bosch autoelektrik und autoelektronik ||

Konrad Reif (Hrsg.)

Bosch Autoelektrik und Autoelektronik

Konrad Reif (Hrsg.)

Bosch Autoelektrik und AutoelektronikBordnetze, Sensoren und elektronische Systeme

6., berarbeitete und erweiterte Auflage

Mit 595 Abbildungen und 43 Tabellen

Bosch Fachinformation Automobil

Bibliografische Information der Deutschen NationalbibliothekDie Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet ber abrufbar.

Bis zur 5. Auflage erschien dieses Werk unter dem Titel: Autoelektrik/Autoelektronik herausgegeben von der Robert Bosch GmbH, Plochingen

3., aktualisierte und erweiterte Auflage 1998 4., vollstndig berarbeitete und erweiterte Auflage 2002 5., vollstndig berarbeitete und erweiterte Auflage 2007 6., berarbeitete und erweiterte Auflage 2011

Alle Rechte vorbehalten Vieweg+Teubner Verlag |Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH 2011

Lektorat: Ewald Schmitt | Gabriele McLemore

Vieweg+Teubner Verlag ist eine Marke von Springer Fachmedien. Springer Fachmedien ist Teil der Fachverlagsgruppe Springer Science+Business Media.www.viewegteubner.de

Das Werk einschlielich aller seiner Teile ist urheberrechtlich ge schtzt.Jede Verwertung auerhalb der engen Grenzen des Ur heber rechts ge set zesist ohne Zustimmung des Verlags unzuls sig und straf bar. Das gilt ins be -sondere fr Vervielfltigungen, ber setzun gen, Mikro verfil mungen und dieEin speiche rung und Ver ar beitung in elek tro nischen Syste men.

Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesemWerk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solcheNamen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachtenwren und daher von jedermann benutzt werden drften.

Umschlaggestaltung: KnkelLopka Medienentwicklung, HeidelbergSatz: FROMM MediaDesign, Selters/Ts.Druck und buchbinderische Verarbeitung: MercedesDruck, BerlinGedruckt auf surefreiem und chlorfrei gebleichtem PapierPrinted in Germany

ISBN 978-3-8348-1274-2

| 5

Die Technik im Kraftfahrzeug hat sich in den letzten Jahrzehnten stetig weiterentwickelt. Der Einzelne,

der beruflich mit dem Thema beschftigt ist, muss immer mehr tun, um mit diesen Neuerungen Schritt

zu halten. Mittlerweile spielen viele neue Themen der Wissenschaft und Technik in Kraftfahrzeugen

eine groe Rolle. Dies sind nicht nur neue Themen aus der klassischen Fahrzeug- und Motorentechnik,

sondern auch aus der Elektronik und aus der Informationstechnik. Diese Themen sind zwar fr sich in

unterschiedlichen Publikationen gedruckt oder im Internet dokumentiert, also prinzipiell fr jeden

verfgbar; jedoch ist fr jemanden, der sich neu in ein Thema einarbeiten will, die Flle der Literatur

hufig weder berblickbar noch in der dafr verfgbaren Zeit lesbar. Aufgrund der verschiedenen

beruflichen Ttigkeiten in der Automobil- und Zulieferindustrie sind zudem unterschiedlich tiefe Aus-

fhrungen gefragt.

Gerade heute ist es so wichtig wie frher: Wer die Entwicklung mit gestalten will, muss sich mit den

grundlegenden wichtigen Themen gut auskennen. Hierbei sind nicht nur die Hochschulen mit den Stu-

dienangeboten und die Arbeitgeber mit Weiterbildungsmanahmen in der Pflicht. Der rasche Techno-

logiewechsel zwingt zum lebenslangen Lernen, auch in Form des Selbststudiums.

Hier setzt die Schriftenreihe Bosch Fachinformation Automobil an. Sie bietet eine umfassende und

einheitliche Darstellung wichtiger Themen aus der Kraftfahrzeugtechnik in kompakter, verstndlicher

und praxisrelevanter Form. Dies ist dadurch mglich, dass die Inhalte von Ingenieuren der Bosch-Ent-

wicklungsabteilungen sowie von Mitarbeitern aus weiteren Unternehmen verfasst wurden, die genau

an den dargestellten Themen arbeiten. Bosch Autoelektrik und Autoelektronik ist als umfassendes

Buch so gestaltet, dass sich auch ein Leser zurechtfindet, fr den das Thema neu ist.

Das vorliegende Buch Bosch Autoelektrik und Autoelektronik behandelt elektrische und elektronische

Systeme im Kraftfahrzeug. Dabei wird besonders auf Vernetzung und Bussysteme sowie auf Sensoren

eingegangen. Aber auch die Themen Mechatronik, Steuergerte, Elektronik, Software, Architekturen,

Aktoren, Bordnetze, Batterien, Generatoren, Starter, EMV und auch Hybridantriebe werden behan-

delt. Neu bearbeitet und ergnzt wurden die Themen Hybridantriebe, Architekturen, Elektronik

und Software. Neu erstellt wurde das Stichwortverzeichnis, um die Inhalte dieses Buchs rasch zu

erschlieen.

Friedrichshafen, im November 2010 Konrad Reif

Vorwort

6 | Inhalt

Inhalt

10 Elektrische und elektro-nische Systeme im Kfz

10 bersicht13 Motormanagement

Motronic24 Elektronische Dieselrege-

lung EDC32 Lichttechnik46 Elektronisches Stabilitts-

programm ESP54 Adaptive

Fahrgeschwindigkeits-regelung (ACC)

62 Insassenschutzsysteme

70 Grundlagen der Vernet-zung

70 Netzwerktopologie74 Netzwerkorganisation76 OSI-Referenzmodell78 Steuerungsmechanismen

82 Vernetzung im Kfz82 Systembergreifende Funk-

tionen 83 Anforderungen an Bus-

systeme85 Klassifizierung von Bus-

systemen85 Einsatzgebiete im Kfz87 Kopplung von Netzwerken87 Beispiele vernetzter Fahr-

zeuge 92 Bussysteme92 CAN-Bus106 LIN-Bus112 MOST-Bus122 Bluetooth132 FlexRay144 Diagnoseschnittstellen

152 Architektur elektronischer Systeme

152 Historie153 Stand der Technik154 Begriffsdefinitionen155 Modelle der E/E-Architek-

tur

158 Entwicklung von E/E-Archi-tekturen

160 Entwicklungstendenz

162 Mechatronik162 Mechatronische Systeme

und Komponenten 164 Entwicklungsmethodik166 Ausblick

168 Elektronik168 Grundlagen der Halbleiter-

technik171 Diskrete Halbleiterbau-

elemente 186 Monolithische integrierte

Schaltungen188 Herstellung von Halb-

leiterbau elementen und Schaltungen

198 Steuergerte198 Einsatzbedingungen198 Aufbau198 Datenverarbeitung202 Digitalbausteine im

Steuergert

206 Software206 Ziel der Elektronik-

entwicklung207 Anforderungen an die Soft-

ware im Kraftfahrzeug208 Funktionsweise der Soft-

ware im Kraftfahrzeug211 Aufbau von Software im

Kraftfahrzeug214 Der Entwicklungsprozess215 Qualittssicherung in der

Softwareentwicklung216 Ablufe der Software ent-

wicklung im Kraftfahrzeug

230 Sensoren im Kraftfahr-zeug

230 Grundlagen und berblick233 Einsatz im Kraftfahrzeug236 Angaben zum Sensormarkt

237 Besonderheiten von Kfz-Sensoren

238 Sensorklassifikation240 Fehlerarten und Toleranz-

anforderungen241 Zuverlssigkeit244 Hauptanforderungen,

Trends 251 bersicht der physika-

lischen Effekte fr Sen-soren

253 bersicht und Auswahl der Sensortechnologien

254 Sensormessprinzipien254 Positionssensoren281 Drehzahl- und Geschwin-

digkeitssensoren293 Beschleunigungs sensoren298 Drucksensoren301 Kraft- und Drehmoment-

sensoren310 Durchflussmesser 316 Gassensoren und Konzen-

trationssonden320 Temperatursensoren330 Bildsensoren (Video)

332 Sensorausfhrungen332 Motordrehzahlsensoren 334 Hall-Phasensensoren335 Drehzahlsensoren fr

Getriebe steuerung338 Raddrehzahlsensoren342 Mikromechanische

Drehrate sensoren345 Piezoelektrischer Stimm-

gabel-Drehratesensor346 Mikromechanische Druck-

sensoren348 Hochdrucksensoren349 Temperatursensoren350 Fahrpedalsensoren352 Lenkwinkelsensoren354 Positionssensoren fr

Getriebe steuerung357 Achssensoren358 Heifilm-Luftmassenmes-

ser

361 Piezoelektrische Klopfsensoren

362 OMM-Beschleunigungs-sensoren

364 Mikromechanische Bulk-Silizi um-Beschleunigungs-sensoren

365 Piezoelektrische Beschleunigungs sensoren

366 Kraftsensor iBolt368 Drehmomentsensor 369 Regen-/Lichtsensor370 Zweipunkt-Lambda-Sonden374 Planare Breitband-Lambda-

Sonde LSU4

376 Aktoren376 Elektromechanische

Aktoren381 Fluidmechanische Aktoren 382 Elektrische Maschinen

388 Hybridantriebe388 Prinzip389 Betriebsmodi391 Start-/Stopp-Funktion392 Hybridisierungsgrade394 Antriebskonfigurationen

401 Betrieb von Hybrid-fahrzeugen

401 Hybridsteuerung402 Betriebsstrategien fr

Hybridfahrzeuge404 Betriebspunktoptimierung407 Auslegung des Verbren-

nungsmotors

410 Regeneratives Brems-system

410 Strategien der regenera-tiven Bremsung

414 Elektroantriebe fr Hybridfahrzeuge

414 Antriebe fr Parallelhybrid-Fahrzeuge

415 E-Maschine fr den IMG-Antrieb

420 Steuergert fr Hybrid-antriebe

423 DC/DC-Wandler fr die 12-V-Versorgung

424 Funktionen des E-Antriebs

426 Bordnetze fr Hybrid-fahrzeuge

426 Bordnetze fr Fahrzeuge mit Start/Stopp-System

428 Bordnetze fr Mild- und Full-Hybridfahrzeuge

431 Aufbau des Batterie-systems

433 Batteriemanagement-system

436 Elektrische Energie-speicher

440 Bordnetze440 Elektrische Energie-

versorgung im Pkw 443 Elektrisches Energie-

management 445 Zwei-Batterien-Bordnetz447 Bordnetze fr Nkw450 Kabelbume452 Steckverbindungen

456 Starterbatterien456 Aufgaben und Anforde-

rungen458 Aufbau463 Arbeitsweise467 Batterieausfhrungen474 Kenngren der Batterie478 Typenbezeichnungen479 Praxis- und Labortests

von Batterien483 Batteriewartung

490 Generatoren490 Elektrische Energie-

erzeugung im Fahrzeug

491 Funktionsweise des Gene-rators

499 Spannungsregelung504 berspannungsschutz

507 Kennlinien509 Leistungsverluste509 Generatorschaltungen511 Generatorausfhrungen

518 Startanlagen518 bersicht518 Starter528 Weitere Startertypen532 Startanlagen537 Auslegung540 Startertypen im berblick

542 Elektromagnetische Ver-trglichkeit (EMV) und Funkentstrung

542 EMV-Bereiche543 EMV zwischen verschie-

denen Systemen im Kraft-fahrzeug

550 EMV zwischen Fahrzeug und Umgebung

554 Sicherstellung der Str-festigkeit und Funkent-strung

556 Schaltzeichen und Schalt-plne

556 Schaltzeichen564 Schaltplne575 Kennzeichnung von

elektrischen Gerten577 Klemmenbezeichnungen

580 Sachwortverzeichnis Sachworte Abkrzungen

Redaktionelle Ksten52 ABS-Ausfhrungen53 Radar-Geschichte(n)69 Mikromechanik81 Vergleich Bussysteme201 Leistungsfhigkeit

der Steuergerte319 Piezo-Effekt455 Generator-Geschichte(n)482 Batterie-Geschichte(n)

Inhalt | | 7

8 | Autoren

Elektrische und elektronische Systeme im KfzDipl.-Ing. Bernhard Mencher; Dipl.-Ing. (BA) Ferdinand Reiter; Dipl.-Ing. Andreas Glaser; Dipl.-Ing. Walter Gollin; Dipl.-Ing. (FH) Klaus Lerchenmller; Dipl.-Ing. Felix Landhuer; Dipl.-Ing. Doris Boebel, Automotive Lighting Reutlingen GmbH; Dr.-Ing. Michael Hamm, Automotive Lighting Reutlingen GmbH; Dipl.-Ing. Tilman Spingler, Automotive Lighting Reutlingen GmbH; Dr.-Ing. Frank Niewels; Dipl.-Ing. Thomas Ehret; Dr.-Ing. Gero Nenninger; Prof. Dr.-Ing. Peter Knoll; Dr. rer. nat. Alfred Kutten berger.

