumatisch über das elektrisch betätigte Steuerventil (6) geschaltet. Hierzu wird das Sekundärluftventil über das Steuerventil mit Saugrohrdruck (Sekundärluftventil öffnet) bzw. mit Atmosphärendruck (Sekundärluftventil schließt) beaufschlagt. Die Pumpe und das Steuerventil werden vom Motorsteuergerät (4) angesteuert, sodass die Sekundärluft zu einem definierten Zeitpunkt eingeblasen werden kann. Die Sekundärluft muss möglichst dicht hinter dem Auslassventil (9) eingeblasen werden, um hohe Temperaturen zur Ausbildung einer exothermen Reaktion zu nutzen. Das Sekundärluftventil sollte dabei nicht zu nahe am Krümmer angebracht sein, um eine zu hohe thermische Belastung zu verhindern. Andererseits darf das entstehende "Totrohr" zwischen Sekundärluftventil und Einleitstelle in das Abgasrohr nicht zum Resonanzverhalten führen (Pfeifeneffekt). Die zusätzliche Luft wird nur nach dem Startvorgang in der Warmlaufphase (bei A< 1) benötigt. Die exotherme Reaktion reduziert zum einen die während dieser Betriebsphase entstehenden hohen HC- und CO-Konzentration im Abgas. Zum anderen setzt dieser Oxidationsvorgang Wärme frei, sodass das Abgas heißer wird und den von ihm durchströmten Katalysator rasch aufheizt. Die Sekundärlufteinblasung ist somit ein geeignetes Mittel, den Katalysator aufzuheizen und ihn rasch auf seine Betriebstemperatur zu bringen, sodass auch die NO xEmissionen schneller konvertiert werden können.

339

340

Katalytische Abgasreinigung

Übersicht, Oxidationskatalysator

Katalytische Abgasreinigung Die Abgasgesetzgebung legt Grenzwerte für die Emission der bei der Verbrennung im Ottomotor erzeugten Schadstoffe fest. Um diese Grenzwerte einhalten zu können, sind Maßnahmen zur katalytischen Nachbehandlung des Abgases erforderlich.

Übersicht Das Abgas durchströmt den im Abgasstrang sitzenden Katalysator (Bild 1, Pos. 3), bevor es ins Freie gelangt. Im Katalysator sorgen geeignete Beschichtungen dafür, dass die im Abgas vorliegenden Schadstoffe eine chemische Reaktion eingehen und in ungiftige Stoffe umgewandelt werden. LambdaSonden (2,4) messen den im Abgas enthaltenen Restsauerstoffgehalt. Damit kann das Luft -Kraftstoff-Gemisch so eingestellt werden, dass der Katalysator seine bestmögliche Wirkung zeigt.

Oxidationskatalysator Der Oxidationskatalysator wandelt die im Abgas enthaltenen Kohlenwasserstoffe und Kohlenmonoxid durch Oxidation - d. h. Verbrennung - in Wasserdampf und Kohlendioxid um. Der für die Oxidation benötigte Sauerstoff ergibt sich aus einer mageren Gemischeinstellung (,1 > 1) oder durch Einblasen von Luft in den Abgasstrang vor den Katalysator. Die Stickoxide können vom Oxidationskatalysator nicht umgewandelt werden. Oxidationskatalysatoren wurden erstmals 1975 in Fahrzeugen für die damals geltenden Abgasvorschriften in den USA eingesetzt. Heute werden Katalysatoren mit ausschließlich oxidierenden Eigenschaften nur noch selten eingesetzt.

Im Lauf der Zeit fanden verschiedene Katalysator-Prinzipien Anwendung. Stand der Technik für Motoren mit homogener Gemischverteilung und Betrieb bei ,1 = 1 ist der Dreiwegekatalysator. Mager betriebene Motoren benötigen zusätzlich einen NOx Speicherkatalysator.

Abgasstrang mit einem motomah eingebauten Dreiwegekatalysator und Lambda·Sonden

Bild 1 Motor 2

Lambda-Sonde vor dem Katalysator (Zweipunkt·Sonde oder Breitband· Lambda·Sonde, je nach System)

3

DreiwegekalaJysalor

4

Zweipunkt-LambdaSonde hinter dem Katalysator (nur für Systeme mot Zwei· sonden· Lambda·

Regelung)

L

Katalytische Abgasreinigung

Dreiwegekatalysator Der Dreiwegekatalysator ist sowohl für Motoren mit Saugrohreinspritzung als auch mit Benzin-Direkteinspritzung ein Bestandteil des Abgasreinigungssystems. Aufgabe

Der Dreiwegekatalysator hat die Aufgabe, die bei der Verbrennung des Luft -KraftstoffGemischs entstehenden drei Schadstoffkomponenten HC (Kohlenwasserstoffe), CO (Kohlenmonoxid) und NO x (Stickoxide) in ungiftige Bestandteile umzuwandeln (konvertieren). Als Endprodukte entstehen H 20 (Wasserdampf), CO 2 (Kohlendioxid) und N 2 (Stickstoff).

l

Reaktionsgleichungen imDreiwegekatalysator (1)

Arbeitsweise

Die Konzentrationen der Schadstoffe im Rohabgas hängen von der eingestellten Luftzahl A ab (Bild 2a). Die Konvertierungsrate für die Kohlenwasserstoffe (HC) und für das Kohlenmonoxid nimmt mit zunehmender Luftzahl stetig zu (Bild 2b). Bei A = 1 ist der Anteil dieser Schadstoffkomponenten nur noch sehr gering. Mit höherer Luftzahl (A > 1) bleibt die Konzentration dieser Schadstoffe auf diesem niedrigen Niveau. Die Konvertierung der Stickoxide (NOx) ist im fetten Bereich (A < 1) gut. Die niedrigste NOx-Konzentration liegt im stöchiometrischen Betrieb (A = 1) vor. Doch schon eine geringe Erhöhung des Sauerstoffanteils im Abgas durch den Betrieb mit A > 1 behindert die Reduktion der Stickoxide und lässt deren Konzentration steil ansteigen.

341

Damit die Konvertierungsrate des Dreiwegekatalysators für alle drei Schadstoffkomponenten möglichst hoch ist, müssen die Schadstoffe im chemischen Gleichgewicht vorliegen. Das erfordert eine Gemischzusammensetzung im stöchiometrischen Verhältnis mit A = 1,0. Das "Fenster" (LambdaRegelbereich), in dem das Luft-KraftstoffVerhältnis A liegen muss, ist deshalb sehr klein. Die Gemischbildung muss in einem Lambda -Regelkreis nachgeführt werden.

2CO

+0,

-2CO.

(2) 2 C,H, + 7 0,

Die Konvertierung der Schadstoffe (Abgasreinigung) geschieht in zwei Phasen: das Kohlenmonoxid und die Kohlenwasserstoffe werden durch Oxidation umgewandelt (Gleichung GI und G2). Der für die Oxidation benötigte Sauerstoff ist entweder als Restsauerstoff aufgrund von unvollständiger Verbrennung im Abgas vorhanden oder er wird den Stickoxiden entnommen, die auf diese Weise gleichzeitig reduziert werden (Gleichung G3 und G4).

Dreiwegekatalysator

-4CO.

(3)

2 NO

(4)

2 NO, +2CO -N,

+6 H,O + 2 CO,

+2CO -N.

+2CO,+0,

Schadstoffe im Abgas

a

Lambda-Regelbereich (Katalysatorfenster)

b

c

Bild 2

a

Vor der katalytischen Nachbehandlung (Rohabgas)

o 0,975

__ fe"

1,0

1,025

Luftzahl A

1,05 mager....

ｾ＠

b

schen N achbe-

:i:

::e

:::>

---.!..J

nach der katalyti· handlung

c

SpannungskennllnJe

der Zweipunkt· Lambda·Sonde

342

Katalytische Abgasreinigung

Dreiwegekatalysator

Aufbau

Metallische Monolithen

Der Katalysator (Bild 3) besteht aus einem Blechbehälter als Gehäuse (6), einem Träger (5) und der aktiven katalytischen Edelmetallbeschichtung (4).

Eine Alternative zum keramischen Monolithen ist der metallische Monolith. Er ist aus fein gewellter, 0,05 mm dünner Metallfolie gewickelt und in einem Hochtemperaturprozess gelötet. Durch die dünnen Wandungen lassen sich mehr Kanäle auf derselben Fläche unterbringen. Das bedeutet geringeren Widerstand für das Abgas, was bei Leistungsoptimierung von Hochleistungsmotoren Vorteile bringt.

Träger Bei den Trägern haben sich zwei Systeme durchgesetzt:

Keramische Monolithen Keramische Monolithen sind Keramikkörper, die von mehreren tausend kleinen Kanälen durchzogen sind. Diese werden vom Abgas durchströmt. Die Keramik besteht aus hochtemperaturfestem Magnesium-Aluminium-Silikat. Der auf mechanische Spannungen äußerst empfindlich reagierende Monolith ist in einem Blechgehäuse befestigt. Hierzu werden mineralische Quellmatten (2) verwendet, die sich beim ersten Aufheizen bleibend ausdehnen und gleichzeitig für Gasdichtheit sorgen. Die keramischen Monolithen sind die derzeit am häufigsten eingesetzten Katalysatorträger.

Dreiwegekatalysator mit Lambda·Sonde

Bild 3 Lambda-Sonde 2

Ouellmalle

3

wärmegedämmte DoppelschaIe

4

Washooat (AI,O,· Trägerschicht) mit Edelmetallbeschichtung

5

Träger (Monolith)

6

Gehäuse

ßeschich t lillg Keramische und metallische Monolithen benötigen eine Trägerschicht aus Aluminiumoxid (AlZ0 3), dem "Washcoat" (4). Diese Schicht vergrößert die wirksame Oberfläche des Katalysators um den Faktor 7000. Die darauf aufgebrachte wirksame katalytische Schicht enthält bei Oxidationskatalysatoren die Edelmetalle Platin und/ oder Palladium, bei Dreiwegekatalysatoren zusätzlich Rhodium. Platin und Palladium beschleunigen die Oxidation von Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxid, Rhodium die Reduktion der Stickoxide. Der in einem Katalysator enthaltene Edelmetallgehalt beträgt ca. 1 ... 3 g. Dieser Wert hängt vom Hubraum des Motors ab.

Katalytische Abgasreinigung

Betriebsbedingungen Betriebstemperalllr Die Temperatur des Katalysators spielt bei der Abgasreinigung eine sehr wichtige Rolle. Eine nennenswerte Konvertierung der Schadstoffe setzt beim Dreiwegekatalysator erst bei einer Betriebstemperatur von über 300 oe ein. Ideale Betriebsbedingungen für hohe Konvertierungsraten und lange Lebensdauer herrschen im Temperaturbereich von 400 ... 800 oe. Die thermische Alterung wird im Bereich von 800 ... 1000 oe durch Sinterung der Edelmetalle und der Al20 r Trägerschicht wesentlich verstärkt, was zu einer Reduzierung der aktiven Oberfläche führt. Dabei hat auch die Betriebszeit in diesem Temperaturbereich einen großen Einfluss. Über 1000 oe nimmt die thermische Alterung sehr stark zu und führt zur fast völligen Wirkungslosigkeit des Katalysators. Durch Fehlfunktion des Motors (z. B. Zündaussetzer) kann die Temperatur im Katalysator auf 1400 0 e steigen. Solche Temperaturen führen zur völligen Zerstörung des Katalysators durch Schmelzen des Trägermaterials. Um dies zu verhindern, muss insbesondere das Zündsystem sehr zuverlässig und wartungsfrei arbeiten. Moderne Motorsteuerungen können Zünd- und Verbrennungsaussetzer erkennen. Sie unterbinden gegebenenfalls die Einspritzung für den betreffenden Zylinder, sodass kein unverbranntes Gemisch in den Abgasstrang gelangt. Bleifreier Kraftstoff Eine weitere Voraussetzung für den zuverlässigen Langzeitbetrieb ist der Betrieb des Motors mit bleifreiem Kraftstoff. Bleiverbindungen setzen sich in die Poren der aktiven Oberfläche oder lagern sich direkt darauf ab und verringern deren Anzahl. Aber auch Rückstände aus dem Motoröl können den Katalysator "vergiften", d. h. ihn bis zur Wirkungslosigkeit zerstören.

Dreiwegekatalysator

Einbauort Strenge Abgasvorschriften verlangen spezielle Konzepte zur Aufheizung des Katalysators beim Motorstart. Diese Konzepte (z. B. Sekundärlufteinblasung, Zündwinkelverstellung in Richtung "Spät") bestimmen den Einbauort des Katalysators. Die Eigenschaften des Dreiwegekatalysators in Bezug auf die Betriebstemperatur begrenzen die Einbaumöglichkeit. Aus den Temperaturverhältnissen, die für eine hohe Konvertierung nötig sind, ist der Einbau des Dreiwegekatalysators nahe am Motor unumgänglich. Im Wesentlichen haben sich beim Dreiwegekatalysator geteilte Anordnungen mit einem motornahen Vorkatalysator und einem Unterflurkatalysator (Hauptkatalysator) durchgesetzt. Motornahe Katalysatoren verlangen eine Optimierung der Beschichtung in Richtung Hochtemperaturstabilität, Unterflurkatalysatoren in Richtung "low light off' (niedrige "Anspringtemperatur") sowie eine gute NOx-Konvertierung. Alternativ dazu gibt es Konzepte mit nur einem Gesamtkatalysator, der motornah angebaut ist.

Effektivität Die katalytische Nachbehandlung des Abgases mithilfe des Dreiwegekatalysators ist derzeit das wirkungsvollste Abgasreinigungsverfahren für den Ottomotor bei homogener Gemischverteilung mit A = 1. Ein Bestandteil ist die Lambda-Regelung, die die Zusammensetzung des Luft -KraftstoffGemischs überwacht. Mit dem Dreiwegekatalysator kann der Schadstoffausstoß von Kohlenmonoxid, der Kohlenwasserstoffe und der Stickoxide bei homogener Gemischverteilung und stöchiometrischer Gemischzusammensetzung nahezu vollständig unterbunden werden. Diese idealen Betriebsbedingungen können jedoch nicht immer eingehalten werden. Trotzdem kann im Mittel von einer Schadstoffreduzierung um mehr als 98 % ausgegangen werden.

343

344

Katalytische Abgasreinigung

NO,-Speicherkatalysator

NOx- Speicherkatalysator Aufgabe In den Magerbetriebsarten kann der Dreiwegekatalysator die bei der Verbrennung entstehenden Stickoxide (NO x) nicht vollständig umwandeln. Der Sauerstoff für den Oxidationsvorgang von Kohlenmonoxid und den Kohlenwasserstoffen wird in diesem Fall nämlich nicht von den Stickoxiden abgespalten, sondern dem hohen Restsauerstoffanteil im Abgas entnommen. Der NOxSpeicherkatalysator baut die Stickoxide auf eine andere Weise ab. Aufbau und Beschichtung Der NOx-Speicherkatalysator ist ähnlich aufgebaut wie der Dreiwegekatalysator. Zusätzlich zu der Beschichtung mit Platin, Palladium und Rhodium enthält er aber noch spezielle Zusätze, die Stickoxide speichern können. Typische Speichermaterialien enthalten z. B. Oxide des Kaliums, Calciums, Strontiums, Zirkoniums, Lanthans oder Bariums. Die Beschichtung zur NOx-Speicherung und die Beschichtung des Dreiwegekatalysators können auf einem gemeinsamen Träger aufgebracht sein. Arbeitsweise Aufgrund der Edelmetallbeschichtung wirkt der NOx-Speicherkatalysator im Betrieb mit ..1. = 1 wie ein Dreiwegekatalysator. Zusätzlich konvertiert er die im mageren Abgas nicht reduzierten Stickoxide. Diese Konvertierung geschieht jedoch nicht kontinuierlich wie beim Kohlenmonoxid und den Kohlenwasserstoffen, sondern läuft in drei Stufen ab: 1. NOx-Einspeicherung, 2. NOx-Ausspeicherung und 3. Konvertierung.

