BOSCH

Ottomotor­Management

AUFLAGE

II VJeweg

BOSCH Ottomotor­Management

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

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

Redaktion: Dipl.-lng. (FH) Anion Beer, lng.(grad.) Arne Cypra, Dipl.-lng. Kari-Heinz Dietsche, Dipl.-lng. (BA) Jürgen Crepin, Folkhart Dinkler.

Gestaltung: Dipl.-lng. (FH) Ulrich Adler, Berthold Gauder, Leinfelden-Echterdingen.

Technische Grafik: Bauer & Partner, Stuttgart.

Alle Rechte vorbehalten.

Nachdruck, Vervielfältigung und Übersetzung, auch auszugsweise, nur mit unserer vorherigen schrift­lichen Zustimmung und mit Quellenangabe gestat­tet. Abbildungen, Beschreibungen, Schemazeich­nungen und andere Angaben dienen nur der Er­läuterung und Darstellung des Textes. Sie können nicht als Grundlage für Konstruktion, Einbau und Lieferumfang verwendet werden. Wir übernehmen keine Haftung für die Übereinstimmung des Inhalts mit den jeweils geltenden gesetzlichen Vorschriften. Änderungen vorbehalten.

1. Auflage, Friedr. Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft mbH, Braunschweig/Wiesbaden, 1998.

Gedruckt auf chlorfreiem Papier.

(1.0 N)

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

Abgasnachbehandlung,Abgas-und Verdunstungsprüfung Dipl.-lng. (FH) D. Günther, Dr.-lng. G. König, Dipl.-lng. E. Schnaibel, Dipl.-lng. D. Dambach, Dipl.-lng. (FH) W. Dieter.

Gemischbildung, Luft- und Kraftstoff­versorgung, Einspritzsysteme Dipl. lng. (FH) U. Steinbrenner, Dipl. lng. G. Feiger, lng. (grad.) L. Seebald, Dr. rer. nat. W. Huber, Dr.-lng. W. Richter, Dipl.-lng. M. Lembke, Dipl.-lng. H. G. Gerngroß, Dipl.-lng. A. Kratt. Dr.-lng. 0. Parr, Filterwerk Mann und Hummel, Ludwigsburg; Dipl.-lng. A. Förster, Aktiengesell­schaft Kühnle, Kopp und Kausch, Frankental; Dr.-lng. H. Hiereth, Mercedes-Benz AG, Stuttgart.

Zündung, Zündkerzen Dipl.-lng. H. Decker, Dr. rer. nat. A. NiegeL

Motormanagement M-Motronic Dipl.-lng. (FH) U. Steinbrenner, Dipl.-lng. E.Wild, Dipl.-lng. (FH) H. Barho, Dr.-lng. K. Böttcher, Dipl.-lng. (FH) I( Gandert, Dipl.-lng. W. Gollin, Dipl.-lng. W. Häming, Dipl.-lng. (FH) K. Joos, Dipl.-lng. (FH) M. Mezger, lng. (grad.) B. Peter.

Motormanagement ME-Motronic Dipl.-lng. J. Gerhardt.

Motormanagement MED-Motronic mit Benzin-Direkteinspritzung (Ausblick) Dipl.-lng. W. Moser.

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

ISBN 978-3-322-93841-1 ISBN 978-3-322-93840-4 (eBook) DOI 10.1007/978-3-322-93840-4

Die Deutsche Bibliothek- CIP-Einheitsaufnahme

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

Vorwort

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

verbrauches, - eine Minimierung der Schadstoff­

emissionen, - eine Erhöhung des Fahrkomforts, - eine Verbesserung der "Laufkultur"

und - eine Optimierung der störungsfreien

Nutzungsdauer aller Motoranbauteile.

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

Die Redaktion

Inhalt

Verbrennung im Ottomotor 4 Ottomotor, Motorkonzeption, Betriebsbedingungen, Ottokraftstoffe Systementwicklung 16 Einspritz- und Zündsysteme Motormanagement Motronic Abgastechnik 18 Abgaszusammensetzung und -nachbehandlung, Abgas- und Verdunstungsprüfung, Grenzwerte Steuerung des Ottomotors 40 Anforderungen, Zylinderfüllung, Gemischbildung, Luftversorgung, Kraftstoffversorgung, Zündung, Induktives Zündsystem Benzineinspritzsysteme 60 Übersicht, K-Jetronic, KE-Jetronic, L-Jetronic, Mono-Jetronic, Mono­Metronie Zündsysteme 184 Zündung im Ottomotor, Konventionelle Spulenzündung, Kontaktgesteuerte Transistorzündung, Transistorzündung mit Hall-Geber und mit lnduktionsgeber, Elektronische Zündung, Vollelektronische Zündung, Klopfregelung, Verbindungsmittel, Werkstattprüftechnik Zündkerzen 222 Ottomotor und Fremdzündung, Beanspruchung, Aufbau, Wärmewerte, Anpassung, Betriebsverhalten, Bauformen, Praxis Motormanagement M·Motronic 254 Gesamtsystem, Kraftstoffsystem, Hochspannungskreis, Betriebs­datenerfassung und -Verarbeitung, Betriebszustand, Integrierte Diagnose, Steuergerät, Schnittstellen Motormanagement ME-Motronic 306 Gesamtsystem, Kraftstoffsystem, Betriebsdatenerfassung und -Verarbeitung, Betriebszustand, Regelungs- und Steuerungssysteme, Diagnose, Steuergerät, Schnittstellen Motormanagement MED-Motronic 360 Überblick, Gesamtsystem Stichwortverzeichnis 366

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Verbrennung im

Ottomotor

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Verbrennung im Ottomotor

Ottomotor

Wirkungsweise

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

Bild 1

Prinzip des Hubkolbenmotors.

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

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

Viertaktverfahren

Beim Viertaktverfahren steuern Gas­wechselventile den GaswechseL Sie öffnen und schließen die Ein- und Aus­laßkanäledes Zylinders :

1.Takt: Ansaugen, 2.Takt: Verdichten und Zünden, 3.Takt: Verbrennen und Arbeiten, 4.Takt: Ausstoßen.

Ansaugtakt Einlaßventil : offen, Auslaßventil : geschlossen, Kolbenbewegung : abwärts, Verbrennung : keine.

Der abwärtsgehende Kolben vergrößert das Volumen im Zylinder und saugt frisches Luft-Kraftstoffgemisch über das geöffnete Einlaßventil an .

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

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

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

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

Bild2

Arbeitsspiel des Viertakt-Ottomotors.

1. Takt: Ansaugen 2. Takt: Verdichten

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

Ausstoßtakt Einlaßventil: geschlossen, Auslaßventil: offen, Kolbenbewegung : aufwärts, Verbrennung: keine.

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

3. Takt: Verbrennen 4. Takt: Ausstoßen

Ottomotor

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Verbrennung im

Ottomotor

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Motorkonzeption

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

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

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

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

Die Lage der Zündkerze im Brennraum ist für Schadstoffemission und Kraftstoff­verbrauch wichtig. Eine zentrale Lage mit kurzen Flammenwegen führt zu rascher und relativ vollständiger Umsetzung

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

Einfluß der Zündkerzenlage auf Kraftstoffver­brauch und HG-Emission.

g/kWh

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" ~ 550 -e

CD 500 :§ Ci) 450 ~ ~ 400

g/kWh

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--- seitliche Kerzenlage -- zentrale Kerzenlage

....... ___ .,."..".

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Luftzahl;t

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Ventilsteuerzeiten

Der Ladungswechsel, das heißt der Aus­tausch von verbranntem Gas durch Frischgas im Zylinder, geschieht durch geeignetes Öffnen und Schließen der Einlaß- und Auslaßventile. Die Steuer­zeiten, die die Zeitpunkte des Öffnens und Schließens von Einlaß- und Aus­laßventil festlegen, und die Kurve der Ventilerhebung, die durch die Nocken­form bestimmt wird, beeinflussen den La­dungswechselvorgang. Die in den Zylin­der einströmende Frischgasmenge be­stimmt Drehmoment und Leistung des Motors. Der Restgasanteil, das heißt die Menge an verbranntem Gemisch, die im Zylinder verbleibt und nicht während der Öffnungszeit des Auslaßventils ausge­schoben wird, beeinflußt die Entflam­mung und die Verbrennung. Er ist für den Wirkungsgrad und fürdie Emission unver­brannter Kohlenwasserstoffe und Stick­oxide wichtig. Während der Phase der Ventilüberschneidung, wenn also Einlaß­Bild 2

Verringerung von Kraftstoffverbrauch und HG­Emission durch Vierventii-Technik.

g/kWh

.<f 600 -5 ~ 550 -e ~ 500

Ci) 450 ~ ~ 400

g/kWh

g/h

50

5 40 ·u; (/) .E w ü I 20

-- 2-Ventii-Motor --- 4-Ventii-Motor

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Luftzahl;t

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Motor­konzeption

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Verbrennung im

Ottomotor

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und Auslaßventil gleichzeitig geöffnet sind, kann je nach den Druckverhält­nissen Frischgas mit ausgeschoben wer­den oder Abgas ins Saugrohr zurück­strömen (Bild 3). Wirkungsgrad und Emis­sion unverbrannter Kohlenwasserstoffe werden dadurch deutlich beeinflußt. Die Steuerzeiten können jeweils nur für eine bestimmte Drehzahl optimiert wer­den. Zum Beispiel bringt eine längere Öffnungsdauer des Einlaßventils bei hohen Drehzahlen eine höhere Leistung. Die damit verbundene größere Ventil­überschneidung kann aber bei niedrigen Drehzahlen im Leerlaufbereich eine er­höhte Emission unverbrannter Kohlen­wasserstoffe und einen unrunden Motor­lauf infolge des höheren Restgasanteils bringen. Eine drehzahl- und lastabhän­gige Steuerung der Ventile ist daher opti­mal. Dabei wird bei einem Motor mit zwei Nockenwellen die Einlaßnockenwelle verdreht. Dadurch läßt sich mit einer großen Ventilüberschneidung bei hohen Drehzahlen eine hohe Leistung bei gu­tem Motorlauf erzielen. Gleichzeitig er­gibt sich im unteren Drehzahl-Lastbe­reich infolge einer dort geringeren Ventil­überschneidung eine geringe Emission unverbrannter Kohlenwasserstoffe.

Saugrohrgestaltung Die Ladungswechselvorgänge werden nicht nur durch die Ventilsteuerzeiten, sondern auch durch die Saug- und Ab­gasleitung beeinflußt. Durch die Saug­hübe der Zylinder werden im Saugrohr periodische Druckschwankungen er­zeugt. Diese Druckwellen laufen durch das Saugrohr und werden an den Rohr­enden reflektiert. Eine auf die Ventil­steuerzeiten abgestimmte Saugrohrge­staltung bewirkt, daß kurz vor Einlaß­schluß ein Druckberg das Einlaßventil erreicht. Dieser Nachladeeffekt fördert eine größere Frischgasmenge in den Zy­linder (Bild 4). Ähnliches gilt für die Ab­gasleitung. Wird die Abstimmung von Saugrohr und Abgasleitung so gewählt, daß während der Ventilüberschneidung ein positives Druckgefälle vorliegt, erhält

man einen guten Ladungswechsel mit positiven Auswirkungen auf Schadstoff­emission, Leistung und Kraftstoffver­brauch. Bei Einspritzsystemen, die den Kraftstoff direkt vor die Einlaßventile spritzen, kann das Saugrohr besonders wirkungsvoll auf guten Ladungswechsel optimiert werden. Kraftstoffverbrauch und Abgas­emission sind günstig, denn bei der Saugrohrgestaltung muß nicht, wie zum Beispiel bei einem Vergaser, auf die Gemischverteilung Rücksicht genom­men werden. Bild3

Ventilsteuerdiagramm.

s Ventil hub, a Ventilspiel, h Ventilüberschneidung. AÖ Auslaßventil öffnet AS Auslaßventil schließt EÖ Einlaßventil öffnet ES Einlaßventil schließt

Auslaßventil Einlaßventil

t

120° 360° OT

480° 600° UT

Kurbelwinkel

Bild4

Nachladeeffekt durch Saugrohrgestaltung (Schwingsaugrohr).

vh Hubvolumen, VR Saugrohrvolumen {VR ~ Vh}. I Saugrohrlänge.

r Hub

1

Ein Saugrohr, das einen Einlaßdrall her­vorruft, wirkt ähnlich wie die Turbulenz im Brennraum. Die Ladungsbewegung er­möglicht dabei eine schnellere Umset­zung des Luft-Kraftstoff-Gemischs im Brennraum. Dies erhöht den Wirkungs­grad und verbessert die Abmagerungs­fähigkeit. Daher ist ein definierter Ein­laßdrall ein Mittel, Motorkonzepte mit ge­ringer Schadstoffemission zu realisieren.

Ladungsschichtung Ottomotoren sind meistens für ein homo­genes Luft-Kraftstoff-Gemisch ausge­legt. Durch eine gezielte Ladungsschich­tung kann der Verbrennungsablauf deut­lich beeinflußt werden. Schichtlademotoren sind so ausgelegt, daß sich in der Nähe der Zündkerze ein fettes Gemisch befindet, das sicher ent­flammt werden kann; die Hauptumset­zung verläuft aber mit magerem Ge­misch. Besonders günstig (jedoch mit relativ großem Aufwand) kann dies mit einem unterteilten Brennraum realisiert werden, bei dem eine kleine Vorkammer, in der die Zündkerze sitzt, durch ein zweites Gemischaufbereitungssystem mit fettem Gemisch versorgt wird. Ein solches Konzept hat den Vorteil, daß trotz magerem Gemisch im Brennraum eine sichere Entflammung gewährleistet ist. Damit lassen sich wesentlich niedri­gere Werte der NOx-Emission erreichen, da die Verbrennung nur bei sehr fettem und sehr magerem Gemisch abläuft. ln­folge der größeren Brennraumoberfläche haben jedoch Schichtlademotoren mit unterteiltem Brennraum eine deutlich höhere Emission unverbrannter Kohlen­wasserstoffe als Motoren mit offenem Brennraum. Eine Ladungsschichtung im Brennraum kann auch durch Direkt­einspritzung von Benzin in den Brenn­raum erreicht werden. Dabei wird ähnlich wie beim Dieselmotor in der Nähe der Zündkerze bei insgesamt magerer An­passung ein fettes Gemisch erzeugt. Diese Direkteinspritzung hat aber ent­scheidende Nachteile, zum Beispiel ge­ringe Leistungsausbeute, hohen Auf­wand usw.

Auch eine gezielte Ladungsbewegung und eine geeignete Drallbewegung beim Einströmen des Gemischs in den Brenn­raum können eine gewisse Ladungs­schichtung ermöglichen. Diese Schich­tung ist nicht sehr stark und nur schwer kontrollierbar; sie verändert sich deutlich in Abhängigkeit von den Betriebsbedin­gungen des Motors.

Sonstige Maßnahmen am Motor Durch Maßnahmen an der Peripherie des Motors, die den Leistungsbedarf und damit den Kraftstoffverbrauch senken, kann die Abgasemission ebenfalls be­einflußt werden. Dazu zählen die Ver­ringerung der Reibleistung der Kolben oder des Ventiltriebs und die Verringe­rung der Antriebsleistung der Nebenag­gregate wie Lüfter oder Generator. Eine Verbrauchsreduzierung bedeutet in die­sem Fall direkt eine proportionale Schad­stoffreduzierung, was sich bei fast allen Maßnahmen, die in die Thermodynamik des Motors eingreifen, gerade umge­kehrt verhält. Im praktischen Fahrbetrieb stammt ein hoher Anteil der Kohlenmonoxidemis­sion und der Emission unverbrannter Kohlenwasserstoffe aus der Warmlauf­phase, in der der Motor noch nicht seine Betriebstemperatur erreicht hat. Durch geeignete Auslegung des Kühlwasser­kreislaufs und des Schmiersystems kann die Dauer der Warmlaufphase wesent­lich verkürzt werden. Dies bringt neben der Verbrauchsverringerung eine über­proportionale Reduzierung der Emission von Kohlenmonoxid und unverbrannten Kohlenwasserstoffen.

Motor­konzeption

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Verbrennung im

Ottomotor

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Betriebs­bedingungen

Betriebsbereich des Motors

Drehzahl Eine höhere Drehzahl bedeutet größere Reibleistung im Motor selbst und höhere Leistungsaufnahme der Nebenaggre­gate. Bei gleicher zugeführter Energie sinkt daher die abgegebene Leistung, der Wirkungsgrad wird schlechter. Wird eine bestimmte Leistung bei höherer Drehzahl abgegeben, bedeutet das ei­nen höheren Kraftstoffverbrauch, als wenn dieselbe Leistung bei niedriger Drehzahl abgegeben wird. Damit ist natürlich ein höherer Schadstoffausstoß verbunden. Dieser Drehzahleinfluß ist für alle Schad­stoffkomponenten mehr oder weniger gleich ausgeprägt.

Motorlast Eine Änderung der Motorlast wirkt sich auf die einzelnen Komponenten unter­schiedlich aus. Mit steigender Last er­höht sich das Temperaturniveau im Brennraum. Die Dicke der Zone, in der die Flamme in der Nähe der Brennraumwand ge­löscht wird, nimmt daher mit steigender Last ab. Außerdem wird durch die mit steigender Last höhere Abgastempe­ratur eine Nachreaktion während der Expansionsphase und des Ausschie­bans verbessert. Dadurch wird die lei­stungsbezogene Emission unverbrann­ter Kohlenwasserstoffe mit steigender Motorlast reduziert. Ähnliches gilt für die CO-Emission, bei der ebenfalls die höheren Prozeß­temperaturen eine Nachreaktion zu C02

während der Expansionsphase begün­stigen. Bei der NOx-Emission liegen die Verhält­nisse umgekehrt. Die mit der Motorlast steigende Brennraumtemperatur begün­stigt die NOx-Bildung. Die NOx-Emission nimmt daher mit der Motorlast über­proportional zu.

Geschwindigkeit Eine steigende Fahrzeuggeschwindig­keit bringt infolge des steigenden Lei­stungsbedarfs auch einen steigenden Kraftstoffverbrauch mit sich. Die obengenannten Effekte kompensie­ren bei Kohlenwasserstoffen und Koh­lenmonoxid die mit dem Kraftstoffver­brauch steigende Emission, so daß die Emission dieser Schadstoffkomponen­ten im wesentlichen von der Fahrzeug­geschwindigkeit unabhängig ist. Bei der NOx-Emission gehen jedoch die Effekte in dieselbe Richtung.

Dynamischer Betrieb Bei instationärem Betrieb eines Otto­motors ergeben sich deutlich höhere Emissionswerte als bei stationärem Be­trieb. Dies liegt an der unvollkommenen Gemischanpassung während des Über­gangs. Beim raschen Öffnen der Dros­selklappe bleibt ein Teil des vom Ver­gaser oder von der Zentraleinspritzung zugeführten Kraftstoffs zunächst im Saugrohr. Zur Kompensation ist daher bei diesen Systemen eine Beschleuni­gungsanreicherung notwendig, die vor allem beim Vergaser nicht so dosierbar ist, daß alle Zylinder während des Über­gangs mit dem richtigen Luft-Kraftstoff­Gemisch versorgt werden. Die Folge ist eine erhöhte Emission von unver­brannten Kohlenwasserstoffen und von Kohlenmonoxid. Einspritzanlagen, die den Kraftstoff direkt vor das Einlaßventil der Zylinder sprit­zen, haben in dieser Beziehung Vorteile. Bei betriebswarmem Motor ist deshalb in den meisten Fällen keine Beschleuni­gungsanreicherung erforderlich. Dieses günstigere Verhalten der Einspritz­systeme ist in allen Fällen des insta­tionären Betriebs gegeben, da kein zu­sätzlicher Kraftstoffspeicher - als sol­cher wirkt das Saugrohr bei zentraler Gemischzumessung - gefüllt und ge­leert werden muß. Dies wirkt sich auch auf den Kraftstoffverbrauch aus: Je dy­namischer ein Fahrzeug betrieben wird, um so größer ist der Verbrauchsvorteil ei­ner Einspritzanlage gegenüber einem Vergaser.

Gemischbildung

Luft-Kraftstoff-Verhältnis Die Schadstoffemission eines Motors wird ganz wesentlich durch das Luft­Kraftstoff-Verhältnis bestimmt (Bild 2). Sie kann deshalb durch die Motorsteue­rung entscheidend beeinflußt werden.

CO-Emission Im fetten Bereich (bei Luftmangel) ist die CO-Emission nahezu linear vom Luft­Kraftstoff-Verhältnis abhängig . Im mage­ren Bereich (bei Luftüberschu ß) ist die CO-Emission sehr niedrig und nahezu unabhängig vom Luft-Kraftstoff-Verhält­nis. Im Bereich um den stöchiome­trischen Punkt mit Luftzahl "A = 1 ist die CO-Emission durch die Gleichverteilung des Kraftstoffs auf die einzelnen Zylinder bestimmt. Werden einige Zylinder fett, einige mager betrieben, ergibt sich im Mittel eine höhere CO-Emission, als wenn alle Zylinder bei gleicher Luftzahl "A betrieben werden.

HG-Emission Wie die CO-Emission fällt auch die HG­Emission im fetten Bereich mit steigen-

Bild 1

der LuftzahL Im mageren Bereich steigt aber die HG-Emission wieder an. Das Minimum der HG-Emission liegt etwa bei "A = 1,1 ... 1 ,2. Dieser Anstieg der HG­Emission im mageren Bereich wird durch die dickere "Quench-Zone" infolge ge­ringerer Brennraumtemperatur verur­sacht. Bei sehr mageren Gemischen kommt zu diesem Effekt noch hinzu, daß verschleppte Verbrennungen bis hin zu Zündaussetzern auftreten, was zu einem drastischen Anstieg der HG-Emission führt. Bei solchen Luftverhältnissen ist dann die magere Laufgrenze eines Mo­tors erreicht.

NOx-Emission Die Abhängigkeit der NOx-Emission von der Luftzahl "A läuft gerade umgekehrt: Im fetten Bereich ergibt sich ein Anstieg mit steigender Luftzahl als Folge der zunehmenden Sauerstoffkonzentration. Im mageren Bereich fällt die NOx-Emis­sion mit steigender Luftzahl wieder ab, da eine zunehmende Verdünnung die Brennraumtemperatur erniedrigt. Das Maximum der NOx-Emission liegt bei leichtem Luftüberschuß im Bereich "A = 1 ,05 ... 1, 1.

Nur ein Einspritzstrahl mit guter Zerstäubung ergibt ein homogenes Gemisch, das einen günstigen Verbrennungsablauf bei geringer Emission unverbrannter Kohlenwasserstoffe ermöglicht.

Betriebs­bedingungen

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Verbrennung im

Ottomotor

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Gemischaufbereitung

Für den Verbrennungsablauf im Ottomo­tor ist ein homogenes Gemisch am gün­stigsten. Dazu ist eine gute Zerstäubung des Kraftstoffs mit möglichst kleinen Kraftstofftröpfchen erforderlich (Bild 1 ). Schlecht aufbereitete Luft-Kraftstoff-Ge­mische zeigen eine deutlich höhere Emission unverbrannter Kohlenwasser­stoffe (HG-Anteile), da der Ausbrand des Gemisches schlechter ist. Mit der Kraftstoffaufbereitung ist die Ge­mischverteilung verbunden. Denn bei schlechter Aufbereitung, wie sie beim Vergaser im oberen Lastbereich auftritt, schlagen sich die großen Kraftstofftröpf­chen an den Rohrkrümmungen des

Bild2

Saugrohrs nieder. Es hängt von Zufäl­ligkeiten ab, wie die einzelnen Zylinder mit Kraftstoff versorgt werden. Eine schlechte Gleichverteilung hat aber ei­nen negativen Einfluß auf die Schad­stoffemission. Die HG-Emission wird höher, ebenso die CO-Emission. Au­ßerdem sinkt die Leistung, und der Kraft­stoffverbrauch steigt an. Einspritzsysteme, die den Kraftstoff di­rekt vor die Einlaßventile spritzen, haben eine besonders gleichmäßige Ge­mischverteilung. Im Saugrohr wird nur Luft transportiert, was sehr gleichmäßig vonstatten geht, und der Kraftstoff wird durch das Einspritzsystem allen Zylin­dern gleichmäßig zugemessen.

Einfluß von Luftzahl 1.. und Zündwinkel az auf Schadstoff-Emission und Kraftstoffverbrauch.

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Luftzahl 1.. Luftzahl I..

Zündung

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 und durch die Zündenergie bestimmt. Ein hoher Energieüberschuß bedeutet stabile Entflammungsverhältnisse mit positiven Auswirkungen auf die Stabilität des Verbrennungsablaufs von Zyklus zu Zyklus. Die geringeren zyklischen Schwankungen führen zu besserer Lauf­ruhe des Motors und zu niedriger Emis­sion unverbrannter Kohlenwasserstoffe. Daraus lassen sich einige Anforde­rungen an die Zündkerze ableiten:

- großer Elektrodenabstand, um ein großes Volumen zu aktivieren,

- offene Funkenstrecke, damit das Luft­Kraftstoff-Gemisch leicht zum Funken­kanal gelangen kann,

- dünne Elektroden und vorgezogene Funkenlage, um die Wärmeabfuhr über die Elektroden und die Zylinder­wand gering zu halten.

Bei kritischen Entflammungsbedingun­gen, zum Beispiel Leerlauf des Motors, kann die HG-Emission mit Hilfe eines vergrößerten Elektrodenabstandes bei zusätzlich besserer Laufruhe des Motors deutlich verringert werden. Ähnliches gilt für die Zündenergie. Zündanlagen mit langer Funkendauer und damit höherer Energieübertragung an das Gemisch sind für die Entflammung magerer Ge­mische besser geeignet. Neben dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis übt der Zündzeitpunkt den stärksten Einfluß auf die Schadstoffemission aus (Bild 2):

HC-Emission Mit steigender Frühzündung nimmt die Emission unverbrannter Kohlenwasser­stoffe zu, da die Nachreaktionen in der Expansionsphase und in der Auspuff­phase wegen der geringeren Abgas­temperatur ungünstiger verlaufen. Nur im

sehr mageren Bereich kehren sich die Verhältnisse um. Bei magerem Gemisch ist die Verbrennungsgeschwindigkeit so gering, daß bei spätem Zündwinkel die Verbrennung noch nicht abgeschlossen ist, bis das Auslaßventil öffnet. Die Lauf­grenze des Motors wird daher bei spä­tem Zündwinkel schon bei geringer Luft­zahl /.., erreicht.

NOx-Emission Im gesamten Bereich des Luft-Kraftstoff­Verhältnisses nimmt die NOx-Emission mit steigender Frühzündung zu. Ursache dafür ist die höhere Brennraumtempera­tur bei früherem Zündzeitpunkt, die das chemische Gleichgewicht auf die Seite der NOx-Bildung verschiebt und die vor allem die Reaktionsgeschwindigkeit der NOx-Bildung erhöht.

CO-Emission Die CO-Emission ist vom Zündzeitpunkt nahezu unabhängig und fast aus­schließlich eine Funktion des Luft-Kraft­stoff-Verhältnisses.

Kraftstoffverbrauch Der Einfluß des Zündzeitpunkts auf den Kraftstoffverbrauch läuft dem Einfluß auf die Schadstoffemission entgegen. Mit steigender Luftzahl /.., muß zum Aus­gleich der geringeren Verbrennungsge­schwindigkeit immer früher gezündet werden, damit der Verbrennungsablauf optimal bleibt. Früherer Zündzeitpunkt bedeutet daher geringeren Kraftstoffver­brauch und höheres Drehmoment. Um bei dieser Schere zwischen Kraft­stoffverbrauch und Schadstoffemission den günstigsten Kompromiß zu finden, ist eine aufwendige Zündverstellung er­forderlich, die eine unabhängige Opti­mierung des Zündzeitpunkts in allen Be­triebsbereichen des Motors erlaubt.

Betriebs­bedingungen

13

Verbrennung im

Ottomotor

14

Ottokraftstoffe

Verschiedene nationale Normen legen die Mindestanforderungen an Ottokraft­stoffe fest. EN 228 beschreibt das in Europa eingeführte unverbleite Benzin ("Euro-Super"). ln Deutschland gilt DIN 51 600 für ver­bleites Superbenzin und DIN 51 607 für die unverbleiten Kraftstoffe.

Bestandteile Ottokraftstoffe bestehen aus Kohlen­wasserstoffen, die Zusätze von sauer­stoffhaltigen, organischen Komponenten sowie Additive zur Verbesserung der Eigenschaften enthalten können. Es wird zwischen Normal- und Superkraftstoff unterschieden. Superkraftstoff weist eine höhere Klopffestigkeit zum Betreiben höher verdichteter Motoren auf.

Bleifreies Benzin (DIN 51607) Der Einsatz von Katalysatoren zur Ab­gasnachbehandlung setzt den Betrieb mit bleifreiem Benzin voraus; denn Blei würde die Edelmetallbeschichtung der Katalysatoren schädigen und damit in­aktiv machen. Bleifreie Kraftstoffe bilden ein Gemisch aus besonders hochwertigen, hoch­oktanigen Komponenten. Zur Erhöhung der Klopffestigkeit können metallfreie Zu­sätze zugegeben werden. Der Bleigehalt ist auf maximal 13 mg/1 begrenzt.

Verbleites Benzin (DIN 51600) Zum Schutz der Umwelt sollten nur noch solche Motoren mit bleihaitigern Benzin betrieben werden, deren Auslaßventile die Verbrennungsprodukte der Bleialkyle zur Schmierung benötigen. Dies betrifft in der Regel nur einen geringen Anteil an älteren Fahrzeugen. Der Absatz an ver­oleitem Benzin geht ständig zurück. Das auf dem Markt befindliche "Super plus" weist die gleiche hohe Klopffestigkeit wie verbleites Benzin auf. Der maximal zulässige Bleigehalt im verbleiten Benzin beträgt in den meisten europäischen Ländern 0,15 g/1.

Kenngrößen

Dichte (DIN 51 757) Die zulässige Dichtespanne für Kraft­stoffe ist in der EN 228 auf 725 ... 780 kgfm3 begrenzt. Superkraftstoffe haben wegen des im allgemeinen höheren Aromatengehalts eine höhere Dichte als Normalkraftstoffe und in diesem Fall auch einen geringfügig höheren Heizwert.

Klopffestigkeit (Oktanzahl) Die Oktanzahl kennzeichnet die Klopf­festigkeit eines Ottokraftstoffes. Je höher die Oktanzahl, desto klopffester ist der Kraftstoff. International gibt es zwei ver­schiedene Verfahren zur Bestimmung der Oktanzahl: die Research-Methode und die Motor-Methode (DIN 51 756; ASTM D2699 und ASTM D2700).

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 MOZ-Werte sind niedriger als die ROZ-Werte. Der Zahlenwert der Oktanzahl bis 1 00 gibt an, wieviel Volumenprozent iso-Ok­tan sich in einem Gemisch mit n-Heptan befindet, das in einem Prüfmotor glei­ches Klopfverhalten zeigt wie der zu prü­fende Kraftstoff. Dem sehr klopffesten iso-Oktan wird da­bei die Oktanzahl 1 00 ROZ bzw. MOZ, dem sehr klopffreudigen n-Heptan die Oktanzahl 0 zugeordnet.

Erhöhung der Klopffestigkeit Normales Destillat-B~nzin hat eine nied­rige Klopffestigkeit. Erst durch Ver­mischen verschiedener klopffester Raf­finerie-Komponenten ergibt sich ein Kraftstoff mit ausreichender Oktanzahl. Dabei muß ein möglichst hohes Oktan­zahlniveau über den ganzen Siedebe­reich vorliegen.

Klopfbremsen Die wirksamsten Antiklopfmittel sind or­ganische Bleiverbindungen. Je nach Kohlenwasserstoffstruktur können sie die Oktanzahl um einige Punkte steigern. Zulässig sind nach DIN 51600 (wie in den meisten europäischen Ländern auch) maximal 150 mg Blei pro Liter Kraftstoff. Wegen der zunehmenden Verbreitung von Katalysatorfahrzeugen und zum Schutz der Umwelt kommen immer weniger Bleialkyle zum Einsatz.

Flüchtigkeit 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 ("vapour lock") kommt. Außerdem sollen die Verdampfungsver­luste zum Schutz der Umwelt gering ge­halten werden. Zur Beschreibung der Flüchtigkeit gibt es verschiedene Kenn­größen.

Siedeverlauf Für das Betriebsverhalten sind drei Be­reiche der Siedekurve wichtig. Sie lassen sich durch den bei drei Temperaturen verdampften Anteil kennzeichnen.

Dampfdruck Der Dampfdruck von Kraftstoffen bei 38 oc darf lt. DIN 51 600, 51 606 für Sommer­kraftstoffe maximal 0,7 bar und für Win­terkraftstoffe maximal 0,9 bar betragen. Der Verlauf der Dampfdruckkurven über der Temperatur hängt aber stark von der Zusammensetzung der Benzine ab.

Dampf-Flüssigkeits-Verhältnis Diese Kenngröße ist ein Maß für die Neigung eines Kraftstoffes zur Dampf­blasenbildung. Sie ist das aus einer Kraftstoffeinheit entstandene Dampf­volumen bei definiertem Gegendruck und bei einer bestimmten Temperatur.

Additive Additive (Zusätze) bestimmen neben der Zusammensetzung der Kohlenwasser­stoffe (Raffinerie-Komponenten) ganz wesentlich die Qualität von Kraftstoffen. Sie bilden 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 zweckmäßigerweise vom Kraft­stoffhersteller dosiert und beigemischt.

Alterungsschutz 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.

Einlaßsystem-Reinhaltung Die Reinhaltung des gesamten Ein­laßsystems (Drosselklappe, Einspritz­ventile, Einlaßventile) durch Reini­gungsadditive ("detergent"-Additive) bil­det die Voraussetzung für einen störungsfreien Fahrbetrieb und die Schadstoffminimierung im Abgas.

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.

Vereisungsschutz Geeignete Additive sollen die Vereisung der Drosselklappe (Gefrieren von Was­serdampf aus der Ansaugluft) verhin­dern. Alkohole bewirken z. B. eine Auf­lösung der Eiskristalle, andere Additive erschweren deren Ablagerung an der Drosselklappe.

Otto­kraftstoffe

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Verbrennung im

Ottomotor

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Systementwicklung

Benzineinspritz-und Zündsysteme Benzineinspritzung und Zündung brin­gen den Ottomotor zum "Laufen". Der Kraftstoff wird in das Saugrohr vor die Einlaßventile gespritzt. Das dabei ent­stehende Luft-Kraftstoff-Gemisch strömt in den Brennraum, wird dort durch die Aufwärtsbewegung des Kolbens ver­dichtet und zum Zündzeitpunkt durch den Funken der Zündkerze entzündet. Die hierbei entstehende Verbrennungs­energie drückt den Kolben nach unten, und über das Pleuel wird die Längs­bewegung des Kolbens in eine Dreh­bewegung der Kurbelwelle umgewan­delt. Ursprünglich steuerten die beiden Ein­zelsysteme "Benzineinspritzung" und "Zündung" unabhängig voneinander die jeweiligen Parameter wie Einspritz­menge und Zündzeitpunkt Ein Informa­tionsaustausch zwischen beiden Syste­men war überhaupt nicht oder nur sehr eingeschränkt möglich. Die zum Teil einander widersprechenden Forderun­gen an den Verbrennungsvorgang konnten daher in jedem der beiden Ein­zelsysteme nur "intern", aber nicht sy­stemübergreifend berücksichtigt werden. Dieses Problem löste die Zusammen­fassung von Benzineinspritzung und Zündung zu ~ System. Im kombinierten Benzineinspritz- und Zündsystem, dem Motormanagment "Motronic", werden die Steuerparame­ter für Benzineinspritzung J.ill.d Zündung unter Berücksichtigung der verschiede­nen Forderungen an den Verbren­nungsvorgang optimiert. Bild 1 zeigt die geschichtliche Entwicklung der Bosch Benzineinspritz-und Zündsysteme.

Benzineinspritzsysteme

Die Einspritzung läßt eine sehr genaue Zumessung des Kraftstoffs in Abhängig­keit vom Betriebs- und Lastzustand des Motors unter Brücksichtigung der Um­welteinflüsse zu. Die Gemischzusam­mensetzung wird dabei so gesteuert, daß der Schadstoffanteil im Abgas ge­ring ist.

Einzeleinspritzsysteme mit kontinuierlicher Einspritzung Das mechanisch-hydraulische Einspritz­system K-Jetronic, das von 1973 bis 1995 in Serienfahrzeugen eingesetzt wurde, mißt den Kraftstoff abhängig von der angesaugten Luftmenge kontinuier­lich zu. Um niedrige Abgaswerte einzu­halten, konnte die K-Jetronic durch eine Lambda-Regelung ergänzt werden. Wegen erweiterter Anforderungen, nicht zuletzt durch die Forderung nach besse­rer Abgasqualität, wurde die K-Jetronic

Bild 1

Bosch Benzineinspritz- und Zündsysteme -Geschichtliche Entwicklung.

Benzineinspritzsysteme D-Jetronic K-Jetronic L-Jetronic LH-Jetronic KE-Jetronic Mono-Jetronic

Zündsysteme Spulenzündung (ZS) Transistor-Zündung (TZ) Elektronische Zündung (EZ/VZ)

1967- 1979 1973- 1995 1973- 1986 1981- 1998 1982- 1996 1987-1997

1934- 1986 1965- 1993 1983- 1998

Kombinierte Zünd- und Benzineinspritzsysteme: M-Motronic seit 1979 KE-Motronic 1987 - 1996 Mono-Metronie seit 1989

durch ein elektronisches Steuergerät, einen Systemdruckregler und einen Drucksteller für die Steuerung der Ge­mischzusammensetzung zur KE-Jetro­nic erweitert. Die KE-Jetronic wurde von 1982 bis 1996 in Fahrzeuge eingebaut.

Einspritzsysteme mit intermittierender Einspritzung Die L-Jetronic, ein elektronisches Ein­spritzsystem mit Analogtechnik ( 1973 bis 1986) mißt den Kraftstoff in Abhän­gigkeit von der angesaugten Luftmenge, Drehzahl und weiteren Einflußgrößen intermittierend zu. Die L3-Jetronic ar­beitet in Digitaltechnik. Sie kann deshalb zusätzliche Steuerungsfunktionen über­nehmen und die Einspritzmenge den verschiedenen Motorbetriebszuständen exakter anpassen. Bei der LH-Jetronic (1981 bis 1998) wird statt der Luftmenge die vom Motor an­gesaugte Luftmasse über einen Hitz­draht-Luftmassen-Durchflußmesser er­faßt, womit die korrekte Gemischbildung unabhängig von den Umgebungs­bedingungen möglich ist.

Zentraleinspritzsystem mit intermittierender Einspritzung Beim elektronischen Einspritzsystem Mono-Jetronic (1987 bis 1997) für Klein­fahrzeuge und Fahrzeuge der Mittel­klasse sitzt nur .e.in elektromagnetisches Einspritzventil an einer zentralen Stelle vor der Drosselklappe. Motordrehzahl und Drosselklappenstellung sind Steu­ergrößen für die Kraftstoffzumessung.

Zündsysteme

Aufgabe der Zündung ist es, das ver­dichtete Luft-Kraftstoff-Gemisch im rich­tigen Zündzeitpunkt zu entflammen und so seine Verbrennung einzuleiten. Im Ottomotor geschieht das durch einen elektrischen Funken, d.h. durch eine kurzzeitige Lichtbogenentladung zwi­schen den Elektroden der Zündkerze. Eine unter allen Umständen sicher ar­beitende Zündung ist Voraussetzung für den einwandfreien Betrieb des Kataly-

sators. Zündaussetzer führen zur Schä­digung oder Zerstörung des Katalysa­tors wegen Überhitzung bei der Nach­verbrennung des unverbrannten Gemi­sches. Im Laufe der Zeit wurden die mechanischen Komponenten der Zün­dungssteuerung nach und nach durch Elektronik ersetzt. Der Zündzeitpunkt wird aus der Motor­drehzahl und dem Lastzustand des Mo­tors (es wird der Luftdruck im Saugrohr gemessen) bestimmt. Dies geschieht bei der konventionellen Spulenzündung SZ (1934 bis 1986) und der Transistor­Spulenzündung TZ (1965 bis 1993) me­chanisch und bei der elektronischen und vollelektronischen Zündung EZ/VZ (1983 bis 1998) durch elektronische Be­rechnung über Kennfelder.

Kombination der Teilsysteme Die oben genannten Benzineinspritz­und Zündsysteme sind einander nicht fest zugeordnet. Die Benzineinspritzsy­steme lassen sich mit den verschiede­nen Zündsystemen kombinieren.

Motormanagement Metronie Das kombinierte Benzineinspritz- und Zündsystem Motronic verbindet Ben­zineinspritzung und Zündung durch ein gemeinsames Motormanagement Basis für die beiden Systeme sind die Grundsysteme der Benzineinspritzung zusammen mit einer elektronischen Zündung. Die KE-Motronic basiert auf der kontinuierlichen Einspritzung KE­Jetronic, die Mono-Motronic auf der intermittierenden Zentraleinspritzung Mono-Jetronic und die M-Motronic auf der intermittierenden Einzeleinspritz­ung L-Jetronic. Die Integration der elektronischen Mo­torleistungssteuerung EGAS in die M-Motronic führt zur ME-Motronic. ln der künftigen MED-Motronic sind Ben­zin-Direkteinspritzung, elektronische Zündung und EGAS zu einem System verbunden.

Ottomotor

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Abgas­technik

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Abgastechnik

Abgas­zusammensetzung Die Qualität unserer Atemluft ist von vielen Einflußgrößen abhängig. Neben den Emissionen aus dem Verkehr sind auch die Emissionen von Industrie, Haushalten und Kraftwerken von großer Bedeutung (Bild 1 ). Für alle Verbrennungsmotoren gilt: Eine vollkommene Kraftstoffverbrennung in den Zylindern eines Motors gibt es nicht, und zwar auch dann nicht, wenn der Luftsauerstoff im Überschuß vorhanden ist. Je unvollkommener die Verbren­nung, desto größer ist der Ausstoß an Schadstoffen im Motorabgas. Um die Umweltbelastung herabzusetzen, gilt es, das Abgasverhalten des Ottomotors zu verbessern, z.B. mit Hilfe eines Kataly­sators (Bild 3) .

Bild 1

Gesamtemissionen ln Deutschland 1996.

ln Gewichtprozent Ohne Berücksichtigung natürlicher Emissionen. Gesamtemissionen: 935 Mt (Megatonnen).

Verkehr 20,1%

Quelle: Immissionsschutzbenchi der Bundesregierung 1997

Alle Maßnahmen zum Reduzieren der nach verschiedenen gesetzlichen Vor­schriften begrenzten Schadstoffemissio­nen zielen darauf ab, mit möglichst ge­ringem Kraftstoffverbrauch, hoher Fahr­leistung und gutem Fahrverhalten ein Minimum an Schadstoffemission zu er­halten. Das Abgas eines Ottomotors ent­hält neben einem hohen Prozentsatz un­schädlicher Hauptbestandteile auch Ne­benbestandteile (Bild 2), die zumindest in höherer Konzentration schädlich für die Umwelt sind. Dieser Schadstoffanteil be­trägt etwa ein Prozent des Abgases und besteht überwiegend aus Kohlenmono­xid (CO), Oxiden des Stickstoffs (NOx) und Kohlenwasserstoffen (allgemein als HC bezeichnet). Besonders zu beachten sind die in Abhängigkeit vom Luft-Kraft­stoff-Verhältnis gegenläufigen Konzen­trationen von CO und HC einerseits und NOx andererseits.

Bild 2

Nebenbestandteile der Verkehrsemissionen.

Quelle:

Sonstige 2,2 %

Immissionsschutzbericht der Bundesregierung 1997

Katalysator zum Abbau der Schadstoffe CO, HC, NOx.

1 Keramisches Material mit katalytisch aktiven Substanzen belegt (Monolith),

2 elastisches Metallgeflecht zur Halterung, 3 Gehäuse.

2 3

Hauptbestandlei le Bild 3

Die Hauptbestandteile des Abgases sind Stickstoff (N2), Kohlendioxid (C02) und Wasserdampf (H20). Sie sind ungiftig. Stickstoff als Hauptbestandteil der Luft ist bei der Verbrennung nicht beteiligt und stellt mit ca. 71% auch den höch­sten Anteil im Abgas. Stickstoff reagiert aber in geringem Maß mit Sauerstoff zu Stickoxiden. Der im Kraftstoff enthaltene chemisch gebundene Kohlenstoff bildet bei voll­ständiger Verbrennung Kohlendioxid mit einem Anteil von ca. 14% im Abgas. Die Reduzierung von C02 wird wegen des möglichen Beitrags zum ,.Treibhaus­effekt" immer bedeutender. Eine Sen­kung des C02-Ausstoßes ist bei Ottomo­toren nur über eine Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs möglich, da C02

das Endprodukt einer (auch im Abgas) optimierten Verbrennung ist. Der im Kraftstoff enthaltene chemisch gebundene Wasserstoff verbrennt zu Wasserdampf, der beim Abkühlen zum größten Teil kondensiert. Er ist an kalten Tagen als Dampfwolke am Auspuff sicht­bar.

Nebenbestandlei le

Die wichtigsten Nebenbestandteile sind Kohlenmonoxid (CO), Kohlenwasser­stoffe (HG) und Stickoxide (NOx).

Kohlenmonoxid (CO) entsteht als Folge unvollständiger Verbrennung. CO ist ein farb- und geruchloses Gas. Es verringert die Sauerstoffaufnahmefähigkeit des Blutes und führt daher zur Vergiftung des Körpers. Deshalb darf ein Motor in geschlossenen Räumen nicht ohne ein­geschaltete Absauganlage betrieben werden.

Kohlenwasserstoffe (HG) bestehen aus unverbrannten Kraftstoffbestandteilen oder aus neu entstandenen Kohlenwasser­stoffen. Die niedersiedenden aliphati­schen Kohlenwasserstoffe sind geruch­los. Ringförmige aromatische Kohlen­wasserstoffe (Benzol, Toluol, poly­zyklische Kohlenwasserstoffe) sind ge­ruchlich wahrnehmbar. Sie gelten teil­weise bei Dauereinwirkung als krebser­regend. Teiloxidierte Kohlenwasserstoffe (Aldehyde, Ketone u. a.) riechen unan­genehm und bilden unter Sonnenein­strahlung Folgeprodukte, die bei Dauer­einwirkung von bestimmten Konzentra­tionen an als krebserregend gelten.

Stickoxide (NOx) bilden sich als Folge von Nebenreaktionen bei allen Verbren­nungsvorgängen mit Luft. Hauptsächlich handelt es sich um NO und N02, die bei hohen Verbrennungstemperaturen aus Luftstickstoff und Sauerstoff entstehen. NO ist farb- und geruchlos und wandelt sich in Luft langsam in N02 um. N02 ist in reiner Form ein rotbraunes, stechend riechendes, giftiges Gas. Bei Konzentra­tionen, wie sie imAbgas und in stark ver­unreinigter Luft auftreten, kann N02 zur Schleimhautreizung führen.

Schwefeldioxid (S02) entsteht durch die Verbrennung des im Kraftstoff enthalte­nen Schwefels. Mit einem verhältnis­mäßig geringen Anteil sind diese Schad­stoffe auf den Verkehr zurückzuführen. Das S02 im Abgas kann nicht vom Ka­talysator abgebaut werden und reduziert dessen Reinigungswirkung gegenüber den anderen Abgaskomponenten. Des­halb sind Bestrebungen im Gange, den Schwefelgehalt in Benzin- und Diesel­kraftstoffen zu reduzieren.

Abgas­zusammen­setzung

19

Abgas­technik

20

Abgas­nachbehandlung Lambda-Regelung

Die Lambda-Regelung ist in Verbindung mit dem Katalysator heute das wirk­samste Abgasreinigungsverfahren für den Ottomotor. Zur Zeit ist kein alter­natives System bekannt, das auch nur annähernd dieselben niedrigen Abgas­emissionswerte erreichen könnte.

Mit den heute verfügbaren Zünd- und Einspritzsystemen können sehr niedrige Abgaswerte erreicht werden. Eine wei­tere Absenkung der besonders kritischen Abgaskomponenten Kohlenwasserstoffe (HC), Kohlenmonoxid (CO) und Stick­oxide (NOx) läßt sich durch den Einsatz von Abgaskatalysatoren erreichen. Besonders wirkungsvoll ist der Einsatz des Dreiwege- oder Selektiv-Kataly­sators. Dieser Katalysator hat die Eigen­schaft, Kohlenwasserstoffe, Kohlen­monoxid und Stickoxide bis zu mehr als 98% abzubauen, falls der Motor in einem sehr engen Streubereich (< 1 %) um das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhält­nis mit A, = 1 betrieben wird 1). Diese sehr kleine zulässige Streuung ist unter allen Betriebsbedingungen des Motors notwendig und kann auch von modernen Einspritzanlagen nicht eingehalten wer­den. Deshalb wird die "Lambda-Rege­lung" angewandt. Das heißt, die Zusam­mensetzung des dem Motor zugeführten Gemisches aus Luft und Kraftstoff (das "Gemisch") wird durch einen geschlosse­nen Regelkreis ständig innerhalb des op­timalen Streubereichs, dem "Katalysator­fenster", gehalten (Bild 1 ).

Dazu muß das Abgas gemessen und die zugeführte Kraftstoffmenge entspre­chend dem Maßergebnis sofort korrigiert werden. Als Meßfühler wird die Lambda­Sonde verwendet, die exakt bei stöchio­metrischem Gemisch (A = 1) einen Span­nungssprung aufweist und so ein Signal liefert, das anzeigt, ob das Gemisch fetter oder magerer als A, = 1 ist.

Lambda-Sonde Die Lambda-Sonde erlaßt in der Aus­puffleitung gleichmäßig den Abgasstrom aller Zylinder. Die Wirkungsweise beruht auf dem Prinzip einer galvanischen Sau­erstoff-Konzentrationszelle mit einem Festkörperelektrolyt.

Aufbau Der Festkörperelektrolyt besteht aus ei­nem einseitig geschlossenen gasundurch­lässigen Keramikkörper aus Zirkonium­dioxid und ist mit Yttriumoxid stabilisiert. Die Oberflächen sind beidseitig mit Elek­troden aus einer gasdurchlässigen dün­nen Platinschicht versehen. Die Platinelektrode auf der Außenseite wirkt wie ein kleiner Katalysator: das auftreffende Abgas wird dort katalytisch nachbehandelt und ins stöchiometrische Gleichgewicht gebracht. Zusätzlich ist auf der dem Abgas ausgesetzten Seite

1) Das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis ist das zur vollständigen Verbrennung theoretisch not­wendige Massenverhältnis von 14,7 kg Luft zu 1 kg Benzin. Die Luftzahl bzw. das Luftverhältnis A. (Lambda) gibt an, wieweit das tatsächlich vorhan­dene Luft-Kraftstoff-Gemisch vom theoretisch not­wendigen abweicht: A. _ zugeführte Luftmasse

- theoretischer Luftbedarf

Bild 1

Regelbereich der Lambda-Sonde und Verringerung des Schadstoffanteils im Abgas.

1 Ohne katalytische Nachbehandlung, 2 mit katalytischer Nachbehandlung, 3 Spannungskennlinie der A.-Sonde.

1

I..- Regelbereich (Katalysatorfenster)

0,975 --fett

1,0 1,025 1,05 Luftzahl A. mager--

zum Schutz vor Versehrnutzung eine poröse Keramikschicht (Spinellschicht) aufgebracht. Ein Metallrohr mit mehreren Schlitzen schützt den Keramikkörper ge­gen mechanische Beanspruchung (Stö­ße) und gegen Thermoschocks. Der in­nere offene Raum steht mit der Außenluft als Referenzgas in Verbindung (Bild 2).

Arbeitsweise (Zweipunktsonde) Die Zweipunktsonde arbeitet nach dem Nernst-Prinzip. Das verwendete Keramik­material wird ab etwa 350 oc für Sauar­stoffionen leitend. Ist der Sauerstoff­anteil auf beiden Seiten der Sonde ver­schieden groß, so entsteht zwischen den beiden Grenzflächen eine elektrische Spannung. Diese ist ein Maß für den Unterschied des Sauerstoffanteils auf beiden Seiten der Sonde. Der Restsauer­stoffgehalt im Abgas eines Verbren­nungsmotors ist in starkem Maße vom Luft-Kraftstoff-Verhältnis des dem Motor zugeführten Gemisches abhängig. Auch bei Betrieb mit Kraftstoffüberschuß ist noch Restsauerstoff im Abgas enthalten; so findet sich z. B. bei A. = 0,95 noch 0,2 ... 0,3 Volumenprozent Sauerstoff. Durch diese Abhängigkeit ist es möglich, den Sauerstoffanteil im Abgas als Maß für das Bild 2

Anordnung der Lambda-Sonde im Abgasrohr (schematisch).

1 Sondenkeramik. 2 Elektroden. 3 Kontakt, 4 Gehäusekontaktierung, 5 Abgasrohr, 6 keramische Schutzschicht (porös), 7 Abgas, 8 Außenluft, U Spannung.

Luft-Kraftstoff-Verhältnis heranzuziehen. Die von der Lambda-Sonde je nach Sauerstoffanteil im Abgas abgegebene Spannung erreicht bei fettem Gemisch (A < 1) 800 . .. 1000 mV, bei magerem Gemisch (A > 1) werden nur noch um 100 mV erreicht. Der Übergang vom fetten zum mageren Bereich liegt bei 450 ... 500 mV. Neben dem Sauerstoffanteil im Abgas spielt auch die Temperatur des Kera­mikkörpers eine entscheidende Rolle, da davon die Leitfähigkeit für Sauerstoff­ionen beeinflußt wird. So wird der Verlauf der abgegebenen Spannung in Ab­hängigkeit von der Luftzahl A. ("statische" Sondenkennlinie) von der Temperatur stark beeinflußt. Die angegebenen Werte gelten deshalb für eine Arbeitstemperatur von ca. 600 °C. Aber auch die Ansprach­zeit für eine Spannungsänderung bei einem Wechsel der Gemischzusammen­setzung ist stark temperaturabhängig. Liegen diese Ansprachzeiten bei einer Keramiktemperatur unter 350 oc im Se­kundenbereich, so reagiert die Sonde bei optimaler Betriebstemperatur um 600 oc schon nach einer Zeit < 50 ms. Nach dem Start eines Motors wird deshalb bis zum Erreichen der Mindest-Betriebs­temperatur von etwa 350 oc die Lambda­Regelung abgeschaltet. Der Motor wird dabei gesteuert betrieben.

Einbau Zu hohe Temperaturen verkürzen die Lebensdauer. Deshalb muß die Lambda­Sonde so eingebaut werden, daß bei längerem Vollastbetrieb 850 oc nicht überschritten werden; für kurze Zeit sind bis zu 930 oc erlaubt.

Unbeheizte Lambda-Sonde Ein keramisches Stützrohr und eine Tellerfeder halten die aktive, fingerförmige Sondenkeramik im Sondengehäuse und dichten sie ab (Aufbau ähnlich der be­heizten Lambda-Sonde Bild 3, jedoch ohne Heizelement). Ein Kontaktteil zwi­schen dem Stützrohr und der aktiven Sondenkeramik sorgt für die Kontaktie­rung der Innenelektrode bis zum An-

Abgasnach­behandlung

schlußkabel. 21

Abgas­technik

22

Der metallische Dichtring verbindet die Außenelektrode mit dem Sondegehäuse. Eine metallische Schutzhülse, die gleich­zeitig auch als Widerlager für die Teller­feder dient, hält und fixiert den gesamten Innenaufbau der Sonde. Sie schützt auch das Sondeninnere gegen Verschmutzung. 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 Geo­metrie angebracht. Schlitze im Schutz­rohr sind so gestaltet, daß sie besonders wirkungsvoll vor großen thermischen und chemischen Belastungen schützen.

Beheizte Lambda-Sonde 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 Lambda-Sonde (Bild 3) läßt einen Einbau in größerer Entfernung vom Motor zu, so daß selbst Dauer-Vollast­fahrten unproblematisch sind. Die externe Heizung führt zu einer schnellen Aufhei­zung, so daß 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

Bild3

Beheizte Lambda-Sonde.

Betriebstemperatur hat, werden niedrige und stabile Abgasemissionen erreicht.

Planare Lambda-Sonde Dieplanare Lambda-Sonde (Bild 4) ent­spricht funktionell der beheizten Finger­sonde mit einer Sprungkennlinie bei 'A = 1. Konstruktiv weist die planare Lambda­Sonde folgende wesentliche Unter­schiede zur Fingersonde auf: - Der Festkörperelektrolyt besteht aus

keramischen Folien . - Eine keramische Dichtpackung hält

das Sensorelement im Sondengehäuse. - Ein doppelwandiges Schutzrohr

schützt das Sensorelement wirkungs­voll vor zu großen thermischen und mechanischen Belastungen.

Die einzelnen Funktionsschichten (Bild 5) werden in Siebdrucktechnik hergestellt. Das Aufeinanderlaminieren der verschie­denen bedruckten Folien macht es mög­lich, auch einen Heizer im Sensorele­ment zu integrieren.

Breitband-Lambda-Sonde Ergänzend zum Prinzip der Nernst-Zelle (Funktion der Zweipunktsonde) ist in der Breitbandsonde eine zweite elektro­chemische Zelle, die Pumpzelle, integriert. Das Abgas gelangt durch ein kleines Loch der Pumpzelle in den eigentlichen Meßraum (Diffusionsspalt) der Nernst­Zelle. Bild 6 zeigt den prinzipiellen Auf-

. bau der Breitbandsonde. Im Unterschied zur Zweipunktsonde wird hier im Meßraum stets ein stöchiometrisches

1 Sondengehäuse. 2 keramisches Stü tzrohr, 3 Anschlußkabel , 4 Schutzrohr mit Schlitzen, 5 aktive Sondenkeramik, 6 Kontaktteil, 7 Schutzhülse, 8 Heizelement, 9 Klemmanschlüsse fü r Heizelement, 10 Tel lerfeder. 2 3

4 5 6 7 8 9 10

Luft-Kraftstoff-Verhältnis eingestellt. Eine elektronische Schaltung regelt die an der Pumpzelle anliegende Spannung so, daß die Zusammensetzung des Gases im Meßspalt konstant bei /... = 1 liegt. Bei magerem Abgas pumpt die Pumpzelle den Sauerstoff vom Meßspalt nach außen. Bei fettem Abgas wird dagegen der Sauerstoff aus dem Abgas der Um­gebung in den Meßspalt gepumpt und dadurch die Stromrichtung umgekehrt. Der Pumpstrom ist dabei proportional der Sauerstoffkonzentration bzw. dem Sauer­stoffbedarf. So ist der Pumstrom ein Maß für die Luftzahl im Abgas. Ein integrierter Heizer sorgt für die Betriebstemperatur von mindestens 600 °C. Im Gegensatz zur Zweipunktsonde, bei der die sich einstellende Spannung über die Nernst-Zelle direkt als Meßsignal ver­wendet wird, erfolgt bei der Breitband­sonde die Einstellung des Pumpstroms über eine spezielle Auswerte- und Regel­schaltung. Der sich einstellende Strom wird gemessen und ist ein Maß für die Luftzahl im Abgas. Da man hier nicht mehr von der stufenförmigen Span­nungscharakteristik der Nernst-Zelle ab­hängig ist, kann die Luftzahl zwischen 0,7 und 4 stetig gemessen werden. Da­durch ist die Lambda-Regelung des Mo­tors über einen Bereich möglich.

Funktion der Lambda-Regelung Die Lambda-Sonde gibt ein Spannungs­signal an das elektronische Steuergerät ab, das seinerseits wieder je nach

Bild 4

Planare Lambda-Sonde-

Funktionsschichten der planaren Lambda-Sonde.

1 Poröse Schutzschicht, 2 Außenelektrode, 3 Sensorfolie, 4 lnnenelektrode, 5 Referenzluft­kanalfolie, 6 lsolationsschicht, 7 Heizer, 8 Heizerfolie, 9 Anschlußkontakte.

5 ~ 6

7 .... 6

8 \ 9

Bild 6

Breitband-Lambda-Sonde.

Schematischer Aufbau

•, I

• 9 "" I

Bild 5

1 Heizer, 2 Luftreferenz, 3 Nernstzelle (Zweipunktsonde), 4 Pumpzelle, 5 Diffusionsspalt, 6 Regelelektronik. /p Pumpstrom, VH Heizspan­nung, Us Sondenspannung.

4 5 Abgas

1 Schutzrohr, 2 keramisches Dichtpaket, 3 Sondengehäuse, 4 keramisches Stützrohr, 5 planares Sensorelement. 6 Schutzhülse, 7 AnschlußkabeL

2 3 4 5 6

Abgasnach­behandlung

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Abgas­technik

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Spannungslage der Lambda-Sonde ei­nem Gemischbildner (Einspritzanlage oder elektronisch geregelter Vergaser) signalisiert, ob das Gemisch angefettet oder abgemagert werden muß (Bild 7). Ist das Gemisch zu mager, wird mehr Kraftstoff zugegeben. Ist das Gemisch zu fett, wird die dem Motor zugeführte Kraft­stoffmenge wieder reduziert.

Zweipunkt-Regelung Bei der Zweipunkt-Regelung wird das Lambda-Sondensignal im Steuergerät in ein Zweipunktsignal umgewandelt. Jeder Spannungssprung der Lambda­Sonde veranlaßt die Stellgröße der Lambda-Regelung zu einem Sprung in die entgegengesetzte Richtung (Bild 8), d.h. wenn die Sonde mageres Gemisch anzeigt, wird angefettet und umgekehrt. Die Sprunghöhe der Stellgröße beträgt hierbei typisch 3%. Dies bedeutet, daß die aktuelle Kraftstoffmenge mit einem Faktor multipliziert wird, -der im Normalfall 1 ,00, -bei zu magerem Gemisch 1 ,03 und -bei zu fettem Gemisch 0,97 beträgt.

Dieser "Regelfaktor" wird im Anschluß an den Stellgrößensprung rampenförmig verstellt, um den Mittelwert wieder einzu­stellen und Störungen der Vorsteuerung

Bild 7

Funktionsschema Lambda-Regelung.

1 Luftmassenmesser, 2 Motor, 3a Lambda-Sonde, 3b Lambda-Sonde (nur bei Bedarf), 4 Katalysator, 5 Einspritzventile, 6 Steuergerät. Us Sondenspannung, Uv Ventilsteuerspannung , VE Einspritzmenge.

auszugleichen. Die Regelfrequenz ist im wesentlichen bestimmt durch die Zeit, die von der Bildung des Frischgemisches bis zur Erfassung des verbrannten Ge­misches durch die Lambda-Sonde ver­geht (Totzeit). Wenn das Frischgemisch zu fett oder zu mager ist, dauert es eine Totzeit, bis die Lambda-Sonde darauf reagiert und umspringt. Erst dann wird eine Gemisch­änderung veranlaßt Eine weitere Totzeit vergeht, bis dieses geänderte Gemisch wiederum bei der Lambda-Sonde an­kommt. Ein Regelzyklus (Periodendauer der Regelschwingung) entspricht also mindestens der doppelten Totzeit. Da diese Totzeit stark von der Motorlast und der Drehzahl abhängt, ist die Steigung der Rampe nach dem Stellgrößensprung in einem Kennfeld abhängig von Motor­last und Drehzahl so festgelegt, daß die Amplitude der Regelschwingung weitge­hend konstant bleibt. Bis hierher wurde davon ausgegangen, daß sich beim Spannungssprung der Lambda-Sonde immer ein optimales Ab­gasverhalten einstellt. Der Spannungs­sprung ist jedoch abhängig von der Gas­zusammensetzung und der Temperatur, d. h. er ist bezüglich der Stöchiometrie geringfügig verschoben. Zur Kompensa­tion aller Effekte, welche die Sonden­kennlinie verfälschen, wird eine gesteu­erte Fett- oder Magerverschiebung ein­gesetzt. Die Stellgröße wird hierbei trotz vorhandenem Sondensprung für eine ge­steuerte Verweilzeit tv festgehalten. Auch diese Verweilzeit ist über Motorlast und Drehzahl in einem Kennfeld gespeichert.

Zwei-Sonden-Regelung Bei verschärften Abgasbestimmungen wird zusätzlich zur Lambda-Sonde vor dem Katalysator eine zweite Lambda­Sonde hinter dem Katalysator einge­baut. Da sie das Abgas erst nach dem Katalysator erfaßt, d. h. wenn es bereits im stöchiometrischen Gleichgewicht ist, kann sie genauer arbeiten und somit die Regelung der Sonde vor dem Katalysa­tor korrigieren. Eine Lambda-Regelung alleine mit der Sonde hinter dem Katalysator wäre aller-

dings wegen der langen Gaslaufzeiten zu träge. Aus diesem Grund wird die Re­gelung der Sonde vor dem Katalysator durch Manipulation der Verweilzeit tv mit der Regelung der Sonde hinter dem Katalysator langsam korrigiert. Wenn sich die Kennlinie der Lambda­Sonde vor dem Katalysator aufgrund von Alterung verschiebt, kann dies ebenfalls ausgeglichen werden. Die Systeme mit zwei Lambda-Sonden zeichnen sich des­halb durch eine deutlich gesteigerte Lang­zeitstabilität des Abgasverhaltens aus.

Stetige Lambda-Regelung Eine Weiterentwicklung der beschriebe­nen Lambda-Sonden ist die sogenannte BildS

Stellgrößenverlauf mit gesteuerter Lambda­Verschiebung (Zweipunkt-Regelung).

tv Verweilzeit nach Sondensprung.

Cl c: :I c: c: ~ U) c: Q) "0 c: 0 cn

Cl c: :I c: c: ~ U) c: Q)

-g ~

planare Breitband-Lambda-Sonde. Sie besteht aus einer Kombination zweier Zellen mit einer speziellen Reglerelek­tronik. Im Gegensatz zum Spannungssprung, welcher nur fett oder mager anzeigen kann, liefert diese Sonde ein stetiges Signal für die Abweichung von ')... = 1. An­statt einer Zweipunkt-Regelung kann nun eine stetige Lambda-Regelung realisiert werden. Die Vorteile sind: - die wesentlich gesteigerte Dynamik, da

nun die Abweichung vom Sollwert bekannt ist und

- die Möglichkeit, beliebige Sollwerte zu regeln, d. h. auch Werte, die von ')... = 1 abweichen.

Die zweite Möglichkeit gewinnt beson­ders an Bedeutung, wenn das Kraftstoff­einsparpotential für mageren Motorbe­trieb genutzt werden soll (Magerkon­zept). Voraussetzung hierfür sind aller­dings Katalysatoren, die im mageren Be­reich die Stickoxide im Abgas konvertie­ren können.

Katalytische Abgasreinigung

Katalysatorsysteme Je nach Abgaskonzept und Verwen­dungszweck gibt es vier Katalysator­systeme.

Oxidationskatalysator Der Oxidationskatalysator (auch Einbett­Oxidationskatalysator) arbeitet mit Luft­überschuB und wandelt Kohlenwasser­stoffe und Kohlenmonoxid durch Oxida­tion, d. h. Verbrennung, in Wasserdampf und Kohlendioxid um. Stickoxide können durch Oxidationskatalysatoren praktisch nicht verringert werden. Bei Einspritz­motoren erhält man den zur Oxidation notwendigen Sauerstoff meist durch eine magere Gemischeinstellung ('A > 1 ). Bei Vergasermotoren wird vor dem Katalysator "Sekundärluft" durch vom Motor angetrie­bene Kreiselpumpen oder selbstansau­gende Luftventile zugeführt (Bild 9a). Oxidationskatalysatoren wurden erstmals 1975 in Fahrzeugen für die damals gel-

Abgasnach­behandlung

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Abgas­technik

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tenden Abgasvorschriften in den USA eingesetzt. Heute werden sie kaum noch verwendet.

Doppelbettkatalysator Der Doppelbettkatalysator besteht aus zwei hintereinandergeschalteten Kataly­satoren (deshalb Doppelbett). Bei die­sem Verfahren muß der Motor mit fettem Gemisch (A < 1 ), d. h. mit Luftmangel, betrieben werden. Das Abgas durchströmt zuerst einen Reduktionskatalysator, da­nach einen Oxidationskatalysator. Zwi­schen beiden wird Luft eingeblasen. Im ersten Katalysator werden die Stickoxide umgesetzt, im zweiten Kohlenwasser­stoffe und Kohlenmonoxid. Das Doppel­bettkonzept ist wegen des fetten Motor­betriebs das verbrauchsungünstigste Katalysatorkonzept; es kann jedoch mit einem einfachen Gemischbildungssy­stem ohne elektronische Steuerung be­trieben werden. Ein weiterer Nachteil ist, daß bei der Reduktion von Stickoxiden unter Luftmangel Ammoniak (NH3) ent­steht, das bei der nachfolgenden Zugabe von Luft teilweise wieder zu Stickoxiden aufoxidiert wird. Die NOx-Konvertierung ist bei diesem Konzept deutlich schlechter als bei einem Einbett-Dreiwegekatalysator mit Lambda-Regelung. Der Doppelbettkatalysator wird heute kaum noch eingesetzt. ln den USA wurde er von den amerikanischen Kraft­fahrzeug-Herstellern häufig verwendet. Sehr oft wurden in den USA aber auch Doppelbettkonzepte in Verbindung mit Lambda-Regelung angewandt. Das Kon­zept ist jedoch sehr aufwendig und hat wegen der Stickoxidemissionen die oben beschriebenen Nachteile (Bild 9b).