VernetzungDipl.-Inform. Jrn Stuphorn, Universitt Bielefeld; Dr. Rainer Constapel, Daimler AG Sindel fingen; Dipl.-Ing. (FH) Stefan Powolny; Dipl.-Ing. Peter Huermann, Daimler AG, Sindelfingen; Dr. rer. nat. Alexander Leonhardi, Daimler AG, Sindelfingen; Dipl.-Inform. Heiko Holtkamp, Uni versitt Bielefeld; Dipl.-Ing. (FH) Norbert Lchel.

Architektur elektronischer SystemeDr. Wolfgang Stolz,Robert Bosch GmbH, Heilbronn;Tino Sommer,Bosch Engineering GmbH, Heilbronn.

MechatronikDipl.-Ing. Hans-Martin Heinkel; Dr.-Ing. Klaus- Georg Brger.

Elektronische BauelementeDr. rer. nat. Ulrich Schaefer;Prof. Dr. Ing. Klemens Gintner,Hochschule Karlsruhe.

SteuergerteDipl.-Ing. Martin Kaiser; Dr. rer. nat. Ulrich Schaefer; Dipl.-Ing. (FH) Gerhard Haaf.

SoftwareJrgen Crepin,ETAS GmbH, Stuttgart.

SensorenDr.-Ing. Erich Zabler; Dr. rer. nat. Stefan Fink beiner; Dr. rer. nat. Wolfgang Welsch; Dr. rer. nat. Hartmut Kittel; Dr. rer. nat. Christian Bauer; Dipl.-Ing. Gnter Noetzel; Dr.-Ing. Harald Emmerich; Dipl.-Ing. (FH) Gerald Hopf; Dr.-Ing. Uwe Konzelmann; Dr. rer. nat. Thomas Wahl; Dr.-Ing. Reinhard Neul; Dr.-Ing. Wolfgang-Michael Mller; Dr.-Ing. Claus Bischoff; Dr. Christian Pfahler; Dipl.-Ing. Peter Weiberle; Dipl.-Ing. (FH) Ulrich Papert; Dipl.-Ing. Christian Gerhardt; Dipl.-Ing. Klaus Miekley; Dipl.-Ing. Roger Frehoff; Dipl.-Ing. Martin Mast; Dipl.-Ing. (FH) Bernhard Bauer; Dr. Michael Harder; Dr.-Ing. Klaus Kasten; Dipl.-Ing. Peter Brenner, ZF Lenksysteme GmbH, Schwbisch Gmnd; Dipl.-Ing. Frank Wolf; Dr.-Ing. Johann Riegel.

Autoren

Autoren | | 9

AktorenDr.-Ing. Rudolf Heinz; Dr.-Ing. Robert Schenk.

HybridantriebeDipl.-Ing. Michael Bildstein; Dipl.-Ing. Boyke Richter; Dr. rer. nat Richard Aumayer; Dr.-Ing. Karsten Mann; Dipl.-Ing. Tim Fronzek, Toyota Deutschland GmbH; Dipl.-Ing. Hans-Peter Wandt, Toyota Deutschland GmbH.

BordnetzeDipl.-Ing. Clemens Schmucker; Dipl.-Ing. (FH) Hartmut Wanner; Dipl.-Ing. (FH) Wolfgang Kircher; Dipl.-Ing. (FH) Werner Hofmeister; Dipl.-Ing. Andreas Simmel.

StarterbatterienDipl.-Ing. Ingo Koch, VB Autobatterie GmbH & Co. KGaA, Han-nover; Dipl.-Ing. Peter Etzold; Dipl.-Kaufm. techn. Torben Fingerle.

GeneratorenDipl.-Ing Reinhard Meyer.

StartanlagenDipl.-Ing. Roman Pirsch; Dipl.-Ing. Hartmut Wanner.

Elektromagnetische VertrglichkeitDr.-Ing. Wolfgang Pfaff

sowie die Redaktion in Zusammenarbeit mit den zustndigen Fachabteilungen un-seres Hauses.

Soweit nicht anders angegeben, handelt es sich um Mitarbeiter der Robert Bosch GmbH.

Der Anteil der Elektronik im Fahrzeug stieg in den letzten Jahren stark an und wird auch in Zukunft noch weiter zuneh-men. Die technische Entwicklung in der Halbleitertechnik ermglicht mit der zunehmenden Integrationsdichte immer komplexere Funktionen. Die Funktio-nalitt der in Kraftfahrzeugen einge-bauten elektronischen Systeme bertrifft mittlerweile die Leistungsfhigkeit der Raumkapsel Apollo 11, die 1969 den Mond umkreiste.

bersicht

Entwicklung elektronischer SystemeDie Geschichte des Automobils ist nicht zuletzt deswegen so erfolgreich, weil kon-tinuierlich Innovationen Eingang in die Fahrzeuge gefunden haben. Das Ziel war in den 1970er-Jahren schon, mit neuen Techniken einen Beitrag fr sichere, sau-bere und sparsame Autos zu leisten. Dabei lassen sich Sparsamkeit und Sauberkeit

durchaus mit weiterem Kundennutzen wie Fahrspa verbinden. Dies zeigt der euro-pische Dieselboom, den Bosch mageb-lich geprgt hat. Parallel dazu erlebt die Entwicklung des Ottomotors mit der Ben-zin-Direkteinspritzung, die im Vergleich zur Saugrohreinspritzung den Kraftstoff-verbrauch senkt, weitere Fortschritte

Eine Erhhung der Fahrsicherheit wurde mit elektronischen Bremsregel-systemen erreicht. 1978 wurde das Anti-blockiersystem (ABS) eingefhrt und immer weiter entwickelt, sodass es heute in Europa zur Standardausrstung jedes Fahrzeugs gehrt. Auf diesem Weg be-findet sich das 1995 erstmals eingesetzte Elektronische Stabilittsprogramm (ESP), in dem das ABS integriert ist.

Aktuelle Entwicklungen bercksichtigen auch Komfortaspekte. Hier ist beispiels-weise die Funktion Hill Hold Control (HHC) zu nennen, die das Anfahren am Berg erleichtert. Diese Funktion ist im ESP integriert.

Elektrische und elektronische Systeme im Kfz

1 Elektronik im Kraftfahrzeug

10 | Elektrische und elektronische Systeme im Kfz | bersicht

bar

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K. Reif (Hrsg.), Bosch Autoelektrik und Autoelektronik, DOI 10.1007/ 978-3-8348-9902-6_ , Vieweg+Teubner Verlag |Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH 2011

1

2 Marktvolumen Elektrik/Elektronik in Europa (Schtzungen)

UA

E10

39D

20

101995 2000 2005 2010

40%

Wertanteil E/E am Automobil MarktvolumenMrd.

Zuwachs 2010: 16 Mrd.

Substitutionmechanischer/hydraulischer Komponenten

Zustzliche elektronische Komponenten

30

52

36

35%

32% 3 Mrd. (20 %)

26%

13 Mrd. (80 %)

Neue Funktionen erscheinen vielfach in Verbindung mit Fahrerassistenzsystemen. Deren Umfang geht weit ber die heutigen Serienprodukte wie Parkpilot oder elektro-nisches Navigationssystem hinaus. Ziel ist das sensitive Fahrzeug, das mittels Sensoren und Elektronik die Fahrzeug-umgebung wahrnimmt und interpretiert, Mit Ultraschall-, Radar- und Videosensorik sind Lsungen entstanden, die beispiels-weise durch eine verbesserte Nachtsicht oder Abstandsregelung den Autofahrer mageblich untersttzen knnen.

Wertschpfungsstruktur der ZukunftAktuelle Studien belegen, dass die Pro-duktionskosten eines durchschnittlichen Pkw trotz weiterer Innovationen bis zum Jahr 2010 nur geringfgig zunehmen wer-den. Auf dem Gebiet Mechanik/Hydraulik wird fr bestehende Systeme trotz des zu erwartenden Mengenzuwachs kein mageblicher Wertzuwachs erwartet. Ein Grund hierfr ist u. a. die Elektrifizierung bislang mechanisch oder hydraulisch realisierter Funktionen. Am Beispiel der Bremsregelsysteme lsst sich dieser Wan-del eindrucksvoll nachzeichnen. War das konventionelle Bremssystem nahezu voll-stndig durch mechanische Komponenten geprgt, kamen bei der ABS-Bremsre-gelung verstrkt elektronische Kompo-nenten in Form von Sensorik und einem elektronischen Steuergert zum Einsatz.

Bei den neueren Entwicklungen von ESP sind die zustzlichen Funktionen wie z. B. HHC nahezu ausschlielich ber Elektro-nik realisiert.

Obwohl bei den etablierten Lsungen eine sehr starke Kostendegression zu be-obachten ist, wird der Wert der Elektrik und Elektronik insgesamt zunehmen (Bild 1). Dieser wird 2010 gut ein Drittel der Produktionskosten eines durchschnitt-lichen Fahrzeugs ausmachen. Diese An-nahme sttzt sich nicht zuletzt darauf, dass der grere Teil zuknftiger Funkti-onen auch durch Elektrik und Elektronik bestimmt sein wird.

Die Zunahme von Elektrik und Elek-tronik ist mit einem Zuwachs an Software verbunden. Bereits heute sind die Soft-wareentwicklungskosten nicht mehr ver-nachlssigbar gegenber den Hardware-kosten. Aus der daraus resultierenden Komplexi ttssteigerung des Gesamtsys-tems Fahrzeug ergeben sich fr die Soft-wareerstellung zwei Herausforderungen: die Bewltigung der Menge und eine klar strukturierte Architektur. Die Autosar-Ini-ative (Automotive Open Systems Architec-ture), der verschiedene Automobilherstel-ler und Zulieferfirmen angehren, arbeitet an einer Standardisierung der Elektronik-architektur mit dem Ziel, die Komplexitt mittels vermehrter Wiederverwendbarkeit und Austauschbarkeit von Softwaremodu-len zu reduzieren.

Elektrische und elektronische Systeme im Kfz | bersicht | 11

3 Funktionsblcke eines elektronischen Systems

UM

K16

78-1

D

ADC

Funktions-rechner

RAM

Flash-EPROM

EEPROM

berwa-chungs-modul

Fahrpedalstellung

Sensoren und Sollwertgeber Steuergert Aktoren

Luftmasse

Motortemperatur

Batteriespannung

Drosselklappen-stellung (EGAS)

Nockenwellen-stellung

Ansauglufttemperatur

Kurbelwellen-drehzahl und OT

KlopfintensittLambda-Sonde

Getriebestufe

12

Heizung Lambda-Sonde

Nockenwellen-Steuerung

Kraftstoffpumpenrelais

Hauptrelais

Motordrehzahlmesser

EGAS-Steller

Zndspulen mitZndkerzen

Einspritzventile

Saugrohr-Umschaltung

Tankentlftung

Sekundrluft

Abgasrckfhrung

21

Fahrzeug-geschwindigkeit

DiagnoseCAN

Aufgabe eines elektronischen SystemsSteuern und RegelnDie Zentrale eines elektronischen Systems ist das Steuergert. Bild 3 zeigt die System-blcke eines Motormanagements Motro-nic. Im Steuergert laufen alle Steuer- und Regelalgorithmen des elektro nischen Sys-tems ab. Den Kern des Steuer gerts bildet ein Mikrocontroller mit dem Programm-speicher (Flash-EPROM), in dem der Pro-grammcode fr alle Funktionen, die das Steuergert ausfhren soll, abgelegt ist.

Die Eingangsgren fr die Ablaufsteu-erung werden aus den Signalen von Sen-soren und Sollwertgebern abgeleitet. Sie beeinflussen die Berechnungen in den Al-gorithmen und damit die Ansteuersig nale fr die Aktoren. Diese wandeln die elek-trischen Signale, die der Mikrocontrol-ler ausgibt und in Endstufenbausteinen verstrkt werden, in mechanische Gren um. Das kann z. B. von einem Stellmotor erzeugte mechanische Energie (Fenster-heber) oder von einer Glhstiftkerze er-zeugte Wrmeenergie sein. .