NOx-Einspeicherling Die Stickoxide (NO x) werden katalytisch an der Oberfläche der Platinbeschichtung zu Stickstoffdioxid (N0 2 ) oxidiert. Anschließend reagiert das N0 2 mit den speziellen Oxiden der Katalysatorobertläche und Sauerstoff (Oz) zu Nitraten. So geht z. B. N0 2 mit dem Bariumoxid BaO die chemische Verbindung Bariumnitrat Ba(N03 h ein (Gleichung G 1). Der NOx-Speicherkatalysator speichert somit die während des Betriebs mit Luftüberschuss entstehenden Stickoxide. Es gibt zwei Möglichkeiten, um zu erkennen, wann der Katalysator gesättigt und die Einspeicherphase beendet ist: • Das modellgestützte Verfahren berechnet unter Berücksichtigung der Katalysatortemperatur (Bild 1, Pos. 4) die Menge des eingespeicherten NO x' • Ein NOx-Sensor (6) hinter dem NOxKatalysator misst die NOx-Konzentration im Abgas. 0 , -AllsspeicherlIng und Konvcrticrung Mit zunehmender Menge an gespeicherten Stickoxiden (Beladung) nimmt die Fähigkeit, weiter Stickoxide zu binden, ab. Ab einer bestimmten Menge muss regeneriert werden, d. h., die eingelagerten Stickoxide müssen entfernt und konvertiert werden. Dazu wird kurzzeitig auf fetten Homogenbetrieb umgeschaltet (..1. < 0,8). Die Vorgänge für die Ausspeicherung des NO x und Konvertierung in Stickstoff und Kohlendioxid laufen getrennt ab. Als Reduktionsmittel kommen H 2, HC und CO zum Einsatz. Die Reaktionsgeschwindigkeit der Reduktion ist mit HC am kleinsten, mit H 2 am größten. Die Ausspeicherung - im Folgenden mit Kohlenmonoxid als Reduktionsmittel dargestellt - geschieht in der Weise, dass das Kohlenmonoxid das Nitrat (z. B. Bariumnitrat Ba(N0 3)2) zu einem Oxid (z. B. Bariumoxid BaO) reduziert. Dabei entstehen Kohlendioxid und Stickstoffmonoxid (Gleichung G2). Die Rhodium-Beschichtung reduziert anschließend die Stickoxide

Katalytische Abgasreinigung

Reaklionsgleichungen bei der NO, -Einspeicherphase (t), Ausspeicherphase (2) und Konvertierung (3) (1)

2 B.O

+ 4 NO, + 0 , - 2 Ba(NO, ),

(2) B.(NO,l, + 3 CO

- 3 CO, + BoO + 2 NO

(3) 2NO

-N,

+2CO

+ 2CO,

mittels Kohlenmonoxids zu Stickstoff und Kohlendioxid (Gleichung G3)_ Es gibt zwei verschiedene Verfahren, das Ende der Ausspeicherphase zu erkennen: • Das modellgestützte Verfahren berechnet die Menge des noch im NOx-Speicherkatalysators vorhandenen NO x_ • Eine Lambda-Sonde (6) hinter dem Katalysator misst die Sauerstoffkonzentration im Abgas und zeigt einen Spannungssprung von "mager" nach "fett", wenn die Ausspeicherung beendet ist. Betriebstemperatur und Einbauort

Die Speicherfähigkeit des NOx-Speicherkatalysators ist stark temperaturabhängig. Sie erreicht ein Maximum im Bereich von 300 ... 400 oe. Damit ist der günstige Temperaturbereich sehr viel niedriger als beim Dreiwegekatalysator. Aus diesem Grund

345

NO,-Speicherkatalysator

müssen zwei getrennte Katalysatoren - ein motornah eingebauter Dreiwegekatalysator als Vorkatalysator (Bild 1, Pos. 3) und ein motorferner NOx-Speicherkatalysator (5) als Hauptkatalysator (Unterflurkatalysator) - für die katalytische Abgasreinigung eingesetzt werden. Schwefel-Beladung

Ein Problem für den Speicherkatalysator ist der Schwefelgehalt im Benzin. Der im mageren Abgas enthaltene Schwefel reagiert mit dem Bariumoxid (Speichermaterial) zu Bariumsulfat. Die für die NOx-Speicherung verfügbare Menge an Speichermaterial nimmt daher mit der Zeit ab. Das Bariumsulfat ist sehr temperaturbeständig und wird daher nur zu einem geringen Teil bei der NOx-Regeneration abgebaut. Bei Verwendung schwefelhaltigen Kraftstoffs muss immer wieder entschwefelt werden. Hierzu wird der Katalysator durch gezielte Maßnahmen (Einstellen der Betriebsart Schicht-Katheizen) auf 600 ... 650°C aufgeheizt und dann für einige Minuten mit abwechselnd fettem (..1, = 0,95) und magerem (..1, = 1,05) Abgas beaufschlagt. Dabei wird das Bariumsulfat wieder zu Bariumoxid reduziert.

Vrkatalysator und n.chgeschaltetem NO,·Speicherkatalysalor Abgasstrang mit Dreiwegekatalysator als o und Lambda·Sonden

Bild 1 Motor mit AbgasrOcklOhrsystem 2

Lambda·Sonde vOr

3

Dreiwegekatalysator

dem Katalysator (Vorkatalys.tor) 4

Temperatursensor

5

NO,-Speicherkala-

6

IY50tori Zweipu nkt-lambda'

ly5ator (Hauptkala-

Sonde. option.! mit integriertem

NO,·Sensor

346

Katalytische Abgasreinigung

Lambda-Regelkreis

Lambda-Regelkreis Aufgabe

Bild 1 1

Luftmassenmesser

2

Motor

Damit bei Systemen, die nur mit einem Dreiwegekatalysator arbeiten, die Konvertierungsrate für alle drei Schadstoftkomponenten möglichst hoch ist, müssen die Schadstoffe im chemischen Gleichgewicht vorliegen. Das erfordert eine Gemischzusammensetzung im stöchiometrischen Verhältnis mit il = 1,0. Das "Fenster", in dem das Luft -Kraftstoff-Verhältnis liegen muss, ist deshalb sehr klein. Die Gemischbildung muss somit in einem Regelkreis nachgeführt werden. Eine Steuerung der Kraftstoffzumessung reicht nicht aus. Motoren mit Benzin-Direkteinspritzung werden auch mit Gemischen betrieben, deren Zusammensetzung vom stöchiometrischen Verhältnis abweicht. Auch die Gemischbildung dieser Systeme kann über eine Regelung geführt werden.

3a lambda-Sonde vor dem Vorkatalysalor

Aufbau

(Zweipunkl·lambda·

Eine Lambda-Sonde (Bild 1, Pos. 3a) sitzt im Abgasstrang vor dem Vorkatalysator (4). Das Sondensignal USa wird dem Motorsteuergerät (7) zugeführt. Für diesen Zweck kann eine Zweipunkt- (Zweipunkt-Regelung)

Sonde oder Breilband·lambda· Sonde) 3b Zwei punkt-lambda' Sonde h,nler dem Hauptkalalysator (nur bei Bedarf; bei Benzin·Direktetn·

oder eine Breitband-Lambda-Sonde (stetige Lambda-Regelung) eingesetzt werden. Hinter dem Hauptkatalysator (5) kann eine weitere Lambda-Sonde (3b) sitzen (Zweisonden-Regelung). Bei dieser Sonde handelt es sich immer um eine Zweipunktsonde. Sie liefert das Sondensignal USb ' Arbeitsweise

Mit dem Lambda-Regelkreis können Abweichungen von einem bestimmten LuftKraftstoff-Verhältnis erkannt und korrigiert werden. Das Regelprinzip beruht auf dem Messen des Restsauerstoffgehalts im Abgas. Der Restsauerstoffgehalt ist ein Maß für die Zusammensetzung des dem Motor (2) zugeführten Luft-Kraftstoff-Gemischs. Zweipunkt -Regelung Die vor dem Katalysator eingesetzte Zweipunkt-Lambda-Sonde liefert im fetten Bereich (il < 1) eine hohe, im mageren Bereich (il> 1) eine niedrige Sondenspannung USa' Im Bereich um il = 1 ergibt sich ein steiler Spannungssprung. Die Zweipunkt-LambdaSonde kann also nur zwischen fettem und magerem Gemisch unterscheiden.

Funktionsschema der lambda- Regelung

spntzu ng : mit

integriertem

NO, Sensor) 4

Vorkalolysalor (Drei, wegekatalysator)

5

Hauptkatalysator (be, Saugrohr'

I

einspritzung :

Dreiwegekatalysator; bei Benzin-Direkteinspritzung: NO,.Spe,cher· katalysator) 6

Einsprilzventile

7

Motorsleuergeräl

8

Eingangssignale

Us Sondenspannung

Uv

Vent,lsteuerspannung

\'E

EInspritzmenge

Kranstoff

I I

I I I

t uso> I I _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ JI

Katalytische Abgasreinigung

Die Sondenspannung wird im Motorsteuergerät in ein Zweipunktsignal umgewandelt. Es ist die Eingangsgröße für die mithilfe der Software implementierte Lambda-Regelung. Die Lambda-Regelung wirkt auf die Gemischbildung und stellt das Luft -Kraftstoff-Verhältnis durch Anpassen der eingespritzten Kraftstoffmenge ein. Die Stellgröße, zusammengesetzt aus einem Sprung und einer Rampe, verändert ihre Stellrichtung bei jedem Spannungssprung der Sonde. Das heißt: durch den Stellgrößensprung wird die Gemischzusammensetzung zuerst "schlagartig" und anschließend rampenförmig geändert. Bei hoher Sondenspannung (fettes Gemisch) steuert die Stellgröße in Richtung mageres Gemisch, bei niedriger Sondenspannung (mageres Gemisch) in Richtung fettes Gemisch. Mit dieser Zweipunkt-Regelung kann das Luft-Kraftstoff-Gemisch auf LambdaWerte um A = 1 geregelt werden. Die typische "Fehlmessung" der LambdaSonde, bedingt durch die Variation der Abgaszusammensetzung, kann gesteuert kompensiert werden, indem der Stellgrößenverlauf gezielt asymmetrisch gestaltet wird (Fett -/Magerverschiebung). Stetige Lambda-Regelung Die Breitband-Lambda-Sonde liefert ein stetiges Spannungssignal USa. Damit kann nicht nur der Lambda-Bereich (fett oder mager), sondern auch die Abweichung von A = 1 gemessen werden. Die Lambda-Regelung kann somit schneller auf eine Gemischabweichung reagieren. Daraus ergibt sich ein besseres Regelverhalten mit einer wesentlich gesteigerten Dynamik. Da mit der Breitband-Lambda-Sonde von

A = 1 abweichende Gemischzusammensetzungen gemessen werden können, ist es auch möglich (im Gegensatz zur ZweipunktRegelung) auf solche Gemischzusammen-

Lambda-Regelkreis

setzungen ZU regeln. Der Regelbereich erstreckt sich auf Lambda-Werte im Bereich von A = 0,7 ... 3,0. Die stetige Lambda-Regelung ist damit für den mageren und fetten Betrieb von Motoren mit Benzin-Direkteinspritzung geeignet. Zweisonden-Regelung Die Lambda -Regelung mit der LambdaSonde vor dem Katalysator hat eine eingeschränkte Genauigkeit, da die Sonde starken Belastungen (hohe Temperatur, ungereinigtes Abgas) ausgesetzt ist. Eine Lambda-Sonde (3b) hinter dem Katalysator ist diesen Einflüssen in wesentlich geringerem Maße ausgesetzt. Eine Lambda-Regelung alleine mit der Sonde hinter dem Katalysator wäre allerdings wegen der langen Gaslaufzeiten zu träge. Das Prinzip der Zweisonden-Regelung beruht darauf, dass die gesteuerte Fett- bzw. Magerverschiebung der Regelung vor dem Katalysator durch eine "langsame" Korrekturregelschleife additiv verändert wird. Lambda-Regelung bei der BenzinDirekteinspritzung Der NOx-Speicherkatalysator weist eine Doppelfunktion auf. Neben der Einspeicherung von NO x und der Oxidation von HC und CO im Magerbetrieb ist für den Betrieb bei A = 1 eine stabile Dreiwegefunktion notwendig, die ein Mindestmaß an Sauerstoffspeicherfähigkeit erfordert. Die Lambda-Sonde vor dem Katalysator überwacht die stöchiometrische Gemischzusammensetzung. Die Zweipunkt-Sonde hinter dem NO xSpeicherkatalysator dient mit dem integrierten NOx-Sensor neben ihrem Beitrag zur Zweisonden-Regelung der Überwachung des kombinierten 02" und NOx-Speicherverhaltens (Erkennen des Endes der NOx-Ausspeicherphase ).

347

348

Katalytische Abgasreinigung

Aufheizen des Katalysators

Aufheizen des Katalysators Zündwinkelverstellung in Richtung "Spät" Um die Schadstoftkonzentration im Abgas gering zu halten, muss der Katalysator so schnell wie möglich seine Betriebstemperatur erreichen. Das wird u. a. durch eine Zündwinkelverstellung in Richtung "Spät" erreicht. Diese Maßnahme verschlechtert den Motorwirkungsgrad und erzeugt eine größere Wärmemenge im Abgas, die den Katalysator aufheizt. Sekundärlufteinblasung Mit einer thermischen Nachverbrennung lassen sich die im Abgas vorhandenen unverbrannten Bestandteile des Luft-Kraftstoff-Gemischs nachverbrennen. Der dazu

Die Sekundärlufteinblasung geschieht beim gegenwärtigen Stand der Technik mit elektrischen Sekundärluftpumpen.

Einfluss der Sekundärluheinblasung auf die CO· und HC·Emissionen

Nacheinspritzung Für Benzinmotoren mit Direkteinspritzung gibt es ein anderes Verfahren, den Katalysator schnell auf Betriebstemperatur zu bringen. In der Betriebsart "Schicht-Katheizen" wird im Schichtbetrieb mit hohem Luftüberschuss eine weitere Einspritzung im Arbeitstakt des Motors abgesetzt. Dieser Kraftstoff verbrennt sehr spät und heizt die Auslassseite und den Abgaskrümmer stark auf. Dadurch kann in den Fällen, in denen die geforderten Abgasgrenzwerte mit konventionellen Maßnahmen (Zündwinkelverstellung in Richtung "Spät") nicht erreicht werden können, die bei der Saugrohreinspritzung übliche Sekundärluftpumpe entfallen.

ppm ,----,:---:----:::----,:----;---,

c

300

., 'we

200

0 '0;

Ü

:I:

Bild 1 t

Ohne Sekundär· luheinblasung

'2

mit Sekundär· luheinblasung

lt

Fahrzeug " geschwindigkeit

100

ｾｉ

40

80

erforderliche Sauerstoff ist bei magerer Gemischzusammensetzung im Abgas als Restsauerstoff noch vorhanden. Bei fettem Gemisch, wie es bei einem noch nicht betriebswarmen Motor oft notwendig ist, beschleunigt zusätzlich in den Abgaskanal eingebrachte Luft (Sekundärluft) die Aufheizung. Diese exotherme Reaktion reduziert einerseits die Kohlenwasserstoffe und das Kohlenmonoxid. Andererseits erwärmt die Nachverbrennung auch den Katalysator und bringt ihn schnell auf Betriebstemperatur. Dieser Vorgang steigert die Konvertierungsrate in der Warmlaufphase wesentlich und sorgt für eine schnelle Betriebsbereitschaft des Katalysators. Bild 1 zeigt den Verlauf der Kohlenwasserstoff- und Kohlenmonoxidemission in den ersten Sekunden des Abgastests mit und ohne Sekundärlufteinblasung.

ｯ＠

E

120 s

ｾ＠

Zeit

:> ｾ＠

Patentwesen

Neue Ideen und Erfindungen müssen nicht nur erdacht, sondern auch vor Nachahmern geschützt werden. Bei Erfindungen, deren Nach· ahmung nicht nachweIsbar ist (z. B. Fertigungsverfahren) kann der sich aus einer Erfin· dung ergebende Wettbewerbsvorteil durch Geheimhaltung gewahrt werden. Das ist je· doch nicht immer möglich und sinnvoll. Ein besserer Schutz ist durch das Patentgesetz möglich. Was ist ein Patent Ein Patent Ist ein Rechtstitel, der dem Patentinhaber (z. B. Person, Firma, Institution) das ausschließliche Recht verleiht, auf einem be' stimmten räumlichen Gebiet (z. B. In- und Ausland) für eine befristete Zeit (maximal 20 Jahre) andere u. a. von der Herstellung, dem Verkauf oder dem Gebrauch der patentierten Erfindung auszuschließen. Was kann patentiert werden? Patente werden nur für Erfindungen erteilt, die neu sind, auf einer erfinderischen Tätigkeit be· ruhen und gewerblich anwendbar sind. Eine Erfindung ist neu, wenn sie vor dem Tag der Patentanmeldung - dem . Prioritätstag" - der ÖffentlichkeIt nicht in irgendeiner Form bekannt war, d. h. nicht zum Stand der Technik gehörte. Sie beruht auf einer erfinderischen Tätigkeit, wenn sIe sich für den Fachmann nicht in nahe liegender Weise aus dem Stand der Technik ergibt. PatentfähIg sind • Gegenstände (z.B. Zündkerze), • Verfahren (z. B. ein besonderer Herstellungsprozess), • chemische Stoffe (z. B. Medikamente), • Computerprogramme, wenn sie einen technischen Beitrag zum Stand der Technik leIsten (z. B. ABS-Software). Das Patent ist eine Form des Schutzrechts. Daneben gibt es Gebrauchsmuster, mit dem Gebrauchsgegenstände geschützt werden können. Weitere Schutzmöglichkeiten ergeben SIch durch das Geschmacksmustergesetz,

das Urheberrechtsgesetz, das Markengesetz und das neue Halbleiterschutzgesetz. Anmeldung einer Erfindung Der Patentingenieur des Unternehmens prüft, ob für eine von einem Mitarbeiter eingereichte Erfindungsmeldung eine Schutzmöglichkeit besteht und ob eine Schutzrechtsanmeldung unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten zweckmäßig erscheint. Sind die Voraussetzungen gegeben, wird die Schutzrechtsanmeldung bei den zuständigen Patentämtern im In- und Ausland eingereicht. Allerdings führt nicht jede Patentanmeldung zu einem Patent. Rund 50% der Anmeldungen werden zurückgewiesen, da sie aus dem Stand der Technik bekannt sind (z. B. frühere Patentanmeldung). Die Anzahl neuer Patentanmeldungen ist ein Indiz für die Kreativität des Patentanmelders bzw. seiner Mitarbeiter. Bosch hat zum Beispiel im Jahr 2000 mehr als 2400 Patente angemeldet. Veröffentlichung Patentanmeldungen und erteilte Patente werden veröffentlicht. Sie sind nicht nur hilfreiche Instrumente zur Marktbeobachtung, sondern vermitteln auch Einblick in die innovative Entwicklung in allen Bereichen der Technik. Sie sind damit ein wirksames Mittel zur Vermeidung von Parallelentwicklungen und Doppelforschung. Nutzen von Patenten Patente sind wichtige Stützen des Technologietransfers zur Förderung des Innovations· potenzials: • Das ausschließliche Recht an einer gewerb' lieh verwertbaren Erfindung erleichtert die Finanzierung lIon Forschungs· und Entwicklungskosten der Unternehmen. • Patente stärken als Ausschließlichkeitsrecht die Marktposition von Unternehmen. • Patentierte Erfindungen regen die Forschung nach Alternativlösungen an. • Lizenzen an Patenten begünstigen die Verbreitung neuer Technologien.

349

350

Abgasgesetzgebung

Übersicht

Abgasgesetzgebu ng Das ständig steigende Verkehrsaufkommen und die damit gestiegenen Umweltbelastungen, insbesondere durch den innerstädtischen Verkehr, wurden in der Vergangenheit zunehmend zu einem Problem. Die Abgasemissionen der Kraftfahrzeuge mussten deshalb begrenzt werden. Die Gesetzgeber legen die zulässigen Grenzwerte und die Prüfverfahren fest. Jeder neu zugelassene Fahrzeugtyp muss diesen gesetzlichen Bestimmungen genügen.