Dreiwegekatalysator Der Dreiwegekatalysator (auch Einbett­Dreiwegekatalysator) hat die Eigen­schaft, alle drei Schadstoffkomponenten gleichzeitig in hohem Maße zu entfernen (Dreiwege). Voraussetzung ist, wie im Abschnitt "Lambda-Regelung" beschrieben, daß das dem Motor zugeführte Gemisch und damit das Abgas im stöchiometrischen

Verhältnis stehen. Dies wird am besten durch die Lambda-Regelung erreicht. Für dieses Motorkonzept ist der Drei­wegekatalysator in Verbindung mit der Lambda-Regelung das zur Zeit wirkungs­vollste Abgasreinigungssystem und wird deshalb zur Erfüllung der strengsten Ab­gasgrenzwerte eingesetzt (Bild 9c). Für den Einsatz des Dreiwegekataly­sators ohne Lambda-Regelung gibt es auch Ausführungen zum Nachrüsten. Damit können natürlich nicht die bei Ver­wendung von Systemen mit Lambda­Regelung erreichbaren hohen Kon­vertierungsgrade erzielt werden. Ein Ab­bau der Schadstoffe um ca. 50% ist je­doch möglich.

NOx-Speicherkatalysator Motoren, die mit sauerstoffarmen Luft­Kraftstoff-Gemisch (A. > 1) betrieben werden (z.B. Magerkonzepte, Benzin­Direkteinspritzung im Teillastbetrieb), weisen im Vergleich zu konventionellen Motoren wesentlich höhere NOx-Kon­zentrationen im Abgas auf. Für eine Reduzierung des NOx-Anteils im Abgas bietet der NOx-Speicherkataly­sator das größte Potential. Dieser ist zu­sammen mit dem im mageren Abgas vorhandenen Sauerstoff in der Lage, die Stickoxide an seiner Oberfläche in Form von Nitraten anzulagern. Sobald aber dessen Speichervermögen erschöpft ist, muß der Speicher-Katalysator regene­riert werden. Dazu wird kurzfristig auf fetten Homogenbetrieb umgeschaltet, wobei das Nitrat vor allem zusammen mit CO zu Stickstoff reduziert wird. Zur Steuerung der Speicher- und Regenerier­phasen sind Daten des Katalysators, die dessen Adsorptions- und Desorptions­Eigenschatten beschreiben, im Steuer­gerät gespeichert. Die Lambda-Sonden vor und hinter dem Katalysator über­wachen die Abgaswerte. Beim zyklischen Umschalten auf den wenige Sekunden dauernden fetten Ho­mogenbetrieb ist es besonders wichtig, daß der Umschaltvorgang ohne Rück­wirkung auf das Fahrverhalten, also ohne Momentensprünge durchgeführt wird.

Trägersysteme Der Katalysator (richtiger: der kataly­tische Abgaskonverter) besteht aus ei­nem Blechbehälter als Gehäuse, einem Träger und der eigentlich aktiven kata­lytischen Schicht. Bei den Trägern gibt es wiederum drei Trägersysteme: - Schüttgutträger (Pellets, veraltet), - keramische Monolithen und - metallische Monolithen.

Keramische Monolithen Keramische Monolithen sind Keramik­körper, die von mehreren tausend klei­nen Kanälen durchzogen sind. Diese Bild 9

Katalysator-Systeme.

werden vom Abgas durchströmt. Die Keramik besteht aus hochtemperatur­festem Magnesium-Aluminium-Silikat. Der auf Spannungen äußerst empfindlich reagierende Monolith ist in einem Blech­gehäuse befestigt. Dazu befindet sich zwischen der Blechschale und dem Trä­ger ein elastisches Metallgeflecht aus hochlegierten Stahldrähten (Drahtdurch­messer ca. 0,25 mm). Dieses Geflecht muß so elastisch sein, daß Fertigungs­toleranzen, die unterschiedlichen Aus­dehnungskoeffizienten von Gehäuse­und Trägermaterial, mechanische Bean­spruchungen im Fahrzeugbetrieb und die am Keramikkörper wirksamen Gaskräfte

a Einbett-Oxidationskatalysator, b Doppelbettkatalysator, c Einbett-Dreiwegekatalysator. 1 Gemischbildner/ Einspritzanlage, 2 Sekundärluft, 3 Oxidationskatalysator HC, CO, 4 Reduktions­katalysator NO,, 5 elektronisches Steuergerät , 6 Lambda-Sonde, 7 Dreiwegekatalysator NO,, HC, CO. Us Sondenspannung, Uv Ventilsteuerspannung.

b

Abgasnach­behandlung

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Abgas­technik

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aufgefangen werden können (Bild 1 0). Die keramischen Monolithen sind die derzeit am häufigsten eingesetzten Ka­talysatorträger. Sie werden von allen europäischen Kraftfahrzeugherstellern angewandt und verdrängen in USA und Japan die dort bisher eingesetzten Schüttgutkatalysatoren.

Metallische Monolithen Metallische Monolithen werden bisher in geringem Umfang angewandt. Zumeist werden sie im motornahen Einbau als Vor- oder Startkatalysatoren zusätzlich zum Hauptkatalysator eingesetzt, um so nach dem Kaltstart des Motors eine schnellere Wirkung der katalytischen Umsetzung zu erreichen. Ihrer Anwen­dung als Hauptkatalysator stehen im wesentlichen noch zu hohe Kosten ge­genüber den keramischen Monolithen entgegen.

Beschichtung Während Schüttgutträger direkt mit den katalytisch aktiven Substanzen be­schichtet werden können, benötigen ke­ramische und metallische Monolithen eine Trägerschicht aus Aluminiumoxid ("wash-coat"), die die wirksame Ober­fläche des Katalysators um etwa den Faktor 7000 vergrößert. Die darauf auf­gebrachte wirksame katalytische Schicht besteht bei Oxidationskatalysatoren aus

Bild 10

Dreiwegekatalysator mit Lambda- Sonde.

den Edelmetallen Platin und Palladium, bei Dreiwegekatalysatoren aus Platin und Rhodium (Bild 10). Platin beschleu­nigt die Oxidation von Kohlenwasser­stoffen und Kohlenmonoxid, Rhodium die Reduktion der Stickoxide. Der in ei­nem Katalysator enthaltene Edelmetall­gehalt beträgt ca. 2 . .. 3 g.

Betriebsbedingungen Wie bei der Lambda-Sonde spielt auch beim Katalysator die Betriebstemperatur eine sehr wichtige Rolle. Eine nennens­werte Konvertierung der Schadstoffe setzt erst bei einer Betriebstemperatur von über ca. 250 oc ein. Ideale Betriebs­bedingungen für hohe Umsetzungsraten und lange Lebensdauer herrschen im Temperaturbereich von ca. 400 . .. 800 oc. Die thermische Alterung wird im Bereich von 800 . . . 1 000 oc durch Sinterung der Edelmetalle und der AI20 3-Trägerschicht wesentlich stärker, was zu einer Redu­zierung der aktiven Oberfläche führt. Da­bei ist auch die Betriebszeit in diesem Temperaturbereich von großem Einfluß. Über 1000 oc verstärkt sich die thermi­sche Alterung sehr stark bis zur fast völ­ligen Wirkungslosigkeit des Katalysators. Diese Eigenschaften begrenzen die Einbaumöglichkeit Für die Einbausteile des Katalysators im Abgassystem muß deshalb ein Kompromiß gefunden wer­den, der in Zukunft durch eine verbes-

1 Lambda· Sonde, 2 keramischer Monolith, 3 elastisches Metallgeflecht, 4 wärmegdämmte Doppelschale, 5 Beschichtung Platin, Rhodium, 6 Trägerkörper Keramik oder Metall.

Chemische Reaktion: 2COt02 2C02 2C,H6+ 702 4C02t6H20 2N0t2CO - N2+ 2C02

serte thermische Stabilisierung der Beschichtung (kritische Grenze bei ca. 950 oq erleichtert wird. Unter günstigen Bedingungen kann eine Lebensdauer des Katalysators bis zu 1 00 000 km er­reicht werden. Durch Fehlfunktion des Motors, z. B. Zündaussetzern, kann die Temperatur des Katalysators auf über 1400°C steigen. Solche Temperaturen führen zur völligen Zerstörung des Katalysators durch Schmelzen des Trägermaterials. Um dies zu verhindern, muß insbesondere das Zündsystem von Katalysator-Fahrzeugen sehr zuverläs­sig und wartungsfrei arbeiten, was durch den Einsatz von elektronischen Syste­men wesentlich gefördert wird. 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 diese. Aber auch Rückstände aus dem Motoröl kön­nen zu einer "Vergiftung" des Katalysa­tors führen.

Sonstige Maßnahmen

Magerkonzepte Bei der Schadstoffreduzierung durch Ab­gaskatalysatoren handelt es sich um ein "motorexternes Verfahren", das den im Motor ablaufenden Verbrennungsprozeß nicht unmittelbar beeinflußt. Im Gegen­satz dazu kann bei "motorinternen Ver­fahren" durch entsprechende Auslegung von Brennraumform, Ventilsteuerzeiten, Abgasrückführung, Verdichtungsverhält­nis, Zündzeitpunkt oder Luft-Kraftstoff­Verhältnis auf den Verbrennungsprozeß eingewirkt und damit die Schadstoffemis­sionen wesentlich gesteuert werden, al­lerdings in nicht so hohem Maße wie bei der katalytischen Abgasreinigung. Sol­che motorinternen Maßnahmen werden bei den Magerkonzepten angewandt. Die Konzentration der vom Motor aus­gestoßenen Schadstoffkomponenten Kohlenwasserstoffe (HC), Kohlenmon­oxid (CO) und Stickoxide (NOx), aber auch der Kraftstoffverbrauch, hängen in

hohem Maße von der Luftzahl Lambda, d. h. dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis ab, bei dem der Motor betrieben wird. Im fet­ten Bereich steigen die HC- und CO­Emissionen an, während sie im mageren Bereich ihr Minimum erreichen. Ebenso verhält sich der spezifische Kraftstoffver­brauch. Die Stickoxide hingegen errei­chen bei leicht magerem Gemisch (A "' 1 ,05) ihr Maximum. ln den Jahren vor 1970 wurden die Moto­ren bei fettem Gemisch betrieben. Das sicherte eine hohe Leistung bei problem­losem Fahrverhalten. Durch die sich ständig verschärfende Abgasgesetz­gebung war man gezwungen, das Luft­Kraftstoff-Verhältnis zu erhöhen, d. h. die Motoren mit Luftüberschuß zu fahren. Damit wurden im wesentlichen die HG­und CO-Emissionen abgesenkt und gleichzeitig der Krl:\ftstoffverbrauch we­sentlich verbessert. Durch diese magere Anpassung sind aber auch die Stickoxide angestiegen. Um das Fahrverhalten nicht zu verschlechtern, mußten für den Magerbetrieb sowohl Motoren als auch Gemischbildungssysteme ständig ver­bessert werden. Auch der Zündzeitpunkt mußte besser angepaßt werden. Zur Ein­stellung des für Kraftstoffverbrauch und Abgas optimalen Zündwinkels kommen deshalb mehr und mehr Managementsy­steme mit elektronischer Zündung zum Einsatz.

Magermotor Konsequente Optimierung des Brenn­raums, unterstützt durch äußere Maß­nahmen (z. B. Einlaßdrall), führen zu ei­nem Magermotor, der bei Luftzahlen um A. "' 1 ,4 betrieben werden kann. Der Ma­germotor zeichnet sich zwar durch nied­rigere Abgasemission und günstigeren Kraftstoffverbrauch aus; er benötigt je­doch zur Einhaltung "scharfer" Abgas­grenzwerte auch eine katalytische Ab­gasnachbehandlung für CO und HC. Da es bis jetzt nicht gelungen ist, die stren­gen Abgasgrenzwerte der USA mit dem Magermotor einzuhalten, konnte sich dieses wegen des niedrigen Kraft­stoffverbrauchs attraktive Konzept bisher nicht durchsetzen.

Abgasnach­behandlung

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Abgas­technik

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Thermische Nachverbrennung Auf dem Weg zur heute üblichen kata­lytischen Nachbehandlung wurde zu­nächst versucht, die Abgasemission durch thermische Nachverbrennung zu senken. Mit diesem Verfahren lassen sich die im Abgas noch vorhandenen unverbrannten Bestandteile durch eine gewisse Verweilzeit bei hohen Tempe­raturen nachverbrennen. Im fetten Be­reich (A = 0,9 . . . 1 ,0) ist dazu Lufteinbla­sung erforderlich, im mageren Bereich (A. = 1 , 1 . . . 1 ,2) erfolgt die Nachverbren­nung durch den im Abgas noch vor­handenen Restsauerstoff. Wegen des nicht vorhandenen Potentials zur Einhaltung niedriger NOx-Grenz­werte ist die thermische Nachbehand­lung derzeit bedeutungslos. Mit ihr kann jedoch die Emission von HG und CO in der Betriebsphase abgesenkt werden, solange der Katalysator seine Betriebs­temperatur noch nicht erreicht hat. Zur Einhaltung künftig verschärfter Abgas­grenzwerte bietet sich deshalb die An­wendung der thermischen Nachbehand­lung mit Lufteinblasung während der Warmlaufphase des Motors an.

Sekundärlufteinblasung Das Einblasen von zusätzlicher Luft di­rekt nach dem Brennraum führt zu einer Nachverbrennung des heißen Abgases. Diese "exotherme Reaktion" reduziert einerseits die Abgasbestandteile Koh­lenwasserstoff (HG) und Kohlenmonoxid (CO) und erwärmt andererseits den Ka­talysator. Dieser Vorgang steigert die Konvertie­rungsrate in der Warmlaufphase des Ka­talysators wesentlich. Die Anlage zur Sekundärlufteinblasung umfaßt im wesentlichen folgende Komponenten (Bild 11 ): - elektrische Sekundärluftpumpe (6), - Sekundärluftventil (5) und - Rückschlagventil (4).

Thermoreaktoren Thermoreaktoren sind so konstruiert,

Luft-Gemisch bei hohen Temperaturen gezündet wird und die Schadstoffe ver­brannt werden. Mit Thermoreaktoren können die HG-Emissionen um ca. 50% abgesenkt werden; dabei steigt der Kraft­stoffverbrauch jedoch um bis zu 15% an. Aus diesem Grund kamen Systeme mit Thermoreaktoren nur kurze Zeit zur An­wendung und wurden durch die Kata­lysatortechnik abgelöst.

Schubabschaltung Auch die Schubabschaltung ist ein Mittel zur Reduzierung der Schadstoffe HG und CO. Bei Schiebebetrieb des Motors ent­steht ein hoher Unterdruck im An­saugsystem und damit im Brennraum. ln diesem Betriebszustand ist wegen des geringen Sauerstoffgehalts das Gemisch schwer zu zünden, und es findet eine unvollständige Verbrennung statt. Dadurch werden unverbrannte Kohlenwasser­stoffe und Kohlenmonoxid ausgestoßen. Durch vollständige Abschaltung der Kraftstoffzufuhr im Schiebebetrieb wird der Ausstoß von unverbrannten Schad­stoffen verhindert. Die Schubabschaltung, die zum Beispiel bei der KE-Jetronic wegen des kon­tinuierlichen Einspritzens der Einspritz­ventile ruckfrei arbeitet, spricht abhängig von der Kühlmitteltemperatur an. Um ständiges Ein- und Ausschalten bei einer Bild 11

Sekundärlufteinblasung.

1 Ansaugluft, 2 Motor, 3 Sekundärluft, 4 Rückschlagventil, 5 Sekundärluftventil, 6 elektrische Sekundärluftpumpe, 7 Lambda-Sonde, 8 Katalysator, 9 Abgas.

Q 9

daß bei möglichst langer Verweilzeit das b bei fettem Motorbetrieb mit hohen HG- "----u··VI

und CO-Anteilen angereicherte Abgas-

bestimmten Drehzahl zu vermeiden, liegt je nach Richtung der Drehzahlver­änderung ein unterschiedlicher Schalt­punkt fest (Hysterese). Für den warmen Motor sind die Schaltschwellen möglichst tief gelegt, damit möglichst viel Kraftstoff eingespart wird. Bei der Vielzahl von Möglichkeiten, die Schadstoffemission beim Ottomotor zu verringern, hängt die anzuwendende technische Lösung von vielen Rand­bedingungen, nicht zuletzt auch von der Abgasgesetzgebung ab.

Abgas- und Ver­dunstungsprüfung

Prüftechnik

Prüfprogramm Um die von einem Pkw ausgestoßenen Schadstoffmengen exakt bestimmen zu können, muß das Fahrzeug in einer Ab­gasprüfzelle unter Bedingungen getestet werden, die den praktischen Fahrbetrieb genau nachvollziehen. Ein Betrieb in der Prüfzelle hat gegenüber Straßenfahrten den Vorteil, daß mit zeitlich genau vor­bestimmten Geschwindigkeiten gefahren werden kann, ohne auf den Verkehrsfluß Rücksicht nehmen zu müssen. Nur so lassen sich miteinander vergleichbare Abgastests durchführen. Das zu testende Fahrzeug wird mit den Antriebsrädern auf drehbare Rollen ge­stellt, die die Reibung und den Luft­widerstand durch einen entsprechenden Widerstand der Rollen beim Drehen und auch das Fahrzeuggewicht durch zu­schaltbare Schwungmassen simulieren können. Für die nötige Kühlung sorgt ein in geringer Entfernung vor dem Fahrzeug aufgestelltes Gebläse. Zur Bestimmung der ausgestoßenen Schadstoffmassen wird einem genau fest­gelegten Geschwindigkeitverlauf "nachge­fahren". Während dieser Zeit wird das er-

zeugte Abgas gesammelt und nach dem Ende des Fahrprogrammes hinsichlieh der Schadstoffmassen analysiert (Bild 1 ). Im Gegensatz zum Sammeln des Abga­ses und der Bestimmung der Emissionen sind die von den jeweiligen Staaten vor­geschriebenen Fahrprogramme nicht ein­heitlich geregelt. Zusätzlich zu den Abga­semissionen werden in einigen Staaten auch die Verdampfungsverluste aus dem Kraftstoffsystem begrenzt.

Rollenprüfstand Für einen Vergleich der Emissionen eines Motors müssen die auf das Fahrzeug wir­kenden Geschwindigkeiten und Kräfte bei der Simulation auf dem Rollenprüfstand und auf der Straße in ihrem zeitlichen Verlauf übereinstimmen. Die Trägheits­kräfte des Fahrzeuges, der Roll- und der Luftwiderstand müssen simuliert werden. Dazu erzeugen Wasserwirbelbremsen, Wirbelstrombremsen oder Gleichstrom­maschinen eine geeignete geschwindig­keitsabhängige Bremslast Diese wirkt auf die Rollen und muß vom Fahrzeug überwunden werden. Schwungmassen unterschiedlicher Größe, die sich über Schnellkupplungen mit den Rollen verbin­den lassen, bilden die Fahrzeugmasse nach. Der Verlauf der Bremslast über der Geschwindigkeit und die geforderte Schwungmasse sind auf jeden Fall sehr genau einzuhalten. Abweichungen führen zu Meßwertverfälschungen. Umgebungs­bedingungen wie Luffeuchte, Temperatur und Luftdruck beeinflussen ebenfalls die Meßergebnisse.

Fahrkurven Vergleichbare Abgasmeßwerte setzen übereinstimmend vorgegebene Geschwin­digkeiten auf der Rolle und der Straße voraus. Ein dazu festgelegter Fahrzyklus mit vorgeschriebenen Getriebeschaltvor­gängen, Brems- und Leerlaufphasen so­wie Fahrzeugstillständen stimmt im Ge­schwindigkeits- und Beschleunigungs­verlauf gut mit der Fahrweise im normalen Straßenverkehr einer Groß­stadt überein. Weltweit gelten sieben verschiedene Fahrkurven. ln Europa wird der Fahrzyklus zur EU Stufe 111 (ab

Abgasnach­behandlung

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Abgas­technik

32

01.2000) verkürzt (der 40s Vorlauf ent­fällt). ln den USA kommt der SFTP-Test für Fahrzeuge mit Klimaanlage und wei­tere Fahrzustände hinzu. Normalerweise sind die Fahrzeuge mit Fahrern besetzt, die den auf einem Bildschirm ablaufenden Geschwindig­keitsvorgaben nachfahren.

Probenentnahme und Verdünnungs­verfahren (CVS-Methode) Mit dem seit 1982 auch in Europa auf die Verdünnungsmethode CVS Qonstant Yolume .S.ampling umgestellte Abgas­sammelverfahren besteht weltweit ein im Prinzip einheitliches Verfahren der Ab­gassammlung.

Probeentnahme und Analyse der Emissionen Das Verdünnungsverfahren arbeitet nach folgendem Prinzip: Das vom Prüffahrzeug ausgestoßene Ab­gas wird mit Umgebungsluft in einem mittleren Verhältnis 1:1 0 verdünnt und Bild 1

Prüfanlagen.

über eine spezielle Pumpenanordnung so abgesaugt, daß der Volumenstrom aus Abgas und Verdünnungsluft konstant ist, d. h. die Luftzumischung richtet sich nach dem momentanen Abgasausstoß. Dem verdünnten Abgasstrom wird wäh­rend der gesamten Testdauer eine kon­stante Teilmenge entnommen und in ei­nem oder mehreren Beuteln gesammelt. Nach dem Ende des Fahrzyklus ent­spricht die Schadstoffkonzentration in den Sammalbeuteln genau dem Mittel­wert der Konzentrationen im gesamten abgesaugten Abgas-Luft-Gemisch. Da das geförderte Volumen des Abgas-Luft­Gemisches bestimmt werden kann, las­sen sich aus den Konzentrationen der Schadstoffe die während des Tests emit­tierten Schadstoffmassen berechnen. Vorteile des Verfahrens: Die Kondensa­tion des im Abgas enthaltenen Wasser­dampfes wird vermieden, was eine deut­liche Verminderung der Stickoxidverluste im Beutel bewirkt. Außerdem werden durch die Verdünnung die Nachreaktionen

a Für US-Federai-Test (hier mit Venturi-Anlage), b für Europa-Test (hier mit Drehkolbengebläse). 1 Bremse, 2 Schwungmasse, 3 Abgas, 4 Luftfilter, 5 Verdünnungsluft, 6 Kühler, 7 Proben-Venturidüse, 8 Gastemperatur, 9 Druck, 10 Venturidüse, 11 Gebläse, 12 Sammelbeutel, 13 Drehkolbengebläse, 14 zum Auslaß. ct Abgase der Übergangsphase, s Abgase der stabilisierten Phase, ht Abgase des Heißtests.

der Abgaskomponenten untereinander (vor allem der Kohlenwasserstoffe) deutlich herabgesetzt. Durch die Verdün­nung sinken jedoch die Schadstoffkon­zentrationen im Verhältnis der mittleren Verdünnung; dies erfordert den Einsatz empfindlicherer Analysatoren. Zur Ana­lyse der Schadstoffe in den Beuteln ste­hen standardisierte Geräte zur Verfü­gung.

Verdünnungsanlagen Als Pumpeinrichtung zum Erzielen eines konstanten Volumenstromes während des Tests sind zwei verschiedene, gleich­berechtigte Verfahren gebräuchlich. Beim ersten saugt ein normales Gebläse das Abgas-Luftgemisch über eine Ven­turi-Düse ab, während beim zweiten ein spezielles Drehkolbengebläse (Roots­gebläse) verwendet wird. Beide Metho­den lassen eine hinreichend genaue Be­stimmung des Volumenstromes zu.

Ermittlung der Verdunstungsverluste aus dem Krattstoffsystem (Evaporation Tests) Unabhängig von den bei der Verbren­nung im Motor entstehenden Schad­stoffe emittiert ein Kraftfahrzeug weitere Mengen an Kohlenwasserstoffen {HC) durch Verdunsten des Kraftstoffes aus Kraftstoffbehälter und -kreislauf {abhän­gig von konstruktiven Auslegungen und Kraftstofftemperatur). ln einigen Ländern (z. B. USA und Europa) bestehen Vor­schriften zur Begrenzung dieser Ver­dunstungsverluste.

SHED-Test Der SHED-Test als gebräuchlichstes Ver­fahren zur Ermittlung der Verdunstungs­verluste läuft in zwei Testphasen- mit un­terschiedlicher Konditionierung - in einer gasdichten Kammer (SHED-Zelt) ab. Der erste Test erfolgt bei einem zu etwa 40% gefüllten Kraftstoffbehälter. Während der Erwärmung des Prüfkraft­stoffes (Ausgangstemperatur 1 0 ... 14,5 oq beginnt bei 15,5 oG die eigentliche Mes­sung der HG-Konzentration in der Kam­mer. Sie endet nach einer Stunde bei ei­nem Anstieg der Kraftstofftemperatur um

14 oG mit dem erneuten Messen der HG­Konzentration. Aus der Differenz der Messungen vor und nach dem Test lassen sich die Verdunstungsverluste bestim­men. Während der gesamten Messung müssen Fenster und Kofferraumdeckel des Fahrzeuges geöffnet sein. Zur Ermittlung der Verdunstungsemission in der zweiten Testphase wird das Fahr­zeug vorher durch den im jeweiligen Staat gültigen Testzyklus "heißgefahren" und dann in der Kammer abgestellt. Die Mes­sung erfaßt die Erhöhung der HG-Kon­zentration über den Zeitraum einer Stunde beim Abkühlen des Fahrzeuges.

Die Summe beider Meßergebnisse muß unter dem zur Zeit geforderten Grenzwert von 2 g verdunsteten Kohlenwasserstof­fen liegen. ln den USA wurde eine Ver­schärfung des SHED-Tests beschlossen.

ECE/EG-Testzyklus und Grenzwerte Der EGE/EG-Testzyklus verfügt über eine synthetisch erzeugte Fahrkurve (Bild 2). Diese Fahrkurve simuliert in guter Näherung Fahrten im Innenstadt­verkehr. Seit 1993 wurde der Zyklus um einen außerstädtischen Anteil mit Ge­schwindigkeiten bis zu 120 km/h ergänzt. Dieser neue EGE/EG-Testzyklus ist zur Zeit für folgende Staaten verbindlich: Deutschland, Niederlande, Belgien, Lu­xemburg, Frankreich, Dänemark, Groß­britannien, Irland, Italien, Spanien, Finn­land, Österreich, Schweden, Griechen­land und Portugal.

Der Abgastest verläuft nach folgendem Schema: Nach entsprechender Konditionierung {Abstellen des Fahrzeuges bei einer Raumtemperatur von 20 ... 30 °G, minde­stens 6 Stunden) beginnt der eigentliche Fahrtest nach einem Kaltstart und 40 Se­kunden Vorlauf (Dieser Vorlauf entfällt ab EU Stufe 111). Während der Messung wird Abgas nach der GVS-Methode in einem Beutel gesammelt. Die durch die Analyse des Beutelinhaltes ermittelten Schad­stoffmassenwerden im Europatest eben­falls auf die Fahrstrecke umgerechnet. Die Kohlenwasserstoffe und die Stick-

Abgas-und Verdunstungs­prüfung

33

Abgas­technik

34

oxide werden zu einem Summengrenz­wert (HC+NOx) zusammengefaßt. Ab EU Stufe 111 werden diese Stoffe getrennt betrachtet. Seit 1992 gilt eine Verschärfung der Grenzwerte unabhängig vom Fahrzeug­hubraum. Diese Regelung mit der Bezeichnung 91/441 EWG (EU Stufe I) ist im Abschnitt "Abgasgrenzwerte", Tabelle 1 aufgeführt. Sie begrenzt außer­dem auch die Verdunstungsverluste. Eine weitere Herabsetzung der Grenz­werte brachte 1996/97 die Regelung 94/12/EWG (EU Stufe II). Weitere Grenzwertverschärfungen sind für Europa vorgesehen (Stufe 111 und IV, 2000 und 2005): - Kaltstart bei -rc (ab 2002), - EOBD (.E.uropean-Qn-.Qoard-Qiagnose)

der abgasrelevanten Teile, - strengerer Verdunstungsemissionstest - Dauerhaltbarkeit(80 000; 100 000 km)

und Feldüberwachung. - Die Abgas-Probeentnahme erfolgt so­

fort nach dem Start.

USA Testzyklen

FTP 75-Testzyklus Die Fahrkurve des FTP 75-Testzyklus (Eederal Iest .Erocedure) mit drei Testab­schnitten setzt sich aus Geschwindig­keitsverläufen zusammen, die in den USA auf den Straßen von Los Angeles während des morgendlichen Berufsverkehrs tat­sächlich gemessen wurden (Bild 3a): Nach entsprechender Konditionierung (Abstellen des Fahrzeuges für 12 Stun­den bei einer Raumtemperatur von 20 ... 30 oC) wird das zu prüfende Fahr­zeug gestartet und die vorgegebene Fahrkurve nachgefahren: Phase ct: Sammeln des verdünnten Ab­gases im Beutel 1 während der kalten Übergangsphase. Phase s: Umschalten der Probennahme auf Beutel 2 zu Beginn der stabilisierten Phase (nach 505 s), ohne Unterbrechen des Fahrprogramms. Pause durch Ab­stellen des Motors für 1 0 Minuten un­mittelbar nach Beendigung der stabili­sierten Phase (nach 1372 s).

Phase ht: Erneuter Start des Motor zum Heißtest (505 s Dauer), dessen Ge­schwindigkeitsverlauf mit dem der kalten Übergangsphase übereinstimmt. Wäh­renddessen wird das Abgas in einem dritten Beutel gesammelt. Die Beutelpro­ben der vorhergehenden Phasen werden in der Pause vor dem Heißtest analysiert, da die Proben nicht länger als 20 min in den Beuteln verbleiben sollten. Nach dem Abschluß der Fahrkurve wird die Abgasprobe des dritten Beutels ebenfalls analysiert. Die aus allen drei Beuteln gewichtet aufsummierten Schad­stoffmassen (HC, CO und NOx; ct 0,43, s 1, ht 0,57) werden auf die im Test zurückgelegte Fahrstrecke bezogen und als Schadstoffausstoß pro Meile ausge­geben. Die maximal zulässigen Schad­stoffmengen sind in den einzelnen Staa­ten unterschiedlich festgelegt. Dieses Testverfahren wird außer in den USA ein­schließlich Kalifornien ("Abgasgrenz­werte", Tabelle 2) auch noch in anderen Staaten angewandt (Tabelle 4).

SFTP-Zyklen Die Prüfungen nach dem SFTP-Stan­dard werden stufenweise zwischen 2001 und 2004 eingeführt. Sie setzt sich aus drei Fahrzyklen zusammen: dem FTP 75-, dem SC03- und dem US06-Zyklus.

Bild 2

ECE/EG-Testzyklus mit außerstädtischem Anteil.

1 Vorlauf (ohne Messung): bisher 40s, entfällt ab EU Stufe 111. Zykluslänge: 11 km Mittlere Geschwindigkeit: 32,5 km/h Maximale Geschwindigkeit: 120,0 km/h

km/h

120

,. 100

-~ -5, 80 '6 c: ~ 60 ~ :g, 40 .c lf.

1000 1220 s Testdauert

Damit sollen folgende, zusätzliche Fahr­zustände überprüft werden (Bild 3b,c): - aggressives Fahren, - starke Geschwindigkeitsänderungen, - Motorstart und Anfahrt, - Fahrten mit häufigen, geringen Ge-

schwindigkeitsänderungen, - Abstellzeiten und - Betrieb mit Klimaanlage.

Beim SC03- und US06-Zyklus wird nach der Vorkonditionierung jeweils die ct-Phase des FTP 75-Testzyklus gefahren, ohne die Abgase zu sammeln. Es sind aber auch andere Konditionierungen möglich.

Der SC03-Zyklus wird bei 30°C und 40% relativer Luftfeuchte gefahren (nur Fahr­zeuge mit Klimaanlage) . Die einzelnen Fahrzyklen werden folgendermaßen ge­wichtet:

Bild3

USA Testzyklen.

a

Testzyklus FTP75

Zykluslänge: 17,87 km

Zyklusdauer: 1877 s +

- Fahrzeuge mit Klimaanlage: 35% FTP 75 + 37% SC03 + 28% US06

- Fahrzeuge ohne Klimaanlage: 72% FTP 75 + 28% US06

Der SFTP und der FTP 75-Testzyklus müssen unabhängig voneinander be­standen werden (Tabelle 2 und 3 im Ab­schnitt "Abgasgrenzwerte").

Testzyklen für die Ermittlung des Flottenverbrauchs

Jeder Fahrzeughersteller muß seinen Flottenverbrauch ermitteln. Überschrei­tet ein Hersteller bestimmte Grenzwerte, muß er Strafabgaben entrichten. Unter­halb bestimmter Grenzwerte erhält er ei­nen Bonus. Der Kraftstoffverbrauch wird aus den Abgasen zweier Testzyklen er­mittelt: dem FTP 75-Testzyklus (55%) und dem Highway-Testzyklus (45%).

b c d SC03 USOS Highway

5.76 km 12,87 km 16,44 km

594s 600s 765 s

600 s Pause

Mittlere Zyklusgeschwindigkeit 34,1 km/h 34,9 km/h

Maximale Zyklusgeschwindigkeit 91 ,2 km/h 88,2 km/h

kmlh b

120 Cl· Phase· Moloraus SC03

600s

• ct Übergangsphase; s Stabilisierte Phase, ht Heißtest Phasen in denen das Abgas gesammelt wird

- Konditionierung (auch andere Fahrzyklen sind möglich)

Motor aus

6005

77,3 km/h 77,4 km/h

129,2 km/h 96,4 km/h

rn~ 505 s

Abgas-und Verdunstungs­prüfung

35

Abgas­technik

36

Der Highway-Testzyklus wird nach der Vorkonditionierung (Abstellen des Fahr­zeugs für 12 Stunden bei 20 ... 30°C) einmal ohne Messung gefahren. An­schließend werden die Abgase eines weiteren Durchgangs gesammelt. Aus den Emissionen wird dann der Kraft­stoffverbrauch ermittelt (Bild 3d).

Jeder neu zugelassene Pkw muß diese Grenzwerte (unabhängig vom Fahrzeug­gewicht und Hubraum) über eine Fahr­strecke von 50 000 Meilen einhalten. Die USA lassen für die verschiedenen Mo­delljahre unter bestimmten Vorausset­zungen Ausnahmegenehmigungen zu. Der Gesetzgeber unterscheidet zwi­schen Grenzwerten bei 50 000 und 100 000 Meilen. Bei 1 00 000 Meilen sind Bild4

Japan-Testzyklen.

a 11-mode-Zyklus (Kalttest) Zykluslänge: 1,021 km Zyklenzahlffest: 4 Mittlere Geschwindigkeit: 30,6 km/h Maximale Geschwindigkeit: 60 km/h

b 10•15-mode-Zyklus (Heißtest) Zykluslänge: 4,16 km Zyklenzahlffest: 1 Mittlere Geschwindigkeit: 22,7 km/h Maximale Geschwindigkeit: 70 km/h

km/h a

]! 60 Cl '6 c -~ 40 .!::: t.J Ul <ll

f20 CU lL

0 0

Testdauert

km/h ~

b

]! 60 Cl '6 c -~ 40 .!::: t.J Ul <ll

f20 CU lL

200 Testdauert

s

600 s

die zulässigen Grenzwerte höher (Ver­schlechterungsfaktoren). Ein beschlossenes Gesetz ("Clean Air Act") sieht neben vielen Maßnahmen zum Schutz der Umwelt eine Verschär­fung der Grenzwerte für Abgasemis­sionen von Fahrzeugen seit 1994 vor (Tabelle 2). Kalifornien hat bereits die Verschärfung der Grenzwerte 1993 be­schlossen und plant darüber hinaus noch weitere drastische Schritte. Beim Start eines Fahrzeuges bei tiefen Temperaturen entstehen durch die not­wendige Kaltstartanreicherung beson­ders hohe Schadstoffemissionen, die sich beim derzeit gültigen Abgastest (bei Umgebungstemperatur 20 ... 30 °C) nicht erfassen lassen. Um diese Schad­stoffe ebenfalls zu begrenzen, sieht der "Clean Air Act" einen Abgastest bei -6,7 oc vor. Ein Grenzwert ist jedoch nur für Kohlenmonoxid vorgegeben.

Japan-Testzyklus Der Gesamttest setzt sich aus zwei Test­zyklen mit unterschiedlichen, synthetisch erzeugten Fahrkurven zusammen: Der 11-mode-Zyklus wird nach dem Kalt­start viermal durchfahren, wobei alle vier Zyklen bewertet werden. Der 10•15-mode-Test wird als Heißtest einmal durchfahren (Bild 4). Die Vorkonditionierung für den Heißstart umfaßt den ebenfalls vorgeschriebenen Leerlauf-Abgastest und verläuft nach folgendem Schema: Nach ca. 15 Minuten Warmfahren des Fahrzeugs bei 60 km/h werden die HC-, CO- und C02-Konzentrationen im Aus­puffrohr gemessen. Nach einer weiteren Warmlaufphase von 5 Minuten bei 60 km/h beginnt der 1 0 •15-mode-Heißtest. Sowohl beim 11-mode-Test als auch beim 10•15-mode-Test erfolgt die Ab­gasanalyse über eine CVS-Anlage. Das verdünnte Abgas wird jeweils in einem Beutel gesammelt. Im Kalttest werden die Schadstoffe in g/Test angegeben, während sie im Heißtest auf die Fahr­strecke bezogen, d. h. in g/km umge­rechnet werden (Tabelle 5 im Abschnitt "Abgasgrenzwerte"). ln Japan schließen die Abgasvorschrif-

ten eine Begrenzung der Verdunstungs­verluste ein, die nach der SHED-Me­thode bestimmt werden.

Abgasmeßgeräte

Mit der Absicht, die gesundheitsgefähr­denden Bestandteile des Abgases zu verringern, hat der Gesetzgeber die Überprüfung der Abgasemissionen auch bei den im Verkehr befindlichen Fahrzeu­gen in seine Vorschriften aufgenommen. in Deutschland wird deshalb bei den regelmäßigen Überprüfungen nach § 29 StVZO bzw. bei der Abgas-Untersu­chung (AU) die Einhaltung eines be­stimmten CO-Grenzwertes überwacht. in der Kfz-Werkstatt sind Abgasmeßgeräte darüber hinaus Voraussetzung für eine optimale Einstellung der Gemischauf­bereitung und unentbehrliche Hilfsmittel bei der Fehlersuche am Motor.

Meßverfahren Die einzelnen Abgasbestandteile müs­sen selektiv mit großer Genauigkeit ge­messen werden. in den Labors werden hierfür aufwendige Verfahren angewandt. in der Kfz-Werkstatt hat sich zur Abgas­prüfung letztlich nur das Infrarot-Verfah­ren durchgesetzt. Dieses Verfahren be­ruht auf dem Prinzip, daß Infrarotlicht von bestimmten Abgasbestandteilen stark absorbiert wird, und zwar bei einer für den jeweiligen Bestandteil charakteristi­schen Wellenlänge. Je nach Ausführung gibt es Ein-Kom­ponenten-Geräte (z. B. für CO) oder Mehr-Komponenten-Geräte (für CO/HC, CO/C02 , CO/HC/C02 usw.).

Meßkammer Ein auf ca. 700 oc erhitzter Strahler sen­det Infrarot-Strahlung aus, die eine Meßküvette durchstrahlt und in eine Empfängerkammer eintritt. Bei der CO­Messung ist in der Empfängerkammer Gas mit definiertem CO-Anteil fest ein­geschlossen. Darin wird ein Teil der CO­spezifischen Strahlung absorbiert. Diese Absorption verursacht eine Temperatur­erhöhung im Gas, die eine Gasströmung

Meßkammer nach dem Infrarot-Verfahren (Prinzip).

1 Empfängerkammer mit Ausgleichsvolumen V1

und V2, 2 Strömungsfühler, 3 Meßküvette, 4 rotierende Chopperscheibe mit Motor, 5 Infrarot-Strahler.

Bild 5

über einen Strömungsfühler vom Volu­men V1 in das Ausgleichsvolumen V2

zur Folge hat. Da die Strahlung durch eine rotierende "Chopperscheibe" rhythmisch unterbrochen wird, ergibt sich eine Wechsel-Grundströmung zwischen den beiden Volumen V1 und V2 . Der Strömungsfühler formt diese Strömung in ein elektrisches Wechselsignal um. Ein Meßgas mit veränderlichem CO-Anteil absorbiert beim Durchströmen der Meß­küvette je nach Höhe des CO-Anteils ei­nen Teil der Strahlungsenergie, die damit der Empfängerkammer verlorengeht

Als Folge davon verringert sich die Grundströmung in der Empfängerkam­mer. Somit ist die Abweichung vom Wechsel-Grundsignal ein Maß für den CO-Gehalt im Meßgas.

Gasweg (Bild 6) Das zu messende Abgas wird am Aus­puff des Kraftfahrzeugs mit Hilfe einer

Abgas-und Verdunstungs­prüfung

37

Abgas­technik

38

Sonde (1) entnommen. Es wird über eine im Meßgerät eingebaute Membran­pumpe (6) angesaugt und über ein Grob­filter (2) in den Wasserabscheider (3) ge­führt. Angesaugtes Kondenswasser und grobe Schmutzteile werden hier abge­schieden, bevor das Meßgas in einem weiteren Feinfilter (4) nochmals gereinigt wird. Mit dem Magnetventil (5) vor der Membranpumpe wird der Eingang der Meßkammer (9) von Abgas auf Luft umgeschaltet, wenn die automatische Nullpunktjustierung erfolgt. Sicherheits­filter in den beiden Eingängen für Abgas und Luft schützen die Meßkammer vor Eindringen fester Teile. Auch vor dem möglichen Eindringen von Wasser, z. 8. wenn der externe Wasserabscheider nicht rechtzeitig entleert wird, ist die Meßkammer geschützt. Die Drossel im Topf (1 0) bewirkt einen Druckanstieg im Sicherheitsbehälter (8) und damit ein Durchströmen der Meßkammer im Ne­benschluß. Möglicherweise angesaugtes Wasser fällt infolge seiner Schwere über das Verbindungsrohr in den Topf und ge­langt über den Ausgang wieder ins Freie. Mit dem Druckschalter (7) wird über­wacht, ob immer eine ausreichende

Bild 6

Gasweg Im CO-Meßgerät.

Menge Gas angesaugt wird. Die Drossel im Sicherheitsbehälter verursacht am Pumpenausgang einen Druckanstieg, der den Druckschalter zum Ansprechen bringt. Wird der Gasweg unterbrochen, fällt der Druckschalter ab. Eine Fehler­meldung zeigt dem Bediener die Fehl­funktion an.

Katalysatorprüfung Bei Fahrzeugen mit geregeltem Kata­lysator kann die mittelbare Funktions­prüfung des Katalysators mit Hilfe einer "Leitkomponente" erfolgen. Sinnvoller­weise eignet sich dafür CO, das hinter dem Katalysator einen Volumenanteil von 0,2% nicht überschreiten darf. Vor­aussetzung ist allerdings, daß Lambda exakt bei 1 ,00 (± 0,01) liegt. Lambda läßt sich mit Hilfe der Abgas­zusammensetzung am Ausgang des Ka­talysators ermitteln. Aus den Abgas­anteilen von CO, HG, C02 und 0 2 und Konstanten für NO und Kraftstoffzusam­mensetzung errechnet das Abgasmeß­gerät den Wert von Lambda mit der er­forderlichen Genauigkeit. Der 0 2-Gehalt wird dabei mit einer elek­trochemischen Sonde gemessen.

1 Sonde, 2 Grobfilter, 3 Wasserabscheider, 4 Feinfilter, 5 Magnetventil, 6 Membranpumpe, 7 Druck­schalter, 8 Sicherheitsbehälter, 9 Meßkammer, 10 Topf.

~----------------------~

- a I s- ' I '

I 9

3

Aktuelle Abgasgrenzwerte für Ottomotoren (Stand 1998)

Tabelle 1 Abgasgrenzwerte in der EU gemessen im ECE/EG-Testzyklus.

Standards Einführung CO HC NOx HC+NOx g/km g/km g/km g/km

EU Stufe I 07.92 2,72 - - 0,97

EU Stufe II 01.96 2,2 - - 0,5

EU Stufe 111 01.00 2,3 0,2 0,15 -EU Stufe IV 01.05 1,0 0,1 0,08 -

Tabelle 2 Grenzwerte für USA Bund (49 Staaten) und Kalifornien. FTP 75-Testzyklus.

Modelljahr Standards CO HC NOx g/mile g/mile g/mile

USA Bund 1994 Tier 1 3,4 0,25 0,4 2004 1) Tier 2 1,7 0,125 2) 0,2

Kalifornien 3) TLEV 4) 3,4 0,125 2) 0,4 3) LEV 5) 3,4 0,075 2) 0,2 3) ULEV 6) 1,7 0,04 2) 0,2

1) Vorschlag. 2) NMOG = !'-lon Methanic Qrganic (2ases. 3) Die Einführung ist vom NMOG-Schnitt der Fahrzeugflotte eines Herstellers abhängig (er zertifiziert das Fahrzeug und die gesamte Fahrzeugflotte). 4) Iransitional Low !;mission ',lehicles. 5) Low !;mission ',lehicles. 6) !,Jitra Low !;mission ',lehicles.

Tabelle 3 Grenzwerte für USA. SFTP-Testzyklus.

NMHC 1)+N0x COcomposite 2) COsc03 2) COusos 2) g/mile g/mile g/mile

bis 50000 Meilen 0,65 3,4 3,0 9,0 50000 bis 100000 Meilen 0,91 4,2 3,7 11,1

1) !'-lon Methane HC. 2) Der Hersteller kann entscheiden, ob er COcomposite· oder die COsco3- und COusos­Grenzwerte zertifiziert.

Tabelle 4 Grenzwerte für Argentinien, Australien, Brasilien, Kanada, Mexiko, Norwegen, Schweiz und Südkorea gemessen im FTP 75-Testzyklus.

Land Einsatztermin CO HC NOx Verdunstung g/km g/km g/km (HC) g/Test

Argenlinien 01.97 2,0 0,3 0,6 6,0

Australien 01.97 1,91 0,24 0,57 1,9

Brasilien 01.97 2,0 0,3 0,6 6,0

Kanada 01.98 2,1 THC 2) 0,25; NMHC 3) 0,16

0,24 2,0

Mexiko 01.95 2,11 0,25 0,62 2,0

Norwegen 01.89 2,1 0,25 0,62 2,0

Schweiz 1) 10.87 2,1 0,25 0,62 2,0 Südkorea 01.91 2,11 0,25 0,62 2,0

01.00 0,16 0,25

1) EUlECE-Regelungen werden seit 10.95 anerkannt. 2)THC = Iotal HC. 3) NMOG = !:!on Methane HC.

Tabelle 5 Abgasgrenzwerte für Japan gemessen im Japan-Testzyklus

Testverfahren CO HC NOx Verdunstung (HC)

1 0·15-mode (g/km) 2, 1...2,7 (0,67) 0,25 ... 0,39 (0,08) 0,25 ... 0,48 (0,08) -11-mode (g/T est) 60,0 ... 85,0 (1 9,0) 7,0 ... 9,5 (2,2) 4,4 .. 6,0 (1,4) -

SHED (g/Test) - - - 2,0

( ) geplante Werte

Abgas- und Verdunstungs­prüfung

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Steuerung des Ottomotors

40

Steuerung des Ottomotors

Anforderungen

Drehmomente am Ottomotor

Die von einem Ottomotor abgegebene Leistung P wird bestimmt durch das verfügbare Kupplungsmoment und die MotordrehzahL Das Kupplungsmoment ergibt sich aus dem durch den Verbrennungsprozeß erzeugten Moment, vermindert um das Reibmoment (Reibungsverluste im Mo­tor) und die Ladungswechselverluste, sowie das zum Betrieb der Nebenaggre­gate benötigte Moment (Bild 1 ). Das Verbrennungsmoment wird im Arbeitstakt erzeugt und ist durch die folgenden Größen bestimmt: - die Luftmasse, die nach dem Schlie­

ßen 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-Kraftstoff­Gemisches einleitet.

Bild 1

Drehmomente am Antriebsstrang.

1 Nebenaggregate (Generator, Klima­kompressor usw.),

2 Motor, 3 Kupplung, 4 Getriebe.

Luftmasse (Frischgasfüllung)

Kraftstoffmasse

Zündwinkel (Zündzeilpunkt)

2

Momentaus Verbrennung

Hauptaufgabe der Motorsteuerung

Die Hauptaufgabe der Motorsteuerung ist, das vom Motor erzeugte Drehmo­ment einzustellen. Dazu werden in den verschiedenen Teilsystemen der Motor­steuerung alle drehmomentbeeinflus­senden Größen gesteuert.

Füllungssteuerung Bei den Bosch Motorsteuerungsyste­men mit elektronischem Gaspedal (EGAS) wird im Teilsystem "Füllungs­steuerung" die erforderliche Füllung der Motorzylinder mit Luft ermittelt und die Drosselklappe entsprechend geöffnet. Bei den konventionellen Einspritzsyste­men steuert der Fahrer durch Betätigen des Fahrpedals direkt die Öffnung der Drosselklappe.

Gemischbildung Im Teilsystem "Gemischbildung" wird die zugehörende Kraftstoffmasse berechnet und daraus die erforderliche Einspritzeit und der optimale Einspritzzeitpunkt be­stimmt.

3

Motor­moment

4

Kt.Wungs­moment

Zündung Im Teilsystem "Zündung" wird schließlich der Kurbelwellenwinkel ermittelt, an dem der Zündfunke für die zeitgerechte Ent­flammung des Gemisches sorgt.

Ziel dieser Steuerung ist, das vom Fah­rer geforderte Drehmoment bereitzustel­len und gleichzeitig die hohen Anforde­rungen an - Abgasemission, - Verbrauch, -Leistung, - Komfort und - Sicherheit zu erfüllen.

Zylinderfüllung

Bestandteile Das Gasgemisch, das sich nach dem Schließen der Einlaßventile im Zylinder befindet, wird als Zylinderfüllung bezeich­net. Sie besteht aus der zugeführten Frischluft und Restgas.

Frischgas Bestandteile des angesaugten Frischga­ses sind Frischluft sowie der darin mit­geführte Kraftstoff. Der wesentliche An­teil der Frischluft strömt über die Dros­selklappe, zusätzliches Frischgas kann Bild2

Zylinderfüllung im Ottomotor.

1 Luft und Kraftstoffdampf, 2 Regenerierventil

mit variablem Ventilöffnungsquerschnitt, 3 Verbindung zum Kraftstoff-

verdunstungs-Rückhaltesystem, 4 Abgas, 5 Abgasrückführventil (AGA-Ventil)

mit variablem Ventilöffnungsquerschnitt, 6 Luftmassenstrom ( Umgebungsdruck Pu), 7 Luftmassenstrom (Saugrohrdruckp5 ), ~ 8 Frischgasfüllung (Brenn raumdruck p8 ) , '--,/ 6

über ein vorhandenes Kraftstoffver­dunstungs-Rückhaltesystem angesaugt werden (Bild 2). Die nach dem Schließen der Einlaßventile im Zylinder vorhan­dene, über die Drosselklappe zugeführte Luft ist die entscheidende Größe für die während der Verbrennung am Kolben verrichtete Arbeit und damit für das vom Motor abgegebene Drehmoment. Maß­nahmen zur Steigerung von maximalem Drehmoment und maximaler Leistung des Motors bedingen daher fast immer eine Erhöhung der maximal möglichen Füllung. Die theoretische Maximalfüllung ist durch den Hubraum vorgegeben.

Restgas Der Restgasanteil der Füllung wird ge­bildet - durch die Abgasmasse, die im Zylinder

verbleibt und nicht während der Öff­nungszeit des Auslaßventils ausge­schoben wird, sowie

- bei Systemen mit Abgasrückführung durch die Masse des rückgeführten Abgases (Bild 2).

Der Restgasanteil wird durch den La­dungswechsel bestimmt. Die Restgasmasse nimmt nicht direkt an der Verbrennung teil, beeinflußt jedoch die Entflammung und den Verlauf der Verbrennung. Im Teillastbetrieb des Mo­tors kann dieser Restgasanteil daher durchaus erwünscht sein. Um ein gefordertes Drehmoment zu er-

2 ~===3

10y 9 Restgasfüllung (Brennraumdruck p8 ) , - ---'---------,,\W::.

10 Abgas ( Abgasgegendruck PA) . 11 Einlaßventil, 12 Auslaßventil. a DrosselklappenwinkeL

Zylinder­füllung

41

Steuerung des Ottomotors

42

reichen, muß die verringerte Frischgas­füllung über eine größere Drosselklap­penöffnung ausgeglichen werden. Damit verringern sich die Pumpverluste des Motors. Ein reduzierter Kraftstoffver­brauch ist die Folge. Ein gezielt einge­setzter Restgasanteil kann ebenfalls die Verbrennung beeinflussen und somit die Emission von Stickoxiden (NOx) und unverbrannten Kohlenwasserstoffen (HC) reduzieren.

Steuerung

Drosselklappe Die von einem Ottomotor abgegebene Leistung ist proportional zum angesaug­ten Luftmassenstrom. Die Steuerung der Motorleistung und damit - bei einer be­stimmten Drehzahl - die Steuerung des Motormoments geschieht über die Dros­selklappe, die den vom Motor angesaug­ten Luftstrom steuert. Ist die Drossel­klappe nicht vollständig geöffnet, so wird die vom Motor angesaugte Luft gedrosselt und damit das erzeugte Drehmoment reduziert. Diese Drosselwirkung hängt ab von der Stellung und damit vom Öff­nungsquerschnitt der Drosselklappe. Bei voll geöffneter Drosselklappe wird das maximale Moment des Motors er­reicht. Bild 3 zeigt den prinzipiellen Zusam­menhang zwischen Frischgasfüllung und Drehzahl in Abhängigkeit von der Drosselklappenöffnung.

Ladungswechsel Der Ladungswechsel von Frischgas und Restgas geschieht durch geeignetes Öff­nen und Schließen der Einlaß- und Aus­laßventile. Die Nocken der Nockenwelle bestimmen die Zeitpunkte des Öffnens und Schließans der Ventile (Steuerzeiten), 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 Auslaßventil, hat entscheidenden Einfluß

auf die im Zylinder verbleibende Restgas­masse. ln diesem Fall spricht man von "innerer" Abgasrückführung. Die Rest­gasmasse kann auch durch "äußere" Ab­gasrückführung vergrößert werden. ln diesem Fall verbindet ein zusätzliches AGR-Ventil Saugrohr und Abgasrohr. Bei geöffnetem Ventil saugt der Motor ein Gemisch aus Frischluft und Abgas an.

Aufladung Das erreichbare Drehmoment ist propor­tional zur Frischgasfüllung. Daher kann das maximale Drehmoment gesteigert werden, indem die Luft vor Eintritt in den Zylinder verdichtet wird.

Dynamische Aufladung Eine Aufladung kann durch Nutzung dy­namischer Effekte im Ansaugrohr erzielt werden. Der Aufladungsgrad hängt ab von der Gestaltung des Saugrohrs sowie vom Betriebspunkt (im wesentlichen von der Drehzahl, aber auch von der Motorlast). Mit der Möglichkeit, die Saugrohrgeome­trie während des Fahrbetriebes zu än­dern, kann die dynamische Aufladung in einem weiten Betriebsbereich für eine Er­höhung der maximalen Füllung sorgen

Bild3

Drosselkennfeld eines Ottomotors.

- - - Zwischenstellung der Drosselklappe

t Cl c: ..2 a gj Cl

.J: u cn ~

min.

Drosselklappe voll geöffnet

Leerlauf Drehzahl--max.

Mechanische Aufladung Eine weitere Erhöhung der Luftdichte wird durch Verwendung von mechanisch angetriebenen Verdichtern erreicht. Die Kurbelwelle des Motors treibt den Ver­dichter an. Das Übersetzungsverhältnis ist meist fest. Häufig werden Kupplungen zur Zuschaltung des Verdichters ver­wendet.

Abgasturboaufladung Die Energie zum Antrieb des Verdichters wird dem Abgas entnommen. Dabei wird die Energie genutzt, die bei Saugmoto­ren infolge des durch den Kurbeltrieb vorgegebenen Expansionsverhältnisses nicht genutzt werden kann. Andererseits wird das Abgas beim Verlassen des Mo­tors höher aufgestaut, um die notwen­dige Verdichterleistung zu erhalten. Die Abgasenergie wird dabei durch eine Abgasturbine in mechanische Energie umgesetzt. Damit bietet sich ein Strö­mungsverdichter zur Vorverdichtung der Frischluft an. Die Kombination von Abgas­turbine und Strömungsverdichter bildet den Abgasturbolader. Bild 4 zeigt den Unterschied im Drehmo­mentverlauf zwischen Saug- und Auflade­motor.

Bild4

Drehmomentverlauf für Motor mit Abgas­turbolader im Vergleich zum Saugmotor bei gleicher Nennleistung.

1 Motor mit Abgasturbolader, 2 Saugmotor.

t

% Y2 % Motordrehzahl nn --

Gemischbildung

Einflußgrößen

Luft-Kraftstoff-Gemisch Ein Ottomotor benötigt zum Betrieb 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.

Der spezifische Kraftstoffverbrauch eines Ottomotors ist wesentlich vom Mischungs­verhältnis des Luft-Kraftstoff-Gemisches abhängig. Für die reale vollständige Verbrennung und damit für möglichst ge­ringen Kraftstoffverbrauch ist ein Luft­überschuB notwendig, dem jedoch wegen der Entflammbarkeil des Gemisches und der verfügbaren Brenndauer Grenzen gesetzt sind.

Das Luft-Kraftstoff-Gemisch hat außer­dem entscheidenden Einfluß auf die Wirk­samkeit der Abgasnachbehandlungs­systeme. Stand der Technik ist der Drei­wegekatalysator, der bei einem stöchio­metrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis seine optimale Wirkung hat. Mit ihm können schädliche Abgaskomponenten um mehr als 98% reduziert werden.

Heute verfügbare Motoren werden daher mit stöchiometrischem Gemisch betrie­ben, sobald der Betriebszustand des Motors dies zuläßt.

Bestimmte Betriebszustände des Motors erfordern eine Gemischkorrektur. Ge­zielte Änderungen der Gemischzusam­mensetzung sind z.B. beim kalten Motor erforderlich. Das Gemischaufbereitungs­system muß daher in der Lage sein, diese variablen Forderungen zu erfüllen.

Gemisch­bildung

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Steuerung des Ottomotors

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Luftzahl Zur Kennzeichnung dafür, wie weit das tatsächlich vorhandene Luft-Kraftstoff­Gemisch vom theoretisch notwendigen Massenverhältnis (14, 7:1) abweicht, hat man die Luftzahl bzw. das Luftverhältnis 'A (Lambda) gewählt: 'A = Verhältnis von zugeführter Luft­masse zum Luftbedarf bei stöchiometri­scher Verbrennung. 'A = 1: Die zugeführte Luftmasse ent­spricht der theoretisch erforderlichen Luftmasse. 'A < 1: Es herrscht Luftmangel und damit fettes Gemisch. Optimale Leistung ergibt sich bei "-=0,85 ... 0,95. ').. > 1: ln diesem Bereich herrscht Luft­überschuB oder mageres Gemisch. Bei dieser Luftzahl sind verringerter Kraft­stoffverbrauch und verringerte Leistung zu verzeichnen. Der erreichbare Maxi­malwert für ').. - die sogenannte "Mager­laufgrenze" - ist sehr stark von der Kon­struktion des Motors und vom verwende­ten Gemischaufbereitungssystem ab­hängig. An der Magerlaufgrenze ist das Gemisch nicht mehr zündwillig. Es treten Verbrennungsaussetzer auf. Die Laufun­ruhe des Motors nimmt stark zu. Bei Motoren mit Direkteinspritzung herrschen andere Verbrennungsverhält­nisse, so daß diese mit wesentlich höheren Luftzahlen (bis zu 'A=4) betrie­ben werden können. Ottomotoren mit Saugrohreinspritzung

Bild 1

Einfluß der Luftzahl A. auf Leistung P und spezifischen Kraftstoffverbrauch h0 •

a Fettes Gemisch (Luftmangel), b mageres Gemisch (Luftüberschuß) .

.rf

~ -e

I <((;;

.s:: ~-~ ij'!;l ~~

a b

~---0~,8~---1~,0----~1.~2--~

Luftzahl A

erreichen ihre Höchstleistung bei 5 ... 15% Luftmangel ('A = 0,95 ... 0,85), geringsten Kraftstoffverbrauch bei 1 0 ... 20 % Luft­überschuss ('A = 1, 1 ... 1 ,2). Die Bilder 1 und 2 zeigen die Abhängig­keit der Leistung und des spezifischen Kraftstoffverbrauchs sowie der Schad­stoffentwicklung von der LuftzahL Dar­aus läßt sich ableiten, daß es kein idea­les Luftverhältnis gibt, bei dem alle Fak­toren den günstigsten Wert annehmen. Zur Realisierung eines "optimalen" Ver­brauchs bei "optimaler'' Leistung haben sich Luftzahlen von 'A = 0,9 ... 1, 1 als zweckmäßig erwiesen. Zur katalytischen Abgasnachbehandlung durch einen Dreiwegekatalysator ist die exakte Einhaltung von ').. = 1 bei be­triebswarmen Motor unbedingt erforder­lich. Um dies zu erreichen, muß die angesaugte Luftmasse genau ermittelt und eine exakt dosierte Kraftstoffmasse zugemessen werden. Bei den heute üblichen Motoren mit Saugrohreinspritzung ist neben der ge­nauen Einspritzmenge auch ein homo­genes Gemisch für den optimalen Ver­brennungsablauf erforderlich. Dazu ist eine gute Zerstäubung des Kraftstoffes notwendig. Wird diese Voraussetzung nicht erfüllt, schlagen sich große Kraft­stoffiropfen am Saugrohr oder der Brenn­raumwand nieder. Diese großen Tropfen können nicht vollständig verbrennen und führen zu erhöhten HG-Emissionen.

Bild 2

Einfluß der Luftzahl A auf die Schadstoff­zusammensetzung im Rohabgas.

~ CD X

~~ :2 . -wü ~::c ro . -<iiO O:ü

CO

0,6 0,8 1,0 1,2 Luftzahl A.

1,4

Anpassung an Betriebszustände Bei einigen Betriebszuständen weicht der Kraftstoffbedarf stark vom stationären Bedarf des betriebswarmen Motors ab, so daß korrigierende Eingriffe in die Ge­mischbildung erforderlich sind. Die fol­gende Beschreibung befaßt sich mit den Verhältnissen am Motor mit Saugrohr­einspritzung.

Kaltstart Beim Kaltstart verarmt das angesaugte Luft-Kraftstoff-Gemisch, es magert ab. Dies ist zurückzuführen auf ungenügende Durchmischung der angesaugten Luft mit dem Kraftstoff, auf geringe Verdampfung des Kraftstoffs und auf starke Wandbe­natzung wegen der niedrigen Tempera­turen. Um dies auszugleichen und das "Anspringen" des kalten Motors zu er­leichtern, muß im Augenblick des Starts zusätzlich Kraftstoff zugeführt werden.

Nachstartphase Nach dem Start ist bei tiefen Temperatu­ren für kurze Zeit ein Anreichern mit zu­sätzlichem Kraftstoff erforderlich, bis die erhöhte Brennraumtemperatur eine ver­besserte Gemischaufbereitung im Zylin­der ermöglicht. Das fette Gemisch be­wirkt ein erhöhtes Drehmoment und da­durch einen besseren Übergang auf die gewünschte LeerlaufdrehzahL

Warmlaufphase An den Kaltstart und die Nachstartphase schließt sich die Warmlaufphase des Motors an. Der Motor benötigt in dieser Phase eine Warmlaufanreicherung, weil ein Teil des Kraftstoffs an den noch kalten Saugrohrwänden kondensiert. Je niedri­ger die Temperatur, um so schlechter ist die Kraftstoffaufbereitung (z.B. wegen ge­ringerer Durchmischung von Luft und Kraftstoff sowie der geringen Verdamp­fungsneigung des Kraftstoffs). Im Saug­rohr entsteht ein Kraftstoffniederschlag, der erst bei höheren Temperaturen ver­dampft. Diese genannten Einflüsse be­dingen ein mit fallender Temperatur zu­nehmendes Anfetten.

Leerlauf und Teillast Bei den heute üblichen Konzepten wird der betriebswarme Motor in der Teillast ausschließlich mit stöchiometrischem Gemisch betrieben.

Vollast Bei ständig geöffneter Drosselklappe kann eine Anreicherung des Gemisches erforderlich sein. Wie aus Bild 1 hervor­geht, erzielt man dadurch das größtmög­liche Drehmoment oder die größtmögliche Leistung. Die Anreicherung kann aber auch erforderlich sein, um Motor oder Abgasreinigungssystem vor Überhitzung zu schützen.

Beschleunigung und Verzögerung Die Verdampfungsneigung des Kraft­stoffes hängt stark von dem im Saugrohr herrschenden Druck ab. Schnelle Ände­rungen des Saugrohrdrucks, wie sie bei schnellen Änderungen der Drosselklap­penöffnung auftreten, führen daher dazu, daß sich der Saugrohrwandfilm verändert. Bei einer starken Beschleunigung steigt der Saugrohrdruck an, die Verdampfungs­neigung des Kraftstoffs wird schlechter und der Wandfilm damit dicker. Da also ein Teil des eingespritzten Kraftstoffs im Wandfilm verloren geht, magert der Motor kurzzeitig ab, bis der Wandfilm wieder stabil ist. Eine schnelle Verzögerung führt in analoger Weise zur Anfettung des Mo­tors. Eine temperaturabhängige Korrek­turfunktion ("Übergangskompensation") korrigiert das Gemisch, um optimales Fahrverhalten zu erhalten und das für den Katalysator notwendige konstante Luft-Kraftstoff-Verhältnis zu garantieren.

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

Gemisch­bildung

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Steuerung des Ottomotors

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Luftversorgung

Luftfilter Luftfilter halten den in der Ansaugluft ent­haltenen Staub vom Motor fern und ver­hindern dadurch Motorverschleiß. Der Staubgehalt der Luft beträgt auf be­festigten Straßen im Mittel 1 mgfm3; auf unbefestigten Straßen oder im Bau­stelleneinsatz kann der Staubgehalt auf 40 mgfm3 steigen. Ein Motor von mitt­lerer Größe würde damit auf 1000 km je nach Straßenverhältnissen oder Einsatz­art bis zu 50 g Staub ansaugen.

Luftfilter für Pkw Für Pkw eignen sich Radkasten- oder Zentralfilter mit Papiereinsatz (Bilder 1 und 2). Sie müssen neben der Filterung noch die Ansauglufttemperatur vorwär­men und regeln und das Ansaugge­räusch dämpfen. Die Regulierung der

Bild i

Zentralfilter für Pkw.

Ansauglufttemperatur ist für das Be­triebsverhalten des Fahrzeuges und für die Abgaszusammensetzung wichtig. Bei Teil- und Vollast können die Tempe­raturen verschieden sein. Die erforderliche Warmluft wird in Aus­puffnähe abgenommen und der ange­saugten Kaltluft am Filtereintritt über einen Klappenmechanismus zugeführt. Die Regelung erfolgt überwiegend auto­matisch über pneumatisch vom Saug­rahrunterdruck betätigte Druckdosen oder Dehnstoffelemente. Die geregelte (und damit konstante) Ansauglufttem­peratur beeinflußt durch bessere Ge­mischaufbereitung und Verteilung des Luft-Kraftstoff-Gemisches die Motorlei­stung, den Kraftstoffverbrauch und die Abgaswerte positiv. Außerdem wird durch die Ansaugluftvor­wärmung die Anwärmphase nach dem Start des Motors, insbesondere bei tiefen Außentemperaturen, verkürzt.

1 Kaltlufteintritt, 2 Warmlufteintritt, 3 Austritt Warmluft-Kaltluft-Gemisch, 4 Druckdose.

Bild 2

Radkastenfilter für Pkw.

1 Kaltlufteintritt, 2 Warmlufteintritt, 3 Austritt Warmluft-Kaltluft-Gemisch.

Bild3

Papierluftfilter mit Zyklon für Nkw.

1 Lufteintritt, 2 Luftaustritt, 3 Zyklonleitschaufeln, 4 Filtereinsatz, 5 Staubsammelbehälter.

3

Pkw-Luftfilter sind als Radkasten- oder Zentralfilter mit Papiereinsatz ausge­führt. Diese haben einen hohen, von der Belastung unabhängigen Abscheidungs­grad. Die Papierpatronen werden in einfacher Weise bei den vom Fahrzeug­hersteller festgelegten Wartungsinter­vallen ausgewechselt. Für jeden Motor müssen Pkw-Luftfilter gesondert abge­stimmt werden, um Leistung, Kraftstoff­verbrauch, Ansauglufttemperatur und Dämpfung zu optimieren.

Luftfilter für Nkw Für Nkw eignen sich vorwiegend Papier­luftfilter, vereinzelt auch Ölbadluftfilter. Charakteristisch für Papierluftfilter sind hohe Abscheidungsleistungen in allen Belastungsbereichen und der Wider­standsanstieg mit zunehmender Bestau­bung. Bei dem Papierluftfilter kann ein Zyklon-Vorabscheider direkt in das Ge­häuse raumsparend eingebaut sein (Bild 3). Diese Kombination wird bevor­zugt verwendet. Bei Wartung wird der Filtereinsatz ausgetauscht bzw. der Staubtopf entleert. Der Wartungszeitpunkt bei Papierluft­filtern wird vielfach durch Wartungs­anzeiger signalisiert. Hierzu sind die Angaben des Fahrzeug­oder Geräteherstellers zu beachten. Zur Wartungsvereinfachung können je nach Stärke der Motorluftpulsation speziell abgestimmte Staubaustragsventile ver­wendet werden. Zyklone dienen der Verlängerung der Bild 4

Ansauggeräuschdämpfung.

Dämpfungsverlauf eines Ansaugdämpfers. Resonanz des Dämpfers fo = 66 Hz. 1 Theoretischer Dämpfungsverlauf ohne

Berücksichtigung von Rohrresonanzen. 2 Gemessener Dämpfungsverlauf bei

kleiner Schallenergiedichte ohne Gleich-strömung (Lautsprecher-Messung).