KommunikationViele Systeme beeinflussen sich gegen-seitig. Zum Beispiel ist es u. U. notwendig, dass das Elektronische Stabilittspro-gramm im Falle von durchdrehenden Rdern nicht nur einen Bremseneingriff durchfhrt, sondern auch das Motor-management auffordert, das Drehmoment zu reduzieren und somit dem Durchdre-hen der Rder entgegenzuwirken. Ebenso gibt das Steuergert des Automatikgetrie-bes eine Anforderung an das Motormana-gement, beim Schaltvorgang das Drehmo-ment zu reduzieren, um einen weichen Schaltvorgang zu ermglichen. Hierzu werden die Systeme miteinander vernetzt, d. h., sie knnen ber Datenbusse (z. B. CAN, LIN) miteinander kommunizieren.

In einem Fahrzeug der Oberklasse verrich-ten bis zu 80 Steuergerte ihren Dienst. Die folgenden Beispiele sollen einen Ein-blick in die Funktionsweise solcher Sys-teme geben.

12 | Elektrische und elektronische Systeme im Kfz | bersicht

Elektrische und elektronische Systeme im Kfz | Motormanagement Motronic | 13

Motormanagement Motronic

Motronic ist die Bezeichnung fr ein Motor managementsystem, das die elek-tronische Steuerung und Regelung des Ottomotors in einem einzigen Steuergert ermglicht.

Es gibt Motronic-Varianten fr Motoren mit Saugrohreinspritzung (ME-Motronic) sowie fr Benzin-Direkteinspritzung (DI-Motronic). Eine weitere Variante ist die Bifuel-Motronic, die zustzlich den Motor-betrieb mit Erdgas steuert.

SystembeschreibungAufgaben Die primre Aufgabe des Motormanage-ment Motronic ist,

das vom Fahrer gewnschte und ber das Fahrpedal vorgegebenen Dreh-moment einzustellen,

den Motor so zu betreiben, dass die For-derungen der immer strengeren Abgas-gesetzgebung eingehalten werden,

geringstmglichen Kraftstoffverbrauch aber gleichzeitig

hohen Fahrkomfort und Fahrspa zu gewhrleisten.

KomponentenDie Motronic umfasst smtliche Kompo-nenten, die den Ottomotor steuern und regeln (Bild 1, nchste Seite). Das vom Fahrer geforderte Drehmoment wird ber Aktoren bzw. Wandler eingestellt. Im We-sentlichen sind dies

die elektrisch ansteuerbare Drossel-klappe (Luftsystem): sie regelt den Luft-massenstrom in die Zylinder und damit die Zylinderfllung.

Die Einspritzventile (Kraftstoffsystem): sie messen die zur Zylinderfllung pas-sende Kraftstoffmenge zu.

Die Zndspulen und Zndkerzen (Znd-system): sie sorgen fr die zeitgerechte Zndung des im Zylinder vorliegenden Luft-Kraftstoff-Gemischs.

Je nach Fahrzeug sind verschiedene Ma-nahmen erforderlich, um die an das Mo-tormanagement gestellten Anforderungen (z. B. bezglich Abgasverhalten, Leistung und Kraftstoffverbrauch) zu erfllen. Die Motronic kann z. B. die Komponenten fol-gender Systeme steuern:

Variable Nockenwellensteuerung: ber die Variabliltt von Ventilsteuerzeiten und Ventilhben kann das Verhltnis von Frischgas zu Restgas sowie die Ge-mischbildung beeinflusst werden.

Externe Abgasrckfhrung: Einstellung des Restgasanteils ber eine gezielte Rckfhrung von Abgas aus dem Ab-gasstrang (Einstellung ber das Abgas-rckfhrventil).

Abgasturboaufladung: geregelte Aufladung der Verbrennungsluft (d. h. Erhhung der Frischluftmasse im Brennraum) zur Steigerung des Drehmoments.

Kraftstoffverdunstungs-Rckhaltesys-tem: zur Rckfhrung von Kraftstoff-dmpfen, die aus dem Kraftstofftank entweichen und in einem Aktivkohle-behlter aufgefangen werden.

BetriebsgrenerfassungDie Motronic erfasst ber Sensoren die fr die Steuerung und Regelung des Mo-tors erforderlichen Betriebsgren (z. B. Motordrehzahl, Motortemperatur, Batte-riespannung, angesaugte Luftmasse, Saug-rohrdruck, Lambda-Wert des Abgases).

Sollwertgeber (z. B. Schalter) erfassen vom Fahrer vorgenommene Einstellungen (z. B. Stellung des Zndschlssels, Fahr-geschwindigkeitregler).

BetriebsgrenverarbeitungAus den Eingangssignalen erkennt das Motorsteuergert den aktuellen Be-triebszustand des Motors und berechnet daraus, sowie aus Anforderungen von Nebenaggre gaten und vom Fahrer (Fahr-pedalsensor sowie Bedienschalter), die Stellsignale fr die Aktoren.

1 Komponenten fr die elektronische Steuerung eines DI-Motronic-Systems (dargestellt am Saugmotor, l = 1)

UM

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N21 22

23

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2

3

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5

6

7

8

9

10

11

1

25

26

27

14 | Elektrische und elektronische Systeme im Kfz | Motormanagement Motronic

Bild 1

1 Aktivkohlebehlter

2 Heifilm-

Luftmassen messer

3 Drosselvorrichtung

(EGAS)

4 Tankentlftungs-

ventil

5 Saugrohrdruck-

sensor

6 Ladungsbewe-

gungsklappe

7 Hochdruckpumpe

8 Rail mit Hochdruck-

Einspritzventil

9 Nockenwellen -

versteller

10 Zndspule mit

Zndkerze

11 Nockenwellen-

Phasen sensor

12 Lambda-Sonde

(LSU)

13 Motronic-Steuer -

gert

14 Abgasrckfhrventil

15 Drehzahlsensor

16 Klopfsensor

17 Motortemperatur-

sensor

18 Vorkatalysator

19 Lambda-Sonde

20 Hauptkatalysator

21 CAN-Schnittstelle

22 Diagnoselampe

23 Diagnoseschnitt-

stelle

24 Schnittstelle zum

Immobilizer-Steuer -

gert (Wegfahr-

sperre)

25 Fahrpedalmodul

26 Kraftstoffbehlter

27 Kraftstofffrder

modul mit Elelktro-

kraftstoffpumpe

2 Drosselvorrichtung mit potenziometrischer Lagerckmeldung

4

5

1

3

2

SA

E10

01Y


LuftsystemZur Einstellung des gewnschten Drehmo-ments ist ein bestimmtes Luft-Kraftstoff-Gemisch erforderlich. Die Drosselklappe (Bild 1, Pos. 3) regelt hierzu die fr die Gemischbildung bentigte Luft, indem sie den Durchflussquerschnitt im Ansaug-kanal fr die von den Zylindern ange-saugte Frischluft einstellt. Dies geschieht ber einen in der Drosselvorrichtung integrierten Gleichstrommotor (Bild 2), der vom Motronic-Steuergert angesteuert wird. ber einen Positionssensor wird die Stellung der Drosselklappe dem Steuerge-rt rckgemeldet, sodass eine Lagerege-lung mglich ist. Dieser Sensor kann z. B. als Potenziometer ausgefhrt sein. Da es sich bei der Drosselvorrichtung um eine sicherheitsrelevante Komponente handelt, ist der Sensor redundant ausgelegt.

Die angesaugte Luftmasse (Luftfllung) wird von Sensoren (z. B. Heifilm-Luftmas-senmesser, Saugrohrdrucksensor) erfasst.

KraftstoffsystemDas Steuergert (Bild 1, Pos. 13) be-rechnet aus der angesaugten Luftmasse und dem aktuellen Betriebszustand des Motors (z. B. Saugrohrdruck, Drehzahl) die erforderliche Kraftstoffmenge sowie

den Zeitpunkt, zu dem die Einspritzung zu erfolgen hat. Bei Benzineinspritz-systemen mit Saugrohr einspritzung wird der Kraftstoff in den Einlasskanal vor die Einlassventile eingebracht. Hierzu frdert die Elektro kraftstoffpumpe (27) den Kraft-stoff (Systemdruck bis ca. 450 kPa) zu den Einspritzventilen. Jedem Zylinder ist ein Einspritzventil zugeordnet, das den Kraft-stoff intermittierend einspritzt. Das im Einlasskanal entstandene Luft-Kraftstoff-Gemisch strmt im Ansaugtakt in den Zy-linder. Korrekturen fr die Einspritzmenge kommen z. B. von der Lambda-Regelung (Lambda-Sonde, 12) und der Tankentlf-tung (Kraftstoffverdunstungs-Rckhalte-system, 1, 4).

Bei der Benzin-Direkteinspritzung strmt Frischluft in den Zylinder. Der Kraftstoff wird ber Hochdruck-Ein-spritzventile (Bild 1, Pos. 8) direkt in den Brennraum eingespritzt, wo er mit der angesaugten Luft das Luft-Kraftstoff-Gemisch bildet. Hierzu ist ein hherer Kraftstoffdruck erforderlich, der von der zustzlichen Hochdruckpumpe (7) aufge-bracht wird, ber ein integriertes Mengen-steuerventil kann der Druck abhngig vom Betriebspunkt variabel eingestellt werden (bis 20 MPa).

Bild 2

1 Drosselklappe

2 Gleichstrommotor

3 Schleifer

4 Widerstandsbahn 1

5 Widerstandsbahn 2

3 Elektromagnetisches Einspritzventil EV14

2

1

3

7

5

4

6

10

11

1312

8

9

UM

K20

42Y


Einspritzventil fr SaugrohreinspritzungAufgabeElektrisch angesteuerte Einspritzventile spritzen den unter Systemdruck stehen-den Kraftstoff in das Saugrohr ein. Sie erlauben es, eine genau an den Bedarf des Motors angepasste Kraftstoffmenge zuzu-messen. Sie werden ber Endstufen, die im Motorsteuergert integriert sind, mit dem vom Motormanagement berechneten Signal angesteuert.

Aufbau und ArbeitsweiseElektromagnetische Einspritzventile (Bild 3) bestehen im Wesentlichen aus

dem Ventilgehuse (3) mit elektrischem (4) und hydraulischem Anschluss (1),

der Spule des Elektromagneten (9), der beweglichen Ventilnadel (10) mit

Magnetanker und Ventilkugel (11), dem Ventilsitz (12) mit der Spritzloch-

scheibe (13) sowie der Ventilfeder (8).

Um einen strungsfreien Betrieb zu ge-whrleisten, ist das Einspritzventil im Kraftstoff fhrenden Bereich aus korro-sionsbestndigem Stahl gefertigt. Ein Fil-tersieb (6) im Kraftstoffzulauf schtzt das Einspritzventil vor Verschmutzung.

AnschlsseBei den gegenwrtig verwendeten Ein-spritzventilen verluft die Kraftstoffzufh-rung in axialer Richtung zum Einspritz-ventil von oben nach unten (Top feed). Die Kraftstoffleitung ist mit einer Klemm-/Spannvorrichtung am hydraulischen An-schluss befestigt. Halteklemmen sorgen fr eine zuverlssige Fixierung. Der Dich-tring (O-Ring) am hydraulischen Anschluss (2) dichtet das Einspritzventil gegen das Kraftstoffverteilerrohr ab.

Der elektrische Anschluss des Einspritz-ventils ist mit dem Motorsteuergert ver-bunden.

Funktion des VentilsBei stromloser Spule drcken die Feder und die aus dem Kraftstoffdruck resultie-rende Kraft die Ventilnadel mit der Ven-tilkugel in den kegelfrmigen Ventilsitz. Hierdurch wird das Kraftstoffversorgungs-system gegen das Saugrohr abgedichtet. Wird die Spule bestromt, entsteht ein Magnetfeld, das den Magnetanker der Ventilnadel anzieht. Die Ventilkugel hebt vom Ventilsitz ab und der Kraftstoff wird eingespritzt. Wird der Erregerstrom abge-schaltet, schliet die Ventilnadel wieder durch Federkraft.