Übersicht Vorreiter im Bestreben, die von den Kraftfahrzeugen verursachten Schadstoffemissionen gesetzlich zu begrenzen, war der USBundesstaat Kalifornien. Grund dafür ist, dass in den Großstädten wie Los Angeles aufgrund der geografischen Lage die Abgase nicht vom Wind weggetragen werden, sondern wie eine Dunstglocke über der Stadt liegen bleiben. Die dadurch hervorgerufene Smogbildung wirkte sich nicht nur negativ auf die Gesundheit der Bevölkerung aus, sie führte auch zu massiven Sichtbehinderungen. Seit In-Kraft -Treten der ersten Abgasgesetzgebung für Ottomotoren Mitte der 1960er-Jahre in Kalifornien wurden dort die zulässigen Grenzwerte für die verschiedenen Schadstoffkomponenten immer weiter reduziert. Mittlerweile haben alle Industriestaaten Abgasgesetze eingeführt, die die zulässigen Grenzwerte für Otto- und Dieselmotoren sowie die Prüfmethoden festlegen. Zusätzlich zu den Abgasemissionen werden in einigen Staaten auch die Verdampfungsverluste aus dem Kraftstoffsystem begrenzt.

Prüfverfahren

Nach den USA haben die Staaten der Europäischen Union (EU) und Japan eigene Prüfverfahren zur Abgaszertifizierung von Kraftfahrzeugen entwickelt. Andere Staaten haben diese Verfahren in gleicher oder auch modifizierter Form übernommen. Je nach Fahrzeugklasse und Zweck der Prüfung werden drei vom Gesetzgeber festgelegte Prüfverfahren angewendet: • Typprüfung zur Erlangung der allgemeinen Betriebserlaubnis, • Serienprüfung als stichprobenartige Kontrolle der laufenden Fertigung durch die Abnahmebehörde und • Feldüberwachung zur Überprüfung bestimmter Abgaskomponenten von im Betrieb befindlichen Fahrzeugen. Den größten Prüfungsaufwand erfordert die Typprüfung. Für die Feldüberwachung werden stark vereinfachte Verfahren angewendet. Klasseneinteilung

In Staaten mit Kfz-Abgasvorschriften besteht eine Unterteilung der Fahrzeuge in verschiedene Klassen: • Pkw: Die Prüfung erfolgt auf einem Fahrzeug-Rollenprüfstand. • Leichte Nkw: Je nach nationaler Gesetzgebung liegt die Obergrenze des zulässigen Gesamtgewichts bei 3,5 .. .3,8 t. Die Prüfung erfolgt wie bei Pkw auf einem Fahrzeug-Rollenprüfstand. • Schwere Nkw: Zulässiges Gesamtgewicht über 3,5 .. .3,8 t. Die Prüfung erfolgt auf einem Motorenprüfstand, eine Fahrzeugmessung ist nicht vorgesehen. Typprüfung

Es gibt im Wesentlichen folgende Abgasgesetzgebungen (Bild 1): • CARB-Gesetzgebung, • EPA-Gesetzgebung, • EU-Gesetzgebung, • Japan-Gesetzgebung.

Abgasprüfungen sind eine Voraussetzung für die Erteilung der allgemeinen Betriebserlaubnis für einen Fahrzeug- und Motortyp. Dazu müssen Prüfzyklen unter definierten Randbedingungen gefahren und Emissionsgrenzwerte eingehalten werden. Die Prüfzyklen (Testzyklen) und die Emissionsgrenzwerte sind länderspezifisch festgelegt (Bild 1).

Abgasgesetzgebung

Testzyklen

Serienprüfung

Für Pkw und leichte Nkw sind unterschiedliche Testzyklen vorgeschrieben, die sich entsprechend ihrer Entstehungsart nach zwei Typen unterscheiden: • aus Aufzeichnungen tatsächlicher Straßenfahrten abgeleitete Testzyklen (z. B. FTP-Testzyklus für USA) und • aus Abschnitten mit konstanter Beschleunigung und Geschwindigkeit konstruierte (synthetisch erzeugte) Testzyklen (z. B. MNEFZ für Europa und Japan-Testzyklen).

In der Regel führt der Hersteller selbst die Serien prüfung als Teil der Qualitätskontrolle während der Fertigung durch. Die Zulassungsbehörde kann beliebig oft Nachprüfungen anordnen. Die EU-Vorschriften und ECE-Richtlinien I) berücksichtigen die Fertigungsstreuung durch Stichprobenmessung an 3 bis maximal 32 Fahrzeugen. Die schärfsten Anforderungen werden in den USA angewandt, wo insbesondere in Kalifornien eine annähernd lückenlose Qualitätsüberwachung verlangt wird.

Zur Bestimmung der ausgestoßenen Schadstoffmassen wird der durch den Testzyklus genau festgelegte Geschwindigkeitsverlauf "nachgefahren ". Während der Fahrt wird das Abgas gesammelt und nach dem Ende des Fahrprogramms hinsichtlich der Schadstoffmassen analysiert.

On-Board-Diagnose

,) ECE: Economic Commission of Europe

351

Übersichl

Die Abgasgesetzgebung legt auch fest, wie die Einhaltung der Grenzwerte überwacht wird. Das Motorsteuergerät enthält Diagnosefunktionen (Softwarealgorithmen), die abgasrelevante Fehler im System erkennen. Die OBD-Funktionen (On-Board-Diagnose) überprüfen alle Komponenten, die bei einem Ausfall zu einer Erhöhung der Schadstoffemissionen führen. Es werden länderspezifisch Grenzwerte für die Abgasemission festgelegt. Bei überschreiten der Grenzwerte wird der Fahrer durch die Fehlerlampe auf den Defekt hingewiesen.

Gellungsbereiche der verschiedenen Abgasgeselzgebungen

Ｍ

ｾＭ＠

Bild 1

Testzyklen für die unler " schiedlichen Abgas· gesetzgebungen :

•

FTP-75-Zyklus (CARB und EPA)

•

Highway·Zyklus (CARB und EPA, nur für Ermilliung des Flollenverbrauchs)

• _ _

_

USCARB

MNEFZ (EU -/ECETe.lZykJus)

USEPA

•

11 ·Mode·Zyklus und

EU

•

10· 15-Mode-Zyklus (beide Japan)

Japan Q

Gesetzgebung basierend auf

_

US EPA (• . B.Süd amerika)

1/11// EU (z.B. ECE·SI •• tenl

.,

I ｾ＠

FUr die USA SInd weilere Te.lzyklen in der Ein· führung'phase : •

sCOa·Zyklus und

•

US06-Zyklus

352

Abgasgesetzgebung

CARB·Gesetzgebung

CARB-Gesetzgebung Die Abgasgrenzwerte der kalifornischen Abgasgesetzgebung CARB (California Air Resources Board) für Pkw und leichte Nutzfahrzeuge (LDT, Light-Duty Trucks) sind festgelegt in den Abgasnormen • LEVI und • LEV 11. Die Norm LEV I gilt für Pkw und leichte Nutzfahrzeuge bis 3750 lbs (1,7 t) für die Modelljahre 1994... 2003. Zum 1.1. 2004 tritt die Norm LEV II in Kraft, die für alle Fahrzeuge ab Modelljahr 2004 bis zu einem zulässigen Gesamtgewicht von 8500 lbs (3,85 t) verbindlich ist. Grenzwerte

Die CARB-Gesetzgebung legt Grenzwerte fest für • Kohlenmonoxid CO, • Stickoxide NO x, • NMOG (Nicht-Methanhaltige organische Gase), • Formaldehyd (nur LEV II) sowie • Partikel (bei Ottomotoren nur für LEV II, bei Dieselmotoren auch für LEV 1).

Die Schadstoffemissionen werden im FTP 75-Fahrzyklus (Federal Test Procedure) ermittelt. Die Grenzwerte sind auf die Fahrstrecke bezogen und in Gramm pro Meile festgelegt. Für Fahrzeuge mit Otto- und Dieselmotor gelten ab 2004 die gleichen Grenzwerte. Abgaskategorien

Der Automobilhersteller kann unterschiedliche Fahrzeugkonzepte einsetzen, die nach ihren Emissionswerten für NMOG-, CO-, NOx - und Partikelemissionen in folgende Abgaskategorien eingeteilt werden: • TLEV (Transitional Low-Emission Vehicle), • LEV (Low-Emission Vehicle, d.h. Fahrzeuge mit niedrigen Abgas- und Verdunstungsemissionen) , • ULEV (Ultra-Low-Emission Vehicle), • SULEV (Super Ultra-Low-Emission Vehicle), • ZEV (Zero-Emission Vehicle, d. h. Fahrzeuge ohne Abgas- und Verdunstungsemissionen) und • PZEV (Partial ZEV, entspricht im Wesentlichen SULEV, jedoch höhere Anforderungen bezüglich Verdunstungsemissionen und Dauerhaltbarkeit).

Abgaskategonen und Grenzwerte der CARB·Gesetzgebung

9 Mei le

1.00

Bild 1 lEVI :

für Personenkraftwagen und lelchle Nutzfahr· zeuge bis 3750 Ibs Modeillahre 1994 bis 2003

lEVII : lür alle Fahrzeuge bIS 8500 Ibs

Modelljahr ab 2004

0,60 0,55 0,50 cQ) c 0,45 0 "q; 0,40

Bei Fahrzeugen mit Automatikgetriebe muss der Kick-down-Schaltpunkt über das Steuergerät geprüft und eingestellt werden.

Werkstatt-Technik

Weltweiter Service

WeIlweiter Service

,Wenn Du erst einmal im Motorwagen

das BedUrfnis nach Werkstätten rasch an. In

gefahren bist, dann wirst Du bald finden ,

den 1920er-Jahren begann Robert B osch mit

daß es mit Pferden etwas unglaublich

dem systematischen Aufbau einer flächen-

Langweiliges ist ( •..). Es gehört aber ein

deckenden Kundendienstorganisation. 1926

sorgfältiger Mechaniker an den Wagen (.. .)."

als Markenzeichen angeme ldeten Namen

Robert Bosch schrieb im Jahr 1906 diese Zeilen an seinen Freund Paul Reusch. Damals

erhielten diese Werkstätten den einheitlichen , , Bosch-Dienst". Die Bosch-Dienste von heute haben die

konnten in der Tat auftrete nde Panne n durch

Bezeichnung , Bosch C ar Service". Sie sind

den angestellten Chauffeur oder den Mechani-

mit modernsten elektronischen Geräten

ker daheim behoben werden. Doch mit der

ausgerUstet, um den An forderungen der Kraft·

steigenden Zahl der selbstfahrenden , Auto-

fahrzeugtechnik von heute und den Q ualitäts'

mobilisten" nach dem Ersten Weltkrieg wuchs

ansprUchen des Ku nden gerecht zu werden.

Eine Reparaturllalle aus dem Jahr 1925 (Foto: Boseh)

375

376

Werkstatt-Technik

Überprüfung des Zündsystems

Überprüfung des Zündsystems Achtung l G rundsätzhch g,lt : E,n Zündsystem f ührt w ährend des B elrlebs

gefährliche Spannungen am Primär· und am

Sekundätkrels und dali keinesfalls berührt w erdenl

B e' allen Arbeiten am

Zündsystem sind aus· reichende Sachkenntnis erio,derhch und Sicher' hellsvorkehrungen zu treffen I Die e ntsprechenden

SlcherheitS'Yorschnften zum Umgang mll Hoch·

spannung sind z u beachlen!

anleitung. Mit Motortestern wird die eigentliche Prüfung des Zündsystems (z. B. Prüfung der Zündwinkel-Grundeinstellung) durchgeführt. Es gibt diese Geräte vom Pocket -Tester bis hin zum kompletten Diagnosesystem mit einer Vielzahl von Funktionen wie z. B. Abgasuntersuchung, Oszilloskop u. a. Die stationären Tester haben die erforderlichen Voraussetzungen, um die Signale im Primär- und Sekundärkreis mehrerer Zündspulen gleichzeitig aufzunehmen. Die Darstellung der Funktionsweise einer Zündung eines Sechszylinder-Motors mit Zweifunken-Zündspulen geht aus dem Oszillogramm in Rasterdarstellung hervor (Bild I). Zur detaillierten Betrachtung der einzelnen Zylinder kann auf Einzelbilddarstellung umgeschaltet werden. Außerdem besteht beim Zweikanal-Oszilloskop die Möglichkeit, die Oszillogramme von Primär- und Sekundärkreisen gemeinsam zu betrachten. Eine weitere Hilfe bei der Fehlersuche ist die Suchfunktion nach Unregelmäßigkeiten im Signalverlauf von Primär- und Sekundärseite. Hierbei wird der Verlauf der letzten Sekunden vor Betätigung der Speichertaste nach Abweichungen untersucht. Dadurch ist es z. B. möglich, die Zündspannung und die Brenndauer einzelner Zylinder direkt miteinander zu vergleichen, um so Fehler lokalisieren zu können.

Falls Funktionsstörungen an einem Ottomotor auftreten, ist eine Fehlerlokalisierung und Zuordnung der Ursache auf das Zündsystem nicht immer einfach. Das Zündsystem hat die Aufgabe, ein möglichst homogenes Luft-Kraftstoff-Gemisch zu entflammen. Daher ist es in diesem Gesamtsystem durchaus möglich, dass Funktionsstörungen als Wechselwirkung zwischen Gemischaufbereitung und Entflammung durch die Zündung vorliegen. Ein Zündsystem ist über den gesamten Betriebsbereich eines Ottomotors sehr dynamischen Belastungen ausgesetzt. Je nach Zündwinkel, Drehzahl, Füllung, Ladedruck, Gemischzusammensetzung usw. sind unterschiedliche Durchbruchspannungen an der Zündkerze erforderlich. Eine Fehlersuche bei sporadisch auftretenden Fehlern wird dadurch sehr erschwert. Die Zündung eines Ottomotors ist immer als Gesamtsystem, bestehend aus Zündungssteuerung (Motronic), Zündendstufe, Zündspule, Zündkerze und allen Verbindungsmitteln zu sehen. Eine wichtige Hilfe bei der Fehlersuche ist die in ESI[tronicl eingebettete Reparatur-

Zündungsbild (Sekundär) in 3 ·D-Rasterdarstellung eines Sechszylinder-Motors mit Zweifunken·Zündspulen bei 760 min- I Bild 1 t

Paradedarslellung: Haupt· und StOtz'

ｫｖ

ｲＭｾＬ＠

funken sind Obe,· lagert

2 Positiv· Darstellung: Hauptfun ken bel

(D- - - -

Zyli nder 1, 2und 5 Stillzfunken bel

vlcL ,

-l-l-

Zylinder 4, 3 und 6 3

Negatlv·Darstellung: Hauptfunken bel

0

Zylinder 4, 3 und 6 Stülzlunken bei ZyI,nder 1, 2 und 5 4

Zünd folge

1- 4-3-6-2-5

@

0'

120' 4

240' 3

360' 6

480' 2

600' 5

720' KW (1) Zylinder

; ｾ＠

ｾ＠ :>

=

Werkstatt-Technik

Zündspulen-Praxis Die Zündspule ist eine wartungsfreie Komponente, die im Normalfall über die gesamte Lebensdauer des Fahrzeugs zuverlässig arbeitet. Fehlerdiagnose

Sollten doch Störungen auftreten, so können diese zu Verbrennungsaussetzern führen, was einen unrunden oder stotternden Motorlauf nach sich zieht. In diesem Fall sollten die Hochspannungsverbindungen vom Kabelbaum zur Zündspule und von der Zündspule zur Zündkerze auf Wackelkontakt überprüft werden (Sichtprüfung). Ein Fehler innerhalb der Zündspule wird von der On-Board-Diagnose (OBD) des Motormanagementsystems nicht unbedingt erkannt. Ein Defekt in der inneren Isolation der Zündspule kann z. B. bei hohem Zündspannungsbedarf zu einem Funkenüberschlag nicht an der Zündkerze, sondern innerhalb der Zündspule führen. Solche Fehler sind weder von der OBD noch durch eine Sichtprüfung zu erkennen. Auswirkungen einer fehlerhaften Zündspule

Es wird in unterschiedliche Fehlerkategorien unterteilt: TOI,ll.lUSt:lll ci ncr ＷＮ ｮ ､ｾ ｰｴｬ ｬ｣＠ Bei der Rotierenden Verteilung ist der Totalausfall der Zündspule mit dem Liegenbleiben des Fahrzeuges verbunden. Bei Ruhender Spannungsverteilung mit einer Zündspule je Zylinder wird das Luft-Kraftstoff-Gemisch des betreffenden Zylinders nicht entflammt und dieser somit "mitgeschleppt". Moderne Motormanagementsysteme schalten bei dieser Funktionsstörung die Kraftstoffzufuhr des betreffenden Zylinders ab, um Beschädigungen des Katalysators zu vermeiden. Bei eingeschränktem Fahrkomfort ist eine Fahrt zur Werkstatt noch möglich.

Zündspulen-Praxis

lRcdm:io:rte Lt·islu ngsd'llt' n einer Zümhpulc In bestimmten Betriebszuständen des Motors ist ein erhöhter Bedarf an Energie und Zündspannung erforderlich. In diesen Betriebszuständen wird ein sporadisches Aussetzen der Verbrennung die Folge sein, da das erforderliche Zündspannungsniveau bzw. die notwendige Brenndauer des Funkens nicht erreicht wird. Dieser Fehler ist bei Rotierender und auch bei Ruhender Verteilung mitunter sehr schwierig zu lokalisieren, da auch Wechselwirkungen zwischen Verschleiß der Komponenten und allen Betriebsbedingungen mit einfließt. Hier sind die modernen Systeme ebenfalls im Vorteil, da solche Fehlersituationen durch die Diagnosefunktionen der Motorsteuerung erkannt werden. Sporadisches Aussc t7.cn der Fun klion einer Zü nd'l'uk In diesem Fall wird ein unruhiger Motorlauf und Zündaussetzer über den gesamten Lastund Drehzahlbereich bemerkbar sein, bei Motoren mit Rotierender Verteilung sind ausgeprägte Motoraussetzer spürbar. Die Diagnosefunktionen moderner Motorsteuerungen erkennen in Regelfall diesen Störungsfall mit eindeutiger Zuordnung des betroffenen Zylinders Merkmale einer fehlerhaften Zündspule

Eine fehlerhafte Zündspule ist an folgenden Merkmalen zu erkennen:

Ke in Zü nd fu nke Dies lässt auf eine Unterbrechung der Primärwicklung, der Zuleitung oder der Zündendstufe oder auf einen inneren Kurzschluss der Hochspannung nach Masse schließen. -+ Es wird keine Hochspannung erzeugt.