3 Gemessener Dämpfungsverlauf bei großer Schallenergiedichte mit Gleich-strömung (Messung am Motor).

Luftfilter mit Ansaugrohr. I Länge des Ansaugrohres, Am mittlerer Querschnitt des Ansaugrohr~ V Volumen des Filters. .

V Am

Standzeiten und damit der Wartungs­intervalle. Die Luft wird über Leitschau­feln in Rotation versetzt, wobei ein Groß­teil des Staubes ausgeschieden wird, bevor er das nachgeschaltete Luftfilter erreicht. Zyklone können Papierluftfiltern und Ölbadluftfiltern vorgeschaltet wer­den. Als Alleinfilter sind sie für Motoren wegen ihres nicht ausreichenden Ab­scheidungsgrades ungeeignet. Einschlä­gige Norm: DIN 71 459.

Ansauggeräuschdämpfung Das Ansauggeräusch von Pkw- und Nkw-Luftfiltern muß gedämpft werden, damit die gesetzlichen Auflagen für das Gesamtgeräusch des Fahrzeuges erfüllt werden. Die Dämpfung erfolgt fast ausschließlich über die Ausbildung des Luftfilters als Reflexionschalldämpfer in der speziellen Form des Helmholtz­Resonators. Der Helmholtz-Resonator als Saugreso­nator dämpft im Bereich seiner Eigen­frequenz. Als durchströmter Resonator verstärkt er bei seiner Eigenfrequenz, hat aber danach einen breiten Dämpfungs­bereich. Bei ausreichender Dimensionierung (als guter Erfahrungswert für Viertakt­motoren gilt der 15- bis 20fache Hub­raum eines Zylinders) wird im allgemei­nen eine Dämpfung des Ansauggeräu­sches um 1 0 ... 20 dB(A) erreicht. ln be­sonderen Fällen, bei denen spezielle Frequenzen stark störend auftreten, sind Zusatzdämpfer einzusetzen (Bild 4).

dB

+50

+40 ~/ /

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-20 I I

20 50 100 200 500 Hz

Frequenz f

Luft­versorgung

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Steuerung des Ottomotors

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Kraftstoffversorgung

Kraftstoffversorgungs­system Das System zur Kraftstoffversorgung be­steht aus folgenden Komponenten: - Kraftstoffbehälter, - Kraftstoffleitungen, - Elektrokraftstoffpumpe, - Kraftstoffilter, - Kraftstoffverteiler (nur bei Einzelein-

spritzung) und - Druckregler.

Diese Komponenten haben im Verbund die Aufgabe, dem Motor unter allen Betriebsbedingungen (Kaltstart, Hei ßför­derung, Leerlauf und Vollast) stets die benötigte Kraftstoffmenge zur Verfügung zu stellen. Hierzu fördert eine elektrisch angetrie­bene Pumpe (Eiektrokraftstoffpumpe) den Kraftstoff über ein Krattstotfilter aus dem Kraftstoffbehälter zum jeweiligen EinspritzventiL Das elektromagnetische Einspritzventil spritzt den Kraftstoff ge­nau dosiert in das Saugrohr des Motors. Der nicht verbrauchte Kraftstoff fließt über einen Druckregler, der für konstan­ten Druck im Einspritzsystem sorgt, zum Kraftstoffbehälter zurück (Bild 1 ). Bei der Zentraleinspritzung wird der Kraftstoff über nur ein Einspritzventil an zentraler Stelle oberhalb der Drossel­klappe eingespritzt. Bei der Einzeleinspritzung ist jedem Zy­linder ein separates Einspritzventil zu­geordnet, das sich im Saugrohr dicht vor dem jeweiligen Einlaßventil befindet. Die Kraftstoffzufuhr zu den einzelnen Ein­spritzventilen erfolgt über ein Kraftstoff­verteilerstück (Verteilerrohr).

Kraftstoffbehälter Gemäß Straßenverkehrszulassungsord­nung müssen Kraftstoffbehälter korro­sionsfest und bei doppeltem Betriebs­überdruck, mindestens aber bei 0,3 bar Überdruck, dicht sein. Auftretender Über­druck muß durch geeignete Öffnungen, Sicherheitsventile oder dergleichen

selbsttätig entweichen. Kraftstoff darf aus dem Füllverschluß oder den Druckaus­gleich-Einrichtungen auch bei Schräg­lage, Kurvenfahrt oder Stößen nicht aus­fließen. Kraftstoffbehälter müssen so vom Motor getrennt sein, daß auch bei Unfäl­len eine Entzündung nicht zu erwarten ist. Für Fahrzeuge mit offenem Führerhaus, Zugmaschinen und Busse gelten außer­dem besondere Bestimmungen.

Kraftstoffleitungen Kraftstoffleitungen dürfen durch Fahr­zeugverwindung, Motorbewegung und dergleichen nicht nachteilig beeinflußt werden. Als Kraftstoffleitungen können fugenlose, elastische Metallschläuche oder kraft­stoffeste Schläuche aus schwer brenn­baren Stoffen eingebaut werden. Sie müssen gegen mechanische Beschädi­gungen geschützt sein. Alle krafstofführenden Teile müssen ge­gen betriebsstörende Wärme geschützt und so angeordnet sein, daß abtropfen­der oder verdunstender Kraftstoff sich weder ansammeln noch an heißen Teilen oder elektrischen Geräten entzünden kann. Bei Bussen dürfen Kraftstofflei­tungen nicht im Fahrgast- oder Führer­raum liegen, und der Kraftstoff darf nicht durch Schwerkraft gefördert werden.

Elektrokraftstoffpumpe Die Verwendung von Elektrokrattstoff­pumpen im Pkw bringt besonders hohe Anforderungen hinsichtlich Funktion, Baugröße, Geräuschentwicklung und Lebensdauer mit sich. Mit verschieden­artigen Pumpentypen ist es möglich, diese Anforderungen für unterschied­liche Einspritzsysteme und Motortypen bei allen Betriebszuständen stets glei­chermaßen zu erfüllen. Elektrokrattstoff­pumpen gibt es für den Leitungseinbau (Bild 1 a) oder Tankeinbau (Bild 1 b). Leitungseinbaupumpen befinden sich außerhalb des Kraftstoffbehälters in der Kraftstoffleitung zwischen Kraftstoffbe­hälter und Krattstotfilter an der Boden­gruppe des Fahrzeugs.

Bild 1

Kraftstoffversorgungssystem (Beispiel mit Einzeleinspritzung).

Mit Elektrokraftstoffpumpe für a Leitungseinbau, b Tankeinbau. 1 Kraftstoffbehälter, 2 Elektrokraftstoffpumpe, 3 Kraflstoffilter, 4 Kraftstoffverteiler, 5 Einspritzventil , 6 Druckregler.

a

3

b 4

l 3

---------------------- --------- -

Kraftstoff­versorgung

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Steuerung des Ottomotors

50

Tankeinbaupumpen dagegen befinden sich im Kraftstoffbehälter selbst in einer speziellen Halterung, die üblicherweise zusätzlich noch ein saugseitiges Kraft­stoffsieb, eine Füllstandsanzeige, einen Dralltopf als Kraftstoffreservoir sowie elektrische und hydraulische Anschlüsse nach außen enthält.

Aufgabe Beginnend mit dem Startvorgang des Motors läuft die Elektrokraftstoffpumpe ununterbrochen und fördert somit den Kraftstoff kontinuierlich aus dem Kraft­stoffbehälter über ein Krattstotfilter zum Motor. Ein Druckregler sorgt für einen konstanten Druck im Einspritzsystem (gleichbleibende Druckdifferenz zwi­schen Kraftstoff- und Saugrohrdruck). Überschüssiger Kraftstoff fließt zum Kraftstoffbehälter zurück. Um unter allen Betriebsbedingungen den erforderlichen Kraftstoffdruck aufrechtzuerhalten, ist die Fördermenge größer als der maximale Kraftstoffbedarf des Motors. Die Motorsteuerung schaltet die Elek­trokraftstoffpumpe ein. Eine Sicherheits­schaltung verhindert die Förderung bei eingeschalteter Zündung und stehen­dem Motor.

Aufbau Elektrokraftstoffpumpen bestehen aus den Funktionselementen (Bild 2) : - Anschlußdeckel, - Elektromotor und - PumpenteiL

Bild 2

Elektrokraftstoffpumpe (Beispiel).

1 Pumpenteil, 2 Elektromotor, 3 AnschlußdeckeL

2

Anschlußdeckel Der Anschlußdeckel enthält die elektri­schen Anschlüsse, das Rückschlagventil und den druckseiligen hydraulischen An­schluß. Das Rückschlagventil hält den System­druck nach Ausschalten der Elektrokraft­stoffpumpe noch einige Zeit aufrecht, um Dampfblasenbildung bei erhöhten Kraft­stofftemperaturen im Kraftstoffsystem zu verhindern . Zusätzlich können im Anschlußdeckel Entstörmittel integriert sein.

Elektromotor Der Elektromotor besteht aus einem Permanentmagnetsystem und einem Anker, dessen Auslegung von der ge­wünschten Fördermenge bei vorgege­benem Systemdruck bestimmt wird. Der Elektromotor und der Pumpenteil der Elektrokraftstoffpumpe befinden sich in einem gemeinsamen Gehäuse. Sie wer­den ständig von Kraftstoff umströmt und damit fortwährend gekühlt. Dadurch läßt sich eine hohe Motorleistung ohne auf­wendige Dichtelemente zwischen Pum­penteil und Elektromotor erzielen.

Pumpenteil Den Pumpenteil gibt es in verschiedenen Ausführungen, da das jeweils an­gewandte Funktionsprinzip vom Ein­satzbereich der Elektrokraftstoffpumpe abhängt.

3

Bauarten (Bild 3)

Verdrängerpumpen Auf dem Verdrängerprinzip beruhen Rollenzellenpumpen (RZP) für einen Druckbereich bis 650 kPa und Innen­zahnradpumpen (IZP) für einen Druck­bereich bis 400 kPa. Verdrängerpumpen arbeiten vorwiegend in Einzeleinspritzsystemen.

Rollenzellenpumpe: Die Rollenzellen­pumpe besteht aus einer exzentrisch an­geordneten Kammer, in der eine Nut­scheibe rotiert. ln jeder Nut befindet sich eine lose geführte Rolle. Durch Rotation der Nutscheibe und durch den Kraftstoff-

Bild3

Elektrokraftstoffpumpen-Bauarten.

a Rollenzellenpumpe (RZP), b Innenzahnradpumpe (IZP), c Peripheralpumpe (PP) d Seitenkanalpumpe (SKP).

a

A

druck werden die Rollen gegen die au- b

Benliegende Rollenlaufbahn und die trei- r-----------, benden Flanken der Nuten gedrückt. Die Rollen wirken dabei als umlaufende FA~~;::>,)). Dichtungen, wobei sich zwischen je zwei Rollen, der Nutscheibe und der Rollen­laufbahn eine Kammer bildet. Die Pump­wirkung kommt dadurch zustande, daß sich das Kammervolumen nach Ab­schließen der nierenförmigen Zulauföff­nung kontinuierlich verkleinert. Der Kraft­stoff durchströmt nach Aufsteuern der Auslaßöffnung den Elektromotor und verläßt die Rollenzellenpumpe über den druckseiligen Anschlu ßdeckel.

lnnenzahnradpumpe: Die lnnenzahnrad­pumpe besteht aus einem inneren An­triebsrad und einem dazu exzentrisch angeordneten Läufer, der mit dem An­triebsrad mitdreht Das Antriebsrad hat einen Zahn weniger als der Läufer, wo­durch ein sich bei Drehung veränderndes Kammervolumen entsteht. Während der Kammervergrößerung ist die Kammer mit der Einlauföffnung verbunden, wobei der Kraftstoff angesaugt wird. Hat das Kammervolumen sein Maximum er­reicht, wird es beim Weiterdrehen des Laufrades gegen den Einlaßbereich ab­geschlossen. Der Kraftstoff wird nun durch das sich wieder verkleinernde Kammervolumen über den etwas später freiwerdenden Auslaß durch das Motor­teil aus der Innenzahnradpumpe geför-dert.

Kraftstoff­versorgung

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Steuerung des Ottomotors

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Strömungspumpen Auf dem Strömungsprinzip beruhen Pe­ripheralpumpen (PP) für einen Druckbe­reich bis 400 kPa, sowie Seitenkanal­pumpen (SKP) als Vorförderpumpen für Verdrängerpumpen bis 30 kPa. Die Vor­förderpumpe verbessert das "Heißben­zinverhalten". Sie scheidet eventuell auf­tretende Dampfblasen aus bzw. unter­bindet deren Bildung. Strömungspumpen eignen sich beson­ders für geräuschempfindliche Anwen­dungsfälle.

Peripheralpumpen: Die Peripheralpum­pe besteht aus einem Laufrad mit zahl­reichen Schaufeln am Radumfang. Im zweiteiligen Pumpengehäuse befindet sich ein Kanal, der die Laufradschaufeln am gesamten Umfang (peripheral) um­gibt. Das Laufrad schleudert die Flüssigkeits­teilchen nach außen in den Kanal, in dem durch Impulsaustausch ein kontinuier­licher Druckaufbau mit nahezu pulsa­tionsfreier Strömung des Kraftstoffs ent­steht.

Seitenkanalpumpe: Das Funktionsprin­zip der Seitenkanalpumpe ähnelt dem der Peripheralpumpe; die Kralstotförde­rung erfolgt ebenfalls durch Fliehkraft­wirkung. Der Hauptunterschied liegt in der Form des Laufrades mit einer geringeren An­zahl von Schaufeln und in der Form und Anordnung der Strömungskanäle. Diese verlaufen ausschließlich seitlich neben den Schaufeln (Seitenkanäle) . Die Anordnung erzeugt im Vergleich zur Peripheralpumpe einen niedrigeren Druck, der zwischen 20 und 30 kPa liegt. Die Seitenkanalpumpe wird bevorzugt als Vorstufe (Vorförderpumpe) einge­setzt.

Kraftstoffilter

Einspritzanlagen in Fahrzeugen mit Otto­motor arbeiten mit höchster Präzision. Dazu benötigen sie eine wirksame Rei­nigung des Kraftstoffs. Filteranlagen oder einfache Filter im Kraftstoffkreislauf neh­men sowohl die den Verschleiß bewir­kenden Teilchen als auch das zu Korro­sion und Quellung führende Wasser auf. Am Abscheiden der Schmutzstoffe in Form fester Teilchen sind neben dem Siebeffekt auch noch Aufprall-, Diffu­sions- und Sperreffekte beteiligt. Die Ab­scheidegüte dieser einzelnen Effekte hängt von der Größe bzw. der Durch­flußgeschwindigkeit der Teilchen ab. Die Filterdicke (und damit die Verweildauer der Schmutzpartikel im Filterwerkstoff) ist darauf abgestimmt. Wird ein Filter von verschmutzter Flüs­sigkeit durchströmt, so lagern sich auf seiner Oberfläche Schmutzpartikel ab. Diese bilden einen immer dicker wer­denden, fein strukturierten Filterkuchen, dessen Abscheideeffekte dieselben sind wie im eigentlichen Filterwerkstoff. Daher tritt bei Krattstotfiltern die optimale Reini­gungswirkung erst ein, nachdem sich der Filterkuchen gebildet hat.

Bild 4

Krattstotfilterpapier unter dem Rasterelektronenmikroskop.

Als Filterwerkstoff hat sich Papier ge­genüber Filz und den Spaltfiltern ent­scheidend durchgesetzt. Ein aus Fasern in dünnen Schichten aufgebautes Pa­piervlies (Bild 4), mit harzartigen Stoffen imprägniert, ist im Kraftstoffkreislauf so integriert, daß jeder Flächenanteil des Filterwerkstoffs möglichst mit gleicher Kraftstoffgeschwindigkeit durchströmt wird. Bei regelmäßiger Wartung schützt das Krattstotfilter die Einspritzanlagen si­cher vor Versehrnutzung und Verschleiß.

Kraftstoffvertei I er Bei der Einzeleinspritzung durchströmt der Kraftstoff den Kraftstoffverteiler und wird so gleichmäßig auf alle Einspritz­ventile verteilt. Neben den Einspritzven­tilen ist meist auch der Druckregler und eventuell ein Druckdämpfer am Kraft­stoffverteiler befestigt. Die gezielte Abstimmung der Kraftstoff­verteilerabmessungen 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 beste­hen die Kraftstoffverteiler aus Stahl, Alu­minium oder Kunststoff. Zu Prüfzwecken und zum Kraftstoffdruckabbau im Service kann ein Prüfventil integriert sein.

Kraftstoffdruckregler Die Einspritzmenge soll nur von der Ein­spritzzeit abhängen. Die Differenz zwi­schen Kraftstoffdruck und Saugrohrdruck muß deshalb konstant bleiben. Der last­abhängige Saugrohrdruck muß also auf den Kraftstoffdruck "abgebildet" werden . Deshalb läßt der Kraftstoffdruckregler gerade soviel Kraftstoff zum Kraftstoff­behälter zurückfließen, daß das Druck­gefälle über dem jeweiligen Einspritzven­til konstant bleibt. Bei der Einzeleinsprit­zung ist der Kraftstoffdruckregler zur vollständigen Durchspülung des Kraft­stoffverteilers normalerweise an dessen Ende montiert; er kann jedoch auch in

der Kraftstoffleitung sitzen. Bei der Zen­traleinspritzung ist der Druckregler im Einspritzaggregat integriert. Der Kraftstoffdruckregler ist als mem­brangesteuerter Überströmdruckregler ausgebildet. Eine Gummigewebemem­bran teilt den Kraftstoffdruckregler in eine Kraftstoffkammer und in eine Feder­kammer. Die Feder preßt über den in die Membran integrierten Ventilträger 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 soviel Kraft­stoff zum Kraftstoffbehälter fließen, daß sich an der Membran ein Kräftegleich­gewicht einstellt. Bei der Einzeleinspritzung 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 über den Ein­spritzventilen hängt deshalb allein von der Federkraft und der Membranfläche ab und bleibt folglich konstant (Bild 5). Bei der Zentraleinspritzung wirkt in der Federkammer über Belüftungsöffnungen derselbe Umgebungsdruck wie an der Abspritzstelle des Einspritzventils.

Bild 5

Krattstoffdruckregler.

1 Saugrohranschluß, 2 Feder, 3 Ventilträger, 4 Membran, 5 Ventil, 6 Kraftstoffzulauf, 7 Kraftstoffrücklau I.

Kraftstoff­versorgung

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Steuerung des Ottomotors

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Zündung

Aufgabe

Aufgabe der Zündung ist es, das ver­dichtete Luft-Kraftstoff-Gemisch im richti­gen Zündzeitpunkt zu entflammen und so seine Verbrennung einzuleiten. Im Ottomotor geschieht das durch einen elektrischen Funken, d.h. durch eine kurzzeitige Lichtbogenentladung zwi­schen den Elektroden der Zündkerze. Eine unter allen Umständen sicher ar­beitende Zündung ist Voraussetzung für den einwandfreien Betrieb des Kataly­sators. Zündaussetzer führen zur Schä­digung oder Zerstörung des Katalysators wegen Überhitzung bei der Nach­verbrennung des unverbrannten Gemi­sches.

Anforderungen

Zur Entflammung eines Luft-Kraftstoff­Gemisches durch elektrische Funken ist pro Einzelzündung eine Energie von etwa 0,2 mJ erforderlich, sofern das Ge­misch stöchiometrisch zusammen­gesetzt ist. Fette und magere Gemische brauchen über 3 mJ. Diese Energie ist nur ein Bruchteil der im Zündfunken steckenden Gesamtenergie, der Zünd­energie. Steht zu wenig Zündenergie zur Verfügung, so kommt die Zündung nicht zustande; das Gemisch kann nicht ent­flammen, und es gibt Verbrennungs­aussetzer. Aus diesem Grund muß soviel Zündenergie bereitgestellt wer­den, daß selbst unter widrigen äußeren Bedingungen das Luft-Kraftstoff-Ge­misch mit Sicherheit entflammt. Dabei genügt es, wenn eine kleine zündfähige Gemischwolke am Funken vorbei­streicht. Die Gemischwolke entflammt, entzündet das übrige Gemisch im Zylin­der und leitet so die Kraftstoff­verbrennung ein. Gute Aufbereitung und leichter Zutritt des Gemisches zum Zünd­funken verbessern die Zündeigen­schaften ebenso wie lange Funkendauer

und große Funkenlänge bzw. großer Elektrodenabstand. Funkenlage und Funkenlänge sind durch die Ab­messungen der Zündkerze gegeben, die Funkendauer durch Art und Auslegung der Zündanlage sowie durch die augen­blicklichen Zündverhältnisse.

Zündzeitpunkt

Zündzeitpunkt und seine Verstellung Vom Augenblick der Gemischentflam­mung bis zur vollständigen Gemisch­verbrennung vergehen etwa zwei Milli­sekunden. Bei gleicher Gemischzusam­mensetzung bleibt diese Zeit konstant. Der Zündfunke muß deshalb so früh­zeitig überspringen, daß der Verbren­nungsdruck in jedem Betriebszustand des Motors optimal ist. Es ist üblich, den Zündzeitpunkt auf die Stellung der Kurbelwelle zum "Oberen Totpunkt" (OT) zu beziehen und ihn als Winkel in "Grad vor OT" anzugeben. Diesen Winkel nennt man ZündwinkeL Ein Verstellen des Zündwinkels in Richtung OT bezeichnet man als Spät­verstellung und ein Verstellen in entge­gengesetzter Richtung als Frühverstel­lung (Bild 1 ).

Bild 1

Stellung von Kurbelwelle und Kolben im Zündzeitpunkt (Z) bei Frühzündung.

Der Zündzeitpunkt soll so gewählt sein, daß folgende Forderungen erfüllt wer­den können: - maximale Motorleistung, - sparsamer Kraftstoffverbrauch, - Vermeidung des Motorklopfens und - "sauberes" Abgas.

Diese Forderungen sind aber nicht gleichzeitig erfüllbar; es müssen von Fall zu Fall Kompromisse geschlossen wer­den. Der jeweils günstigste Zünd­zeitpunkt hängt von vielen Faktoren ab, insbesondere von der Motordrehzahl, von der Motorbelastung, von der Mo­torbauweise, vom Kraftstoff und von besonderen Betriebsbedingungen (z.B. Starten, Leerlauf, Vollast, Schiebebe­trieb). Die Grundanpassung des Zünd­zeitpunktes an den augenblicklichen Betriebszustand des Motors besorgen drehzahl- und lastabhängige Zündver­stelleinrichtungen. Das Klopfen des Motors entsteht durch stoßartige Verbrennung von Gemisch­teilen, die die von der Funkenzündung ausgehende Flammfront noch nicht erfaßt hat. Der Zündzeitpunkt liegt in diesem Fall zu weit in Richtung "früh." Klopfender Betrieb führt zu Temperatur­erhöhung im Brennraum, wodurch Glüh-

Bild 2

Druckverlauf im Brennraum bei verschiedenen Zündzeitpunkten.

1 Zündung Za im richtigen Zeitpunkt, 2 Zündung Zb zu früh (klopfende Verbrennung), 3 Zündung Zc zu spät.

bar

Zündwinkel a.z

zündung autreten kann, und außerdem zu starken Druckanstiegen. Die stoßar­tige Verbrennung erzeugt Druckschwin­gungen, die sich dem normalen Druck­verlauf überlagern (Bild 2). Die heute bevorzugte hohe Gemisch­verdichtung in Ottomotoren birgt eine wesentlich größere Klopfgefahr gegen­über früher üblichen Verdichtungsver­hältnissen. Man unterscheidet zwei Arten von "Klopfen": - Beschleunigungsklopfen bei geringen

Drehzahlen und hoher Last (hörbar als "Klingeln") und

- Hochdrehzahlklopfen bei hoher Dreh­zahl und hoher Last.

Das Hochdrehzahlklopfen ist für den Mo­tor besonders kritisch. Man kann es we­gen der Motorgeräusche nicht hören. Deshalb vermittelt das hörbare Klopfen kein vollständiges Bild des Klopfverhal­tens; es läßt sich aber mit elektronischen Mitteln exakt messen. Anhaltendes Klop­fen verursacht schwere Motorschäden (zerstörte Zylinderkopfdichtung, Lager­schaden, Löcher im Kolben) und Schä­den an den Zündkerzen. Die Klopfneigung hängt unter anderem von der Bauart des Motors (z.B. Brenn­raumgestaltung, gleichmäßige Aufbe-

Sild 3

Einfluß von Luftzahl A. und Zündzeitpunkt a.z auf den Kraftstoffverbrauch.

g/kWh

0,8 1,0 1,2 1,4 Luftzahl A.

Zündung

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Steuerung des Ottomotors

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reitung des Luft-Kraftstoff-Gemisches, strömungsgünstige Ansaugwege) und vom Kraftstoff ab.

Zündzeitpunkt und Abgas Die Abhängigkeit des spezifischen Kraft­stoffverbrauchs sowie der Schadstoff­emission vom Luftverhältnis und vom Zündzeitpunkt zeigen die Bilder 3 und 4. Der spezifische Kraftstoffverbrauch nimmt zunächst mit steigendem Luftver­hältnis ab und steigt von 'A = 1, 1 ... 1 ,2 wieder. Der optimale Zündwinkel, bei dem sich der geringste spezifische Kraft­stoffverbrauch einstellt, nimmt mit stei­gendem Luftverhältnis zu. Die Abhängig­keit des spezifischen Kraftstoffver­brauchs vom Luftverhältnis bei jeweils optimalem Zündzeitpunkt erklärt sich daraus, daß die Verbrennung im kraft­stoffreichen, "fetten" Bereich wegen Luft­mangels unvollständig abläuft und daß im mageren Bereich bei Annäherung an die Laufgrenze verschleppte Verbren­nungen und Verbrennungsaussetzer auf­treten, was zu höherem spezifischen Kraftstoffverbrauch führt. Die Zunahme des optimalen Zündwinkels mit steigen­dem Luftverhältnis ist darin begründet, daß der Entflammungsverzug mit stei­gendem Luftverhältnis zunimmt; dies muß durch eine zunehmende Verstel­lung in Richtung früh (steigende Vorzün­dung) ausgeglichen werden.

Ähnlich verhält sich die HG-Emission, deren Minimum ebenfalls bei 'A ~ 1,1 liegt. Der Anstieg im mageren Bereich rührt zunächst von einer Abkühlung der Wand des Verbrennungsraums. lnfolge der Kühlwirkung der Wand erlischt die Flamme. Im extrem mageren Bereich treten verschleppte Verbrennungen und Entflammungsaussetzer auf, die bei An­näherung an die Laufgrenze immer häu­figer werden. Ein nach "früh" verstellter Zündzeitpunkt bewirkt unterhalb von 'A ~ 1,2 eine Erhöhung der HG-Emission, verschiebt jedoch die Laufgrenze weiter in den mageren Bereich. Daher ist im mageren Bereich oberhalb von 'A ~ 1 ,25 bei früherem Zündzeitpunkt die HG­Emission geringer.

Bild 4

Einfluß von Luftzahl A. und Zündzeitpunkt az auf die Schadstoff-Emission.

g/kWh

0 iL c 0 -~

E L';J ü I

c 0 ·u; (/)

E w

16

12

8

4

g/kWh

20

16

12

6 8 z

c 0 -~

4

g/kWh

800

~ 400

0 ü

200

0,8 1,0 1,2 Luftzahl A.

a 50° z ;"...."' I \

I 40o \

! f' \ I , \ \ I I \ I 30o ' \

f. (\ \\ I I I \ \ I ' \ I' I 20' \ \ \

I \ \ I I I ' \

/,I \ \\ /jl \ '\

1,4

/ /. \ "'', ;:{ ~ ~ -..:::=

0,8

0,8

1,0 Luftzahl A.

1,0 Luftzahl A.

1,2 1,4

1,2 1,4

Ganz anders verhält sich die Stickoxid (NOx)-Emission. Sie nimmt mit steigen­der Sauerstoff(02)-Konzentration und mit der maximalen Verbrennungstemperatur zu. Daraus ergibt sich die Glockenform der NOx-Emission: Anstieg bis A."' 1,05 aufgrund steigender 0 2-Konzentration und höherer Spitzentemperatur, danach starker Abfall im mageren Bereich wegen des raschen Absinkans der Spitzentem­peratur aufgrund der Verdünnung des Gemisches. Dies erklärt auch den star­ken Einfluß des Zündwinkels. Die NOx­Emission nimmt mit steigender Vor­zündung stark zu. Für Abgaskonzepte mit Dreiwegekata­lysator wird die Gemischanpassung auf A. = 1 notwendig, so daß nur noch die Lage des Zündwinkels als Optimierungs­kriterium herangezogen werden kann.

Induktives Zündsystem

Die induktive Zündanlage eines Ottomo­tors bewirkt die Hochspannungserzeu­gung und Energiebereitstellung für den Funkenüberschlag an der Zündkerze. Der Zündkreis besteht aus den Kompo­nenten Zündungsendstufe, Zündspule und Zündkerze.

Zündspule

Aufgabe Die Zündspule speichert die notwendige Zündenergie und erzeugt die benötigte Hochspannung für den Funkendurch­bruch im Zündzeitpunkt

Aufbau und Funktion Die Funktion einer Zündspule beruht auf dem lnduktionsgesetz. Sie besteht aus zwei magnetisch gekoppelten Kupfer­wicklungen (Primär- und Sekundärwick­lung). Die im Magnetfeld der Primär­wicklung gespeicherte Energie wird auf die Sekundärseite übertragen. Strom

und Spannung werden abhängig vom Verhältnis der Windungszahlen (Über­setzungsverhältnis) von der Primär- auf die Sekundärseite umgesetzt (Bild 1 ). Moderne Zündspulen bestehen aus einem Eisenkern, zusammengesetzt aus einzelnen Blechen, und einem Kunst­stoffgehäuse. Im Gehäuse sitzt die Primärwicklung auf einem Wickelkörper direkt auf dem Kern. Darüber ist die Sekundärwicklung angeordnet, die zur Erhöhung der Isolationsfestigkeit als Scheiben- oder Kammerwicklung ausge­führt ist. Das Gehäuse ist zur Isolation der Wicklungen untereinander und zum Kern mit Epoxidharz ausgegossen. Der Aufbau und die Auslegung der Zünd­spule sind dem jeweiligen Einsatzfall an­gepaßt.

Zündungsendstufe

Aufgabe und Funktion Die Zündungsendstufe mit mehrstufigen Leistungstransistoren dient zum Ein- und Ausschalten des Primärstroms durch die Zündspule. Sie ersetzt den früher übli­chen Unterbrecher einer Zündanlage.

Bild 1

Zündspulen (Schema).

Rotierende Verteilung: a Eintunken-Zündspule. Ruhende Verteilung: b Einzelfunken-Zündspule, c Zweifunken-Zündspule.

8 b c

15 15 4a 15 4a

4 4 4b

Induktives Zündsystem

57

Steuerung des Ottomotors

58

Desweiteren hat die Zündungsendstufe sowohl die Primärspannung als auch den Primärstrom zu begrenzen. Die Begren­zung der Primärspannung verhindert ein zu hohes Ansteigen der angebotenen Sekundärspannung und damit ein Schä­digen der Hochspannungsteile. Die Be­grenzung des Primärstroms beschränkt die Energie der Zündanlage auf einen vorgegebenen Wert. Es gibt interne (in das Zündungssteuer­gerät integrierte) und externe (ausgela­gerte) Zündungsendstufen.

Hochspannungserzeugung Das Zündungssteuergerät schaltet die

Bei Systemen mit rotierender Span­nungsverteilung wird der Einschaltfunke durch die vorgeschaltete Verteilerfunken­strecke wirksam unterdrückt. Bei ruhender Spannungsverteilung mit Ein­zelfunken-Zündspulen sperrt eine Diode im Hochspannungskreis den Einschalt­funken. Bei ruhender Spannungsverteilung mit Zweifunksn-Zündspulen wird der Ein­schaltfunke durch die hohe Überschlag­spannung der Reihenschaltung von zwei Zündkerzen ohne Zusatzmaßnahmen unterbunden.

Zündungsendstufe während der berech- Spannungsverteilung neten Schließzeit ein. Innerhalb dieser Zeit steigt der Primärstrom der Zünd­spule auf seinen Sollwert. Die Höhe des Primärstroms und die Größe der Primärinduktivität der Zünd­spule bestimmen die im Magnetfeld gespeicherte Energie der Zündanlage. Im Zündzeitpunkt unterbricht die Zün­dungsendstufe den Stromfluß. Durch die Änderung des Magnetfelds wird in der Sekundärwicklung der Zündspule die Sekundärspannung induziert. Die maximal mögliche Sekundärspan­nung (Sekundärspannungsangebot) hängt von der gespeicherten Energie der Zündanlage, der Wicklungskapazität und dem Übersetzungsverhältnis der Zünd­spule, der Sekundärlast und der Primär­spannungsbegrenzung der Zündungs­endstufe ab. Das Angebot der Sekundärspannung muß in jedem Fall über der zum Funken­durchbruch an der Zündkerze notwendi­gen Spannung (Zündspannungsbedarf) liegen. Die Funkenenergie muß zur Entflammung des Gemisches auch bei Auftreten von Folgefunken ausreichend groß sein. 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.

Die Hochspannung muß im Zündzeit­punkt an der entsprechenden Zündkerze anliegen. Dies ist Aufgabe der Hoch­spannungsverteilung.

Rotierende Spannungsverteilung (ROV) Bei der rotierenden Spannungsvertei­lung (ROV) wird die Hochspannung ei­ner einzigen Zündspule durch einen Zündverteiler mechanisch auf die einzel­nen Zylinder verteilt. Diese Art der Hoch­spannungsverteilung hat aber für aktuelle Motormanagement-Systeme keine Be­deutung mehr.

Ruhende Spannungsverteilung (RUV) Bei der verteilerlosen, elektronischen oder ruhenden Spannungsverteilung gibt es zwei Alternativen:

Anlage mit Einzelfunksn-Zündspulen Jedem Zylinder ist eine Zündspule und eine Zündungsendstufe zugeordnet, die entsprechend der Zündfolge vom Zün­dungssteuergerät angesteuert wird. Da die Verteilerverluste entfallen, können diese Zündspulen besonders klein ge­baut sein. Sie sitzen vorzugsweise direkt über der Zündkerze. Die ruhende Span­nungsverteilung mit Einzelfunkan-Zünd­spulen ist universell für alle Zylinderzah­len einsetzbar. Es gibt keine Einschrän­kungen des Zündwinkelverstellbereichs;

allerdings muß die Anlage über einen Nockenwellensensor zusätzlich syn­chronisiert werden.

Anlage mit Zweifunken-Zündspulen Eine Zündspule und eine Zündungs­endstufe 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 Kompressionstakt des einen Zylinders der zweite gerade im Aus­stoßtakt befindet. 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 wird. Dadurch ergibt sich eine geringe Einschränkung des möglichen Zündwinkelverstellbereichs. Die Anlage muß nicht mit der Nockenwelle synchro­nisiert sein.

Verbindungs- und Entstörmittel

Hochspannungsleitungen Die Hochspannung der Zündspule muß zur Zündkerze gelangen. Hierzu werden bei Zündspulen, die nicht direkt auf der Zündkerze kontaktiert sind, kunststoff­isolierte, hochspannungsfeste Kupfer­leitungen 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 ist durch die im­pulsförmige Entladung eine Störquelle. Durch Entstörwiderstände im Hoch­spannungskreis wird der Spitzenstrom der Entladung begrenzt. Um die Störab-

strahlung 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 Spannungsverteilung 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.

Zündkerze

Mit der Zündkerze wird ein Zündfunken zur Entflammung des Luft-Kraftstoff-Ge­misches im Brennraum erzeugt. Die Zündkerze ist eine keramikisolierte, gasdichte Hochspannungsdurchführung in den Brennraum. Die Funkenstrecke zwischen Mittelelektrode und Masse­elektrode wird bei Erreichen der Zünd­spannung leitend und setzt die verblie­bene Energie der Zündspule in einen Funken um.

Die Höhe der Zündspannung hängt vom Elektrodenabstand, der Elektrodengeo­metrie, dem Brennraumdruck und dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis im Zündzeit­punkt ab. Im Motorbetrieb verschleißen die Elek­troden der Zündkerze. Dadurch steigt der Zündspannungsbedarf, der bis zum Ende des vorgesehenen Wechsel­intervalls in allen Betriebsfällen vom An­gebot der Sekundärspannung der Zünd­anlage sicher gedeckt werden muß.

Induktives Zündsystem

59

Benzin­einspritz­systeme

60

Benzineinspritzsysteme

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. 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 heute die Einspritzung den Vergaser voll­kommen verdrängt hat. Heute werden fast ausschließlich Systeme verwendet, bei denen die Gemischbildung außerhalb des Brenn­raums stattfindet. Systeme mit innerer Gemischbildung, also mit Einspritzung des Kraftstoffs direkt in den Brennraum, waren jedoch bereits Basis für die ersten Benzineinspritzungen. Da sich diese Sy­steme hervorragend zur weiteren Sen­kung des Kraftstoffverbrauchs eignen, ge­winnen sie zunehmend an Bedeutung.

Übersicht Systeme zur äußeren Gemischbildung Diese Benzineinspritzsysteme sind da­durch gekennzeichnet, daß das Luft­Kraftstoff-Gemisch außerhalb des Brenn­raums, im Saugrohr, entsteht.

Einzeleinspritzung Die Einzeleinspritzung bildet ideale Voraussetzungen, die beschriebenen Anforderungen an ein Gemischaufberei­tungssystem zu erfüllen. Bei Einzel­einspritzanlagen ist jedem Zylinder ein

Einspritzventil zugeordnet, das den Kraftstoff direkt vor das Einlaßventil des Zylinders spritzt. Beispiele hierfür sind die KE- und L-Jetronic mit ihren je­weiligen Varianten (Bild 1 ).

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

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

Bild 1

Einzeleinspritzung.

1 Krallstoff, 2.n. 2 Luft, V 3 Drosselklappe, 4 Saugrohr, "s"' 3 5 Einspritzventile, 6 Motor.,.-_4_,__ _ _.,

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Elektronische Einspritzsysteme Elektronisch gesteuerte Einspritz­systeme spritzen den Kraftstoff mit elektromagnetisch betätigten Einspritz­ventilen intermittierend ein . Die einge­spritzte Kraftstoffmasse wird durch die Ventilöffungszeit (bei bekanntem Druck­abfall über dem Ventil) bestimmt. Beispiele: L-Jetronic, LH-Jetronic und Metronie als integriertes Motormanage­mentsystem.

Zentraleinspritzung Die Zentraleinspritzung ist ein elek­tronisch gesteuertes Einspritzsystem, bei dem ein elektromagnetisches Ein­spritzventil an zentraler Stelle vor der Drosselklappe den Kraftstoff intermit­tierend in das Saugrohr einspritzt. Die Bosch-Zentraleinspritzsysteme werden als Mono-Jetronic, bzw. Mono-Metronie bezeichnet (Bild 2).

Systeme zur inneren 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 Zylin­ders statt. Für eine gute Verbrennung ist eine feine Zerstäubung des Kraftstoffs an

Bild 2

Zentraleinspritzung.

1 Kraftstoff, 2 Luft, 3 Drosselklappe, 4 Saugrohr, 5 Einspritzventil, 6Motor.

den Einspritzventilen Voraussetzung. Im normalen Betrieb saugt der Motor mit Direkteinspritzung nur noch Luft an und nicht mehr das Luft-Kraftstoff-Gemisch, wie bei den konventionellen Einspritz­systemen. Hier liegt ein Vorteil dieses neuen Systems: im Saugrohr kann sich kein Kraftstoff niederschlagen. Bei der äußeren Gemischbildung liegt das Luft­Kraftstoff-Gemisch im gesamten Brenn­raum in der Regel homogen im stöchio­metrischen Verhältnis vor. Die Gemisch­bildung im Brennraum hingegen erlaubt zwei völlig unterschiedliche Betriebs­arten: Im Schichtbetrieb muß das Gemisch nur im Bereich um die Zündkerze zündfähig sein. Im übrigen Teil des Brennraumes befindet sich dann nur Frisch- und Rest­gas ohne unverbrannten Kraftstoff. Im Leer­lauf- und Teillastbereich ergibt das ein insgesamt sehr mageres Gemisch und damit eine Reduzierung des Kraftstoff­verbrauchs. Im Homogenbetrieb liegt wie bei der äußeren Gemischbildung im gesamten Brennraum homoges Gemisch vor, die gesamte im Brennraum verfügbare Frisch­luft nimmt an Verbrennungsvorgang teil. Daher wird diese Betriebsart im Bereich der Vollast verwendet. Zur Steuerung der Motoren mit Benzin­direkteinspritzung wird die MED-Motro­nic eingesetzt.

Bild3

Oirekteinspritzung.

1 Kraftstoff , 2 Luft, 3 Drosselklappe

(EGAS), 4 Saugrohr, 5 Einspritzventile, 6 Moto r. 4

~---'----'

Übersicht

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Benzin­einspritz­systeme

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Einspritz-Geschichte( n)

Die Benzineinspritzung hat eine lange Vergangenheit. Bereits 1898 fertigte die Gasmotorenfabrik Deutz Stempel­pumpen zur Benzineinspritzung in klei­nen Stückzahlen. Nachdem man wenig später das heu­tige Vergaserprinzip entdeckte, war die Benzineinspritzung beim dama­ligen Stand der Technik nicht mehr konkurrenzfähig. Bei Bosch fiel bereits 1912 der Start­schuß für die ersten Versuche an Ben­zin-Einspritzpumpen. 1937 ging dann der erste Flugzeugmotor, 1200 PS Leistung, mit Bosch-Benzineinsprit­zung in Serie. Die Unsicherheit der Vergasertechnik wegen Vereisung und Brandgefahr hatte die Entwick­lung der Benzineinspritzung gerade in diesem Bereich gefördert. Die eigent­liche Ära der Bosch-Benzineinsprit­zung begann, doch bis zur Benzin­einspritzung in einem Pkw war es noch ein weiter Weg.

1951 wurde eine Bosch-Direktein­spritzung zum ersten Mal serien­mäßig in einen Kleinwagen eingebaut. Einige Jahre später folgte der Einbau im legendären 300 SL, einem Serien­sportwagen von Daimler-Benz. ln den Folgejahren wurden die mecha­nischen Einspritzpumpen immer weiterentwickelt und ...

Bosch-Benzineinspritzung aus dem Jahre 1954.

1967 gelang der Benzineinspritzung ein weiterer Schritt nach vorn: das erste elektronische Einspritz-System: die vom Saugrohrdruck gesteuerte D-Jetronic! 1973 kam dann die luftmengenmes­sende L-Jetronic auf den Markt, zeit­gleich mit der mechanisch-hydrau­lisch gesteuerten K-Jetronic, ebenfalls ein luftmengenmessendes System. 1979 wurde ein neues System ein­geführt: die Metronie mit der digitalen Verarbeitung vieler Motorfunktionen. Dieses System verband die L-Jetronic und eine elektronische Kennfeldzün­dung. Der erste Mikroprozessor in ei­nem Automobil! 1982 wurde die um einen elektroni­schen Regelkreis und die Lambda­Sonde erweiterte K-Jetronic als KE­Jetronic angeboten. Ab 1987 kam die Mono-Jetronic hin­zu: ein kostengünstiges Zentralein­spritzsystem, das die Ausrüstung mit Jetronic auch bei kleineren Fahrzeu­gen möglich machte und den Verga­ser endgültig verdrängte. Von 1967 (erster Einsatz der D-Jetro­nic) bis Ende 1997 wurden rund 64 Millionen Motorsteuerungssysteme von Bosch in verschiedenen Kraftfahr­zeugen eingebaut. Allein 1997 waren es 4,2 Millionen, wo­bei es sich dabei um eine Million Zen­traleinspritzsysteme handelt und um 3,2 Millionen Einzeleinspritzsysteme.

K-Jetronic

Systemübersicht

Die K-Jetronic ist ein mechanisch-hydraulisch gesteuertes, antriebs-loses 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, das heute mit elektronischer Zusatzausrüstung auch die Lambda­Regelung realisiert. Das Einspritzsystem K-Jetronic umfaßt folgende Funktionsbereiche: - Kraftstoffversorgung, - Luftmengenmessung und - Kraftstoffzumessung.

Bild 1

Funktionsschema der K-Jetronic.

Kraftstoff

Luft

Elektro­kraftstof1pumpe

Kraftstoffversorgung Der Kraftstoff wird durch eine elektrisch angetriebene Kraftstoffpumpe über einen Kraftstoffspeicher und ein Filter zu einem Mengenteiler gefördert, der den Kraft­stoff den Einspritzventilen der einzelnen Zylinder zuteilt.

Luftmengenmessung Die vom Motor angesaugte Luftmenge wird über eine Drosselklappe gesteuert und von einem Luftmengenmesser ge­messen.

Kraftstoffzumessung Als Kriterium für die Kraftstoffzumes­sung dient die vom Motor entsprechend der Drosselklappenstellung angesaugte Luftmenge. Sie wird vom Luftmengen­messer gemessen, der den Mengentei­ler steuert. Luftmengenmesser und Mengenteiler sind Teile des Gemisch­reglers. Das Einspritzen des Kraftstoffes erfolgt kontinuierlich, d. h. ohne Rück­sicht auf die Stellung des Einlaßventils. Während der Schließphase wird das Gemisch "vorgelagert". Zur Anpassung an verschiedene Be­triebszustände wie Start, Warmlauf, Leerlauf und Vollast erfolgt eine Steue­rung der Gemischanreicherung. Zusätz­lich sind Ergänzungsfunktionen wie Schubabschaltung, Drehzahlbegren­zung und Lambda-Regelung möglich.

Kraftstoff· speieher

K-Jetronic

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Benzin­einspritz­systeme

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Kraftstoffversorgung

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 einen 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 (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.

Bild2

Aufgrund der ständigen Durchspülung des Kraftstoffversorgungssystems steht immer kühler Kraftstoff zur Verfügung. Dadurch läßt sich Dampfblasenbildung vermeiden und ein gutes Hei ßstartver­halten erreichen.

Elektrokraftstoffpumpe Die Elektrokraftstoffpumpe ist eine von einem permanent erregten Elektromo­tor angetriebene Rollenzellenpumpe. Die im Pumpengehäuse exzentrisch angeordnete Läuferscheibe enthält an ihrem Umfang Metallrollen, die in nutför­migen Aussparungen gelagert sind und durch die Zentrifugalkraft gegen das Pumpengehäuse gepreßt werden. Die Rollen wirken als umlaufende Dichtung. ln den sich zwischen den Rollen bilden­den Hohlräumen wird der Kraftstoff ge­fördert. Eine Pumpwirkung kommt da­durch zustande, daß die Rollen nach Abschluß der Zulaufbohrung die einge­schlossene Kraftstoffmenge bei sich verkleinerndem Volumen vor sich her­schieben, bis der Kraftstoff die Pumpe

Schema einer K-Jetronic-Anlage mit Lambda-Regelung.

1 Kraftstoffbehälter. 2 Elektrokraftstoffpumpe, 3 Kraftstoffspeicher, 4 Kraftstoffilter, 5 Warmlaufregler, 6 Einspri tzventil, 7 Sammelsaugrohr, 8 Kaltstartventil. 9 Kraftstoffmengenteiler, 10 Luftmengenmesser, 11 Taktventil, 12 Lambda-Sonde, 13 Thermozeitschalter, 14 Zündverteiler. 15 Zusatzluftschieber, 16 Drosselklappenschalter, 17 Steuergerät, 18 Zünd-Start-Schalter, 19 Batterie.

durch die Abflußbohrung verläßt (Bild 4) Der Kraftstoff durchströmt den Elektro­motor. Eine Explosionsgefahr besteht dabei nicht, da sich kein zündfähiges Gemisch im Motor-Pumpengehäuse befindet. Die Elektrokraftstoffpumpe fördert mehr Kraftstoff als der Verbrennungsmotor maximal benötigt, um bei allen vorkom­menden Betriebszuständen den Druck im Kraftstoffsystem aufrechtzuerhalten. Ein Rückschlagventil in der Pumpe ent­koppelt das Kraftstoffsystem vom Kraftstoffbehälter, indem es das Rück­strömen von Kraftstoff zum Kraftstoff­behälter verhindert. Die Elektrokraftstoffpumpe läuft sofort beim Betätigen des Zünd-Start-Schal­ters an und bleibt ständig eingeschaltet, nachdem der Motor angesprungen ist. Eine Sicherheitsschaltung vermeidet das Fördern von Kraftstoff bei einge­schalteter Zündung und stehendem Motor zum Beispiel nach einem Unfall. Die Kraftstoffpumpe befindet sich in un­mittelbarer Nähe des Kraftstoffbehälters und arbeitet wartungsfrei.

Kraftstoffspeicher 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 (Bild 5) 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. ln dieser Stellung, die dem größten Speichervolumen ent­spricht, verbleibt die Membran, solange der Motor läuft.

Elektrokraftstoffpumpe.

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

2 3 4 5

6

Bild 3 Bild 4

Pumpvorgang Rollenzellenpumpe.

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

Bild 5

Kraftstoffspeicher.

a Leer, b gefüllt.

2 3 4

1 Federkammer, 2 Feder, 3 Anschlag, 4 Membran, 5 Speichervolumen, 6 Kraftstoffzu­bzw. -abfluß, 7 Verbindung zur Atmosphäre.

a 2 3 4 5

6

K-Jetronic

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Benzin­einspritz­systeme

66

Krattstotfilter Das Krattstotfilter hält Verunreinigungen im Krattstoff zurück, die die Funktion der Einspritzanlage beeinträchtigen könn­ten. Das Filter enthält einen Papierein­salz mit einer mittleren Porenweite von 10 11m und ein nachgeschaltetes Fus­selsieb (Bild 6). Diese Kombination er­zielt einen hohen Reinigungseffekt Eine Stützplatte fixiert das Filter in ei­nem Metallgehäuse. Die Filterstandzeit ist von der Versehrnutzung des Kratt­stoffes abhängig. Das Filter ist hinter dem Krattstoffspeicher in die Kraftstoff­leitung eingebaut. Die auf dem Filter­gehäuse mit einem Pfeil angegebene Durchflußrichtung muß beim Filter­wechsel unbedingt eingehalten werden.

Systemdruckregler 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 überschüssige Kraftstoff zum Kraftstoffbehälter zurückfließt (abge­steuert wird). Der Druck im Krattstoffsystem und die Kraft der Feder auf den Kolben des

Bild 7

Systemdruckregler am Kraftstoffmengenteiler.

a ln Ruhestellung, b in Arbeitsstellung.

Kraftstoffilter.

1 Papiereinsatz (Papierwickel), 2 Sieb, 1 2 3 3 Stützplatte.

Bild 6

Druckreglers halten sich im Gleichge­wicht. Fördert die Krattstoffpumpe bei­spielsweise etwas weniger Kraftstoff, so verkleinert der Kolben, von der Feder in seine neue Lage gedrückt, den Abfluß­querschnitt. Dadurch wird weniger Kraftstoff abgesteuert 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 Absteueröffnung und verhindert weiteren Druckabbau im Kraftstoffsystem (Bild 8).

Einspritzventile Die Einspritzventile öffnen bei einem bestimmten Druck und zerstäuben den Kraftstoff durch Schwingungen der VentilnadeL Sie spritzen den zugemes­senen Kraftstoff in die Ansaugrohre vor die Einlaßventile der Zylinder. Die

1 Zulauf Systemdruck, 2 Dichtung, 3 Rücklauf zum Kraftstoffbehälter, 4 Kolben, 5 Regelfeder.

a

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. Sie besitzen ein Nadelventil (Bild 9) , dessen Nadel beim Einspritzen mit ho­her Frequenz schwach hörbar schwingt ("schnarrt") . Dadurch wird eine gute Zerstäubung des Kraftstoffes selbst bei kleinsten Einspritzmengen erreicht. Nach dem Abstellen des Motors schlie­ßen die Einspritzventile dicht ab, wenn der Druck im Kraftstoffversorgungssy­stem unter ihren Öffnungsdruck sinkt. Dadurch kann nach dem Abstellen des Motors kein Kraftstoff mehr in die An­saugrohre gelangen.

Luttumfaßte Einspritzventile Luftumfaßte Einspritzventile verbessern die Gemischaufbereitung besonders im Leerlauf. Unter Ausnutzung des Druck­abfalls über der Drosselklappe wird ein Teil der vom Motor angesaugten Luft über die Einspritzventile geführt (Bild 20), wodurch der Kraftstoff an der Aus­trittsteile sehr gut zerstäubt (Bild 1 0). Die luftumfaßten Ventile verringern den Kraftstoffverbrauch und die schädlichen Abgasanteile.

Bild 10 Strahlbild eines Einspritzventils ohne Luftumfas· sung (links) und mit Luftumfassung (rechts) .

Druckverlauf nach Abstellen des Motors.

Der Druck fällt vom Systemnormaldruck (1) zunächst auf den Schließdruck (2) des Druck­reglers. Dann steigt er, bedingt durch den Kraft­stoffspeicher, auf den Wert (3), der unter dem Öffnungsdruck (4) der Einspritzventile liegt.

bar 1

t -------<> 4 ::.. --=-~3

I ~ 0 2 I

Bild 9

EinspritzventiL

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

Zeitt-

I I

ms

Bild 8

K-Jetronic

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Benzin­einspritz­systeme

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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, so daß hier zusätzliche Ein­griffe in die Gemischbildung erforderlich sind (siehe Abschnitt "Anpassung an Betriebszustände") .

Luftmengenmesser Die vom Motor angesaugte Luftmenge ist ein Maß für dessen Leistungsauf­nahme. Der Luftmengenmesser arbeitet nach dem Schwebekörperprinzip und mißt die vom Motor angesaugte Luft­menge. Die Ansaugluftmenge dient als Haupt­steuergröße zum Bilden der Grund­einspritzmenge. Die Ansaugluftmenge ist die richtige physikalische Größe, um den Kraftstoffbedarf abzuleiten. Ver­änderungen im Ansaugverhalten des Bild 12

Steigstrom­Luftmengenmesser.

a Stauscheibe in Ruhestellung,

b Stauscheibe in Arbeitsstellung.

1 Lufttrichter, 2 Stauscheibe, 3 Entlastungs-

querschnitt, 4 Gemischeinstell-

schraube, 5 Drehpunkt, 6 Hebel, 7 Blattfeder.

2

7

Prinzip des Luftmengenmessers.

a Angesaugte Luftmenge gering, Stauscheibe wenig angehoben , bangesaugte Luftmenge groß, Stauscheibe stark angehoben .

a

b

Bild 11

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.

3 4 5

6

Die gesamte vom Motor angesaugte Luftmenge strömt durch den Luftmen­genmesser, der vor der Drosselklappe eingebaut ist. Der Luftmengenmesser besteht aus einem Lufttrichter, in dem sich eine bewegliche Stauscheibe (Schwebekörper) befindet. Die durch den Lufttrichter strömende Luft bewegt die Stauscheibe um ein bestimmtes Maß aus ihrer Ruhelage. Ein Hebel­system überträgt die Bewegungen der Stauscheibe auf einen Steuerkolben, der die bei Grundfunktionen erforder­liche Kraftstoffgrundmenge bestimmt. Bei möglichen Saugrohrrückzündun­gen (Fehlzündungen) des Motors kön­nen erhebliche Druckstöße im Ansaug­system auftreten. Der Luftmengen­messer ist deshalb so gebaut, daß die Stauscheibe bei einer Rückzündung in die Gegenrichtung schwingen kann. Dadurch entsteht ein Entlastungs­querschnitt. Ein Gummipuffer begrenzt den Abwärtshub (beim Fallstrom­Luftmengenmesser den Aufwärtshub) . Ein Gegengewicht gleicht das Gewicht von Stauscheibe und Hebelsystem aus (beim Fallstrom-Luftmengenmesser durch Zugfeder) . Eine Blattfeder sorgt für korrekte Nullage in der Abstellphase. Bild 14

Schlitzträger mit Steuerkolben.

a Ruhestellung, b Teillast, c Vollast

Schlitzträger, SteuerdrosseL

1 Ansaugluft, 2 Steuerdruck, 3 Kraftstoffzulauf . 4 zugemessene Kraftstoffmenge, 5 Steuerkolben, 6 Schlitzträger, 7 Kraftstoffmengenteiler.

Bild 13

Kraftstoffmengenteiler 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.

1 Steuerdruck, 2 Steuerkolben, 3 Steuerschlitz im Schlitzträger, 4 Steuerkante, 5 Kraftstoffzulauf, 6 Schlitzträger.

2

--- 3

. 'IH--4

6

b c ,.....,---.--,

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Je nach seiner Stellung im Schlitzträger gibt der Steuerkolben einen entspre­chenden Querschnitt der Steuerschlitze frei, durch die der Kraftstoff zu den Dif­ferenzdruckventilen und damit zu den Einspritzventilen strömen kann. Bei kleinem Hub der Stauscheibe ist der Steuerkolben nur wenig angehoben und damit nur ein kleiner Querschnitt der Steuerschlitze freigegeben. Bei großem Hub der Stauscheibe gibt der Steuerkolben einen größeren Quer­schnitt der Steuerschlitze frei. Es besteht ein linearer Zusammenhang zwischen Stauscheibenhub und freige­gebenem Querschnitt an den Steuer­schlitzen. Auf den Steuerkolben wirkt - entgegen der von der Stauscheibe übertragenen Hubbewegung -eine hydraulische Kraft, die von einem Steuerdruck erzeugt wird. Sie bewirkt unter anderem, daß der Steuerkolben der Bewegung der Stau­scheibe folgt und nicht zum Beispiel beim Abwärtshub der Stauscheibe in der obe­ren Endstellung bleibt. Weitere wichtige Funktionen des Steuerdrucks werden in den Abschnitten "Warmlaufan­reicherung" und "Vollastanreicherung" beschrieben.

Steuerdruck Der Steuerdruck wird über eine Dros­selbohrung vom Systemdruck abge­zweigt (Bild 16). 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 etwa 0,5 bar und wird mit zunehmender Erwärmung des Motors vom Warrn­laufregler auf etwa 3,7 bar angehoben (Bild 26).

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.

Schlitzträger.

Steuerschlitz vergrößert dargestellt (im Original ist der Steuerschlitz etwa 0,2 mm breit).

Bild 15

Die Höhe des Steuerdruckes beeinflußt die Kraftstoffzuteilung. Bei geringem Steuerdruck kann die angesaugte Luft­menge die Stauscheibe weiter anheben. Dadurch werden über den Steuerkolben die Steuerdrosseln 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 offengehalten . Geht nach Abstellen des Motors der Kolben des Systemdruckreglers in seine Ruhelage, so schließt eine Feder das Aufstoßventil (Bild 17).

Differenzdruckventile Differenzdruckventile im Kraftstoffmen­genteiler bewirken einen bestimmten Druckabfall an den Steuerschlitzen.

Systemdruck und Steuerdruck. 3--+---1- L-----~

1 Wirkung des Steuerdrucks (hydraulische Kraft),

2 Dämpfungsdrossel, 3 Leitung zum

Warmlaufregler, 4 Entkoppeldrossel, 5 Systemdruck

(Förderdruck), 6 Wirkung der Luftkraft

über Hebel der Stauscheibe.

Bild 17

Systemdruckregler mit Aufstoßventil im Steuerdruckkreis.

a ln Ruhestellung, b ln Arbeitsstellung. 1 Zulauf Systemdruck, 2 Rücklauf (zum

Kraftstoffbehälter), 3 Kolben des System­

druckreglers, 4 Aufstoßventil , 5 Zulauf Steuerdruck

(vom Warmlaufregler).

a

2 --+----t-

Der Luftmengenmesser hat eine lineare Charakteristik. Das bedeutet, daß bei doppelter Luftmenge der Hub der Stau­scheibe doppelt so groß ist. Soll dieser Hub eine Veränderung der Krattstoff­grundmenge im gleichen Verhältnis zur Folge haben, so muß an den Steuer­schlitzen (Bild 14) ein konstanter Druck-

4

5

Bild 16

abfall - 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.

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Differenzdruckventil.

a Stellung bei kleiner Einspritzmenge.

b Stellung bei großer Einspritzmenge.

Man erreicht mit den Differenzdruckven­tilen 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 (Bild 18, 19).

Bild 18

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 gegenein-

Kraftstoffmengenteiler mit Differenzdruckventilen.

1 Kraftstoffzulauf (Systemdruck)

2 Oberkammer des Differenz­druckventils

3 Leitung zum Einspritzventil (Einspritzdruck)

4 Steuerkolben 5 Steuerkante und

Steuerdrossel 6 Ventilfeder 7 Ventilmembran 8 Unterkammer

des Differenz­druckventils.

2 3

8

ander abgedichtet. Die Membranen sind federbelastet Der Differenzdruck wird durch die Kraft einer Schraubenfeder 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 einstellt. An der Membran herrscht also Kräfte­gleichgewicht, das für jede Krattstoff­grundmenge durch Regeln des Ventil­querschnittes aufrechterhalten wird.

Gemischbildung Die Gemischbildung erfolgt im Saug­rohr und im Zylinder des Motors. Die von den Einspritzventilen konti­nuierlich eingespritzte Kraftstoffmenge wird dem Einlaßventil des Motors vor­gelagert. Beim Öffnen des Einlaßventils reißt die angesaugte Luftmenge die

4 5 6

7

Bild 20

Gemischbildung mit luftumfaßtem EinspritzventiL 1 Einspritzventil , 2 Luftversorgungsleitung, 3 Sammelsaugrohr, 4 Drosselklappe.

Bild 19

Kraftstoffwolke mit und bewirkt durch Verwirbelung während des Ansaugtak­tes die Bildung eines zündfähigen Ge­misches. Luftumfaßte Einspritzventile begünsti­gen die Gemischbildung, da sie den Kraftstoff an der Austrittsteile sehr gut zerstäuben (Bilder 9, 10 und 20).

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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.

Gemisch-Grundanpassung Die Grundanpassung des Gemischs an die Betriebsbedingungen Leerlauf, Teil­last und Vollast erfolgt durch eine be­stimmte Gestaltung des Lufttrichters (Bild 21 , 22).

Bei konstanter Form des Lufttrichters ergibt sich über den gesamten Hub­bereich (Meßbereich) des Luftmengen­messersein konstantes Gemisch. Es ist jedoch erforderlich, in bestimmten Be­triebsbereichen wie Leerlauf, Teillast und Vollast ein für jeweils diesen Be­triebsbereich optimales Gemisch dem Motor zuzuteilen. ln der Praxis bedeutet dies fettere Gemische für Leerlauf und Vollast sowie mageres Gemisch für den Teillastbereich. Man erreicht diese An­passung durch verschiedene Kegelwin­kel des Lufttrichters im Luftmengen­messer. 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, Höchstleistung) ein unterschiedlich an­gereichertes Gemisch ergibt: bei Leer­lauf und bei Vollast ein fetteres, bei Teil­last dagegen ein mageres Gemisch (Vollast- und Leerlaufanreicherung).

Einfluß des Lufttrichterkegelwinkels auf die Auslenkung der Stauscheibe bei gleichem Luftdurchsatz.

a Grundform des Lufttrichters ergibt Hub h,

b steilere Trichterform, bei gleicher Luftmenge größerer Hub h ,

c flachere Trichterform,

a

bei gleicher ttJ Luftmenge A geringerer Hub h.

A Von der Stauscheibe freigegebene h Ringfläche (bei a,b und b c gleich).

Bild 22 Bild 21

Trichterkorrekturen am Luftmengenmesser.

1 für Höchstleistung, 2 fürTeillast, 3 für Leerlauf.

Kaltstartanreicherung 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 erfolgt durch das Kaltstartventil in das Sammelsaugrohr. Die Einschaltdauer des Kaltstartventils wird von einem Thermozeitschalter in Abhängigkeit von der Motortemperatur zeitlich begrenzt.

Kaltstartventil, betätigt.

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

Bild 23

Der beschriebene Vorgang wird Kalt­startanreicherung genannt. Bei der Kalt­startanreicherung wird das Gemisch "fetter", d.h. die Luftzahl A. ist vorüber­gehend kleiner als 1.

Kaltstartventil Das Kaltstartventil (Bild 23) ist ein elek­tromagnetisch betätigtes Ventil. Im Ven­til sitzt die Wicklung des Elektromagne­ten. ln Ruhestellung preßt eine Feder den beweglichen Anker des Elektro­magneten gegen eine Dichtung und verschließt damit das Ventil.

Beim Erregen des Elektromagneten gibt der nunmehr vom Ventilsitz abgeho­bene Magnetanker den Kraftstoffdurch­fluß frei. Der Kraftstoff gelangt tangential in eine 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-Ge­misches auf alle Zylinder gegeben ist.

Thermozeitschalter.

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

1--

2

Bild 24

Thermozeitschalter Der Thermozeitschalter begrenzt zeit­und temperaturabhängig die Spritzzeit des Kaltstartventils. Der Thermozeitschalter (Bild 24) 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 befindliche elektrische Heizung. Diese Eigenheizung ist erforderlich, um die Einschaltdauer des Startventils zu begrenzen und um das Gemisch nicht zu stark anzureichern, damit der Motor nicht .. ersäuft". Beim Kaltstart ist für das Bemessen der Einschaltdauer haupt­sächlich die Leistung der Heizwicklungen

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Warmlaufregler.

a Bei kaltem Motor, b bei betriebs·

warmem Motor. 1 Ventilmembran, 2 Rücklauf , 3 Steuerdruck

(vom Gemischregler), 4 Ventilfeder, 5 Bimetallfeder, 6 Elektrische

Heizung .

a

b

maßgebend (Abschaltung z.B. bei - 2oac 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.

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 26). Zu Beginn der an den Kaltstart anschlie­ßenden Warmlaufphase kondensiert

6 5 4

Bild 25

noch ein Teil des eingespritzten Kraft­stoffes in den Saugrohren und an den Zylinderwänden. Dadurch könnten Ver-brennungsaussetzer auftreten. Das Luft-Kraftstoff-Gemisch muß daher während des Warmlaufs angereichert werden (A. < 1 ,0) . Dabei muß bei stei­gender Motortemperatur die Anreiche­rung kontinuierlich verringert werden, um eine Überfettung des Gemisches bei höheren Motortemperaturen zu ver­hindern. Diese Art der Gemischregelung für den Warmlauf wird über den Steuerdruck der Jetronic-Anlage vom Warmlauf­regler (Steuerdruckregler) vorgenom­men.

Warmlaufregler Die Veränderung des Steuerdruckes 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 und einer elektrisch beheizten Bimetallfeder (Bild 25). in kaltem Zustand drückt die Bimetall­feder gegen die Ventilfeder und verrin­gert dadurch die wirksame Federkraft auf die Membranunterseite des Ventils. Der Absteuerquerschnitt des Ventils ist dann etwas weiter geöffnet, wodurch mehr Kraftstoff aus dem Steuerdruck­kreis abgesteuert wird und damit der Steuerdruck niedrig ist. Elektrische Heizung und Motor erwär­men ab Startbeginn die Bimetallfeder. 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 beendet, wenn die Bimetallfeder völlig von der Ventilfeder abgehoben hat. Die nun ausschließlich wirkende Ventilfeder re­gelt den Steuerdruck auf seinen Nor­Bild 26

malwert Der Steuerdruck beträgt beim Kaltstart etwa 0,5 bar und bei warmem Motor etwa 3,7 bar (Bild 26).

Leerlaufstabilisierung 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. Bei kaltem Motor bestehen erhöhte Rei­bungswiderstände, die der Motor im Leerlauf zusätzlich überwinden muß. Deshalb läßt man durch den Zusatzluft­schieber den Motor unter Umgehung der Drosselklappe mehr Luft ansaugen. 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 Leerlauf-Stabilisierung erreichen.

Zusatzluftschieber 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

Kennlinien des Warmlaufreglers bei verschiedenen Motortemperaturen.

Anreicherungsfaktor 1 ,0 entspricht der Kraftstoffzumessung bei warmem Motor.

3,0 4 bar

3

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0 30 60 90 120 150 s 0 30 60 90 120 150 s Zeit nach dem Start Zeit nach dem Start

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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 (Bild 27).

Vollastanreicherung Motoren, die im Teillastbereich mit sehr magerem Gemisch betrieben werden, benötigen bei Vollastbetrieb eine An­reicherung zusätzlich zur Gemischkor­rektur durch die Lufttrichterform. Diese Aufgabe übernimmt ein dafür speziell ausgelegter Warmlaufregler durch Regelung des Steuerdruckes in Abhäng igkeit vom Saugrohrdruck (Bild 28, 30) . Diese Variante des Warmlaufreglers weist statt einer zwei Ventilfedern auf. Die äußere Feder liegt wie beim norma­len Warmlaufregler am Gehäuse auf, die innere Feder dagegen auf einer Mem­bran. Diese Membran teilt den Warmlauf­regler in eine Oberkammer und eine Unterkammer. ln der Oberkammer wirkt der Saugrohrdruck, 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 die Mem­bran bis zu ihrem oberen Anschlag an, wobei die innere Feder ihre maximale Vorspannung erhält. Die Federvorspan­nung der beiden Ventilfedern verur­sacht somit den bestimmten Steuer­druckwert für diese Lastbereiche. Bei Vollast öffnet die Drosselklappe weiter, und der Druck im Saugrohr steigt an. Dadurch löst sich die Membran vom oberen Anschlag und drückt gegen den unteren Anschlag. Die innere Ventilfeder wird entlastet, der Steuerdruck um den vorgegebenen Wert abgesenkt und damit eine Ge­mischanreicherung erzielt.

Zusatzluftschieber.

1 Elektrischer Anschluß, 2 elektrische Heizung, 3 Bimetallfeder, 4 Lochblende.

2 3

Bi ld 28

4

Abhängigkeit des Steuerdrucks von der Motorbelastung.

Leerlauf und Teillasl

Vollasl

Motorbelastung -

Bild 29

Beschleunigungsvorgang.