Bild 3

1 Hydraulischer

Anschluss

2 O-Ring

3 Ventilgehuse

4 elektrischer

Anschluss

5 Plastikclip mit

eingespritzten Pins

6 Filtersieb

7 Innenpol

8 Ventilfeder

9 Magnetspule

10 Ventilnadel mit

Anker

11 Ventilkugel

12 Ventilsitz

13 Spritzlochscheibe

5 Spannungsabhngige Einspritzzeitkorrektur

0V7 9 11 13 15

ms

2

1

Eins

pritz

zeitk

orre

ktur

UBatBatteriespannung

UM

K20

83D

4 Ansteuerung des EV14

tan tab

0

0

1 a

b

c

d

Zeit t

Kraf

tsto

ff-m

enge

0

Ventil

hub

0

Stro

m I

Anst

eue-

rung

SM

K20

56D


KraftstoffaustrittDie Zerstubung des Kraftstoffs geschieht mit einer Spritzlochscheibe, die ein oder mehrere Lcher besitzt. Mit den gestanzten Spritzlchern wird eine hohe Konstanz der abgespritzten Kraftstoffmenge erzielt. Die Spritzlochscheibe ist auch unempfindlich gegenber Kraftstoffablagerungen. Das Strahlbild des austretenden Kraftstoffs ergibt sich durch die Anordnung und die Anzahl der Spritzlcher.

Die gute Ventildichtheit im Bereich des Ventilsitzes ist durch das Dichtprinzip Kegel/Kugel gewhrleistet. Das Einspritz-ventil wird in die dafr vorgesehene ffnung am Saugrohr eingeschoben. Der untere Dichtring dichtet das Einspritz-ventil gegen das Saugrohr ab.

Die abgespritzte Kraftstoffmenge pro Zeiteinheit ist im Wesentlichen bestimmt durch

den Systemdruck im Kraftstoffversor-gungssystem,

den Gegendruck im Saugrohr und die Geometrie des Kraftstoffaustritts-

bereichs.

Elektrische AnsteuerungEin Endstufenbaustein im Motronic- Steuergert steuert das Einspritzventil mit einem Schaltsignal an (Bild 4a). Der Strom in der Magnetspule steigt (b) und bewirkt eine Anhebung der Ventilnadel (c). Nach Ablauf der Zeit tan (Anzugszeit) ist der maximale Ventilhub erreicht. Sobald die Ventilkugel aus ihrem Sitz abhebt, wird Kraftstoff abgespritzt. In Bild 4d ist die whrend eines Einspritzimpulses insge-samt abgespritzte Menge dargestellt.

Nach Abschalten der Ansteuerung fliet kein Strom mehr. Aufgrund der Massen-trgheit schliet das Ventil aber nur lang-sam. Nach Ablauf der Zeit tab (Abfallzeit) ist das Ventil wieder vollstndig geschlos-sen.

Bei vollstndig geffnetem Ventil ist die Einspritzmenge proportional der Zeit. Die Nichtlinearitten whrend der

Ventilanzugs- und Ventilabfallphase ms-sen ber die Zeitdauer der Ansteuerung (Einspritzzeit) kompensiert werden. Die Geschwindigkeit, mit der die Ventilnadel von ihrem Sitz abhebt, ist zudem von der Batteriespannung abhngig. Eine batterie-spannungsabhngige Einspritzzeitverln-gerung (Bild 5) korrigiert diese Einflsse.

Bild 4

a Ansteuerungssignal

b Stromverlauf

c Ventilhub

d eingespritzte

Kraftstoffmenge

6 Aufbau des Hochdruck-Einspritzventils HDEV5

1 2 3 4 5 6 7 8

UM

K20

84Y


Hochdruck-Einspritzventil fr Benzin-Direkteinspritzung

AufgabeAufgabe des Hochdruck-Einspritzventils (HDEV) ist einerseits den Kraftstoff zu do-sieren und andererseits durch dessen Zer-stubung eine gezielte Durchmischung von Kraftstoff und Luft in einem bestimmten rumlichen Bereich des Brennraums zu erzielen. Abhngig vom gewnschten Betriebszustand wird der Kraftstoff im Bereich um die Zndkerze konzentriert (geschichtet) oder gleichmig im ge-samten Brennraum zerstubt (homogene Verteilung).

Aufbau und ArbeitsweiseDas Hochdruck-Einspritzventil (Bild 6) besteht aus den Komponenten

Zulauf mit Filter (1), elektrischer Anschluss (2), Feder (3), Spule (4), Ventilhlse (5), Dsennadel mit Magnetanker (6) und Ventilsitz (7).

Bei stromdurchflossener Spule wird ein Magnetfeld erzeugt. Dadurch hebt die Ventilnadel gegen die Federkraft vom Ventilsitz ab und gibt die Ventilauslass-bohrungen (8) frei. Aufgrund des System-drucks wird nun der Kraftstoff in den Brennraum gedrckt. Die eingespritzte Kraftstoffmenge ist dabei im Wesentlichen von der ffnungsdauer des Ventils und dem Kraftstoffdruck abhngig.

Bei Abschalten des Stroms wird die Ven-tilnadel aufgrund der Federkraft in den Ventilsitz gepresst und unterbricht den Kraftstofffluss.

Durch eine geeignete Dsengeometrie an der Ventilspitze wird eine sehr gute Zerstubung des Kraftstoffs erreicht.

AnforderungenWesentlicher Unterschied der Benzin- Direkteinspritzung im Vergleich zur Saug-rohreinspritzung sind ein hherer Kraft-stoffdruck und eine deutlich krzere Zeit, die fr die Einbringung des Kraftstoffs direkt in den Brennraum zur Verfgung steht.

Bild 6

1 Kraftstoffzulauf

mit Filter

2 elektrischer

Anschluss

3 Feder

4 Spule

5 Ventilhlse

6 Dsennadel mit

Magnetanker

7 Ventilsitz

8 Ventilauslass -

bohrungen

7 Vergleich zwischen Benzin-Direkteinspritzung und Saugrohreinspritzung

0,4 3,5 5Einspritzzeit in ms

Leerlauf

Volllast

20

BDE

Saugrohreinspritzung

Eins

pritz

men

ge

UM

K17

77D

8 Ansteuerung des Hochdruck-Einspritzventils HDEV

Zeit t

Eins

pritz

-m

enge

tan

0

0

01

0

b

c

d

Stro

m

Nad

elhu

b

tab

Ihalte Ihyst

Ian

Iboost

tboost

a

SM

K17

72-2

D


Bild 7 zeigt die Anforderungen an das Ein-spritzventil. Bei der Saugrohreinspritzung stehen zwei Kurbelwellenumdrehungen zur Verfgung, um den Kraftstoff in das Saugrohr einzuspritzen. Das entspricht bei einer Drehzahl von 6000 min1 einer Ein-spritzdauer von 20 ms.

Bei der Benzin-Direkteinspritzung steht deutlich weniger Zeit zur Verfgung. Fr den Homogenbetrieb muss der Kraftstoff im Ansaugtakt eingespritzt werden. Somit steht nur eine halbe Kurbelwellenumdre-hung fr den Einspritzvorgang zur Verf-gung. Bei 6000 min1 entspricht das einer Einspritzdauer von 5 ms.

Bei der Benzin-Direkteinspritzung ist der Kraftstoffbedarf im Leerlauf im Verhltnis zur Volllast sehr viel geringer als bei der Saugrohreinspritzung (Faktor 1:12). Daraus ergibt sich eine Ein-spritzzeit im Leerlauf von ungefhr 0,4 ms.

Ansteuerung des Einspritzventils HDEVUm einen definierten und reproduzier-baren Einspritzvorgang zu gewhrleisten, muss das Hochdruck-Einspritzventil mit

einem komplexen Stromverlauf angesteu-ert werden (Bild 8). Der Mikrocontroller im Motorsteuergert liefert nur ein digi-tales Ansteuersignal (a). Aus diesem Signal erzeugt ein Endstufenbaustein (ASIC) das Ansteuersignal (b) fr das Einspritzventil.

Ein DC/DC-Wandler im Motorsteuer-gert erzeugt die Boosterspannung von 65 V. Sie wird bentigt, um den Strom in der Boosterphase mglichst rasch auf einen hohen Stromwert zu bringen. Das ist erforderlich, um die Einspritzventilnadel mglichst schnell zu beschleunigen. In der Anzugsphase (tan) erreicht die Ventilnadel anschlieend den maximalen ffnungshub (c). Bei geffnetem Einspritzventil reicht ein geringer Ansteuerstrom (Haltestrom) aus, um das Ventil offen zu halten.

Bei konstantem Ventilnadelhub ergibt sich eine zur Einspritzdauer proportionale Einspritzmenge (d).

Bild 7

Einspritzmenge als

Funktion der Einspritz-

zeit

Bild 8

a Ansteuersignal

b Stromverlauf

im HDEV

c Nadelhub

d eingespritzte Kraft-

stoffmenge

9 Zndkreis einer induktiven Zndanlage

UM

Z033

8-1Y

20 | Elektrische und elektronische Systeme im Kfz |

Induktive ZndanlageDie Zndung des Luft-Kraftstoff-Gemischs im Ottomotor erfolgt elektrisch durch einen Funkenberschlag zwischen den Elektroden der Zndkerze. Die in dem Funken umgesetzte Energie der Zndspule entzndet das verdichtete Gemisch, die anschlieend von dieser Stelle ausgehende Flammenfront sorgt fr die Entflammung des Gemischs im gesamten Brennraum. Die induktive Zndanlage erzeugt in jedem Arbeitstakt die fr den Funkenberschlag erforderliche Hochspannung und die fr die Entflammung notwendige Funken-dauer. Die elektrische Energie wird dem Bordnetz entnommen und in der Znd-spule zwischengespeichert.

AufbauBild 9 zeigt den prinzipiellen Aufbau des Zndkreises einer induktiven Zndanlage Er besteht aus den Komponenten

Zndungsendstufe (4), die im Motronic-Steuergert oder in der Zndspule integriert ist,

Zndspulen (3), , Zndkerzen (5) sowie Verbindungs- und Entstrmittel.

Erzeugen des ZndfunkensIn der Zndspule wird ein Magnetfeld aufgebaut, wenn im Primrkreis ein Strom

fliet. In diesem Magnetfeld ist die fr die Zndung erforderliche Zndenergie ge-speichert.

Der Strom in der Primrwicklung er-reicht aufgrund der induzierten Gegen-spannung erst allmhlich seinen Sollwert. Da die in der Zndspule gespeicherte Energie vom Strom abhngt (E = 1/2LI

2), ist eine gewisse Zeit (Schliezeit) erforder-lich, um die fr die Zndung erforderliche Energie zu speichern. Diese Schliezeit hngt u. a. von der Bordnetzspannung ab. Das Steuergerteprogramm berechnet aus der Schliezeit und dem Zndzeitpunkt den Einschaltzeitpunkt und schaltet ber die Zndungsendstufe die Zndspule ein und im Zndzeitpunkt wieder aus.

Das Unterbrechen des Spulenstroms im Zndzeitpunkt fhrt zum Zusammenbruch des Magnetfelds. Diese schnelle Magnet-feldnderung induziert auf der Sekundr-seite der Zndspule aufgrund der groen Windungszahl (bersetzungsverhltnis ca. 1:100) eine hohe Spannung (Bild 10). Bei Erreichen der Zndspannung kommt es an der Zndkerze zum Funkenberschlag und das komprimierte Luft-Kraftstoff-Gemisch entzndet sich.

GemischentflammungNach dem Funkenberschlag fllt die Spannung an der Zndkerze auf die Brenn-

10 Spannungsverlauf an den Elektroden

UM

Z004

4-1D


Bild 9

1 Batterie

2 EFU-Diode (in der

Zndspule inte-

griert)

3 Zndspule mit

Eisen kern, Primr-

und Sekun dr-

wicklung

4 Zndungsendstufe

(alternativ im Mo-

tronic-Steuergert

oder in der Znd-

spule integriert)

5 Zndkerze

Kl. 1, Kl. 4, Kl. 4a, Kl. 15

Klemmenbezeich-

nungen

Bild 10

K Funkenkopf

S Funkenschwanz

tF Funkendauer

3

1

4

5

2Kl.15 Kl.4

Kl.4aKl.1

12V

kV

15

10

5

0

0Zeit

1,0 2,0 3,0 ms

K

S

Spa

nnun

g

ca. 30 ms

tF


spannung ab (Bild 10). Die Brennspannung hngt von der Lnge des Funkenplasmas ab (Elekt rodenabstand und Auslenkung durch Strmung) und liegt im Bereich von wenigen hundert Volt bis deutlich ber 1 kV. Wh rend der Brenndauer des Znd-funkens von wenigen 100 s bis ber 2 ms wird Energie der Zndspule im Zndfun-ken umgesetzt. Nach dem Funkenabriss schwingt die Spannung gedmpft aus.