377

378

Werkstatt-Technik

Zündspulen-Praxis

Zündspu le wi rd bei tehendem Mo tor heiß Es liegt ein Kurzschluss der Zündungsendstufe oder ein Kurzschluss der Zuleitung nach Masse zwischen Klemme 1 und der Zündungsendstufe vor_ Achtung: Gefahr eines Kabelbrandes und Zerstörung der Zündspule möglich! Die Zündspule wird be i Betrieb außergewöhnlich heiß Ursache kann ein Kurzschluss zwischen einigen Windungen der Wicklungen vorliegen, bzw_ eine fehlerhafte Ansteuerung_ Achtung: Gefahr eines Kabelbrandes und Zerstörung der Zündspule möglich! Zündaussetzer bzw. unruhiger Motorl:,

01 1S2

CI1

R2

GNO GNO

b

Bei der Auswahl der Schaltungsmodule (z. B. in einen IC integrierte Auswerteschaltung der Klopfsensoren) wird geprüft, ob schon bestehende Schaltungen - gegebenenfalls mit Abänderungen - verwendet werden können. Ansonsten müssen neue Module entwickelt werden. Schaltplan und Stückliste

Mit einem CAD-System (Computer Aided Design) wird der Schaltplan (Bild 1 a) mit der Stückliste der eingesetzten Bauelemente erstellt. In der Stückliste sind für jedes Bauelement auch folgende Punkte festgelegt: • die Bauelementgröße, • die Pinbelegung, • das Gehäuse sowie • der Lieferant und die Lieferbedingungen.

c

Layout

Für die Leiterplattenherstellung wird ein Layout (Bild 1 b) benötigt. Es spiegelt die Leiterbahnen und die Anschlusspins der Bauteile wider. Das Layout wird auf einer CAD-Anlage erzeugt. Die Daten des Schaltplans werden übernommen und konvertiert. Die nun erzeugte Netzliste (Verbindungsliste der Bauelemente) gibt Auskunft darüber, wie die Bauelemente miteinander verbunden sind. Aus dieser Netzliste und aus den CADDaten für die Bauelemente (Bauteilgröße und Anschlussbelegung) kann das Layout erzeugt werden.

e

Bild ' aSchaltplan b c

Layout Leiterplalten· herstellung

d

Musteraufbau

e

Prülungen

396

Steuergeräteentwicklung

Hardwareenlwicklung

Bei der LayoutersteIlung gibt es Vorgaben, die berücksichtigt werden müssen. Bei der Platzierung von Bauelementen sind dies z. B. folgende Punkte: • Die in Bauelementen entstehende Verlustleistung (Möglichkeit zur Wärmeableitung) , • EMV-Einflüsse (Elektromagnetische Verträglichkeit) , • günstige Anordnung der Bauelemente zum Stecker, • Einhalten von Sperrflächen (Bauteilgröße ), • Bestückbarkeit durch Bauteileautomaten, • Prüfpunkte und • Platzbedarfs für Prüfadapter. Leiterplatte

Mit den Daten des Layouts können Filme für die Leiterplattenherstellung (Bild 1 c) angefertigt werden. Mit den Filmen werden die "rohen", mit einer fotoempfindlichen Schicht versehenen Leiterplatten belichtet, entwickelt und geätzt. Die einzelnen Lagen der Multilayer-Leiterplatte werden übereinander gelegt und gehärtet.

Prüfen der bestückten Leiterplatte

Elektrische Prüfli ng Die bestückte und gelötete Leiterplatte muss getestet werden. Hierzu werden elektrische Prüfvorschriften erstellt, die auf einem Rechner ablaufen. Diese automatische Prüfung testet die Vollständigkeit der Bestückung sowie die Funktionsfähigkeit der Schaltung. Thermographie Thermographische Aufnahmen der Leiterplatte zeigen die Wärmeentwicklung der Bauelemente im Betrieb (Bild 2). Die unterschiedlichen Temperaturbereiche werden auf dem Film mit verschiedenen Farben dargestellt. Damit können Bauelemente entdeckt werden, die zu warm werden. Die Kenntnisse darüber fließen in die Änderungsliste vom B- zum C-Muster ein. Mit Layoutänderungen (z.B. Wärmedurchkontaktierung) kann die Wärmeentwicklung reduziert werden.

Im Anschluss daran wird auf die Leiterplatte der Bestückungsdruck, die Lötstoppmaske und ein Carbonlack aufgebracht. Musteraufbau

Die fertige Leiterplatte muss mit den Bauelementen bestückt werden (Bild 1 d). Das geschieht bei den Mustersteuergeräten im Musterbau. Aufgrund der Miniaturisierung der Bauelemente und der hohen Integrationsdichte auf der Leiterplatte ist ein maschinelles Bestücken auch der Mustergeräte mit einem Bestückungsautomaten unumgänglich. Der Automat wird von den CADDaten des Layouts gesteuert.

Bild 2 Motorsteuergerät Bel riebsspannung

t'=

14V

Leerlauf rr= 1000mln

I

Nach dem Bestücken werden die Bauelemente gelötet. Alternativ stehen zwei Verfahren zur Verfügung: • das Wellenlöten oder • das Reflowlöten.

Thent10grephische Aufnahme der LeiterplaUe

Steuergeräteentwicklung

lektromagnetischc Prüfung

Mit einer Magnetfeldsonde können die auf der Leiterplatte erzeugten elektromagnetischen Felder abgetastet werden (Bild 1 e). Die Auswertung geschieht mit dem Pe. Unterschiedliche Feldstärken sind durch verschiedene Farben gekennzeichnet. Gegebenenfalls müssen Layoutänderungen vorgenommen und zusätzliche Bauelemente vorgesehen werden, die die Strahlungsbildung vermindern oder das Steuergerät störsicher machen. Auch diese Untersuchungen werden bereits am B-Muster durchgeführt, damit die erforderlichen Änderungen im C-Muster berücksichtigt werden können. EMV-Messungen

Messungen in der EMV-Messzelle oder EMV-Messhalle (Bild 3) prüfen das Verhalten des Steuergeräts auf elektromagnetische Einstrahlung und Abstrahlung. Messungen werden sowohl am eingebauten Steuergerät (Fahrzeugmessungen) als auch im Labor (z. B. Stripline-Verfahren) durchgeführt.

Hardwareentwicklung

Die Fahrzeugmessungen haben den Nachteil, dass sie erst durchgeführt werden können, wenn die Entwicklung des Fahrzeugs und der Elektronik schon weit fortgeschritten ist. Die Eingriffsmöglichkeiten bei unbefriedigendem EMV-Verhalten sind deshalb in diesem Stadium stark eingeschränkt. Daher sind frühzeitige Labormessungen sehr wichtig, weil damit schon im Vorfeld Messungen mit den Hardwaremustern möglich sind. Die EMV-Messungen werden bei verschiedenen Frequenzen und unterschiedlich hohen elektrischen Feldstärken vorgenommen. Untersucht wird die Störsicherheit der Ausgangssignale (z. B. Zündungssignale, Einspritzsignale) gegenüber der Einstrahlung sowie das Abstrahlverhalten.

397

398

Steuergeräteentwicklung

Funktionsentwicklung

Funktionsentwicklung An Fahrzeugantriebe werden heute hohe Anforderungen bezüglich Fahrbarkeit und Verbrauch gestellt. Damit diese Forderungen auch bei Erfüllung einer immer strengeren Abgasgesetzgebung kostengünstig erfüllt werden können, bedarf es des optimalen Zusammenspiels der Motorsteuerung mit dem gesamten Antrieb, einer Vielzahl von Sensoren und Aktoren und deren Diagnose. Da im Gegensatz zu früheren Lösungen keine direkte mechanischer Beeinflussung der Steiler bei Änderung der Umgebungsbedingungen möglich ist, stellt das elektronische Motorsteuergerät und damit die darin ablaufende Steuersoftware die einzige Verbindung zwischen Sensoren und Akoren dar. Folglich werden die Gebrauchseigenschaften eines Fahrzeugs in erheblichem Umfang durch die in der Motorsteuerung implementierten Algorithmen und deren Qualität bestimmt. Die Bereitstellung dieser Algorithmen ist Aufgabe der Funktionsentwicklung Anforderungen an Funktionen

Modularität Moderne Steuerungen müssen auch auf der Funktionsseite modular aufgebaut sein, um die Vielzahl der Varianten von Motorkonfigurationen wie z. B. Zylinderzahl, Einspritzverfahren, verwendete Sensoren oder Abgaskonzepte beherrschbar zu gestalten. Eine hierarchische Gliederung in Subsysteme (Luft-, Kraftstoff-, Abgassystem) mit stabilen Schnittstellen ermöglicht dabei eine parallele und damit schnelle Entwicklung, was bei dem heutigem Innovationstempo in der Automobilbranche eine immer höhere Bedeutung erlangt.

Komponentenpakete Für jede Klasse von Sensoren und Aktoren wird eine allgemeingültige Schnittstelle mit physikalischer Bedeutung geschaffen. übergeordnete Steuerungsfunktionen setzen ohne Kenntnis der verwendeten Ausprägung der Komponente darauf auf und überlassen die Detailbehandlung spezieller Eigenschaften der Komponente der darunter liegenden Funktionsebene, dem so genannten Komponentenpaket. Dort wird ein optimales Zusammenspiel zwischen der mechanischen Komponente - also dem Sensor oder Aktor -, der Auswerte- oder Ansteuerhardware und der hardwarenahen Software sichergestellt. Neben notwendigen Maßnahmen wie Schutz gegen zu hohe Temperaturen oder zu hohe Betriebsspannungen sind auch die Korrektur nichtlinearer Kennlinien und die Umrechnung in die gewählte physikalisch basierte Komponentenpaketschnittstelle hier angesiedelt. So ist z. B. der übergang von einem pneumatischen auf einen elektrischen Stellantrieb ohne Änderung der übergeordneten Steuerungsfunktionen darstellbar. Dieses Konzept ist Voraussetzung für den Einsatz ähnlicher Komponenten unterschiedlicher Generationen und Hersteller bei minimaler Rückwirkung auf das Gesamtsystem. Entwicklungsprozess

Anforderung Bei neuen Anforderungen eines Kundenoder Plattformprojekts z. B. bezüglich Einsatz neuer Komponenten wird geprüft, wie eine Lösung aussehen könnte und welche Funktionen betroffen sind. Dabei sollte möglichst die bestehende Funktionsstruktur beibehalten werden, um die Schnittstellen und damit das Zusammenspiel mit anderen Funktionen und anderen Projekten nicht zu gefährden. Sind die nötigen Algorithmen bekannt und im Steuergerät realisierbar, erfolgt eine Schätzung des Entwicklungsaufwands, der Kosten und des Fertigstellungstermins. Nach Diskussion mit den internen und externen Kunden erfolgt die Beauftra-

Steuergeräteentwicklung

gung durch den Kunden und eine verbindliche Zusage des Fertigstellungstermins. Konzept Falls die verfügbaren Algorithmen zur Lösung der Aufgabe nicht ausreichen, wird bei entsprechend hoher Bedeutung eine Neuentwicklung mit Grundsatzmessungen an Fahrzeug- oder Motorprüfstand begonnen. Das daraus resultierende Konzept wird in einer Konzeptdurchsprache mit Teilnehmern aus Funktionsentwicklung, Systementwicklung und Applikation auf physikalische Richtigkeit, Widerspruchsfreiheit, Realisierbarkeit in der verfügbaren Motorsteuerung und voraussichtliche Applizierbarkeit geprüft. Fu nktionsdefin ition Danach erfolgt die Umsetzung des Konzepts durch Erstellung einer Spezifikation für jede Funktion. Nach Offline-Simulation kritischer Teile mit Fahrzeugmessdaten werden diese Funktionen zusammen mit einer Dokumentation, die verbale Beschreibung und Applikationshinweise umfasst, als Funktionsdefinitionen in eine zentrale Datenbank eingestellt. Funktionsreviews mit einem anderen Funktionsentwickler verhindern die Wiederholung bereits bekannter Fehler. Codierung Nun werden die Funktionen von der Software-Entwicklung entweder automatisch codegeneriert oder bei kritischen Funktionen von Hand codiert. Ein Codereview minimiert auch hier die Fehlerhäufigkeit.

Funktionsentwicklung

Funktionstest Nach Fertigstellung werden alle neuen Softwaremodule in einen Programmstand für ein bestimmtes Fahrzeugprojekt integriert. Erst dann ist ein realer Test im Fahrzeug möglich, der in drei Schritten abläuft. • Der Funktionsentwickler prüft die Übereinstimmung zwischen Spezifikation und vorliegender SW-Realisierung. • Der Funktionsentwickler vergleicht die Realisierung mit der Kunden- oder Projektanforderung. • Funktionsentwicklung und Applikation beurteilen gemeinsam während einer Erstinbetriebnahme, ob die gewählte Lösung ausreichend gut applizierbar und somit auch für andere Projekte anwendbar ist. Diese Überprüfungen können zu einer mehr oder weniger großen überarbeitung der gewählten Lösung führen. Ziel ist jedoch immer, Fehler so früh wie möglich im Entwicklungsprozess zu finden, um die Auswirkung auf Termine, Kosten und Qualität beherrschbar zu gestalten. Programmstandsauslieferung Nach diesen Tests werden die Funktionen in Form eines Programmstands an den Kunden ausgeliefert. Bei neuen Konzepten oder großem Änderungsumfang unterstützt der Funktionsentwickler zusammen mit der Applikation die Inbetriebnahme beim Kunden durch Präsentation des gewählten Konzepts und Diskussion der Applikationsvorgehensweise am Motorprüfstand oder auf einer Sommer- oder Wintererprobung.

399

400

Steuergeräteentwicklung

Softwareentwicklung

Softwareentwicklung Vom Assembler ...

Als die ersten Mikrocontroller in Steuergeräten eingesetzt wurden, hatten die Programme einen Umfang von 4 kByte oder sogar noch weniger. Die Speicherchips hatten damals nicht mehr Kapazität. Aus diesem Grund mussten die Programme auch mit einem Platz sparendem Code erstellt werden. Die meist verwendete Programmiersprache war der "Assembler". Die Befehle dieser Sprache sind "Mnemonics", sie entsprechen dem Maschinencode des Mikrocontrollers. Allerdings sind Assembler-Programme in der Regel schwer zu lesen und zu pflegen. Im Laufe der Zeit wurde die Kapazität der Speicherchips immer größer und die Funktionalität der Motorsteuerung immer komplexer. Der wachsende Funktionsumfang machte eine Modularisierung der Software unumgänglich. Das Steuergeräteprogramm ist in Module gegliedert, die jeweils ganz bestimmte Funktionen beschreiben (z. B. Lambda-Regelung, Leerlaufregelung). Diese Module sollen natürlich nicht nur in einem einzigen, sondern für viele Projekte verwendet werden. Deshalb sind definierte Schnittstellen für die Ein- und Ausgangsgrößen der Funktionen wichtig. Die Assemblerprogrammierung stößt damit an die Grenzen ihrer Leistungsfähigkeit. ... zur Hochsprache

Für die derzeitigen Anforderungen an die Softwareentwicklung ist der Einsatz von Hochsprachen unumgänglich. Mittlerweile ist die gesamte Software eines Motorsteuerungssystems in einer Hochsprache - vornehmlich in der Programmiersprache C erstellt. Die Hochsprachenprogrammierung gewährleistet: • Pflegbarkeit der Software, • Modularität, • Austauschbarkeit von Software-Paketen, • Unabhängigkeit der Software von dem im Steuergerät eingesetzten Mikrocontroller.

Software-Qualität

Die meisten Innovationen im Fahrzeug ergeben sich durch die Nutzung der Elektronik. Früher wurde die Software als "Anhängsel" der Hardware betrachtet. Im Laufe der Zeit kam der Software aber eine immer größere Bedeutung zu. Mit der Komplexität der mikrocontrollergesteuerten elektronischen Systeme wurde die Softwarequalität zu einer immer wichtigeren Säule bei der Softwareentwicklung. Denn Defekte durch unausgereifte Software schaden dem Image einer Marke und treiben Garantiekosten in die Höhe. oftwareprozes verbe eru ng Als Verbesserungsmodell für die Prozesse in der Softwareentwicklung wird das CMM (Capability Maturity Model) verwendet. Es stellt ein Rahmenwerk dar, das die Elemente eines effektiven Softwareprozesses aufzeigt. Es beschreibt einen evolutionären Pfad von einem ungeordneten zu einem reifen, disziplinierten Prozess und unterstützt • die Charakterisierung des Reifegrads der Prozesse, • die Festlegung von Zielen für Prozessverbesserungen und • das Setzen von Prioritäten für durchzuführende Aktionen.

Verteilt Entwicklung Software wird bei Bosch nicht nur in Deutschland, sondern weltweit an verschiedenen Standorten entwickelt. Innerhalb dieses internationalen Entwicklungsverbunds wird der gleiche Entwicklungsprozess angewandt. Damit gelten für Bosch weltweit hohe Qualitätsstandards für die Software. Software-Sharing

Durch die Modularisierung und Festlegung definierter Schnittstellen können auch "fremde" Software-Module in die Steuergeräteprogramme eingebunden werden. Damit kann ein Fahrzeughersteller seine eigene Software für verschiedene Fahrzeugtypen verwenden. Software wird damit zum "Wettbewerb differenzierenden Faktor".