Bild 29

Verhalten der K-Jetronic bei raschem Öffnen der Drosselklappe.

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C::.

Rrn <O<= ~~ ~~ 0

Ci ZUc===~-~--~-~-~

0 0,1 0 ,2 0 ,3

Zeit

0,4 s

Übergangsverhalten beim Beschleunigen Ein gutes Übergangsverhalten beim Beschleunigen ergibt sich durch das Überschwingen der Stauscheibe des Luftmengenmessers (Bild 29). Übergänge von einem Betriebszustand in einen anderen lösen Gemischabwei­chungen aus, die sich zu einer Ver­besserung des Fahrverhaltens nützen lassen. Wird bei konstanter Drehzahl die Dros­selklappe plötzlich geöffnet, so durch

Bild 30

Warmlaufregler (Steuerdruckregler) mit Vollastmembran.

a Bei Leerlauf und Teillast,

b bei Vollast

1 Elektrische Heizung, 2 Bimetallfeder, 3 Unterdruckanschluß

(vom Saugrohr) , 4 Ventilmembran, 5 Rücklauf zum

Kraftstoffbehälter, 6 Steuerdruck (vom

Kraftstoffmengen­teiler),

7 Ventilfedern, 8 oberer Anschlag, 9 Entlüftung,

10 Membran, 11 unterer Anschlag.

a

b

strömt 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.

2 3 4 5 6

11 10

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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 Nullage und unterbindet dabei die Kraftstoffzumessung . Durch das Ab­schalten der Kraftstoffzufuhr im Schie­bebetrieb läßt sich der Kraftstoffver­Bild 31

Zusätzliche Bauteile für Lambda-Regelung.

1 Lambda-Sonde, 2 Lambda-Regler, 3 Taktventil (variable Drossel) , 4 Kraftstoflmengenteiler, 5 Unterkammern der

Differenzdruckventile, 6 Steuerschlitze, 7 Entkoppeldrossel (Festdrossel), 2 8 Kraftstoffzulaul, 9 Kraftstoffrücklauf,

10 zum EinspritzventiL

brauch 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 extrem niedriger Ab­gasgrenzwerte ist die Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses nicht genau genug. Die zum Betrieb eines Dreiwege-Katalysators notwendige Lambda-Regelung bedingt bei der K­Jetronic den Einsatz eines elektroni-

3

sehen 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. Senkt man beispielsweise den Druck in den Unter­kammern, so steigt der Differenzdruck an den Steuerschlitzen an, wodurch die eingespritzte Kraftstoffmenge erhöht wird. Um den Druck in den Unterkarn­rnern variieren zu können, sind diese im Vergleich zum normalen K-Jetronic­Mengenteiler über eine Festdrossel vom Systemdruck entkoppelt. Eine

weitere Drossel stellt eine Verbindung zwischen den Unterkammern und dem Kraftstoff-Rücklauf her. Diese Drossel ist variabel : Ist sie geöff­net, so kann sich der Druck in den Un­terkammern abbauen. 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 Unterkarn­rnern variieren. Als variable Drossel wird ein elektromagnetisches Ventil , das Taktventil, eingesetzt. Es wird durch elektrische Impulse vom Lambda-Reg­ler gesteuert.

1 Kraftstoffspeicher, 2 Elektrokraftstoffpumpe, 3 Kraftstoffi lter, 4 Warmlaufregler, 5 Gemischregler mit Luftmengenmesser und Kraftstoffmengenteiler, 6 Kaltstartventil, 7 Thermozeitschalter, 8 Einspritzventile, 9 Zusatzluftschieber. 10 elektronisches Steuerrelais.

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Abgas­nachbehandlung

Lambda-Sonde

Die Lambda-Sonde liefert ein Signal über die augenblickliche Gemischzu­sammensetzung an das Steuergerät. Die Lambda-Sonde 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.

Arbeitsweise Die Sonde ragt in den Abgasstrom und ist so gestaltet, daß die äußere Elektro­denseile vom Abgas umspült ist und die innere Elektrodenseite mit der Au Benluft in Verbindung steht. Die Sonde besteht im wesentlichen aus einem Spezialkeramik-Körper, des­sen Oberflächen mit gasdurchlässigen Platin-Elektroden versehen sind. Die Wirkung der Sonde beruht darauf, daß das keramische Material porös ist und eine Diffusion des Luftsauerstoffs zuläßt (Festelektrolyt). Die Keramik wird bei höheren Temperaturen leitend. Ist der Sauerstoffgehalt auf beiden Seiten der Elektroden verschieden groß, so entsteht an den Elektroden eine elektrische Spannung. Bei einer stöchiometrischen Zusammensetzung des Luft-Kraftstoff­Gemischs von 'A = 1 ,00 ergibt sich eine Sprungfunktion. Diese Spannung stellt das Meßsignal dar.

Aufbau Die Sondenkeramik ist in einer Halterung mit Einschraubgewinde fixiert und mit Schutzrohren und elektrischen An­schlüssen versehen. Die Oberfläche der Sondenkeramik hat eine mikroporöse Platinschicht, die einerseits durch kataly­tische Wirkung die Sondencharakteristik entscheidend beeinflu ßt, andererseits zur Kontaktierung dient. Auf dem abgas­seitigen Teil der Sondenkeramik befindet sich über der Platinschicht eine fest­haftende hochporöse Keramikschicht

Diese Schutzschicht verhindert einen erosiven Einfluß der Rückstände im Abgas auf die Platinschicht Über der Anschlußseite der Sonde be­findet sich eine metallische Schutzhülse, sie hat eine Bohrung zum Entlüften der Sonde und dient als Widerlager für die Tellerfeder. Die elektrische Zuleitung wird über eine lsolierhülle aus der Sonde herausgeführt. Um Verbrennungsrückstände im Abgas von der Sondenkeramik fernzuhalten, ist die Abgasseite mit einem Schutzrohr ver­sehen. Es hat Schlitze, die so gestaltet sind, daß Abgase und sie begleitende Feststoffe nicht auf die Sondenkeramik treffen können. Neben diesem mechani­schen Schutz wird auch der Temperatur­wechsel bei Übergangen von einem Betriebszustand zum anderen wirkungs­voll gemildert. Die Spannung und der Innenwiderstand der Sonde sind von der Temperatur abhängig. Ein sicherer Regelbetrieb ist bei Temperaturen oberhalb 360 °C (un­beheizte Sonde) bzw. 200 °C (beheizte Sonde) möglich.

Beheizte Lambda-Sonde Das Konstruktionsprinzip der beheizten Sonde ist weitgehend mit der unbeheiz­ten Sonde identisch.

Bild 33

Regelbereich der Lambda-Sonde und Verringerung des Schadstoffanteils Im Abgas. _______ Ohne katalytische Nachbehandlung ___ Mit katalytischer Nachbehandlung

Ä-Regelbereich

Die aktive Sondenkeramik wird von innen durch ein keramisches Heizele­ment beheizt, so daß unabhängig von der Abgastemperatur die Temperatur der Sondenkeramik über der Funktions­grenze von 350 oc verbleibt. Die beheizte Sonde weist ein Schutzrohr mit verminderter Durchlaßöffnung auf. Dadurch wird u. a. eine Abkühlung der Sondenkeramik bei kaltem Abgas ver­hindert. Von Vorteil ist die sichere Regelung auch bei niedriger Abgastemperatur (z. B. im Leerlauf) , die geringe Abhängigkeit von Schwankungen der Abgastemperatur, kurze Einschaltzeiten der Lambda­Regelung, geringe Abgaswerte durch günstige Sondendynamik und flexible Einbaumöglichkeiten unabhängig von der externen Erwärmung.

Lambda-Regelkreis Durch die Lambda-Regelung kann das Luft-Kraftstoff-Verhältnis sehr genau bei A. = 1 ,00 eingehalten werden. Die Lambda-Regelung ist eine auf­schaltbare Funktion, die im Prinzip jede elektronisch beeinflu ßbare Gemisch­steuerung ergänzen kann. Sie bietet sich insbesondere in Verbindung mit Jetronic-Einspritzsystemen oder der Metronie an. Bild 34

Sitz der Lambda-Sonde in einer Doppel-Auspulfan Iage.

Durch den mit Hilfe der Lambda-Sonde gebildeten Regelkreis können Abwei­chungen von einem bestimmten Luft­Kraftstoff-Verhältnis erkannt und korri ­giert werden. Das Regelprinzip beruht auf dem Messen des Restsauerstoff­gehalts im Abgas mit Hilfe der Lambda­Sonde. Der Restsauerstoffgehalt ist ein Maß für die Zusammensetzung des dem Motor zugeführten Luft-Kraftstoff­Gemisches. Die Lambda-Sonde als Meßfühler im Auspuffrohr liefert eine Information darüber, ob das Gemisch fetter oder magerer als A. = 1 ,00 ist. Bei einer Abweichung davon macht das Ausgangssignal der Sonde einen Span­nungssprung, den die Regelschaltung auswertet. Die Kraftstoffzufuhr zum Motor wird durch die Gemischaufbereitungsanlage entsprechend der Gemischzusammen­setzungs-lnformation der Lambda-Sonde so geregelt, daß ein Luft-Kraftstoff­Verhältnis "Lambda" von A. = 1 ,00 erreicht wird. Die Sondenspannung ist ein Maß für die Korrektur der Kraftstoffmenge bei der Gemischbildung. Das in der Regel­schaltung aufbereitete Signal wird zur Beeinflussung der Stellglieder der Jetro­nic Anlage herangezogen. Bei der Ge­mischaufbereitung durch die K-Jetronic (oder durch Vergaseranlagen) erfolgt die Bild35

Anordnung der Lambda-Sonde im Abgasrohr (schematisch).

1 Sondenkeramik, 2 Elektroden, 3 Kontakt , 4 Gehäusekontaktierung, 5 Abgasrohr, 6 keramische Schutzschicht (porös) , 7 Abgas, 8 Luft.

• 6 4 8

.. · .{7 .

K-Jetronic

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Benzin­einspritz­systeme

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Gemischregelung über ein zusätzliches Regelgerät und ein elektromechanisches Stellglied (Taktventil). Auf diese Weise läßt der Kraftstoff sich so exakt zuteilen, daß in allen Betriebs­zuständen abhängig von Last und Dreh­zahl das Luft-Kraftstoff-Verhältnis opti­mal ist. Teleranzen und Alterungser­scheinungen des Motors spielen dabei keine Rolle. Bei A. -Werten über 1 ,00 erfolgt verstärkte, unter 1 ,00 eine ver­ringerte Kraftstoffzumessung. Dieses fortwährende, nahezu verzöge­rungsfreie Einstellen des Gemisches auf A. = 1 ,00 ist die Voraussetzung dafür, daß der nachgeschaltete Katalysator die Schadstoffe mit hohem Wirkungs­grad nachbehandeln kann.

Regelfunktionen bei verschiedenen Betriebszuständen

Start Die Lambda-Sonde gibt erst bei Tem­peraturen über ca. 350 ac ein auswert­bares Signal. Bis zum Erreichen dieser Temperatur wird auf eine Regelung ver­zichtet und das Luft-Kraftstoff-Gemisch auf einen mittleren A. -Wert gesteuert. Die Startanreicherung des Gemisches wird wie bei den nicht geregelten Jetronic-An­lagen durch entsprechende Komponen­ten vorgenommen. Bild 36

Beschleunigung und Vollast Die Anreicherung während des Be­schleunigens kann über das Regelgerät erfolgen. Dabei kann es erforderlich sein, einen Motor im Vollastfall mit einem von A. = 1 abweichenden Luft-Kraftstoff-Ver­hältnis zu betreiben. Dieser Betriebsbe­reich wird ähnlich dem Beschleunigungs­bereich durch einen Sensor dem Regel­gerät signalisiert, das dann die Kraft­stoffzuteilung auf Steuerung schaltet und eine entsprechend eingestellte Kraftstoff­menge einspritzt.

Gemischabweichungen Die Lambda-Regelung arbeitet in einem Bereich A. = 0,8 ... 1 ,2, in dem man die normalerweise auftretenden Störein­flüsse (z. B. Höheneinfluß) mit einer Genauigkeit von ± 1% auf A. = 1 aus­regelt. Im Regelgerät ist eine Schaltung vorgesehen, die die Lambda-Sonde über­wacht und verhindert, daß die Regelung längere Zeit an einem Grenzanschlag bleibt. Für diesen Fall wird auf Steuerung umgeschaltet und der Motor bei einem mittleren A. -Wert betrieben.

Beheizte Lambda-Sonde.

1 Sondengehäuse, 2 keramisches Stützrohr, 3 Anschlußkabel,

4 Schutzrohr mit Schlitzen, 5 aktive Sondenkeramik,

7 Schutzhülse, 8 Heizelement,

6 Kontaktteil , 9 Klemmanschlüsse für Heizelement

2 3

4 5 6 7 8 9

Lambda-Regelkreis. K-Jetronic Der Lambda-Regelkreis ist der Gemischsteuerung überlagert. Die von der Gemischsteuerung vorgegebene Einspritzmenge wird durch die Lambda-Regelung verbrennungsoptimal angepaßt. U1. Lambda-Sondensignal

1--- Motor (Regelstrecke) Restsauerstoff·

\J gehalt im Abgas ~ ~~-~ Katalysator (Regelgröße) messer Ansauglufl

1--- - -LJ Lambda· • Sonde

'"' . "' . "' ·II' • "' '"'

Einspritzventile

+ + "' t "' "' Stauscheiben· Krallstoff

" Stellung (mech.)

Kraflstolf · .... Mengenteiler ~

t'; •• • l Differenzdruck (Stellgröße)

Taklvenhl

I (Stellglied)

""' ~ .... :z::::=::::! ""' ~

Lambda-Regler """"" ~

Bt ld 37 Bild 38

Ansicht der unbeheizten (vorn) und beheizten Lambda-Sonde.

85

Benzin­einspritz­systeme

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Elektrische Schaltung

Kommt der Motor bei eingeschalteter Zündung zum Stillstand, so wird die Elektrokraftstoffpumpe ausgeschaltet. Die K-Jetronic verfügt über elektrische Komponenten wie Elektrokraftstoff­pumpe, Warmlaufregler, Zusatzluft­schieber, Kaltstartventil und Thermo­zeitschalter. Die Betätigung dieser Komponenten erfolgt über ein Steuer­relais, das vom Zünd-Start-Schalter ge­schaltet wird. Neben Schaltaufgaben hat das Steuer­relais eine Sicherheitsfunktion. Eine häufig verwendete Schaltungsvariante ist nachfolgend beschrieben.

Bild39

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

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

Schaltung im Ruhezustand. 3"'0;--T-<;>;;;:.---+--E3---.

1 Zünd-Start-Schalter, 2 Kaltstartventil, 3 Thermozeitschalter, 4 Steuerrelais, 5 Elektrokraftstoffpumpe, 6 Warmlaufregler, 50 7 Zusatzluftschieber.

Bild40

Starten (kalter Motor).

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

30

' I ' I ' 1 r· i i

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

Bild41

Betrieb.

Zündung eingeschaltet, Motor läuft. Steuerrelais, Elektro­kraftstoffpumpe, Zusatzluftschieber und Warmlaufregler sind eingeschaltet.

Bild 42

Zündung

Warmlaufregler. Das Steuerrelais bleibt eingeschaltet, solange die Zündung eingeschaltet ist, und der Motor läuft. Bleiben die Impulse von Klemme 1 der Zündspule aus, weil der Motor zum Ste­hen kommt (zum Beispiel bei einem Un­fall), dann schaltet das Steuerrelais etwa 1 Sekunde nach dem letzten Impuls ab.

Diese Sicherheitsschaltung verhindert, daß die Elektrokraftstoffpumpe trotz stehendem Motor und eingeschalteter Zündung weiter Kraftstoff fördert.

eingeschaltet, ""'o:-+~--+-E:::r---., Motor läuft nicht. 3

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

K-Jetronic

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Benzin­einspritz­systeme

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Werkstattprüftechnik

Bosch-Kundendienst Die Qualität eines Produkts wird auch an der Qualität des Kundendienstes ge­messen. Mehr als 10 000 8oseh-Kun­dendienststellen in 125 Ländern sind für den Autofahrer da - neutral und ohne Bindung an eine Fahrzeugmarke. Selbst in dünn besiedelten Ländern Afrikas und Südamerikas kann man mit schneller Hilfe rechnen . Und auch hier gibt es die selben Qualitätsstandards wie in Deutschland. Da versteht es sich von selbst, daß die Garantie auf Kunden­dienstleistungen weltweit gilt. Bosch-Aggregate und -Systeme sind mit ihren Kenndaten und Leistungswerten exakt auf das jeweilige Fahrzeug und den zum Fahrzeug gehörigen Motor ab­gestimmt. Um die notwendigen Prüfun­gen durchführen zu können, entwickelt Bosch jeweils die entsprechende Meß­technik, die Prüfgeräte und Spezial­werkzeuge und rüstet die Kundendienst­stellen damit aus.

Prüftechnik für K-Jetronic Das Benzineinspritzsystem K-Jetronic erfordert, abgesehen vom periodischen Wechseln des Kraftstoffilters nach Vor­schrift des Fahrzeugherstellers, keine Wartungsarbeiten. Bild 43

Ventilprüfgerät.

Bei Störungen des Systems stehen dem Fachmann im wesentlichen folgende Prüfgeräte zusammen mit den notwen­digen Prüfwerten zur Verfügung : - Ventilprüfgerät, - Mengenvergleichsmeßgerät, - Druckmaßvorrichtung und - Lambda-Regelungstester (bei vorhan-

dener Lambda-Regelung) .

Diese Prüftechnik ist weltweit einheit­lich. Sie liegt bei den meisten Werk­stätten der Fahrzeughersteller und den 8oseh-Kundendienststellen in Verbin­dung mit verschiedensprachigen Prüf­anleitungen und Prüfwerten vor. Ohne diese Ausrüstung ist keine gezielte, preisgünstige Fehlersuche und keine fachgerechte Instandsetzung möglich. Fahrzeughalter sollten deshalb von eige­nen Reparaturversuchen absehen.

Ventilprüfgerät Das Ventilprüfgerät (Bild 43) wurde spezi­ell zur Prüfung ausgebauter Einspritz­ventile der K- und KE-Jetronic entwickelt. Geprüft werden alle wichtigen Funktio­nen eines Einspritzventils, die für einen optimalen Motorlauf notwendig sind : - Öffnungsdruck, - Dichtheit, - Strahlform und - Schnarrverhalten. Ventile, deren Öffnungsdruck außerhalb der Toleranz liegt, werden ausgewech­selt. Bei der Dichtheilsprüfung wird der Druck langsam bis 0,5 bar unter den Öffnungsdruck gesteigert und gehalten; innerhalb von 60 s darf sich am Ventil kein Tropfen bilden. Bei der Schnarr­prüfung und Strahlbeurteilung muß das Ventil ein schnarrendes Geräusch abge­ben, ohne daß sich ein Tropfen bildet. Es darf kein Schnurstrahl oder "strähniger" Strahl auftreten. Gute Einspritzventile haben einen zerstäubten Strahl.

Mengenvergleichsmeßgerät Mit einer Vergleichsmessung wird bei nicht ausgebautem Mengenteiler ge­prüft, welche Differenz die Fördermen­gen der einzelnen Auslässe zueinander haben (für alle Motoren bis zu acht

Zylindern, Bild 44). Da die Prüfung mit den Originai-Einspritzventilen durchge­führt wird, läßt sich gleichzeitig feststel­len, ob eine Streuung vom Mengenteiler oder von den Einspritzventilen herrührt. Die kleine Meßröhre des Geräts dient zur Leerlaufmessung, die große Meßröhre zur Teillast- und Vollastmessung. Acht Schlauchleitungen, in deren Auto­matikkupplungen die aus ihren Halte­rungen am Motor herausgezogenen Ein­spritzventile eingesteckt werden, stellen die Verbindung zum Mengenteiler her. ln jeder Automatikkupplung befindet sich ein Aufstoßventil , damit an nicht benö­tigten Leitungen kein Kraftstoff austreten kann (z.B. bei Anlagen für Motoren mit sechs Zylindern , Bild 2) . Über eine wei­tere Schlauchleitung wird der Kraftstoff zum Kraftstoffbehälter zurückgeführt.

Druckmeßvorrichtung Mit der Druckmeßvorrichtung lassen sich alle für die Funktion der K-Jetronic wichtigen Drücke messen. - Systemdruck: Aussage über Leistung

Bild 44

der Förderpumpe, Durchlässigkeit des Filters und Zustand des Systemdruck­reglers.

- Steuerdruck: wichtig zur Beurteilung aller Betriebszustände (zum Beispiel kalter/warmer Motor, Teillast/Vollast, Anreicherungsfunktionen, gelegentlich Höhendruck) .

-Dichtheit des Gesamtsystems: beson­ders wichtig für das Kaltstart- und Warmstartverhalten.

Automatikkupplungen an den Verbin­dungsschläuchen verhindern ein Aus­laufen des Kraftstoffs.

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

Mengenvergleichsmeßgerät (Anschluß einer 6-Zylinder-Anlage).

1 Einspritzleitungen des Mengenteilers, 2 Einspritzventile, 3 Automatikkupplungen, 4 Schlauchleitungen des Meßgeräts, 5 kleine Meßröhre. 6 große Meßröhre, 7 Rücklaufleitung zum Kraftstoffbehälter.

1234567 8

2 3 4

7

K-Jetronic Werkstatt­prüftechnik

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Benzin­einspritz­systeme

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KE-Jetronic

Systemübersicht Das Grundsystem der KE-Jetronic ist ein mechanisch-hydraulisches Einspritzsy­stem. Zur Erhöhung der Flexibilität und zur Aufschaltung weiterer Funktionen er­gänzt ein elektronisches Steuergerät die­ses Grundsystem.

Weitere Komponenten sind: - der Sensor für die vom Motor ange­saugte Luftmenge, - der Drucksteller, der in die Gemisch­zusammensetzung eingreift und - der Druckregler, der den Systemdruck konstant hält und beim Abstellen des Mo­tors eine bestimmte Schließfunktion aus­übt.

Funktion Eine vom Luftstrom ausgelenkte Stau­scheibe steuert den Kraftstoffzumeß­kolben und öffnet damit mehr oder we­niger die Zumeßschlitze. ln der Grund­funktion mißt die KE-Jetronic den Kraftstoff in Abhängigkeit von der vom Motor angesaugten Luftmenge, der Hauptsteuergröße, zu. Das Einspritzsystem KE-Jetronic erfaßt Betriebsdaten des Motors über Senso­ren, deren Ausgangssignale ein elektro­nisches Steuergerät verarbeitet. Dieses elektronische Steuergerät steuert einen elektrohydraulisch arbeitenden Druck­steiler, der die Einspritzmenge den verschiedenen Betriebszuständen im er­forderlichen Maß anpaßt. Bei Störung arbeitet die KE-Jetronic mit der Grund­funktion. Dem Fahrer steht dann bei war­mem Motor noch ein Einspritzsystem mit guter Funktion zur Verfügung.

Vorteile der KE-Jetronic Geringer Kraftstoffverbrauch Bei herkömmlicher Gemischaufbereitung führen die unterschiedlich langen An­saugwege zu unterschiedlicher Ge­mischzusammensetzung für die einzel­nen Zylinder.

Beim Einspritzsystem KE-Jetronic ver­fügt jeder Zylinder über ein eigenes Ein­spritzventil. Die Einspritzventile spritzen den Kraftstoff kontinuierlich auf die Ein­laßventile. Der eingespritzte Kraftstoff verdampft und vermischt sich intensiv mit der angesaugten Luft. Hierdurch ist ne­ben der genauen Dosierung eine exakte Gleichverteilung des Kraftstoffes auf die Motorzylinder gegeben. Da die Ansaug­rohre nur der Luftführung dienen, ist die Kondensation des Kraftstoffes an den Saugrohrwänden - ein verbrauchserhö­hender Faktor - nahezu ausgeschlos­sen. Die KE-Jetronic sorgt für einen deutlich geringeren Kraftstoffverbrauch, vor allem während der Warmlaufphase, bei Be­schleunigungsanreicherung und Vollast sowie durch Unterbrechen des Kraftstoff­zuflusses im Schiebebetrieb.

Anpassung an Betriebszustände Während der Betriebszustände Nach­start, Warmlauf, Beschleunigung und Vollast weicht der Kraftstoffbedarf stark vom Normalwert ab. Die KE-Jetronic greift über ihr elektroni­sches Steuergerät korrigierend in die Ge­mischbildung ein, um die Krattstoff­mehrmenge oder Kraftstoffmindermenge exakt zuzuteilen. Durch zusätzliche Sensoren für das Er­fassen der Motortemperatur, der Dros­selklappenstellung (Lastsignal) und der Stauscheibenbewegung des Luftmen­genmessers (entspricht etwa der zeit­lichen Änderung der Motorleistung) rei­chert das elektronische Steuergerät über den elektrohydraulischen Drucksteller das Luft-Kraftstoff-Gemisch an oder ma­gert es ab ..

Die KE-Jetronic spricht schnell auf die verschiedenen Motor-Betriebszustände an, bewirkt einen günstigen Drehmo­mentverlauf und eine hohe Motorelasti­zität Daraus resultieren Vorteile beim Fahren in energiesparenden niedrigen Drehzahlen und höchstmöglichem Gang sowie gutes Fahrverhalten. Sicheres Startverhalten ist ein weiterer Vorteil der KE-Jetronic.

Die im Schiebebetrieb wirksam werden­de, ruckfrei arbeitende Schubabschal­tung spricht abhängig von der Motor­temperatur und -drehzahl an und unter­bricht den Kraftstoffzufluß. Die Folge ist eine Verbrauchssenkung. Da im Schiebebetrieb kein Kraftstoff ver­brennt, entstehen keine schädlichen Ab­gase.

Schadstoffarmes Abgas Voraussetzung für geringe schädliche Abgasanteile ist eine nahezu voll­ständige Verbrennung des Kraftstoffs. Die KE-Jetronic mißt jedem Zylinder exakt die Kraftstoffmenge zu, die der jeweilige Betriebs- und Lastwechselzu­stand des Motors erfordert. Die erforder­liche Gemischzusammensetzung wird zum Beispiel durch die zeitlich rasch zurückgenommene Nachstartanhebung oder durch die schnell ansprechende Beschleunigungsanreicherung so genau

Bild 1

eingehalten, daß eine minimale Schad­stoff-Emission gewährleistet ist. Eine weitere Abgasverbesserung ist mit der Lambda-Regelung und mit der kataly­tischen Abgasnachbehandlung möglich (Bild 1).

Höhere spezifische Leistung Das Einspritzsystem KE-Jetronic erlaubt durch eine strömungsgünstige Gestal­tung des Ansaugsystems eine leistungs­steigernde Zylinderfüllung. Kurze Ein­spritzwege stellen das Leistungspoten­tial des Motors verzögerungsfrei zur Verfügung. Die KE-Jetronic erzielt- wie alle anderen Jetronic-Systeme - eine deutliche Lei­stungssteigerung bei unverändertem Hubraum, ohne daß dies zu erhöhtem Kraftstoffverbrauch führt. Sie ermöglicht sparsame Motoren mit hoher spezifi­scher Leistung, guter Elastizität und be­achtlicher Laufkultur.

Bild 1: Schema einer KE-Jetronic-Anlage mit Lambda-Regelung.

1 Kraftstoffbehälter, 2 Elektrokraftstoffpumpe, 3 Kraftstoffspeicher, 4 Kraftstoffilter. 5 Systemdruckregler, 6 Einspritzventil,

7 Sammelsaugrohr, 8 Kaltstartventil, 9 Kraftstoffmengenteiler,

1 0 Luftmengenmesser, 11 elektrohydraulischer

Drucksteller,

18

12 Lambda-Sonde, 13 Thermozeitschalter, 14 Motortemperatursensor, 15 Zündverteiler, 16 Zusatzluftschieber, 17 Drosselklappenschalter,

18 Steuergerät, 19 Zünd-Start­

Schalter, 20 Batterie.

20 BOSCH

11

KE-Jetronic

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Benzin­einspritz­systeme

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Kraftstoffversorgung

Das System zur Kraftstoffversorgung be­steht aus:

- Elektrokraftstoffpumpe (Bild 2), - Kraftstoffspeicher, - Krattstotfilter (Bild 4) , - Systemdruckregler und - Einspritzventilen.

Eine elektrisch angetriebene Rollenzel­lenpumpe fördert den Kraftstoff vom Kraftstoffbehälter mit einem Druck von über 5 bar in einen Kraftstoffspeicher und durch einen Filter in den Kraftstoff­mengenteiler. Vom Kraftstoffmengen­teilerfließt der Kraftstoff zu den Einspritz­ventilen . Die Einspritzventile spritzen den Kraftstoff kontinuierlich in die Ansaug­kanäle des Motors. Daher die System­bezeichnung KE (kontinuierlich , elektro­nisch) . 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. Bei der ständigen Durchspülung des Kraftstoff-Versorgungssystems steht im­mer kühler Kraftstoff zur Verfügung. Da­durch läßt sich Dampfblasenbildung ver­meiden und ein gutes Heißstartverhalten erreichen.

Elektrokraftstoffpumpe Die Elektrokraftstoffpumpe ist eine von einem permanent erregten Elektromotor angetriebene Rollenzellenpumpe. Die im Pumpengehäuse exzentrisch angeord­nete Läuferscheibe enthält an ihrem Um­fang Metallrollen, die in nutförmigen Aus­sparungen gelagert sind und durch die Zentrifugalkraft gegen das Pumpen­gehäuse gepreßt werden. Die Rollen wirken als umlaufende Dich­tung. ln den sich zwischen den Rollen bil­denden Hohlräumen wird der Kraftstoff gefördert. Eine Pumpwirkung kommt da­durch zustande, daß die Rollen nach Ab­schluß der Zulaufbohrung die einge-

Elektrokraftstoffpumpe.

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

2 3 4 5

Bild3

Pumpvorgang Rollenzellenpumpe.

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

2 3 4

Bild4

Kraftstoffilter.

1 Papiereinsatz (Papierwickel ), 2 Sieb, 3 Stützplatte.

6

Bild 2

schlossene Kraftstoffmenge vor sich her­schieben, bis der Kraftstoff die Pumpe durch die Abflußbohrung verläßt (Bild 3). Der Kraftstoff durchströmt den Elektro­motor. Eine Explosionsgefahr besteht dabei nicht, da sich kein zündfähiges Ge­misch im Motor-Pumpengehäuse be­findet.

Die Elektrokraftstoffpumpe fördert mehr Kraftstoff als der Verbrennungsmotor maximal benötigt, um bei allen vorkom­menden Betriebszuständen den Druck im Kraftstoffsystem aufrechtzuerhalten. Ein Rückschlagventil in der Pumpe ent­koppelt das Kraftstoffsystem vom Kraft­stoffbehälter, indem es das Rückströmen

von Kraftstoff zum Kraftstoffbehälter ver­hindert. Die Elektrokraftstoffpumpe läuft sofort beim Betätigen des Zünd-Start-Schalters an und bleibt ständig eingeschaltet, nachdem der Motor angesprungen ist. Eine Sicherheitsschaltung vermeidet das Fördern von Kraftstoff bei eingeschal­teter Zündung und stehendem Motor zum Beispiel nach einem Unfall. Die Kraftstoffpumpe befindet sich in un­mittelbarer Nähe des Kraftstoffbehälters und arbeitet wartungsfrei.

Kraftstoffspeicher Der Kraftstoffspeicher hält nach dem Ab­stellen des Motors für eine gewisse Zeit den Druck im Kraftstoff-Versorgungs­system, um das erneute Starten, beson­ders des heißen Motors, zu erleichtern. Die besondere Bauweise (Bild 5) des Speichergehäuses wirkt dämpfend auf das Geräusch der Elektrokraftstoff­pumpe.

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. ln dieser Stellung, die dem größten Speichervolumen entspricht, verbleibt die Membran, solange der Motor läuft.

Krattstotfilter Das Krattstotfilter hält Verunreinigungen im Kraftstoff zurück, die die Funktion der Einspritzanlage beeinträchtigen könnten. Das Filter enthält einen Papiereinsatz mit einer mittleren Porenweite von 1 0 f..Lm und ein nachgeschaltetes Sieb (Bild 4) . Diese Kombination erzielt einen hohen Reinigungseffekt Eine Stützplatte fixiert das Filter in einem Metallgehäuse. Die Filterstandzeit ist von

Kraftstoffspeicher.

a Leer, bgefüllt. 1 Federkammer, 2 Feder, 3 Anschlag, 4 Membran, 5 Speichervolumen, 6 Kraftstotfzu· bzw. -abfluß, 7 Verbindung zur Atmosphäre.

a 2 3 4

Bild 5

5

6

der Versehrnutzung des Kraftstoffes ab­hängig. Das Filter ist hinter dem Kraft­stoffspeicher in die Kraftstoffleitung ein­gebaut. Die auf dem Filtergehäuse mit einem Pfeil angegebene Durchflußrich­tung muß beim Filterwechsel unbedingt eingehalten werden.

Systemdruckregler Der Systemdruckregler hält den Druck im Kraftstoffsystem konstant. Bei der KE-Jetronic ist der hydraulische Gegendruck auf den Steuerkolben gleich dem Systemdruck. Der Steuerdruck muß genau eingehalten werden, weil sich eine Schwankung dieses Druckes direkt auf das Luft-Kraftstoff-Verhältnis auswirken

KE-Jetronic

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Benzin­einspritz­systeme

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würde. Dies trifft besonders auch dann zu, wenn sich die Fördermenge der Elek­trokraftstoffpumpe und die dem Motor eingespritzte Kraftstoffmenge stark än­dern.

Bild 6 zeigt einen Schnitt durch den Systemdruckregler. Von links fließt der Kraftstoff zu. Auf der rechten Seite be­findet sich der Rücklaufanschluß vom Mengenteiler. Oben ist die Rücklauflei­tung zum Kraftstoffbehälter angeschlos­sen. Sobald beim Start die Elektrokrattstoff­pumpe Druck erzeugt, wandert die Re­gelmembran des Druckreglers nach un­ten. Zunächst folgt der verschiebbare Ventilkörper der Membran, weil ihn die obenliegende Gegenfeder nachschiebt Nach einem kurzen Hub stößt der Ven­tilkörper an einen festen Anschlag und die Druckregelfunktion setzt ein. Die vom Kraftstoffmengenteiler rücklaufende Kraftstoffmenge, die sich aus der Durch­strömung des Druckstellers und der Leckmenge des Steuerkolbens zusam­mensetzt, kann zusammen mit der Ab­regelmenge über den jetzt geöffneten Dichtsitz zum Kraftstoffbehälter zurück­fließen. Beim Abstellen des Motors schaltet die Elektrokraftstoffpumpe ebenfalls ab. Wenn daraufhin der Druck im Kraftstoff-

Bild6

Kraftstoff-Systemdruckregler.

1 Rücklauf vom Mengenleiler, 2 zum Kraflstoflbehälter, 3 Einslellschraube. 4 Gegenfeder, 5 Dichtung, 6 Zulauf, 7 Ventilteller, 8 Membran, 9 Regelfeder,

10 Ventilkörper.

3

10 7 8

9 ,.

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Versorgungssystem sinkt, dann geht der Ventilteller auf den Regelsitz zurück. Er schiebt anschließend den Ventilkörper entgegen der Kraft der Gegenfeder nach oben vor sich her, bis die Dichtung den Rücklauf zum Kraftstoffbehälter schließt.

Der Druck im Kraftstoff-Versorgungs­system sinkt rasch auf den Schließdruck ab, so daß die Einspritzventile dicht schließen. Dann steigt der Druck im System wieder auf den durch den Kraftstoffspeicher bestimmten Wert an (Bild 7).

Einspritzventile Die Einspritzventile öffnen bei einem be­stimmten Druck und zerstäuben (Bild 8) den Kraftstoff durch Schwingungen der VentilnadeL Sie 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 zum Beispiel 3,5 bar überschreitet. Sie besitzen ein Nadelventil (Bild 9), dessen Nadel beim Einspritzen mit hoher Frequenz schwach hörbar schwingt ("schnarrt"). Dadurch Bild 7

Druckverlauf nach Abstellen des Motors.

Der Druck fällt vom Systemnormaldruck (1) zu· nächst auf den Schließdruck (2) des Druckreglers. Dann steigt er, bedingt durch den Kraftstoflspei· eher, auf den Wert (3), der unter dem Öffnungs­druck (4) der Einspritzventile liegt.

bar 1

t "" ""' ()

2 0

----- --o4 ~---v 3

I 2 I

Zeit 1 -

I I

ms

wird eine gute Zerstäubung des Kraft­stoffes selbst bei kleinsten Einspritzmen­gen erreicht.

Nach dem Abstellen des Motors schlie­ßen die Einspritzventile dicht ab, wenn der Druck im Kraftstoffversorgungs­system unter ihren Öffnungsdruck sinkt. Dadurch kann nach dem Abstellen des Motors kein Kraftstoff mehr in die An­saugrohre und damit zu den Einlaß­ventilen des Motors gelangen.

Bild 8

Luftumfaßte Einspritzventile Luftumfaßte Einspritzventile verbessern die Gemischaufbereitung besonders im Leerlauf. Unter Ausnutzung des Druck­abfalls über der Drosselklappe wird ein Teil der vom Motor angesaugten Luft über die Einspritzventile geführt (Bild 1 0), wodurch der Kraftstoff an der Austritt­stelle sehr gut zerstäubt. Die luftum­faßten Ventile verringern den Kraftstoff­verbrauch und die schädlichen Abgas­anteile.

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

Bild 9

Einspritzventil.

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

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Bild 10

Einspritzventil mit Luftumfassung.

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

2 3 4

KE-Jetronic

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Benzin­einspritz­systeme

96

Kraftstoffzumessung

Aufgabe der Gemischaufbereitung ist die Zumessung einer Kraftstoffmenge, die der angesaugten Luftmenge entspricht. Die Kraftstoffzumessung erfolgt in der Grundfunktion durch den Luftmengen­messer und den Kraftstoffmengenteiler. Bei einigen Betriebszuständen weicht der Kraftstoffbedarf aber stark vom Nor­malwert ab, so daß hier zusätzliche Ein­griffe in die Gemischbildung erforderlich sind.

Luftmengenmesser Die vom Motor angesaugte Luftmenge ist ein Maß für dessen Leistungsauf­nahme. Der Luftmengenmesser arbeitet nach dem Schwebekörperprinzip und mißt die vom Motor angesaugte Luft­menge (Bild 12). Die Ansaugluftmenge dient als Haupt­steuergröße zum Bilden der Grundein­spritzmenge. Die Ansaugluftmenge ist die richtige physikalische Größe, um den Kraftstoffbedarf abzuleiten. Veränderun­gen im Ansaugverhalten des Motors blei­ben daher ohne Auswirkungen auf die

Bild 11

Steigstrom­Luftmengenmesser.

a Stauscheibe in Ruhestellung,

b Stauscheibe in Arbeitsstellung.

1 Lumrichter, 2 Stauscheibe, 3 Entlastungsquerschnitt , 4 Gemischeinstellschraube, 5 Drehpunkt, 6 Hebel, 7 Blattfeder.

2

7

Prinzip des Luftmengenmessers.

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

a

b

Bild 12

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

3 4 5

6

Schlitzträger mit Steuerkolben.

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

,....--t--- 2

~-LJ:::;:=- 3 4

5

Die gesamte vom Motor angesaugte Luftmenge strömt durch den Luftmen­genmesser, der vor der Drosselklappe eingebaut ist.

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

Bild 13

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

Je nach seiner Stellung im Schlitzträger gibt der Steuerkolben einen entspre­chenden Querschnitt der Steuerschlitze frei, durch die der Kraftstoff zu den Diffe­renzdruckventilen und damit zu den Ein­spritzventilen strömen kann (Bild 13).

Bei kleinem Hub der Stauscheibe ist der Steuerkolben nur wenig angehoben und damit nur ein kleiner Querschnitt der Steuerschlitze freigegeben. Bei großem Hub der Stauscheibe gibt der Steuer­kolben einen größeren Querschnitt der Steuerschlitze frei . Es besteht ein line­arer Zusammenhang zwischen Stau­scheibenhub und freigegebenem Quer­schnitt an den Steuerschlitzen. Auf den Steuerkolben wirkt - entgegen der von der Stauscheibe übertragenen Hubbewegung -eine hydraulische Kraft, die einen konstanten Druckabfall der Luft an der Stauscheibe bewirkt und den Steuerkolben immer der Bewegung des Stauscheibenhebels folgen läßt. Bei be-

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stimmten Ausführungen unterstützt eine Druckfeder (Bild 14) die hydraulische Kraft und verhindert ein Hochsaugen des Steuerkolbens durch Unterdruck beim Abkühlen der Anlage. Eine genaue Regelung des System­druckes ist notwendig, weil sich eine Schwankung direkt auf das Luft-Kraft­stoff-Verhältnis (bzw. A.-Wert) auswirken würde. Eine Dämpfungsdrossel (Bild 14) dämpft Schwingungen, die durch Stau­scheibenkräfteangeregt werden können.

Stellt man den Motor ab, dann senkt sich der Steuerkolben auf einen axial wirken­den Dichtring (Bilder 13 bis 15). Er ist von einer Einstellschraube gehalten und für eine günstige Überdeckung der Steuer­schlitze in der Höhe einstellbar. Bei der KE-Jetronic ruht der Steuerkol­ben auf der Axialdichtung, weil die Druckfeder und der Systemrestdruck auf den Steuerkolben wirken. Diese Maß­nahme verhindert einen Druckverlust durch Leckmenge an der Steuer­kolbenführung. Somit wird ein Entleeren des Kraftstoffspeichers über den Steu­erkolbenspalt verhindert .

Bild 14

Kraftstoffmengenteiler mit Differenz­druckventilen.

1 Kraftstoffzulauf 8 Unterkammer des (Systemdruck), Differenzdruckventils,

2 Oberkammer des 9 axialer Dichtring, Differenzdruckventils, 10 Druckfeder,

3 leitung zum 11 Kraftstoff vom Einspritzventil, elektrohydraulischen

4 Steuerkolben, Drucksteller, 5 Steuerkante und 12 Drossel,

Steuerschlitz, 13 Rücklaufleitung. 6 Ventilfeder, 7 Ventilmembran,

4 12 1 10 5 3

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8 9 7 6 "' ::E :::l

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

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

Bild 15

Differenzdruckventif.

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

a

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

Bild 16

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

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

Luftmengenmesser mit geschnittenem Kraftstoffmengenteiler.

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

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

so geformt, daß sich im gesamten Arbeitsbereich ein Gemisch mit 'A = 1 einstellt.

Elektronisches Steuergerät Das elektronische Steuergerät wertet die von den Sensoren gelieferten Daten über den Betriebszustand des Motors aus. Es bildet daraus einen Steuerstrom für den elektrohydraulischen Drucksteller (Bild 19).

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

Bild 17

Einfluß des Lufttrichter-Kegelwinkels auf die Auslenkung der Stauscheibe bei gleichem Luftdurchsatz.

a Grundform des Lufttrichters ergibt Hub h,

b steilere Trichterform -bei gleicher Luftmenge größerer Hub h,

c flachere a

Trichterform- ITJ bei gleicher A Luftmenge geringerer Hub h.

A Von der Stauscheibe !Ii freigegebene Ringfläche b (bei a,b und c gleich).

c

Bild 18

Trichterkorrekturen am Luftmesser.

1 Für Vollast, 2 für Teillast, 3 für Leerlauf.

\t====~--------1 1-:

Tabelle 1. Anpassungen.

Betriebskenn- Erfassung durch größe

Vollast Drosselklappen-Leerlauf schalter

Drehzahl Zündaus löse-system (meist im Zündverteiler)

Start Zünd-Start-Schalter

Motortemperatur Motortemperatur-sensor

Luftdruck Barometerdosen-sensor

Gemisch- Lambda-Sonde Zusammensetzung

Die Sensoren sind im Zusammenhang mit der jeweiligen Anpassungsfunktion beschrieben.

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

Spannungsstabilisierung Das Steuergerät benötigt eine stabile Spannung, die unabhängig von der Bord­netzspannung konstant sein muß.

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

Eingangsfilter Eingangsfilter filtern aus den Eingangs­signalen der Sensoren eventuell vor­handene Störsignale heraus.

Summierer Im Summierer werden die ausgewerte­ten Sensorsignale zusammengefaßt. Die elektrisch aufbereiteten Korrektursignale werden in einer Operationsschaltung summiert und anschließend dem Strom­regler zugeführt.

Bild 19

Blockschaltbild eines KE-Jetronic-Steuer­gerätes in Analogtechnik.

Die Korrektursignale aus den verschiedene Blöcken werden im Summierer zusammengefaßt, in der Endstufe verstärkt und dem elektro­hydraulischen Drucksteller zugeleitet. VK Vollastkorrektur, SAS Schubabschaltung, BA Beschleunigungsanreicherung, NA Nachstartanhebung, SA Startanhebung, WA Warmlaufanreicherung, SU Summierer, ES Endstufe.

Batterie- o-----------, spannung

Vollast

Leerlauf Drehzahl

Last

Start­schalter

Motor­temperatur

su

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Endstufe Die Endstufe erzeugt einen Ansteuer­strom für den Drucksteller. Dabei ist es möglich, in den Drucksteller entgegen­gesetzt gerichtete Ströme zu leiten, um den Druckabfall zu vergrößern oder zu verringern. Mit einem stetig angesteuerten Transi­stor läßt sich die Stromstärke im Druck­steiler in positiver Richtung beliebig ein­stellen. in negativer Richtung fließt der Strom bei Schiebebetrieb (Schubab­schaltung). Dieser Strom beeinflußt den Differenzdruck in den Differenzdruck­ventilen so, daß die Kraftstoffzufuhr zu den Einspritzventilen unterbunden wird.

Weitere Endstufen Bei Bedarf sind weitere Endstufen möglich. Damit können Ventile zur Abgasrückführung, ein Nebenschluß­querschnitt zur Drosselklappe für Leer­laufdrehzahlregelung usw. gesteuert werden.

Elektrohydraulischer Drucksteller Der elektrohydraulische Drucksteller ver­ändert in Abhängigkeit vom Betriebs-

Bild 20

zustand des Motors und dem entspre­chend dazu vom Steuergerät gebildeten Stromsignal den Druck in den Un­terkammern der Differenzdruckventile. Dadurch verändert sich die den Ein­spritzventilen zugemessene Kraftstoff­menge.

Aufbau Der elektrohydraulische Drucksteller ist an den Kraftstoffmengenteiler angebaut (Bild 20) und stellt einen Differenzdruck­regler dar, der nach Art eines Düse-Prall­platte-Systems arbeitet und dessen Druckabfall von einem elektrischen Strom gesteuert wird. Zwischen zwei Doppei-Magnetpolen hängt in einem Gehäuse aus nicht magnetischem Ma­terial ein Anker in reibungsfreier Span­nungslagerung. Diese besteht aus einer Membranplatte aus federelastischem Werkstoff.

Arbeitsweise in den Magnetpolen und den zugehö­rigen Luftspalten überlagern sich die Magnetflüsse eines Dauermagneten (ge­strichelte Linie im Bild 21) und eines

Elektrohydraulischer Drucksteller am Kraftstoffmengenteiler.

Durch die vom Steuergerät erzielte Beeinflussung der Prallplatte (11) läßt sich der Krattstolldruck in den Oberkammern der Differenzdruckventile beeinflussen und somit die zugeteilte Kraftstollmenge. Auf diese Weise sind Anpassungs· und Korrekturfunktionen möglich.

1 Stauklappe, 2 Kraftstollmengenteiler. 3 Kraftstollzufluß (Systemdruck), 4 Kraftstoff zu den Einspritzventilen, 5 Kraftstoff-Rücklaufleitung zum Druckregler, 6 Festdrossel , 7 Oberkammer, 8 Unterkammer, 9 Membran,