Der elektrische Funke zwischen den Elekt roden der Zndkerze erzeugt ein Hochtemperaturplasma. Der entstehende Flammkern entwickelt sich bei zndf-higen Gemischen an der Zndkerze und ausreichender Energiezufuhr durch die Zndanlage zu einer sich selbststndig ausbreitenden Flammfront.

ZndzeitpunktDer Zeitpunkt, an dem der Zndfunke das Luft-Kraftstoff-Gemisch im Brennraum zndet, muss sehr genau eingestellt wer-den. Diese Gre hat entscheidenden Ein-fluss auf den Motorbetrieb und bestimmt das abgegebene Drehmoment, die Abgas-emissionen und den Kraftstoffverbrauch.

Die Einflussgren, die den Zndzeit-punkt im Wesentlichen bestimmen, sind Motordrehzahl und Motorlast bzw. Dreh-moment. Zustzlich werden noch weitere Gren, wie z. B. die Motortemperatur

zur Bestimmung des gnstigsten Znd-zeitpunkts herangezogen. Diese Gren werden von Sensoren erfasst und dem Motorsteuergert (Motronic) zugefhrt. Aus Kennfeldern und Kennlinien wird der Zndzeitpunkt berechnet und das Ansteuersignal fr die Zndungsendstufe erzeugt.

Klopfende Verbrennungen treten auf bei einem zu frhen Zndzeitpunkt. Dau-erhaftes Klopfen kann zu Motorschden fhren. Deshalb werden Klopfsensoren eingesetzt, die das Verbrennungsgerusch berwachen. Nach einer klopfenden Ver-brennung wird der Zndzeitpunkt nach spt verstellt, dann langsam wieder auf den Vorsteuerwert gefhrt. So wird dauer-haftem Klopfen entgegengewirkt.

Spannungsverteilung Die Spannungsverteilung erfolgt auf der Primrseite der Zndspulen (Ruhende Spannungsverteilung, RUV).

Anlage mit Einzelfunken-ZndspulenJedem Zylinder ist eine Zndungsendstufe und eine Zndspule zugeordnet (Bild 11a und 11b). Das Motorsteuergert steuert entsprechend der Zndfolge die Zn-dungsendstufen an. Allerdings muss die Anlage ber einen Nockenwellensensor zustzlich mit der Nockenwelle synchroni-siert werden.

Anlage mit Zweifunken-ZndspulenEine Zndungsendstufe und eine Znd-spule sind jeweils zwei Zylindern zugeord-net (Bild 11c). Die Enden der Sekundr-wicklung sind an jeweils eine Zndkerze in unterschiedlichen Zylindern angeschlos-sen. Die Zylinder sind so gewhlt, dass sich im Verdichtungstakt des einen Zylinders der zweite gerade im Ausstotakt befindet (nur bei geradzahligen Zylinderzahlen mglich). Die Anlage muss deshalb nicht mit der Nockenwelle synchronisiert sein. Im Zndzeitpunkt erfolgt an beiden Znd-kerzen ein Funkenberschlag.

Bild 11

a Einzelfunken-

Zndspule in Spar-

schaltung

b Einzelfunken-Znd-

spule

c Zweifunken-Znd-

spule

11 Schematische Darstellung von Zndspulen

UM

Z025

7-4Y

a b c

Kl.15 Kl.15 Kl.15

+12V +12V +12V

Kl.4a

Kl.1 Kl.1 Kl.1Kl.4 Kl.4b

Kl.4a

Kl.4


ZndspulenKompaktzndspuleAufbauDer Magnetkreis der Kompaktzndspule besteht aus dem O-Kern und dem I-Kern (Bild 12), auf dem die Primr- und die Sekundrwicklungen aufgesteckt sind. Diese Anordnung wird in das Zndspulen-gehuse eingebaut. Die Primrwicklung (mit Draht bewickelter I-Kern) wird mit dem Primrsteckanschluss elektrisch und mechanisch verbunden. Ebenfalls verbunden wird der Wicklungsanfang der Sekundrwicklung (mit Draht bewickelter Spulenkrper). Der zndkerzenseitige Anschluss der Sekundrwicklung befindet sich im Gehuse und die elektrische Kon-taktierung wird bei der Montage der Wick-lungen hergestellt.

Im Gehuse integriert ist der Hochspan-nungsdom, der einerseits das Kontaktteil

zur Zndkerzenkontaktierung trgt und andererseits den Silikonmantel zur Isola-tion der Hochspannung zu auen liegen-den Teilen und dem Zndkerzenschacht aufnimmt.

Nach dem Zusammenbau der Bauteile wird das Innere des Gehuses mit einem Imprgnierharz unter Vakuum vergossen und anschlieend ausgehrtet. Das ergibt eine hohe mechanische Festigkeit, einen guten Schutz vor Umwelteinflssen und eine hervorragende Isolation der Hoch-spannung. Abschlieend wird der Silikon-mantel auf den Hochspannungsdom aufge-schoben und fixiert.

Wegbau- und COP-VarianteAufgrund der kompakten Bauweise der Zndspule ist der in Bild 12 dargestellte Aufbau mglich. Diese Bauart wird als COP bezeichnet (Coil on Plug). Die Zndspule wird direkt auf die Zndkerze montiert, sodass zustzliche Hochspannungs-Verbindungskabel entfallen. Damit ergibt sich eine geringere kapazitive Belastung des Sekundrkreises der Zndspule. Zu-stzlich wird durch die Bauteilreduzierung die Funktionssicherheit erhht (z. B. kein Marder verbiss der Zndkabel mehr mg-lich).

Bei der selteneren Wegbauvariante werden die Kompaktzndspulen im Motorraum mit Schrauben befestigt. Hierzu sind Befestigungsaugen oder ein zustzlicher Halter vorgesehen. Die Hoch-spannungsverbindung wird ber jeweils ein Hochspannungs-Zndkabel von der Zndspule zur Zndkerze bewerkstelligt.

COP- und Wegbauvariante sind nahezu gleich aufgebaut. An die Wegbauvariante (Karosserieanbau) werden jedoch gerin-gere Anforderungen hinsichtlich Tempera-tur- und Schttelbedingungen gestellt, da hier geringere Belastungen auftreten.

12 Aufbau der Kompaktzndspule

UM

Z034

4-2Y

Bild 12

1 Leiterplatte

2 Zndungsendstufe

3 EFU-Diode (Ein-

schaltfunkenunter-

drckung)

4 Sekundrspulen-

krper

5 Sekundrdraht

6 Kontaktblech

7 Hochspannungs-

bolzen

8 Primrstecker

9 Primrdraht

10 I-Kern

11 Permanentmagnet

12 O-Kern

13 Feder

14 Silikonmantel

1

2

345

6

7

8

910

11

12

13

14


StabzndspuleDie Stabzndspule ermglicht eine opti-male Ausnutzung der Platzverhltnisse im Motorraum. Durch die zylindrische Bauform kann der Zndkerzenschacht als Montageraum mitbenutzt werden und ermglicht eine bauraumoptimierte An-ordnung im Zylinderkopf.

Stabzndspulen werden immer direkt auf die Zndkerze montiert, daher sind keine zustzlichen Hochspannungs-Ver-bindungskabel erforderlich.

Aufbau und MagnetkreisStabzndspulen (auch als Pencil Coil bezeichnet) arbeiten wie Kompaktznd-spulen nach dem induktiven Prinzip. Auf-grund der Rotationssymmetrie unterschei-den sie sich im Aufbau jedoch deutlich von Kompaktzndspulen.

Der Magnetkreis besteht zwar aus den gleichen Materialien, der im Zentrum liegende Stabkern (Bild 13, Pos. 5) wird hier aus verschieden breit gestanzten Blechlamellen annhernd kreisrund gesta-pelt und paketiert. Der magnetische Kreis wird ber das Rckschlussblech (9) als gerollte und geschlitzte Hlse ebenfalls aus Elektroblech, teilweise aus mehreren Lagen hergestellt.

Im Gegensatz zu Kompaktzndspulen liegt die Primrwicklung (7) mit grerem Durchmesser ber der Sekundrwicklung (6), deren Spulenkrper gleichzeitig den Stabkern aufnimmt; hierfr sind konstruk-tive und funktionale Vorteile magebend.Die kompakte Bauform der Stabzndspule lsst bei gegebener Geometrie hinsichtlich der elektrischen Auslegung nur eine sehr eingeschrnkte Variation des Magnet-kreises (Stabkern, Rckschlussblech) und Wick lungen zu.

Bei den meisten Stabzndspulen-anwendungen werden aufgrund des ein-geschrnkten Bauraums zur Erhhung der Funkenenergie Permanentmagnete ein gesetzt.

Die Kontaktierung der Zndkerze und der Anschluss an den Motorkabelbaum ist bei Stabzndspulen vergleichbar mit den Kompaktzndspulen.

13 Aufbau der Stabzndspule

UM

Z034

9-1Y

Bild 13

1 Steckanschluss

2 Leiterplatte mit

Zndungsendstufe

3 Permanentmagnet

4 Befestigungsarm

5 lamellierter Elektro-

blechkern (Stab-

kern)

6 Sekundrwicklung

7 Primrwicklung

8 Gehuse

9 Rckschlussblech

10 Permanentmagnet

11 Hochspannungs-

dom

12 Silikonmantel

13 aufgesteckte Znd-

kerze

1

3

4

6

7

8

9

12

13

10

11

5

2

1 Systemblcke der EDC

ADC

Funktions-rechner

RAMFlash-EPROMEEPROM

berwa-chungs-modul

Fahrpedalsensor

Sensoren und Sollwertgeber Steuergert Aktoren

Luftmassensensor

LadedrucksensorRaildrucksensor

Drehzahlsensoren(Kurbelwelle,Nockenwelle)

Temperatursensoren(Luft und Khlmittel) Lambda-Sonde

BremsschalterKupplungsschalter

Glhzeitsteuergert

Injektoren

LadedruckstellerAbgasrckfhrstellerDrosselklappensteller

Diagnoselampe

KlimakompressorZusatzheizungLfter

Einlasskanal-abschaltung

ElektronischeAbstellung (EAB)Raildruckregelventil

Startschalter

DiagnoseCAN

UM

K19

88D

24 | Elektrische und elektronische Systeme im Kfz | Elektronische Dieselregeleung EDC

Elektronische Dieselregelung EDC

SystembersichtDie elektronische Steuerung des Diesel-motors erlaubt eine exakte und differen-zierte Gestaltung der Einspritzgren. Nur so knnen die vielen Anforderungen erfllt werden, die an einen modernen Dieselmotor gestellt werden. Die Elektro- nische Dieselregelung EDC (Electronic Diesel Control) wird in die drei System-blcke Sensoren/Sollwertgeber, Steuerge-rt und Stellglieder (Aktoren) unterteilt.

AnforderungenDie Senkung des Kraftstoffverbrauchs und der Schadstoffemissionen (NOX, CO, HC, Partikel) bei gleichzeitiger Leistungsstei-gerung bzw. Drehmomenterhhung der Motoren bestimmt die aktuelle Entwick-lung auf dem Gebiet der Dieseltechnik. Konventionelle indirekt einspritzende Motoren (IDI) konnten die gestellten An-forderungen nicht mehr erfllen.

Stand der Technik sind heute direkt ein-spritzende Dieselmotoren (DI) mit hohen Einspritzdrcken fr eine gute Gemisch-bildung. Die Einspritzsysteme unterstt-zen mehrere Einspritzungen: Voreinsprit-

zung (VE), Haupteinspritzung (HE) und Nacheinspritzung (NE). Die Einspritzungen werden zumeist elektronisch gestellt (VE bei UIS-Pkw jedoch mechanisch).

Weiterhin wirken sich die hohen An- sprche an den Fahrkomfort auf die Ent-wicklung moderner Dieselmotoren aus. Auch an die Schadstoff- und Gerusch-emissionen werden immer hhere Forde-rungen gestellt.

Daraus ergeben sich gestiegene An- sprche an das Einspritzsystem und des-sen Regelung in Bezug auf:

hohe Einspritzdrcke, Einspritzverlaufsformung, Voreinspritzung und gegebenenfalls

Nacheinspritzung, Anpassung von Einspritzmenge, Lade-

druck und Spritzbeginn an den jewei-ligen Betriebszustand,

temperaturabhngige Startmenge, lastunabhngige Leerlaufdrehzahl-

regelung, geregelte Abgasrckfhrung, Fahrgeschwindigkeitsregelung, geringe Toleranzen der Einspritzzeit

und -menge und hohe Genauigkeit wh-rend der gesamten Lebensdauer (Lang-zeitverhalten),

Untersttzung von Abgasnachbehand-lungssystemen.