Steuergeräteentwicklung

Erstellung des Programmeodes Grundlage für die Softwareentwicklung sind die Funktionsdefinitionen, die von der Funktionsentwicklung erstellt werden. Diese Dokumente beschreiben die Steuergerätefunktionen (z.B. Lambda-Regelung), die von den Software-Ingenieuren in ein Programm umgesetzt und anschließend zu einem lauffähigen Steuergeräte-Gesamtprogramm zusammengesetzt werden. Quellcode-Erstellung Für jede Funktion wird ein Modul- ein Bestandteil des Gesamtprogramms - erstellt. Die Erstellung des Quellcodes für die Module erfolgt am PC mit einem Texteditor (Bild 1). Der Quellcode enthält im Wesentlichen die eigentlichen Programmbefehle sowie Dokumentationen, die die "Lesbarkeit" des Programms unterstützen (Programmpflege ). Compiler Der erstellte Quellcode muss in einen vom Mikrocontroller ausführbaren Maschinencode übersetzt werden. Hierzu wird der

ｾ＠

ｾ＠ ;100000009,!7A6&4CF5 : 1000 10005349612022 .10002000l7C369928S . 10003000AB746CC7CD : ,000400073916F4351 Ｍ ｉｏＵＰｃＲｂａＤＷｾ＠

Softwareentwicklung

Compiler gestartet. Es entsteht ein "Objektcode", der jedoch für Speicheradressen noch keine absoluten, sondern nur relative Werte enthält. Linker Wenn alle zu einem Gesamtprogramm gehörenden Module erstellt und compiliert sind, können alle Objektcodes zu einem lauffähigen Programm zusammengebunden werden. Diese Aufgabe übernimmt der Linker. Der Linker greift auf eine Datei zu, in der alle zu verbindenden Module eingetragen sind. In dieser Datei sind auch die Speicherbereiche für die Daten- und Programmspeicher aufgelistet. Damit können alle in den einzelnen Modulen aufgeführten relativen Adressen durch absolute Werte ersetzt werden. Das Ergebnis des Linklaufs ist ein auf dem Zielsystem - dem Steuergerät -lauffähiger Programmcode.

Modularchivierung Die Software unterliegt schnellen Änderungen. Damit ausgelieferte Programmstände zuverlässig reproduziert werden können ist es wichtig, die Module zu archivieren. Archivierungssprogramme erlauben, für jedes Modul alle Änderungen zu verfolgen. Für jeden archivierten Programmstand kann die Liste der verwendeten Module angezeigt und wieder ausgelagert werden. Messplatz Der vom Linker erzeugte Programmeode muss im Labor getestet werden, bevor das mit diesem Code programmierte Steuergerät im Fahrzeug eingesetzt werden kann. Zunächst müssen die neu erstellten Module bis ins kleinste Detail getestet werden. Im nächsten Schritt muss überprüft werden, ob alle Module störungsfrei im Gesamtverbund arbeiten. Für den Test steht ein mit vielerlei Messmitteln ausgestatteter Messplatz zur Verfügung (Bild 2, nächste Seite).

401

402

Steuergeräteentwicklung

Softwareentwicklung

Steuergerät mit ETK Für den Labortest wird ein speziell aufgebautes Labormuster eingesetzt. Vom Serienmuster unterscheidet es sich durch einen IC-Sockel anstelle des eingelöteteten FlashEPROM. Auf diesen Sockel kann ein "elektronischer Tastkopf" (ETK) gesetzt werden, der das EPROM durch ein RAM simuliert. Dadurch ist es möglich, Daten und Programm "online" zu verändern. Die Steuerung erfolgt über einen Pe.

Bild 2

1 LabCa, (Laborauto) 2 TRS 4.22-Schnitt·

LabCar Das Steuergerät erhält im Fahrzeugbetrieb Eingangssignale von Sensoren und Sollwertgebern. Ausgangssignale steuern die im Fahrzeug verbauten Aktoren an. Im Laborbetrieb werden die Sensorsignale simuliert. Die hierzu notwendigen Spannungsgeneratoren (z.B. Impulse des induktiven Drehzahlsensors ) oder Hardwarebeschaltungen (z. B. Widerstandskaskade zur Simulation des Temperatursensors) sind in einer "Blackbox", dem LabCar (Laborauto ) untergebracht.

Im LabCar sind auch alle Aktoren eingebaut, die vom Steuergerät angesteuert werden. Wichtig ist hierbei die elektronische Drosselklappenvorrichtung, da die Rückmeldung dieser Komponente vom Steuergerät ständig überwacht wird. Ohne angeschlossene Drosselklappe ist kein Fahrbetrieb möglich. Die Wegfahrsperre (Immobilizer ) muss ebenso am Steuergerät angeschlossen sein, damit ein Fahrbetrieb möglich ist. Die elektrischen Signale werden simuliert. Mit dem LabCar ist es damit möglich, das Fahrzeug zum Zweck der überprüfung des Steuergeräteprogramms zu simulieren. teckada pter Im Kabelbaum, der LabCar und Steuergerät verbindet, sitzt ein Steckadapter. Jede Leitung des Kabelbaums wird auf eine Buchse des Steckadapters geführt. Damit ist jedes Signal, das vom Steuergerät weg- oder hinführt, für Messzwecke zugänglich (z_ B. Messen des Spannungsverlaufs eines Ansteuersignals mit einem Oszilloskop).

stelle 3

I CAVME N (Applikationstool)

4 Drosselvorrichtung

(EGAS) 5

m I mobilizer

(Wegfahr.perre)

2

6 Steckadapler 7 K-Leitung (serielle Eindrahtschnitt-

I : 111111111111111111

stelle)

111111111111111111 : : I 111111111111111111111 111111111111111 : 11111 11 : 11111 : 111111111111 1111111111 :1111111111

8 Motorsteuergerät mit e lektronischem

Tastkopf (ETK)

9 Serielle Schnittstelle (RS232)

6

5

10 Parallel schnittstelle

(Cent,onics Link -

9

kabel. mit zusätzlichen Lichtleitern) 11

PC (Motorrnodell. Steuerung LabC.rl

12 Serielle Schnittslelle (RS232) t3 PC (Messrechner.

Beistellrechner für automatische Test· steuerung)

8

10

ｾ

Ｑ＠

eJ •

12

Steuergeräteentwicklung

Emulatorbetrieb An das Steuergerät (mit gesockeltem Mikrocontroller) wird ein Emulator angeschlossen. Der Emulator ersetzt den Mikrocontroller des Steuergeräts, das Steuergeräteprogramm läuft nun im Emulator ab. Mit einem PC wird der Programmcode in den Emulator geladen. Über diesen PC läuft auch die Steuerung des Emulators: • Das Programm kann an einer definierten Adresse gestartet werden. • Es können "Breakpoints" gesetzt werden (d. h., das Programm stoppt an einer definierten Stelle). • Der Programmablaufkann nach Erreichen des Breakpoints zurückverfolgt werden (Trace) und es können bei jedem Programmschritt Speicherinhalte ausgelesen und verändert werden. • Es können Triggerbedingungen definiert werden; der Programmablauf kann vor und nach dem Triggerpunkt überprüft werden. • Es können interne Signale und Register (Prozessorregister), die sonst nicht zugänglich sind, ausgelesen werden. • Mit dem Einzelschrittbetrieb können Programmsequenzen Schritt für Schritt abgearbeitet und der Ablauf verfolgt werden. • Daten und auch Programmcode können verändert werden, um für Testzwecke den Programmablauf zu manipulieren. Das Setzen von Triggerbedingungen und die Aufzeichnungsmöglichkeit ermöglicht es, den Programmablauf gezielt in Abhängigkeit der Eingangssignale zu überprüfen. Damit kann jeder Verzweigungspfad anhand der Funktionsdefinitionen überprüft werden.

Logic-Analysator Eine andere Möglichkeit, den Programmablauf zu verfolgen, bietet der Logic-Analysator. Er wird über einen Adapter so angeschlossen, dass er den Datenverkehr auf den Adress- und Busleitungen "mithören" kann. Damit kann zum einen der Programmablauf

Softwareentwicklung

aufgezeichnet werden, zum anderen lässt sich der Schreib- und Lesezugriff auf den externen Datenspeicher verfolgen. Der Zugriff auf den im Mikrocontroller integrierten Datenspeicher ist allerdings nicht möglich. Am Logic-Analysator können Triggerbedingungen (z. B. Erreichen einer definierten Adresse, Speichern eines bestimmten Wertes in eine Speicherzelle) eingestellt werden. Nach Erreichen der Triggerbedingung kann der Programmablauf zurückverfolgt werden. Emulator und Logik-Analysator bieten ähnliche Möglichkeiten. Der Vorteil des LogicAnalysators liegt darin, dass er den Ablauf des Programms nicht beeinflusst (Echtzeit) und im Fahrzeug eingesetzt werden kann.

Automatischer Test Der Laborauto-Messplatz (LabCar) bietet neben einer manuellen Überprüfung von Steuergeräteprogrammen auch die Möglichkeit, durch einen automatischen Testablauf den Zeitaufwand für die Durchführung insbesondere bei Wiederholungsprüfungen erheblich zu reduzieren. Das Steuergerät wird dabei in einem geschlossenen Regelkreis (closed loop) betrieben. Zurzeit kommen vier verschiedene Tests zur Anwendung: 1. Der am häufigsten angewandte Plausibilitätstest ist ein "Grobcheck" der wichtigsten Steuergerätefunktionalität; er überprüft alle Eingangsgrößen elektrisch und physikalisch sowie Einspritzung und Zündung, Drosselklappenverlauf und die maximale Laufzeitbelastung des Steuergeräts. 2. Der OBD-Test (On Board Diagnose) überprüft durch Fehlersimulationen die wichtigsten Steuergerät-Diagnosefunktionen und das Fehlermanagement. 3. Der CAN-Test überprüft Botschaftssignale bezüglich Wertebereich und Referenzsignal. 4. Der Start-/Stopp-Test überprüft Einpritzung und Zündung bei SteuergeräteStart- und Stoppvorgängen. Hier wird u. a. die Batteriespannung variiert.

403

Steuergeräteentwicklung

404

Applikation

Applikation Damit ein Pkw die vom Fahrer erwarteten Anforderungen erfüllt, ist ein hoher Entwicklungsaufwand insbesondere bezüglich des Motors nötig. In der Regel greift der Fahrzeughersteller bei der Entwicklung eines neuen Fahrzeugs auf einen Grundmotor zurück. Bei diesem Motor liegen die wichtigsten Größen wie z.B. • das Verdichtungsverhältnis und • die Ventilsteuerzeiten (bei Motoren mit variabler Nockenwellensteuerung können die Ventilsteuerzeiten im Betrieb verstellt werden) fest. Die Peripherie des Motors muss an die Einbauverhältnisse angepasst werden. Das gilt insbesondere für • das Ansaugsystem und • das Abgassystem. Weitere wichtige Punkte müssen in Absprache mit der Applikation bei Bosch festgelegt werden (z. B. Anbauort der Klopfsensoren). Applikalionsaufbau

Bild 1 1

MOlorsleue,geräl

2

MAC (Mess- und Applikationsgeräl Compaci Serie)

3

Laplop

4

Lambda-Scan (Messschnittstelle für ßreilbandLam bda· Sonde)

5

Thermo· Scan

IMessschniltstelie für Temperatur-

sensoren)

Datenparametrierung

Im nächsten Schritt muss die elektronische Steuerung - die Motronic - an den Motor angepasst werden. Das ist Aufgabe der Applikation bei Bosch. Applikation bedeutet Anpassung eines Motors an ein bestimmtes Fahrzeug. Das Steuergeräteprogramm besteht aus dem eigentlichen Programm sowie einer Vielzahl von Daten. Es erfüllt die im Ptlichtenheft (Funktionsrahmen) vorgegebenen Forderungen, die Applikation muss noch die Anpassung der Daten an die Motor- und Fahrzeugvariante vornehmen. In der Applikationsphase müssen alle Daten - auch als Parameter bezeichnet - so angepasst werden, dass ein bestmöglicher Fahrbetrieb sichergestellt wird. Wichtige Bewertungskriterien sind: • schadstoffarmes Abgas (Erfüllung der gültigen Abgasnorm), • hohes Drehmoment und hohe Leistung, • geringer Kraftstoffverbrauch und • hoher Fahrkomfort.

Steuergeräteentwicklung

Ziel der Applikation ist es, dass die zuvor genannten Kriterien möglichst optimal erfüllt werden, d. h. ein bestmöglicher Kompromiss der teilweise konkurrierenden Anforderungen erzielt wird. Hierzu steht ein Datensatz mit bis zu 5500 anzupassenden "Labeln" zur Verfügung. Diese Label gliedern sich in • einzelne Kennwerte (z. B. Temperaturschwelle zum Aktivieren einer Funktion), • Kennlinien (z. B. temperaturabhängige Drehzahlschwelle zum Einschalten einer Funktion, temperaturabhängige Zündwinkelverstellung) und • Kennfelder (z. B. Zündwinkelkennfeld als Funktion der Motorlast und Motordrehzahl). Zunächst sind Arbeiten am Motorprüfstand erforderlich. Bei dieser Basisanpassung wird z. B. das Zündwinkelkennfeld bestimmt. Nachdem mit der Basisanpassung die Grundlage für erste Fahrzeugversuche gelegt ist, erfolgt die Applikation aller das Fahrverhalten beeinflussenden Parameter. Dies geschieht überwiegend am Fahrzeug. Die Optimierungsmöglichkeiten bei Motronic-Systemen sind so umfangreich und komplex geworden, dass viele Funktionen nur noch durch den Einsatz von automatischen Optimierungsmethoden und von leistungsfähigen Werkzeugen (Tools) möglich sind.

Applikation

Applikationstools

Ein großer Anteil der Applikationsarbeiten wird mit PC-gestützten Applikationstools (d. h. Applikationswerkzeuge ) gemacht. Sie ermöglichen den Eingriff in die Software der Motorsteuerung. Ein Applikationstool ist das System INCA (Integrated Calibration and Acquisition System, d. h. integriertes Kalibrier- und Aufnahmesystem). INCA ist ein System mehrerer Tools. Es gliedert sich in folgende Teile: • Das Kernsystem beinhaltet alle Mess- und Verstellfunktionen. • Die Offline Tools (Standardumfang) umfassen die Software zur Messdatenauswertung, das Verstelldatenmanagement und das Programmierwerkzeug für den programmierbaren Festwertspeicher (Flash-EPROM). Das für Applikationszwecke eingesetzte Steuergerät enthält anstelle des Programmspeichers (EPROM) einen Emulatortastkopf (ETK), in dem das Steuergeräte-EPROM und -RAM nachgebildet wird. Somit hat das INCA-System Zugriff auf diese Daten. Diese Speicheremulation bildet die derzeit leistungsfähigste Schnittstelle des Steuergeräts zur Ankopplung von Applikationsgeräten. Eine einfachere Ankopplung von Applikationsgeräten (Laptop) an das Steuergerät unterstützt das MAC (Mess- und Applikationsgerät Compact Serie). Der Anschluss erfolgt über die K-Leitung der Diagnoseschnittstelle oder - sofern vorhanden - über den ETK (Bild 1). Anhand eines typischen Applikationsablaufs soll hier gezeigt werden, wie die Applikationstools arbeiten (Bild 2, nächste Seite).

405

406

Steuergeräteentwicklung

Applikation

Ablauf einer Softwareapplikation

Definieren des gewünschten Verhaltens. Die gewünschten Eigenschaften (z. B. Dynamik, Geräusch, Abgaszusammensetzung) werden vom Motorenhersteller und von der (Abgas- )Gesetzgebung vorgegeben. Ziel der Applikation ist es, das Verhalten des Motors so zu verändern, dass diese Forderungen erfüllt werden. Dazu sind Versuche im Fahrzeug oder am Motorprüfstand erforderlich. Vorbereitu ng Für die Applikation werden spezielle Motorsteuergeräte mit Emulatortastkopf (ETK) verwendet. Sie bieten gegenüber den im Serienfahrzeug verwendeten Steuergeräten die Möglichkeit, Werte, die sich im normalen Betrieb nicht ändern (Parameter), zu beeinflussen. Wichtig ist es, bei der Vorbereitung die geeignete Schnittstelle hardwareund/oder softwareseitig auszuwählen und einzurichten. Zusätzliche Messeinrichtungen (z. B. Temperatursensoren, Strömungsmessgeräte) lassen über die INCA-Hardware wie z. B. • Thermo-Scan (für Temperaturmessung), • Lambda-Scan (für Abgasmessung), • Baro-Scan (für Druckmessung) und • A/D-Scan (für weitere Analogsignale)

Definieren des gewünschten Verha.ltens

Vorbereitung

Feststellen und dokumentie ren des tatsächlichen Systemverhaltens

Herausfinden von Eingriffsmöglichkeiten

Abändern veschiedener Parameter

die Erfassung weiterer physikalischer Größen für spezielle Versuche zu. Fest teilen und Dokumentieren des tatsäch lichen Systemverhaltens Das Erfassen von bestimmten Messwerten erfolgt mit dem INCA-Kernsystem. Diese können z. B. als Ziffern oder Kurven auf dem Bildschirm angezeigt und ausgewertet werden (Bild 3). Die Messwerte können nicht nur am Ende, sondern auch während der Messung beobachtet werden. Somit kann das Verhalten des Motors bei Veränderungen (z. B. der Abgasrückführrate) untersucht werden. Sie lassen sich auch zur Dokumentation bzw. späteren Analyse bei einmaligen kurzen Vorgängen (z. B. Motorstart) aufzeichnen.