10 Drucksteller, 11 Prallplatte, 12 Düse, 13 Magnetpol, 14 Luftspalt.

3 4

~ 1I 4 5

1I 1I ~--- 7

1------ 8

·~_,.:..1"'"*--- 9

~~~~~!JY·W~ 10 1 L 11

12 13 14

Querschnitt des elektrohydraulischen Druckstellers.

1 Kraftstoffzufluß (Systemdruck). 2 Düse, 3 Prallplatte, 4 Kraftstoffabflu ß, 5 Magnetpol, 6 Magnetspule, 7 Dauermagnetfluß, 8 Permanentmagnet

(um 90 Grad in die Zeichenebene gerückt),

9 Einstellschraube

6 7

für Grundmoment, 111114i,;;f;*fiA:j5~~tTrflqlj~ 10 Elektromagnetfluß, 2 -t---~ 11 Anker (L1 bis L4

Luftspalte).

Bild 21

11

Elektromagneten (ausgezogene Linien). Der Dauermagnet liegt real um 90 Grad zur Bildebene versetzt. Die Wege der Magnetflußanteile über die beiden Pol­paare sind symmetrisch und gleich lang. Die Magnetflüsse gehen von den Polen über Luftspalte auf den Anker über und von dort durch den Anker hindurch. ln den zwei diagonal zueinander liegen­den Luftspalten L2 , L3 (Bild 21) addieren sich der dauermagnetische und der elek­tromagnetische Fluß, in den beiden an­deren Luftspalten L~. L4 (Bild 21) 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.

Das Grundmoment auf den Anker ist so gewählt, daß sich in stromlosem Zustand des Druckstellers ein Grunddifferenz­druck ergibt, der vorzugsweise A = 1 ent­spricht. So ist bei Stromunterbrechung ein Notfahrbetrieb ohne Korrekturfunkti­onen sichergestellt. Der Kraftstoffstrahl, der über die Düse eintritt, versucht die Prallplatte entgegen

10 9 8

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

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Kaltstartanreicherung Abhängig von der Motortemperatur spritzt das Kaltstartventil während des Startens zeitlich begrenzt eine zusätzli­che Menge Kraftstoff ein. Dies geschieht, um beim Kaltstart die Kondensationsverluste des Kraftstoffan­teils im angesaugten Gemisch auszu­gleichen und das Anspringen des kalten Motors zu erleichtern. Dazu gibt das Steuergerät im Start wegen der starken Drehzahlschwankungen und der deshalb fehlerbedingten Luftmengenermittlung ein festes Lastsignal vor, das mit einem motortemperaturabhängigen Faktor be­wertet ist. Das Einspritzen dieser zusätzlichen Kraftstoffmenge erfolgt durch das Kalt­startventil in das Sammelsaugrohr. Die Einschaltdauer des Kaltstartventils wird von einem Thermozeitschalter in Ab­hängigkeit von der Motortemperatur zeit­lich begrenzt. Der beschriebene Vorgang wird Kalt­startanreicherung genannt. Bei der Kalt­startanreicherung wird das Gemisch "fet­ter", d. h. die Luftzahl 'A ist vorüber­gehend kleiner als 1 . Bild 22

Kaltstartventil betätigt.

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

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

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

Thermozeitschalter Der Thermozeitschalter begrenzt zeit­und temperaturabhängig die Spritzzeit des Kaltstartventils. Der Thermozeitschalter (Bild 23) besteht Bild 23

Thermozeitschalter.

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

aus einem elektrisch beheizten Bimetall­streifen, der in Abhängigkeit von seiner Temperatur einen Kontakt öffnet oder schließt. Die Ansteuerung erfolgt über den Zünd-Start-Schalter. Der Therme­zeitschalter ist an einer für die Motortem­peratur repräsentativen Stelle befestigt. Der Thermozeitschalter begrenzt beim Kaltstart die Einschaltdauer des Kalt­startventils. Bei länger dauerndem Start­vorgang oder wiederholtem Startversuch spritzt das Kaltstartventil nicht mehr ein .

Die Einschaltdauer ist dabei abhängig von der Erwärmung des Thermozeit­schalters durch die Motorwärme und durch die in ihm selbst befindliche elektri­sche Heizung. Diese Eigenheizung ist er­forderlich , um die Einschaltdauer des Startventils zu begrenzen und um das Gemisch nicht zu stark anzureichern, da­mit der Motor nicht "absäuft".

Beim Kaltstart ist für das Bemessen der Einschaltdauer hauptsächlich die Lei­stung der Heizwicklungen maßgebend (Abschaltung z. B. bei -20 ac nach etwa 7,5 Sekunden). Bild 24

Motortemperatursensor.

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

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

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

Motortemperatursensor Der Motortemperatursensor mißt die Motortemperatur und gibt ein elektri­sches Signal an das Steuergerät. Der Motortemperatursensor (Bild 24) ist bei luftgekühlten Motoren in den Motor­block eingeschraubt. Bei wassergekühl­ten Motoren ragt er in das Kühlmittel.

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

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Warmlaufanreicherung Während des Warmlaufs erhält der Mo­tor, abhängig von Temperatur, Last und Drehzahl, zusätzlichen Kraftstoff. Der Motortemperatursensor erfaßt die Kühlmitteltemperatur und meldet sie dem Steuergerät. Es setzt sie in einen ent­sprechenden Steuerstrom für den Druck­steiler um. Dabei ist das Anpassen über den elektrohydraulischen Drucksteller so vorgesehen, daß sich bei allen Tempera­turen bei möglichst geringem Anfetten ein einwandfreier Verbrennungsablauf einstellt.

Beschleunigungsanreicherung Während des Beschleunigens bei nicht betriebswarmem Motor mißt die KE-Je­tronic zusätzlich Kraftstoff zu. Öffnet sich die Drosselklappe plötzlich, so magert das Luft-Kraftstoff-Gemisch kurzzeitig ab. Es bedarf einer kurzzeiti­gen Gemischanreicherung, um ein gutes Übergangsverhalten zu erzielen. Das Steuergerät erkennt bei kaltem Motor aus der zeitlichen Veränderung des Lastsignals, ob ein Beschleuni­gungsvorgang vorliegt und löst in diesem Fall eine Beschleunigungsanreicherung aus. Damit läßt sich ein "Beschleuni­gungsloch" vermeiden. Bei kaltem Motor ist wegen der weniger guten Gemisch­aufbereitung und eventueller Saugrohr­beheizung eine zusätzliche Anreiche­rung erforderlich. Der Größtwert der Beschleunigungsan­reicherung ist eine Funktion der Tempe­ratur. Bei der Auslösung dieser Be­schleunigungsanreicherung entsteht ein nadelförmiger Anreicherungsimpuls mit einer Dauer von etwa 1 Sekunde. Die Beschleunigungsanreicherung wird bei ~ 80 oc ausgelöst. Die Anreicherungs­rate ist um so höher, je kälter der Motor ist; sie ist zusätzlich von der zeitlichen Laständerung abhängig. Die Gasgebegeschwindigkeit wird aus der gegenüber der Drosselklappenbe­wegung nur geringfügig verzögerten Stauscheibenbewegung des Luftmen­genmessers abgeleitet. Dieses Signal, das der zeitlichen Änderung der ange­saugten Luftmenge, also etwa der Motor-

Ieistung, entspricht, erfaßt das Potentio­meter im Luftmengenmesser und liefert es an das elektronische Steuergerät, das den Drucksteller entsprechend beein­flußt. Die Kennlinie des Potentiometers ist nicht linear. Dadurch ist das Beschleu­nigungssignal bei Bewegung aus der Leerlaufstellung heraus am größten; es nimmt mit zunehmender Motorleistung ab. So läßt sich der Schaltungsaufwand im elektronischen Steuergerät verrin­gern.

Stauscheiben-Potentiometer Das Potentiometer im Luftmengenmes­ser (Bild 25) ist in Schichttechnik auf Ke­ramikbasis aufgebaut.

Ein Bürstenschleifer gleitet über die Po­tentiometerbahn. Das Bürstchen besteht aus mehreren feinen Drähten, die an ei­nen Hebel angeschweißt sind. Die ein­zelnen Drähte üben nur einen geringen Druck auf die Widerstandsbahn aus, so daß ein Verschleiß äußerst niedrig bleibt. lnfolge der Mehrzahl der Drähte gewähr­leistet der Schleifer auch bei rauher Wi­derstandsoberfläche und bei sehr schnellen Bewegungen einen guten elektrischen Kontakt. Der Hebel des Potentiometers ist auf der Achse des Stauscheibenhebels be­festigt. Von der Achse ist der Hebel elek­trisch isoliert. Die Schleiferspannung greift ein zweiter Bürstenschleifer ab, der mit dem Hauptschleifer elektrisch ver­bunden ist. Der Schleifer kann über den Meßbereich hinaus nach beiden Seiten so weit über­laufen, daß bei Saugrohrrückschlägen eine Beschädigung ausgeschlossen ist. Zum Schutz gegen Beschädigung durch Kurzschluß liegt in Reihe zum Schleifer ein elektrischer Festwiderstand, der ebenfalls in Schichttechnik ausgeführt ist.

Vollastanreicherung Bei Vollast gibt der Motor sein größtes Drehmoment ab. Hierzu muß das Luft­Kraftstoff-Gemisch gegenüber der Teil­last angereichert werden.

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

Drosselklappenschalter Der Drosselklappenschalter meldet die Drosselklappenstellung "Leerlauf" und "Vollast" an das Steuergerät weiter. Der Drosselklappenschalter (Bild 26) ist am

Bild 25

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

Bild 26

Drosselklappenschalter.

1 Vollastkontakt, 2 Schaltkulisse, 3 Drosselklappenwelle, 4 Leerlaufkontakt, 5 elektrischer Anschluß.

1 2 3 4 5

Potentiometer zur Ermittlung der Stauscheibenstellung.

1 Abgriffbürste, 4 Potentiometerplatte (aus der Bildebene gerückt), 2 Hauptbürste, 5 Gehäuse des Luftmengenmessers, 3 Schleiferhebel, 6 Luftmengenmesser-Achse.

2 3

6 5 4

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Zusatzluftschieber (Querschnitt).

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

4 5

Bild28

2

1 Blendenöffnung, 2 Lagerbolzen, 3 elektrische Heizung, 4 Luftkanal, 5 Lochblende.

3

Bild 27

Elektrisch beheizter Zusatzluftschieber.

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

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

Zusatzluftschieber Eine Lochblende steuert im Zusatzluft­schieber (Bilder 27, 28 und 30), betätigt durch ein Bimetall , den Querschnitt der Umgehungsleitung (Bypass) . Der Öff­nungsquerschnitt dieser Lochblende stellt sich in Abhängigkeit von der Tem­peratur so ein, daß beim Kaltstart ein ent­sprechend großer Querschnitt freige­geben ist, der sich bei zunehmender Motortemperatur stetig verringert und schließlich geschlossen ist. Das Bimetall ist elektrisch beheizt und verringert mit der Zeit den Öffnungsquerschnitt des Zu­satzluftschiebers vom temperaturabhän­gigen Anfangswert. Der Einbauort des Zusatzluftschiebers ist so gewählt, daß er möglichst gut die Motortemperatur annimmt. Er arbeitet nicht bei warmem Motor.

Leerlaufdrehzahlregelung durch Drehsteller Zur Leerlaufdrehzahlregelung ist die Luftmenge oder Füllung die vorteilhafte­ste Stellgröße. Die Leerlaufdrehzahl­regelung über die Füllung (auch Leer­lauf-Füllungsregelung genannt) erlaubt eine stabile niedrige und damit ver­brauchssparende Leerlaufdrehzahl, die sich über die Lebensdauer des Fahr­zeugs nicht ändert.

Eine zu hohe Leerlaufdrehzahl erhöht den Leerlaufverbrauch und damit den Gesamtverbrauch des Fahrzeugs. Die­ses Problem löst die Leerlaufdrehzahl­regelung, bei der die Gemischmenge je­weils der Menge entspricht, die für das Aufrechterhalten der Leerlaufdrehzahl­bei der jeweiligen Belastung (z. B. kalter Motor und erhöhte Reibung) erforderlich ist. Weiter erreicht man konstante Ab­gasemissionswerte auf lange Zeit ohne Einstellung des Leerlaufs. Die Leerlauf­drehzahlregelung kompensiert teilweise auch alterungsbedingte Veränderungen des Motors und sorgt für einen über die Lebensdauer stabilen Leerlauf des Mo­tors (Bild 29).

Ein Leerlaufdrehsteller öffnet einen By­pass zur Drosselklappe. Je nach An­steuerung des Drehstellers ergibt sich ein bestimmter Öffnungsquerschnitt Da die KE-Jetronic diese Zusatzluft mit der Stauklappe erfaßt, ändert sich auch die Einspritzmenge entsprechend. Die Leer­laufdrehzahlregelung stabilisiert die Leerlaufdrehzahl wirkungsvoll, da sie im Gegensatz zu sonst üblichen Leerlauf­stellungen einen Soll-Ist-Vergleich vor­nimmt und bei entsprechendem Unter­schied korrigierend eingreift.

Leerlaufdrehsteller Der Leerlaufdrehsteller ersetzt den Zu­satzluftschieber und übernimmt zusätz­Bi ld 29

Regelkreis Leerlaufdrehzahlregelung.

1 Regelstrecke: Motor, 2 Regelgröße: Drehzahl n. 3 Reg ler: Reglergerät

(liefert Ansteuer· spannung Uv).

4 Stellgl ied: Leerlaufdrehsteller,

5 Stellgröße: Bypassquerschnitt (Ansaug-Volumen (VG),

6 Hillssteuergröße: Motortemperatur (IM).

7 Hillssteuergröße: Drosselklappen­endstellung (a - 0).

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

KE-Jetronic

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Benzin­einspritz­systeme

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

Bild 30

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

Bild 31

Leerlaufdrehsteller (Einwicklungsdrehsteller).

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

8 7

Ergänzungsfunktionen

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

Bild 32

Kraftstoffmengenteiler bei Schubabschaltung.

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

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

3 4 5 6

iJ iJ iJ iJ

10 11 12

KE-Jetronic

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Für den warmen Motor liegen die Schalt­schwellen möglichst tief, damit möglichst viel Kraftstoff eingespart wird. Bei niedri­ger Kühlmitteltemperatur steigen die Schwellenwerte an, damit der kalte Mo­tor auch bei plötzlichem Auskuppeln nicht zum Stehen kommt (Bild 33) .

Drehzahlbegrenzung Die Drehzahlbegrenzung sperrt beim Er­reichen der maximal zulässigen Motor­drehzahl die Kraftstoffzufuhr zu den Ein­spritzventilen. Bei der bisher üblichen Drehzahlbe­grenzung zum Schutz des Motors vor Überdrehen schließt ein Zündverteiler­läufer mit Drehzahlbegrenzer beim Er­reichen einer festgelegten Höchstdreh­zahl die Zündung kurz. Diese Methode ist heute aus Gründen der Abgasemission und Kraftstoffein­sparung zugunsten der elektronischen Drehzahlbegrenzung durch Abschalten der Kraftstoffeinspritzung in den Hinter­grund getreten. Durch Stromrichtungs­änderung im elektrohydraulischen Drucksteller entfernt sich die Prallplatte von der Düse. Der Druckabfall geht ge­gen Null und die Membranen in den Dif­ferenzdruckventilen sperren die Kraft­stoffzufuhr zu den Einspritzventilen. Es tritt der gleiche Ablauf wie bei der Schub­abschaltung ein. Das elektronische

Bild 33

Mindestdrehzahl der Schubabschaltung, ab­hängig von der Kühlmltteltemperatur.

::: :E

"' N .s:: ~ 0

min-• - - Einschaltschwel le für

3800 Schubabschaltung

3400 , - - Wiedereinschaltschwelle für Einspritzung

\ \

\ 2200 ' 1800 ' ' 1400 ' ....... - - -1000

600 '---'-L.....I..-'--...J..._--'...__J'--...J..._-..J

- 30 - 10 0 10 30 50 70 90 110 oc Kühlmitteltemperatur

Steuergerät, das die Istdrehzahl mit einer programmierten oberen Drehzahl n0 ver­gleicht, unterbindet die Krattsloftein­spritzung beim Überschreiten der maxi­malen Drehzahl. Es stellt sich ein Dreh­zahlbareich von ±80 Umdrehungen je Minute um die Höchstdrehzahl ein (Bi ld 34). Die elektronisch gesteuerte Dreh­zahlbegrenzung schützt den Motor vor Überdrehen und begrenzt gleichzeitig Kraftstoffverbrauch und Abgasemission.

Gemischanpassung in großer Höhe ln größerer Höhe entspricht der gemes­sene Volumenstrom infolge der geringen Luftdichte nur einem geringeren Luft­mengenstrom. Diese Abweichung kann die KE-Jetronic (Bild 35) je nach Erweite­rungsstufe kompensieren, indem sie die Kraftstoffmenge korrigiert. Damit läßt sich ein Überfetten mit zu hohem Kraft­stoffverbrauch vermeiden. Die Höhenkorrektur übernimmt ein Sen­sor, der den Luftdruck erfaßt. Entspre­chend dem momentan herrschenden Luftdruck gibt der Sensor ein Signal an das Steuergerät, das daraufhin den Druckstellerstrom verändert und somit über den Unterkammerdruck den Diffe­renzdruck an den Zumaßschlitzen (also die Kraftstoffmenge) . Auch kontinuierli­ches Verstellen der Einspritzmenge bei sich änderndem Luftdruck ist möglich.

Bild34

Begrenzen der maximalen Drehzahl 11o durch Absperren der Kraftstoffzufuhr.

1 Einspritzung . .Aus", 2 Einspritzung .Ein", 3 Drehzahlbegrenzung .Ein".

min- •

Lambda-Regelung Mit der Lambda-Regelung kann die Luft­zahl sehr genau bei A. = 1 eingehalten werden. Die Lambda-Regelung ist eine auf­schaltbare Funktion , die im Prinzip jede elektronisch beeinflußbare Gemisch­steuerung ergänzen kann. Bild 35

Komponenten der KE-Jetronic.

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

1 Luftmengenmesser, 2 Gemischregler und Kraltstoffmengenteiler. 3 Drucksteller. 4 elektronisches Steuergerät, 5 Kraftstoffilter. 6 Kraftstoffspeicher, 7 Elektrokraftstoffpumpe, 8 Einspritzventile, 9 Drosselklappenschalter, 10 Thermozeitschalter, 11 Kaltstartventil, 12 Motortemperatursensor, 13 Zusatzluftschieber, 14 Systemdruckregler.

KE-Jetronic

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Elektrische Schaltung

Kommt der Motor bei eingeschalteter Zündung zum Stillstand, so schaltet eine Sicherheitsschaltung die Elektrokraft­stoffpumpe aus. Die KE-Jetronic verfügt über elektrische Komponenten wie Elektrokraftstoffpum­pe, Zusatzluftschieber, Kaltstartventil und Thermozeitschalter. Die Betätigung dieser Komponenten erfolgt über ein Steuerrelais, das vom Zünd-Start-Schal­ter geschaltet wird. Neben Schaltaufgaben hat das Steuer­relais eine Sicherheitsfunktion. Eine häu­fig verwendete Schaltungsvariante ist nachfolgend beschrieben.

Bild36

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

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

Schaltung im Ruhezustand (ohne Steuergerät).

30--------------------------------~-30

K1 Thermozeitschalter, K2 Steuerrelais, 51 Zünd-Start-Schalter, Y1 Kaltstartventil, Y2 Elektrokraftstoffpumpe, Y3 Zusatzluftschieber.

Bild37

Starten (kalter Motor)-

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

50----------~--~~

30--------------------------------~-

50----------~----~.

Kraftstoff ein. Der Thermozeitschalter wirkt in diesem Falle als Thermoschalter. Weiterhin legt der Zünd-Start-Schalter beim Starten Spannung an das Steuer­relais, das sich einschaltet, sobald der Motor läuft. Die beim Durchdrehen des Motors durch den Starter erreichte Dreh­zahl reicht dazu bereits aus. Als Kenn­zeichen für den Lauf des Motors dienen die Impulse von Klemme 1 der Zünd­spule. Eine elektronische Schaltung im Steuer­relais wertet diese Impulse aus. Nach dem ersten Impuls schaltet das Steuer­relais ein und legt Spannung an die Elek­trokraftstoffpumpe und den Zusatzluft­schieber. Das Steuerrelais bleibt ein-Bild 38

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

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

Betrieb. 30----------------------------------~-30

Zündung eingeschaltet, Motor läuft. Steuerrelais, Elektro­kraftstoffpumpe und Zusatzluftschieber sind eingeschaltet.

Bild 39

Zündung eingeschaltet, Motor läuft nicht.

Keine Impulse von

50----------~----~50~.~

30----------------------------------~-30

50----------~----~r,

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

KE-Jetronic

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Werkstattprüftechnik

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

Prüftechnik für KE-Jetronic Das Benzineinspritzsystem KE-Jetronic erfordert, abgesehen vom periodischen Wechseln des Krattstotfilters nach Vor­schrift des Fahrzeugherstellers, keine Wartungsarbeiten. Bei Störungen des Systems stehen dem Fachmann im wesentlichen folgende Prüfgeräte zusammen mit den notwen­digen Prüfwerten zur Verfügung: - Ventilprüfgerät, - Mengenvergleichsmeßgerät, - Druckmeßvorrichtung, - Lambda-Regelungstester (Anwen-

dung nur bei vorhandener Lambda­Regelung),

- Universai-Prüfadapter und - Universal-Vielfachmeßgerät

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

und Prüfwerten vor. Ohne diese Aus­rüstung ist keine gezielte, preisgünstige Fehlersuche und keine fachgerechte Instandsetzung möglich. Fahrzeughalter sollten deshalb von eigenen Repara­turversuchen absehen.

Ventilprüfgerät Das Ventilprüfgerät eignet sich zur Prü­fung ausgebauter Einspritzventile der K- und KE-Jetronic. Geprüft werden alle wichtigen Funktionen eines Einspritz­ventils, die für einen optimalen Motorlauf notwendig sind: - Öffnungsdruck, - Dichtheit, - Strahlform und - Schnarrverhalten.

Ventile, deren Öffnungsdruck außerhalb der Toleranz liegt, werden ausgewech­selt. Bei der Dichtheitsprüfung wird der Druck langsam bis 0,5 bar unter den Öffnungsdruck gesteigert und gehalten; innerhalb von 60 s darf sich am Ventil kein Tropfen bilden. Bei der Schnarrprüfung und Strahlbeur­teilung muß das Ventil ein schnarrendes Geräusch abgeben, ohne daß sich ein Tropfen bildet. Es darf kein Schnurstrahl oder "strähniger" Strahl auftreten. Gute Einspritzventile haben einen zerstäubten Strahl.

Mengenvergleichsmeßgerät Mit einer Vergleichsmessung wird bei nicht ausgebautem Mengenteiler ge­prüft, welche Differenz die Förder­mengen der einzelnen Auslässe zuein­ander haben (für alle Motoren bis zu acht Zylindern). Da die Prüfung mit den Origi­nai-Einspritzventilen durchgeführt wird, läßt sich gleichzeitig feststellen, ob eine Streuung vom Mengenteiler oder von den Einspritzventilen herrührt. Die kleine Meßröhre des Geräts dient zur Leerlaufmessung, die große Meßröhre zur Teillast- und Vollastmessung. Acht Schlauchleitungen, in deren Auto­matikkupplungen die aus ihren Halte­rungen am Motor herausgezogenen Ein­spritzventile eingesteckt werden, stellen die Verbindung zum Mengenteiler her.

ln jeder Automatikkupplung befindet sich ein Aufstoßventil , damit an nicht benö­tigten Leitungen kein Kraftstoff austreten kann (z.B. bei Anlagen für Motoren mit sechs Zylindern, Bild 40). Über eine weitere Schlauchleitung wird der Kraftstoff zum Kraftstoffbehälter zurückgeführt.

Druckme ßvorrichtung Mit der Druckmeßvorrichtung lassen sich alle für die Funktion der KE-Jetronic wichtigen Drücke messen : - Systemdruck: Aussage über Leistung

der Förderpumpe, Durchlässigkeit des Filters und Zustand des Systemdruck­reglers,

- Differenzdruck: wichtig zur Beurteilung aller Betriebszustände (z.B. kalter/ warmer Motor, Teillast/Vollast, Anrei­cherungsfunktionen) ,

- Dichtheit des Gesamtsystems: beson­ders wichtig für das Kaltstart- und Warmstartverhalten .

Automatikkupplungen an den Verbin­dungsschläuchen verhindern ein Aus­laufen des Kraftstoffs.

Bild 40

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

Universal-Prüfadapter Der Universai-Prüfadapter dient zur schnellen und sicheren Systemprüfung bei bestimmten KE-Jetronic-Ausführun­gen ohne Eigendiagnose bzw. mit einge­schränkter Eigendiagnose.

Universal-Vielfachmeßgerät Das Universal-Vielfachmeßgerät ist zur Messung der Druckstellerströme in allen Betriebszuständen notwendig und es dient zu Spannungs- und Widerstands­messungen an den verschiedenen Kom­ponenten (z.B. Potentiometer des Luft­mengenmessers) .

Mengenvergleichsmeßgerät (Anschluß einer 6-Zylinder-Anlage).

1 Einspritzleitungen des Mengenteilers, 2 Einspritzventile, 3 Automatikkupplungen, 4 Schlauchleitungen des Meßgeräts, 5 kleine Meßröhre, 6 große Meßröhre, 7 Rücklaufleitung zum KraftstoHbehälter.

123456 7 8 --------

7

KE-Jetronic Werkstatt­prüftechnik

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Benzin­einspritz­systeme

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L-Jetronic

Systemübersicht Die L-Jetronic ist ein antriebsloses, elek­tronisch gesteuertes Einspritzsystem mit intermittierender Kraftstoffeinspritzung in das Saugrohr. Sie vereinigt in sich die Vorteile der direkten Luftmengenmes­sung mit den besonderen Möglichkeiten der Elektronik.

Wie bei der KE-Jetronic werden alle motorbedingten Veränderungen (Ver­schleiß, Ablagerungen im Brennraum, Änderung der Ventileinstellung) erfaßt. Dadurch ist eine gleichbleibend gute Abgasqualität gewährleistet. Die Aufgabe der Benzineinspritzung ist es, jedem Arbeitszylinder gerade so viel Kraftstoff zuzumessen, wie für den au­genblicklichen Betriebszustand des Mo­tors gebraucht wird. Das setzt allerdings voraus, möglichst viele Einflußdaten zu erfassen, die für die Kraftstoffzumessung wichtig sind. Da aber der Betriebszu­stand des Motors sich oft rasch ändert, ist eine rasche Anpassung der Kraftstoff­menge an die augenblickliche Fahrsitua­tion von ausschlaggebender Bedeutung. Die elektronisch gesteuerte Benzinein­spritzung eignet sich hierfür in besonde­rer Weise. Mit ihr lassen sich beliebig viele Betriebsdaten an beliebiger Stelle des Kraftfahrzeugs erfassen und durch Meßfühler in elektrische Signale umwan-

Bild 1

Prinzip der L-Jetronic (vereinfacht).

Kraftstoff

Krattstoff­pumpe

Kraftstoff­filter

Sensoren

~ Steuer-gerät

Luft

Luft-mengen-messer

dein. Diese Signale werden dem Steuer­gerät der Einspritzanlage zugeleitet. Das Steuergerät verarbeitet sie und errechnet daraus sofort die einzuspritzende Kraft­stoffmenge. Diese wird über die Ein­spritzdauer beeinflußt (Bild 1 ).

Funktion Eine Pumpe fördert den Kraftstoff zum Motor und erzeugt den zum Einspritzen nötigen Druck. Einspritzventile spritzen den Kraftstoff in die Einzelsaugrohre. Ein elektronisches Steuergerät steuert die Einspritzventile. Die L-Jetronic umfaßt im wesentlichen folgende Funktionsbereiche: - Kraftstoffversorgung, - Betriebsdatenerfassung und - Kraftstoffzumessung.

Kraftstoffversorgung Das Kraftstoffsystem fördert den Kraft­stoff vom Kraftstoffbehälter zu den Ein­spritzventilen, erzeugt den zum Ein­spritzen nötigen Druck und hält ihn kon­stant.

Betriebsdatenerfassung Die Sensoren (Meßfühler) erfassen die den Betriebszustand des Motors kenn­zeichnenden Meßgrößen. Wichtigste Meßgröße ist die vom Motor angesaugte Luftmenge, die vom Luft­mengenmesser erfaßt wird. Weitere Sensoren erfassen die Drosselklappen­stellung, die Motordrehzahl, die Luft­temperatur und die Motortemperatur.

Kraftstoffzumessung Im elektronischen Steuergerät werden die von den Sensoren gelieferten Signale ausgewertet und daraus die ent­sprechenden Steuerimpulse für die Ein­spritzventile gebildet.

Vorteile der L-Jetronic

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

zeugen eines Gemisches, das auch dem am ungünstigsten versorgten Zylinder noch genügend Kraftstoff zuführt, ergibt sich keine optimale Kraftstoffzuteilung. Die Folgen sind hoher Kraftstoffver­brauch und unterschiedliche Belastung der Zylinder. Bei L-Jetronic-Anlagen (Bild 2) ist jedem Zylinder ein Einspritzventil zugeordnet. Die Einspritzventile werden zentral ge­steuert. Damit ist sichergestellt, daß je­der Zylinder zu jedem Zeitpunkt und bei jeder Belastung präzise die gleiche bzw. die optimale Kraftstoffmenge zugeteilt bekommt.

Anpassung an Betriebszustände Die L-Jetronic paßt sich wechselnden Lastbedingungen nahezu verzögerungs­frei an, da die notwendige Kraftstoff­menge vom Steuergerät im Millisekun­denbereich errechnet und durch die Ein­spritzventile direkt vor die Einlaßventile des Motors gespritzt wird.

Bild 2

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

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

Schema einer L-Jetronic-An lage mit Lambda-Regelung.

1 Kraftstoffbehälter, 7 Sammelsaugrohr, 2 Elektrokraftstoffpumpe, 8 Kaltstartventil, 3 Kraftstoffilter, 9 Orosselklappenschalter, 4 Steuergerät, 10 Lultmengenmesser, 5 Einspritzventil , 11 Lambda·Sonde, 6 Vertei lerrohr und Druckregler, 12 Thermozeitschalter,

BOSCH

16

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

4

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Kraftstoffversorgung

Das System der Kraftstoffversorgung be­steht aus: - Elektrokraftstoffpumpe, - Kraftstoffilter, - Verteilerrohr, - Druckregler und - Einspritzventilen.

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

Elektrokraftstoffpumpe Die Elektrokraftstoffpumpe (Bild 4) ist eine von einem permanent erregten Elektromotor angetriebene Rollenzellen-

Bild3

System der Kraftstoff­versorgung.

1 Kraftstoffbehälter, 2 Elektrokrattstoff-

pumpe, 3 Kraftstotfilter, 4 Verteilerrohr, 5 Druckregler, 6 Einspritzventil, 7 Kaltstartventil.

pumpe. Die im Pumpengehäuse exzen­trisch angeordnete Läuferscheibe enthält an ihrem Umfang Metallrollen, die in nut­förmigen Aussparungen gelagert sind und durch die Zentrifugalkraft gegen das Pumpengehäuse gepreßt werden. Die Rollen wirken als umlaufende Dichtung. ln den sich zwischen den Rollen bildenden Hohlräumen wird der Kraftstoff gefördert. Eine Pumpwirkung kommt dadurch zustande, daß die Rollen nach Abschluß der Zulaufbohrung die einge­schlossene Kraftstoffmenge vor sich her­schieben, bis der Kraftstoff die Pumpe durch die Abflußbohrung verläßt (Bild 5). Der Kraftstoff durchströmt den Elektro­motor. Eine Explosionsgefahr besteht dabei nicht, da sich kein zündfähiges Gemisch im Motor-Pumpengehäuse be­findet.

Die Elektrokraftstoffpumpe fördert mehr Kraftstoff als der Verbrennungsmotor maximal benötigt, um bei allen vorkom­menden Betriebszuständen den Druck im Kraftstoffsystem aufrechtzuerhalten. Ein Rückschlagventi l in der Pumpe ent­koppelt das Kraftstoffsystem vom Kraft­stoffbehälter, indem es das Rückströmen von Kraftstoff zum Kraftstoffbehälter ver­hindert. Die Elektrokraftstoffpumpe läuft sofort beim Betätigen des Zünd-Start-Schalters an und bleibt ständig eingeschaltet, nachdem der Motor angesprungen ist.

4

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

Krattstotfilter Das Krattstotfilter hält Verunreinigungen im Kraftstoff zurück, die die Funktion der Einspritzanlage beeinträchtigen könnten. Das Filter enthält einen Papiereinsatz mit einer mittleren Porenweite von 1 0 !Jm und ein nachgeschaltetes Sieb (Bild 6). Diese Kombination erzielt einen hohen Reinigungseffekt Eine Stützplatte fixiert das Filter in einem Metallgehäuse. Die Filterstandzeit ist von der Versehrnut­zung des Kraftstoffes abhängig. Das Filter ist hinter dem Kraftstoffspeicher in die Kraftstoffleitung eingebaut.

Die auf dem Filtergehäuse mit einem Pfeil angegebene Durchflußrichtung muß beim Filterwechsel unbedingt ein­gehalten werden.

Verteilerrohr Das Verteilerrohr führt den Kraftstoff al­len Einspritzventilen gleichmäßig zu und sorgt für gleichen Kraftstoffdruck an allen Einspritzventilen. Das Verteilerrohr hat eine Speicher­funktion. Sein Volumen ist gegenüber der pro Arbeitszyklus des Motors einge­spritzten Kraftstoffmenge groß genug, um Druckschwankungen zu verhindern. Dadurch kommt der gleiche Kraftstoff­druck an allen Einspritzventilen zu­stande. Außerdem ermöglicht das Verteilerrohr eine unkomplizierte Montage der Ein­spritzventile.

Druckregler Der Druckregler hält die Druckdifferenz zwischen Kraftstoffdruck und Saugrohr­druck konstant. Über die Öffnungszeit des Ventils kann dadurch die vom elek­tromagnetischen Einspritzsystem abge­spritzte Kraftstoffmenge bestimmt wer­den.

Elektrokraftstoffpumpe.

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

2 3 4 5

Bild 5

Pumpvorgang Rollenzellenpumpe.

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

Bild 6

Kraftstoffilter.

2 3 4

1 Papiereinsatz (Papierwickel), 2 Sieb, 3 Slützplatte.

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

L-Jetronic

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Die Federkammer des Druckreglers ist über eine Leitung mit dem Sammel­saugrohr des Motors hinter der Dros­selklappe verbunden. Dies bewirkt, daß der Druck im Kraftstoffsystem vom ab­soluten Druck im Saugrohr abhängt, der Druckabfall über die Einspritzventile also bei jeder Drosselklappenstellung gleich ist (Bild 7).

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

Druckregler.

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

BildS

Elektromagnetisches Einspritzvenlil.

Bild7

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

Betriebsdatenerfassung

Sensoren (Meßfühler) erfassen den Be­triebszustand des Motors und leiten die­sen in Form elektrischer Signale an das Steuergerät weiter. Sensoren und Steuergerät bilden das Steuersystem. Die Sensoren sind in Zusammenhang mit der jeweiligen Haupt- oder Anpas­sungsfunktion beschrieben.

Meßgrößen Die den Betriebszustand des Motors kennzeichnenden Meßgrößen sind: - Hauptmeßgrößen, - Meßgrößen zur Anpassung und - Meßgrößen zur Feinanpassung. Das Steuergerät wertet alle Meßgrößen zusammen in der Weise aus, daß der Motor stets mit der für den augenblick­lichen Betriebsfall notwendigen KraU­stoffmenge versorgt wird. Dadurch wird ein optimales Fahrverhalten erreicht.

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

Meßgrößen zur Anpassung Für Betriebszustände wie Kaltstart, Warmlauf und die verschiedenen Last­bereiche, die vom Normalbetrieb abwei­chen, muß das Gemisch den veränder­ten Bedingungen angepaßt werden. Die Erfassung von Kaltstart und Warmlauf er­folgt über Sensoren, die die Motor­temperatur dem Steuergerät mitteilen. Zur Anpassung an verschiedene Last­zustände meldet der Drosselklappen­schalter den Lastbereich (Leerlauf, Teil­last, Vollast) an das Steuergerät.

Meßgrößen zur Feinanpassung Um das Fahrverhalten zu optimieren, können bei der Zumessung des Kraft­stoffes noch weitere Betriebsbereiche und Einflüsse berücksichtigt werden: Die bereits erwähnten Sensoren erfas­sen die Daten für Übergangsverhalten bei Beschleunigen, Höchstdrehzahlbe-

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

Drehzahlerfassung Die Informationen über Drehzahl und Einspritzzeitpunkt wird bei kontakt­gesteuerten Zündanlagen vom Unter­brecherkontakt im Zündverteiler, bei kon­taktlos gesteuerten Zündanlagen von Klemme 1 der Zündspule an das Steuer­gerät der L-Jetronic geliefert (Bild 9).

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

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

Bild 9

Drehzahlerfassung bei kontaktgesteuerter Zündanlage.

1 Zündverteiler, 2 Steuergerät. n MotordrehzahL

L-Jetronic

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Benzin­einspritz­systeme

124

Luftmengenmesser im Ansaugsystem.

1 Drosselklappe, 2 Luftmengenmesser, 3 Ansaugluft-

Temperatur-Signal zum Steuergerät,

Bild 11

Luftmengenmesser (Luftseite).

1 Kompensationsklappe, 2 Dämpfungsvolumen, 3 Bypass, 4 Stauklappe, 5 Leerlauf-Gemisch­

einstellschraube (Bypass).

Bild 12

Luftmengenmesser (Anschlußseite).

1 Zahnkranz für die Federvorspannung,

2 Rückholleder, 3 Schleiferbahn, 4 Keramikplatte mit

Widerständen und Leitungszügen,

5 Schleiferabgriff, 6 Schleifer, 7 Pumpenkontakt

4 Steuergerät, 5 Luftmengenmesser-Signal zum Steuergerät, 6 Luftfil ter, QL angesaugte Luftmenge, a Auslenkwinkel.

4

4 3

2

3

2

4

6

Bild 10

Die Stauklappe im Luftmengenmesser mißt die gesamte, vom Motor ange­saugte Luftmenge. Sie dient- neben der Drehzahl - als Hauptsteuergröße zum Bilden des Lastsignals und der Grund­einspritzmenge.

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

Kraftstoffzumessung

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

Elektronisches Steuergerät

Aufbau Das Steuergerät der L-Jetronic befindet sich in einem Metallgehäuse, das spritz­wassergeschützt und außerhalb der WärmeabstrahlunQ des Motors im Fahr­zeug untergebracht ist. Die elektronischen Bauteile des Steuer­gerätes sind auf Leiterplatten angeord­net, die Leistungsbauteile der Endstufen befinden sich auf dem Metallrahmen des Steuergerätes, wodurch eine gute Wär­meabfuhr gewährleistet wird. Durch die Verwendung von integrierten Schaltkrei­sen und Hybridbausteinen ist die Zahl der verwendeten Bauteile gering. Die Zusammenfassung von Funktionsgrup­pen in integrierten Schaltkreisen (z. B. lmpulsformer, lmpulsteiler, Divisions­Steuer-Multivibrator, Bild 13) und Bau­teilen in Hybridbausteinen steigert die Zuverlässigkeit des Steuergerätes.

Die Verbindung des Steuergerätes zu den Einspritzventilen, den Sensoren und dem Bordnetz erfolgt durch einen Viel­fachstecker. Die Eingangsschaltung im Steuergerät ist so ausgelegt, daß es ver­pol- und kurzschlußsicher ist. Für Mes­sungen am Steuergerät und an den Sen­soren stehen spezielle Bosch-Testgeräte zur Verfügung, die mit Vielfachsteckern zwischen Kabelbaum und Steuergerät geschaltet werden können.

Betriebsdatenverarbeitung Drehzahl und angesaugte Luftmenge be­stimmen die Grundeinspritzzeit Die Takt­frequenz der Einspritzimpulse wird aus der Motordrehzahl ermittelt.

L-Jetronic

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Benzin­einspritz­systeme

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

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

Bild 13

Blockschema des Steuergerätes.

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

Zusammenhänge zwischen Luftmenge, Klappenwinkel , Potentiometerspannung und eingespritzter Kraftstoffmenge.

30"

60"

90"

• l:S

V654 3 210 50 100 150 m3/h ~ ~ Us :li ::>

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

Drehzahl Lastbereich

i[i!:: - - -Einspritzventile

rmer I Endstufe ' • I Frequenz- I teiler I ~ 1f211 tri

Divisions- Tp Steuer- ~ Multi plizierstufe

Multivibrator

t - - t - t - t I I I I

Motor· Luft- Bordnetz-Lullmenge temperatur temperatur spannung

Man erkennt, daß die praktisch einge­spritzte und die theoretisch notwendige Kraftstoffmenge gleich sind (Linie C-D).

Bildung der Einspritzimpulse (Bild 15) Die Bildung der Grundeinspritzzeit erfolgt in einer speziellen Schaltungsgruppe des Steuergerätes, dem Divisions-Steuer­Multivibrator (DSM).

Der Divisions-Steuer-Multivibrator be­kommt vom Frequenzteiler die Dreh­Bild 15

Zahlinformation n und wertet sie zu­sammen mit dem Luftmengensignal U s

aus. Zum Zwecke der intermittierenden Kraftstoffeinspritzung verwandelt der DSM die Spannung Us in rechteck­förmige Steuerimpulse. Die Dauer T P

dieser Impulse bestimmt die Grund­einspritzmenge, d. h. die einzuspritzende Kraftstoffmenge je Ansaughub, ohne Berücksichtigung von Korrekturen. Des­halb bezeichnet man Tp als "Grundein­spritzzeit". Je größer die angesaugte

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

f Zündpulsfrequenz bzw. Zundfunkenzahl ,

11 Motordrehzahl,

Tm Impulszeitverlängerung durch Korrekturen,

T0 Impulszeitverlängerung Spannungs· kompensation,

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

Tp Grundeinspritzzeit,

Zyl.

~ 1 2 3

Arbeitszyklus 4

Einlaßventil geöffnet ! Zündzeitpunkt

Zündung ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ([~211)

Impulsformer h h l h l l h l h h l ([~2n)

Frequenzteiler f-- - - f-- f-- -

Divisions- { /""- / ""' / ""' / ""' / "" / steuer- rl n n n n Multivibrator - TP I-

{ "" A ~ ~ ~ ~

Multiplizier- n r- n n n n stufe

-~Tm -

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u

Endstufe n I 11--I I I I I I

I I 7j ~ Tp+Tm+ T0

Zeit---

L-Jetronic

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Benzin­einspritz­systeme

128

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

Signale und Steuergrößen am Steuergerät.

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

QL angesaugte Luf1menge, ÖL Lufttemperatur, 11 Motordrehzahl, P Lastbereich des Motors, ßM Motortemperatur, Ve eingespritzte Kraf1stoffmenge, QLZ Zusatzluf1menge, V es Startmehrmenge, Ua Bordnetzspannung.

Eingangsgrößen Steuergerät und Versorgung

Ausgangsgrößen

gedrückt durch einen Faktor, den man als "Anreicherungsfaktor" bezeichnet. So spritzen beispielsweise die Ventile bei großer Kälte zu Beginn der Warmlauf­phase die zwei- bis dreifache Kraftstoff­menge ein (Bilder 13 und 15).

Spannungskompensation Die Anzugszeit der Einspritzventile hängt stark von der Batteriespannung ab. Die sich daraus ergebende Ansprachver­zögerung hätte ohne elektronische Spannungskorrektur eine zu kurze Ein­spritzdauer und somit eine zu kleine Ein­spritzmenge zur Folge. Je niedriger die Batteriespannung, desto weniger Kraft­stoff bekäme der Motor. Aus diesem Grund muß eine niedrige Betriebs­spannung, z. B. nach Kaltstart mit stark entladener Batterie, durch eine entspre­chend gewählte Verlängerung Tu der vor­berechneten Impulszeit ausgeglichen werden, damit der Motor die richtige Kraftstoffmenge bekommt. Man nennt das "Spannungskompensation". Zur Spannungskompensation gibt man die Batteriespannung als Steuergröße ins Steuergerät ein. Eine elektronische Kom­pensationsstufe verlängert die Ventil­steuerimpulse gerade um den Betrag Tu der spannungsabhängigen Ansprachver­zögerung der Einspritzventile. Die Ge­samtdauer der Einspritzimpulse T; be­steht damit aus der Summe von Tp. Tm und Tu (Bild 15).

Verstärkung der Einspritzimpulse Die von der Multiplizierstufe gebildeten Einspritzimpulse werden in einer nach­folgenden Endstufe verstärkt. Diese ver­stärkten Impulse steuern die Ein­spritzventile an. Sämtliche Einspritzventile des Motors öffnen und schließen gleichzeitig. Mit je­dem Ventil ist ein Vorwiderstand als Strombegrenzer in Reihe geschaltet. Die Endstufe der L-Jetronic versorgt drei oder vier Ventile gleichzeitig mit Strom. Steuergeräte für 6-Zylinder- und 8-Zylin­der-Motoren haben zwei Endstufen mit je drei bzw. vier Einspritzventilen. Seide Endstufen arbeiten im Gleichtakt Der Einspritztakt ist so gewählt, daß je

Gemischbildung.

lntermiltierende Einspritzung vor das Einlaßventil des Motors.

Bild 17

Nockenwellenumdrehung zweimal die Hälfte des Kraftstoffs eingespritzt wird, den jeder Arbeitszylinder benötigt. Neben der Ansteuerung der Einspritz­ventile über Vorwiderstände gibt es Steu­ergeräte mit geregelter Endstufe. Bei die­sen Steuergeräten werden die Einspritz­ventile ohne Vorwiderstände betrieben. Die Ansteuerung der Einspritzventile ge­schieht dabei wie folgt: Sobald bei Impulsbeginn die Ventilanker angezogen worden sind, wird der Ventil­strom für den Rest der Impulsdauer auf einen bedeutend schwächeren Strom, den Haltestrom, abgeregelt. Da diese Ventile am Impulsbeginn mit sehr hohem Strom eingeschaltet werden, erhält man kurze Ansprechzeiten. Durch die nach dem Einschalten zurückgeregelte Strom­stärke wird die Endstufe weniger bela­stet. Man kann dadurch bis zu 12 Ventile mit einer Endstufe schalten.

Gemischbildung Die Gemischbildung erfolgt im Saugrohr und im Zylinder des Motors. Der von den Einspritzventilen intermit­tierend eingespritzte Kraftstoff wird dem Einlaßventil des Motors vorgelagert. Beim Öffnen des Einlaßventils reißt die angesaugte Luftmenge die Kraftstoff­wolke mit und bewirkt durch Ver­wirbelung während des Ansaugtaktes die Bildung eines zündfähigen Gemisches (Bild 17).

L-Jetronic

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Benzin­einspritz­systeme

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Anpassung an Betriebszustände

Über die bisher beschriebene Grund­funktion hinaus erfordern bestimmte Be­triebszustände korrigierende Eingriffe in die Gemischbildung, um die Leistung, die Abgaszusammensetzung und das Start­verhalten sowie das Fahrverhalten zu verbessern. Durch zusätzliche Sensoren für die Motortemperatur und die Drossel­klappenstellung (Lastsignal) kann das Steuergerät der L-Jetronic diese Anpas­sungsaufgaben erfüllen. Die Kennlinie des Luftmengenmessers bestimmt mo­torspezifisch die Kraftstoff-Bedarfskenn­linie für alle Betriebsbereiche.

Kaltstartanreicherung Abhängig von der Motortemperatur spritzt das Kaltstartventil während des Startens zeitlich begrenzt eine zusätz­liche Menge Kraftstoff ein. Dies ge­schieht, um beim Kaltstart die Konden­sationsverluste des Kraftstoffanteils im angesaugten Gemisch auszugleichen und das Anspringen des kalten Motors zu erleichtern. Das Einspritzen dieser zusätzlichen Kraftstoffmenge erfolgt durch das Kalt­startventil in das Sammelsaugrohr. Die Einschaltdauer des Kaltstartventils wird von einem Thermozeitschalter in Ab­hängigkeit von der Motortemperatur zeit­lich begrenzt. Der beschriebene Vorgang wird Kalt-

Bild 18

Startanreicherung durch Startsteuerung.

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

2

4

startanreicherung genannt. Bei der Kalt­startanreicherung wird das Gemisch ,,fet­ter", d. h. die Luftzahl 'A ist vorüber­gehend kleiner als 1. Für die Kaltstartanreicherung gibt es zwei Methoden: - Startsteuerung durch Steuergerät und Einspritzventile (Bild 18) oder - Steuerung über Thermozeitschalter und Kaltstartventil (Bild 19).

Startsteuerung Durch Verlängerung der Einspritzdauer der Einspritzventile wird während der Startphase mehr Kraftstoff eingespritzt. Die Startsteuerung wird im Steuergerät nach Auswertung der Signale vom Zünd­Start-Schalter und dem Motortempe­ratursensor aktiviert. Aufbau und Wir­kungsweise des Temperatursensors sind im Abschnitt "Warmlaufanreicherung" beschrieben.

Kaltstartventil Das Kaltstartventil (Bild 20) ist ein elek­tromagnetisch betätigtes Ventil. Im Ventil sitzt die Wicklung des Elektromagneten. ln Ruhestellung preßt eine Feder den be­weglichen Anker des Elektromagneten gegen eine Dichtung und verschließt da­mit das Ventil.

Beim Erregen des Elektromagneten gibt der nunmehr vom Ventilsitz abgehobene Magnetanker den Kraftstoffdurchfluß frei. Der Kraftstoff gelangt tangential in eine Bild 19

Startanreicherung durch Kaltstartventil.

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

4

Kaltstartventil betätigt.

1 Elektrischer Anschluß, 2 Kraftstoffzufluß mit

Filtersieb, 3 Ventil (Magnetanker),

Bild20

4 Magnetwicklung, 5 Dralldüse. 6 Ventilsitz.

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

Thermozeitschalter Der Thermozeitschalter begrenzt zeit­und temperaturabhängig die Einspritz­zeit des Kaltstartventils. Der Thermozeitschalter (Bild 21) besteht aus einem elektrisch beheizten Bimetall­streifen, der in Abhängigkeit von seiner Temperatur einen Kontakt öffnet oder schließt.

Die Ansteuerung erfolgt über den Zünd­Start-Schalter. Der Thermozeitschalter ist an einer für die Motortemperatur re­präsentativen Stelle befestigt. Der Ther­mozeitschalter begrenzt beim Kaltstart die Einschaltdauer des Kaltstartventils. Bei länger dauerndem Startvorgang oder

Thermozeitschalter.

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

2 -

Bild 21

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

Nachstart- und Warmlaufanreicherung Während des Warmlaufs erhält der Motor mehr Kraftstoff zugeteilt. An den Kaltstart schließt sich die Warrn­laufphase des Motors an. Der Motor

L-Jetronic

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Benzin­einspritz­systeme

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benötigt in diesem Bereich eine beträcht­liche Warmlaufanreicherung, weil ein Teil des Kraftstoffes an den noch kalten Zy­linderwandungen kondensiert. Außer­dem würde sich ohne zusätzliche Kraft­stoffanreicherung nach dem Wegfallen der vom Kaltstartventil eingespritzten zu­sätzlichen Kraftstoffmenge ein erhebli­cher Drehzahlabfall bemerkbar machen.

Unmittelbar nach dem Start (z. B. bei -20 ac) muß je nach Motortyp zwei- bis dreimal soviel Kraftstoff wie im be­triebswarmen Zustand eingespritzt wer­den. ln diesem ersten Teil der Warmlauf­phase (Nachstart) muß eine zeitabhän­gige Anreicherung erfolgen, die Nachstartanhebung. Die erforderliche Dauer liegt bei etwa 30 Sekunden. Die Anreicherung erfordert je nach Tempera­tur zwischen 30 % und 60 % Mehrmenge.

Nach Ablauf der Nachstartanhebung benötigt der Motor nur noch eine geringe Anreicherung, die über die Motor­temperatur abgeregelt wird. Das Dia­gramm (Bild 22) zeigt einen typischen Verlauf der Anreicherung über der Zeit bei einer Starttemperatur von 22 ac . Um Bild22

Verlauf der Warmlaufanreicherung.

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

1,75

I 1,50 "-

~ ~ Vl 0> c :::1 Q; .r: <.>

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30 60 Zeit

90

diese Regelvorgänge auslösen zu kön­nen, muß dem Steuergerät die Motor­temperatur mitgeteilt werden. Dies ge­schieht durch den Motortemperatur­sensor.

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

Der Sensor "meldet" den der jeweiligen Temperatur entsprechenden elektri­schen Widerstand an das Steuergerät, das die einzuspritzende Kraftstoffmenge im Nachstart und beim Warmlaufen des Motors anpaßt. Der Temperatursensor besteht aus einem NTC-Widerstand, der in eine Gewindehülse eingebettet ist. NTC bedeutet Negativer Temperatur­Coeffizient und charakterisiert damit seine Eigenschaft: Der aus einem Halb­leitermaterial hergestellte Widerstand verringert bei steigender Temperatur sei­nen elektrischen Widerstand. Bild 23

Motortemperatursensor.

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

Leerlauf-/Vollast-Korrektur.

1 Drosselklappe, 2 Drosselklappenschalter, 3 Steuergerät.

Bild 24

Teillastanpassung

3

Die weitaus meiste Zeit läuft der Motor im Teillastbereich. Die Kraftstoff-Bedarfs­kennlinie für diesen Bereich ist im Steuergerät programmiert und bestimmt die Kraftstoffzumessung. Sie ist so aus­gelegt, daß der Motor im Teillastbereich einen niedrigen Kraftstoffverbrauch auf­weist.

Beschleunigungsanreicherung Während des Beschleunigens mißt die L-Jetronic zusätzlich Kraftstoff zu. Öffnet sich die Drosselklappe plötzlich, so mager! das Luft-Kraftstoff-Gemisch kurzzeitig ab. Es bedarf einer kurz­zeitigen Gemischanreicherung, 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

Drosselklappenschalter.

1 Vollastkontakt, 2 Schaltkulisse, 3 Drosselklappenwelle,

4 Leerlaufkontakt, 5 elektrischer

Anschluß.

2 - fl-- -+ ~~J•J--. 3 - tt-- --\

Bild 25

das Steuergerät zusätzlich ein elektri­sches Signal der Geschwindigkeit aus, mit der die Stauklappe im Luftmengen­messer ausschlägt.

Vollastanreicherung Bei Vollast gibt der Motor sein größtes Drehmoment ab. Hierzu muß das Luft­Kraftstoff-Gemisch gegenüber der Teil­last angereichert werden. Gegenüber Teillast, bei der ein Abstim­men auf minimalen Verbrauch unter Ein­halten der Emissionswerte im Vor­dergrund steht, wird bei Vollast das Luft­Kraftstoff-Gemisch angefettet. Die Höhe dieser Anreicherung ist motorspezifisch im Steuergerät programmiert. Die In­formation über den Lastzustand erhält das Steuergerät vom Drosselklappen­schalter.

Drosselklappenschalter Der Drosselklappenschalter meldet die Drosselklappenstellungen "Leerlauf" und "Vollast" an das Steuergerät. Der Drosselklappenschalter (Bilder 24 und 25) ist am Drosselklappenstutzen befestigt. Die Drosselklappenwelle, auf der die Drosselklappe sitzt, betätigt den Schalter. Eine Schaltkulisse fährt die Kontakte des Drosselklappenschalters an. ln den Endstellungen "Leerlauf" und "Vollast" schließt jeweils ein Kontakt.

L-Jetronic

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Benzin­einspritz­systeme

134

Steuerung der Leerlaufdrehzahl Der Luftmengenmesser enthält einen einstellbaren Bypass, über den eine ge­ringe Luftmenge die Stauklappe um­gehen kann. Die Leerlaufgemisch-Ein­stellschraube im Bypass ermöglicht die Grundeinstellung des Gemischverhält­nisses bzw. die Gemischanreicherung durch Veränderung des Bypass-Quer­schnittes (Bild 26). 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 (Bild 27), betätigt durch ein Bimetall, den Querschnitt der Umge­hungsleitung (Bypass).

Der Öffnungsquerschnitt dieser Loch­blende stellt sich in Abhängigkeit von der Temperatur so ein, daß beim Kaltstart ein entsprechend großer Querschnitt freige­geben ist, der sich bei zunehmender Motortemperatur stetig verringert und schließlich geschlossen ist. Das Bimetall ist elektrisch beheizt und verringert mit der Zeit den Öffnungs­querschnitt des Zusatzluftschiebers vom temperaturabhängigen Anfangswert. Der Einbauort des Zusatzluftschiebers ist so gewählt, daß er möglichst gut die Motortemperatur annimmt. Der Zusatz­luftschieber arbeitet bei warmem Motor nicht.

Lufttemperaturanpassung 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 Drosselklappenstellung 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. Bild26

Leerlaufdrehzahlsteuerung.

1 Drosselklappe, 2 Luftmengenmesser, 3 Zusatzluftschieber, 4 Leerlaufgemisch· Einstellschraube.

1 2

3 4

Bild 27

Elektrisch beheizter Zusatzluftschieber.

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

2 3 4

Ergänzungsfunktionen

Lambda-Regelung Mit der Lambda-Regelung kann das Luft­Kraftstoff-Verhältnis sehr genau bei A = 1 eingehalten werden. Im Steuergerät wird das Signal der Lambda-Sonde mit einem Sollwert verglichen und damit ein Zwei­punktregler angesteuert. Der Eingriff in die Kraftstoffzumessung wird über die Öffnungsdauer der Einspritzventile vor­genommen (Bild 28).

Schubabschaltung Schubabschaltung ist das vollständige Unterbrechen des Kraftstoffzuflusses zum Motor im Schiebebetrieb, um beim Bild 28

Lambda-Regelkreis der L..Jetronic.

Bergabfahren und Bremsen den Kraft­stoffverbrauch und die Abgasemission zu vermindern. Nimmt der Fahrer den Fuß vom Gaspedal, meldet der Dros­selklappenschalter dem Steuergerät "Drosselklappe zu". Die Höhe der Dreh­zahl, ab der die Einspritzimpulse unter­drückt werden, wird in Abhängigkeit von der Motortemperatur gesteuert.

Drehzahlbegrenzung Die Drehzahlbegrenzung sperrt beim Er­reichen der maximal zulässigen Mo­tordrehzahl die Kraftstoffzufuhr zu den Einspritzventilen. Beim Überschreiten des Grenzwertes werden die Ein­spritzsignale unterdrückt.

Der Lambda-Regelkreis ist der Gemischsteuerung überlagert. Die von der Gemischsteuerung vor· gegebene Einspritzmenge wird durch die Lambda-Regelung für die Verbrennung optimal angepaßl. UL Luftmengensignal, V~ Lambda-SondensignaL

-Restsauerstoff- Motor (Regelstrecke) A gehalt im Abgas V Katalysator (Regelgröße)·rl! ...... Ki~--~~~

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Kraftstoff

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V ~ Einspritzventile

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V w- .A. Einspritzzeit UL ~ Y. (Stellgröße)

Lambda-Regler

L-Jetronic

135

Benzin­einspritz­systeme

136

Bild29

Komponenten der L· Jetronlc.

1 Luftmengenmesser, 2 Steuergerät, 3 Kraftstoffilter, 4 Elektrokraftstoffpumpe. 5 Kraftstoffdruckregler. 6 Zusatzluftschieber,

3

7

9

7 Thermozeitschalter, 8 Temperatursensor, 9 Drosselklappenschalter,

10 Kaltstartventil, 11 Einspritzventile.

4

Elektrische Schaltung

Die L-Jetronic (Bild 29) ist so ausgelegt, daß sie über nur eine Trennsteile an das Bordnetz des Fahrzeugs angeschlossen ist. An dieser Trennsteile befindet sich die Relaiskombination, die vom Zünd-Start­Schalter gesteuert wird und die Bord­netzspannung zum Steuergerät und den anderen Komponenten der Jetronic durchschaltet. Die Relaiskombination verfügt über zwei getrennte Steckverbindungen zum Bord­netz und zur Jetronic.

Sicherheitsschaltung Um bei Unfällen die weitere Kratt­stotförderung zu verhindern, wird die Elektrokraftstoffpumpe über eine Sicher­heitsschaltung betrieben. Ein vom Luftmengenmesser bei Luftdurchsatz betätigter Schalter steuert die Relais­kombination, die ihrerseits die Elektro­kraftstoffpumpe schaltet. Kommt der Mo­Bild 30

Beispiel eines Anschlußplanes.

tor bei eingeschalteter Zündung zum Stehen, d. h. findet kein Luftdurchsatz mehr statt, dann wird die Stromver­sorgung zur Kraftstoffpumpe unterbro­chen. Während des Startvorgangs wird die Relaiskombination in entsprechender Weise über Klemme 50 vom Zünd-Start­Schalter angesteuert.

Anschlußplan Bei dem hier abgebildeten Beispiel han­delt es sich um einen typischen An­schlußplan für ein Fahrzeug mit Vier­zylinder-Motor. Beim Kabelbaum ist zu beachten, daß die Klemme 88z der Re­laiskombination direkt und ohne Siche­rung mit dem Pluspol (Polklemme) der Batterie verbunden ist, um Störungen und Spannungseinbrüche durch Über­gangswiderstände zu vermeiden. Die Klemmen 5, 16, 17 des Steuergerätes sowie der Anschluß 49 des Tempera­tursensors sind mit getrennten Leitungen an einem gemeinsamen Massepunkt an­geschlossen (Bild 30).

L-Jetronic mit geregelter Endstufe. K2 Thermozeitschalter, Y1 Kaltstartventil, 81 Motortemperatursensor, 51 Drosselklappenschalter, Y2 Einspritzventil, 82 Luftmengenmesser, T1 Zündspule, Y3 Zusatzluftschieber, K1 Relaiskombination, X1 Steuergerät, Y4 Elektrokraftstoffpumpe.

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31 31

L-Jetronic

137

Benzin­einspritz­systeme

138

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 bisher ange­wandten Analogtechnik die Realisierung von neuen Funktionen mit besseren An­passungsmöglichkeiten. Die 1..3-Jetronic gibt es sowohl mit Lambda-Regelung (Bild 31) als auch ohne. Beide Versionen verfügen über eine Notlauffunktion, die es ermöglicht, bei Ausfall des Mikrocomputers das

Fahrzeug noch bis zur nächsten Werk­statt zu fahren. Außerdem werden die Eingangssignale auf Plausibil ität ge­prüft, d. h. ein unrealistisches Eingangs­signal (z. B. Motortemperatur tiefer als -40 °C) wird ignoriert und durch einen im Steuergerät gespeicherten Wert er­setzt.

Kraftstoffversorgung Die Kraftstoffversorgung erfolgt wie bei der L-Jetronic über Elektrokraftstoff­pumpe, Kraftstoffilter, Kraftstoffverteiler und Druckregler zu den Einspritzventilen.

Betriebsdatenerfassung Die Information über die Drehzahl liefert die Zündanlage an das Steuergerät. Ein Temperatursensor im Kühlwasserkreis­lauf mißt die Motortemperatur und wan­delt sie in ein elektrisches Signal für das Steuergerät um. Der Drosselklappenschalter meldet die Drosselklappenstellungen "Leerlauf" und "Vollast" für die Motorsteuerung an das

Schema einer L3-Jetronic-Anlage mit Ulmbda-Regelung.

1 Kraftstoffbehälter, 5 Verteilerrohr, 9 Luftmengenmesser, 13 Zündverteiler, 2 Elektrokraf1stoffpumpe, 6 Druckregler, 10 Steuergerät, 14 Zusatzluf1schieber, 3 Kraftstoffilter, 7 Sammelsaugrohr, 11 Lambda-Sonde, 15 Batterie, 4 Einspritzventil. 8 Orosselklappenschalter, 12 Motortemperatursensor, 16 Zünd-Start-Schalter.

Steuergerät, um den unterschiedlichen Optimierungskriterien in den Betriebszu­ständen gerecht zu werden. Das Steuer­gerät erfaßt die Schwankungen der Bordnetzspannung und gleicht die da­durch bewirkten Ansprechverzögerun­gen der Ventile durch Korrektur der Ein­spritzzeit aus.

Luftmengenmesser Der Luftmengenmesser der L3-Jetronic erfaßt die vom Motor angesaugte Luft­menge nach dem gleichen Meßprinzip wie der Luftmengenmesser der her­kömmlichen L-Jetronic. Die Integration des Steuergerätes mit dem Luftmen­genmesser zu einer Meß- und Steu­ereinheit setzt jedoch einen veränderten Aufbau voraus. Die Abmessungen sowohl der Potentio­meterkammer des Luftmengenmessers als auch des Steuergerätes sind so weit reduziert, daß die Bauhöhe der gesam­ten Einheit die des bisherigen Luftmen­genmessers nicht übertrifft. Weitere

Bild 32

Merkmale des Luftmengenmessers sind das verringerte Gewicht des Aluminium­anstelle des Zinkgehäuses, der erwei­terte Meßbereich und das verbesserte Dämpfungsverhalten bei plötzlichen Än­derungen der Luftmenge. Damit weist die L3-Jetronic deutliche Verbesserun­gen sowohl bei den elektronischen als auch mechanischen Komponenten bei verringertem Platzbedarf auf (Bilder 32 und 33).

Kraftstoffzumessung Kraftstoff wird durch elektromagnetisch betätigte Einspritzventile auf die Ein­laßventile des Motors eingespritzt. 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, so daß die eingespritzte Kraftstoffmenge nur von

Integration von Steuergerät und Luftmengenmesser der l3-Jetronic zu einer Meß- und Steuereinheit.

1 Steuergerät, 2 Luftmengenmesser mit Potentiometer.

L-Jetronic

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Benzin­einspritz­systeme

140

der Öffnungsdauer der Ventile abhängt. Vom Steuergerät werden hierfür Steuer­impulse geliefert, deren Dauer von der angesaugten Luftmenge, von der Motor­drehzahl und von weiteren Einfluß­größen abhängt. Diese werden von Sen­soren erfaßt und im Steuergerät verar­beitet.

Elektronisches Steuergerät Das digitale Steuergerät paßt das Luft­Kraftstoff-Verhältnis- im Unterschied zur L -Jetronic - über ein Last-Drehzahl­Kennfeld 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 Widerstände und 23 Konden­satoren. Nur 33tausendstel Millimeter dünne Golddrähte stellen die Ver­bindung von den IC zu der Dickschicht­piaUe her.

Anpassung an Betriebszustände Bei einigen Betriebszuständen (Kaltstart, Warmlauf, Beschleunigung, Leerlauf, Vollast) weicht der Kraftstoffbedarf stark vom Normalwert ab, so daß korrigie­rende Eingriffe in die Gemischbildung notwendig sind.

Drosselklappenschalter Dieser Schalter wird von der Drossel­klappenwelle betätigt und besitzt zwei Schaltkontakte für die beiden End­stellungen der Drosselklappe. Er gibt bei geschlossener (Leerlauf) oder ganz geöffneter Drosselklappe (Vollast) ein Schaltsignal an das Steuergerät ab.

Luftmengenmesser der L3-Jetronic.

1 Stauklappe, 2 Kompensationsklappe, 3 Dämpfungsvolumen.

3 2

Bild 33

Zusatzluftschieber Ein durch Bimetallfeder oder Dehnstoff­element bewegter Schieber führt dem Motor während der Warmlaufphase eine Mehrluftmenge zu. Dies führt zu der für einen einwandfreien Rundlauf erforder­lichen höheren Leerlaufdrehzahl im Warm lauf. Statt des Zusatzluftschiebers zur Steu­erung der Leerlaufdrehzahl kann eine Leerlaufdrehzahlregelung als separates System eingesetzt werden.

Motortemperatursensor Der Motortemperatursensor, ein tempe­raturabhängiger Widerstand, steuert die Warmlaufanreicherung. Die im Schiebebetrieb wirksam wer­dende Schubabschaltung sowie die Drehzahlbegrenzung bei maximal zu­lässiger Motordrehzahl ermöglichen Kraftstoffeinsparung und Herabsetzung der Schadstoffemission.

Lambda-Regelung Im Steuergerät wird das Signal der Lambda-Sonde mit einem Sollwert ver­glichen. Je nach Ergebnis des Vergleichs wird über einen Zweipunktregler ein zu mageres Gemisch angereichert oder ein zu fettes Gemisch abgemagert. Der Ein­griff in die Kraftstoffzumessung wird über die Öffnungsdauer der Einspritzventile vorgenommen.

LH-Jetronic

Die LH-Jetronic (Bild 34) 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 über die­selben Stationen wie bei der L -Jetronic.

Betriebsdatenerfassung Die Information über die Drehzahl liefert die Zündanlage an das Steuergerät. Ein Temperatursensor im Kühlwasserkreis­lauf mißt die Motortemperatur und wan­delt sie in ein elektrisches Signal für das Steuergerät um. Der Drosselklappen­schalter meldet die Drosselklappen­stellung "Leerlauf" und "Vollast" für die Motorsteuerung an das Steuergerät, um den unterschiedlichen Optimier­ungskriterien in den Betriebszuständen

Bild 34

Schema einer LH-Jetronlc-Antage.

gerecht zu werden. Das Steuergerät erfaßt die Schwankungen der Bordnetz­spannung und gleicht die dadurch bewirkten Ansprechverzögerungen der Ventile durch Korrektur der Einspritzzeit aus.

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] . Seide Sensoren arbeiten nach demselben Prinzip.

Hitzdraht-Luftmassenmesser Beim Hitzdraht-Luftmassenmesser ist der elektrisch beheizte Körper der Hitz­draht, ein 70 11m dünner Platindraht Die Ansauglufttemperatur wird durch einen Temperatursensor erfaßt. Hitzdraht und Ansaugluft-Temperatursensor sind Be­standteile einer Brückenschaltung und

1 Kraftstoffbehälter, 5 Einspritzventil , 9 Drosselklappenschalter, 13 Zündverteiler, 2 Etektrokraftstoffpumpe, 6 Verteilerrohr, 10 Hitzdraht·Luftmassenmesser, 14 Leerlaufdrehsteller, 3 Kraftstoffi lter, 7 Druckregler, 11 Lambda-Sonde, 15 Batterie, 4 Steuergerät, 8 Sammetsaugrohr, 12 Motortemperatursensor, 16 Zünd-Start-Schalter.

L-Jetronic

141

Benzin­einspritz­systeme

142

funktionieren dort als temperaturabhän­gige Widerstände. Ein dem Luftmassenstrom proportiona­les Spannungssignal wird dem Steuer­gerät zugeführt (Bilder 35 und 36) .

Heißfilm-Luftmassenmesser Beim Heißfilm-Luftmassenmesser ist der elektrisch beheizte Körper ein Platin­Filmwiderstand (Heizer). Die Temperatur des Heizers wird von einem tempera­turabhängigen Widerstand (Durchfluß­sensor) erfaßt. Die Spannung am Heizer ist das Maß für den Luftmassenstrom. Diese wird von der Elektronik des Heiß­film-Luftmassenmessers in eine für das Steuergerät angepaßte Spannung um­gewandelt (Bild 37).

Kraftstoffzumessung Kraftstoff wird durch elektromagnetisch betätigte Einspritzventile auf die Ein­laßventile des Motors eingespritzt. Jedem Zylinder ist ein Magnetventil zu­geordnet, das je Kurbelwellenumdrehung

Bild 35

Hitzdraht-Luftmassenmesser. Im lnnern des Meßrohres isl der 70 J.lm dünne Platindraht aufgespannt.

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, so daß die einge­spritzte Kraftstoffmenge nur von der Öff­nungsdauer der Ventile abhängt. Vom Steuergerät werden hierfür Steuer­impulse geliefert, deren Dauer von der an­gesaugten Luftmenge, von der Motor­drehzahl und von weiteren Einflußgrößen abhängt. Diese werden von Sensoren er­faßt und im Steuergerät verarbeitet.

Elektronisches Steuergerät Das digitale Steuergerät paßt das Luft­Kraftstoff-Verhältnis- im Unterschied zur L-Jetronic - über ein Last-Drehzahl­Kennfeld 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.

Anpassung an Betriebszustände Bei einigen Betriebszuständen (Kaltstart, Warmlauf, Beschleunigung, Leerlauf, Vollast) weicht der Kraftstoffbedarf stark vom Normalwert ab, so daß korrigie­rende Eingriffe in die Gemischbildung notwendig sind.

Drosselklappenschalter Dieser Schalter besitzt zwei Schaltkon­takte für die beiden Endstellungen der Drosselklappe. Er gibt bei geschlossener (Leerlauf) oder ganz geöffneter Drossel­klappe (Vollast) ein Schaltsignal an das Steuergerät ab.

Leerlaufdrehsteller Mit der Leerlaufregelung läßt sich die Leerlaufdrehzahl absenken und stabili­sieren. Dazu öffnet der Leerlaufdreh­steiler eine Umgehungsleitung zur Dros­selklappe und teilt dem Motor mehr oder weniger Luft zu. Da der Hitzdraht-Luft­massenmesser die Zusatzluft erfaßt, än­dert sich wie gewünscht auch die Ein­spritzmenge. Bild 36

Hitzdraht-Luftmassenmesser.

1 Hybridschaltung, 2 Deckel, 3 Metalleinsatz, 4 Innenrohr mit Hitzdraht, 5 Gehäuse, 6 Schutzgitter, 7 Haltering.

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Motortemperatursensor Der Motortemperatursensor, ein tempe­raturabhängiger Widerstand, steuert die Warmlaufanreicherung.

Ergänzungsfunktionen Die im Schiebebetrieb wirksam werden­de Schubabschaltung sowie die Dreh· Zahlbegrenzung bei maximal zulässiger Motordrehzahl ermöglichen Kraftstoff­einsparung und Herabsetzung der Schadstoffemission.

Lambda-Regelung Die Lambda-Sonde liefert ein Signal der augenblicklichen Gemischzusammen­setzung. Im Steuergerät wird das Signal der Lambda-Sonde mit einem Sollwert verglichen. Je nach Ergebnis des Vergleichs wird über einen Zweipunktregler ein zu mage­res Gemisch angereichert oder ein zu fettes Gemisch abgemagert. Der Eingriff in die Kraftstoffzumessung wird über die Öffnungsdauer der Ein­spritzventile vorgenommen. Bild 37

Heißfilm-Luftmassenmesser.

a Gehäuse, b Heißfilmsensor (in Gehäusemitte eingebaut). 1 Kühlkörper, 2 Zwischenbaustein, 3 Leistungs­baustein, 4 Hybridschaltung, 5 Sensorelement.

L-Jetronic

143