Elektrische und elektronische Systeme im Kfz | Elektronische Dieselregeleung EDC | 25

Die herkmmliche mechanische Dreh-zahlregelung erfasst mit diversen An-passvorrichtungen die verschiedenen Betriebszustnde und gewhrleistet eine hohe Qualitt der Gemischaufbereitung. Sie beschrnkt sich allerdings auf einen einfachen Regelkreis am Motor und kann verschiedene wichtige Einflussgren nicht bzw. nicht schnell genug erfassen.

Die EDC entwickelte sich mit den stei-genden Anforderungen zu einer komplexen elektronischen Motorsteuerung, die eine Vielzahl von Daten in Echtzeit verarbei-ten kann. ber die reine Motorsteuerung hinaus wird eine Reihe von Komfortfunk-tionen (z. B. Fahrgeschwindigkeitsregler) untersttzt. Die EDC kann Teil eines elekt-ronischen Fahrzeuggesamtsystems sein (drive by wire). Durch die zunehmende In-tegration der elektronischen Komponenten kann die komplexe Elektronik auf engstem Raum untergebracht werden.

ArbeitsweiseDie Elektronische Dieselregelung (EDC) ist durch die in den letzten Jahren stark ge-stiegene Rechenleistung der verfg baren Mikrocontroller in der Lage, die genann-ten Anforderungen zu erfllen.

Im Gegensatz zu Dieselfahrzeugen mit konventionellen mechanisch geregelten Einspritzpumpen hat der Fahrer bei einem EDC-System keinen direkten Einfluss auf die eingespritzte Kraftstoffmenge, z. B. ber das Fahrpedal und einen Seilzug. Die Einspritzmenge wird vielmehr durch ver-schiedene Einflussgren bestimmt. Dies sind z. B.:

Fahrerwunsch (Fahrpedalstellung), Betriebszustand, Motortemperatur, Eingriffe weiterer Systeme (z. B. ASR), Auswirkungen auf die Schadstoff-

emissionen usw.

Die Einspritzmenge wird aus diesen Ein-flussgren im Steuergert errechnet. Auch der Einspritzzeitpunkt kann variiert werden. Dies bedingt ein umfangreiches

berwachungskonzept, das auftretende Abweichungen erkennt und gem den Auswirkungen entsprechende Ma-nahmen einleitet (z. B. Drehmomentbe-grenzung oder Notlauf im Leerlaufdreh-zahlbereich). In der EDC sind deshalb mehrere Regelkreise enthalten.

Die Elektronische Dieselregelung er-mglicht auch einen Datenaustausch mit anderen elektronischen Systemen wie z. B. Antriebsschlupfregelung (ASR), Elekt ronischer Getriebesteuerung (EGS) oder Fahrdynamikregelung mit dem Elek-tronischen Stabilittsprogramm (ESP). Damit kann die Motorsteuerung in das Fahrzeug-Gesamtsystem integriert wer-den (z. B. Motormomentreduzierung beim Schalten des Automatikgetriebes, Anpas-sen des Motormoments an den Schlupf der Rder usw.).

Das EDC-System ist vollstndig in das Diagnosesystem des Fahrzeugs integriert. Es erfllt alle Anforderungen der OBD (On-Board-Diagnose) und EOBD (Euro-pean OBD).

SystemblckeDie Elektronische Dieselregelung (EDC) gliedert sich in drei Systemblcke (Bild 1):

1. Sensoren und Sollwertgeber erfassen die Betriebsbedingungen (z. B. Motordreh-zahl) und Sollwerte (z. B. Schalterstellung). Sie wandeln physikalische Gren in elek-trische Signale um.

2. Das Steuergert verarbeitet die Infor-mationen der Sensoren und Sollwertgeber in mathematischen Rechenvorgngen (Steuer- und Regel algorithmen). Es steuert die Stellglieder mit elektrischen Ausgangs-signalen an. Ferner stellt das Steuergert die Schnittstelle zu anderen Systemen und zur Fahrzeugdiagnose her.

3. Stellglieder (Aktoren) setzen die elek-trischen Ausgangssignale des Steuergerts in mechanische Gren um (z. B. Hub der Magnetventilnadel).

2 Funktionsdarstellung am Beispiel einer Stromregelung

MaxMin

x x

x

+

PT1

DT1

l

I

Ist

I

Soll

PWM

Soll

PT1

SA

E09

87Y


DatenverarbeitungDie wesentliche Aufgabe der Elektro-nischen Dieselregelung (EDC) ist die Steu-erung der Einspritzmenge und des Ein-spritzzeitpunkts. Das Speichereinspritz-system Common Rail regelt auch den Ein spritzdruck. Auerdem steuert das Motorsteuergert bei allen Systemen ver-schiedene Stellglieder an. Die Funktionen der Elektronischen Dieselregelung mssen auf jedes Fahrzeug und jeden Motor ange-passt sein. Nur so knnen alle Komponen-ten optimal zusammenwirken (Bild 3).

Das Steuergert wertet die Signale der Sensoren aus und begrenzt sie auf zuls-sige Spannungspegel. Einige Eingangs-signale werden auerdem plausibilisiert. Der Mikroprozessor berechnet aus diesen Eingangsdaten und aus gespeicherten Kennfeldern die Lage und die Dauer der Einspritzung und setzt diese in zeitliche Signalverlufe um, die an die Kolben-bewegung des Motors angepasst sind. Das Berechnungsprogramm wird Steuer-gerte-Software genannt.

Wegen der geforderten Genauigkeit und der hohen Dynamik des Dieselmotors ist eine hohe Rechenleistung notwendig. Mit den Ausgangssignalen werden Endstufen angesteuert, die gengend Leistung fr die Stellglieder liefern (z. B. Hochdruck-Magnet ventile fr die Einspritzung, Ab-gasrckfhrsteller und Ladedrucksteller). Auerdem werden weitere Komponenten mit Hilfsfunktionen angesteuert (z. B. Glhrelais und Klimaanlage).

Diagnosefunktionen der Endstufen fr die Magnetventile erkennen auch fehlerhafte Signalverlufe. Zustzlich findet ber die Schnittstellen ein Signalaustausch mit an-deren Fahrzeugsystemen statt. Im Rahmen eines Sicherheitskonzepts berwacht das Motorsteuergert auch das gesamte Ein-spritzsystem.

3 Prinzipieller Ablauf der Elektronischen Dieselregelung

EDC-Steuergert

Anforderungen des Fahrers

Fahrerwunsch,

Tempomat,

Motorbremse ...

Datenaustausch mit anderen Systemen

Antriebsschlupfregelung,

Getriebesteuerung,

Klimasteuerung ...

System zurFllungssteuerung

Aufladung,

Abgasrckfhrung.

Stellglieder (Aktoren)

elektropneumat. Wandler,

Dauerbremsanlage,

Lfter,

Glhzeitsteuerung ...

Luft

Kraftstoff

Motor

Sensoren undSollwertgeber

Fahrpedalsensor,

Drehzahlsensor,

Schalter ...

Regelung und Ansteuerung derbrigen Stellglieder

CAN

Ansteuerung derEinspritzkomponente

Reiheneinspritzpumpen,

Verteilereinspritzpumpen,

Unit Injector / Unit Pump,

Common Rail Hochdruck-pumpe und Injektoren,

Dsenhalter und Dsen.

Luft-RegelkreisDaten- und Signalfluss

Einspritzkomponenten

Kraftstoff-Regelkreis 1 (Einspritzkomponente)Kraftstoff-Regelkreis 2 (Motor)Umweg ber den Fahrer

Regelung derEinspritzung

SM

K17

93-1

D



Regelung der EinspritzungTabelle 1 gibt eine bersicht ber die EDC-Funktionen, die bei den verschiedenen Einspritzsystemen realisiert sind. Bild 4 zeigt den Ablauf der Einspritzberechnung mit allen Funktionen. Einige Funktionen sind Sonderausstattungen. Sie knnen bei Nachrstungen auch nachtrglich vom Kundendienst im Steuergert aktiviert werden.

Damit der Motor in jedem Betriebszustand mit optimaler Verbrennung arbeitet, wird die jeweils passende Einspritzmenge im Steuergert berechnet. Dabei mssen verschiedene Gren bercksichtigt werden. Bei einigen magnetventilgesteu-erten Verteilereinspritzpumpen erfolgt die Ansteu erung der Magnetventile fr Einspritzmenge und Spritzbeginn ber ein separates Pumpensteuergert PSG.

1 Funktionsbersicht der EDC-Varianten fr Kraftfahrzeuge

Einspritzsystem Reihenein-spritzpumpen PE

Kanten- gesteuerte Verteilerein-spritzpumpen VE-EDC

Magnetventil- gesteuerte Verteilerein- spritzpumpen VE-M, VR-M

Unit Injector System und Unit Pump System UIS, UPS

Common Rail System CR

Funktion

Begrenzungsmenge J J J J J

Externer Momenteneingriff J 3) J J J J

Fahrgeschwindigkeits- begrenzung

J 3) J

J

J

J

Fahrgeschwindigkeits-

regelung

J

J

J

J

J

Hhenkorrektur J J J J J

Ladedruckregelung J J J J J

Leerlaufregelung J J J J J

Zwischendrehzahlregelung J 3) J J J J

Aktive Ruckeldmpfung J 2) J J J J

BIP-Regelung J J

Einlasskanalabschaltung J J 2) J

Elektronische Wegfahrsperre J 2) J J J J

Gesteuerte Voreinspritzung J J 2) J

Glhzeitsteuerung J 2) J J J 2) J

Klimaabschaltung J 2) J J J J

Khlmittelzusatzheizung J 2) J J J 2) J

Laufruheregelung J 2) J J J J

Mengenausgleichsregelung J 2) J J J

Lfteransteuerung J J J J

Regelung der Abgas-

rckfhrung

J 2) J

J

J

J

Spritzbeginnregelung

mit Sensor

J 1) 3) J

J

J

J

Zylinderabschaltung J 3) J 3) J 3)

Inkrementwinkel- Lernen

J

J

Inkrementwinkel- Verschleifen

J 2)

Tabelle 11) Nur Hubschieber-

Reiheneinspritz-

pumpen2) nur Pkw3) nur Nkw

4 Berechnung der Einspritzung im Steuergert

Fahrpedalsensor(Vorgabe des Fahrers)

Anforderungen

Berechnungen

Ansteuerungen

Fahrgeschwindigkeitsregler,Fahrgeschwindigkeits-

begrenzer

Vorgabe von anderen Systemen

(z. B. ABS, ASR, ESP)

CAN

Start

Schalter

Fahrbetrieb

Startmenge

Mengenzumessung(Pumpenkennfeld)

AnsteuerungSpritzversteller

Ansteuerung derMagnetventile

Signal an Pumpensteuergert

Regelung Spritzbeginnbzw. Frderbeginn

Auswahl der gewnschtenEinspritzmenge

Externer Momenteneingriff

Begrenzungsmenge

+/-

+

+

Leerlaufregler (LLR) bzw. Mengenausgleichs-

regler (MAR)

Aktiver RuckeldmpferLaufruheregler

UM

K17

55-1

D


5

Beispiel des Drehmoment- und Leistungs- verlaufs zweier Pkw-Dieselmotoren mit ca. 2,2 l Hubraum ber der Drehzahl

Leis

tung

0

25

50

75

kW

Dre

hmom

ent

00

Motordrehzahl1000 2000 3000 4000

100

200

300

Nm

a

b

a

b

min-1

UM

M05

56-1

D


Momentengefhrte EDC-SystemeDie Motorsteuerung wird immer enger in die Fahrzeuggesamtsysteme eingebun-den. Fahrdynamiksysteme (z. B. ASR), Komfortsysteme (z. B. Tempomat) und die Getriebesteuerung beeinflussen ber den CAN-Bus die Elektronische Diesel regelung EDC. Andererseits werden viele der in der Motorsteuerung erfassten oder berech-neten Informationen ber den CAN-Bus an andere Steuergerte weitergegeben.