Dokumenlieren der modifizierten Parameter

Programmierung weiterer Steuergeräte

Serien freigabe

Steuergeräteentwicklung

Herausfinden von Eingriffsl11öglichkeiten Mithilfe der Dokumentation zur Steuergerätesoftware (Funktionsrahmen) kann festgestellt werden, durch welche Parameter das Verhalten des Systems günstig beeinflusst werden kann. Abändern verschiedener Parameter Die in der Steuergerätesoftware enthaltenen Parameter können numerisch (als Tabellen) oder grafisch (als Kurven) am PC dargestellt und verändert werden. Dabei wird das Systemverhalten ständig kontrolliert. Alle Parameter können bei laufendem Motor verändert werden, sodass die Auswirkungen sofort spürbar bzw. messbar sind. Bei einmaligen kurzzeitigen, nicht kontinuierlichen Vorgängen (z.B. Motorstart) ist es kaum möglich, die Parameter während dieser Zeit anzupassen. Hier ist es erforderlieh, in einem Versuch den Vorgang aufzuzeichnen, die Messdaten in einer Datei abzuspeichern und anschließend anhand dieser Aufzeichnung die zu verändernden Parameter zu ermitteln. Weitere Versuche dienen der Erfolgskontrolle bzw. zur Gewinnung weiterer Erkenntnisse. Au wertung der Messdaten Die Auswertung und Dokumentation der Messdaten erfolgt mit dem Offline Tool "Messdatenanalyse" MDA (auch Measure Data Analyzer genannt). In diesem Arbeitsabschnitt wird das Systemverhalten vor und nach der Bearbeitung verglichen und dokumentiert. Diese Dokumentation umfasst Verbesserungen ebenso wie Probleme und Fehlverhalten. Die

IE) l

Applikation

Dokumentation ist wichtig, weil sich mehrere Personen parallel und zu unterschiedlichen Zeiten mit dem System Motor befassen. Dokumentieren der modifizierten Parameter Auch die Änderungen der Parameter werden verglichen und dokumentiert. Dies geschieht mit dem Offline Tool "Applikationsdatenmanager" ADM (auch Calibration Data Manager, CDM, genannt). Die Applikationsdaten von verschiedenen Bearbeitern werden verglichen und durch Kopieren zu einem Datensatz zusammengeführt. Programmierung weiterer Steuergeräte Die neu ermittelten Parameter können auch in anderen Motorsteuergeräten für die weitere Applikation verwendet werden. Dazu muss der Festwertspeicher (Flash-EPROM) dieser Steuergeräte neu programmiert werden. Dies geschieht mit dem im INCA-Kernsystem integrierten Tool "Programming of Flasch-EPROM" PROF. Je nach Umfang der Applikation und der Neuerungen sind mehrere Schleifen der hier beschriebenen Schritte notwendig.

Bildschirm ber der Sollwareapplikallon (Beispiel)

y-

.JOIJ!J

""" "".'co " . ".15.iIIo)

ＬｾＭ

ＬｾＭ

;:1 "'""-

ＬｾＢ＠ ＬｾＭ ＬｾＭ

o

---ＮｾＬ＠

"....

"'-

.

407

408

Steuergeräteentwicklung

Applikation

Applikationsbeispiel Abgastemperaturregelung (ATR) Beim Betrieb eines modernen Ottomotors spielen unter anderem folgende Gesichtspunkte eine wesentliche Rolle: • Abgasemissionen, • Kraftstoffverbrauch und • thermische Belastung der Motorkomponenten. Um die Belastung des Motors so gering wie möglich zu halten ist eine niedrige Abgastemperatur (z. B. Spitzentemperatur unter lOS0°C und Dauertemperatur unter 970°C) anzustreben. Besonders bei Turbomotoren ist dies zu berücksichtigen, da ansonsten der Turbolader thermisch geschädigt wird. Die Abgastemperatur kann z. B. durch Anfettung des Gemischs über die Optimierungsparameter reduziert werden. Durch die Anfettung des Gemischs steigen als negativer Aspekt leider sowohl der Verbrauch als auch die Abgasemissionen (CO und HC). Damit darf nur so weit wie wirklich nötig angefettet werden. Motoren werden in der Regel dynamisch betrieben, weshalb die Abgastemperatur Schwankungen unterworfen ist. Deshalb ist für die Ermittlung der Abgastemperatur ein physikalisches Modell notwendig, das sowohl die Wärmekapazitäten, die Wärmeübergange und die Totzeiten berücksichtigt. Derart komplexe Modelle lassen sich in der Regel nur effektiv mit Optimierungstools bedaten. Dabei werden Messungen unter allen relevanten Betriebsbedingungen durchgeführt, bei denen alle wesentlichen Ein- und Ausgangsgrößen mitgemessen werden. Im Fall der ATR werden dann vom Optimierer die Optimierungsparameter so lange angepasst, bis sich die modellierte Temperatur möglichst exakt mit der gemessenen Temperatur deckt. Die Genauigkeit der modellierten Temperatur liegt bei geeigneter Auswahl der Parameter im Bereich der Genauigkeit, die sich durch den Einsatz eines Temperatursensors erzielen lässt. Der Vorteil liegt auf der Hand: es kann auf den Temperatursensor, das Kabel und die

Ausführung des Einbauortes in der Serie verzichtet werden. Zudem entfällt das Risiko des Ausfalls der Komponente über der Fahrzeuglebensdauer und damit auch die Diagnosefunktion der Komponente.

Weitere Anpassungen Sicherheitsa npassungcn Neben den für Emission, Leistung und Komfort maßgebenden Funktionen sind auch zahlreiche Sicherheitsfunktionen anzupassen (z. B. Verhalten bei Ausfall eines Sensors oder Stellgliedes). Die Sicherheitsfunktionen dienen in erster Linie dazu, das Fahrzeug in einen für den Fahrer unkritischen Zustand zu bringen und/oder die Betriebssicherheit des Motors zu gewährleisten (z. B. zur Vermeidung von Motorschäden). KOllllllun ikatio n Das Motorsteuergerät ist in der Regel in einen Verbund mehrerer elektronischer Steuergeräte eingebunden. Der Datenaustausch zwischen Fahrzeug-, Getriebe- und sonstigen Systemen erfolgt über einen Datenbus (meist CAN). Das korrekte Zusammenwirken der beteiligten Steuergeräte kann erst mit dem Originaleinbau im Fahrzeug überprüft bzw. optimiert werden, da bei der Grundauslegung auf dem Motorprüfstand meist nur das Motorsteuergerät allein verwendet wird. Ein typisches Beispiel für das Zusammenspiel zweier Steuergeräte im Fahrzeug ist der Ablauf eines Schaltvorgangs mit automatisiertem Getriebe. Das Getriebesteuergerät fordert zum optimalen Zeitpunkt des Gangwechsels über den Datenbus eine Reduzierung des Drehmoments an. Das Motorsteuergerät ergreift dann ohne Beteiligung des Fahrers Maßnahmen, die das abgegebene Drehmoment zurücknehmen und so einen weichen und ruckelfreien Gangwechsel ermöglichen. Die Daten, die zu dieser Drehmomentreduzierung führen, müssen appliziert werden.

Steuergeräteentwicklung

Elektromag netische Vert räglichkeit Die große Zahl von elektronischen Fahrzeugsystemen und die weite Verbreitung von zusätzlicher Kommunikationselektronik (z. B. Funktelefone, Funkgeräte, GPSOrtungssysteme ) machen es erforderlich, die Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) des Motorsteuergerätes samt Kabelbaum hinsichtlich Störeinstrahlung und Abstrahlung zu optimieren. Ein großer Teil dieser Optimierungsarbeit wird zwar schon bei der Entwicklung der beteiligten Steuergeräte und Sensorik geleistet. Da jedoch die Ausführung (z. B. Kabellängen, Abschirmungen) und Verlegung der Kabelbäume im Fahrzeug großen Einfluss auf die Stör- und Abstrahlfestigkeit haben, ist eine Überprüfung und gegebenenfalls Optimierung des gesamten Fahrzeugs in einer EMV-Halle unbedingt erforderlich.

Diag no e Aufgrund gesetzlicher Bestimmungen sind die Anforderungen an die Fahrzeugdiagnose sehr hoch. Das Motorsteuergerät überprüft die Signale aller angeschlossenen Sensoren und Stellglieder permanent auf Über- oder Unterschreitung der Bereichsgrenzen, auf Wackelkontakte, Kurzschlüsse nach Masse oder Batteriespannung und Plausibilität mit anderen Signalen. Die Bereichs- und Plausibilitätsgrenzen muss der Applikateur festlegen. Diese werden so gewählt, dass auch bei Extrembedingungen (Sommer, Winter, Höhe) keine Fehldiagnosen erfolgen, andererseits aber die Empfindlichkeit für wirkliche Fehler noch groß genug ist. Außerdem muss festgelegt werden, wie der Motor bei Vorliegen eines Fehlers weiterbetrieben werden darf. Schließlich wird der Fehler noch im Fehlerspeicher abgelegt, um der Service-Werkstatt ein schnelles Auffinden und Beheben des Fehlers zu ermöglichen.

Applikation

Erprobung unter extremen klimatischen Bedingungen

Bei Erprobungen werden Versuche unter klimatisch extremen Bedingungen durchgeführt, die in der Regel nur in Ausnahmefällen während der Lebensdauer eines Fahrzeugs auftreten. Die Bedingungen, die auf einer Erprobung auftreten, lassen sich nur begrenzt auf einem Prüfstand simulieren, da hier auch das subjektive Empfinden des Testfahrers und die jahrelange Erfahrung eine wichtige Rolle spielen. Die Temperatur alleine wäre auf einem Prüfstand problemlos simulierbar, das Abfahrverhalten z. B. auf einem Rollenprüfstand ist aber im Vergleich zum realen Fahrbetrieb nur sehr schwer einschätzbar. Darüber hinaus wird bei einer Erprobung zumeist eine größere Fahrstrecke mit mehreren Fahrzeugen zurückgelegt; dies ermöglicht eine Überprüfung der Applikationsparameter über der Serienstreuung der Versuchsfahrzeuge und lässt damit nicht nur den Schluss aufgrund der Applikation mit nur einem Versuchsträger zu. Ein weiterer wesentlicher Aspekt ist der Einfluss der Kraftstoffqualität in den verschiedenen Regionen der Welt. Hauptsächlich wirkt sich die unterschiedliche Kraftstoffqualität auf das Startverhalten und den Warmlauf des Motors aus. Die Fahrzeughersteller treiben einen hohen Aufwand um sicherzustellen, dass sich ein Fahrzeug mit allen auf dem Markt befindlichen Kraftstoffen ohne Beanstandungen betreiben lässt.

Wi ntererprobung Bei der Wintererprobung wird der klimatische Bereich von ca. ooe bis -30 oe abgedeckt. Bevorzugte Gegenden für die Wintererprobungen sind z. B. Nordschweden und Kanada. In erster Linie werden Startmessungen durchgeführt und das Abfahrverhalten (take off) beurteilt. Beim Start wird jede einzelne Verbrennung ausgewertet und bei Bedarf die entsprechenden Parameter optimiert. Die korrekte Parametrierung jeder einzelnen

409

410

Steuergeräteentwicklung

Applikation

Einspritzung ist ausschlaggebend für die Startzeit und den stetigen Hochlauf des Motors von Starterdrehzahl bis auf Leerlaufdrehzahl. Bereits eine einzige unsaubere Verbrennung mit reduziertem Drehmomentaufbau während des Hochlaufs wird auch von unerfahrenen Kunden als störend empfunden. ommererprobllng Bei der Sommererprobung wird der klimatische Bereich von ca. + 15 oe bis +40 oe abgedeckt. Diese Erprobungen werden z. B. in Südfrankreich, Spanien, Italien, USA, Süda&ika und auch Australien durchgeführt. Süda&ika und Australien sind trotz der großen Entfernung und des immensen Aufwands für den Materialtransport von Interesse, da dort während unserer Wintermomate die notwendigen Temperaturen auftreten. Aufgrund der immer kürzeren Entwicklungszeiten muss auch auf solche Möglichkeiten zurückgegriffen werden.

Bei der Sommererprobung wird z. B der Heißstart, die Tankentlüftung, die Tankleckerkennung, die Klop&egelung, die Abgastemperaturregelung und viele Diagnosefunktionen überprüft. Höhencrprobllng Bei der Höhenerprobung wird ein Bereich zwischen 0 und ca. 4000 m abgedeckt. Es ist nicht nur die absolute Höhe ausschlaggebend, für manche Versuche ist es auch notwendig, in kurzer Zeit eine möglichst große Höhendifferenz zu erzielen. Die Höhenerprobung wird meistens in Kombination mit der Winter- oder Sommererprobung durchgeführt. Auch hier spielt wiederum der Start eine große Rolle. Untersucht wird außerdem z. B. die Gemischadaption, Tankentlüftung, Klop&egelung und viele Diagnosefunktionen.

411

Bosch-Prüfzentrum Boxberg

Bosch· Prufzentrum BOlCberg

Zwei Wasserdurchfahrten (3) mit 100 m bzw. 30 m Länge und 0,3 m bzw. 1 mTiefe stehen zur Verfügung . Bewässerte Sonderstrecken (4) sind mit folgenden Fahrbahnbelägen vorhanden: • Schachbrett (Asphalt, Fliesen),

Ein w ci htiger Bestandteil der Entwicklung von Fahzeugsystemen ist die Praxiserprobung bereits beim Systemzulieferer. Nicht alle Erprobungen lassen sich auf öffentlichen Straßen durchfUhren. Seit 1998 wird das Prüfzentrum von Bosch bei Boxberg zwischen Heilbronn und Würzburg (SUddeutschland) tor diesen Teil der Entwicklung genutzt. Hier werden auf 92 ha die verschiedensten Fahr-, Sicherheits- und Komfortsysteme mit ihren Komponenten auf Herz und Nieren getestet. Auf sieben verschiedenen Streckenmodulen werden Systeme in allen Fahrsituationen bis an die physikalischen Grenzen betrieben und das bei größtmöglicher Sicherheit für Testfahrer und Fahrzeuge.

• Asphalt , • Fliesen, • Blaubasalt, • Beton sowie • Aquaplaningstrecke und • trapezförmige Blaubasaltstrecke. Die Fahrdynamikfläche (5) für Kurvenfahrten hat eine asphaltierte Oberfläche mit 300 m Durchmesser. Sie kann zum Simulieren von Eis- oder Wasserglätte teilweise bewässert werden. Die Fläche ist von einer Sicherheitsbarriere aus Reifen umgeben, um Fahrer und Fahrzeug e zu sch ützen. Das Hochgeschwindigkeitsoval (6) hat drei Fahrbahnen und kann sowohl von Pkw als auch von Nkw genutzt werden. Die Strecke ist so ausgelegt , dass Geschwindigkeiten bis 200 km/h gefahren werden können . Der Handlingparcours (9) umfasst zwei Strecken: eine Strecke für Geschwindigkeiten bis 50 km/h, die andere bis zu 80 km/h oBeide Strecken beinhalten Kurven mit unterschiedlich starken Radien und Neigungen. Der Hand lingparcours wird hauptsächlich für die Erprobung von Fahrdynam iksystemen benutzt.

Die Schlechtwegstrecken (I) sind tur Geschwindigkeiten bis zu 50 km/h, beziehungsweise bis zu 100 km/h ausgelegt. Folgende Strecken sind verfügbar: • Schlaglöcher, • Waschbrett, • Rüttelstrecke, • Belg isches Pflaster und • Strecken mit unterschiedlicher Unebenheit. Die asphaltierten Steigungsstrecken (2) für Anfahr- und Beschleunigungstests am Berg, mit Steigungen von 5%, 10%, 15% und 20%, enthalten bewässerbare Fliesenstreifen unterschiedlicher Breite.

-

Blick auf die Streckenmodule

Bild 1

2

3

4

5

6

1 Schlechlwegst,ecken

2 Sleig ungssi recken 3 Wasserdu rchlaMen 4 bew ässe rle

Sonderstrecken 5 Fahrdynamikflache

6 Hochgeschw,nd'g" keitsoval Gebäude - Werkstälten

>-

"'

:>

- Sozialräume

8'" ::;:

7

8

9 ｾ＠

- BOros - Prüfstände - Labors - Tankstelle und

8 Zufahrt 9 Handling parcours

412

Sachwortverzeichnis

Sachwortverzeichn is Sachworte

Bremsunterdruckregelung, 255

Drosselverluste, 53

Brennverfahren, 154

Drosselvorrichtung, 51

A

Brennwert, 29

Druckregler, Mono-Jetronic, 110

Abgasemission, 330ft

Bulk-Mikromechanik, 274

Drucksensor, 79

Abgasgesetzgebung, 350ft

Bürstenvergaser, 68f

Drucksensor, Dickschicht, 273

Abgaskategorien, 352, 356

Buskonfiguration, 325

Drucksensor, mikromechanisch, 270

Abgasmessung, 388f

Bypass-Luftsteller, 50

Druckstellerstrom, 93

C

Dynamischer Innenwiderstand, 201

Dynamische Aufladung, 57ft

Abgasprüfung, 366ft Abgasrückführung, 56, 241 Abgasrückführungssystem, 320

CAN, 324

Abgassystem, 301

CAN-Schnittstelle, 245

Abgastemperaturregelung , 408

Capability Maturity Model, 400

Abgastemperatursensor, 258

CARB-Gesetzgebung, 352ft

Edelmetallbeschichtung, 342

Abgasturbine, 62

CARTRONIC, 329

EEPROM, 291

Abgasturboaufladung, 62ft, 242

Common Rail , 147

EFU-Diode, 179, 191

Abgasuntersuchung, 386f

Communication, 302

Eigendiagnose, 304ft

Accessory Control, 303

Compiler, 401

Einfachzündung, 192

Additive, 32

Comprehensive Components, 322

Einfunkenzündung, 199

AGR-Ventil, 56

COP-Variante, 194

Einlasssystem-Reinhaltung , 32 Einlassventil, 16, 141

Air System, 298 Aktivkohlebehälter, 133

E Ecotronic-Vergaser, 75

Einschaltbedingungen, 309

Alkohole, 33

D D-Jetronic, 76

Alternativkraftstofte für Ottomotoren,

Daimler, Gottlieb, 12, 162

Einschaltfunkenunterdrückung, 191

Dampf-Flüssigkeits-Verhältnis, 31

Einspritzaggregat, 109f

Alterungsschutz, 32

Dampfdruck, 31

Einspritzarten, 144f

Ansaugtakt, 16

Datenparametrierung, 404

Einspritzauslöser, 77

Anschlussbolzen, 207

Datenspeicher, 290

Einspritzdauer, 77

Applikation, 404

Datenübertragung, 324

Einspritzdiagramm, 78

Applikationstools, 405

Dauerförderndes System, 131

Einspritzpumpe, Boxer-Bauform, 72f

Arbeitstakt, 17

Diagnose-Fehlerpfad-Management,

Einspritzventil, 142ft, 243

33

ASIC, 291

311

Einschaltfunken, 179,190

Einspritzventil, Mono-Jetronic, 117

Asphaltzündspule, 197

Diagnose-Funktions-Scheduler, 311

Einspritzventil, K-Jetronic, 84

Assembler, 400

Diagnose-System-Management, 311

Einspritzzeitpunkt, 77

Auslassventil , 17

Diagnose-Validator, 311

Einzeleinspritzanlagen, 66

äußere Abgasrückführung, 56

Diagnoseschnittstelle, 245, 306

Einzelfunken-Zündspule, 179f, 192

Aussetzererkennung, 315

Diagnosesystem , 303

Eisemann, Ernst, 165

Ausstoßtakt, 17

Diagnostic System, 303

Elektroden, 209

Autogas, 33

Dichtsitz, 208

Elektrodenabstand, 212

Dickschicht-Drucksensor, 273

Elektrodenverschleiß, 220

B

Diesel, Rudolf Christian Karl, 13

Elektrodenwerkstofte, 210

Batteriezündung, 167ft

Difterenzdruckventile, 87

Elektrohydraulischer Drucksteller, 92

Bedarfgeregeltes System (BDE), 131

Difterenzial-Hall-Stabsensor, 264

Elektrokraftstoftpumpe, 134f

Bedarfgeregeltes System (SRE), 129

Diurnal-Test, 368

Elektromagnetische Prüfung , 397

Benz, Carl Friedrich, 13,161

Divisions-Steuer-Multivibrator, 97

Elektromagnetische Verträglichkeit,

Benzin·Direkteinspritzsystem, Gutbrod, 73f

Dochtvergaser, 68 Doppeleinspritzung, 157

Benzin-Direkteinspritzung, 146ft

Doppelzündung , 192

Betriebsarten, 156f

Downsizing, 65

Betriebsartenkoordination, 254

Drall-Strömung, 154

Betriebsdaten, 302

Drehmoment, 23

Betriebsdatenerfassung, 232

Drehmomentstruktur, 249, 297

Betriebsdatenverarbeitung, 234

Dreiwegekatalysator, 341 ft

409 Elektromagnetisches Einspritzventil, 142ft Elektronische Diagnose, 234, 304ft Elektronische Motorleistungssteuerung, 51

Elektronische Service-Information ESl[tronic], 371

Betriebsverhalten, 220

Drosselklappe, 50

Bosch, Robert, 14f

Drosselklappenansteller, 123

Elektronische Steuerung , 294ft

Botschaftsformat, 327

Drosselklappenschalter, 80, 102

Elektronische Zündung, 174f

Breitband-Lambda-Sonde, 286

Drosselklappensensor, 241, 261

Emissionsfreie Fahrzeuge, 355

Sachwortverzeichnis

Emulatorbetrieb, 403

Funkenlage, 213

Homogen-Klopfschutz-Betrieb, 157

Emulatortastkopl, 405

Funkenschwanz, 183

Homogen-Mager-Betrieb, 157

EMV-Messungen, 397

Funktionsentwicklung, 3981

Homogen-Schicht-Betrieb, 157

Endgas, 43

Funktionsüberwachung, 303

Homogenbetrieb, 156 Honold, Gottlob, 164

Entflammung, 19 Entstörmittel, 182

G

Hot Soak, 368

EOBD, 307

Gamma-Winkel, 144

Huygens, Christiaan, 160

EOL-Programmierung, 292

Geberradadaption, 315

Hysterese, 189

EPA, 307

Gemisch-Grundanpassung, 87

EPA-Gesetzgebung, 3561

Gemischadaption, Mono-Jetronic, 121

EPROM,291

Gemischbildung, 39,6811, 155

Erdgas, 33

Gemischverteilung, 18

Ignition System, 300

Erdöl, 28

Gemischwolke, 155

Imprägnierharz, 193

EU-Gesetzgebung, 35811

Gemischzündung, 19

Impulsschema, l-Jetronic, 99

Europäischer Testzyklus, 364

Geschichte des Automobils, 1011

INCA-System, 405

Exhaust System, 301

Gleit/unke, 211

Induktionssensor, Transistorzündung,

Gleitfunkenkonzept, 211

I-Kern, 193

266

F Fahrpedalsensor, 2621

Glührohrzündung, 162

Induktive Zündanlage, 17611

Glühzündung, 221

Induktivität, 200

Fahrzeugmanagement, 235

Goliath GP700E, 73

Inertgas, 37

Federal Test Procedure, 362

Grobleckerkennung, 3161

Infrarot-Verfahren, 388

Fehlerart, 306

Grundeinspritzzeit, L-Jetronic, 98

Inhibit-Handler, 311

Fehlerbehandlung, 306

Gruppeneinspritzung, 145

Innenzahnradpumpe, 134

Fehlercodes, 306

Gutbrod Superior, 73

innere Abgasrückführung, 56 Ionenstrommessung, 199, 216

Fehlererkennung, 306 Fehlerlampe (MIL), 245

H

Fehlerspeicherung, 306

Hall-Phasensensor, 2641

Isolator, 207, 230

Fehlerstatus, 306

Hall-Sensor, Transistorzündung, 267

Feinleckerkennung, 317

Hall-Stabsensor, 264

Feldstärke, 189

Hall-Winkelsensor, 263

Feldüberwachung, 355, 357

Handhabungsvorschrift, 3781

Felduntersuchung, 361

Hardware, 392

K K-Jetronic, 82

Feststolle, 333

Hardwareentwicklung, 39411

Kaltstartanreicherung, K-Jetronic, 88

Fingersonden, 2821

Hardwaremuster, 394

Kaltstartanreicherung, L-Jetronic, 101

Finite-Element-Methode, 202, 229

Haupt/unktionen, 296

Kaltstartventil, 88

Flammengeschwindigkeit, 19

Heißabstellprüfung, 368

Kapazität, 200

Flash-EPROM, 291

Heißfilm-Luftmassenmesser, 107

Kapazitive Last, 191

Fliehkraftzündversteller, 171

Heißfilm-Luftmassenmesser, HFM2,

Katalysator, 34011

Flottendurchschnitt, 354, 356 Flottenverbrauch, 354, 356 Ilow-check, 308

279 Heißfilm-Luftmassenmesser, H FM5, 28011

Flüchtigkeit, 31

Heizwert, 29

Flugmotor, 72

Hitzdraht-Luftmassenmesser, 106,

Flussdichte, 189

278

Japan-Testzyklen, 365

Katalysator-Gütefaktor, 314 Katalysatordiagnose, 31211 Katalytische Abgasreinigung, 34011 KE-Jetronic, 92 KE-Motronic, 49 Kegelstrahl, 144