Benzin­einspritz­systeme

144

Werkstattprüftechnik

Bosch-Kundendienst Die Qualität eines Produkts wird auch an der Qualität des Kundendienstes ge­messen. Mehr als 10 000 8oseh-Kun­dendienststellen in 125 Ländern sind für den Autofahrer da - neutral und ohne Bindung an eine Fahrzeugmarke. Selbst in dünn besiedelten Ländern Afrikas und Südamerikas kann man mit schneller Hilfe rechnen. Und auch hier gibt es die selben Qualitätsstandards wie in Deutschland. Da versteht es sich von selbst, daß die Garantie auf Kunden­dienstleistungen weltweit gilt. Bosch-Aggregate und -Systeme sind mit ihren Kenndaten und Leistungswerten exakt auf das jeweilige Fahrzeug und den zum Fahrzeug gehörigen Motor ab­gestimmt. Um die notwendigen Prüfun­gen durchführen zu können, entwickelt Bosch jeweils die entsprechende Meß­technik, die Prüfgeräte und Spezial­werkzeuge und rüstet die Kundendienst­stellen damit aus.

Bild38

Prüftechnik für L-Jetronic Das Benzineinspritzsystem L-Jetronic erfordert, abgesehen vom periodischen Wechseln des Luft- und des Kraftstoff­filters nach Vorschrift des Fahrzeug­herstellers, keine Wartungsarbeiten. Bei Störungen des Systems stehen dem Fachmann im wesentlichen folgende Prüfgeräte zusammen mit den notwen­digen Prüfwerten zur Verfügung: - Universai-Prüfadapter mit Adapter­

leitung und Vielfachmeßgerät bzw. Motortester

- Jetronic-Set (Hydraulikkoffer mit Druckmeßvorrichtung),

- Mengenvergleichsmeßgerät mit Ansteuergerät,

- Lambda-Regelungstester (Anwen­dung nur bei vorhandener Lambda­Regelung) und

- Diagnosetester für neuere Jetronic­Systeme.

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

Prüfanordung mit Universai-Prüfadapter, Adapterleitung und Vielfachmeßgerät

Prüfkomponenten: 1 Universai-Prüfadapter, 2 Mehrfachstufenschalter, 3 Steckverbindung, 4 Adapterleitung, 4.1 V-Ausführung Ue nach System), 5 Meßleitungen, 6 Vielfachmeßgerät , Fahrzeugkomponenten: 7 Steuergerät, 8 Systemkabelbaum.

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verschiedensprachigen Prüfanleitungen und Prüfwerten vor. Ohne diese Aus­rüstung ist keine gezielte, preisgünstige Fehlersuche und keine fachgerechte Instandsetzung möglich. Fahrzeughalter sollten deshalb von eigenen Reparatur­versuchen absehen.

Universai-Prüfadapter, Adapterleitung und Vielfachmeßgerät bzw. Motortester Der Universai-Prüfadapter (Bild 38) wur­de speziell zur Prüfung elektronischer Benzineinspritzsysteme wie L-, LE-, LU-, L2-, L3- LH-Jetronic und Metronie ent­wickelt. Geprüft werden alle wichtigen Komponenten und Funktionen des Sy­stems, die für einen optimalen Motorlauf notwendig sind: - Luftmengen- oder Luftmassenmesser, - Temperatursensor für die Ansaugluft, - Motortemperatursensor, - Drosselklappenschalter bzw. Drossel-

klappenpotentiometer, - Elektrokraftstoffpumpe und - Lambda-Sonde.

Mit der systemspezifischen Adapter­leitung wird der Universai-Prüfadapter am Kabelbaumstecker des Steuergerä­tes angeschlossen; bei der V-Ausführung kann er auch zwischengeschaltet wer­den. Über die zwei Mehrfachstufenschal­ter des Universai-Prüfadapters können so die verschiedenen Leitungen zu den Komponenten einfach und schnell an­gewählt werden. Die Spannungen und Widerstände werden über das Vielfach­meßgerät bzw. den Motortester gemes­sen. Bei Verwendung der Adapterleitung in V-Ausführung können bei laufendem Motor zusätzlich Steuergerätefunktio­nen, wie z.B. Schubabschalten, Vallast­und Warmlaufanreicherung, geprüft werden.

Jetronic-Set Mit der Druckmeßvorrichtung des Jetronic­Sets lassen sich die Kraftstoffdrücke im Leerlauf und bei abgezogenem Saugrohr­druckschlauch messen. Damit können - die Leistung der Elektrokraftstoff-

pumpe,

- die Durchlässigkeit des Kraftstoffilters, - die Durchlässigkeit der Rücklauf-

leitung, - die Kraftstoffzumessung durch die

Einspritzventile und - die Funktion des Druckreglers geprüft werden. Außerdem läßt sich mit der Druckmeßvorrichtung die Dichtheit des gesamten Kraftstoffsystems prüfen. Das ist besonders wichtig für das Start­verhalten.

Mengenvergleichsmeßgerät und Ansteuergerät Mit einer Vergleichsmessung kann fest­gestellt werden, ob die Einspritzmengen der einzelnen Einspritzventile vonein­ander abweichen. Dazu werden die Ven­tile aus dem Saugrohr herausgezogen und an das Mengenvergleichsmeßgerät angeschlossen. Das Ansteuergerät er­zeugt die elektrischen Impulse für die Einspritzventile. Auf diese Weise kann bei bis zu acht Ventilen der Krattstoff­durchfluß verglichen werden.

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

Diagnosetester Neuere Jetronic-Systeme in digitaler Schaltungstechnik enthalten eine Eigen­diagnose mit Fehlerspeicher. Mit dem Diagnosetester werden Fehlercodes und Istwerte ausgelesen sowie Stellglied­tests durchgeführt.

L-Jetronic Werkstatt­prüftechnik

145

Benzin­einspritz­systeme

146

Mono-Jetronic

Systemübersicht 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 (im folgenden noch be­schrieben) mit einem elektromagneti­schen Einspritzventil , das den Kraftstoff intermittierend (zeitweilig aussetzend) oberhalb der Drosselklappe einspritzt.

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Systemübersicht Mono-Jetronic.

Die Verteilung des Kraftstoffes auf die einzelnen Zylinder erfolgt durch das Saugrohr. Verschiedene Meßfühler (Sensoren) er­mitteln alle wesentlichen Betriebsgrößen des Motors, die für eine optimale Ge­mischanpassung notwendig sind. Ein­gangsgrößensind z. B.: - Drosselklappenwinkel, - Motordrehzahl, - Motor- und Ansauglufttemperatur, - Leerlauf-Nollaststellung der Drossel-

klappe, - Restsauerstoffgehalt im Abgas

und (je nach Fahrzeugausstattung) - Getriebestellung des Automatikgetrie­

bes und Klimabereitschaft sowie Schaltstellung des Klimakompressors der Klimaanlage.

1 Kraftstoffbehälter, 2 Elektrokraftstoffpumpe, 3 Kraftstoffilter, 4 Druckregler, 5 elektromagnetisches Einspritzventil, 6 Lufttemperatursensor, 7 elektronisches Steuergerät, 8 Drosselklappenansteller, 9 Drosselklappenpotentiometer. 10 Regenerierventil, 11 Aktivkohlebehälter. 12 Lambda-Sonde, 13 Motortemperatursensor, 14 Zündverteiler, 15 Batterie, 16 Zünd·Start-Schalter. 17 Relais, 18 Diagnoseanschluß, 19 Einspritzaggregat

15 BOSCH

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 an.

Ausführungen Die nachfolgende Beschreibung mit den zugehörigen Abbildungen bezieht sich auf eine typische Ausführung der Mono­Jetronic (Bild 1 ). Weitere Varianten sind auf die individuellen Anforderungen, die die Automobilhersteller an ein Benzin­einspritzsystem stellen, abgestimmt. Bild2

Funktionsbereiche der Mono-Jetronic.

Die Mono-Jetronic gliedert sich in fol­gende Funktionsbereiche (Bild 2):

Kraftstoffversorgung, Betriebsdatenerfassung und Betriebsdatenverarbeitung.

Grundfunktion 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 Kraftstoffver­dunstungs-Rückhaltesystems.

Kraftstoffversorgung Betriebsdatenerfassung und ·Verarbeitung ~------ 11____________ - ------,

I _I Kraftstoff- I ' I Dia· Bord· Motor· J. · Dreh· I I ... 1 behälter : : gnose netz· temp.· Sonde zahl Luft :

i Kraft- 1Akti~1kohle·J i i ~öf1"sor1190 i : stott behälter 1 1 i [ I I

I ll II I ' _i_ I I JRegenerier- I 1 I== 1 Steuergerät 1-----, 1 : Ventil I I I

:1 :1:, I 2Jf l : I K~~~~[~fi_l_ 1--+-i-' I : pumpe T- : : D I Luftfilter J : I I I I Klima· Autom. I I I Kraftstott-1 : : anlage Getriebe 1 I filter _I I I I I I I I I -t I t--~~~~---~~---+---------,--~U-1 -, I

: ~ ~;~f:; J i i I te~~~~~~ur- 1 i : I II ~::rr:~ ,......---'---'----, I 1 I . ~ I I Drossel- -1 1··1 Drossel- J l 11

Ei~~~~:z· 11

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'- klappen- ~- D~~~~~- 4 klappen- 1

potentiometer ansteller 1

I I ~~---lc----H---r--r-Einspritza..:::g=-gr_e:!..ga_t_______ 1

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I Gemischbildung I

Mono­Jefranie

147

Benzin­einspritz­systeme

148

Kraftstoffversorgung

Die Kraftstoffversorgung dient der Kraft­stoffzuführung vom Kraftstoffbehälter bis zum elektromagnetischen EinspritzventiL

Krattstotförderung Eine Elektrokraftstoffpumpe fördert den Kraftstoff kontinuierlich aus dem Kraft­stoffbehälter über ein Krattstotfilter zum Einspritzaggregat der Mono-Jetronic. Elektrokraftstoffpumpen gibt es als Lei­tungs- oder als Tankeinbauversion.

Leitungseinbaupumpen befinden sich außerhalb des Kraftstoffbehälters in der Kraftstoffleitung ("lnline") zwischen Kraft­stoffbehälter und Krattstotfilter an der Bodengruppe des Fahrzeugs.

Die bei der Mono-Jetronic in der Regel verwendeten Tankeinbaupumpen befin­den sich dagegen im Kraftstoffbehälter ("lntank") in einer speziellen Halterung, die üblicherweise zusätzlich ein saug­seitiges Kraftstotfilter, eine Füllstands­anzeige, einen Dralltopf als Kraftstoffre­servoir sowie elektrische und hydrau­lische Anschlüsse nach außen enthält (Bilder 3 und 5) .

Kraftstoffversorgung der Mono-Jetronic.

Elektrokraftstoffpumpe Elektromotor und Pumpenteil der Elek­trokraftstoffpumpe befinden sich in ei­nem gemeinsamen Gehäuse. Sie wer­den ständig vom Kraftstoff umströmt und damit fortwährend gekühlt. Dadurch läßt sich eine hohe Motorleistung ohne auf­wendige Dichtelemente zwischen Pum­penteil und Elektromotor erzielen. Explo­sionsgefahr besteht nicht, da sich im Elektromotor kein zündfähiges Gemisch bilden kann. Der Anschlußdeckel enthält die elektrischen Anschlüsse, das Rück­schlagventil und den druckseitigen hydraulischen Anschluß. Das Rück­schlagventil hält den Systemdruck nach Abschalten der Elektrokraftstoffpumpe noch einige Zeit aufrecht, um Dampf­blasenbildung bei erhöhten Kraftstoff­temperaturen im Kraftstoffsystem zu verhindern. Zusätzlich können im An­schlußdeckel Entstörmittel für die Funk­entstörung integriert sein (Bild 4).

Diese 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

1 Kraftstoffbehälter, 2 Elektrokraftstolfpumpe, 3 Kraftstoffilter, 4 Druckregler, 5 Einspritzventil, 6 Drosselklappe.

Vorstufe und eine Peripheralpumpe als Hauptstufe, wobei beide Stufen in einem Laufrad integriert sind. Bei der Vorstufe ist dem inneren Schau­felkranz im Laufrad beidseitig im Pum­pengehäuse und im Ansaugdeckel ein "Seitenkanal" zugeordnet. Der Kraftstoff, durch den Schaufelkranz des rotie­renden Laufrades beschleunigt, setzt in den Seitenkanälen seine Geschwindig­keitsenergie in Druckenergie um. Am Ende des Seitenkanals wird der Kraft­stoff in die (in radialer Richtung gesehen) weiter außen liegende Hauptstufe ge­leitet. ln dem Überströmkanal zwischen Vor- und Hauptstufe ist an der Saug­deckelseite eine Entgasungsöffnung angebracht, über die ständig Kraftstoff und eventuell mitgeführte Dampfblasen in den Kraftstoffbehälter zurückgeführt werden. Das Funktionsprinzip der Hauptstufe ist identisch mit dem der Vorstufe. Der we­sentliche Unterschied liegt in der Ge­staltung des Laufrades und in der Form des Kanals, der den Schaufelkranz seit­lich und am gesamten Umfang um­schließt (Peripheralprinzip). Am Ende des Peripheralkanals ist eine Einrichtung zum raschen Entlüften der Hauptstufe

Bild4

vorgesehen. Dies geschieht durch ein als Entlüftungsventil wirkendes Membran­blättchen, das eine Öffnung im Saug­deckel verschließt (Bild 6). Bei geschlossenem Entgasungsventil wird der Kraftstoff in den Motorraum der BildS

Tankeinbaueinheit mit Geräuschkapselung.

1 Elektrokraftstoffpumpe, 2 Gummischlauch, 3 Gummimanschette, 4 Kunststoffgehäuse, 5 Oralltopf, 6 Krattstoffilter.

2

Zweistufige Elektrokraftstoffpumpe für Tankeinbau mit Seitenkanalpumpe (Vorstufe) und Peripheralpumpe (Hauptstufe).

1 Ansaugdeckel mit Sauganschluß, 2 Laufrad, 3 Vorstufe (Seitenkanalpumpe), 4 Hauptstufe (Peripheral­pumpe), 5 Pumpengehäuse, 6 Anker, 7 Rückschlagventil, 8 Anschlußdeckel mit Oruckanschluß.

4---, 5 6

3 ------...

2 ------.,.

Mono­Jetronic

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Benzin­einspritz­systeme

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Pumpe gedrückt und strömt schließlich über das Rückschlagventil in die Kraft­stotfvorlaufleitung.

Bei hohen Kraftstofftemperaturen zeich­net sich die beschriebene Kraftstoff­pumpe durch eine gute Fördercharakte­ristik und ein hervorragendes Geräusch­verhalten aus, da die im Kraftstoff mitgeführten Dampfblasen bereits in der Pumpe ausgeschieden werden. Ein weiterer Vorteil des Strömungspum­penprinzips liegt in der nahezu druck­pulsationsfreien Kraftstotförderung, wor­in auch das günstige Geräuschverhalten dieses Pumpentyps begründet ist.

Kraftstoffreinigung Verunreinigungen im Kraftstoff könnten die Funktion des Einspritzventils und des Druckreglers beeinträchtigen. Deshalb ist zur Kraftstoffreinigung ein Filter in der Kraftstoffvorlaufleitung zwischen Elektro­kraftstoffpumpe und zentraler Einspritz­einheit eingebaut - vorzugsweise an einer gegen Steinschlag geschützten Stelle an der Fahrzeugunterseite.

Bild 6

Krattstotfilter Der Filtereinsatz des Krattstotfilters hat eine mittlere Porenweite von 10 1-1m und besteht aus einem Papierwickel mit ei­nem angespritzten Dichtwulst Zur voll­ständigen Trennung der Schmutzseite von der Reinseite des Filtereinsatzes ist der Dichtwulst mit dem Gehäuse ver­schweißt, das aus einem schlagzähen Kunststoff besteht. Der Papierwickel wird axial über einen Verschlußstopfen des Wickelkörpers sowie durch Stützrippen im Filterdeckel fixiert (Bild 7) . Die Filterstandzeit liegt bei normalem Kraftstotf-Verschmutzungsgrad je nach Filtervolumen zwischen 30 000 und 80000 km.

Kraftstoffdruckregelung Die Kraftstoffdruckregelung hat die Auf­gabe, die Differenz zwischen dem Kraft­stoff- und dem Umgebungsdruck an der Zumeßstelle des Einspritzventils auf 100kPa konstant zu halten. Bei der Mono-Jetronic ist der Druckregler baulich im Hydraulikteil des Einspritzaggregats integriert.

Komponenten der zweistufigen Elektrokraftstoffpumpe.

a Ansaugdeckel (vom Laufrad aus gesehen),

b Laufrad, c Pumpengehäuse

(vom Laufrad aus gesehen).

a

2 3 4

1 Entlüftungsventil, 2 Entgasungsöffnung, 3 Einlaßöffnung für Seitenkanal , 4 Seitenkanal (Vorstufe) , 5 Peripheralkanal (Hauptstufe) ,

b

5 6 7

6 Schaufelkranz für Seitenkanalpumpe (Vorstufe),

7 Schaufelkranz für Peripheralpumpe (Hauptstufe),

8 Auslaßöffnung für PeripheralkanaL

c

5 4 8

Druckregler Eine Gummigewebemembran teilt den Druckregler in eine kraftstoffbeauf­schlagte Unterkammer und in eine Ober­kammer, in der sich eine vorgespannte Schraubenfeder 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 (Fiachsitzventil) . 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 . ln diesem Gleichgewichtszustand beträgt der Differenzdruck zwischen Ober- und Unterkammer 100 kPa. ln der Federkammer wirkt über Belüf­tungsöffnungen derselbe Umgebungs­druck wie an der Abspritzstelle des Ein­spritzventils. Der Hub der Ventilplatte variiert hierbei in Abhängigkeit von För­der- und Verbrauchsmenge.

Bild?

Kraftstoffilter.

1 Filterdeckel , 2 Dichtwulst, 3 Filtergehäuse, 4 Verschlußstopfen, 5 Stützrippen, 6 Papiereinsatz (Papierwickel), 7 Wickelkörper.

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 Kraftstofförderung. Das Rück­schlagventil der Elektrokraftstoffpumpe und das Druckreglerventil schließen, wo­durch der Druck in der Kraftstoffzulauflei­tung und im Hydraulikteil über eine ge­wisse Zeit erhalten bleibt (Bild 8).

Diese Funktionsweise verhindert bei ab­gestelltem Motor weitgehend eine Dampfblasenbildung infolge der Kraft­stofferwärmung in der Kraftstoffzulauf­leitung durch die Motorabwärme und ge­währleistet so stets einen sicheren Start.

BildS

Druckregler.

1 Belüftungsöffnungen, 2 Membran, 3 Ventilträger, 4 Druckfeder, 5 Oberkammer, 6 Unterkammer, 7 Ventilplatte.

4 3 2

Mono­Jetronic

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Benzin­einspritz­systeme

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Rückführung von verdunstetem Kraftstoff Um die Emission der umweltbelastenden Kohlenwasserstoffverbindungen weiter zu reduzieren, bestehen in verschie­denen Ländern gesetzliche Vorschriften , die es verbieten, die im Kraftstoffbehälter entstehenden Kraftstoffdämpfe in die Umgebung abzuführen. Zur Erfüllung dieser Forderung müssen Fahrzeuge mit einem "Kraftstoffver­dunstungs-Rückhaltesystem" ausge­rüstet sein, bei dem der Kraftstoffbe­hälter mit einem Aktivkohlebehälter in Verbindung steht.

Die Aktivkohle besitzt die Eigenschaft, den im Kraftstoffdampf enthaltenen Kraftstoff zu absorbieren. Zur Weiterleitung des in der Aktivkohle gebundenen Kraftstoffs saugt der Motor Frischluft durch den Aktivkohlebehälter, wobei die Luft den Kraftstoff wieder auf­nimmt. Die mit Kohlenwasserstoffen an­gereicherte Luft wird über das Saugrohr den Zylindern zur Verbrennung zugeführt (Bild 9).

Bild9

Kraftstoffverdunstungs-Rückhaltesystem.

Aktivkohlebehälter Der Aktivkohlebehälter ist so dimensio­niert, daß sich im Mittel ein Gleich­gewicht zwischen der absorbierten (auf­genommenen) und der desorbierten (ab­gegebenen) Kraftstoffmenge einstellt. Das heißt: um mit einem möglichst klei­nen Aktivkohlebehälter auszukommen, wird bei allen Betriebszuständen (von Leerlauf bis Vollast) mit dem größtmög­lichen Luftdurchsatz regeneriert. Die Höhe des Regeneriergasstromes ist in erster Linie von der Differenz zwischen Saugrohrdruck und Umgebungsdruck vorgegeben. Im Leerlauf besteht eine große Druckdifferenz, so daß zur Ver­meidung von Fahrverhaltensproble­men nur ein geringer Regeneriergas­strom zulässig ist. Bei höherer Motorlast sind die Verhält­nisse gerade umgekehrt, weil hier der Regeneriergasstrom zwar recht hoch sein darf, die verfügbare Druckdifferenz jedoch gering ist. Zur exakten Dosierung des Kraftstoff­dampfstromes steuert das Steuergerät ein Regenerierventil an.

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

L

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 Luft­Kraftstoff-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 11. Ein derartiges System setzt vor­aus, daß die zwischen der Drosselklappe

Bild 10

Motorkennfeld.

und der Drosselbohrung freigegebene Querschnittsfläche (in Abhängigkeit von dem Öffnungswinkel der Drosselklappe) bei jedem serienmäßig gefertigten Ein­spritzaggregat in einem sehr engen Tole­ranzband liegt. Durch Betätigen der Drosselklappe vom Gaspedal aus steuert der Fahrer den Ansaugluftstrom des Ottomotors und gibt damit den gewünschten Betriebs­punkt vor. Ein Drosselklappenpotentio­meter erfaßt dabei den Drosselklappen­winkel a. Neben der Drosselklappen­stellung a sind Motordrehzahl 11 und Luftdichte zusätzliche Einflußgrößen für die vom Motor angesaugte Luftmasse.

Die Luftfüllung in Abhängigkeit von a und 11 wird für einen Motor auf dem Motor­prüfstand ermittelt. Bild 1 0 zeigt das typi­sche Diagramm eines Motorkennfeldes; dabei ist die relative Luftfüllung in Abhän­gigkeit von Drosselklappenwinkel a und Motordrehzahl 11 aufgetragen. Ist das Motorkennfeld für einen Motor bekannt, so ist die Luftfüllung bei konstanter Luft­dichte durch a und 11 exakt bestimmt (a/11-System).

Relative Luftfüllung abhängig von Motordrehzahl II und Drosselklappenwinkel a . x Relative Lultfüllungsänderung.

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80 -

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45°

30°

22° 20

14°

0 L-------~~ ----~--~~ --~--~--------~~ ------~------------~0

1000 2000 3000 4000 5000 6000 min- 1 ~ Drehzahl11 ~

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Mono­Jefranie

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Benzin­einspritz­systeme

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Der Drosselklappenstutzen der Mono­Jetronic ist ein sehr präzises Luftzumeß­organ und liefert ein äußerst genaues Drosselklappenwinkel-Signal an das elektronische Steuergerät. Die notwen­dige Information über die Drehzahlliefert 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 Eingangs­größen 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 besitzt zur Erfüllung der strengen US-Abgasvorschriften grundsätzlich eine "Lambda-Regelung", um das Luft-Kraftstoff-Verhältnis für den Dreiwege-Katalysator sehr genau 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 Taleranzen und die Abweichungen, die während der gesamten Laufzeit eines Fahrzeugs am Motor und den Einspritzaggregaten auf­treten können. Beim Abstellen des Mo­tors bleiben die "gelernten" Korrektur-

werte abgespeichert, so daß sie bei einem erneuten Start sofort wieder wirk­sam sind. Mit dieser "adaptiven" Gemischsteue­rung und dem zusätzlich überlagerten Lambda-Regelkreis garantiert die in­direkte Erfassung der angesaugten Luft­masse durch die aJn-Steuerung eine un­eingeschränkte Gemischkonstanz, ohne daß eine Luftmassenmessung durch­geführt werden muß.

Drosselklappenwinkel Das Drosselklappenwinkel-Signal a dient dem elektronischen Steuergerät zur Berechnung der Drosselklappenstel­lung und der Drosselklappen-Winkel­geschwindigkeit. Die Drosselklappen­stellung ist eine wichtige Eingangsgröße für die Funktionen der Luftfüllungserfas­sung bzw. Einspritzzeitberechnung und Stellungsrückmeldung des Drossel­klappenanstellers bei geschlossenem Leerlaufschalter. Die Drosselklappen-Winkelgeschwindig­keitwird hauptsächlich fürdie 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 10 hervorgeht, führen in diesem Bereich Winkelände­rungen von z. B. ±1 ,5o zu einer relativen Luftfüllungsänderung bzw. Lambda-Än­derung von ±17%, während außerhalb 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.

Drosselklappenpotentiometer Der Schleiferarm des Potentiometers ist direkt auf die Drosselklappenwelle auf­gepreßt; die Widerstandsbahnen des Potentiometers wie auch der elektrische Anschluß befinden sich auf einer mit dem Unterteil des Einspritzaggregats ver­schraubten Kunststoffplatte. Die Span­nungsversorgung erfolgt über eine stabi­lisierte 5-V-Spannungsquelle. Um die erforderliche hohe Signalauf­lösung zu gewährleisten, ist der Drossel­klappen-Winkelbereich zwischen Leer­lauf und Vollast auf zwei Widerstands­bahnen aufgeteilt. Über den Winkelsegmenten fällt die Spannung linear ab. Jeder der beiden Widerstandsbahnen ist eine parallel lie­gende Leiterbahn (Kollektorbahn) zuge­ordnet. Sowohl die Widerstandsbahnen als auch die Kollektorbahnen sind in Dick­schichttechnik ausgeführt. Der Schleiferarm besitzt vier Schleifer, die je einer Potentiometerbahn zuge­ordnet sind. Die Schleifer der Wider­standsbahn und der zugeordneten Kol­lektorbahn sind leitend miteinander ver­bunden, wodurch das Signal von der Widerstandsbahn auf die Kollektorbahn übertragen wird (Bild 11 ).

Bild 11

Drosselklappenpotentlometer.

Die erste Bahn umfaßt den Winkelbereich von oo ... 24°, die zweite den Bereich von 18° ... 90°. lm elektronischen Steuergerät werden die Winkelsignale (a) getrennt über je einen Analog-Digitai-Wandlerka­nal umgesetzt. Alterung und Temperatur­schwankungen des Potentiometers wer­den im Steuergerät durch Auswertung von Spannungsverhältnissen kompen­siert. Eine umlaufende Nut in der Poten­tiometerplatte nimmt eine Rundschnur­dichtung auf, die das Eindringen von Feuchtigkeit und Schmutz zuverlässig verhindert. Die Potentiometerkammer ist über eine Belüftungseinrichtung mit der Umgebung verbunden .

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 T 0 -lmpuls oder das an der Klemme 1 (Us) der Niederspannungs­seite der Zündspule vorhandene Span­nungssignaL Gleichzeitig werden diese Signale auch zum Auslösen der Ein-

a Gehäuse mit Schleifarm, b Gehäusedeckel mit Potentiometerbahnen. 1 Unterteil des Einspritzaggregats. 2 Drosselklappenwelle, 3 Schleiferarm, 4 Schleifer, 5 Widerstandsbahn 1, 6 Kollektorbahn 1, 7 Widerstandsbahn 2, 8 Kollektorbahn 2, 9 Rundschnur-Dichtung.

a b

2 3 4 5 6 7 8 9

Mono­Jefranie

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Benzin­einspritz­systeme

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spritzirnpulse verwendet, wobei jeder Zündimpuls einen Einspritzimpuls aus­löst (Bild 12).

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.

Motortemperatursensor Der Motortemperatursensor besteht aus einer Gewindehülse, in die ein Halblei­terwiderstand mit NTC-Charakteristik (Negative Temperature Coefficient) ein­gebettet ist. Das elektronische Steuergerät wertet den sich mit der Temperatur ändernden Widerstand aus (Bild 13).

Ansauglufttemperatur 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.

Bild 12

Drehzahlsignal von Zündanlage.

1 Zündverteiler, 2 Zündschaltgerät, 3 Zündspule, 11 Motordrehzahl, T0 vom Steuergerät aufbereite­ter Impuls, U5 SpannungssignaL

Lufttemperatursensor Der Lufttemperatursensor verfügt über einen NTC-Widerstand. Damit Änderun­gen der Ansauglufttemperatur möglichst schnell erfaßt werden können, ist der NTC-Widerstand in offener Bauweise ausgeführt und ragt am Ende einer rüs­selförmigen Anspritzung in den Bereich hoher Luftströmungsgeschwindigkeit Der Elektroanschluß bildet zusammen mit dem Stecker für das Einspritzventil eine vierpolige Steckverbindung (Bild 14).

Betriebszustände Das Erkennen der Betriebszustände "Leerlauf" und "Vollast" 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 Drosselklappenan­steiler befindet. Dabei wird der Leerlauf­kontakt von einem kleinen Stößel in der Stellwelle des Drosselklappenanstellers geschlossen (Bild 15). "Vollast" leitet das Steuergerät aus dem elektrischen Signal des Drosselklappenpotentiometers ab.

Bild 13

Motortemperatursensor.

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

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 Fördereha­rakieristik der verwendeten Elektrokraft­stoffpumpe, die den Systemdruck unter diesen Bedingungen nicht vollständig aufbaut. Das elektronische Steuergerät liest die Batteriespannung als kontinuierliches Eingangssignal über den Analog-Digital­Wandler 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

Bild 14

Lufttemperatursensor.

1 Ansaugluft, 2 rüsselförmige Anspritzung, 3 Berührungsschutz, 4 NTC·Widerstand, 5 EinspritzventiL

r----- 2

die Motordrehzahl im Leerlauf ab. Um dies zu vermeiden, erfaßt das elek­tronische Steuergerät die Betriebszu­stände "Kiimabereitschaft ein", "Klima­kompressor ein" und die Stellung "Drive" beim Automatikgetriebe als Schaltsi­gnale. Entsprechend diesen Schalt­signalen 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.

Gemischzusammensetzung Die Gemischzusammensetzung ist im Hinblick auf die Abgasnachbehandlung durch einen Dreiwege-Katalysator sehr exakt 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

Bild 15

Leerlaufschalter.

1 Betätigung durch Drosselklappenhebel, 2 Leerlaufkontakt, 3 elektrische Anschlüsse.

3

Mono­Jefranie

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Benzin­einspritz­systeme

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über den gesamten Betriebsbereich des Motors die für die Funktion der Sonde nötige Temperatur herrscht.

Lambda-Sonde Die Lambda-Sonde ragt in den Abgas­strom und ist so gestaltet, daß die äu­ßere Elektrodenseite vom Abgas um­strömt ist und die innere Elektrodenseite mit der Au Benluft in Verbindung steht (Bild 16). Die Sonde besteht im wesentlichen aus einem Spezialkeramik-Körper, dessen Oberflächen mit gasdurchlässigen Pla­tin-Elektroden versehen sind. Die Wir­kung der Sonde beruht darauf, daß das keramische Material porös ist und eine Diffusion des Luftsauerstoffs zuläßt (Festelektrolyt). Die Keramik wird bei höheren Temperaturen leitend. Ist der Sauerstoffgehalt auf beiden Seiten der Elektroden verschieden groß, so entsteht an den Elektroden eine elektrische Span­nung. Bei einer stöchiometrischen Zu­sammensetzung des Luft-Kraftstoff­Gemischs von "A = 1 ,0 ergibt sich eine Sprungfunktion. Diese Spannung stellt das Meßsignal dar (Bild 17). Die Sondenkeramik ist in einer Halterung mit Einschraubgewinde fixiert und mit Schutzrohren und elektrischen An-

Bild 16

Anordnung der Lambda-Sonde im Abgasrohr (schematisch).

1 Sondenkeramik, 2 Elektroden, 3 Kontakt, 4 Gehäusekontaktierung, 5 Abgasrohr, 6 kerami­sche Schutzschicht (porös) , 7 Abgas, 8 Luft.

8

3

schlüssen versehen. Die Oberfläche der Sondenkeramik hat eine mikroporöse Platinschicht, die einerseits durch kata­lytische Wirkung die Sondencharakte­ristik entscheidend beeinflu ßt, anderer­seits zur Kontaktierung dient. Auf dem abgasseitigen Teil der Sondenkeramik befindet sich über der Platinschicht eine festhaftende hochporöse Keramik­schicht. Diese Schutzschicht verhindert einen negativen Einfluß der Rückstände im Abgas auf die Platinschicht

Um Verbrennungsrückstände im Abgas von der Sondenkeramik fernzuhalten, ist die Abgasseite mit einem Schutzrohr ver­sehen. Es hat Schlitze, die so gestaltet sind, daß Abgase und sie begleitende Feststoffe nicht auf die Sondenkeramik treffen können. Neben diesem mechani­schen Schutz mildert dieses Schutzrohr wirkungsvoll den Temperaturwechsel bei Übergängen von einem Betriebszustand zum anderen. Über der Anschlußseite der Sonde be­findet sich eine metallische Schutzhülse; sie hat eine Öffnung zum Entlüften der Sonde und dient als Widerlager für eine Tellerfeder. Die elektrische Zuleitung wird über eine lsolierhülle aus der Sonde her­ausgeführt.

Bild 17

Spannungskennlinie der Lambda-Sonde fOr soo•c Arbeitstemperatur.

a Fettes Gemisch (Luftmangel), b mageres Gemisch (Luftüberschuß).

mv a b

1000

~ "' 800

---. c ::;) c c 600 "' a.

"' c 400 Ql

"0 c 0

(/) 200 '-....

0 0,8 0,9 1 1,1

Luftzahl lo. 1,2

Die Spannung und der Innenwiderstand der Sonde sind von der Temperatur ab­hängig. Ein sicherer Regelbetrieb ist bei Abgastemperaturen oberhalb 350 ac (unbeheizte Sonde) beziehungsweise 200 °C (beheizte Sonde) möglich.

Beheizte Lambda-Sonde Das Konstruktionsprinzip der beheizten Lambda-Sonde (Bild 18) ist weitgehend mit dem der unbeheizten Sonde iden­tisch. Die aktive Sondenkeramik wird von innen durch ein keramisches Heiz­element beheizt, so daß - auch bei ge­ringer Abgastemperatur - die Tempera­tur der Sondenkeramik über der Funk­tionsgrenze von 350 ac bleibt. Die beheizte Sonde weist ein Schutzrohr mit verminderter Durchlaßöffnung auf. So wird u. a. eine Abkühlung der Sondenke­ramik bei kaltem Abgas verhindert.

Von Vorteil ist die sichere Regelung auch bei niedriger Abgastemperatur (z. B. im Leerlauf) , die geringe Abhängigkeit von Schwankungen der Abgastemperatur, kurze Einschaltzeiten der Lambda-Rege­lung, geringe Abgaswerte durch günstige Sondendynamik und flexible Einbau­möglichkeiten unabhängig von der exter­nen Erwärmung.

Bild 18

Beheizte Lambda-Sonde.

Betriebsdatenverarbeitung

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

Elektronisches Steuergerät 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 Steuergerätes befinden sich auf einer einzigen Leiterplatte. Die Leistungs­endstuten und der Spannungsstabilisa­tor, der die elektronischen Bauteile mit einer 5-V-Spannung versorgt, sind zur besseren Wärmeabfuhr am Kühlkörper befestigt. Ein 25poliger Stecker verbindet das Steuergerät mit Batterie, Sensoren und Stellgliedern.

1 Sondengehäuse, 2 keramisches Stützrohr, 3 elektrische Anschlüsse, 4 Schutzrohr mit Schlitzen, 5 aktive Sondenkeramik, 6 Kontaktteil , 7 Schutzhülse, 8 Heizelement, 9 Klemmenanschlüsse für Heizelement

2 3

4 5 6 7 8 9

Mono­Jefranie

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160

Analog-Digital-Wandler Die kontinuierlichen Analogsignale, wie die beiden Spannungen des Drossel­klappenpotentiometers, die Lambda­Sondenspannung, 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 (IC) aufbereitet und dem Mikro­prozessor zugeführt. Zusätzlich wird das Drehzahlsignal direkt über eine Endstufe zur Ansteuerung des Kraftstoffpumpen­relais genutzt.

Bild 19

Blockschaltbild Mono-Jetronic-Steuergerät.

Eingangsstufen

Leerlaufschalter ---~

Getriebestellung (N,D)­

Klimabereitschaft --~

Klimakompressor ---+!

Inter­face

Mikroprozessor Kernstück des elektronischen Steuerge­rätes ist der Mikroprozessor (Bild 19). 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

Steuergerät Endstufen

_ ~ _ Drosselklappen· ~ansteller

Mikroprozessor

Fehlerlampe/ Diagnose· Einleitung bzw. ·Ausgabe

Diagnoseeinleitung r Bahn 1

Drosselklappen· potentiometer Bahn 2

A.-Sonde -----+1

Motortemperatursensor

Ansaugluft· temperatursensor

Batteriespannung -~~

~ Einspritzventil

Mikroprozessor verarbeitet werden kön­nen, führt die Schaltsignale dem Mikro­prozessor zu. Zu 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 Uber verschiedene Endstufen werden das Einspritzventil, der Drosselklappen­ansteller, das Aktivkohle-Regenerier­ventil und das Pumpenrelais angesteu­ert. Falls im Fahrzeug eingebaut, wird bei erkanntem Sensoren- oder Steiler­fehler eine "Fehlerlampe" zur Warnung des Fahrers angesteuert. Der Fehler­lampenausgang wird zusätzlich zur Diagnoseeinleitung und Diagnoseaus­gabe verwendet.

Lambda-Kennfeld Die exakte Anpassung des Luft-Kraft­stoff-Verhältnisses in jedem stationären Betriebspunkt des warmen Motors erfolgt über ein Lambda-Kennfeld, das im digita­len Schaltungsteil des Steuergeräts elek­tronisch gespeichert ist. Es wird durch Versuche auf dem Motorprüfstand ge­wonnen. Bei einem Motorsteuerungs­konzept mit Lambda-Regelung wie bei der Mono-Jetronic werden die motorspe­zifischen Einspritzzeiten ermittelt, die in jedem Betriebspunkt (Leerlauf, Teillast, Vollast) exakt das ideale (stöchiometri­sche) Luft-Kraftstoff-Gemisch ergeben.

Das Lambda-Kennfeld der Mono-Jetro­nic umfaßt 225 Betriebspunkte, die den jeweils 15 Stützstellen der Eingangs­größen "Drosselklappenwinkel a" und "Drehzahl n" zugeordnet sind. Wegen der starken Nichtlinearität des a/n-Kenn­feldes und der daraus resultierenden An­forderung nach hoher Auflösegenauig­keit im Leerlauf und bei unterer Teillast wurden die Stützstellen gerade in diesem Kennfeldbereich in engerem Abstand an­geordnet (Bild 20) . Betriebspunkte, die

Lambda-Kennfeld .

Einspritzzeit in Abhängigkeit von Drehzah l und Drosselklappenwinkel.

Bild 20 zwischen diesen Stützstellen liegen, wer­den durch lineare Interpolation im Steuergerät ermittelt. Da das Kennfeld für den normalen Be­triebs- und Temperaturbereich des Mo­tors ausgelegt ist, sind bei abweichenden Motortemperaturen bzw. speziellen Be­triebszuständen zusätzliche Korrekturen der aus dem Lambda-Kennfeld gewon­nenen Einspritzgrundzeiten erforderlich.

Wenn das Steuergerät durch Signale von der Lambda-Sonde Abweichungen von A. = 1 registriert und die Einspritz­grundzeit über einen längeren Zeitraum korrigieren muß, werden durch Selbst­adaption Gemischkorrekturgrößen er­mittelt und abgespeichert. Diese Größen sind von diesem Zeitpunkt an im ge­samten Kennfeld wirksam und werden ständig aktualisiert. So lassen sich die individuellen Tale­ranzen sowie das allmähliche Verändern der Kenngrößen von Motor und Ein­spritzaggregaten dauerhaft ausgleichen.

Kraftstoffeinspritzung Die Kraftstoffeinspritzung muß dem Mo­tor sowohl kleinste Kraftstoffmengen (z. B. im Leerlauf oder bei Nullastbetrieb) als auch die maximal erforderliche Kraft­stoffmenge (z. B. bei Vollast) zuteilen können. Unter diesen Bedingungen müs-

Mono­Jefranie

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Benzin­einspritz­systeme

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sen die Betriebspunkte im linearen Be­reich der Einspritzventil-Kennlinien lie­gen (Bild 21 ). Eine besonders wichtige Aufgabe der Mono-Jetronic ist die gleichmäßige Ver­teilung des Luft-Kraftstoff-Gemisches auf alle Zylinder. Außer von der Saug­rohrgestaltung hängt die Verteilung vor allem von der Lage bzw. dem Einbauort und der Aufbereitungsgüte des Ein­spritzventils ab. Die Lage des Einspritz­ventils im Einspritzaggregat der Mono­Jetronic wurde in Grundsatzunter­suchungen optimiert. Sie braucht daher nicht an die speziellen Bedingungen ein­zelner Fahrzeugmotoren angepaßt sein.

Das Einspritzventil ist in einem nach strömungstechnischen Gesichtspunkten gestalteten Gehäuse des Oberteils des Einspritzaggregats eingebaut, das durch einen Haltearm zentrisch im Lufteinlaß angeordnet ist. Diese Einbaulage oberhalb der Drossel­klappe bewirkt eine sehr intensive Durch­mischung des Kraftstoffs mit der vor­beiströmenden Luft. Dazu wird der Kraftstoff fein aufbereitet und mit kegel­förmigem Spritzbild in den Bereich der höchsten Luftströmung zwischen Dros-Bild21

Elnspritzventii-Kennlinie.

Bei Motordrehzahl 900 min - 1

(entspricht Einspritzimpulsfolge von 33 ms). 1 Spannungsabhängige Ventilverzugszeit, 2 nichtlinearer Kennlinienbereich, 3 Einspritzzeitbereich bei Leerlauf bzw.

Nullastbetrieb.

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2 3 Einspritzzeit I ;

4 ms 5

seiklappe und Drosselklappengehäuse eingespritzt.

Dichtringe dichten das Einspritzventil nach außen ab. Eine halbkugelförmige Kunststoffkappe schließt den Einbau­raum nach oben ab. Sie enthält die elektrische Steckverbindung des Ein­spritzventils und sorgt für dessen axiale Fixierung.

Einspritzventil Das Einspritzventil (Bild 22) besteht aus einem Ventilgehäuse und der Ventil­gruppe. Das Ventilgehäuse enthält die Magnetwicklung und den elektrischen Anschluß. Die Ventilgruppe umfaßt einen Ventilkörper und eine darin geführte Ven­tilnadel mit aufgesetztem Magnetanker. Bei stromloser Wicklung drückt eine Schraubenfeder mit Unterstützung des Systemdrucks die Ventilnadel auf ihren Dichtsitz. Wird die Wicklung erregt, so hebt sich die Nadel um ca. 0,06 mm (abhängig von der Ventilauslegung) vom Sitz, so daß der Kraftstoff über einen Ringspalt austreten kann. Am vorderen Ende der Ventilnadel befindet sich ein aus der Ventilkörperbohrung heraus­ragender Spritzzapfen. Die Form dieses Bild22

Einspritzventil.

1 Elektrischer Anschluß, 2 Kraftstoffrücklauf, 3 Kraftstoffzulauf, 4 Magnetwicklung, 5 Magnetanker, 6 Ventilnadel, 7 Spritzzapfen.

2

3

4

5

6

i '----- q

Kraftstoffniederschlag bei kaltem Motor.

1 Einspritzventil , 2 zugemessener Kraftstoff, 3 Drosselklappe, 4 Kraftstoffniederschlag, 5 Wandfi lm am Saugrohr (überhöht dargestellt), 6 durchströmender Kraftstoff , 7 Verdampfung aus dem Wandfi lm.

Bild23

Zapfens sorgt für eine sehr gute Zerstäu­bung des Kraftstoffs. Die Größe des Spaltes zwischen Spritz­zapfen und Ventilkörper bestimmt die "statische Menge" des Ventils, d. h. den maximalen Kraftstoffdurchsatz bei dau­ernd geöffnetem Ventil. Die bei intermit­tierendem Betrieb abgespritzte "dyna­mische Menge" hängt zusätzlich von der Ventilfeder, der Masse der Ventilnadel, dem Magnetkreis und der Endstufe des Steuergerätes ab. Aufgrund des kon­stanten Kraftstoffdruckes hängt die vom Ventil tatsächlich abgespritzte Kraftstoff­menge nur von der Öffnungsdauer des Ventils (Einspritzzeit) ab. Wegen der hohen Einspritzimpulsfolge - mit jedem Zündimpuls wird ein Ein­spritzimpuls ausgelöst - muß das Ein­spritzventil sehr kurze Schaltzeiten auf­weisen. Die geringe Masse von Anker und Ventilnadel sowie der sorgfältig op­timierte Magnetkreis ermöglichen An­zugs- und Abfallzeiten, die unter einer Millisekunde liegen. Eine exakte Kraft­stoffzumessung auch bei kleinsten Men­gen ist somit sichergestellt.

Gemischanpassung

Startphase Ungünstige Verdampfungsbedingungen für den eingespritzten Kraftstoff liegen beim Start des kalten Motors vor:

kalte Ansaugluft, kalte Saugrohrwände,

- hoher Saugrohrdruck, geringe Strömungsgeschwindigkeit der Luft im Saugrohr und

- kalte Brennräume und Zylinderwände.

Diese Verdampfungsbedingungen ha­ben zur Folge, daß ein Teil des zugemes­senen Kraftstoffs in Form eines Wandfil­mes an den kalten Saugrohrwandungen kondensiert (Bild 23).

Damit die Wandfilmbildung rasch abge­schlossen ist und die zugemessene Kraftstoffmenge auch den Zylindern zur Verbrennung zur Verfügung steht, muß während des Starts mehr Kraftstoff zu­gemessen werden, als zur Verbrennung der angesaugten Luftmenge notwendig wäre. Da die Höhe der Kraftstoffkon-

Mono­Jefranie

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Benzin­einspritz­systeme

164

densation hauptsächlich von der Tem­peratur des Saugrohrs abhängt, sind die beim Start wirksamen Einspritzzeiten in Abhängigkeit von der Motortemperatur vom Steuergerät vorgegeben (Bild 24a). Außer von der Temperatur der Saug­rohrwände hängt der Wandfilm auch von der Strömungsgeschwindigkeit der Luft

Bild 24

Motortemperaturabhängige Korrekturen in der Start-, Nachstart- und Warmlaufphase.

a Einspritzzeit beim Start. b Startende-Drehzahl, c Nachstartfaktor, d Warmlauffaktor.

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min-1

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400

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a

b

c

-30 0 +50 +100

Motortemperatur IM

'C

im Saugrohr ab. Je höher die Strömungs­geschwindigkeit ist, um so geringer ist die an den Saugrohrwänden konden­sierte Kraftstoffmenge. Deshalb wird die Einspritzzeit mit steigender Startdreh­zahl reduziert (Bild 25 a). Zur Erzielung sehr kurzer Startzeiten muß einerseits der Wandfilmaufbau sehr rasch erfolgen, also viel Kraftstoff in kur­zer Zeit zugemessen werden, anderer­seits aber sind Vorkehrungen zu treffen, daß der Motor nicht zu viel Kraftstoff er­hält und damit "absäuft". Diese gegensätzlichen Anforderungen werden dadurch erfüllt, daß die Ein­spritzzeiten anfangs recht lang sind, aber mit zunehmender Startdauer reduziert werden (Bild 25 b). Der Start ist beendet, sobald die von der Motortemperatur ab­hängige sogenannte "Startende-Dreh­zahl" überschritten ist (Bild 24 b).

Nachstart- und Warmlaufphase Beim Verlassen des Startmodus wird das Einspritzventil - abhängig von der Drosselklappenstellung und der Motor­drehzahl - mit den im Lambda-Kenn­feld abgelegten Einspritzzeiten ange-

Bild 25

Einspritzzeit beim Start.

a Drehzahlabhängige Reduzierung, b zeitabhängige Reduzierung.

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a:

a

b

200 600 Start-Drehzahl n5

Startzeit 15

steuert. ln der sich nun anschließenden Betriebsphase bis zum Erreichen der Motorbetriebstemperatur ist aufgrund der Kondensation von Kraftstoff an den noch kalten Brennraum- und Zylinder­wänden eine Gemischanreicherung notwendig. Unmittelbar nach dem erfolgten Start be­steht kurzfristig ein recht hoher Kraft­stoffbedarf, während daran anschließend nur noch eine allein von der Motor­temperatur abhängige Anreicherung er­forderlich ist. Zur Nachbildung des Kraftstoffbedarfs des Motors in der Phase zwischen Start­ende und Erreichen der Betriebs­temperatur gibt es zwei Funktionen:

- Die Nachstartanreicherung ist abhän­gig von der Motortemperatur als Korrek­turfaktor abgelegt. Mit diesem "Nach­startfaktor" werden die aus dem Lambda­Kennfeld errechneten Einspritzzeiten korrigiert. Die Verminderung des Nach­startfaktors auf den Wert 1 erfolgt in Ab­hängigkeit von der Zeit (Bild 24c). - Die Warmlaufanreicherung ist eben­falls als Korrekturfaktor abhängig von der Motortemperatur abgelegt; die Ver­minderung dieses Faktors auf den Wert 1 bestimmt ausschließlich die Motortemperatur (Bild 24d). Beide Funktionen wirken gleichzeitig, das heißt die Einspritzzeiten aus dem Lambda-Kennfeld 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 Drosselklappenstel­lung die Zylinderfüllung mit zunehmen­der Lufttemperatur geringer wird. Das Einspritzaggregat der Mono-Jetronic verfügt deshalb über einen Temperatur­sensor, der die Temperatur der ange­saugten Luft dem Steuergerät meldet. Über einen von der Lufttemperatur ab­hängigen Anreicherungsfaktor korrigiert

Anreicherungsfaktor in Abhängigkeit von der Ansaugluftlemperatur.

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Bild 26

-30 0 20 7CfC

Ansauglufttemperatur r L

das Steuergerät die Einspritzzeit bzw. -menge (Bild 26).

Übergangskompensation Bei Laständerungen, die durch Drossel­klappenbewegungen ausgelöst werden, sorgt die Übergangskompensation für die dynamische Gemischkorrektur. Um ein optimales Fahr- und 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 Ansaugluftstromes. - 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.

Mono­Jefranie

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Benzin­einspritz­systeme

166

- 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 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 kal-

tem 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 Luft-Kraftstoff-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, wenn die Winkelgeschwindigkeit der Drosselklappe die zugehörige Aus­löseschwelle überschreitet. Die Auslöse­schwelle für die Beschleunigungsanrei­cherung ist in Form einer Kennlinie als Funktion des Drosselklappenwinkels ge­speichert. Für die Verzögerungsabmage­rung existiert eine konstante Auslöse­schwelle (Bild 27). ln 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 (Bild 28).

Bild 27 ;::.Bi::::ld:...:2::::8~---------------, Auslöseschwelle Dynamischer Gemischkorrekturfaktor für Übergangskompensatlon. für Übergangskompensatlon.

1 Beschleunigungsanreicherung, 2 Verzögerungs- 1 Beschleunigungsanreicherung, abmagerung. Keine Auslösung. 2 Verzögerungsabmagerung.

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Drosselklappenwinkel a => Drosselklappenwinkelgeschwindigkeit =>

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 (Bilder 29 und 30a). Zur Berücksichtigung der saugrohrdruck­abhängigen Wandfilmmenge ist ein Kennfeld in Abhängigkeit von Drossel­klappenwinkel und Drehzahl mit zu­sätzlich auf die dynamischen Gemisch­korrekturfaktoren wirkenden Bewer­tungsfaktoren gespeichert (Bild 31 ).

Unterschreitet die Winkelgeschwindig­keit der Drosselklappe eine der Aus­löseschwellen oder wird aufgrund der Eingangsgrößen ein stark abnehmender dynamischer Gemischkorrekturfaktor be­rechnet, so wird der zuletzt wirksame dynamische Gemischkorrekturfaktor der Beschleunigungsanreicherung und Ver­zögerungsabmagerung im Zeitraster der Zündimpulse mit einem motortempera­turabhängigen Faktor kleiner als 1 ab­gesteuert. Die Absteuerfaktoren für die Beschleunigungsanreicherung und Ver­zögerungsabmagerung sind durch je eine Kennlinie vorgegeben (Bild 30b).

Bild 29

Kennfeld für Übergangskompensation.

Bewertungsfaktor in Abhängigkeit von Drehzahl und DrosselklappenwinkeL

~ "' u; Ol c ::J t

~ Q)

tO

Die so gewonnene Übergangskompen­sation wirkt als sogenannter Gesamt­übergangsfaktor auf die Einspritzzeit der Einspritzimpulse. Da die Laständerungen im Verhältnis zum Einspritzrhythmus sehr schnell er­folgen können, ist darüberhinaus die Ausgabe eines zusätzlichen Einspritz­impulses, eines sogenannten Zwischen­spritzers, möglich.

Bild 30

Auf Motortemperatur bezogene Faktoren für Übergangskompensation.

a Bewertungsfaktor, b Absteuerfaktor. 1 Beschleunigungsanreicherung, 2 Verzögerungsabmagerung.

a

b

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Bild 31

-20 0 20 40 60 80 ac Motortemperatur t M

Auf Ansauglufttemperatur bezogener Bewer­tungsfaktor für Übergangskompensation.

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tO

-30 0 30 oc Ansauglufttemperatur tL

Mono­Jetronic

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Benzin­einspritz­systeme

168

Lambda-Regelung Die Lambda-Regelung regelt das Luft­Kraftstoff-Gemisch exakt auf A. = 1 ein. Dazu liefert die im Abgasstrom liegende Lambda-Sonde ständig ein Signal, mit dem das Steuergerät das augenblicklich vorliegende verbrannte Luft-Kraftstoff­Gemisch 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 Dreiwege-Kata­lysator abgestimmt ist (Bild 32).

Lambda-Regelkreis Der mit Hilfe der Lambda-Sonde gebil­dete Regelkreis erkennt und korrigiert Abweichungen vom stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis. Das Regelprin­zip beruht auf dem Messen des Rest­sauerstoffgehalts im Abgas durch die Lambda-Sonde. Der Restsauerstoff­gehalt ist ein Maß für die Zusammen­setzung des dem Motor zugeführten Luft-Kraftstoff-Gemisches. Die Lambda­Sonde als Maßsensor 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 mV) zeigt ein fetteres, eine niedere Sondenspannung (ca. 200 mV) ein magereres Gemisch als A = 1 an. Im Bild 33 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 Wer­ten über 1 ,0 (niedrige Sondenspannung) erfolgt eine Erhöhung, unter 1 ,0 (hohe Sondenspannung) eine Verringerung der Kraftstoffzumessung. Bei einem Span­nungssprung der Lambda-Sonde wird zunächst das Gemisch um einen be-

Lambda-Regelkreis.

1 Kraftstoff, 2 Luft, 3 Einspritzaggregat, 4 Einspritzventil, 5 Motor, 6 Lambda-Sonde, 7 Katalysator, 8 Steuergerät mit Lambda­Regelung, 9 Abgas. U)_ Sondenspannung, Uv Ventilansteuerimpuls.

Bild 32

stimmten 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-Kraftstoff-Gemisch 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 Tale­ranzen nicht gegeben ist, folgt die Lamb­da-Regelung den Abweichungen vom Idealwert und regelt jeden Punkt des Kennfeldes auf A. = 1. Auf diese Weise läßt sich der Kraftstoff so exakt zuteilen, daß in allen Betriebszuständen das Luft­Kraftstoff-Verhältnis optimal ist. Teleran­zen und Veränderungen des Motors spielen dabei keine Rolle. Dieses fort­währende, nahezu verzögerungsfreie Einstellen des Gemisches auf A = 1 ist die Voraussetzung dafür, daß der nach­geschaltete Katalysator die Schadstoffe mit hohem Wirkungsgrad nachbehan­deln kann. Die Lambda-Sonde gibt erst bei Temperaturen über ca. 350 oc ein auswertbares Signal. Bis zum Erreichen dieser Temperatur wird auf eine Rege­lung verzichtet.

Gemischadaption Die Gemischadaption ermöglicht eine selbständige, individuelle Feinanpas­sung der Gemischsteuerung an den je­weiligen Motor. Darüberhinaus wird der Luftdichteeinfluß auf die Gemischsteue­rung zuverlässig kompensiert. Ziel der Gemischadaption ist es, die Einflüsse aufgrund der Taleranzen oder der im Laufe der Zeit auftretenden Veränderung an Motor und Einspritzkomponenten zu berücksichtigen. Dies sind im wesentlichen drei Effekte: - 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 ("Luft­fluß-additiver Einfluß"). - Einflüsse durch individuelle Streuun­gen der Einspritzventil-Verzugszeit ("Ein­spritzzeit-additiver Einfluß"). 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.

Bild 33

Spannungsverlauf des Lambda-Sondensignals.

Verlauf der Sonden­spannung

Lambda­Korrektur­faktor

anleiten t Neutralwert 1 ,0

abmagern t

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). ln einem zweiten Bereich wird deshalb ein zusätzlicher Adaptions­wert ermittelt ("Luftfluß-additiver Wert"). - Änderungen in der abgespritzen Kraft­stoffmenge pro Einspritzimpuls wirken sich bei niedriger Einspritzfrequenz stark aus, deshalb wird in einem dritten Be­reich ein weiterer Adaptionswert be­stimmt ("Einspritzzeit-additiver Wert").

Die Berechnung der "Gemischadap­tionsvariablen" verläuft auf folgende Weise: Die bereits bekannte Lambda-Regler­Stellgröße wird beim Auftreten eines Ge­mischfehlers solange verändert, bis das Gemisch auf A = 1 korrigiert ist. Dabei stellt die Abweichung der Lambda­Regler-Stellgröße vom Neutralwert den wirksamen Gemischkorrekturwert des Lambda-Reglers dar. Für die Gemisch­adaption werden diese Werte der Lambda-Regler-Stellgröße nach jedem Signalsprung mit einem Gewichtungs­taktor bewertet und zur bereichsabhän-

Zeit I -----..

Mono­Jetronic

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Benzin­einspritz­systeme

170

gig 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 34). Die Schritte erfolgen, abhängig von der jeweiligen Last und Drehzahl des Mo­tors, im Zeitraster zwischen 1 s und we­nigen 1 00 ms. Die Adaptionsvariablen werden so schnell aktualisiert, daß Tole­ranz- und Drifteinflüsse auf das Abgas­und Fahrverhalten vollständig kompen­siert werden.

Leerlaufdrehzah I rege I u ng Mit der Leerlaufdrehzahlregelung läßt sich qie Leerlaufdrehzahl absenken und stabilisieren; sie sorgt während der ge­samten Lebensdauer des Fahrzeuges für eine gleichbleibende Motordrehzahl im Leerlauf. Das Mono-Jetronic-System ist wartungsfrei, da im Leerlauf weder Drehzahl noch Gemisch eingestellt wer­den müssen. 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, ein-

Bild34

geschaltete 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. Mit Hilfe der Leerlaufdrehzahlregelung läßt sich die Leerlaufdrehzahl an den Motorbetriebszustand anpassen. ln den meisten Fällen wird eine niedere Leer­laufdrehzahl eingestellt, was entschei­dend zur Verbrauchs- und Abgasreduzie­rung beiträgt.

Im Steuergerät sind zwei motortempera­turabhängige Kennlinien für die Leer­laufdrehzahlgespeichert (Bild 35a): - 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 (Kiimabereitschaft) wird die Leerlaufdrehzahl häufig durch Vorgabe einer Mindestdrehzahl angehoben, um eine ausreichende Kühlleistung sicher-

Zyklischer Wechsel zwischen Gemischadaption und Adaption des Beladungsfaktors.

Lambda­Korrektur­faktor

anleiten t Neutralwert 1,0 1----f-+---lc-----+--+-"""'~----,,_-1------------l

abmagern •

Adaptions­variable

Zeitt-

zustellen (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 Solldrehzahl (ns011 ) die geeig­nete Korrektur der Drosselklappenan­stellung. Die Ansteuerung des Drosselklappen­anstellers erfolgt bei geschlossenem Leerlaufschalter über einen Lage-Regler. Dieser bestimmt das Ansteuersignal für den Drosselklappenansteller durch Diffe­renzbildung aus der berechneten Dros­selklappenwinkelstellung und der über das Drosselklappenpotentiometer 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 35 b). 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 "Getriebestel­lung" (Drive/Neutral), "Kiimabereitschaft" (ja/nein) und "Kiimakompressor" (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 Kennlinie (Bild 35c) die Drosselklappe gerade so weit, daß Be­triebspunkte mit sehr geringer Füllung (unvollständige Verbrennungen) ausge­spart werden.

Bild 35

Leerla ufd rehzah I rege I u ng.

a Solldrehzahlen, b Drosselklappenvorsteuerung, c Unterdruckbegrenzung. 1 Drive, 2 Neutral, 3 Klimabereitschaft V Drosselklappenvorsteuerung.

. -1 m1n

a

12001-----!...

..c

"' ~ 1000 (j)

Ci 800

b

c

Motortemperatur t M

n soll n soll 11 soll 11 soll +400 +1000 +1750 min-1

Drehzahl n

Mono­Jetronic

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Benzin­einspritz­systeme

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Drosselklappenansteller Der Drosselklappenansteller wirkt über seine Stellwelle auf den Drosselklap­penhebel und kann so die dem Motor zur Verfügung gestellte Luftmenge beein­flussen. Er besitzt einen Gleichstrom­motor, der über eine Schnecke und ein Schneckenrad 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. ln der Stell­welle ist ein Schaltkontakt integriert, der beim Anliegen der Stellwelle an dem Drosselklappenhebel geschlossen ist und somit dem Steuergerät den Betriebs­zustand "Leerlauf" anzeigt. Ein Gummirollbalg zwischen Stellwelle und Drosselklappenansteiler-Gehäuse verhindert das Eindringen von Feuch­tigkeit und Schmutz (Bild 36).

Vollastanreicherung 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- Ver­hältnis um etwa 1 0 .. . 15% angefetteten Bild 36

Drosselklappenansteller.

1 Motorgehäuse mit Elektromotor, 2 Schnecke. 3 Schneckenrad, 4 Stellwelle, 5 Leerlaufkontakt, 6 Gummirollbalg.

Gemisch. Die Höhe der Vollastanreiche­rung ist als Faktor abgelegt, mit dem die aus dem Lambda-Kennfeld errechneten Einspritzzeiten multipliziert werden . Die Vollastanreicherung ist wirksam, sobald ein (wenige Grade vor dem Anschlag) festgelegter Drosselklappenwinkel über­schritten ist.

Drehzahlbegrenzung Extrem hohe Drehzahlen können zur Zerstörung des Motors führen (Ventil­trieb, Kolben) . Durch die Drehzahlbe­grenzung wird vermieden, daß eine maximal zulässige Motordrehzahl über­schritten wird. Bei geringem Überschreiten dieser für je­den Motor festlegbaren Drehzahl n0 un­terdrückt das Steuergerät die Einspritz­impulse. 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 (Bild 37).

Der Fahrer bemerkt die Drehzahl­begrenzung durch eine Einbuße im Fahr­komfort und wird dadurch veranlaßt, einen Gangwechsel vorzunehmen.

Bild37

Begrenzen der maximalen Drehzahl 110 durch Unterdrücken der Einspritzimpulse.

a Bereich der Kraftstoffabschaltung.

Zeit/-

Kraftstoffeinspritzung während des Schiebebetriebs.

t Schwelle 1

Schwelle 2

Schwelle 3

Leerlauf­kontakt

Ein­spritzung

geöffnet ~ u. i ~ I ~!11 geschlossen 1-----' 1-~.;..--....JI L_j ~ akt1v 1--------1 1-----------lr------1 inaktiv

Bild 38

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. Dieser Fahr­zustand wird als "Schub" oder "Schiebe­betrieb" bezeichnet. Zur Reduktion der Abgasemission und des Kraftstoffverbrauchs sowie zur Ver­besserung des Fahrverhaltens sind in diesem Betriebszustand mehrere Funk­tionen aktiv:

- Wenn die Motordrehzahl eine festge­legte Schwelle (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 ganz ausgeht (Bild 38). - Mit dem Schließen der Drosselklappe bei höheren Drehzahlen tritt einerseits eine starke Verzögerung des Fahrzeu-

ges durch den geschleppten Motor ein, andererseits steigt der Ausstoß von Kohlenwasserstoffen, weil durch den fallenden Saugrohrdruck der Krattstotfilm verdampft und in Ermangelung von aus­reichender Verbrennungsluft nur unvoll­ständig verbrennen kann. Um diesem Effekt entgegenzuwirken, bewirkt die in Abschnitt "Leerlaufdrehzahlregelung" bereits beschriebene Funktion, daß 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. ln diesem Fall erfolgt eine zeitlich lang­samere Rücknahme des Drossel­klappenwinkels. - Während des Schubs "trocknet" das Saugrohr aus, und der gesamte an den Wänden haftende Krattstotfilm 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 Wand­filmaufbaus wird unmittelbar nach Be­endigung des Schubs ein zusätzlicher Einspritzimpuls ausgegeben, dessen Länge sich nach der Dauer des Schubs richtet.

Mono­Jetronic

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Benzin­einspritz­systeme

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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. Öffnungs­und 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. Je geringer die Bordnetzspannung ist, desto weniger Kraftstoff bekäme der Mo­tor. Aus diesem Grund muß das Absin­ken der Bordnetzspannung durch eine spannungsabhängige Verlängerung der Einspritzzeit, den additiven Ventilkorrek­turwert, ausgeglichen werden (Bild 39a). Das Steuergerät erfaßt die Istspannung und verlängert die Ventilsteuerimpulse um den Betrag der spannungsabhän­gigen Ansprechverzögerung des Ein­spritzventils. Bild 39

Korrektur der Einspritzzeit in Abhängigkeit von der Batteriespannung.

a Spannungskompensation Einspritzventil, b Spannungskompensation Elektrokraftstoff­pumpe: 1 Strömungspumpe, 2 Verdrängerpumpe.

a

b

i ,,~- _\ ~ 1,0 2 ..... ------

1

4 8 12 16 V Batteriespannung U 8

Spannungskompensation Elektrokraftstoffpumpe 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 39 b). 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. Die Grenze für die Höhe des Regenerier­gasstroms ist im allgemeinen dann er­reicht, wenn der in dem Regeneriergas enthaltene Kraftstoff ca. 20% des Kraft­stoffbedarfs des jeweiligen Betriebs­punktes ausmacht. Zur Sicherstellung einer bestimmungs­gemäßen Funktion der Gemischadaption ist es unerläßlich, zyklisch zwischen einem Normalbetrieb, der Gemischad­aption möglich macht, und einem Re­generierbetrieb zu wechseln. Ferner ist es

notwendig, in der Regenarierphase die Höhe der Seladung des Regenariergases mit Kraftstoff zu erfassen und diesen Wert zu adaptieren. Dies erfolgt in gleicher Weise wie bei der Gemischadaption über die Stellung des Lambda-Reglers bezo­gen auf seine Mittellage. Ist die Höhe der Kraftstoffbeladung bekannt, so kann beim Zykluswechsel die Einspritzzeit entspre­chend verlängert bzw. verkürzt werden, so daß auch in diesen Übergangsphasen ein Gemisch von A. = 1 in engen Grenzen eingehalten wird. Zur Festlegung der Höhe des Regene­riergasstroms in Abhängigkeit vom Be­triebszustand des Motors, wie auch zur Adaption des im Regeneriergasstrom an­teilig enthaltenen Kraftstoffs, ist die Kenntnis des Verhältnisses vom Rege­neriergasstrom zum Luftstrom, der über die Drosselklappe zugemessen wird, er­forderlich . Die beiden Teilströme ver­halten sich nahezu proportional zu ihren freien Querschnittsflächen. Während sich die von der Drosselklappe freigegebene Querschnittsfläche über den Drosselklappenwinkel ermitteln läßt, verändert sich die Querschnittsfläche des Taktventils mit dem anliegenden Differenzdruck. Bild 40

Regeneriervenlll.

1 Schlauchanschluß, 2 Rückschlagventil, 3 Blattfeder, 4 Dichtelement, 5 Magnetanker, 6 Dichtsitz, 7 Magnetwicklung.

~ "----- 2

"---- 3

Die Höhe des am Taktventil anliegenden Differenzdruckes ist abhängig vom Be­triebspunkt des Motors und kann aus den im Lambda-Kennfeld gespeicherten Ein­spritzzeiten abgeleitet werden. Für jeden durch den Drosselklappen­winkel und die Drehzahl vorgegebenen Betriebspunkt läßt sich das Verhältnis des Regeneriergasstromes zum Luft­strom errechnen. Durch Takten des Steuerventils kann der Regenarier­gasstrom weiter reduziert werden und läßt sich so exakt auf das gewünschte und zur Sicherstellung eines akzeptablen Fahrverhaltens zulässige Verhältnis einstellen.

Regenarierventil Die Durchflußcharakteristik des Rege­nerierventils ermöglicht bei relativ klei­nen Differenzdrücken (vollastnaher Be­trieb) einen großen Regenerierstrom und bei großen Druckdifferenzen (Leerlauf­betrieb) einen geringen Regenerier­strom. Bei getaktetem Betrieb lassen sich durch Erhöhen des Tastverhältnis­ses die Durchflußwerte weiter senken. Das Gehäuse des Regenarierventils be­sitzt zwei Schlauchanschlüsse zur Ver­bindung mit dem Aktivkohlebehälter bzw. mit dem Saugrohr (Bild 40). ln angesteuertem Zustand zieht die Spule den Anker an, wobei das Dicht­element (Gummidichtung) des Ankers auf dem Dichtsitz anliegt und den Auslaß des Regenarierventils schließt. Der An­ker ist auf einer einseitig fest einge­spannten dünnen Blattfeder befestigt, die bei stromloser Spule den Anker mit dem Dichtelement vom Dichtsitz abhebt und den Durchflußquerschnitt freigibt. Bei steigendem Differenzdruck zwischen Ein- und Auslaß des Regenarierventils lenkt die Blattfeder wegen der auf sie einwirkenden Kräfte in Strömungsrich­tung aus, wodurch sich das Dichtelement dem Dichtsitz nähert und so den wirk­samen Durchflußquerschnitt verkleinert. Ein Rückschlagventil im Einlaßbereich verhindert, daß bei abgestelltem Motor Kraftstoffdämpfe aus dem Aktivkohle­behälter in das Saugrohr gelangen können.

Mono­Jefranie

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Benzin­einspritz­systeme

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Notlauf und Diagnose Überwachungsfunktionen im Steuer­gerät überprüfen laufend die Signale aller Sensoren auf deren Plausibilität. Verläßt ein Signal seinen vorgegebenen, plausiblen Bereich, so muß ein defekter Sensor oder aber ein Fehler in dessen elektrischen Anschlüssen vorliegen. Damit das Fahrzeug beim Ausfall eines Sensorsignales nicht liegenbleibt, son­dern mit eigener Kraft - wenn auch mit Abstrichen am Fahrkomfort - sicher die nächste Fachwerkstatt erreichen kann, muß anstelle des fehlenden bzw. nicht plausiblen Signals eine Ersatzgröße treten. Beim Ausfall der Temperatursignale wer­den z. B. Temperaturen angenommen, wie sie beim betriebswarmen Motor vor­liegen: für die Ansaugluft 20 oc und 100 oc für die Kühlmitteltemperatur. Ein

Bild 41

Einspritzaggregat (Schnitt).

Fehler im Lambda-Sondenkreis führt zum Sperren der Lambda-Regelung, d. h. die Einspritzzeiten aus dem Lambda-Kennfeld werden nur noch mit den eventuell vorhandenen Gemisch­adaptionswerten korrigiert. Liegen nicht plausible Signale des Dros­selklappenpotentiometers vor, so fehlt eine der beiden Hauptsteuergrößen, d. h. es besteht kein Zugriff mehr auf die im Lambda-Kennfeld abgelegten Einspritz­zeiten. Bei diesem Fehlerfall wird das Einspritzventil mit Impulsen fester Länge angesteuert, wobei drehzahlabhängig zwischen zwei definierten Einspritzzeiten umgeschaltet wird. Neben den Sensoren unterliegt auch das Stellglied der Leerlaufdrehzahlregelung, der Drosselklappenansteller, einer stän­digen Überprüfung.

1 Druckregler, 2 Lufttemperatursensor, 3 Einspritzventil , 4 Oberteil (Hydraulikteil), 5 Kraftstotfzulaufkanal , 6 Kraftstotfrücklaufkanal, 7 wärmeisolierende Zwischen platte, 8 Drosselklappe, 9 Unterteil.

3 2 4

Fehlerspeicher Wird der Ausfall eines Sensors oder des Drosselklappenanstellers erkannt, so er­folgt ein entsprechender Eintrag in den "Diagnose-Fehlerspeicher". Dieser Ein­trag bleibt über mehrere Betriebszyklen erhalten, so daß die Werkstatt in der Lage ist, auch einen nur sporadisch auf­tretenden Fehler, z. B. einen Wackel­kontakt, zu lokalisieren.

Diagnoseanschluß Nach einer Diagnoseeinleitung kann der Inhalt des Fehlerspeichers in Form eines Blinkcodes oder aber mit Hilfe eines Dia­gnose-Testers in der Fachwerkstatt aus­gelesen werden. Sobald die Ursachen eines Fehlers beseitigt sind, nimmt das Mono-Jetronic-System wieder seinen Normalbetrieb auf.

Bild 42

Einspritzaggregat (Ansicht mit Teilschnitt).

Einspritzaggregat

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 (Bilder 41 und 42) .

Unterteil Das Unterteil des Einspritzaggregats um­faßt die Drosselklappe mit dem Drossel­klappenpotentiometer zum Messen des Drosselklappenwinkels. Auf einer am

1 Einspritzventil, 2 Lufttemperatursensor, 3 Drosselklappe, 4 Kraftstoffdruckregler, 5 Kraftstoffrücklauf, 6 Kraftstoffzulauf, 7 Drosselklappenpotentiometer (auf verlängerter Drosselklappenwelle, nicht sichtbar) , 8 Drosselklappenansteller.

Mono­Jetronic

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Benzin­einspritz­systeme

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Unterteil angebrachten Konsole befindet Stromversorgung sich der Drosselklappenansteller als Stellglied der Leerlaufdrehzahlregelung. Batterie

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 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 zuviel 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 ZumeB­bereich 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, so daß der zuviel 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.