Um die Elektronische Dieselregelung knftig noch wirkungsvoller in einen funktionalen Verbund mit anderen Steu-ergerten einzugliedern und weitere Verbesserungen schnell und effektiv zu realisieren, wurden die Steuerungen der neuesten Generation einschneidend ber-arbeitet. Diese momentengefhrte Diesel-motorsteuerung wird erstmals ab EDC16 eingesetzt. Hauptmerkmal ist die Umstel-lung der Modulschnittstellen auf Gren, wie sie im Fahrzeug auch entsprechend auftreten.

Kenngren eines MotorsDie Auenwirkung eines Motors kann im Wesentlichen durch drei Kenngren be-schrieben werden: Leistung P, Drehzahl n und Drehmoment M.

Bild 5 zeigt den typischen Verlauf von Drehmoment und Leistung ber der Motor drehzahl zweier Dieselmotoren im Vergleich. Grundstzlich gilt der physika-lische Zusammenhang:

P = 2 n M

Es gengt also, z. B. das Dreh moment als Fhrungsgre unter Beachtung der Dreh-zahl vorzugeben. Die Motorleistung ergibt sich dann aus der obigen Formel. Da die Leistung nicht unmittelbar gemessen wer-den kann, hat sich fr die Motor steuerung das Dreh moment als geeignete Fhrungs-gre herausgestellt.

MomentensteuerungDer Fahrer fordert beim Beschleunigen ber das Fahrpedal (Sensor) direkt ein einzu stellendes Drehmoment. Unab-hngig davon fordern andere externe Fahrzeugsysteme ber die Schnittstellen ein Drehmoment an, das sich aus dem Leistungsbedarf der Komponenten er-gibt (z. B. Klima anlage, Generator). Die Motorsteuerung errechnet daraus das resultierende Motormoment und steuert die Stellglieder des Einspritz- und Luft-systems entsprechend an. Daraus ergeben sich folgende Vorteile:

Kein System hat direkten Einfluss auf die Motorsteuerung (Ladedruck, Ein-spritzung, Vorglhen). Die Motorsteue-rung kann so zu den ueren Anforde-rungen auch noch bergeordnete Opti-mierungskriterien bercksichtigen (z. B. Abgas emissionen, Kraftstoffverbrauch) und den Motor dann bestmglich an-steuern.

Viele Funktionen, die nicht unmittelbar die Steuerung des Motors betreffen, knnen fr Diesel- und Ottomotor-steuerungen einheitlich ablaufen.

Erweiterungen des Systems knnen schnell umgesetzt werden.

Bild 5

a Baujahr 1968

b Baujahr 1998


Ablauf der MotorsteuerungDie Sollwertvorgaben werden im Motor-steuergert weiterverarbeitet. Zum Er-fllen ihrer Aufgaben bentigen alle Steuerungsfunk tionen der Motorsteuerung eine Flle von Sensorsignalen und Infor-mationen von anderen Steuergerten im Fahrzeug.

VortriebsmomentDie Fahrervorgabe (d. h. das Signal des Fahrpedalsensors) wird von der Motor-steuerung als Anforderung fr ein Vor-triebsmoment interpretiert. Genauso werden die Anforderungen der Fahrge-schwindigkeitsregelung und -begrenzung bercksichtigt.

Nach dieser Auswahl des Soll-Vortriebs-moments erfolgt gegebenenfalls bei Blo-ckiergefahr eine Erhhung bzw. bei durch-drehenden Rdern eine Reduzierung des Sollwerts durch das Fahrdynamiksystem (ASR, ESP).

Weitere externe MomentanforderungenDie Drehmomentanpassung des An-triebsstrangs muss bercksichtigt werden (Triebstrangbersetzung). Sie wird im Wesent lichen durch die bersetzungs-verhltnisse im jeweiligen Gang sowie durch den Wirkungsgrad des Wandlers bei Automatik getrieben bestimmt. Bei Au-tomatikfahrzeugen gibt die Getriebesteu-erung die Dreh momentanforderung wh-rend des Schaltvorgangs vor, um mit redu-ziertem Moment ein mglichst ruckfreies, komfortables und das Getriebe schonendes Schalten zu ermglichen. Auerdem wird ermittelt, welchen Drehmomentbedarf weitere vom Motor angetriebene Nebenag-gregate (z. B. Klimakompressor, Generator, Servopumpe) haben. Dieser Drehmoment-bedarf wird aus der bentigten Leistung und Drehzahl entweder von diesen Aggre-gaten selbst oder von der Motorsteuerung ermittelt.

Die Motorsteuerung addiert die Momen-tenanforderungen auf. Damit ndert sich das Fahrverhalten des Fahrzeugs trotz

wechselnder Anforderungen der Aggre-gate und Betriebszustnde des Motors nicht.

Innere MomentanforderungenIn diesem Schritt greifen der Leerlauf-regler und der aktive Ruckeldmpfer ein.

Um z. B. eine unzulssige Rauchbil-dung durch zu hohe Einspritzmengen oder eine mechanische Beschdigung des Motors zu verhindern, setzt das Begren-zungsmoment, wenn ntig, den internen Drehmoment bedarf herab. Im Vergleich zu den bisherigen Motorsteuerungs systemen erfolgen die Begrenzungen nicht mehr ausschlielich im Kraftstoff-Mengen-bereich, sondern je nach gewnschtem Effekt direkt in der jeweils betroffenen physikalischen Gre.

Die Verluste des Motors werden eben-falls bercksichtigt (z. B. Reibung, Antrieb der Hochdruckpumpe). Das Drehmoment stellt die messbare Auenwirkung des Motors dar. Die Steuerung kann diese Auenwirkung aber nur durch eine geeig-nete Einspritzung von Kraftstoff in Verbin-dung mit dem richtigen Einspritzzeitpunkt sowie den notwendigen Randbedingungen des Luftsystems erzeugen (z. B. Ladedruck, Abgasrckfhrrate). Die notwendige Einspritzmenge wird ber den aktuellen Verbrennungswirkungsgrad bestimmt. Die errechnete Kraftstoffmenge wird durch eine Schutzfunktion (z. B. gegen ber-hitzung) begrenzt und gegebenenfalls durch die Laufruheregelung ver ndert. Whrend des Startvorgangs wird die Ein-spritzmenge nicht durch externe Vorgaben (wie z. B. den Fahrer) bestimmt, sondern in der separaten Steuerungsfunktion Start-menge berechnet.

Ansteuerung der AktorenAus dem resultierenden Sollwert fr die Einspritzmenge werden die Ansteuer-daten fr die Einspritzpumpen bzw. die Einspritzventile ermittelt sowie der best-mgliche Betriebspunkt des Luftsystems bestimmt.

1 Glhlampe

UK

B02

84-1

Y

1

2

3

4

2 Halogenlampe H4 (Ausschnitt aus Bild 3)

UK

B03

73-1

Y

1

24

5

3

32 | Elektrische und elektronische Systeme im Kfz | Lichttechnik

Lichttechnik

Lichtquellen fr KfzDie wichtigsten Lichtquellen fr die Be-leuchtungssysteme an Fahrzeugfront und Fahrzeugheck sind Halogenlampen, Glh-lampen, Gasentladungslampen und LED.

TemperaturstrahlerTemperaturstrahler erzeugen das Licht durch Wrmeenergie. Nachteil der Tem-peraturstrahler ist vor allem der niedrige Wirkungsgrad (unter 10 %) und die damit gegenber Gasentladungslampen relativ geringe Lichtausbeute.

Glhlampe (Vakuumlampe)Zu den Temperaturstrahlern gehrt die Glhlampe (Bild 1), deren Wolfram-Glh-wendel (2) von einem Glaskolben (1) um-schlossen ist. Im Inneren des Glaskolbens herrscht Vakuum, daher wird die Glh-lampe auch als Vakuumlampe bezeichnet.

Die Lichtausbeute einer Glhlampe ist mit 1018 lm/W (Lumen / Watt) vergleichs-weise gering. Whrend des Betriebs der Glhlampe verdampfen Wolframpartikel der Glhwendel. Der Lampenkolben schwrzt sich dadurch mit zunehmender Gebrauchsdauer. Das Verdampfen der

Parti kel fhrt letztendlich zum Bruch der Glhwendel und somit zum Ausfall der Lampe. Deshalb wurden die Glhlampen als Lichtquellen fr Frontscheinwerfer durch Halogenlampen abgelst. Fr Leuch-ten und als Lichtquellen im Fahrzeuginnen-raum werden jedoch aus Kostengrnden weiterhin Glhlampen eingesetzt. Auch die Beleuchtung passiver Anzeigeelemente (z. B. Geblse-, Heizungs- und Klimaregler, LCD-Displays) erfolgt in der Regel mit Glh-lampen, deren Lichtfarbe je nach Anwen-dung und Design mit Farbfiltern gendert wird.

HalogenlampeHalogenlampen gibt es in zwei Ausfh-rungen: mit einer oder mit zwei Glhwen-deln aus Wolfram. Die Halogenlampen H1, H3, H7, HB3 und HB4 (s. Tabelle am Kapitelende) haben nur eine Glhwendel. Sie werden als Lichtquellen fr Abblend-, Fern- und Nebellicht eingesetzt.

Der Lampenkolben besteht aus Quarz-glas. Das Quarzglas dient zur Filterung des geringen UV-Lichtanteils, den Halo-genlampen abstrahlen. Der Kolben einer Halogenlampe besitzt im Unterschied zur Glhlampe eine Halogenfllung (Jod oder Brom). Dadurch lsst sich die Glhwen-del bis nahe an den Schmelzpunkt des Wolframs (ca. 3400 C) aufheizen und eine

Bild 1

1 Lampenkolben

2 Glhwendel

3 Lampensockel

4 elektrischer

Anschluss

Bild 2

1 Wolfram-

Glh wendel

2 Halogenfllung

(Jod oder Brom)

3 verdampftes

Wolfram

4 Wolframhalogenid

5 Wolframablagerung

3 Halogenlampe H4

UK

B02

82-1

Y

1

2

3

4

5

Elektrische und elektronische Systeme im Kfz | Lichttechnik | 33

entsprechend hohe Lichtleistung erzielen. Verdampfte Wolframpartikel verbinden sich in der Nhe der heien Kolbenwand mit dem Fllgas zu einem lichtdurchls-sigen Gas (Wolframhalogenid). Dieses ist im Temperaturbereich von ca. 200...1400 C stabil. Gelangt es wieder in die Nhe der Wendel, zersetzt es sich infolge der ho-hen Wendeltemperatur und bildet dort eine gleichmige Wolframablagerung. Dieser Kreisprozess (Bild 2) begrenzt den Verschlei der Glhwendel. Um den Kreis-prozess aufrechtzuerhalten, ist eine Auen-temperatur des Lampenkolbens von ca. 300 C erforderlich. Der Kolben umschliet da-her die Wendel eng. Er bleibt whrend der gesamten Lebensdauer der Lampe klar.

Der Glhwendelverschlei wird auch durch den hohen Druck begrenzt, der im Glaskolben herrscht und die Verdamp-fungsrate des Wolframs begrenzt.

Die Halogenlampe H4 erzeugt die Licht-strahlung nach dem gleichen Prinzip, ver-

fgt jedoch ber zwei Glhwendeln (Bild 3, Pos. 2 und 3). Fr Abblend- und Fernlicht wird dadurch nur eine Lampe je Schein-werfer bentigt.

Der untere Teil der Abblendlichtwen-del wird mit einer im Scheinwerfer inte-grierten Strahlenblende abgedeckt. Damit wird nur Licht in den oberen Reflektorteil abgegeben (Bild 8) und so die Blendung anderer Verkehrsteilnehmer vermieden.

Beim Umschalten von Abblendlicht auf Fernlicht wird die zweite Glhwendel ak-tiviert. Halogenlampen mit 60/55 W1) Lei-stung strahlen etwa doppelt so viel Licht ab wie Glhlampen mit 45/40 W. Die hohe Lichtausbeute von ungefhr 22...26 lm/W ist primr eine Folge der hohen Wendel-temperatur.

GasentladungslampenGasentladung beschreibt die elektrische Entladung beim Durchgang eines elektri-schen Stroms durch ein Gas, wobei Strah-lung emittiert wird (Beispiele: Natrium-dampflampen fr Straenbeleuchtung, Leuchtstofflampen fr Innenraumbeleuch-tung).