FMEA, 393

Hochdruck-Einspritzventil, 152f

Klasseneinteilung, 350

Ford, Henry, 13

Hochdrucksensor, 275

Klopfen, 20, 43

Freeze-Frame, 306

Hochspannung, 190

Kloplende Verbrennung, 221

Frischgas, 36

Hochspannungs-Magnetzündung, 164

Klopllestigkeit, 30

FTP 75-Testzyklus, 362

Hochspannungs-Summerzündung,

Fuel System, 299

161

Klopfregelung, 21, 43 Klopfsensor, 269

Füllstandsensor, 259

Hochspannungscharakteristik, 201

Kohlendioxid, 331

Füllungssteuerung, 3611

Hochspannungsdom, 193

Kohlenmonoxid, 332

Funkencharakteristik, 201

Hochsprache, 400

Kohlenwasserstolle, 332

Funkenenergie, 191

Höhenerprobung, 410

Kommunikationsschnittstelle, 306

Funkenerosion, 220

Höhenkorrektur, 79

Kompaktzündspule, 193

Funkenkopl, 183

Holzvergaseranlage, 75

Kompressor, 60

413

414

Sachworlverzeichnis

Kontaktgesteuerte Transistorzündung, 172

Luft-Kraftstoft-Verhältnis, 18,39

N

Luftfüllung, 36

Nacheinspritzung, 348

Konventionelle Spulenzündung, 170f

Luftfunke, 211

Nachentflammung, 218

Korrosion, 220

Luftfunkenkonzept, 211

Nachstart, 118

Korrosionsschutz, 32

Luftgleitfunkenkonzepte, 211

Nebenaggregate, 245

Kraftstoftbehälter, 138

Luftmassenmesser, 141, 240, 278ft

Nebenschluss, 214

Kraftstoftdruckdämpfer, 138

Luftmengenmesser, 85, 240, 276f

Nebenschlussstrom, 214

Kraftstoftdruckregler, 137, 243

Luftmengenmesser, L3-Jetronic, 104

Nebenschlussverluste, 184

Kraftstofffilter, 136

Luftmengenmessung, L-Jetronic, 96

Niederspannungs-Abschnappzündung,

Kraftstoffförderung, 128ft

Luftspalt, 189

Kraftstoftleitung, 138

Luftsystem, 298

Kraftstoftmengenteiler, 85

Lufttemperatursensor, 258

Kraftstoftnormen, 29

Luftverhältnis, 18

Nockenwellen-Phasenverstellung, 52

Kraftstoftsystem, 252, 299

Luftzahl, 18,39

Nockenwellenumschaltung, 53

162 Niederspannungs-Magnetzündung, 163

Nockenwellenverstellung, 242

Kraftstoftsystem, Diagnose, 318 Kraftstoffverbrauch, 22, 26, 40, 56

M

Notlauftunktionen, 309

Kraftstoffverbrauchssignal, 245

M-Motronic, 49, 238ft

NO,-Speicherkatalysator, 344f

Kraftstoffverdunstung, 330

MAC, 405

Kraftstoffverdunstungs-Rückhalte-

Magerlaufgrenze, 39

o

Magnetfeld, 188

O-Kern, 193

Kraftstoffversorgung, 83

Magnetisierungskurve, 189

OBD I, 307

Kraftstoffversorgung, Mono-Jetronic,

Magnetkreis, 189

OBD 11, 307ft

system, 133, 243

Magnetzündung, 163ft

oberer Totpunkt, 16

Kraftstoffverteilerstück, 137

Malfunction indicator lamp, 309

Oberflächen-Mikromechanik, 274

Kraftstoftzumessung, 85

Marcus, Siegfried, 68ft

Oberflächenvergaser, 68, 70

Kraftstoftzumessung, L-Jetronic, 97

Masseelektroden, 209

Oktanzahl, 30

Kurbelgehäuseentlüftung, 330

Maybach, Wilhelm, 12, 70ft

Öldrucksensor, 270

Kurbelgehäuseventilation, 320

ME-Motronic, 49, 246ft

On-Board-Diagnose, 307ft, 355, 357,

110

360

Mechanische Aufladung, 60 L

MED-Motronic, 49, 250ft

Operating Data, 302

L-Jetronic, 94ft

Mehrfunkenzündung, 199

Otto, Nikolaus August, 12, 69, 162ft

L3-Jetronic, 104f

Mercedes-Benz 300 SL, 74

Ottokraftstofte, 28ft

LabCar, 402

Messplatz, 401

Oxidationskatalysator, 340

Laborauto, 402

Mikrocontroller, 290

Ozon, 333

Ladedruck, 60

Mikromechanik, 257, 274

Ozon-Minderungssystem, 321

Ladedrucksensor, 270

MIL, 309

Ladeluftkühlung, 65

Mittelelektrode, 209

p

Ladungsbewegungsklappe, 55

Modularchivierung, 401

p-V-Diagramm, 24

Ladungswechsel, 38

Monitoring, 303

Patentwesen, 349

Ladungswechselverluste, 25

Mono-Jetronic, 108ft

Pencil Coil, 195

Lambda, 18

Mono-Motronic, 49

Periodische Abgasuntersuchung, 361

Lambda-Kennfeld, 115

Monolith, 342

Peripheralpumpe, 135

Lambda-Regelkreis, 346f

Motor-Betriebszustände, 41

Permanentmagnet, 190

Lambda-Regelung, 91, 346

Motor-Oktanzahl, 30

Pflichten heft, 390

Lambda-Sonde, 244, 346, 282ft

Motordrehzahlsensor, induktiv, 268

Phase-In, 354, 356

Lambda-Sonden, Diagnose, 319

Motorkennfeld, 111

Phasensensor, 264

Lastenheft, 390

Motorklopfen, 20

Pioniere der Kfz-Technik, 12f

Leerlaufstabilisierung, 89

Motorkühlungssystem, 320

Planare Lambda-Sonden, 284

Leistung, 23, 40

Motormanagement Motronic, 232ff

Platin+4 Zündkerze, 224f

Lenoir, Etienne, 161

Motorsport, 237

Platinelektroden, 210

LH-Jetronic, 106f

Motortemperatursensor, 258

Plausibilitätsprüfung, 322

Liefergrad, 38

Motorwirkungsgrad, 24f

post ignition, 218

Linker, 401

Motronic, 49, 232

pre ignition, 218

Logic-Analysator, 403

Motronic-AusfOhrungen, 235

Primärspannungsbegrenzung, 178

Low-Emission Vehicle, 352

Multiplex-Anwendung, 325

Primärstrombegrenzung, 178

Luft-Kraftstoft-Gemisch, 18, 39

Muschelkurve, 27

Primärwicklung, 188

Sachwortverzeichnis

Prio-Handler, 311

Schnurstrahl, 144

Prio-Scheduler, 311

Schrumpfprozess, 208

Stickstoll, 331 stöchiometrisches Verhältnis, 39

Programmspeicher, 290

Schubabschalten, 41

Stöpsel, 208, 230

Prüfverfahren, 350

ｓ｣ｨｵ｢｡ｳｾｮｧＬ＠

Strahlaulbereitung, 144

Pulszugzündung, 199

Schwefel-Beladung, 345

Stripline-Verfahren, 397

Pulvermaschine, 160

Schwefeldioxid, 332

Strom regelung, 173

91

Schwefelgehalt, 32

Strömungspumpen, 135

Schwingsaugrohraufladung, 57

Stützfunke, 192

Qualitätsmanagement, 393

Schwingsaugrohrsysteme, 59

Subsysteme, 296

Quenching, 212

Seitenkanalpumpe, 135

Summerzündung, 161

Sekundärlufieinblasung, 339, 348

SUPER 4 Zündkerze, 223f

Sekundärlufteinblasung, Diagnose,

Super Ultra-Low-Emission Vehicle,

o

R Rail, 147

352

318

Raildrucksensor, 275

Sekundärluftsystem, 244

SUPER Zündkerze, 222

RAM,291

Sekundärwicklung, 188

System Control, 296

range check, 322

Selbstentzündung, 43

System Documentation, 296

rationality check, 322

Selbstinduktion, 188

System-Testgerät, 372

Readiness-Code, 30811

Selbstzündung, 217

Systemdruck, 86

Refueling-Test, 369

Sensoren, 256ff

Systemdruckregler, 84

Regenerierventil, 133

Sequenzielle Einspritzung, 145

Systemsteuerung, 296

Reibungsverluste, 25

Serielle Datenübertragung, 324

Systemstruktur, 236, 295

Reiheneinspritzpumpe, 12-Zylinder,

Serienprüfung, 351 SHED-Kammer, 368

T

Research-Oktanzahl, 30

Siedeverlauf, 31

Tankatmungsprülung, 368

72f Resonanzaufladung, 58

Silbermittelelektroden, 210

Tankeinbaueinheit, 132

Resonanzsaugrohrsysteme, 59

Silikonmantel, 193

Tankfüllstandsensor, 259

Restgas, 36

Simultane Einspritzung, 145

Tankleckdiagnose, 3161

Review, 393

Smog, 333

Temperaturmessung, 216

Rivaz, Isaak de, 160

Software, 392

Temperatursensoren, 258

Rohemissionen, 33411

Software-Qualität, 400

Thermische Entflammung, 217

Rollenzellenpumpe, 134

Software-Sharing, 400

Thermische Nachbehandlung, 339

ROM,290

Softwareentwicklung, 40011

Thermischer Wirkungsgrad, 24

Rotierende Hochspannungsverteilung,

Sommererprobung, 410

Thermographie, 396

Spannungskompensation, L·Jetronic,

Thermozeitschalter, 88

180 Rotor, 174

100

Torque Demand, 296

Rücklaullreies System, 129

Spannungsverteilung, 180

Torque Structure, 297

Rückschlussblech, 196

Sperrbedingungen, 309

Transistorzündung mit

Ruhende Spannungsverteilung, 180

Spezialzündkerzen, 227

Running-Loss-Test, 368

Spezifischer Kraftstoffverbrauch, 261

Transistorzündung mit Hall-Geber, 172

Ruß, 333

Spitback-Test, 369

Transitional Low-Emission Vehicle,

Induktionsgeber, 174

352

Spritzdüsenvergaser, 70f

S

Spritzlochscheibe, 142

Treibhausellekt, 360

Sammelbehälter, 57

Stabzündspule, 195f

Tumble-Strömung , 154

Saugrohr, 57

Standardsystem, 129

Turboloch, 65

Saugrohr-Drucksensor, 241

Stator, 174

Typ-Test, 359

Saugrohrdruck, 78

Staudruck-Luftmengenmesser, 276

Typformel für Zündkerzen, 228

Saugrohrdrucksensor, 270

Stauscheibe, 85

Typprülung, 350, 359

Saugrohreinspritzung, 14011

Stauscheiben-Potenziometer, 260

Schadstollminderung, 33811

Stellglied-Diagnose, 374

U

Scherung, 189

Sternmotor, 73

Überdruckverfahren, 317

Schicht-Katheizen, 157

Stetige Lambda-Regelung, 347

Übergangskompensation,

Schichtbetrieb, 156

Steuerdruck, 86

Schichtladung, 18

Steuergerät, 28811

Übergangsverhalten, 90

Schiebebetrieb, 41

Steuergeräteentwicklung, 39011

Überwachung, 3041

Schließwinkel, 43

Stickoxide, 332

Überwachungskonzept, 249

Schließwinkelregelung, 173

Stickoxidemission, 56

Überwachungsmodul, 291

Mono-Jetronic, 1191

415

416

Sachwortverzeichnis

Ultra-Low-Emission Vehicle, 352

Wastegate, 63

Umgebungsdrucksensor, 270

Wastegate-Lader, 63

Umweltbedingungen, 306

Weg bau-Zündspule, 194

Umweltfreundliche Ottokraftstofte, 32

Werkstatt-Technik, 370ft

Unterbrecherkontakt, 170

Werkstattnetz AWN, 370

Unterdruckverfahren, 316

Windungsverhältnis, 201

Unterdruckzündversteller, 171

Wintererprobung, 409

unterer Totpunkt, 16

Wirkungsgrad, 24

Unterflurkatalysator, 343 USA-Testzyklen, 362f

Z

USA-Typprüfung, 353

ZENITH-Vergaser, 71

V

Zero-Emission Vehicle, 352

Vapour-Lock-Index, 32

Zündenergie, 183

Zentraleinspritzanlage, 67

Variable Saugrohrgeometrie, 241

Zündkerze, 181, 204ft

Variable Saugrohrgeometrie, 58f

Zündkerzen-Praxis, 380ft

Variabler Ventiltrieb, Diagnose, 321

Zündkerzengesichter, 382

Ventilsteuerzeiten, 17, 52

Zündkerzenkonzepte, 211

Ventilüberschneidung, 38

Zündkerzenmontage, 231, 380

Verbindungsmittel, 182

Zündkerzenverschleiß, 181

Verbrauchskennfeld, 27

Zündkondensator, 171

Verbrennungsaussetzererkennung ,

Zündspannung, 182

315

Zündspannungsbedarf, 183

Verbundelektroden, 210

Zündspule, 178f, 186ft

Verdichter, 60, 62

Zündspulen-Praxis, 377

Verdichtungstakt, 16

Zündspulenbezeichnung, 192

Verdrängerlader, 60

Zündspulenmodul, 195

Verdrängerpumpe, 134

Zünd system, 300

Verdünnungsverfahren, 367

Zündung, 42f

Verdunstungsprüfung, 368f

Zündungsendstufe, 178, 198

Vergaser, 68ft

Zündverteiler, 171

Verlustleistung, 201

Zündwinkel, 42

Viertakt-Verfahren, 16f

Zündwinkelkennfeld, 42, 174

Vollelektronische Zündung, 175

Zündzeitpunkt, 42, 185

Voillastanreicherung, 90

Zusatzluftschieber, 90, 103

Vollvariable Ventilsteuerung, 54

Zweifunken-Zündspule, 192, 179f

Volta, Alessandro, 160

Zweipunkt-Lambda-Sonde, 282ft

Vorentflammung, 218

Zweipunkt-Regelung, 346

Vorförderpumpe, 134

Zweisonden-Regelung, 347

Vorkatalysator, 343

Zweistrahl, 144

Vormagnetisierung, 190

Zweizylinder-Einspritzpumpe, 73

VST-Lader, 64

Zylinderfüllung, 36

VTG-Lader, 63f

Zylinderindividuelle Einspritzung, 145

W Wafer-Bonden, 274 Wandbenetzung, 41 Wandfilm, 41 Wärmeverluste, 24

Wärmewert, 214 Wärmewertkennzahl, 215 Warmlaufanreicherung, 89

Warmlaufphase, 118 Warmlaufregler, 89 Washcoat, 342 Wasserdampf, 331

Sachwortverzeichnis

Abkürzungen

Abkürzungen

D DFPM: Diagnose-Fehlerpfad-

A

Management

ABS: Antiblockiersystem

DKG: Drosselklappengeber

AC: Accessory Control

(Nebenaggregatesteuerung)

(Drosselklappensensor) DOR: Direct Ozone Reduction

ACC: Adaptive Cruise Control

(Katalytische Beschichtung zur Ozonreduzierung)

(adaptive Geschwindigkeitsregelung)

DS: Diagnostic System

ADC: Analog/Digital Converter

(Analog-Digital-Wandler) ADM: Applikationsdatenmanager

(Diagnosesystem) DS: Saugrohrdrucksensor DSCHED: Diagnose-Funktions-

Scheduler

(siehe auch CDM) AGR: Abgasrückführung

DSM: Diagnose-System-Management

AKB: Aktivkohlebehälter

DTM: Deutsche Tourenwagen Masters

AS: Air System (Luftsystem)

DVAL: Diagnose-Validator

ASIC: Application Specific Integrated

Circuit (anwendungsbezogene

E

Integrierte Schaltung)

EA: Elektrodenabstand

ASR: Antriebsschlupfregelung ATL: Abgasturbolader

EDC: Electronic Diesel Control

(Elektronische Dieselregelung)

ATR: Abgastemperaturregelung

EGAS: Elektronisches Gaspedal

AU: Abgasuntersuchung

EEPROM: Electrically Erasable

Programmable Read Only Memory

B

(Elektrisch löschbarer program-

BDE: Benzin-Direkteinspritzung

mierbarer Nur-Lese-Speicher)

BIP: Bosch Integrated Power

EFU: Einschaltfunkenunterdrückung

(Bipolartechnologie bei

EFZ: Einfunkenzündung

Transistoren)

EGAS: Elektronisches Gaspedal EGS: Elektronische

Getriebesteuerung

C CAD: Computer Aided Design

(computerunterstütztes Entwerfen) CAE: Computer Aided Engineering

(Sammelbegriff für Rechnerleistungen im Ingenieurbereich) CAN: Controller Area Network CARB: California Air Resources Board CDM: Calibration Data Manager

(Applikationsdatenmanager, ADM) CIFI: Cylinder Individual Fuellnjection CMM: Capability Maturity Model

(Modell für Software prozessverbesserung)

EKP: Elektrokraftstoffpumpe EMS: Elektronische Motorleistungssteuerung EMV: Elektromagnetische Verträg-

lichkeit EOBD: Europäische On-BoardDiagnose

EOL: End-of-Line EPA: Environment Protection Agency EPROM: Erasable Programmable

Read Only Memory (Lösch barer

programmierbarer Nur-LeseSpeicher)

CO: Communication (Kommunikation)

ES: Exhaust System (Abgassystem)

CO: Kohlenmonoxid

ESI: Elektronische Service-Information

CO,: Kohlendioxid

ESP: Elektronisches Stabilitäts-

COP: Coil on Plug

(Zündspule auf der Zündkerze)

Programm ETK: Emulatortastkopf

CPU: Central Processing Unit

EUDC: Extra Urban Driving Cycle

CRC: Cyclic Redundancy Check

EV: Einspritzventil

CVS: Constant Volume Sampling

EZ: Elektronische Zündung

417

418

Sachworlverzeichnis

Abkürzungen

F

N

T

FEM: Finite-Element-Methode

N2 : Stickstoff

TD: Torque Demand (Momentan-

FID: Flammen-Ionisations-Detektor

NDIR: Nicht-Dispersiver Infrarot-

FMEA: Failure Mode and Effecls

Analysator

Analysis (Analyse der Art und

NE: Nachentflammung

Auswirkung von Fehlern)

NEDC: New European Driving Cycle

anforderung) TLEV: Transitional Low-Emission Vehicle TS: Torque Structure (Momentenstruktur)

FS: Fuel System (Kraftstoffsystem)

NEFZ: Neuer Europäischer Fahrzyklus

FTP: Federal Test Procedure

Nlz: Nutzfahrzeug

TZ: Transistorzündung

Nkw: Nutzkraftwagen

TZ-H: Transistorzündung

G

NMOG: Nicht-Methanhaltige organische Gase

GS: Elektronische Getriebesteuerung

mit Hall-Geber TZ-I: Transistorzündung mit Induktionsgeber

NOx: Sammelbegriff für Stickoxide

H

TZ-K: Transistorzündung,

H 20: Wasser, Wasserdampf

o

HC: Sammelbegriff für Kohlen-

O 2: Sauerstoff

wasserstoffe

kontaktgesteuert

OBD: On-Board-Diagnose

U

HDEV: Hochdruck-Einspritzventil

OD: Operating Data (Betriebsdaten)

UDC: Urban Driving Cycle

HDP: Hochdruckpumpe

OT: Oberer Totpunkt

ULEV: Ultra Lew Emission Vehicle UT: Unterer Totpunkt

HFM: HeiBfilm-Luftmassenmesser HLM: Hitzdraht-Luftmassenmesser

P Pkw: Personenkraftwagen

V

PWM: Pulsweitenmodulation

VE: Vorentflammung

IDE: Identifier Extension Bit

PZEV: Partial Zero-Emission Vehicle

VLI: Vapour-Lock Index

IGBT: Insulated Gate Bipolar Transis-

PZZ: Pulszugzündung

VST: Variable Schieberturbine

R

VVT: Variabler Ventiltrieb

tor (Mischform zwischen Feldeffektund Bipolartransistor) INCA: Integrated Calibration and

VTG: Variable Turbinen-Geometrie RAM: Random Access Memory

VZ: Vollelektronische Zündung

Aquisition System (Integriertes

(Schreib-Lese-Speicher)

Kalibrier- und Aufnahmesystem)

RLFS: Returnless Fuel System

W

ROM: Read Only Memory

WWR: Wärmewertreserve

IS: Ignition System (Zündsystem)

(Nur-Lese-Speicher)

ISO: International Organization for Standardization (Organisation für

ROV: Rotierende Hochspannungs-

internationale Normung)

verteilung ROZ: Research-Oktanzahl

L LDT: Light-Duty Trucks

RTR: Remote Transmission Request RUV: Ruhende Spannungsverteilung

(Leichte Nutzfahrzeuge) LEV: Low Emission Vehicle

5

LMM: Luftmengenmesser

SAE: Society of Automotive Engineers (Organisation der Automobil-

M

industrie in den USA)

MAC: Mess- und Applikationsgerät Compact Serie MDA: Measure Data Analyzer (Messdatenanalyse)

SC: System Control (Systemsleuerung) SD: System Documentation (Systemdokumentation)

MFZ: Mehrfunkenzündung

SEFI: Sequential Fuellnjection

MIL: Malfunction Indicator Lamp

SHED: Sealed House for Evaporation

MNEFZ: Modifizierter Neuer Europäischer Fahrzyklus MO: Monitoring (Überwachung)

Determination SMD: Surface Mounted Device (oberflächenmontierte Bauteile)

MOZ: Motor-Oktanzahl

SRE: Saugrohreinspritzung

MSV: Mengensteuerventil

SULEV: Super Ultra-Low-Emission Vehicle SZ: Konventionelle Spulenzündung SZ: Selbstzündung

Z ZEV: Zero-Emission Vehicle ZZP: Zündzeitpunkt

Bosch-Fachbücher

Fachwissen aus erster Hand

Bosch-FachbUcherFachwissen aus erster Hand Dieselmotor-Management

Rund um den Dieselmotor - und vor allem bei der Dieseleinspritzung - ist viel in Bewegung. Diese Entwicklung schlägt sich auch in der komplett überarbeiteten und aktualisierten 3. Auflage des Fachbuchs "Dieselmotor-Management" nieder. Die Elektronik zur Regelung des Dieselmotors wird anschaulich erklärt. Das Buch bietet eine umfassende Beschreibung aller konventionellen Dieseleinspritzsysteme, und es stellt kompetent und ausführlich die modernen Systeme Common Rail, PumpeDüse/Pumpe-Leitung-Düse und Radialkolben -Verteilereinspritzpumpe vor.

BOSCH

Der Inhalt • Grundlagen des Dieselmotors • Systeme zur Füllungssteuerung • Reiheneinspritzpumpen mit Reglern • Kanten- und magnetventilgesteuerte Verteilereinspritzpumpen • Einzeleinspritzpumpen • Unit Injector System (Pumpe-DüseEinheit) • Unit Pump System (Pumpe-LeitungDüse) • Common Rail System • Einspritzdüsen, Düsenhalter und Hochdruckverbindungen • Elektronische Dieselregelung (EDC) • Sensoren • Steuergerät • Elektronische Steuerung und Regelung • Aktoren • Datenübertragung zwischen elektronischen Systemen mit CAN • Überblick über die elektronische Diagnose und Werkstatt-Technik • Diesel-Abgasemissionen • Systeme zur Abgasnachbehandlung • Abgasgesetzgebung mit Grenzwerten und Testzyklen • Sachwortverzeichnis mit Erläuterungen der Abkürzungen Hardcover, Format 17 x 24 cm, 3., vollständig überarbeitete und erweiterte Auflage, 477 Seiten, gebunden, mit zahlreichen Abbildungen.

ISBN 3-528-13873-4

Bosch-Fachbücher

AutoelektriklAutoelektronik

Die stürmische Entwicklung der Autoelektrik!Autoelektronik hat in hohem Maß Einfluss auf die Ausrüstung der Kraftfahrzeuge genommen. Aus diesem Grund wurde eine weitere Neubearbeitung des bewährten Praxis-Leitfadens notwendig. Die 4. Auflage wurde noch stärker in Richtung Elektronik und deren Anwendung im Kraftfahrzeug ausgerichtet. Sie wurde um "Mikroelektronik" und "Sensoren" ergänzt. Damit kamen Grundlagen und Bauelemente der Elektronik und Mikroelektronik sowie Messgrößen, Messprinzipien und die Vorstellung konkreter Sensoren mit deren Signalaufbereitung hinzu.

ｾ］＠

BOSCH

Fachwissen aus erster Hand

Der Inhalt • Bordnetze mit Leitungsdimensionierung, Steckverbindungen, Schaltzeichen und Schaltplänen • Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) und Funkentstörung • Starterbatterien und Antriebsbatterien • Generatoren • Starter • Entwicklung und Fertigung von Generatoren und Startern • Werkstatt-Technik (Batterien, Generatoren und Starter) • Lichttechnik • Anlagen für Scheiben- und Scheinwerferreinigung • Mikroelektronik: Grundlagen der Halbleitertechnik, Elektronische Bauelemente, Mikrocontroller, Herstellung von Halbleiterbauelementen und Schaltungen • Sensoren im Kfz • Datenverarbeitung und Datenübertragung im Kfz • Sachwortverzeichnis mit Erläuterungen der Abkürzungen.

Hardcover, Format 17 x 24 cm, 4., vollständig überarbeitete und erweiterte Auflage, 503 Seiten, gebunden, mit zahlreichen Abbildungen.

ISBN 3-528-13872-6

Bosch-Fachbücher

Fachwissen aus erster Hand

Bosch-Fachbücher Fachwissen aus erster Hand Fachwörterbuch Kraftfahrzeugtechnik Basierend auf der Terminologie der einzelnen Bosch-Fachbücher und des Kraftfahrtechnischen Taschenbuchs sowie diverser Schriften und Begriffssammlungen wird dem Kfz-Fachmann eine Zusammenstellung des aktuellen Fachvokabulars in den Sprachen Deutsch, Englisch und Französisch geboten. Wichtig für alle, die im internationalen Geschäft gesprächsfähig bleiben müssen und auch für neue Systeme und Produkte immer die korrekte übersetzung benötigen. Dieses Fachwörterbuch enthält über 7000 Fachbegriffe aus dem Bereich der Kraftfahrzeugtechnik.

Hardcover, Format 17 x 24 cm, 2., vollständig überarbeitete und erweiterte Auflage, 513 Seiten, gebunden. ISBN 3-528-13874-2

BOSCH

Kraftfahrlechnisches Taschenbuch

Das Nachschlagewerk

Kraftfahrtechnisches Taschenbuch das Nachschlagewerk Das Kraftfahrtechnische Taschenbuch ist ein umfassendes Nachschlagewerk. Viele Inhalte der 24. Auflage wurden wieder von Fachleuten aus der Kraftfahrzeugindustrie und von Bosch neu bearbeitet, überarbeitet oder aktualisiert. Der gegenwärtige Stand der Kraftfahrzeugtechnik ist gut autbereitet und in überschaubarem Umfang enthalten. Viele Systemdarstellungen, Abbildungen und Tabellen geben Einblick in eine faszinierende Technik.

Vollständig aktualisiert, überarbeitet oder erweitert wurden:

Festigkeitsrechnung • Kraftstoffe. Riementriebe. Schadstoffminderung bei Otto- und Dieselmotoren. Schadstoffemission mit Abgasgesetzgebung und Testzyklen • AbgasMesstechnik • Elektrische Antriebe. Elektronisch geregeltes Bremssystem (EBS) für Nfz. Scheibenreinigung • Glasscheiben • Heizung und Klimatisierung des Fahrgastraums • Leitungsdimensionierung • Bordnetze • Starterbatterien • Controller Area Network, CAN • CARTRONIC®

Neu aufgenommene Themen:

Finite-Element-Methode, FEM. Schnappverbindungen an Kunststoffteilen • Motorsport. Elektronisches StabilitätsProgramm (ESP) für Nfz • Adaptive Cruise Control (ACC) für Nfz • Schließsysteme • Innenraumfilter für Pkw • Elektronische Rundumsicht mit Fahrerassistenzsystemen •

･ Ｎ__ｭＮｾ Biometrische ｳｹｴ MultimediaVernetwng • Nationalitätszeichen • Erläuterung zu Abkürzungen der Kfz-Technik

･ ＺＮ＠

_ _ _ _ _ _...ｾ］Ｚ＠

Das "blaue Buch" von Bosch ist inzwischen ein Bestseller im Bereich technischer Literatur. Es ist weltweit das Nachschlagewerk für präzise und kurz gefasste Informationen zum Thema Kraftfahrzeugtechnik. Vorangegangene Auflagen sind auch in Englisch, Französisch, Niederländisch, Spanisch, Russisch, Chinesisch und Japanisch erschienen. Format 12 x 18 cm, 24., aktualisierte und erweiterte Auflage, 1035 Seiten, gebunden, mit zahlreichen Abbildungen. ISBN 3-528-l3876-9