Die Batterie versorgt das gesamte Bord­netz mit elektrischer Energie.

Zünd-Start-Schalter Der Zünd-Start-Schalter ist ein Mehr­zweckschalter. Mit ihm wird zentral der Strom für den Großteil des Bordnetzes einschließlich Zündung und Benzinein­spritzung eingeschaltet und das Starten vorgenommen.

Relais Das Relais wird vom Zünd-Start-Schalter gesteuert und schaltet die Bordnetz­spannung zum Steuergerät und den an­deren Komponenten.

Elektrische Schaltung Das 25polige Steuergerät ist über den Kabelbaum sowohl mit allen Kompo­nenten der Mono-Jetronic als auch mit dem Bordnetz des Fahrzeugs verbunden (Bild 43). Das Steuergerät wird über zwei An­schlüsse mit der Bordspannung des Fahrzeugs versorgt: - Über den einen Spannungsanschluß ist das Steuergerät ständig mit dem Pluspol der Batterie (Klemme 30) ver­bunden. Diese permanente Spannungs­versorgung des Steuergerätes dient da­zu, den Inhalt von Speicherzellen (Adap­tionswerte, Diagnose-Fehlerspeicher) auch über die Abstellphasen des Fahr­zeugs hinweg zu erhalten. - Beim Einschalten der Zündung wird das Steuergerät über den zweiten An­schluß mit Spannung versorgt. Um Spannungsspitzen z. B. durch die Induk­tivität der Zündspule zu vermeiden, kann es notwendig sein, die Spannungs­versorgung des Steuergerätes nicht di­rekt über die Klemme 15 des Zünd-Start­Schalters, sondern über ein von der Klemme 15 angesteuertes Relais (Hauptrelais) vorzunehmen.

Masseversorgung des Steuergerätes Auch die Versorgung des Steuergerätes mit der Fahrzeugmasse erfolgt über zwei getrennte Leitungen: - Zur korrekten Erfassung der Sensor­signale (Lambda-Sonde, Potentiometer, NTC-Sensoren) benötigt die Steuer­geräte-Elektronik einen separaten Masseanschluß. - Über den zweiten Masseanschluß fließen die hohen Endstufenströme zur Ansteuerung der Stellglieder.

Lambda-Sonden-Anschluß Zum Schutz gegen Einkoppelungen von Spannungsspitzen auf die Lambda­Sonden-Leitung ist diese Leitung im

Bild43

Schaltplan der Mono-Jetronic.

Kabelbaum durch eine Drahtgeflecht­Ummantelung abgeschirmt.

Kraftstoffpumpen-Sicherheitsschaltung Um auszuschließen, daß die Kraftstoff­pumpe z. B. nach einem Unfall beim Stili­stand des Motors weiterhin Kraftstoff fördert, wird das Kraftstoffpumpenrelais direkt vom Steuergerät angesteuert. Die Kraftstoffpumpe wird beim Einschalten der Zündung sowie bei jedem Zünd­impuls für ca. eine Sekunde aktiviert (dynamische Pumpenansteuerung). Kommt der Motor bei eingeschalteter Zündung zum Stillstand, fällt das Kraft­stoffpumpenrelais ab und unterbricht die Stromversorgung der Kraftstoffpumpe.

81 Lufttemperatursensor, 82 Lambda-Sonde (beheizt), 83 Motortemperatursensor, 84 Drosselklappenpotentiometer, F1, F2 Sicherungen, K1 Pumpenrelais, H1 Diagnoselampe und Testeranschluß, K1 Pumpenrelais, K2 Hauptrelais, Kl.tfTD Drehzahlinformation, R1 Vorwiderstand, S1 Klimabereitschaft, S2 Klimakompressor, S3 Getriebeschalter, W1 Iv-Codierung, W2 Pumpencodierung, X1 Steuergerät, Y1 Regenerierventil, Y2 Elektrokraftstoffpumpe, V3 Einspritzventil, Y4 Drosselklappenansteller mit Leerlaufschalter.

30--~------~-------------------r--------------------------30

15 15

K1.1 ID a M M ~ g

6 10 11 15 16 23 24 8 7 18

II II II II II

F1 F2 II BA BA II

~--~I ' M C:.' 1_-_1 I

Y2 R1 Y3 81 82 83 Y4 84

31 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 31

Mono­Jetronic

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Benzin­einspritz­systeme

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Werkstattprüftechnik

Bosch-Kundendienst Die Qualität eines Produkts wird auch an der Qualität des Kundendienstes ge­messen. Mehr als 1 0 000 8oseh-Kun­dendienststellen in 125 Ländern sind für den Autofahrer da - neutral und ohne Bindung an eine Fahrzeugmarke. Selbst in dünn besiedelten Ländern Afrikas und Südamerikas kann man mit schneller Hilfe rechnen. Und auch hier gibt es die selben Qualitätsstandards wie in Deutschland. Da versteht es sich von selbst, daß die Garantie auf Kunden­dienstleistungen weltweit gilt. Bosch-Aggregate und -Systeme sind mit ihren Kenndaten und Leistungswerten exakt auf das jeweilige Fahrzeug und den zum Fahrzeug gehörigen Motor ab­gestimmt. Um die notwendigen Prüfun­gen durchführen zu können, entwickelt Bosch jeweils die entsprechende Meß­technik, die Prüfgeräte und Spezial­werkzeuge und rüstet die Kundendienst­stellen damit aus.

Bild 44

Prüftechnik für Mono-Jetronic Das Benzineinspritzsystem Mono-Jetro­nic erfordert, abgesehen vom periodi­schen Wechseln des Luft- und des Kratt­stotfilters nach Vorschrift des Fahr­zeugherstellers, keine Wartungsarbeiten. Bei Störungen des Systems stehen dem Fachmann im wesentlichen folgende Prüfgeräte zusammen mit den notwen­digen Prüfwerten zur Verfügung: - Universai-Prüfadapter, System-

adapterleitung und Vielfachmeßgerät bzw. Motortester,

- Jetronic-Set (Hydraulikkoffer mit Druckme ßvorrichtu ng),

- Lambda-Regelungstester und - Pocket-System-Diagnosetester

KTS 300 bzw. Auswertgerät für Blink­code KDAW 9975 oder KDAW 9980.

Universai-Prüfadapter, System­adapterleitung und Vielfachmeßgerät bzw. Motortester Der Universai-Prüfadapter (Bild 44) wur­de speziell zur Prüfung elektronischer Benzineinspritzsysteme, wie fast alle Jetronic-Systeme und verschiedene

Prüfanordung mit Universai-Prüfadapter, Systemadapterleitung und Vielfachmeßgerät. a Prüfanordnung mit Systemtester KTS 300, b Prüfanordnung mit Universai-Prüfadapter. 1 Systemtester KTS 300. 2 Diagnosestecker am Fahrzeug, 3 elektronisches Steuergerät, 4 Diagnose­adapterleitung für KTS 300, 5 Systemkabelbaum, 6 Universai-Prüfadapter, 7 Mehrfachstufenschalter, 8 Steckverbindung, 9 Systemadapterleitung, 10 Meßleitungen, 11 Vielfachmeßgerät

a s _____ _ b s _____ .....

3

11

DD' 00~'~

7 v© 6 Q©

• • • • • • 10

Motronic-Systeme, entwickelt. Mit die­sem Prüfadapter können alle wichtigen Komponenten und Größen der Mono­Jetronic geprüft werden, die für einen optimalen Motorlauf notwendig sind. Hierzu zählen beispielsweise: - Drosselklappenpotentiometer

(Lasterfassung), - Drosselklappenansteller, - Einspritzventil, - Signal von der Zündspule

(Einspritzauslösung), - Motortemperatursensor, - Temperatursensor für die Ansaugluft, - Elektrokraftstoffpumpe, - Lambda-Sonde und - TankentlüftungsventiL Mit der Systemadapterleitung wird der Universai-Prüfadapter am Kabelbaum­stecker des Steuergerätes angeschlossen. Über zwei Mehrfachstufenschalter kön­nen damit einfach und schnell die ver­schiedenen Leitungen zu den Kompo­nenten angewählt und über das Viel­fachmeßgerät bzw. den Motortester Widerstände und Spannungen gemes­sen werden.

Jetronic-Set Mit der Druckmeßvorrichtung des Je­tronic-Sets läßt sich der Systemdruck im Kraftstoff messen. Die Messung des Kraftstoffdrucks liefert eine Aussage zu folgenden Meßgrößen und Eigenschaften: - Leistung der Elektrokraftstoffpumpe, - Durchlässigkeit des Kraftstoffilters, - Durchlässigkeit der Rücklaufleitung, - Funktion des Druckreglers und - Dichtheit des gesamten Kraftstoff-

systems, wobei dies besonders wich­tig für das Kalt- und Warmstartver­halten ist.

Lambda-Regelungstester Der Lambda-Regelungstester wird zum Prüfen des Lambda-Sondensignals (und zur Simulation des Signals "fett/mager") eingesetzt. Für den Anschluß an die Sondenleitung der verschiedenen Fahr­zeugmodelle gibt es spezielle Adapter­leitungen. Die Meßwerte werden analog angezeigt.

Diagnosetester bzw. Auswertgeräte Das Steuergerät der Mono-Jetronic ist in digitaler Schaltungstechnik ausgeführt. Es umfaßt eine Eigendiagnose mit Feh­lerspeicher. Mit geeigneten Auswert­geräten für die Eigendiagnose kann der Fehlerspeicher ausgelesen werden. Nachstehende Testgeräte für die Eigen­diagnose sind hierzu im Handel:

Pocket-System-Diagnosetester KTS 300. Der KTS 300 kann einen oder mehrere Fehler im System in Form eines entspre­chenden Fehlercodes in Verbindung mit einem Text anzeigen, der Auskunft über fehlerhafte Komponenten bzw. deren Leitungen und Stecker gibt.

Auswertgerät für Blinkcode KDAW 9975 oder KDAW 9980. Das Steuergerät ist für eine Eigen­diagnose über Blinkcode ausgelegt. Hierbei werden die Fehler in Form von Blinkimpulsen ausgelesen. Bei einigen Fahrzeugen besteht die Möglichkeit, den Blinkcode direkt über die Kontrolleuchte im Instrumentenfeld des Fahrzeugs aus­zulesen.

Wichtig: Bei der Mono-Jetronic können beim gleichen Fahrzeug nicht wahlweise beide Diagnosemethoden angewandt werden. Welche Diagnosemethode an­gewendet werden kann, legen die Fahr­zeughersteiler fest. Wenn das Steuergerät für Eigendia­gnose über Blinkcode ausgelegt ist, ist das Auslesen des Fehlerspeichers mit einem Eigendiagnosetester wie dem KTS 300 nicht möglich.

Prüftechnik für Mono-Motronic Das Motorsteuerungssystem Mono­Metronie ist eine Weiterentwicklung der Mono-Jetronic. Es vereinigt die beiden Teilsysteme Einspritzung und Zündung. Dieses integrierte System hat wie die Mono-Jetronic ein elektronisches Steu­ergerät. Die Systemprüfung wird mit dem KTS 300 durchgeführt. Bei einigen älte­ren Mono-Metronie Systemen kann alter­nativ der Fehlerspeicher auch mit Blink­code ausgelesen werden.

Mono­Jefranie Werkstatt­prüftechnik

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Motronic

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Motormanagement Mono-Motronic

Systemübersicht Das Motormanagement Mono-Metronie ist ein Niederdruck-Zentraleinspritzsy­stem (Teilsystem Einspritzung) mit inte­grierter elektronischer Kennfeldzündung (Teilsystem Zündung). Damit ist es mög­lich, die Kraftstoffzumessung und die Zündungssteuerung gemeinsam zu opti­mieren. Kern der Mono-Metronie ist das elektro­nische Steuergerät mit einem hoch­leistungsfähigen Mikrocomputer, der zusätzlich zur Einspritzung die für die elektronische Zündverstellung erforder­lichen Funktionen verarbeitet. Der Auf­wand für das Steuergerät ist geringer als bei getrennten Systemen für Zündung und Einspritzung, da beispielsweise die Spannungsversorgung und das Gehäu­se nur einmal benötigt werden. Daraus resultieren eine höhere Zuverlässigkeit des Gesamtsystems Einspritzung/Zün­dung sowie ein günstigeres Kosten-Nut­zen-Verhältnis.

Die Nutzung der Sensorsignale durch das Steuergerät zur Steuerung von Ein­spritz- und Zündungsfunktionen führt u. a. zu folgenden Vorteilen der Mono­Motronic: - Verbrauchsgünstige Anpassung im Warmlauf durch exakt dosierte Kraft­stoffmenge und temperaturabhängig an­gepaßte ZündwinkeL - Verbrauchsminimierung bei günsti­gem Abgasverhalten durch genaue Zündwinkelanpassung im gesamten Kennfeld und unter allen Betriebsbe­dingungen. - Leerlaufstabilisierung durch eine dy­namische Beeinflussung des Zünd­winkels. - Erhöhung des Fahrkomforts durch Zündwinkeleingriff beim Beschleunigen und Verzögern. - Zündwinkeleingriff für sanfte Schalt­vorgänge bei Fahrzeugen mit Automa­tikgetriebe.

Teilsystem Einspritzung

Die intermittierende elektronisch ge­steuerte Zentraleinspritzung basiert auf der bewährten Mono-Jetronic. Sie ist um Funktionen erweitert, die dem Fahr­komfort dienen und einen weiter ver­besserten Notlauf bei Sensorausfall er­möglichen. Die Elektrokraftstoffpumpe fördert den Kraftstoff vom Kraftstoffbehälter über ein Feinfilter zum Einspritzaggregat, das di­rekt auf dem Saugrohr montiert ist. Im Hydraulikteil des Einspritzaggregats be­finden sich der Kraftstoffdruckregler und das elektromagnetische Einspritzventil, das einen fein aufbereiteten Kraftstoff­strahl oberhalb der Drosselklappe ein­spritzt. Das Steuergerät berechnet die Kraft­stoffgrundmenge aus dem Drosselklap­penwinkel und dem DrehzahlsignaL Betriebsbedingungen wie Kalt- und Nachstart, Warmlauf, Vollast und Schie­bebetrieb sowie die Drehzahlbegren­zung werden durch Kraftstoffanreiche­rung oder -reduzierung berücksichtigt. Auch die Dämpfe aus dem Kraftstoff­behälter werden durch Regenerierung ei­nes Aktivkohlebehälters dem laufenden Motor zugeführt.

Teilsystem Zündung Anstelle der mechanischen Fliehkraft­und Unterdruckverstellung im Zünd­verteiler tritt ein im Steuergerät elektro­nisch gespeichertes Zündkennfeld. Darin sind die Zündwinkel über Last und Dreh­zahl des Motors gespeichert. Zusätzlich kann der Zündwinkel in Abhängigkeit von Motor- und Ansauglufttemperatur sowie Drosselklappenstellung und Drossel­klappen-Winkelgeschwindigkeit beein­flußt werden.

Rotierende Spannungsverteilung Bei einem System mit rotierender Ver­teilung der Hochspannung enthält der Zündverteiler nur noch die Hall-Aus­lösung für die Drehzahlerfassung sowie den eigentlichen Hochspannungsvertei­ler. Die Funktionen der drehzahlab-

hängigen und lastabhängigen Zündwin­kelverstellung und der Schließwinkel­steuerung übernimmt das Steuergerät, das die externe Endstufe der Zündung ansteuert. Die Zuordnung des Zündfun­kens zum jeweils richtigen Zylinder ist durch den Hochspannungsverteiler ge­währleistet.

Ruhende Spannungsverteilung Das System mit Vollelektronischer Zün­dung (Bild 1) benötigt keinen mecha­nisch angetriebenen Hochspannungs­verteiler. Das Steuergerät führt die Pri­märspannung den Zündspulen zu, die die Hochspannung erzeugen und direkt an die Zündkerzen der zugeordneten Zylinder weiterleiten. Ein 4-Zylinder­Motor verfügt zum Beispiel über zwei Zweifunken-Zündspulen, die über exter­ne Leistungsendstufen vom Steuergerät angesteuert werden. Ein Drehzahlsensor nimmt die Drehzahlinformation sowie ein Bezugsmarkensignal für Zylinder 1 bzw. 4 an einem Geberrad ab, das an der Kur­belwelle befestigt ist. Bild 1

Systembild Mono-Motronic.

Klopfregelung Die Mono-Motronic kann auch mit einer Klopfregelung ausgestattet sein, die ab­hängig vom Signal des Klopfsensors am Motorblock den Zündwinkel für die optimale Ausnutzung der zur Verfügung stehenden Kraftstoffqualität regelt. Hier­durch wird eine Absenkung des Kraft­stoffverbrauchs bei gleichzeitiger Sicher­heit gegen Klopfschäden erreicht.

Diagnose Das Steuergerät überprüft ständig alle für einen ordnungsgemäßen Betrieb er­forderlichen Signale und speichert die Fehlerart, sobald eine Größe ihren defi­nierten Bereich verläßt. Mit einem Dia­gnosetester kann der Fehlerspeicher bei der Inspektion ausgelesen werden .

Zusatzfunktionen Abgasrückführung und Sekundärluftein­blasung sind weitere Möglichkeiten zur Reduzierung der Schadstoffemissionen.

1 Einspritzventil, 2 Lufttemperatursensor, 3 Kraftstoffdruckregler, 4 Zündspule, 5 Regenerierventil, 6 Drosselklappenansteller, 7 Aktivkohlebehälter, 8 Drucksteller, 9 Drosselklappenpotentiometer, 10 Steuergerät, 11 Kraftstoffilter, 12 Abgasrückführventil, 13 Klopfsensor, 14 Drehzahlsensor, 15 Motortemperatursensor, 16 Lambda-Sonde, 17 Elektrokraftstoffpumpe.

Mono­Motronic

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Zündsysteme

184

Zündsysteme

Zündung im Ottomotor

Die Ausführung des Zündsystems im Ottomotor richtet sich nach der Art der Zündauslösung, der Zündwinkelverstel­lung sowie nach der Art der Verteilung und Übertragung der Hochspannung. Die Systematik ist in Tabelle 1 darge­stellt.

Zündzeitpunkt Der Zündzeitpunkt hängt wesentlich von den Größen "Drehzahl" und "Last" ab. Die Abhängigkeit von der Drehzahl rührt daher, daß die Durchbrennzeit des Ge­misches bei konstanter Füllung und gleichbleibendem Luft-Kraftstoff-Verhält­nis konstant ist und deswegen mit stei­gender Drehzahl immer früher gezündet werden muß. Die Abhängigkeit von der Last wird durch die Abmagerung bei niedrigen Lasten, den Restgasanteil und Tabelle 1

Definition der Zündanlage.

die geringere Füllung des Zylinders be­einflußt. Dieser Einfluß bewirkt einen größeren Zündverzug und niedrigere Brenngeschwindigkeiten im Gemisch, so daß der Zündwinkel nach "früh" verstellt werden muß (Bild 1 ).

Zündverstellung Das Verhalten der Zündung in Abhän­gigkeit von der Drehzahl und der Last ist in der Verstellfunktion eingearbeitet. Im einfachsten Falle besteht die Verstell­funktion aus einem Fliehkraftversteller und einer Unterdruckdose. Der Unter­druck ist in weiten Bereichen ein Maß für die Last des Motors. Bei elektronischen Zündsystemen wer­den außerdem weitere Einflüsse des Mo­tors mit berücksichtigt, wie z. B. Tempe­ratur oder Änderungen der Gemisch­zusammensetzung. Die Werte aller Verstellfunktionen werden mechanisch oder elektronisch miteinander verknüpft,

ln einem Zündsystem sind folgende Mindestaufgaben zu erfüllen:

Aufgabe Zündsystem

sz TZ EZ vz

Spulen- Transistor- Elektronische Vollelektroni-zündung zündung Zündung sehe Zündung

Zündauslösung (Geber) mechanisch elektronisch elektronisch elektronisch

Zündwinkelbestimmung mechanisch mechanisch elektronisch elektronisch aus Drehzahl und Last-zustand des Motors

Hochspannungs- induktiv induktiv induktiv induktiv erzeugung

Verteilung und Über- mechanisch mechanisch mechanisch elektronisch tragung des Zündfunkens in den richtigen Zylinder

Leistungsteil mechanisch elektronisch elektronisch elektronisch

um daraus den Zündzeitpunkt zu bestim­men. Vor dem eigentlichen Zündzeit­punkt muß der Energiespeicher rechtzei­tig aufgeladen werden. Dazu ist im Zünd­system die Bildung einer Schließzeit bzw. eines Schließwinkels nötig. Die Energie wird im allgemeinen in einem induktiven Speicher, in seltenen Fällen in einem kapazitiven Speicher gespeichert. Die Hochspannung entsteht durch Ab­schaltung der Primärinduktivität von der Versorgung und Transformation. Die Hochspannung wird auf den Zylinder ge­führt, der sich gerade im Arbeitstakt be­findet. Die dafür erforderliche Lageinfor­mation von der Kurbelwelle ist bei Ver­wendung eines Zündverteilers durch die mechanische Fixierung über den Zünd­verteilerantrieb gegeben. Bei ruhender Spannungsverteilung ist dazu ein elektri­sches Signal von der Kurbelwelle oder der Nockenwelle nötig. Die Verbin­dungsmittel (Stecker und Hochspan­nungsleitung) übertragen die Hoch­spannung auf die Zündkerze. Die Zünd­kerze muß über alle Betriebsbereiche des Motors hinweg zuverlässig funk­tionieren, damit immer eine Gemisch­entflammung sichergestellt ist.

Zündspannung Die Luftzahl 'A und der durch Füllung und Kompression bestimmte Zylinderdruck

Bild 1

Druckverlauf im Brennraum bei verschiedenen Zündzeitpunkten.

1 Zündung Za im richtigen Zündzeitpunkt, 2 Zündung Zb zu früh (klopfende Verbrennung), 3 Zündung Zc zu spät. barr-----~------,

60

E :::1

~40 c ~ al

.5 ~ 20 Cl

25° 00 -25° -500 -75° Zündwinkel az

haben zusammen mit dem Elektroden­abstand der Zündkerze einen bestim­menden Einfluß auf den Spannungs­bedarf und damit auf das erforderliche Spannungsangebotder Zündung.

GemischentflammunQ Zündenergie Zum Entflammen eines Luft-Kraftstoff­Gemisches durch elektrische Funken ist pro Einzelzündung eine Energie von etwa 0,2 mJ erforderlich, sofern das Ge­misch (ruhend, homogen) stöchiome­trisch zusammengesetzt ist. Fette und magere Gemische (turbulent) benötigen über 3 mJ. Diese Energie ist nur ein Bruchteil der im Zündfunken steckenden Gesamtenergie, der Zündenergie. Steht zu wenig Zündenergie zur Verfü­gung, kommt die Zündung nicht zu­stande; das Gemisch kann nicht entflam­men, und es gibt Verbrennungsaus­setzer. Aus diesem Grund muß soviel Zündenergie bereitgestellt werden, daß selbst unter ungünstigen äußeren Be­dingungen das Luft-Kraftstoff-Gemisch mit Sicherheit entflammt. Dabei kann es ausreichen, wenn eine kleine zündfähige Gemischwolke am Funken vorbei­streicht. Die Gemischwolke entflammt, entzündet das übrige Gemisch im Zylin­der und leitet so die Kraftstoffverbren­nung ein.

Einflüsse auf Zündeigenschaft Gute Aufbereitung und leichter Zutritt des Gemisches zum Zündfunken verbessert die Zündeigenschaft ebenso wie lange Funkendauer und große Funkenlänge bzw. großer Elektrodenabstand. ln ähnli­cher Weise günstig wirkt sich starke Ge­mischturbulenz aus, vorausgesetzt, daß genügend Energie zur Verfügung steht. Funkenlage und Funkenlänge sind durch die Abmessungen der Zündkerze gege­ben, die Funkendauer durch Art und Aus­legung der Zündanlage sowie durch die augenblicklichen Zündverhältnisse. Die Funkenlage und die Gemischzugänglich­keit der Zündkerze beeinflussen beson­ders im Leerlaufbereich das Abgas. Bei mageren Gemischen sind eine be-

Zündung im Ottomotor

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Zündsysteme

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sonders hohe Zündenergie und eine lange Funkendauer günstig. Dies zeigt sich am Beispiel des Leerlaufes eines Motors. Im Leerlauf kann das Gemisch sehr inhomogen sein. Ventilüberschnei­dungen führen zu einem hohen Rest­gasanteiL Der Vergleich zwischen einer normalen kontaktgesteuerten Spulenzündung und einer Transistorzündung macht deutlich, daß der Funken der Transistorzündung die HG-Emission deutlich verringert und stabilisiert. Gleichzeitig stabilisiert sich auch der Rundlauf des Motors. Auch die Versehrnutzung 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 Zündkerzen-Nebenschluß ab. Dies führt zu einer Verkürzung der Funkendauer mit Auswirkung auf das Abgas und im Grenzfall {bei stark verschmutzten oder nassen Zündkerzen) zu völligen Zünd­aussetzern. Eine gewisse Rate von Zündaussetzern wird normalerweise vom Fahrer nicht bemerkt, führt aber zu einem höheren Kraftstoffverbrauch und kann den Katalysator schädigen.

Schadstoffemission Der Zündwinkel a, bzw. der Zündzeit­punkt hat einen wichtigen Einfluß auf die Abgaswerte, das Drehmoment und den Kraftstoffverbrauch des Ottomotors. Die wichtigsten Schadstoffe im Abgas sind die unverbrannten Kohlenwasserstoffe (HC), die Stickoxide (NOx) und das Koh­lenmonoxid (CO). Mit steigender Frühzündung nimmt die Emission unverbrannter Kohlenwasser­stoffe zu. Die NOx-Emission nimmt mit steigender Frühzündung im gesamten Bereich des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses zu. Ursache dafür ist die höhere Brennraumtempe­ratur bei früherem Zündzeitpunkt Die CO-Emission ist vom Zündzeitpunkt nahezu unabhängig und fast ausschließ­lich eine Funktion des Luft-Kraftstoff-Ver­hältnisses.

Kraftstoffverbrauch

Der Einfluß des Zündzeitpunktes auf den Kraftstoffverbrauch läuft dem Einfluß auf die Schadstoffemission entgegen. Mit steigender Luftzahl 'A muß zum Aus­gleich der geringeren Verbrennungs­geschwindigkeit immer früher gezündet werden, damit der Verbrennungsablauf optimal bleibt. Früherer Zündzeitpunkt bedeutet daher geringeren Kraftstoffver­brauch und höheres Drehmoment, aber nur bei entsprechender Gemischände­rung.

Klopfneigung Ein weiterer wichtiger Zusammenhang besteht zwischen Zündzeitpunkt und Klopfneigung. Das zeigt sich an der Aus­wirkung eines zu frühen und zu späten Zündwinkels (im Vergleich zum richtigen Zündwinkel) auf den Druck im Brenn­raum (Bild 1 ). Liegt der Zündwinkel zu früh, entzündet sich durch die Druckwelle der Entflammung zusätzlich Gemisch an verschiedenen Stellen des Brennraums. Dadurch brennt das Gemisch ungleich­mäßig durch, und es kommt zu starken Druckschwankungen mit hohen Spitzen im Verbrennungsdruck. Diesen Effekt, Klopfen oder Klingeln genannt, kann man bei niedrigen Drehzahlen deutlich hören. Bei hohen Drehzahlen wird das Geräusch vom Motorlärm übertönt. Aber gerade in diesem Bereich kann das Klop­fen zu Schäden am Motor führen und muß deshalb durch die Optimierung zwi­schen geeignetem Kraftstoff und Zünd­zeitpunkt vermieden werden.

Konventionelle Spulenzündung SZ Die konventionelle Spulenzündanlage ist kontaktgesteuert Das bedeutet, daß der Strom, der durch die Zündspule fließt, über einen Kontakt im Zündverteiler (Zündunterbrecher) mechanisch ein- und ausgeschaltet wird. Die kontaktgesteuerte Spulenzündung ist die einfachste Version einer Zündung, in der alle Funktionen verwirklicht sind. Neben dem Zündverteiler gibt es eine ganze Anzahl weiterer Komponenten, die in Tabelle 2 mit ihren Funktionen auf­geführt sind.

Funktionsprinzip Synchronisation und Verteilung Die Synchronisation mit der Kurbelwelle und damit mit der Position der Kolben in den einzelnen Zylindern ist durch die me­chanische Kopplung des Zündverteilers an der Nockenwelle oder an einer ande­ren gegenüber der Kurbelwelle in der Drehzahl mit 2:1 untersetzten Welle si­chergestellt. Deshalb führt auch ein Verdrehen des Zündverteilers zu einer Verschiebung des Zündzeitpunkts bzw. ermöglicht eine Veränderung im Zünd­verteiler die Einstellung eines vorge­schriebenen Zündzeitpunkts. Der mechanische, ebenfalls fest an den oberen Teil der Zündverteilerwelle ge­koppelte Verteilerfinger sorgt in Verbin­dung mit der Zuführung der Hochspan­nungsleitungen zu den einzelnen Zünd­kerzen für die richtige Verteilung der Hochspannung.

Ablauf der Zündung Im Betriebsfall liegt die Spannung der Batterie (1) am Zünd-Start-Schalter (2) und damit an Klemme 15 der Zündspule (3) an (Bilder 1 und 2). Bei geschlos­senem Zündunterbrecher (6) fließt der Strom über die Primärwicklung der Zünd­spule gegen Masse. Dadurch wird in der Zündspule ein Magnetfeld aufgebaut, in­dem die Zündenergie gespeichert wird. Der Stromanstieg folgt aufgrund der

Induktivität und des Primärwiderstandes der Primärwicklung einer Exponential­funktion. Die Aufladezeit wird durch den Schließwinkel bestimmt. Der Schließ­winkel wiederum wird durch die Aus­führung des Nockens, der über das Gleit­stück den Zündunterbrecher betätigt, vorgegeben. Am Ende der Schließzeit öffnet der Zündverteilernocken den Zündkontakt und unterbricht damit den Spulenstrom.

Tabelle 2. Komponenten der konventionellen Spulenzündung. Spulenzündanlagen setzen sich aus ver­schiedenen Bauteilen zusammen, deren Konstruktion und leistungsgemäße Aus­legung wesentlich vom betreffenden Motor abhängen. Bauteile Funktion

Zündspule speichert die Zündenergie und gibt sie in Form eines Hoch­spannungsimpulses über Zünd­leitungen weiter.

Zünd-Start- Schalter im Primärstromkreis Schalter der Zündspule, handbetätigt

durch Zündschlüssel.

Vorwiderstand wird bei Start zur Start­spannungsanhebung kurzge­schlossen.

Zündunter- schließt und unterbricht den brecher Primärstromkreis der Zündspule

zur Energiespeicherung und Spannungsumformung.

Zünd- sorgt für exaktes Unterbrechen kondensator des primären Spulenstroms;

unterdrückt weitgehend die Funkenbildung am Unter­brecherkontakt.

Zündverteiler verteilt die Zündspannung auf die Zündkerzen in festgelegter Reihenfolge.

Fliehkraft- verstellt selbsttätig den versteller Zündzeitpunkt in Abhängigkeit

von der MotordrehzahL

Unterdruck- verstellt selbsttätig den Zündversteller Zündzeitpunkt in Abhängigkeit

von der Belastung des Motors.

Zündkerze enthält die für das Entstehen des Zündfunkens wichtigsten Teile (Elektroden) und dichtet den Brennraum nach außen hin ab.

Spulen­zündung

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Zündsysteme

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Der Strom und die Abschaltzeit sowie die Windungszahl der Sekundärseite der Zündspule bestimmen im wesentlichen die auf der Sekundärseite induzierte Zündspannung. Da der Strom die Nei­gung hat, weiter zu fließen, würde sich am Zündkontakt ein Lichtbogen bilden. Um das zu verhindern, ist parallel zum Zündunterbrecher der Zündkondensator (5) geschaltet. Dadurch fließt bis zum Durchschlag der Zündspannung der Primärstrom in den Kondensator und lädt diesen auf. Auf diese Weise entstehen an der Klemme 1 der Zündspule kurz­zeitig Spannungen von einigen 100 V (Bilder 1 und 2). Die auf der Sekundärseite erzeugte Hochspannung lädt die Verbindung zum Mitteldom des Zündverteilers auf, führt dort zwischen Verteilerfinger und Außen­elektrode zu einem Durchbruch, lädt dar­aufhin die Hochspannungsleitung zur je­weiligen Zündkerze auf und führt schließ­lich an der Zündkerze zum Durchbruch, d. h. zum Zündfunken. Danach fließt die in der Zündspule ge­speicherte magnetische Energie stetig als elektrische Energie in den Funken ab. An der Zündkerze entsteht dadurch eine Brennspannung von ca. 400 V. Die Bild 1

Zündanlage mit konventioneller Spulenzündung.

Schaltplan der Spulenzündung.

1 Batterie, 2 Zünd-Start-Schalter, 3 Zündspule, 4 Zündverteiler, 5 Zündkondensator, 6 Unterbrecher, 7 Zündkerzen, Rv Vorwiderstand.

o-15a 1

rl Rv I I 4

L J ,-- · - · - ·- -·-, . .

Bild2

Funkendauer beträgt in der Regel 1 bis 2 ms. Nachdem die Zündspule entladen ist, schaltet der Nocken des Zündver­teilers den Zündunterbrecher wieder ein, und die Zündspule wird aufs neue auf­geladen.

1 Batterie, 2 Zünd-Start-Schalter, 3 Zündspule, 4 Zündverteiler, 5 Zündkondensator, 6 Unterbrecher, 7 Zündkerzen, Rv Vorwiderstand zur Startspannungsanhebung (nicht generell eingebaut).

+

Der Verteilerfinger, der in der Zwischen­zeit weiterläuft, überträgt bei der folgen­den Zündung die Hochspannung auf eine weitere Zündkerze.

Zündspule Aufbau Die Zündspule besteht aus einem Be­cher, in den Mantelbleche für den ma­gnetischen Rückschluß eingebaut sind. Die Sekundärwicklung ist direkt auf den lamellierten Eisenkern gewickelt und über den Kern elektrisch mit dem Mittel­dom im Zündspulendeckel verbunden.

Da die Hochspannung auf dem Eisen­kern liegt, muß dieser durch den Deckel und einen zusätzlich im Boden eingeleg­ten lsolierkörper isoliert sein. Die Primär­wicklung liegt außen über der Sekundär­wicklung (Bild 3).

Der isolierte Zündspulendeckel enthält symmetrisch zum Hochspannungsdom mit Klemme 4 die Klemmen 15 und 1 für die Batteriespannung und die Verbin­dung zum Zündunterbrecher. Die Isola­tion und die mechanische Fixierung der Wicklungen erfolgt durch einen Verguß mit Asphalt. Es gibt auch Zündspulen, die mit Öl gefüllt sind. Die Verlustleistung entsteht hauptsäch­lich in der Primärwicklung. Die Verlust­wärme wird über die Mantelbleche auf den Becher abgeleitet. Deshalb wird die Zündspule mit einer breiten Schelle so an der Karosserie befestigt, daß über dieses Metallband möglichst viel Wärme abfließt.

Funktion Der Primärstrom, der durch den Zünd­verteiler ein- und ausgeschaltet wird, fließt durch die Primärwicklung der Zündspule. Der Betrag des Stromes wird durch die Batteriespannung an Klemme 15 und dem ohmschen Wider­stand der Primärwicklung bestimmt. Der Primärwiderstand kann je nach Verwen­dung der Zündspule zwischen 0,2 und 3 Q liegen. Die Primärinduktivität L 1 be­trägt einige mH. Für die im Magnetfeld

der Zündspule gespeicherte Energie ergibt sich:

U / 1 T . • 2 nsp= 2 '-'"~. l t

Wsp gespeicherte Energie, L 1 Induktivität der Primärwicklung, i1 Strom, der im Au­genblick des Öffnens des Zündunter­brecher-Kontaktes im Zündverteiler fließt. Im Zündzeitpunkt steigt die Spannung an der Klemme 4 (Hochspannungsdom der Zündspule) ungefähr nach einer Sinus­funktion an. Die Anstiegsgeschwindigkeit wird durch die Sekundärinduktivität und

Bild 3

Zündspule im Schnitt.

1 Hochspannungsanschluß außen, 2 Wickellagen mit lsolierpapier, 3 lsolierdeckel, 4 Hochspannungsanschluß intern über Federkontakt, 5 Gehäuse, 6 Befestigungsschelle, 7 magnetisches Mantelblech, 8 Primärwicklung, 9 Sekundärwicklung, 10 Vergußmasse, 11 lsolierkörper, 12 Eisenkern.

Klemme4

Klemme 15

I

'---12

Spulen­zündung

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Zündsysteme

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die kapazitive Belastung an der Klemme 4 bestimmt. Wenn die Durchbruchspan­nung an der Zündkerze erreicht ist, geht die Spannung auf die Brennspannung der Zündkerze zurück, und die in der Zündspule gespeicherte Energie fließt in den Zündfunken. Sobald die Energie nicht mehr zum Aufrechterhalten der Glimmentladung ausreicht, bricht der Funke ab, und die verbleibende Energie schwingt in dem Sekundärkreis der Zündspule aus. Die Hochspannung ist so gepolt, daß die Mittelelektrode der Zündkerze negativ gegen die Fahrzeugmasse ist. Bei um­gekehrter Polarität ergäbe sich ein etwas höherer Spannungsbedarf. Die Zünd­spule ist als Spartrafo so ausgebildet, daß die Sekundärseite sich auf Klemme 1 oder 15 abstützt. So wie die Primärinduktivität und der Primärwiderstand bestimmend für die gespeicherte Energie sind, ist die Sekun­därinduktivität maßgebend für die Hoch­spannungs- und die Funkencharakte­ristik . Ein typisches Windungsverhältnis von Primär- zu Sekundärwicklung ist 1:100. Die induzierte Spannung, der Funkenstrom und die Funkendauer sind sowohl von der gespeicherten Energie als auch von der Sekundärinduktivität abhängig. Bild4

Unterbrecherkontakt (schematisch).

a Kontakt geschlossen, b großer Kontaktabstand, kleiner Schließwinkel, c kleiner Kontaktabstand, großer SchließwinkeL

a

Innenwiderstand Ein weiterer wichtiger Wert ist der Innen­widerstand der Zündspule, da er die Ge­schwindigkeit des Spannungsanstiegs mit bestimmt und damit ein Maß dafür ist, wieviel Energie aus der Zündspule über Nebenschlußwiderstände zum Augen­blick des Funkendurchbruchs abfließt. Ein niedrigerer Innenwiderstand ist bei verschmutzten oder nassen Zündkerzen vorteilhaft. Der Innenwiderstand ist von der Sekundärinduktivität abhängig.

Zündunterbrecher Die Ansteuerung des Zündunterbrechers erfolgt über den Unterbrechernocken, der so viele Höcker aufweist, wie der Mo­tor Zylinder hat. Der Unterbrechernocken läßt sich auf der Zündverteilerachse ver­drehen; er verstellt sich entsprechend der vom Fliehkraftversteller vorgegebe­nen drehzahlabhängigen Zündwinkelver­stellung. Der Nocken ist so beschaffen, daß ein der Zündspule und der Funken­zahl entsprechender Schließwinkel ge­bildet wird (Bild 4).

Somit ist der Schließwinkel für ein kon­taktgesteuertes Zündsystem fest vorge­geben und über den gesamten Dreh­zahlbereich nicht veränderlich. Aller­dings ändert sich der Schließwinkel während der Betriebszeit des Motors durch die Abnutzung des Gleitstücks am UnterbrecherhebeL Der hier ent­stehende Abrieb führt dazu, daß der Un­terbrecher später öffnet. Die dadurch sich einstellende Spätverstellung führt im allgemeinen zu einem höheren Kraft­stoffverbrauch. Dies ist einer der Gründe, warum der Unterbrecherkontakt regel­mäßig erneuert und der Schließwinkel geprüft werden muß. Ein weiterer Grund für Wartungsmaßnahmen ist der Kon­taktabbrand. Der Kontakt muß Strom von bis zu 5 A schalten und bis zu 500 V Spannung sperren. Bei einem Vierzylin­der-Motor mit einer Motordrehzahl von 6000 min-1 schaltet der Kontakt in der Minute 12000mal, was einer Frequenz von 200 Hz entspricht. Schadhafte Kontakte führen zu unzurei-

ehender Aufladung der Zündspule, un­definierten Zündzeitpunkten und somit zu höherem Kraftstoffverbrauch und schlechteren Abgaswerten.

Zündverteiler Der Zündverteiler ist die Komponente der Zündanlage mit den meisten Funktionen. Er läuft mit der halben Kurbelwellen­drehzahl um. Ein Vierzylinder-Verteiler hat z. B. vier Ausgänge, die pro Läufer­umdrehung je einen Zündimpuls erzeu­gen (Bild 5).

Merkmale Äußerlich sichtbar sind vor allem das topfförmige Zündverteilergehäuse und die Verteilerkappe aus Isolierstoff mit den Domen für die Hochspannungsanschlüs­se. Es gibt Schaftverteiler, bei denen der Zündverteilerschaft in den Motor hinein­ragt. Die Zündverteilerwelle wird dabei über eine Verzahnung oder eine Kupp­lung angetrieben. Eine andere Bauart, der Kurzbauverteiler, erleichtert den di­rekten Anbau an die Nockenwelle. ln die­sem Falle fällt der Schaft weg, und die Antriebskupplung befindet sich direkt am Boden des Zündverteilergehäuses. Die hohen Anforderungen an die Genauig­keit des Zündverteilers erfordern eine sehr gute Lagerung. Bei Schaftverteilern ergibt der Schaft selbst eine genügend lange Lagerstrecke. Kurzbauverteiler erfordern ein zusätzliches Lager ober­halb des Auslösesystems.

Aufbau Im Zündverteilergehäuse sind das Flieh­kraftverstellsystem, die Betätigung des Unterdruckverstellsystems und die Zündauslösung untergebracht. Der Zündkondensator und die Unterdruck­dose sind außen am Zündverteilerge­häuse befestigt. Außerdem befinden sich dort die Verankerungen für die Be­festigung der Verteilerkappe und der elektrische Anschluß. Der Staubschutz­deckel hält Ablagerungen und Feuch­tigkeit vom Auslösesystem fern. Auf der Verteilerwelle befindet sich oberhalb des Unterbrechernockens ein Schlitz, der zur

Definition der Einbaulage des Verteiler­läufers dient. Deshalb muß beim Einbau darauf geachtet werden, daß der Vertei­lerfinger in richtiger Lage aufgesetzt wird. Verteilerläufer und Verteilerkappe beste­hen aus einem hochwertigen Kunststoff, an den besondere Anforderungen hin-

Bild 5

Bauteile eines Zündverteilers.

1 Verteilerkappe, 2 Zündverteilerläufer mit Elektrode (E), 3 Staubschutzdeckel (Kondenssperre) , 4 Verteilerwelle, 5 Unterbrechernocken, 6 Anschluß für Unterdruckschlauch, 7 Unterdruckdose, 8 Zündkondensator.

Spulen­zündung

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Zündsysteme

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sichtlich der Hochspannungsfestigkeit, Klimabeständigkeit, mechanische Fe­stigkeit und Entflammbarkeit gestellt werden. Die in der Zündspule erzeugte Hoch­spannung wird über den Mitteldom in den Zündverteiler eingespeist. Zwischen Ver­teilerläufer und Mitteldom ist ein kleiner Kohlestift federnd eingebaut, der den Kontakt von der festen Kappe zum ro­tierenden Verteilerläufer herstellt. Die Zündenergie fließt vom Mittelpunkt des Verteilerläufers über einen Entstörwider­stand von :::::1 kQ zur Verteilerläufer­elektrode und springt von dort auf die Außenelektrode über, die in die Außen­dome eingelassen ist. Die dafür nötige Überschlagspannung liegt im kV-Be­reich. Der Widerstand im Verteilerläufer begrenzt die Spitzenströme beim Aufbau der Funkenstrecken und dient somit zur Entstörung. Außer dem Zündunterbre­cher sind sämtliche Teile des Zündvertei­lers nahezu wartungsfrei.

BildS

Beispiel einer Gesamtzündverstellung aus drehzahlabhängiger und saugrohrdruckabhängiger Verstellung.

1 Straßenteil last. 2 Vollast

°KW

:l,ö 30 $ ~ ~ g 20 ~Q) <="" ~ ·~

0

mbar

600 "" '-' 2

"0 400 Qj

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200

/ (

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_...,........._1 / I ......_

0 L-~~-L------L-----~ 0 2000 4000 min-1 ~ 0

Motordrehzahl !:1 :::>

Zündversteller

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

Bild 7

Fliehkraftzündversteller in Ruhestellung (oben) und in Arbeitsstellung (unten).

1 Achsplatte , 2 Zündnocken, 3 Wälzbahn, 4 Fliehgewicht, 5 Zündverteilerwelle , 6 Mitnehmer.

Unterdruckzündversteller mit Früh- und Spätverstellsystem.

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

Bild 8

Fliehkraftzündversteller Der Fliehkraftzündversteller verstellt den Zündzeitpunkt in Abhängigkeit von der MotordrehzahL Die mit der Verteilerwelle umlaufende Achsplatte trägt die Fliehge­wichte. Mit steigender Drehzahl bewe­gen sich die Fliehgewichte nach außen. Sie verdrehen den Mitnehmer über die Wälzbahn gegen die Verteilerwelle in Drehrichtung. Dadurch verdreht sich auch der Zündnocken gegen die Vertei­lerwelle um den Zündverstellwinkel az. Um diesen Winkel wird der Zündzeit­punkt vorverlegt (Bild 7).

Unterdruckzündversteller Der Unterdruckzündversteller verstellt den Zündzeitpunkt in Abhängigkeit von der Motorleistung bzw. Motorbelastung. Als Maß für diese Zündverstellung dient der Unterdruck im Saugrohr nahe der Drosselklappe. Der Unterdruck wird ei­ner oder zwei Membrandosen zugeführt (Bild 8).

"Früh"-Verstellsystem Je kleiner die Belastung, desto früher muß das Luft-Kraftstoff-Gemisch ge­zündet werden, weil es langsamer ver­brennt. Der Anteil verbrannter, aber nicht ausgeschobener Restgase im Brenn­raum nimmt zu, und das Gemisch magert ab.

7 8

Der Unterdruck für die Frühverstellung wird vom Saugrohr abgenommen. Mit abnehmender Motorbelastung steigt der Unterdruck in der Frühdose und bewirkt eine Bewegung der Membran samt Zug­stange nach rechts (Bild 8). Die Zug­stange verdreht die Unterbrecherscheibe entgegen der Drehrichtung der Zündver­teilerwelle. Durch diese Bewegung wird der Zündzeitpunkt noch mehr vorverlegt, d. h. in Richtung "früh" verstellt.

"Spät"-Verstellsystem Der Unterdruck im Saugrohr wird in die­sem Fall hinter der Drosselklappe ab­genommen. Mit Hilfe der ringförmigen "Spätdose" wird der Zündzeitpunkt bei bestimmten Motorzuständen (z. B. Leer­lauf, Schiebebetrieb) zur Abgasverbes­serung zurückgenommen, d. h. in Rich­tung "spät" verstellt. Die Ringmembran bewegt sich samt Zugstange nach links, sobald Unterdruck herrscht. Die Zug­stange verdreht die Unterbrecherscheibe einschließlich Unterbrecher in Drehrich­tung der Zündverteilerwelle. Das Spätverstellsystem ist dem Früh­verstellsystem untergeordnet: Gleich­zeitiger Unterdruck in beiden Dosen be­wirkt die erforderliche Teillastverstellung in Richtung "früh".

Spulen­zündung

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Zündsyteme

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Kontaktgesteuerte Transistorzündung TZ-K

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

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

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

durch die Primärwicklung L 1 der Zünd­spule fließen. Ist aber der Kontakt des Unterbrechers offen, so fließt kein Steuerstrom in die Basis, und der Transi­stor ist elektrisch nicht leitend; er sperrt somit den Primärstrom und entspricht in diesem Zustand einem Schalter in Schaltstellung "Aus".

Vorteile Die kontaktgesteuerte Transistorzün­dung hat gegenüber der kontaktge­steuerten Spulenzündung zwei wesent­liche Vorteile: - Steigerung des Primärstroms und - wesentlich längere Standzeit des Kon-

taktes. Bild 1

Hochspannungsangebotder Zündspule an die Zündkerze in Abhängigkeit von der Funkenzahl bzw. Drehzahl (Vierzylinder-Motor).

a Zündspule mit Grenzfunkenzahl12000 min- '. b Hochleistungszündspule mit Grenzfunkenzahl 21000 min- '. Uz Zündspannung, t!iU Mindestspannungsreserve. Raster11äche: Bereich für aussetzer1reien Betrieb.

Funkenzahl 6000 12000 18000 min-1 0

kV

f-?'- ~ 25

g> 20 :::> c c ~ 15 "' J:

~ 10

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I Motordrehzahl

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

spule und damit sämtliche Hochspan­nungsdaten wie Spannungsangebot, Funkendauer und Funkenstrom. Des­halb benötigt eine kontaktgesteuerte Transistorzündung neben dem Zünd­schaltgerät auch eine spezielle Zünd­spule. Eine bedeutend längere Standzeit der TZ-K ergibt sich durch die Entlastung des Zündunterbrechers von den hohen Strö­men. Außerdem treten zwei Probleme nicht mehr auf, die das Spannungs­angebot von kontaktgesteuerten Spulen­zündungen undefiniert senken: das Kon­taktprellen und der Abreißfunke, der durch die Induktivität der Zündspule ver­ursacht wird. Bild2

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

Oben: Schaltplan der SZ. Der Unterbrecher ist

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

3

Leistungs- und Steuerschalter in einem. 2 ·v·· Unten: vereinfachter Schaltplan der TZ -K. 30 1 Batterie, 2 Zünd-Start-Schalter, 3 Vorwiderstand, 4 Schalter zur Startanhebung, 5 Zündspule mit Primärwicklung L1 und Sekundärwicklung L2, 6 Zündkondensator, 7 Unterbrecher (Steuerschalter), 8 Zünd- + verteiler, 9 Zündkerzen, 10 Elektronik mit Widerständen des Spannungsteilers R1, R2

und Transistor T.

t/ 15

2 y·

15

30 L,

+ -.,--

1 : -l.....

4

5

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4

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Transistor­zündung

195

Zündsysteme

196

Schaltung

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

Bild 3

Bauteile und Anschlußplan der TZ-K.

spule und schonen den Zündunter­brecherkontakt, da der Schließwinkel nach wie vor mit den Zündverteiler­nocken erzeugt wird. Da die Zündspule eigentlich eine konstante Zeit zum Auf­laden benötigt, aber nicht mit einem festen Schließwinkel arbeitet, steht bei niedrigen Drehzahlen zuviel Zeit und bei hohen Drehzahlen zu wenig Zeit zum Aufladen zur Verfügung. Vorwiderstände und eine schnell aufladbare Zündspule erlauben eine Optimierung über dem ge­samten Betriebsbereich.

Bei älteren Fahrzeugen gehörte die TZ-K .noch zur Erstausrüstung. Sie wur­de inzwischen von der Transistorzün­dung mit wartungsfreien Auslösesyste­men verdrängt. Als Nachrüstlösung ist die TZ-K aber sehr gut dafür geeignet, bei Fahrzeugen mit serienmäßig kontakt­gesteuerter Spulenzündung die Zün­dungseigenschaften spürbar zu verbes­sern. Deshalb empfiehlt sich eine Nachrüstung bei allgemeinen Zündungs­problemen, speziell bei Startschwierig­keiten und ausgeprägtem Kurzstrecken­betrieb.

1 Batterie, 2 Zünd-Start-Schalter, 3 Zündschaltgerät, 4 Vorwiderstände, 5 Leitungsanschluß zum Starter, 6 Zündspule, 7 Zündvertei ler, 8 Zündkerzen. I Primärstrom, 1, Steuerstrom.

BOSCH 5

Transistorzündung mit Hall-Geber TZ-H

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

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

Bild 1

Hall-Effekt.

B Flußdichte des Magnetfelds, I H Hall-Strom, lv Versorgungsstrom, UH Hall-Spannung, d Dicke.

lenkt: Bei A 1 entsteht ein Elektronen­überschuB und bei A2 ein Elektronen­mangel, d. h. zwischen A1 und A2 tritt die Hall-Spannung auf. Dieser sogenannte Hall-Effekt ist bei Halbleitern besonders ausgeprägt (Bild 1 ).

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

Bild2

Hall-Geber im Zündverteiler.

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

,............. 1-----'1

tz tz Zeitt-

Transistor­zündung

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Zündsysteme

198

Der Hall-Geber ist im Zündverteiler un­tergebracht. Die Magnetschranke ist auf die bewegliche Trägerplatte montiert.

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

Bild 3

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

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

Schließwinkeländerung durch Triggerpegelverschiebung bei Hall-Geber.

a Schließwinkel S1 in Ordnung, b Schließwinkel S2 zu klein, c Schließwinkel S3 zu groß, 11 ... 13 Zeit für Endstufe leitend, 11 Strombegrenzungszeit in Ordnung, t3• Strombegrenzungszeit zu groß.

a b c

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b c

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b c

413. I+-

V I -~2- -~3-

Zeitr-

Stromregelung und eine Schließwinkel­regelung (Bild 3).

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

Bild 4

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

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

Zündverteiler mit Hall-Geber (Nachrüstausführung).

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

Transistor­zündung

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Zündsysteme

200

Steuergerät (Schallgerät) mit Endstufe für Strom· und Schlleßwinkelregelung.

BildS

signal umgewandelt. Das Tastverhältnis des Hall-Gebers beträgt zwischen zwei Zündzeitpunkten 30 :70.

Am Ende der 70% entsprechenden Blendenbreite liegt der durch das Ver­stellen des Zündverteilers bestimmte Zündzeitpunkt Die Regelung ist so ein­gestellt, daß die Stromregelzeit t1 genau dem nötigen dynamischen Vorhalt ent­spricht. Aus dem Wert von t1 wird eine Spannung gebildet und mit der ab­fallenden Rampe der Rampenspannung verglichen. Am Kreuzungspunkt "EIN" wird der Primärstrom eingeschaltet, der Schließwinkel beginnt. Auf diese Weise kann durch Veränderung der aus der Stromregelzeit abgeleiteten Spannung der Einschaltpunkt des Schließwinkels

Bild6 Schaltung des Steuergeräts in Hybridtechnik.

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

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

Transistorzündung mit Induktionsgeber TZ-I

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

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

Es ist: f = z.!!:..

2

f Frequenz bzw. Funkenzahl (min-1), z Zylinderzahl, n Motordrehzahl (min-1).

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

Bild 1

Zündverteiler mit lnduktionsgeber.

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

Zeit--+

Transistor­zündung

201

Zündsysteme

202

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

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

Funktion der Stromregelung Die Stromregelung arbeitet zunächst mit einer Erfassung des Stromes durch die Messung des Spannungsabfalls an ei-Bild 2

nem niederohmigen Widerstand in der Emitterleitung des Zündtransistors. Über eine Strombegrenzungs-Regelschaltung wird direkt die Treiberstufe des Zünd­transistors (Darlington-Transistor) ange­steuert.

Funktion der Schließwinkelregelung Die Schließwinkelregelung arbeitet mit der gleichen Meßspannung, führt diese aber einem eigenen Regelkreis zu. Durch die Bewertung der Zeit, in der sich der Transistor in Stromregelung befindet, läßt sich die gegebenenfalls nötige Kor­rektur des Schließwinkels ableiten.

Steuergerät Steuergeräte von Hochleistungszündsy­stemen TZ-I sind fast ausschließlich in Hybridtechnik aufgebaut, denn sie ver­einigen hohe Packungsdichte mit nied­rigem Gewicht und guter Zuverlässigkeit.

Falls geringe Leistungsdaten zulässig sind, kann auf die Schließwinkelregelung

Schließwinkeländerung durch Triggerpegelverschiebung bei lnduktionsgeber. a Schließwinkel S1 in Ordnung, b Schließwinkel S2 zu klein, c Schließwinkel S3 zu groß, t1 ... t3 Zeit für Endstufe leitend, t1 • Strombegrenzungszeit in Ordnung, t3 • Strombegrenzungszeit zu groß.

E

e f ~ E

"I:: a.

a b c

Ze~r-

Anlage mit kontaktlos gesteuerter Transistorzündung {TZ).

1 Zündkerze, 2 Lambda-Sonde, 3 Zündverteiler mit

Fliehkraft- und Unterdruckverstellung sowie Induktions- oder Hall-Geber (altemativ),

4 Zündspule, 5 Steuergerät (Schaltgerät), 6 Zünd-Start-Schalter, 7 zur Batterie.

und eventuell auch auf die Stromrege­lung verzichtet werden. Da das Steuer­lastverhältnis des ausgewerteten Geber­signals bei TZ-I-Anlagen mit abnehmen­der Drehzahl kleiner wird, können TZ-I-Steuergeräte in einzelnen Anwen­dungen kleiner gebaut werden und eig­nen sich somit besonders gut zu einem Bild4

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

Blockschaltbild für Steuergerät mit Hall- oder Induktionsgeber

I ~~0011-+_.:_------•~1 Zündspule

entweder ~--·-- ·--·--· Steuer~~---·--·--~

~. Impuls- I Hallgeber . former-

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I Ruhe- I L..... Schließ- 1-a. ~ ~ Treiber· _." .-1 .... winke!- 1 ,.. ___ .----.--- ...,. .. . -- fe

regeln I r~M-~M.u·~ I Induktions- '"' .___,ri"' -Mri-' Primär-

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oder

I Primärstrom Strom- Str~ I Sollwert____,. begren- ~~= ng

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Sollwert Istwert I Stromregelzeit Stromregelzeit ts tta I L ________ ______ __ !_J ~

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Transistor­zündung

203

Zündsysteme

204

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

Vorteile - Die Zündzeitpunktverstellung kann

den individuellen und vielfältigen Anfor­Bild 1

Elektronische Zündanlage (EZ).

derungen, die an den Motor gestellt werden, besser angepaßt werden.

- Die Einbeziehung weiterer Steuer­parameter (z. B. Motortemperatur) ist möglich.

- Gutes Startverhalten, bessere Leer­laufdrehzahlsteuerung und geringerer Kraftstoffverbrauch.

- Erweiterte Betriebsdatenerfassung. - Klopfregelung realisierbar.

Die Vorteile der Elektronischen Zündung kommen am deutlichsten durch das Zündwinkelkennfeld zum Ausdruck. Das Zündwinkelkennfeld enthält für jeden möglichen Betriebspunkt des Motors, d. h. für jeden Drehzahl- und Lastpunkt, den bei der Motorauslegung als besten Kompromiß ausgewählten ZündwinkeL

Der Zündwinkel für einen bestimmten Betriebspunkt wird nach den Gesichts­punkten Kraftstoffverbrauch, Drehmo­ment, Abgas, Abstand zur Klopfgrenze, Temperatur des Motors, Fahrbarkeil usw. ausgewählt. Je nach Optimierungskrite­rium wiegt der eine oder andere Ge-

1 Zündspule mil angebauter Zündungsendstufe, 2 Hochspannungsverteiler. 3 Zündkerze, 4 Steuer­gerät, 5 Motortemperatursensor, 6 Drosselklappenschalter, 7 Drehzahl· und Bezugsmarkensensor, 8 Zahnscheibe, 9 Batterie, 10 Zünd-Start-Schalter.

I

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

Funktionsprinzip Das vom Unterdrucksensor abgegebene Signal wird für die Zündung als Lastsi­gnal verwendet. Über diesem Signal und der Drehzahl wird ein dreidimensionales Zündwinkelkennfeld aufgespannt, das es ermöglicht, in jedem Drehzahl- und Last­punkt (horizontale Ebene) den für Abgas und Kraftstoffverbrauch günstigsten Zündwinkel (in der Vertikalen) zu pro­grammieren. Im gesamten Kennfeld sind je nach Anforderung insgesamt ca. 1 000 . .. 4000 einzeln abrufbare Zünd­winkel vorhanden (Bild 2).

Bild 2

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

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

Für den Startvorgang kann bei be­stimmten Systemen ein vom Zündwin­kelkennfeld unabhängiger Verlauf des Zündwinkels als Funktion von Drehzahl und Motortemperatur programmiert wer­den. Damit kann ein hohes Motor­moment im Start erzielt werden, ohne daß rückdrehende Momente auftreten. Je nach Anforderung sind Kennfelder un­terschiedlicher Komplexität realisierbar oder auch nur wenige programmierbare Verstellinien.

Eine elektronische Zündverstellung ist im Rahmen verschiedener elektronischer Zündsysteme möglich. Vollintegrierte Zündverstellung gibt es z. B. bei der Motronic. Aber auch als Zusatz zu einer Transistorzündanlage (in Form eines zu­sätzlichen Verstellgerätes) oder als Gerät mit integrierter Endstufe kann eine elektronische Zündverstellung realisiert werden.

Drehzahlerfassung Zur Bestimmung der Drehzahl und zur Synchronisation mit der Kurbelwelle gibt es zwei Möglichkeiten der Dreh­zahlerfassung: die Abnahme des Signals direkt von der Kurbelwelle oder die Ab­nahme des Signals von der Nockenwelle bzw. von einem Zündverteiler, der mit ei­ner Hall-Schranke bestückt ist. Die Vor­teile, die ein Zündkennfeld in der dar­gestellten Form bietet, können mit der größten Genauigkeit durch Drehzahl­sensoren an der Kurbelwelle ausgenutzt werden.

Elektronische Zündung

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Zündsysteme

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Eingangssignale

Drehzahl (Kurbelwellenstellung) und Saugrohrdruck sind die beiden Haupt­steuergrößen für den Zündzeitpunkt

Drehzahl und Kurbelwellenstellung Zur Erfassung der Drehzahl dient ein in­duktiver lmpulssensor, der die Zähne ei­nes speziellen Zahnrades an der Kur­belwelle abtastet. Durch die so erzeugte magnetische Flußänderung wird eine Wechselspannung induziert, die das Steuergerät auswertet. Zur eindeutigen Zuordnung der Kurbelwellenstellung hat dieses Zahnrad eine Lücke, die vom in­duktiven Impulssensor erlaßt und in ei­ner speziellen Schaltung aufbereitet wird. Auch die Auslösung mit Hilfe eines Hall-Gebers im Zündverteiler findet noch Anwendung. Bei symmetrischen Moto­ren ist es außerdem möglich, Impulse in­duktiv über Segmente an der Kurbelwelle auszulösen. Die Zahl der Segmente ent­spricht hierbei der halben Zylinderzahl (Bilder 3 bis 5).

Last(Saugrohrdruck) Der im Ansaugrohr herrschende Druck wirkt über einen Schlauch auf den Druck­sensor. Neben dem Saugrohrdruck für eine nur indirekte Lastmessung eignen sich be­sonders die Luftmasse oder die Luft­menge pro Zeiteinheit als Lastsignale,

denn sie geben ein besseres Maß für die Füllung des Zylinders, der eigent­lichen Last. Bei Motoren, die mit einer elektronischen Einspritzung ausgerüstet sind, bietet sich deshalb die Verwen­dung des für die Gemischaufbereitung verwendeten Lastsignals auch für die Zündung an.

Drosselklappenstellung Ein Drosselklappenschalter liefert bei Leerlauf und Vollast des Motors ein Schaltsignal (Bild 5).

Temperatur Ein im Motorblock angebrachter Motor­temperatursensor (Bild 5) liefert dem Steuergerät ein der Motortemperatur ent­sprechendes Signal. Zusätzlich oder an­stelle der Motortemperatur kann auch die Ansauglufttemperatur durch einen weite­ren Sensor erlaßt werden.

Batteriespannung Die Batteriespannung ist ebenfalls eine Korrekturgröße, die vom Steuergerät er­faßt wird.

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

Verlauf der lnduktlonsspannung.

Zeit-

tale Größen und gelangen direkt in den Schließwinkelkennfeld.

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

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

Anpassungskomponenten.

1 Drosselklappenschalter, 2 lmpulssensor, 3 Motortemperatursensor.

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Bild6

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

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

Elektronische Zündung

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Zündsysteme

208

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

Bild 7

Zündungsendstufe Die Zündungsendstufe kann entweder (wie im Blockschaltbild dargestellt) in das Steuergerät eingebaut oder extern, mei­stens in Kombination mit der Zündspule, untergebracht sein. Bei externer Zün­dungsendstufe ist das Steuergerät im all­gemeinen im Fahrgastraum eingebaut, in selteneren Fällen ist dies auch bei Steu­ergeräten mit integrierter Zündungsend­stufe der Fall. Werden Steuergeräte mit integrierter Zündungsendstufe im Motorraum unter­gebracht, benötigen sie eine besonders gute Wärmeabfuhr. Dies wird durch den Einsatz der Hybridtechnik erreicht. Halb­leiterbauelemente und somit auch die Endstufe sind dabei direkt auf dem Kühl­körper aufgebracht, der den thermischen Kontakt zur Karosserie gewährleistet. Dadurch können diese Steuergeräte bei Umgebungstemperaturen bis über 1 00 oc betrieben werden. Hybridgeräte haben ferner den Vorteil, klein und leicht zu sein.

Signalverarbeitung im elektronischen Zündsteuergerät (Biockschaltbild).

1 Motordrehzahl, 2 Schaltersignale, 3 CAN (serieller Bus), 4 Saugrohrdruck, 5 Motortemperatur, 6 Ansauglufttemperatur, 7 Batteriespannung, 8 Analog-Digital-Wandler, 9 Mikrocomputer, 10 Zündungsendstufe.

Eingangssignale Elektronisches Steuergerät Zündspule r·-·-----· - ·- ·-·- ·- -- - ·:

~--~.~~~ I 2

9

4

5

I

6 8

I 7 I

------~~~~ ! ~- --·-·--~-~-·--·-· --· J

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

EZ-Steuergerät ln Hybrldtechnik.

Der Lastsensor befindet sich im Deckel .

EZ-Steuergerät mit Klopfregelung in Lelterplattentechnik.

Die Druckdose D dient zur Messung des Ansaugrohrdrucks.

Elektronische Zündung

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Zündsysteme

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Vollelektronische Zündung VZ

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

Vorteile Die ruhende oder elektronische Span­nungsverteilung bringt keine Ge­wichtsvorteile. Doch die Vorteile sind: - wesentl ich geringerer elektromagne­

tischer Störpegel, da keine offenen Funken auftreten,

- keine rotierenden Teile, - Geräuschreduzierung, - verringerte Zahl von Hochspannungs-

verbindungen und - konstruktive Vorteile für den Motor­

hersteller.

Die Leistungsdaten einer Vollelektro­nischen Zündung sind mit denen einer elektronischen Zündung vergleichbar. Bild 1

Vollelektronische Zündanlage (VZ).

Spannungsverteilung

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

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

4

+ 0

9 BOSCH

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

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

Bild2

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

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

Zündfolge von Viertakt-Motoren während zweier Kurbelwellenumdrehungen (Zyklus).

Motoren mit geraden Zylinderzahlen liefern ein eindeutiges Signal für die Zündung der Zylindergruppen bei OT (o• und 360°).

1.Umdrehung 2.Umdrehung

:;::

"' 3 t:'

"' "0 f -~ >. N 2

o• 120 144 180 240 288 360 432 480 540 576 600 720°

tOT KW-Stellung

Voll­elektronische Zündung

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Zündsysteme

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Verteilung mit Vierfunken-Zündspulen Eine weitere Möglichkeit für die ruhende Spannungsverteilung ist eine Vier­funken-Zündspule, die zwei Primärwick­lungen und eine Sekundärwicklung ent­hält. Die zwei Primärwicklungen werden von zwei Zündungsendstufen ange­steuert. Die Hochspannungswicklung hat an jedem Ausgang zwei Dioden. Von die­sen Dioden geht je eine Hochspan­nungsleitung zu je einer Zündkerze. Da­durch werden abwechselnd, durch die Dioden entkoppelt, wie bei der Zweifun­ken-Zündspule zwei Funken erzeugt.

Spannungsbedarf Da bei Zweifunken- und Vierfunken­Zündspulen zwei Zündkerzen in Reihe geschaltet sind, entsteht durch die in den niedrigen Druck des Auspufftaktes zün­dende Zündkerze ein zusätzlicher Span­nungsbedarf von einigen Kilovolt, der aber durch den Wegfall der Zünd­vertei ler-Funkenstrecke kompensiert wird. Außerdem ist in jeder Zylinder­gruppe eine Zündkerze "falsch" gepolt. Bild3

Zwelfunken-Zündspule.

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

Zündspulen Ausführung Zweifunken-Zündspulen, wie im übrigen auch Vierfunken-Zündspulen, sind nor­malerweise als Kunststoffzündspulen ausgeführt. Die gedrungene Bauform und die große Fläche auf der Oberseite machen bei diesen Zündspulen die An­ordnung von zwei getrennten Hoch­spannungsdornen möglich. Die Kühlung und die Befestigung der Spulen erfolgen über den nach außen herausgeführten Eisenkern (Bild 3) .

Arbeitsweise Am Zyklus eines Viertakt-Motors (zwei Umdrehungen) ist zu erkennen, wie die Zündfunken einer Zweifunken-Zündspu­le im Verlauf der Motortakte auftreten. Die erste Umdrehung beginnt kurz nach EÖ (Einlaßventil öffnet) und dauert bis

Bild4

Auftreten der Zündfunken einer Zwelfunken-Zündspule im Zyklus eines Viertakt-Motors.

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

UT

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

Bild 5

Einzelfunken-Zündspule.

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

2----3----

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

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

Unfallgefahr

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

Voll­elektronische Zündung

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Zündsysteme

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Klopfregelung

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

Diesen Nachteil kann man vermeiden, wenn während des Betriebs die Klopf-

Bild 1

Schema der Klopfregelung.

·= Moa Klapf-f+ =. .... 11111111' r.-

r----------~

I Klopfregelung im 1

I elektron. Steuergerät 1

I I =.. ~ I I IChllllilng I I I I L __ _____ ___ j

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

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

Bild2

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

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

Bild3

Signale des Klopfsensors.

a Druckverlauf im Zylinder, b gefiltertes Drucksignal, c Signal des Klopfsensors.

ohne Klopfen

mit Klopfen

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

Bild4

Klopfregelung.

Regel-Algorithmus bei Zündungseingriff an einem Vierzylinder-Motor. K1 ... K3 Klopfen an Zylinder 1 ... 3 (bei Zylinder 4 kein Klopfen). a Spätverstellung, b Stufenbreite für Frühverstellung, c Frühverstellung.

Zyl. 1 Arbeitsspiele -

Klopf­regelung

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Zündsysteme

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

BildS

verglichen wird . Bei Abweichungen zwi­schen Sollwert und Istwert wird der Druck über das elektromagnetische Ven­til ausgeregelt Vorteile der Ladedruckregelung im Ver­gleich zur Steuerung: Bauteiletoleranzen und Verschleiß, besonders in Abgasby­passventil und Turbolader, wirken sich nicht auf die Höhe des Ladedrucks aus. Bei Verwendung eines Absolutdrucksen­sors kann außerdem der Ladedruck in­nerhalb eines großen Bereichs unabhän­gig von der Höhe des Außendrucks reali­siert werden (Höhenkorrektur). Bei Klopfen gibt es eine Spätverstellung des Zündzeitpunktes des jeweils klop­fenden Zylinders wie beim Saugmotor.

Darüber hinaus wird eine Absenkung des Ladedrucks vorgenommen, wenn die Spätverstellung mindestens eines Zylin­ders einen vorgegebenen Wert über­schritten hat. Dieser Wert ist als dreh­zahlabhängige Kennlinie im elek­tronischen Steuergerät gespeichert. Seine Größe wird entsprechend der maximal zulässigen Abgastemperatur am Turbineneingang festgelegt.

Klopfregelung durch Kombination von elektronischer Zündung mit Ladedruckregelung.

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

8

g

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

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

Sicherheit und Diagnose

Alle Funktionen der Klopfregelung, die bei Ausfall zu einem Motorschaden füh­ren können, machen eine Überwachung erforderlich. Sie muß bei einer auftreten­den Fehlfunktion den Übergang in einen schadenssicheren Betrieb auslösen. Der Übergang in den Sicherheitsmodus kann dem Fahrer über eine Anzeige im Instru­mentenfeld angezeigt werden. Bei der In­spektion des Fahrzeugs kann dann der genaue Fehler über einen Pulscode aus­gelesen werden.

Überwacht werden: 1. Der Klopfsensor einschließlich Kabel­baum ständig während des Betriebs oberhalb einer GrenzdrehzahL Bei er­kanntem Fehler wird der Zündwinkel in dem Kennfeldbereich, in dem die Klopf­regelung aktiv ist, um einen festen Win­kel nach spät verstellt; beim Turbomotor wird gleichzeitig der Ladedruck gesenkt. 2. Die Auswerteelektronik bis zum Rechner unterhalb einer GrenzdrehzahL Ein erkannter Fehler führt zur gleichen Reaktion wie zuvor beschrieben. 3. Das Lastsignal ständig während des Betriebs. Im Fehlerfall werden die Voll­lastzündwinkel benutzt, bei gleichzeitiger dauernder Aktivierung der Klopfre­gelung. Weitere Sensoren und Signale werden je nach Anwendungsfall überwacht und in der Reaktion festgelegt (z. B. Tempe­ratursensor).

Klopf­regelung

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Zündsysteme

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Verbindungsmittel

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

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

Bild 1

durch gekennzeichnet, daß sie tief im Dom liegende Rastbolzen haben und durch den langen Kriechweg eine be­deutend spannungsfestere Kontaktie­rung gewährleisten. Eine zusätzliche Vergrößerung der Geometrie (wie im Fall der Version C) schafft die nötige Reserve, um die selbst für Motoren mit Magerkonzepten nötige 30-kV-Technik zu gewährleisten. Darüber hinaus sind die Steckkräfte und die Wasserdichtheit sorgfältig aufeinander abgestimmt.