Der Entladungsraum der Gasentla-dungslampe (Bild 4, Pos. 3) ist mit dem Edelgas Xenon und einer Mischung aus Metallhalogeniden gefllt. Zwischen zwei in den Brenner ragende Elektroden (4) wird die elektrische Spannung angelegt. Fr den Einschaltvorgang und den Betrieb ist ein elektronisches Vorschaltgert erfor-derlich. Beim Anlegen der Zndspannung von 10...20 kV wird das Gas zwischen den Elektroden leitend (ionisiert) und damit ein Lichtbogen gezndet. Mit dem ange-legten Wechselstrom (400 Hz) verdampft die metallische Fllsubstanz aufgrund des Temperaturanstiegs im Brenner und strahlt dabei Licht ab.

Die Lampe erreicht ihre volle Helligkeit normalerweise erst nach mehreren Sekun-den, wenn alle Teilchen ionisiert sind. Um diesen Vorgang zu beschleunigen, fliet bis dahin ein erhhter Anlaufstrom.

Bild 3

1 Lampenkolben

2 Glhwendel fr

Abblendlicht mit

Abdeckkappe

3 Glhwendel fr

Fernlicht

4 Lampensockel

5 elektrischer

Anschluss

1) Fernlicht / Abblendlicht

4 Gasentladungslampe D2S

UK

B03

74-2

Y

1

2

34

5

6

5 Gasentladungslampe D2R

UK

B03

12-1

Y

1 2

3 4


Sobald die volle Lichtleistung erreicht ist, wird der Lampenstrom begrenzt. Es ge-ngt eine Betriebsspannung von 85 V, um den Lichtbogen zu erhalten.

Lichtquellen mit Gasentladung gewin-nen fr Kraftfahrzeuge in Verbindung mit dem elektronischen Beleuchtungssystem Litronic zunehmend an Bedeutung. Im Vergleich zu Glhlampen hat die se Tech-nik entscheidende Vorteile:

grere Reichweite des Scheinwerfer-lichts,

hellere und gleichmigere Fahrbahn-ausleuchtung,

hhere Lebensdauer, da kein mecha-nischer Verschlei auftritt,

hohe Lichtausbeute (ca. 85 lm/W) auf-grund des Emissionsspektrums, das vor-wiegend im sichtbaren Spektralbereich liegt,

verbesserter Wirkungsgrad durch gerin-gere thermische Verluste,

kompakte Scheinwerferbauformen fr flache Fahrzeugfronten.

Die Kfz-Gasentladungslampen der D2-/D4-Serien sind mit hochspannungsfestem Sockel und UV-Schutzglaskolben ausge-fhrt. Bei den Modellen der D1-/D3-Serien ist zustzlich die fr das Znden erforder-liche Hochspannungselektronik im Lam-pensockel integriert. Alle Serien gliedern sich in jeweils zwei Untergruppen:

Standardlampe (S-Lampe) fr Projekti-onsscheinwerfer (Bild 4) und

Reflexionslampe (R-Lampe) fr Refle-xionsscheinwerfer (Bild 5). Sie besitzen einen integrierten Schatter (3) zur Erzeugung der Hell-Dunkel-Grenze, vergleichbar mit dem Schatter der H4-Lampe.

Bisher wurden Gasentladungslampen der Typbezeichnung D1x und D2x verwendet. Ab 2007 werden auch die D3-/D4-Serien in der Serienausrstung eingesetzt. Diese besitzen eine niedrigere Betriebsspan-nung, eine andere Zusammensetzung des Fllgases und genderte Geometrien des Lichtbogens.

Bild 4

Gasentladungslampe

fr Projektionsschein-

werfer

1 UV-Schutzglas-

kolben

2 elektrische Durch-

fhrung

3 Entladungsraum

4 Elektroden

5 Lampensockel

6 elektrischer

Anschluss

Bild 5

Gasentladungslampe

fr Reflexionsschein-

werfer

1 Glaskolben

2 Entladungsraum

3 Schatter

4 Lampensockel


LeuchtdiodenDie Leuchtdiode (engl.: Light Emitting Diode, LED) ist ein aktives Leuchtele-ment. Durch Anlegen einer elektrischen Spannung fliet Strom durch den Chip. Die Elektronen der Atome des LED-Chips werden durch die Spannung in einen hheren Energiezustand versetzt. Unter Abgabe von Licht fallen sie wieder in ihren energetisch niedrigeren Ausgangszustand zurck.

Der 0,1...1 mm kleine Halbleiterkristall sitzt auf einem Reflektor, der das Licht punktgenau leitet.

Fr Leuchten am Fahrzeugheck, vor allem fr die zustzlichen, mittig am Fahr-zeugheck angeordneten Bremsleuchten, werden hufig LED als Lichtquellen einge-setzt. Sie ermglichen eine schmale, line-are Leuchtenform.

LED haben gegenber Glhlampen den Vorteil, dass sie in weniger als einer Mil-lisekunde die volle Lichtleistung abge-ben. Eine Glhlampe bentigt dafr etwa 200 ms. LED geben daher z. B. das Brems-signal frher ab und verkrzen somit die Reaktionszeit des Hinterherfahrenden auf das Bremssignal (Bremspedalbettigung).

Im Kfz werden LED als Leuchtmittel oder Display eingesetzt, im Innenraum zur Beleuchtung, als Display oder Display-Hinterleuchtung. In der Lichtanlage finden sie Verwendung als hochgesetzte Brems-leuchten und Heckleuchten sowie zuknf-tig vermehrt als Tagfahrleuchten und in Frontscheinwerfern.

Lichttechnische Gren

LichtstrkeLichtquellen knnen unterschiedliche Helligkeit haben. Ein Vergleich ver-schiedener Lichtquellen ist mithilfe der Lichtstrke mglich. Sie ist die sichtbare Strahlung, die sich von einer Lichtquelle in eine bestimmte Richtung ausbreitet.

Die Einheit der Lichtstrke ist 1 Candela (cd) und entspricht ungefhr der Licht-strke einer Kerzenflamme. Die Helligkeit einer beleuchteten Flche ist von deren Reflexionsverhalten, von der Lichtstrke und vom Abstand der beleuchtenden Lichtquelle abhngig.

Beispiele fr zulssige WerteBremsleuchte (einzeln): 60...185 cdSchlussleuchte (einzeln): 4...12 cdNebelschlussleuchte (einzeln): 150...300 cdFernlicht (gesamt, maximal): 225 000 cd

LichtstromDer Lichtstrom ist die Emission einer Lichtquelle im Wellenlngenbereich des sichtbaren Lichts. Er wird im Lumen (lm) angegeben.

BeleuchtungsstrkeDie Beleuchtungsstrke ist der auf eine bestimmte Flche auftreffende Licht-strom. Sie wchst proportional mit der Lichtstrke und nimmt mit dem Quadrat der Entfernung ab.

Die Beleuchtungsstrke wird in Lux (lx) angegeben:1 lx = 1 lm/m2

ReichweiteDie Reichweite ist die Entfernung, in der die Beleuchtungsstrke im Lichtbndel einen bestimmten Wert hat (z. B. 1 lx). Die geometrische Reichweite ist die Ent-fernung, in der sich der waagerechte Teil der Hell-Dunkel-Grenze bei abgeblen-deten Scheinwerfern auf der Fahrbahn abbildet.

7 Fernlicht (Strahlengang)

UK

B02

94-1

Y

1

2

3

8 Abblendlicht (Strahlengang)

1

2

3

UK

B02

95-1

Y


Hauptscheinwerfer (Europa)AufgabeDie Hauptscheinwerfer eines Kraftfahr-zeugs mssen einerseits maximale Sicht-weiten bei minimaler Blendwirkung fr den Gegenverkehr gewhrleisten und an-dererseits mit ihrer Lichtverteilung auch im Nahbereich den Anforderungen des Straenverkehrs gengen. Kurven ms-sen sicher durchfahren werden knnen, d. h. die Lichtverteilung muss seitlich bis ber die Fahrbahnrnder hinaus reichen. Eine gleichmige Fahrbahnleuchtdichte ist nicht ganz zu verwirklichen; grere Leuchtdichtekontraste werden aber weit-gehend vermieden.

FernlichtDas Fernlicht wird blicherweise durch eine Lichtquelle erzeugt, die im Brenn-punkt des Reflektors angeordnet ist. Da-durch wird das Licht so reflektiert, dass es in Richtung der Reflektorachse austritt (Bild 7). Die maximal mit dem Fernlicht zu erreichenden Lichtstrken hngen im We-sentlichen von der leuchtenden Fl che des Reflektors ab.

Neben den rein parabelfrmigen Fern-lichtreflektoren werden vor allem bei Vier- und Sechs-Scheinwerfersystemen auch komplexe Reflektorgeometrien berechnet,

die eine gleichzeitige Benutzung von Fern- und Abblendlicht erlauben.

Die reine Fernlichtverteilung ist bei die-sen Systemen so ausgelegt, dass sie zusam-men mit der reinen Abblendlichtverteilung zu einer harmonischen Fernlichtvertei-lung (Simultanschaltung) fhrt. Der sonst bliche strende berlappungsbereich im vorderen Feld der Lichtverteilung entfllt in diesem Fall.

AbblendlichtBei den heutigen Verkehrsdichten kann das Fernlicht nur noch in Ausnahmefl-len verwendet werden. Das Abblendlicht ist deshalb das eigentliche Fahrlicht. Es konnte in den letzten Jahren durch grund-stzliche Manahmen erheblich verbes-sert werden:

Einfhrung des asymmetrischen Ab -blendlichtes mit greren Sichtweiten am rechten Fahrbahnrand.

Einfhrung neuer Scheinwerfersysteme mit komplexer Geometrie (PES1), Frei-formflchen2), facettierte Reflektoren3)) mit bis zu 50 % verbessertem Wirkungs-grad.

Eine Leuchtweitenregelung verstellt den Scheinwerfer, um bei hecklastigen Fahr-zeugen die Blendung des Gegenverkehrs zu verhindern. Die Fahrzeuge mssen

1) Das mit PES (Poly-

Ellipsoid-System) be-

zeichnete Scheinwerfer-

system arbeitet mit ei-

ner Abbildungsoptik. Im

Gegensatz zu herkmm-

lichen Scheinwerfern

wird die vom Reflektor

erzeugte Lichtverteilung

zusammen mit einer

Blende zur Bildung der

Hell-Dunkel-Grenze von

der Linse auf den Stra-

enraum abgebildet.

2) Reflektoren mit klei-

ner Brennweite, deren

Form mit speziellen Pro-

grammen (CAL: Com-

puter Aided Lighting)

berechnet wird. Im Bau-

raum eines herkmm-

lichen parabolischen Re-

flektors knnen so drei

getrennte Reflektoren

fr Abblendlicht, Fern-

licht und Nebellicht un-

tergebracht und gleich-

zeitig die Lichtausbeute

erhht werden.

3) Bei facettierten Re-

flektoren wird die Fl-

che in Segmente auf-

geteilt, die einzeln opti-

miert werden. Dadurch

ergeben sich Reflektor-

flchen mit hchster

Homogenitt und Sei-

tenausleuchtung.

Bild 7

1 Wendel fr Ab-

blendlicht

2 Abdeckkappe

3 Wendel fr Fern-

licht im Brennpunkt

Bild 8

1 Wendel fr Ab-

blendlicht

2 Abdeckkappe

3 Wendel fr Fern-

licht

9 Scheinwerfersysteme

Fern-/Abblendlichta

Fern-/AbblendlichtoderAbblendlicht

Abblendlicht

b

c

Fernlicht

Fernlichtoder Zusatzfernlicht

Nebellicht UK

B02

99-1

D


zustzlich mit Scheinwerfer-Reinigungs-anlagen ausgerstet sein.

Das Scheinwerfersystem Litronic mit Gasentladungslampen erhht die erzeugte Lichtmenge auf mehr als das Doppelte im Vergleich zu Halogenlam-pen in herkmmlichen Systemen.

WirkungsweiseScheinwerfer fr Abblendlicht bentigen eine Hell-Dunkel-Grenze in der Lichtver-teilung. Diese wird bei Halogenschein-werfern mit H4-Lampen und Litronic-scheinwerfern mit D2R-Lampe durch die Abbildung der Kappe (H4) bzw. der Schat-ter (D2R) erzeugt. Bei Scheinwerfern mit Rundumnutzung (H1-, H7-, H11-Lampe) wird die Hell-Dunkel-Grenze durch die ge-zielte Abbildung der Glhwendel gebildet.

ScheinwerfersystemeBeim Zwei-Scheinwerfer-System wird ein gemeinsamer Reflektor fr Fernlicht und Abblendlicht, z. B. in Kombination mit der H4-Lampe mit zwei Lichtquellen (Bild 9 a),

bosch autoelektrik und autoelektronik ||

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