Lebensdauer Unter den jeweiligen Steckerversionen ist die dazugehörige mittlere Lebens­dauer in Betriebsstunden durch schräg verlaufende Kurven dargestellt. Ihre Be­deutung geht aus Bild 3 hervor: Werden neue Teile mit der Spannung Ux beaufschlagt, halten sie der Beanspru­chung zunächst stand. Die Isolations­fähigkeit wird aber langsam abgebaut, und ab der Zeit t1 muß mit vereinzelten Durchschlägen gerechnet werden. Der

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

0 15,5

Buchse

015,5

~ Rastbolzen

40 ,-------------~

kV 35

30

15

0,1 10 100 1000h 1 10 100 1000h mittlere Lebensdauer

018

~

10 100 1000h

Prozeß schreitet fort, und zur Zeit t2 sind 63% der Teile zerstört. Bei niederen Spannungen halten die Teile der Bean­spruchung wesentlich länger stand als bei hohen Spannungen (logarithmische Skalen). Dies entspricht auch ungefähr der statistischen Verteilung des Span­nungsverlaufs des Motors. Der sehr hohe Spannungsbedarf kommt, gemes­sen an der Gesamtzahl der Zündungen, nur selten vor. Die Häufung liegt bei Wer­ten unterhalb 25 kV, weshalb die Versio­nen B und C in Verbindung mit einer war­tungsfreien Zündanlage, stabilen Hoch­spannungsleitungen mit Metallseele und einem regelmäßigen Zündkerzenwech­sel zu einem für die Lebensdauer des Fahrzeugs problemlosen Zündsystem führen.

Sonderausführungen Eine besonders sorgfältig ausgeführte Verbindungstechnik besteht aus was­serdichten Zündkerzensteckern, hoch­wertigen Zündleitungen, wasserdichten Bild2

Leitungsverbindungen einer Zündanlage.

Zeltverlauf der Isolationsfähigkelt von Steck­verbindungen.

U, Spannung, 11 Zeitpunkt mit vereinzelten Überschlägen. 12 Zeitpunkt mit vielen Überschlägen.

i

0

L_ ________ Z-ei-tt-~------~--~ ~ ::>

Bild3

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

Schutzkappen verhindern das Eindringen von Schmutz und Feuchtigkeit.

Verbindungs­mittel

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Zündsysteme

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Werkstattprüftechnik

Bosch-Kundendienst Die Qualität eines Produkts wir auch an der Qualität des Kundendienstes gemes­sen. Mehr als 10 000 Bosch-Kunden­dienststellen in 125 Ländern sind für den Autofahrer da - neutral und ohne Bin­dung an eine Fahrzeugmarke. Selbst in dünn besiedelten Ländern Afrikas und Südamerikas kann man mit schneller Hilfe rechnen. Und auch hier gibt es die selben Qualitätsstandards wie in Deutschland. Da versteht es sich von selbst, daß die Garantie auf Kunden­dienstleistungen weltweit gilt. Bosch-Aggregate und -Systeme sind mit ihren Kenndaten und Leistungswerten exakt auf das jeweilige Fahrzeug und den zum Fahrzeug gehörigen Motor ab­gestimmt. Um die notwendigen Prüfun­gen durchführen zu können, entwickelt Bosch jeweils die entsprechende Meß­technik, die Prüfgeräte und Spezial­Bild 1

werkzeuge und rüstet die Kundendienst­stellen damit aus.

Prüftechnik für Motor und Zündung Neben der Gemischaufbereitung spielt eine einwandfreie Zündung eine wichtige Rolle für die richtige Funktion des Mo­tors. Wie bei jedem komplexen System können aber auch hier Störungen und Fehler unterschiedlicher Art auftreten. Diese können die Motorfunktionen und damit das Fahrverhalten und die Abgas­zusammensetzung beeinflussen.

Erkennung von Störungen Bei modernen Fahrzeugsystemen über­wacht das elektronische Motorsteuer­gerät einerseits die Verbindungswege, die Stellglieder und die Sensoren des Systems und andererseits seine eigenen Funktionen innerhalb einer Eigendia­gnose. Hierbei erkannte Fehler werden gespei­chert und können über die Diagnose-

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

1 Paradedarstellung: Haupt· und Stützfunken sind überlagert, 2 Positiv-Darstellung:

Hauptfunken bei den Zylindern 1, 2 und 5 (hohe Zündspannung im Verdichtungstakt), Stützfunken bei den Zylindern 4, 3 und 6 (niedrige Zündspannung im Ausstoßtakt),

3 Negativ-Darstellung: Hauptfunken bei den Zylindern 4, 3, und 6, Stützfunken bei den Zylindern 1 , 2, und 5,

4 Zündfolge 1-4-3-6-2-5.

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120 4

240 3

360 6

480 2

600 5

720°KW ( 1) Zylinder

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

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

einander zu vergleichen, um so Fehler lo­kalisieren zu können.

Spezielle Sekundär-Meßwertgeber Für direkt auf der Zündkerze angebrachte Zündspulen werden speziell an die zu prüfende Zündspule angepaßte Adapter für die Aufnahme des Sekundärsignals verwendet. Diese Sekundär-Meßwertge­ber bestehen in der Regel aus einem Blechadapter. Je nach der Art des me­chanischen Aufbaus der Zündspule sind umfangreiche Haltevorrichtungen aber auch Abschirmungen zu anderen Zünd­signalen zur Störunterdrückung notwen­dig. An einigen Zündspulen ist bereits eine Diagnosetasche für die Aufnahme eines normierten Sekundär-Meßwertgebers an­gebracht; der zu leistende Aufwand in der Werkstatt wird erheblich verringert.

Prüfung von Sensoren und Stellgliedern Außer der Beurteilung der Zündanlage mit den entsprechenden Oszillosgram­men ist auch die Funktionsprüfung der einzelnen Sensoren und Stellglieder von großer Bedeutung. Die einzelnen Sensoren, wie Klopfsensor, Lambda-Sonde, oder Drosselklappenpo­tentiometer, geben Signale an das elek­tronsiehe Steuergerät; die Stellglieder sorgen für die Umsetzung der Vorgaben des Steuergerätes. Diese Komponenten sind somit maßgeblich an der richtigen Funktion der Zündanlage beteiligt. Ihre Signale lassen sich mit dem Oszilloskop von Motortestern überprüfen und zur spä­teren Auswertung oder zum Ausdruck ab­speichern.

Pannenhilfe Auch für den mobilen Einsatz (z.B. bei der Pannenhilfe) sind geeignete Motortester unentbehrlich. Diese Motortester werden von eingebauten Batterien oder direkt von der Bordspannung des zu prüfenden Fahrzeuges versorgt. ln der Komfortausführung verfügen selbst die mobilen Geräte über ein Zweikanal­Oszilloskop mit Speicherfunktion sowie über voreingestellte Meßbereiche, um die Bedienung zu vereinfachen.

Werkstatt­prüftechnik Zündung

221

Zünd­kerzen

222

Zündkerzen

Ottomotor und Fremdzündung

Zündenergie

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

Bild 1

Elektronische Zündanlage.

entnommene Energie in der Zündspule zwischengespeichert. Aus dieser gespeicherten Energie wird, vom Motor über die Zündanlage ge­steuert, im richtigen Zeitpunkt Hoch­spannung erzeugt. Die Hochspannung entsteht induktiv in der Zündspule. Hoch­spannung und Zündenergie sind so bemessen , daß auch die verschleiß­bedingte Erhöhung des Zündspannungs­bedarfs gedeckt wird (Bild 1 ).

Entstehung des Zündfunkens Der Zündfunke springt bei ausreichender Hochspannung zwischen den Elektroden der Zündkerze über. Zum Zündzeitpunkt, also bei der Entladung der Zündspule, steigt die Spannung an den Elektroden der Zündkerze sehr schnell an, bis die Überschlagspannung (Zündspannung) erreicht ist. Sobald der Funke gezündet

1 Zündspule mit Endstufe, 2 Hochspannungsverteiler, 3 Zündkerze, 4 Steuergerät, 5 Temperatursensor, 6 Drosselklappenschalter, 7 Drehzahlsensor, 8 Zahnscheibe, 9 Batterie, 10 Zünd-Start-Schalter.

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9 BOSCH

hat, sinkt die Spannung an der Zünd- Spannungsverlauf zwischen Zünd-kerze auf die Brennspannung ab. Gleich- kerzenelektroden.

zeitig fließt in der leitfähig gewordenen K Funkenkopf, s Funkenschwanz,

Funkenstrecke ein Strom. Während der tF Funkendauer.

Brenndauer des Zündfunkens (Funken- kV .------------,

dauer) wird das Luft-Kraftstoff-Gemisch entflammt. 15

Sobald die Voraussetzungen für eine Entladung nicht mehr gegeben sind, er­lischt der Funke, und die Spannung schwingt gedämpft aus (Bild 2). Der hier beschriebene Verlauf liegt nur dann vor, wenn das Gas, das sich zwischen den Elektroden befindet, in Ruhe ist. Höhere Strömungsgeschwindigkeiten führen zu einer deutlichen Veränderung des Fun­kenverlaufs. Der Funke kann im Verlauf der "Brenn­dauer" gelöscht und erneut gezündet werden. Vorgänge dieser Art werden als Folgefunken bezeichnet.

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

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

K

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ca. 30 IJS

0 1,0 2,0 3,0 ms Zeit

Bild2

ist die Differenz zwischen Zündspan­nungsangebot und -bedarf. Mit dem während der Lebensdauer zunehmen­den Elektrodenabstand steigt die Zünd­spannung. Wird dabei das Zündspan­nungsangebot überschritten, kommt es zu Zündaussetzern.

Nicht motorbedingte Einflüsse auf den Zündspannungsbedarf Bei der Zündkerze bestimmen folgende Größen den Zündspannungsbedarf: Elektrodenabstand: Mit steigendem Ab­stand der Elektroden nimmt die Zünd­spannung zu. Elektrodengeometrie: Kleine Elektroden­abmessungen vergrößern die elektrische Feldstärke. Durch diese Feldüberhöhung läßt sich der Spannungsbedarf absenken. Elektrodenwerkstoff: Der Elektroden­werkstoff kann die Zündspannung beein­flussen, da die Austrittsarbeit der Elektro­nen vom Material abhängt. lsolatoroberfläche: Erfolgt die Zündung zwischen den Elektroden ganz oder teil­weise auf dem Isolator, wird die Zünd­spannung durch die aus der Oberfläche bereitgestellten Elektronen abgesenkt.

Motorbedingte Einflüsse auf den Zündspannungsbedarf Von den motorbedingten Einflüssen ist vor allem die Verdichtung (Aufladung) für den Zündspannungsbedarf maßgebend.

Fremd­zündung

223

Zünd­kerzen

224

Beanspruchung der Zündkerze

Aufgabe

Aufgabe der Zündkerze ist, die Zünd­energie in den Brennraum einzubringen und durch den elektrischen Funken zwischen den Elektroden die Verbren­nung des Luft-Kraftstoff-Gemisches ein­zuleiten. Die Zündkerze bestimmt im Zusammen­wirken mit den anderen Komponenten des Motors, z. B. Zünd- und Gemisch­Aufbereitungsanlagen, in entscheiden­dem Maße die Funktion des Ottomotors. Sie muß einen sicheren Kaltstart ermög­lichen, muß immer einen aussetzerfreien Betrieb gewährleisten und stundenlan­gen Betrieb bei Höchstleistung des Mo­tors aushalten. Diese Forderungen be­stehen über die gesamte Lebensdauer der Zündkerze.

Die Zündkerze ist an der Stelle im Ver­brennungsraum des Motors angeordnet, die sich durch die konstruktive Auslegung der Brennraumform zur Entzündung des verdichteten Luft-Kraftstoff-Gemisches am besten eignet. Sie muß unter allen Betriebsbedingungen die Zündenergie in den Brennraum einbringen, ohne undicht oder zu heiß zu werden.

Anforderungen

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

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

den Rückstände wie Ruß, Ölkohle und Asche aus Kraftstoff und Ölzusätzen sind unter bestimmten thermischen Bedin­gungen elektrisch leitend. Dennoch dür­fen unter diesen Umständen auch bei hohen Spannungen keine Überschläge am Isolator auftreten. Der elektrische Widerstand des Isolators muß bis zu 1000 ac hinreichend groß sein und darf sich während der Lebensdauer der Zündkerze nur wenig verringern.

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

Anforderungen an die chemische Belastbarkeit Der in den Verbrennungsraum ragende Teil der Zündkerze kann bis zur Rotglut erhitzt werden und ist den bei hoher Tem­peratur stattfindenden chemischen Vor­gängen ausgesetzt. Im Kraftstoff enthal­tene Bestandteile können sich als ag­gressive Rückstände an der Zündkerze ablagern und deren Eigenschaften ver­ändern.

Anforderungen an die thermische Belastbarkeit Während des Betriebes nimmt die Zünd­kerze in rascher Folge Wärme aus den heißen Verbrennungsgasen auf und wird kurz danach kaltem angesaugten Luft­Kraftstoff-Gemisch ausgesetzt. An die Beständigkeit des Isolators gegen "Ther­moschock" werden deshalb hohe Anfor­derungen gestellt. Ebenso muß die Zündkerze die im Ver­brennungsraum aufgenommene Wärme möglichst gut an den Zylinderkopf des Motors abführen; die Anschlußseite der Zündkerze sollte sich möglichst wenig erhitzen.

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Aufbau der Zündkerze

Bestandteile

Die Zündkerze besteht aus Metall, Ke­ramik und Glas. Diese Werkstoffe haben unterschiedliche Eigenschaften. Durch materialgerechte Konstruktion der Zünd­kerze kommen die guten Eigenschaften dieser Werkstoffe voll zur Geltung. Die wichtigsten Bestandteile einer Zünd­kerze sind Anschlußbolzen, Isolator, Ge­häuse und Elektroden. Eine elektrisch leitende Glasschmelze verbindet Mittelelektrode und Anschluß­bolzen (Bild 1 ).

Anschlußbolzen

Der Anschlußbolzen aus Stahl ist im Iso­lator mit einer leitfähigen Glasschmelze, die auch die leitende Verbindung zur Mit­telelektrode ist, gasdicht eingeschmol­zen. Er hat an dem aus dem Isolator herausragenden Ende ein Gewinde, in das der Anschlußstecker (Zündkerzen­stecker) der Zündleitung einrastet. Für Anschlußstecker nach ISO-/DIN-Norm wird auf das Gewinde des Anschluß­bolzens eine ISO-/DIN-Anschlußmutter geschraubt.

Isolator

Der Isolator besteht aus einer Spezial­keramik. Er hat die Aufgabe, die Mittel­elektrode und den Anschlußbolzen vom Gehäuse zu isolieren. Das dichte Gefüge der Spezialkeramik sorgt für eine hohe Sicherheit gegen elektrische Durch­schläge. Die Oberfläche der lsolator-An­schlußseite ist glasiert. Auf der glatten Glasur haften Feuchtigkeit und Schmutz weniger gut, wodurch Kriechströme weit­gehend vermieden werden. Der Isolator nimmt gleichzeitig die Mittelelektrode und den Anschlußbolzen auf. Die Forderungen nach guter Wärme­leitfähigkeit bei hohem elektrischen lso­liervermögen stehen in starkem Gegen-

satz zu den Eigenschaften der meisten lsolierstoffe. Der von Bosch für den Iso­lator verwendete Werkstoff besteht aus Aluminiumoxid, dem in geringem Anteil andere Stoffe zugemischt sind. Nach­dem diese Spezialkeramik gebrannt und glasiert ist, erfüllt sie die an den Zündker­zenisolator gestellten Forderungen nach hoher lsolierfähigkeit und guter Wärme­leitung sowie nach mechanischer und chemischer Festigkeit.

Bild 1

Aufbau der Zündkerze.

1 Anschlußbolzen mit Anschlußmutter, 2 Isolator aus AI20 3-Keramik, 3 Gehäuse, 4 Warmschrumpfzone, 5 leitendes Glas, 6 Dichtring, 7 Verbundmittelelektrode Ni/Cu, 8 Masseelektrode.

Aufbau

227

Zünd­kerzen

228

Gehäuse

Das Gehäuse ist aus Stahl gefertigt. Es dient zur Befestigung der Zündkerze im Zylinderkopf. Am oberen Teil des Gehäuses befindet sich ein Sechskant zum Ansetzen des Zündkerzenschlüs­sels und im unteren Teil ein Gewinde. Auf der Oberfläche des Gehäuses ist galva­nisch eine Nickelschicht aufgebracht, um Korrosion zu vermeiden, das Gewinde gleitfähig zu halten und um ein Festfres­sen {besonders in Aluminiumzylinder­köpfen) zu verhindern. Die Zündkerze kann je nach Ausführungsform des Gehäuses mit einem Dichtring (Bördel­ring) versehen sein. Nach dem Einsetzen des Isolators in das Zündkerzengehäuse erfolgt das Einbördeln und Einschrump­fen durch induktive Erwärmung unter ho­hem Druck in einem Arbeitsgang.

Elektroden

Der Verschleiß der Elektroden wird auf­grund von Erosion (Abbrand wegen des Zündfunkens) und Korrosion (chemisch­thermische Angriffe) hervorgerufen. Beide Faktoren können in ihrer Auswir­kung auf den Verschleiß nicht getrennt behandelt werden. Der Verschleiß be­wirkt eine Erhöhung der Zündspannung. Weiter wird ein gutes Wärmeableitver­mögen von den Elektroden verlangt. Diese Anforderungen können je nach Betriebsbedingungen und Anwendungs­fall unterschiedliche Elektrodenformen (Bild 2) und Elektrodenwerkstoffe erfor­derlich machen.

Bild2

Elektrodenformen.

Masseelektrode Die Masseelektrode ist am Gehäuse be­festigt und hat vorwiegend einen recht­eckigen Querschnitt. Je nach Art der Anordnung unterscheidet man zwischen Dach- und Seitenelektrode (Bild 3). Für die Dauerstandfestigkeit der Masseelek­trode ist die Wärmeleitfähigkeit mit maß­gebend. Eine verbesserte Wärmeab­führung kann wie bei der Mittelelektrode durch einen Werkstoffverbund erreicht werden (Bild 3a). Darüber hinaus wird die Dauerstandfestigkeit durch das Ver­hältnis der der Wärme ausgesetzten Oberfläche zum wärmeführenden Quer­schnitt bestimmt. Möglichst kleine Abmessungen und be­stimmte Formen der Masseelektrode so­wie eine nur partielle Überdeckung der Mittelelektrode können den Funkenüber­schlag günstig beeinflussen. Günstig wir­ken können außerdem die Oberflächen und Konturen der Flächen, die der Mittel­elektrode zugewandt sind.

Es gibt Zündkerzen mit - unterschiedlich vielen Masseelektro­den und - unterschiedlichen Masseelektroden­Abmessungen. Ein stärkeres Masseelektrodenprofil so­wie Mehrfachmasseelektroden erhöhen somit die Standzeit der Zündkerzen.

Mittelelektrode Die Mittelelektrode von Zündkerzen her­kömmlicher Bauweise (Luftspalt zwi­schen Isolatorfußbohrung und Mittelelek­trode) ist mit einer elektrisch leitenden

a Dachelektrode, b Seitenelektroden, c Gleitfunkenkerze ohne Masseelektrode (Spezialanwendungen).

a b c

Glasschmelze im Isolator gasdicht einge­schmolzen. Die Elektrode hat einen et­was geringeren Durchmesser als die Bohrung im lsolatorfuß. Dies ist notwen­dig, um die unterschiedliche Wärme­ausdehnung zwischen dem Elektroden­material und der Isolatorkeramik zu be­rücksichtigen. Der dadurch entstehende Luftspalt ist eng toleriert und für den Wär­mewert von großer Bedeutung. Die zylindrische Mittelelektrode ragt aus dem Isolatorfuß heraus. Mittelelektroden aus Edelmetallen haben einen kleineren Durchmesser als Verbundelektroden, die ihrerseits aus einem Kupferkern und ei­nem Mantelwerkstoff aus einer Nickel­legierung aufgebaut sind.

Elektrodenabstand Der Elektrodenabstand (EA) ist die kür­zeste Entfernung zwischen Mittelelek­trode und Masseelektrode (Bild 5). Je kleiner der Elektrodenabstand, desto ge­ringer ist der Bedarf an Zündspannung. Bei zu kleinem Elektrodenabstand ist die Zündspannung zwar klein, aber es kön­nen Entflammungsaussetzer auftreten, weil wegen des kurzen Funkens zu wenig Energie an das Gemisch übertragen wird. Ein großer Elektrodenabstand erfordert eine hohe Zündspannung. Dadurch wird zwar die Energie sehr günstig an das Gemisch übertragen, die abnehmende Spannungsreserve erhöht jedoch die Gefahr von Zündaussetzern. Üblich sind Elektrodenabstände von 0,7 .. . 1 ,2 mm (Bild 4). Die genauen, für die jeweiligen Motoren optimalen Elek­trodenabstände werden vom Motorher­steller vorgeschrieben und sind entweder der Betriebsanleitung oder den Zünd­kerzen-Verkaufsunterlagen von Bosch zu entnehmen.

Elektrodenform Die Elektrodenform hat Einfluß auf das Wärmeableitvermögen, die Flammkern­bildung, die Verschleißfestigkeit und den Zündspannungsbedarf. Die Elektrodenform hängt von der Art der Funkenstrecke und der Funkenlage ab.

Zündkerzen mit Verbundelektroden.

a Mit Dachelektrode, b mit Seitenelektroden. 1 Leitendes Glas, 2 Luftspalt, 3 lsolatorfuß, 4 Verbundmittelelektrode, 5 Verbundmasse­elektrode, 6 Masseelektroden.

a b

Zusammenhang zwischen Elektrodenabstand und Zündspannung.

U0 Zündspannungsangebot, Uz Zündspannung, t:.U Zündspannungsreserve.

Bild 5

Elektrodenabstand (EA).

a Bei Dachelektrode, b bei Seitenelektrode.

a b

EA

Aufbau

229

Zünd­kerzen

230

Funkenstrecke

Die gegenseitige Anordnung der Elek­troden bestimmt den Typ der Funken­strecke (Bild 6).

Luftfunkenstrecke Der Zündfunke durchschlägt auf direk­tem Weg zwischen Mittelelektrode und Masseelektrode das Luft-Kraftstoff-Ge­misch, das sich zwischen den Elektroden befindet.

Luftgleitfunkenstrecke Unter bestimmten Bedingungen gleitet der Funke zunächst von der Mittelelek­trode über die Oberfläche der Isolator­fußspitze und springt dann über einen Gasspalt zur Masselektrode. Der Luft­gleitfunke kann bei gleichem Zündspan­nungsangebot größere Elektrodenab­stände überbrücken als ein Luftfunke. Dadurch werden die Entflammungsbe­dingungen verbessert. Bild 6

Funkenstrecke.

a Luftfunkenstrecke, b Luftgleitfunkenstrecke, c Gleitfunkenstrecke

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b

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Gleitfunkenstrecke Die Funktion der Gleitfunkenstrecke ist mit der Luftgleitfunkenstrecke vergleich­bar. Auch hier gleitet der Funke zunächst von der Mittelelektrode über die Ober­fläche der Isolatorfußspitze und springt dann über einen Gasspalt zur Masse­elektrode. Die Masseelektroden sind hier seitlich zur Keramik angeordnet, so daß der Funke nicht alternativ über eine Luft­funkenstrecke überspringen kann.

Funkenlage

Unter der Funkenlage versteht man die Anordnung der Funkenstrecke im Brenn­raum. Die elektrischen Funken sollen dort über­springen, wo die Strömungsverhältnisse besonders günstig sind. Je nach Anord­nung der Elektroden und des Isolators entflammt der elektrische Funke das Luft-Kraftstoff-Gemisch aus mehr oder weniger weit vorstehender Position. Die Funkenlage f wird auf die Stirnseite des Gehäuses bezogen (Bild 7). Die normale Funkenlage beträgt 3 .. . 5 mm. Für Sonderanwendungen gibt es Zündkerzen mit extremer Funken­lage. Als Beispiel finden Zündkerzen mit zurückgezogener Funkenlage in Renn­oder Sondermotoren Verwendung. Die Funkenstrecke liegt im Gehäuse. Somit ist die Wärmeaufnahme aus dem Brennraum deutlich eingeschränkt. Das hat den Vorzug, daß im Rennbetrieb derartige Zündkerzen nicht überhitzt werden.

Bild?

Funkenlage (I).

Elektrodenwerkstoffe

Verbundelektroden Die Nebenschluß-Empfindlichkeit sowie das Korrosionsverhalten von Standard­zündkerzen mit Mittelelektroden aus einer Nickel-Basis-Legierung wurden durch die Entwicklung einer Verbund­mittelelektrode mit Kupferkern deutlich verbessert (Bild 8 a).

Grundsätzlich leiten reine Metalle die Wärme besser als Legierungen. Ande­rerseits reagieren reine Metalle, wie z. B. Nickel, auf chemische Angriffe von Ver­brennungsgasen und festen Verbren­nungsrückständen empfindlicher als Le­gierungen. Aus diesem Grund besteht der Mantel­werkstoff der Verbundelektrode in der Hauptsache aus Nickel, das mit Chrom, Mangan und Silizium legiert ist. Dabei haben hinzulegierte Metalle Son­deraufgaben zu erfüllen. Mangan- und Siliziumzusätze erhöhen z. B. die chemi­sche Beständigkeit vor allem gegen das sehr aggressive Schwefeldioxid (der Schwefel kommt überwiegend aus dem Schmieröl). Nickel-Basis-Legierungen mit Zusätzen aus Silizium, Aluminium und Yttrium ver­bessern darüber hinaus die Zunder- und Oxidationsbeständigkeit. Auch die Masseelektrode, die zur Ein­stellung des Elektrodenabstandes bieg­bar sein muß, kann aus einer Nickel­Basis-Legierung oder einem Verbund­werkstoff bestehen.

BildS

Werkstoffe der Mittelelektroden.

a Verbundwerkstotf, b Silber, c Platin.

a b

Der Verbundaufbau (Kupferkern und Nickelmantel) der Masseelektrode wird so den Forderungen nach hohem Wär­meleitvermögen und hoher Korrosions­festigkeit gerecht.

Silbermittelelektrode Silber weist unter allen Werkstoffen die höchste elektrische und thermische Leit­fähigkeit aus. Es ist darüber hinaus che­misch außerordentlich beständig, sofern bleifreier Kraftstoff verwendet wird. Eine erhebliche Steigerung der Warmfestig­keit wird durch Teilchenverbundwerk­stoffe auf Silberbasis erreicht. Die auf­geführten Eigenschaften von Silber sind maßgebend für die Verwendung als Elektrodenwerkstoff. Die massive Silbermittelelektrode wird mit kleinerem Durchmesser ausgeführt (Bild 8b) . Trotz dieses kleineren Durchmessers lei­tet die Silbermittelelektrode mehr Wärme ab, als dies bei vergleichbaren Nickel­Basis-Elektroden der Fall ist.

Platinmittelelektrode Platin bzw. Platinlegierungen weisen eine sehr gute Korrosions- und Oxida­tionsbeständigkeit sowie eine hohe Ab­brandfestigkeit auf. Sie werden daher als Elektrodenwerkstoffe für "Longlife"­Zündkerzen eingesetzt.

Im Vergleich zur Nickel-Basis-Elektrode kann bei gleicher Beanspruchung eine kleinere Elektrode eingesetzt werden (Bild 8c).

c

Aufbau

231

Zünd­kerzen

232

Wärmewerte der Zündkerze

Betriebstemperatur der Zündkerze

Arbeitsbereich Die im Brennraum befindlichen Teile der Isolatorfußspitze sollen bei Verwendung von bleifreiem Kraftstoff ca. 500 oc nicht unterschreiten, damit die Zündkerze frei­brennt, und im Dauerbetrieb ca. 850 oc nicht überschreiten, um Glühzündungen zu vermeiden (Bild 1 ).

Während des Verbrennungsvorgangs entsteht beim Kaltstart mit unvollstän­diger Verbrennung Ruß. Diese Rück­stände verlassen zwar zum größten Teil mit dem Abgas den Motor, aber im Laufe der Zeit lagert sich im Brennraum und damit auch auf der Zündkerze ein kleiner Teil ab. Diese Rückstände ver­schmutzen den Isolatorfuß und bewirken dadurch eine mehr oder weniger leit­fähige Verbindung zwischen Mittelelek­trode und Zündkerzengehäuse. Dieser "Nebenschluß" leitet einen Teil der Zünd­energie als "Nebenschlußstrom" ab und

Bild 1

Arbeitsbereich von Zündkerzen.

Die Temperatur im Arbeitsbereich sollte bei ver­schiedenen Motorleistungen zwischen 500 und 850 "C am Isolator liegen.

Verrußung

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abgegebene Motorleistung ~

"

schwächt damit den Zündfunken . Wird die Versehrnutzung stärker, so besteht die Möglichkeit, daß kein Zündfunke mehr zustande kommt (Bild 2).

Die Ablagerung von Verbrennungs­rückständen auf dem Isolatorfuß ist stark von dessen Temperatur abhängig und findet vorwiegend unterhalb von ca. 500 oc statt. Bei höherer Temperatur ver­brennen die kohlenstoffhaltigen Rück­stände auf dem lsolatorfuß, so daß kein Nebenschluß entstehen kann. Die Zünd­kerze "reinigt" sich also selbst. Man strebt deshalb eine Betriebstemperatur des Isolatorfußes an, die höher als die "Freibrenngrenze" von ca. 500 oc liegt. Die Freibrenngrenze sollte nach dem Start möglichst schnell erreicht werden .

Als obere Temperaturgrenze sind etwa 900 oc einzuhalten, da sich oberhalb die­ser Temperatur das Luft-Kraftstoff-Ge­misch an den heißen glühenden Zünd­kerzenteilen vorzeitig entzünden kann (G iühzündung). Unkontrollierte Zündun­gen dieser Art belasten den Motor sehr stark und können ihn in kurzer Zeit zer­stören. Aus diesen Gründen ist die Betriebs­temperatur der Zündkerze in den er­wähnten Grenzen zu halten.

Bild 2

Nebenschluß bei verschmutztem Isolatorfuß führt zu verringertem Hochspannungsangebot

----- Nebenschlußstrom.

Thermische Belastbarkeit Die Betriebstemperatur stellt sich als Gleichgewichtstemperatur zwischen Wärmeaufnahme und Wärmeabfuhr ein. Die Zündkerze wird während des Be­triebes im Verbrennungsraum des Mo­tors erhitzt. Das Zündkerzengehäuse hat etwa Zylinderkopftemperatur; die Tem­peratur des Isolators ist erheblich höher.

Ein Teil der von der Zündkerze aufge­nommenen Wärme wird an das ein­strömende Frischgas abgegeben. Der größte Teil wird über die Mittelelektrode und den Isolator auf das Zündker­zengehäuse übertragen und von dort an den Zylinderkopf abgeführt (Bild 3). Die Wärmezufuhr zur Zündkerze ist vom Motor abhängig. Motoren mit hoher spe­zifischer Leistung haben in der Regel höhere Brennraumtemperaturen als Mo­toren mit niedriger spezifischer Leistung. Die Zündkerze muß deshalb in ihrem Wärmeaufnahmevermögen dem Motor­typ entsprechend angepaßt sein . Kennzeichen für die thermische Belast­barkeit der Zündkerze ist der Wärmewert.

Wärmewert und Motor Der Wärmewert ist ein Maß für die ther­mische Belastbarkeit der Zündkerze. Er muß an die Motorcharakteristik angepaßt sein. 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 in dem einen Motor sehr stark erhitzen, in einem anderen Motor dage­gen eine relativ niedrige mittlere Tempe­ratur annehmen. Im ersten Fall würde sich das Luft-Kraft­stoff-Gemisch an den in den Ver­brennungsraum hineinragenden glü­henden Teilen der Zündkerze entzünden (Giühzündung), im anderen Fall wäre die Isolatorfußspitze wegen der Verbren­nungsrückstände sehr bald so stark ver­schmutzt, daß infolge von Neben-

schlüssen Zündaussetzer auftreten wür­den. Ein und dieselbe Zündkerze paßt also nicht für alle Motoren. Um zu verhin­dern, daß die Zündkerze in einem be­stimmten Motor weder zu "heiß" wird noch zu "kalt" bleibt, wurden Zündkerzen mit verschiedenen Belastbarkeilen ge­schaffen. Diese unterschiedlichen Be­lastbarkeiten werden durch den Begriff "Wärmewert" charakterisiert, der jeder Zündkerze zugeordnet ist. Somit wird der Wärmewert zur Kenngröße für die rich­tige Auswahl einer Zündkerze.

Bild 3

Wärmeteilwege in der Zündkerze.

Ein großer Anteil der aus dem Brennraum aufge· nommenen Wärme wird durch Wärmeleitung ab· geführt (geringer Anteil der Kühlung von ca. 20 % durch vorbeiströmendes Frischgemisch ist nicht berücksichtigt).

Wärme­werte

233

Zünd­kerzen

234

Wärmewert und Zündkerze Wärme besser abführen muß, während eine Zündkerze für einen "kalten" Motor mehr Wärme aufnehmen muß, um im Betriebstemperaturbereich zu bleiben. Zur Anpassung der Zündkerze an die verschiedenen Motortypen kann der Wärmewert der Zündkerze insbesondere durch die Gestaltung des Isolatorfußes beeinflußt werden.

Wärmewertanpassung Wie sich gezeigt hat, darf die Zündkerze einen bestimmten Temperaturbereich weder unter- noch überschreiten. Dies bedeutet, daß die Zündkerze für einen "heißen" Motor die auf sie einwirkende

Bild4

Temperaturverhalten von Zündkerzen mit verschiedener Wärmewertkennzahl.

Bei Vollast im gleichen Motor.

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Q) Zündkerze mit hoher Wärmewertkennzahl ("heiße Zündkerze"). Große Isolatorfußfläche nimmt viel Wärme auf. Wärmeableitung gering.

Motor1eistung

® Zündkerze mit mittlerer Wärmewertkennzahl. Isolatorfußfläche geringer als bei "heißer Zündkerze". Weniger Wärmeaufnahme, Wärmeableitung besser.

- wärmeaufnehmende Oberfläche ---- Wärmefeitweg

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® Zündkerze mit niedriger Wärmewertkennzahl ("kalte Zündkerze"). Kleine Isolatorfußfläche nimmt wenig Wärme auf. Wärmeableitung sehr gut.

Einfluß des Isolatorfußes Die Größe der Isolatorfußoberfläche be­stimmt die Wärmeaufnahme. Ist den Ver­brennungsgasen eine große Fläche des Isolatorfußes ausgesetzt - man erreicht dies durch einen langen Isolatorfuß -, so ist seine Erwärmung groß. Umgekehrt ist bei kurzem Isolatorfuß die Fläche klein, was zu geringerer Erwärmung führt. Die Wärmeabfuhr vom Isolatorfuß erfolgt durch die Mittelelektrode und den inne­ren Dichtring zum Zündkerzengehäuse. Diese durch den Dichtring gebildete Wär­meübergangsstelle ist bei langem lso­latorfuß weiter von der heißesten Isola­torfußstelle entfernt als bei kurzem lsola­torfuß. Daraus folgt, daß Zündkerzen mit langem Isolatorfuß mehr Wärme aufneh­men und weniger Wärme abführen kön­nen (also "heißer" sind) als Zündkerzen mit kurzem Isolatorfuß ("kalte Zünd­kerze") . Durch verschiedene Isolatorfußlängen erhält man also eine unterschiedliche Charakteristik, einen unterschiedlichen Wärmewert.

Wärmewert und Wärmewertkennzahl Der Wärmewert einer Zündkerze wird mit Hilfe einer Wärmewertkennzahl be­schrieben. Niedrige Wärmewertkennzahl bedeutet "kalte Zündkerze" mit geringer Wärme­aufnahme durch kurzen lsolatorfuß. Hohe Wärmewertkennzahl bedeutet "heiße Zündkerze" mit hoher Wärme­aufnahme durch langen Isolatorfuß (Bild 4). Um Zündkerzen verschiedenen Wär­mewertes leicht unterscheiden und den entsprechenden Motoren zuordnen zu können, hat man zur Bezeichnung Wär­mewertkennzahlen festgelegt. Sie sind ein Teil der Zündkerzen-TypformeL Niedere Kennzahlen (z. B. 2 . . .4) bedeu­ten "kalte Zündkerzen", hohe Kennzah­len (z. B. 7 . . . 1 0) bedeuten "heiße Zünd­kerzen".

Anpassung von Zündkerzen

Temperatur-Meßzündkerzen

Die geeignete Zündkerze wird gemein­sam vom Motorhersteller und von Bosch festgelegt. Eine erste Aussage zur richtigen Zünd­kerzenauswahl gibt die Temperatur­Meßzündkerze. Mit einem Thermoele­ment in der Mittelelektrode einer Zünd­kerze lassen sich in den einzelnen Zylindern die Temperaturen in Abhängig­keit von Drehzahl und Last aufnehmen. Damit ist auf einfache Art die Bestim­mung des heißesten Zylinders möglich und somit eine Sicherheit für die Zünd­kerzenanpassung gewährleistet (Bild 1 ).

Bild 1

Temperatur-Meßzündkerze.

1 Isolator, 2 Mantelthermoelement, 3 Mittelelektrode, 4 Meßslelle.

Wärme­werte, Anpassung

235

Zünd­kerzen

236

lonenstrom-Meßverfahren

Mit dem lonenstrom-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 Ver­brennungseinleitung des Luft-Kraftstoff­Gemisches zu beurteilen. Dieser Ablauf zeigt charakteristische Veränderungen mit der thermischen Belastung einer Zündkerze (Bild 2). Der Vorteil dieses Verfahrens gegenüber einer reinen Temperaturmessung im Brennraum liegt in der Ermittlung der Entflammungs-Wahrscheinlichkeit, die nicht nur von der Temperatur, sondern auch von den konstruktiven Parametern des Motors und der Zündkerze abhängt.

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). Bild2

Schaltschema der lonenstrommessung.

1 Vom Zündverteiler, 2 lonenstromadapter, 2a Kippdiode, 3 Zündkerze, 4 lonenstromgerät, 5 Oszilloskop.

5

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Unter "Selbstzündung" (auto-ignition) werden Zündungen unabhängig vom Zündfunken verstanden. Treten Entflammungen vor dem elektri­schen Zündzeitpunkt ein, handelt es sich um "Vorentflammungen" (pre-ignition) . Treten Entflammungen nach dem Zünd­zeitpunkt auf, spricht man von "Nachent­flammungen" (post-iginition). Nachent­flammungen sind für den Motorbetrieb unkritisch; dagegen könnten Vorentflam­mungen zu schweren Schäden des Mo­tors führen. Die Anpassung der Zünd­kerze hat so zu erfolgen, daß keine Vor­entflammungen auftreten.

Die Ionenstrommessung bietet Möglich­keiten der Wärmewertanpassung von Zündkerzen an jeden Motor wie auch der Wärmewertmessung in einem Prüfmotor. Zusätzlich gestattet das Bosch-lonen­strom-Meßverfahren, durch ein Aus­tasten des Zündfunkens in gewissen Abständen, Nachentflammungen und deren prozentualen Anteil zur Austast­rate mit der Steigerung der Brennraurn­temperatur (Verstellung des Zündwinkels in Richtung "früh") zu verfolgen (Bild 4) .

Bild 3

Begriffe für die Wärmewertanpassung.

SZ Selbstzündung, OT Oberer Totpunkt, VE Vor­entflammung, NE Nachentflammung, WWR Wärmewertreserve in °KW, ZZP Zündzeitpunkt in oKW vor OT. a., ZündwinkeL

Eine Änderung des Ionenstromverlaufes ermöglicht es, den Übergang von der Nachentflammung zur beginnenden Vor­entflammung exakt zu bestimmen. Damit kann die Maßmethode ebenfalls dazu dienen, einzelne Einflußgrößen bezüg­lich ihrer Tendenz, Glühzündung zu er­zeugen, zu beurteilen . Die Auswahl des für den Motor korrekten Wärmewertes soll an einem Beispiel dargestellt werden: Ionenstrommessung an drei Bosch-Zündkerzen mit unter­schiedlichem Wärmewert mit serien­mäßiger Zündwinkeleinstellung, n = 5000 min-1 (Vollastbetrieb) .

Ionenstrommessung (Beispiel). Zündkerzenserien mit Wärmewertkennzahlen % NE1) VE2) WR9DC 100 ja WR8DC 50 0 WR7DC 0 0 1) NE Nachentflammung 2) VE Vorentflammung

Die Zündkerze mit der höchsten Wär­mewertkennzahl zeigt in diesem Be­triebspunkt bereits 1 00% Nachent­flammung, d. h. bei jedem Austasten des Funkens erfolgt dennoch eine Ent­flammung des verdichteten Luft-Kraft­stoff-Gemisches wegen der zu heißen lsolatorfußoberfläche. Im Einzelfall sind sogar schon Vorentflammungen möglich. Die Zündkerze mit der mittleren Wär­mewertkennzahl zeigt immer noch bei jeder zweiten Austastung eine Entflam­mung, d. h. auch hier ist die Sicher­heitsreserve nicht ausreichend. Bei der Zündkerze mit der niedrigsten Wärmewertkennzahl treten weder Vor­entflammungen noch Nachentflammun­gen auf. Die Temperatur der Isolator­fußoberfläche bleibt so niedrig, daß keine Entflammungen davon ausgehen. Daher wird in diesem Fall diese Zünd­kerze für den Einsatz empfohlen. Da darüber hinaus Vorentflammungen erst mit einer - um zwei Wärmewert­stufen - heißeren Zündkerze auftreten, ist die Wärmewertreserve hinreichend hoch.

Charakteristische lonenstrom-Oszillogramme.

a Normaler Betriebszustand, b ausgetastete Zündung ohne Nachentflammung, c ausgetastete Zündung mit Nachentflammung, d Vorentflammung.

ZZP Zündzeitpunkt

1_ b

IZZP

kh IZZP

Bild4

Die vorstehenden Ausführungen ver­deutlichen, daß Zündkerzen nicht über den Katalog ausgewählt und eingesetzt werden können. Zur Auswahl geeigneter Zündkerzen ist eine enge Zusammenarbeit zwischen Motor- und Zündkerzenhersteller üblich. Für Kraftfahrer sind die Vorschriften der Motorhersteller oder die Empfehlungen in den Verkaufsunterlagen von Bosch bindend. Dies schließt auch Angaben über regionalbedingte Abweichungen in die Wärmewertempfehlungen mit ein. Anpassungsmessungen von Zündker­zen werden vorzugsweise auf dem Motorprüfstand oder im Fahrzeug auf dem Rollenprüfstand vorgenommen.

Meßfahrten zur Ermittlung des heißesten Betriebspunktes bei Vollast über längere Zeit auf öffentlichen Straßen sind natür­lich nicht möglich.

Anpassung

237

Zünd­kerzen

238

Betriebsverhalten der Zündkerze

Veränderungen im Betrieb

Die Zündkerze ist während des Betriebes sowohl dem Verschleiß als auch der Ver­schmutzung ausgesetzt und muß des­halb regelmäßig ersetzt werden. Im Laufe der Betriebszeit treten an der Zündkerze Veränderungen auf, welche den Zündspannungsbedarf erhöhen. Wenn der Zündspannungsbedarf einen Wert erreicht, der durch das Zündspan­nungsangebot nicht mehr gedeckt wer­den kann, kommt es zu Zündaussetzern.

Weiterhin kann die Funktion der Zünd­kerze wegen alterungsbedingter Ver­änderungen im Motor beeinträchtigt werden. Ablagerungen können zu Warmneben­schluß führen und dadurch die Flamm­kernbildung beeinträchtigen. Die Folge davon sind Verbrennungsaussetzer, die mit einem deutlichen Anstieg der Schad­stoffemissionen verbunden sind und zur Schädigung des Katalysators führen können.

Bild 1

Verschleiß an Mittel- und Masseelektroden.

Motorbedingte Einflüsse

Die Alterung des Motors kann Undich­tigkeiten zur Folge haben, die wiederum einen höheren Ölanteil im Verbren­nungsraum nach sich ziehen. Dies führt zu verstärkten Ablagerungen von Ruß, Asche und Ölkohle auf der Zündkerze, die Nebenschlüsse und damit Zündaus­setzer bewirken können.

Elektrodenverschleiß

Merkmale Unter Elektrodenverschleiß versteht man Abtragungen an den Elektroden. Sichtbares Zeichen dafür ist ein mit der Betriebsdauer wachsender Elektroden­abstand. Durch geeignete Wahl der Elek­troden (Material, Geometrie) und des Zündkerzenkonzeptes (Luftgleitfunken) wird der Elektrodenverschleiß möglichst gering gehalten.

Am Elektrodenverschleiß sind zwei Vor­gänge beteiligt: - Funkenerosion und - Korrosion im Brennraum.

Funkenerosion und Korrosion Der Überschlag elektrischer Funken führt zu einer Anhebung der Temperatur der Elektroden. ln Verbindung mit den ag-

a Zündkerze mit Dachelektrode, b Zündkerze mit Seitenelektroden. 1 Mittelelektrode, 2 Masseelektrode.

a b

gressiven Verbrennungsgasen findet bei hoher Temperatur ein deutlicher Ver­schleiß statt. Aufgeschmolzene mikro­skopisch kleine Oberflächenbereiche werden oxidiert oder reagieren mit übri­gen Bestandteilen der Verbrennungs­gase. Die Folge ist ein Metallabtrag, der sich in einer Kantenverrundung sowie in einer Vergrößerung des Elektrodenab­standes zeigt (Bild 1 ).

Zur Minimierung des Elektrodenver­schleißes werden Werkstoffe mit hoher Temperaturbeständigkeit eingesetzt, wie z. B. das Edelmetall Platin.

Anomale Betriebszustände Anomale Betriebszustände können den Motor und die Zündkerze 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 Zündkerze zusätzlich schädigen.

Glühzündung Wegen örtlicher Überhitzung im Vallast­betrieb kann Glühzündung an folgenden Stellen entstehen: - an der Spitze des Isolatorfußes der

Zündkerze, - am Auslaßventil, - an vorstehenden Zylinderkopfdichtun-

gen und - an sich lösenden Ablagerungen.

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.

Klopfende Verbrennung Unter Klopfen versteht man eine unken­trollierte 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 (weiche) Verbren­nung. Es treten Druckschwingungen mit hohen Spitzendrücken und hohen Fre­quenzen auf, die den normalen Druck­verlauf überlagern (Bild 2). Durch das Auftreffen hochfrequenter Druckwellen auf die Brennraumwände wird ein metallisches, klingelndes Ge­räusch hervorgerufen. Als Folge der hohen Druckwellen kommt es zu einer starken mechanischen Über­lastung des Motors, wobei folgende Motorteile besonders gefährdet sind: - Zylinderkopf, - Zündkerze, - Ventile und - Kolben.

Wird das Klopfen nicht bemerkt oder nicht beachtet, dann sind schwere Schäden am Motor unvermeidlich. Das Schadensbild ähnelt dem bei Kavita­tionsschäden, die bei Strömungen mit Ultraschallgeschwindigkeit entstehen. Auswirkungen klopfender Verbrennung sind bei Zündkerzen zuerst an der Ober­seite der Masseelektrode in Form von Grübchenbildung zu erkennen.

Bild2

Druckverlauf im Zylinder.

1 Bei normaler Verbrennung, 2 bei klopfender Verbrennung.

Zeit

Betriebs­verhalten

239

Zünd­kerzen

240

Bauformen

Anwendung Entsprechend der Vielfalt der Einsatz­gebiete gibt es verschiedene Zündker­zenbauformen mit über 1400 Einzelvari­anten für: - Pkw und Nkw, - Zweiräder, - Boote und Schiffe, - Land- und Baumaschinen, - Motorsägen, - Gartengeräte usw.

Dichtsitz

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

Bild 1

Flachdichtsitz mit Dichtring (links) und Kegel­dichtsitz ohne Dichtring (rechts).

SUPER-Zündkerze

SUPER-Zündkerzen (Bild 2) repräsentie­ren den Großteil des Zündkerzen-Pro­gramms von Bosch. Für nahezu jedes Fahrzeug gibt es eine geeignete Varian­te, die mit ihrem speziellen Wärmewert­bereich dem jeweiligen Motor angepaßt ist. Die wesentlichen Merkmale der SUPER­Zündkerze sind: - eine Verbund-Mittelelektrode aus einer

Nickel-Chrom-Legierung mit einge­schlossenem Kupferkern und

- ein bereits ab Werk für den jeweiligen Motor eingestellter Elektrodenabstand.

Der Kupferkern der Mittelelektrode leitet die Wärme gut ab und schützt so vor thermischer Überlastung. Die Nickel­Chrom-Legierung schützt den Kupfer­kern vor Korrosion und gewährleistet Bild2

Die SUPER-Zündkerze von Bosch.

1 Verbund-Mittelelektrode mit Kupferkern.

SUPER

eine hohe Verschleiflbeständigkeit ge­gen Funkenerosion. Je nach Masseelektrodengeometrie und Anstellung bilden sich unterschiedliche Funkenstrecken aus. Die SUPER-Zünd­kerzen lassen sich dabei in drei Katego­rien unterteilen: - Zündkerzen, bei denen sich aus­

schließlich Luftfunken bilden, - Zündkerzen, bei denen sich aus­

schließlich Gleitfunken bilden und - Zündkerzen, bei denen beide Fun­

kenstrecken (Luftgleitfunken) möglich sind.

Die letzten beiden finden zunehmend Verwendung , da hier der Zündfunke den optimalen Weg von der Mittelelektrode zur Masseelektrode wählen kann bzw. größere Elektrodenabstände realisiert werden können, so daß sich die Zündsi­cherheit erhöht.

SUPER 4 Zündkerze

Aufbau Die SUPER 4 Zündkerze von Bosch (Bilder 3 und 4) unterscheidet sich von herkömmlichen Zündkerzen durch - vier symmetrisch angeordnete Masse­

elektroden,

Bild 3

Die SUPER 4 Zündkerze von Bosch.

-eine versilberte Mittelelektrode aus einer Chrom-Nickel-Legierung mit ein­geschlossenem Kupferkern und

-einen bereits für die gesamte Nut­zungsdauer eingestellten Elektrode abstand.

Arbeitsweise

Funkenstrecke Der Funke entzündet das Luft-Kraftstoff­Gemisch bei Zündkerzen mit vier Mas­seelektroden prinzipiell genauso wie bei jenen mit zwei Masseelektroden, d.h. entweder als Luft- oder als Luftgleit­funke. Bei den vier Masseelektroden der SUPER 4 Zündkerze ergeben sich da­durch acht mögliche Funkenstrecken. Welche dieser Funkenstrecken gewählt wird, ist normalerweise rein zufällig (Bild 5) . Die Funken verteilen sich gleich­mäßig um den lsolatorfuß. Bild4

Aufbau der SUPER 4 Zündkerze von Bosch.

1 Anschlußbolzen, 2 Isolator, 3 Gehäuse, 4 Glasschmelze, 5 Mittelelektrode, 6 Masse· elektroden (nur zwei von vier Elektroden abgebildet).

Bauformen

241

Zünd­kerzen

242

Ist der Isolatorfuß aber an einer Stelle verunreinigt (z.B. mit Ruß) , so gleitet der Funke bevorzugt über diese Verun­reinigung und springt von dort zur nächstliegenden Masseelektrode (Bild 6). ln diesem Fall brennt der Funke gleichzeitig die Verunreinigung ab.

Gleichmäfliger Elektrodenverschleiß Da die Wahrscheinlichkeit der Funken­ausbreitung für alle Elektroden gleich ist, verteilt sich der Verschleiß der Mas­seelektroden gleichmäßig auf alle vier Elektroden. Der in der Glasschmelze realisierte ohmsehe Widerstand verrin­gert den Abbrand und trägt damit zu ei­ner Verminderung des Elektrodenver­schleißes bei .

Wärmebereich Die versilberte Mittelelektrode leitet die Wärme gut ab. Die Gefahr von Glüh­zündungen wegen Überhitzung wird da­durch geringer und der sichere Arbeits­bereich zu höheren Temperaturen erwei­tert. Durch die Gleitfunkenbildung erfolgt die Selbstreinigung auch bei niedrigen Temperaturen. Die SUPER 4 Zündkerze deckt damit mindestens zwei Wärmewertbereiche von herkömmlichen Zündkerzen ab. Da­mit können mit relativ wenigen Zünd­kerzentypen viele Fahrzeuge (auch jene mit konventioneller Zündkerzentechnik) bei der Wartung nachgerüstet werden.

Bild 5

Mögliche Funkenstrecken.

1 Luftlunke, 2 Luftgleitfunke.

Zündkerzenwirkungsgrad Durch die dünn ausgestalteten Mas­seelektroden der SUPER 4 Zündkerze wird dem Zündfunken weniger Energie entzogen, als dies bei herkömmlichen Zündkerzen der Fall ist. Der Zündker­zenwirkungsgrad steigt, denn dem Luft­Kraftstoff-Gemisch steht für jede Zün­dung eine bis zu 40% höhere Zündener­gie zu Verfügung (Bild 7).

Entflammungswahrscheinlichkeit Mit zunehmender Luftzahl (mageres Ge­misch, A. > 1) sinkt die Wahrscheinlichkeit, daß das Gemisch sicher entflammt wer­den kann 1) . ln Laborerprobungen wurde mit der SUPER 4 Zündkerze bis A. = 1 ,55

Bild6

Funkenstrecke bei Verunreinigung des lsolatorfußes.

1 Verunreinigung am lsolatorfuß.

Bild 7

Zündkerzenwirkungsgrad.

1 herkömmliche Zündkerze, 2 SUPER 4 Zündkerze von Bosch.

OL-------------------~ Leerfaul Teillast --. Vo llast

eine sichere Entflammung des Gemischs gewährleistet, während bei Standard­Zündkerzen in diesem Bereich bereits mehr als die Hälfte aller Zündungen das Gemisch nicht mehr entflammt (Bild 8).

Vorteile Die SUPER 4 Zündkerze hat gegenüber herkömmlichen Zündkerzen folgende verbesserte Eigenschaften: - größere Entflammungssicherheit durch

acht mögliche Funkenstrecken, - Selbstreinigung durch Gleitfunken­

technikund - erweiterter Wärmewertbereich.

Dadurch konnte die Typenvielfalt ver­ringert werden. Derzeit decken nur 15 verschiedene Typen den größten Teil des Bedarfs in Europa ab. Bei her­kömmlichen Zündkerzen sind hierzu na­hezu 80 verschiedene Typen notwendig. Die SUPER 4 Zündkerze kann auch in älteren Fahrzeugen verwendet werden, so daß auch diese die Vorteile moderner Zündkerzentechnik nutzen können

1) Die Luftzahl bzw. das Luft-Kraftstoff-Verhältnis A. (Lambda) gibt an, wieweit das tatsächlich vorhan­dene Luft-Kraftstoff-Gemisch vom theoretisch not­wendigen abweicht:

A. zugeführte Luftmasse theoretischer Luftbedarf

Bild 8

Einfluß der Gemischzusammensetzung auf die Entflammungswahrscheinlichkeit.

1 Herkömmliche Zündkerze, 2 SUPER 4 Zündkerze von Bosch .

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"' E w 0 1,4 1,5 1,8 1,9

Verhalten bei Kaltstarts Wegen des verbesserten Niedertempe­raturverhaltens und der Selbstreinigung sind bis zu dreimal mehr Kaltstarts mög­lich (Starten ohne den Motor warm­zufahren) als mit herkömmlichen Zünd­kerzen. Erst dann zeigt die SUPER 4 Zündkerze die normalen Verschleißer­scheinungen.

Umwelt- und Katalysatorschutz Das verbesserte Kaltstartverhalten und die größere Entflammungssicherheit auch in der Warmlaufphase senken den Anteil an unverbranntem Kraftstoff und mindern dadurch die HG-Emissionen. Dadurch wird auflerdem die Lebens­dauer des Katalysators verlängert.

Verbesserte Beschleunigung Eine Gemischabmagerung tritt im Fahr­betrieb vor allem bei starkem Beschleu­nigen auf. Die SUPER 4 Zündkerze von Bosch mit erhöhter Entflammungswahr­scheinlichkeit verhindert mögliche Zünd­aussetzer und gewährleistet damit eine kontinuierliche Beschleunigung. Im Versuch ergab eine Beschleunigung von 30 auf 120 km/h im dritten bzw. im vierten Gang jeweils einen um 0,4 s ver­besserten Wert. Die Beschleunigungs­strecke (Bild 9) verkürzt sich damit um fünf Meter; die Sicherheit für Fahrer und Insassen beim Überholen wächst.

Bild9

Zeitvergleich bei Beschleunigung von 30 auf 120 km/h im 3. bzw. 4. Gang.

Mit herkömmlichen Zündkerzen, ~ mit SUPER 4 Zündkerzen von Bosch.

4. 30,8

Gang 30,4

3. Gang

~----------------~

0 22 24 26 28 30s Zeit für Beschleunigung

Bauformen

243

Zünd­kerzen

244

Platin plus 4 Zündkerze

Aufbau Die Platin plus 4 Zündkerze von Bosch (Bild 1 0) ist die neueste Weiterentwick­lung der zuvor beschriebenen Zündker­zen. Der Aufbau dieser Gleitfunken­Zündkerze unterscheidet sich von her­kömmlichen Zündkerzen durch - vier symmetrisch angeordnete Masse­

elektroden mit Doppelbiegung, - eine dünne Mittelelektrode aus Platin, - einen geometrisch verbesserten Kon-

taktstift aus einer speziellen Legierung, - eine neu entwickelte Isolatorkeramik

mit hoher elektrischer Durchschlag­festigkeit und

- eine funktionell verbesserte Form des lsolatorfu ßes.

Arbeitsweise

Funkenstrecke Der Zündfunke wird im Prinzip wie bei al­len anderen Zündkerzen erzeugt: Durch die anliegende Hochspannung bilden sich auf der Oberfläche der Mittelelek­trode starke Feldüberhöhungen, die an der Stelle mit der größten Feldstärke zu einem Funkendurchbruch führen. Der Funke der Platin plus 4 Zündkerze gleitet jedoch im Gegensatz zu Zündkerzen mit reiner Luftfunkenstrecke zuerst über die Oberfläche des lsolatorfu ßes und springt dann über einen Luftspalt zur Masse­elektrode (Gieitfunkenstrecke) .

Gleichmäßiger Elektrodenverschleiß Ein überschlagender Funke wählt den Weg des geringsten Widerstandes und sucht sich daher jene Masseelektrode aus, die seinem Entstehungspunkt am nächsten liegt. Während der Motorlauf­zeit tritt der Verschleiß jedoch gleich­mäßig verteilt an den vier Elektroden auf, so daß sich lange Intervalle für den Zündkerzenwechsel ergeben. Sowohl der abbrandfeste Platinstift der Mittel­elektrode als auch der verbesserte Werk­stoff der vier Masseelektroden tragen zu den hohen Standzeiten bei. Der in der Glasschmelze realisierte ohmsehe Wi-

derstand vermindert die kapazitive Entla­dung, so daß die Funkenerosion eben­falls vermindert wird. Der Vergleich in Bild 11 zeigt, daß der ge­ringe Elektrodenverschleiß der Platin plus 4 Zündkerzen während einer Motor­laufzeit von 800 h auf einem Motorprüf­stand (entspricht über 100 000 km im realen Fahrbetrieb) zu einer weit gerin­geren Zunahme des Zündspannungs­bedarfs führt als bei Zündkerzen mit Luft­funkenstrecke. Die Bilder 12 und 13 zei­gen zusätzlich die "Kerzengesichter" einer Platin plus 4 Zündkerze im Neuzu­stand und nach der Motorlaufzeit von 800 h, wobei der geringe Elektrodenver­schleiß nach Dauerlaufende deutlich er­kennbar ist.

Bild 10

Aufbau der Platin plus 4 Zündkerze von Bosch.

1 Anschlußbolzen , 2 Isolator, 3 Gehäuse, 4 Warmschrumpfzone, 5 Dichtring, 6 Glasschmelze, 7 Kontaktstift, 8 Platinstift (Mittelelektrode), 9 Masseelektroden (nur zwei von vier Elektroden abgebildet).

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Entflammungssicherheit Der sehr große Elektrodenabstand (EA) von 1 ,6 mm verschafft der Platin plus 4 Zündkerze eine hervorragende Entflam­mungssicherheit. Außerdem sind die vier Masseelelektroden gegenüber dem Brennraum des Motorzylinders so gün­stig angeordnet, daß keine "Abdeckung" des Zündfunkens erfolgt und sich des­halb das Luft-Kraftstoff-Gemisch unge­hindert entzünden kann.

Kaltstarteigenschaften Die guten Kaltstarteigenschaften der Pla­tin plus 4 Zündkerze beruhen auf dem Gleitfunkenprinzip. Die Gleitfunken sor-

-höhere Anzahl von möglichen Start­wiederholungen bei Kälte,

-sehr gute Entflammungseigenschaften und daher eine entscheidend verbes­serte Laufruhe des Motors,

-kontinuierliche Kraft- bzw. Leistungs­entfaltung während der Beschleuni­gungsphase.

gen für eine ständige Selbstreinigung: Kerzengesicht einer Platin plus 4 Zündkerze sie brennen den auf der Isolator- im Neuzustand.

aberfläche niedergeschlagenen Ruß ab. Deshalb kann mit Platin plus 4 Zünd­kerzen im Vergleich zu Zündkerzen mit Luftfunken ein verbessertes Verhalten bei Kaltwiederholstarts erreicht werden.

Vorteile Die Platin plus 4 Zündkerze zeichnet sich durch verschiedene Eigenschaften aus, die sie besonders für Langzeit­anwendungen geeignet macht: -hohe Elektroden- und Keramikstand­

zeiten verlängern die Zündkerzen­Wechselintervalle bis zu 1 00 000 km,

Bild 11

Zunahme des Zündspannungsbedarfs während der Motorlaufzeit

1 Zündkerze mit Luftfunken (EA = 0,7mm), 2 Platin plus 4-Zündkerze mit Gleitfunken

(EA = 1,6 mm) .

kv ~---------------------.

15L-----~--~L---~L---~ 0 200 800h ~

Motorlaufzeit l<l ::;: ::>

Kerzengesicht einer Platin plus 4 Zündkerze nach einer Laufzeit von 800h.

Bauformen

245

Zünd­kerzen

246

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 für Motorsport Motoren für Sportfahrzeuge sind wegen des ständigen Vollastbetriebes hohen thermischen Belastungen ausgesetzt. Zündkerzen für diese Betriebsverhält­nisse haben meist Edelmetallelektroden (Silber, Platin) und einen kurzen lsola­torfuß. Die Wärmeaufnahme dieser Zündkerzen ist durch den Isolatorfuß sehr gering, die Wärmeabfuhr durch die Mittelelektrode hoch (Bild 14).

Zündkerzen mit Widerstand Durch einen Widerstand in der Zuleitung zur Funkenstrecke der Zündkerzen kann

Bild 14

Zündkerze für Motorsport.

1 Silber-Mittelelektrode, 2 Kurzer Isolator.

die Weiterleitung der Störimpulse auf die Zündleitungen und damit die Störab­strahlung verringert werden. Durch den geringen Strom in der Bogenphase des Zündfunkens wird auch die Elektroden­erosion verringert. Der Widerstand wird durch die Spezialglasschmelze zwischen Mittelelektrode und Anschluflbolzen ge­bildet. Der notwendige Widerstand der Glasschmelze wird durch entsprechende Zusätze erreicht.

Vollgeschirmte 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 Inneren des Isolators. Die abge­schirmte Zündleitung wird mit einer Über­wurfmutter auf der Hülse befestigt. Voll­geschirmte Zündkerzen sind wasserdicht (Bild 15).

Bild 15

Vollgeschirmte Zündkerze.

1 Spezialglas­schmelze (Entstör­widerstand) , 2 Zündkabel­anschluß, 3 Abschirm­hülse.

Typformel

Die Kennzeichnung der Zündkerzenty­pen wird durch eine Typformel festgelegt (Bild 16). ln der Typformel sind alle Zünd­kerzenmerkmale enthalten - mit Aus­Bild 16

nahme des Elektrodenabstandes. Dieser wird zusätzlich auf der Verpackung ange­geben. Die für den jeweiligen Motor pas­sende Zündkerze ist vom Motorhersteller und von Bosch vorgeschrieben bzw. empfohlen.

Typformelschlüssel für Bosch·Zündkerzen (Maße in mm).

M fOr Motorspott

R mit EnlstörMderstand

S IOr Kleinmoloren

Gewindelänge Funkenlage

'GewindeiAnge bei Ku!'lgewinde D~ZOndk&rzen; 10.9 mm

cf:"pfer

Bauformen

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Zünd­kerzen

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Praxis

Zündkerzenmontage Bei richtiger Montage und bei richtiger Typauswahl ist die Zündkerze ein zuver­lässiger Bestandteil der Zündanlage. Ein Nachjustieren des Elektrodenab­standes wird nur bei Zündkerzen mit Dachelektroden empfohlen. Bei Zünd­kerzen mit Luftgleitfunkenstrecke sollte die Masseelektrode nicht nachjustiert werden.

Ausbau Beim Ausbau schraubt man die Zünd­kerze zunächst einige Gewindegänge heraus. Dann wird die Zündkerzenmulde mit Druckluft oder einem Pinsel gereinigt, damit keine Schmutzteilchen in das Ge­winde des Zylinderkopfes oder in den Verbrennungsraum gelangen können. Erst dann wird die Zündkerze ganz her­ausgeschraubt. Schwergängige Zündkerzen schraubt man nur wen.ig heraus, um eine Be­schädigung des Gewindes im Zylinder­kopf zu vermeiden. Dann läßt man Öl oder ein ölhaltiges Lösungsmittel auf die Gewindegänge tropfen, dreht die Zünd­kerze wieder hinein und versucht, sie nach kurzer Einwirkungszeit vollständig herauszuschrauben.

Einbau Beim Einbau der Zündkerze im Motor ist folgendes zu beachten: - Die Auflageflächen an der Zündkerze und am Motor müssen sauber sein. Tabelle 1

Anziehdrehmomente.

- Bosch-Zündkerzen sind mit einem Korrosionsschutzöl behandelt, so daß kein zusätzliches Schmiermittel not­wendig ist. Ein Festbrennen ist nicht möglich, weil die Gewindegänge ver­nickelt sind. Zündkerzen sollen möglichst mit einem Drehmomentschlüssel unter Einhalten des in der Tabelle 1 angegebenen An­ziehdrehmoments festgezogen werden. Das Drehmoment wird beim Anziehen der Zündkerze vom Sechskant ausge­hend auf Dichtsitz und Gewinde über­tragen. Wenn wegen eines zu starken Anzieh­drehmoments oder wegen Verkanten eines Zündkerzenschlüssels das Zünd­kerzengehäuseverzogen wird, kann sich der Isolator lockern. Dadurch ist der Wärmehaushalt der Zündkerze gestört, und es kann zu Motorschädigungen kommen. Deshalb darf das Anziehdreh­moment einen bestimmten Wert nicht überschreiten. Die Anziehdrehmomente gelten für Zündkerzen im Neuzustand, also für leicht eingeölte Zündkerzen. ln der Praxis wird oftmals ohne Dreh­momentschlüssel gearbeitet. Dadurch werden die Zündkerzen meistens viel zu stark angezogen. Bosch empfiehlt des­halb, nach folgenden Faustregeln vor­zugehen: 1. Die Zündkerze von Hand in das ge­säuberte Gewinde einschrauben, bis es von Hand nicht mehr weitergeht, dann Zündkerzenschlüssel aufsetzen, wobei nun unterschieden wird zwischen: - Neuen Zündkerzen mit Flachdichtsitz, die nach erster Drehhemmung um ca. 90° weiterzudrehen sind (Bild 1),

~u~- --·-~-

Zündkerzen- Gewinde Zylinderkopfwerkstoff Dichtsitz Gußeisen Leichtmetall

Drehmoment (N · m) Drehmoment (N · m) Zündkerze mit M 10x1 10 ... 15 10 ... 15 Flachdichtsitz M 12x1,25 15 ... 25 15 ... 25

M 14x1,25 20 ... 40 20 ... 30 M 18x1,5 30 ... 45 20 ... 35

Zündkerze mit M 14x1,25 20 ... 25 15 ... 25 Kegeldichtsitz M 18x1 ,5 20 ... 30 15 ... 23

- gebrauchten Zündkerzen mit Flach­dichtsitz, die um so viel Grad weiterzu­drehen sind, wie es einer Uhrzeigerbe­wegung von ca. 5 Minuten oder einem Winkel von ca. 30° entspricht und - Zündkerzen mit Kegeldichtsitz, die um so viel Grad weiterzudrehen sind, wie es einer Uhrzeigerbewegung von 2 bis 3 Mi­nuten oder einem Winkel von ca. 15° ent­spricht (Bild 2) .

2. Steckschlüssel sollen beim Festzie­hen oder Lösen der Zündkerze nicht

schräg gehalten werden; der Isolator wird sonst abgedrückt oder zur Seite gedrückt, und die Zündkerze wird un­brauchbar.

3. Bei Steckschlüsseln mit losem Dorn muß das Loch für den Dorn oberhalb der Zündkerze liegen, damit der Dorn voll durch den Steckschlüssel geschoben werden kann. Bei tiefer liegendem Loch und nur kurz eingestecktem Dorn wird die Zündkerze beschädigt.

Praxis

249

Zünd­kerzen

250

Fehler und ihre Folgen

Grundsätzlich dürfen für einen bestimm­ten Motortyp nur die vom Motorhersteller freigegebenen oder von Bosch empfohle­nen Zündkerzen verwendet werden. Um eine falsche Auswahl von vornherein auszuschließen, sollte ein Kraftfahrer den Fachmann eines Bosch-Dienstes zur Be­ratung heranziehen. Außerdem geben Kauf- und Orientierungshilfen wie Kata­loge, Warenträger mit Informationstafeln oder Verwendungsübersichten die ge­wünschten Auskünfte. Bei Verwendung ungeeigneter Zünd­kerzentypen können schwere Motor­schäden entstehen. Die am häufigsten vorkommenden Fehler sind: - falsche Wärmewertkennzahl, - falsche Gewindelänge oder - Manipulation am Dichtsitz.

Falsche Wärmewertkennzahl Die Wärmewertkennzahl muß unbedingt mit der Zündkerzenvorschrift des Motor­herstellers oder der Empfehlung von Bosch übereinstimmen. Glühzündungen können die Folge sein, wenn Zündkerzen mit einer anderen als für den Motor vorgeschriebenen Wär­mewertkennzahl verwendet werden.

Falsche Gewindelänge Die Gewindelänge der Zündkerze muß der Gewindelänge im Zylinderkopf ent­sprechen. Ist das Gewinde zu lang, dann ragt die Zündkerze zu weit in den Verbren­nungsraum. Folgen: - eine Beschädigung des Kolbens ist

möglich, - das Verkoken der Gewindegänge der

Zündkerze kann ein Herausschrauben unmöglich machen oder

- ein Überhitzen der Zündkerze. Ist das Gewinde zu kurz, so ragt die Zündkerze nicht weit genug in den Verbrennungsraum. Folgen:

- schlechtere Gemischentflammung, - Zündkerze erreicht ihre Freibrenn-

temperatur nicht und - die unteren Gewindegänge im Zylin­

derkopf verkoken.

Manipulation am Dichtsitz Bei Zündkerzen mit Kegeldichtsitz darf weder eine Unterlegscheibe noch ein Dichtring verwendet werden. Bei Zünd­kerzen mit Flachdichtsitz darf nur der an der Zündkerze befindliche "unver­lierbare" Dichtring verwendet werden. Er darf nicht entfernt oder durch eine Unterlegscheibe ersetzt werden. Ohne Dichtring ragt die Zündkerze zu weit in den Verbrennungsraum. Deshalb ist der Wärmeübergang vom Zündker­zengehäuse zum Zylinderkopf beein­trächtigt und der Zündkerzensitz dichtet schlecht. Wird ein zusätzlicher Dichtring verwen­det, so ragt die Zündkerze nicht tief genug in die Gewindebohrung, und der Wärmeübergang vom Zündkerzen­gehäuse zum Zylinderkopf ist ebenfalls beeinträchtigt.

Zündkerzengesichter

Zündkerzengesichter geben Aufschluß über das Betriebsverhalten von Motor und Zündkerze. Das Aussehen von Elektroden und Iso­latoren der Zündkerze - des "Zündker­zengesichtes" - gibt Hinweise auf das Betriebsverhalten der Zündkerze sowie auf die Gemischzusammensetzung und den Verbrennungsvorgang des Motors (Bilder 3 bis 5).

Das Beurteilen der Zündkerzengesichter ist damit ein wesentlicher Bestandteil der Motordiagnose. Eine verläßliche Aus­sage ist allerdings an die folgende wich­tige Voraussetzung gebunden: Bevor die Zündkerzengesichter beurteilt werden können, muß man das Kraftfahrzeug fah­ren. Ein vorausgehender längerer Leer­lauf, insbesondere dann, wenn der Motor kalt gestartet wurde, kann dazu führen, daß sich Ruß niederschlägt und so das "wahre Zündkerzengesicht" verdeckt. Das Fahrzeug sollte über eine Strecke von 10 km gefahren werden. Dabei muß der Motor mit wechselnden Drehzahlen im mittleren Leistungsbereich betrieben werden. Ein längerer Leerlauf vor dem Abstellen des Motors ist zu vermeiden.

Bild 3

Zündkerzengesichter, Teil 1.

CD Normal. Isolatorfuß von grauweißer-graugelber bis reh­brauner Farbe. Motor in Ordnung. Wärmewert richtig gewählt. Gemischeinstellung und Zündeinstellung sind einwandfrei , keine Zündaussetzer. Kaltstartein­richtung funktioniert. Keine Rückstände von bleihaltigen Kraftstoff­zusätzen oder Legierungsbestandteilen vom Motoröl. Keine thermische Überlastung.

@ Verrußt. lsolatorfuß, Elektroden und Zündkerzen­gehäuse mit samtartigem, stumpfschwarzem Ruß bedeckt. Ursache: Fehlerhafte Gemischeinstellung (Vergaser, Einspritzung): Gemisch zu fett, Luft­filter stark verschmutzt, Startautomatik nicht in Ordnung oder Starterzug (Choke) zu lang ge­zogen, überwiegend Kurzstreckenverkehr, Zünd­kerze zu kalt, Wärmewertkennzahl zu niedrig. Auswirkung: Zündaussetzer, schlechtes Kalt­startverhalten. Abhilfe: Gemisch und Starteinrichtung richtig einstellen, Luftfilter prüfen.

@Verölt. lsolatorfuß, Elektroden und Zündkerzengehäuse mit ölglänzendem Ruß oder Ölkohle bedeckt. Ursache: Zu viel Öl im Verbrennungsraum. Ölsland zu hoch, stark verschlissene Kolben­ringe, Zylinder und Ventilführungen. Bei Zweitakt-Ottomotoren zu viel Öl im Gemisch. Auswirkung: Zündaussetzer, schlechtes Startverhalten. Abhilfe: Motor überholen, richtiges Öl-Kraftstoff­Gemisch, neue Zündkerzen.

@ Verbleiung. Isolatorfuß weist stellenweise braungelbe Glasur auf, die auch ins Grünliche gehen kann. Ursache: Bleihaltige Kraftstoffzusätze. Die Glasur entsteht bei hoher Motorbelastung nach längerem Teillastbetrieb. Auswirkung: Bei höherer Last wird Belag elektrisch leitend und bewirkt Zündaussetzer. Abhilfe: Neue Zündkerzen, Reinigung ist zwecklos.

Praxis

251

Zünd­kerzen

252

Bild4

Zündkerzengesichter, Teil 2.

@ Starke Verbleiung. Isolatorfuß weist stellenweise dicke braungelbe Glasur auf, die auch ins Grünliche gehen kann. Ursache: Bleihaltige Kraftstoffzusätze: Die Glasur entsteht bei hoher Motorbelastung nach längerem Teillastbetrieb. Auswirkung: Bei höherer Last wird Belag elektrisch leitend und bewirkt Zündaussetzer. Abhilfe: Neue Zündkerzen. Reinigung ist zwecklos.

® Aschebildung. Starker Aschebelag aus Öl- und Kraftstoff­zusätzen auf dem lsolatorfuß, im Atmungsraum (Ringspalt) und auf der Masseelektrode. Lockerer bis schlackenähnlicher Aufbau . Ursache: Legierungsbestandteile insbesondere aus Öl können diese Asche im Brennraum und auf dem Kerzengesicht hinterlassen. Auswirkung: Kann zu Glühzündungen mit Leistungsverlust und zu Motorschäden führen . Abhilfe: Motor in Ordnung bringen. Neue Zünd­kerzen, eventuell anderes Öl verwenden.

® Angeschmolzene Mittelelektrode. Mittelelektrode angeschmolzen, blasige, schwammartige, erweichte lsolatorfußspitze. Ursache: Thermische Überlastung aufgrund von Glühzündungen. Zum Beispiel wegen zu früher Zündeinstellung, Verbrennungsrückständen im Brennraum, defekter Ventile, schadhafter Zünd­verteiler und unzureichender Kraftstoffqualität Eventuell Wärmewert zu niedrig. Auswirkung: Zündaussetzer, Leistungsverlust (Motorschäden). Abhilfe: Motor, Zündung und Gemischaufberei­tung überprüfen. Neue Zündkerze mit richtigem Wärmewert.

® Abgeschmolzene Mittelelektrode. Mittelelektrode abgeschmolzen, Masseelektrode gleichzeitig stark angegriffen. Ursache: Thermische Überlastung aufgrund von Glühzündungen. Zum Beispiel wegen zu früher Zündeinstellung, Verbrennungsrückständen im Brennraum, defekter Ventile, schadhafter Zünd­verteiler und unzureichender Kraftstoffqualität Auswirkung: Zündaussetzer, Leistungsverlust, eventuell Motorschaden. Isolatorfußriß wegen überhitzter Mittelelektrode möglich. Abhilfe: Motor, Zündung und Gemischaufberei­tung überprüfen. Neue Zündkerzen.

Bild 5

Zündkerzengesichter, Teil 3.

@ Angeschmolzene Elektroden. Blumenkohlartiges Aussehen der Elektroden. Eventuell Niederschlag von kerzenfremden Materialien. Ursache: Thermische Überlastungaufgrund von Glühzündungen. Zum Beispiel wegen zu früher Zündeinstellung. Verbrennungsrückständen im Brennraum, defekter Ventile, schadhafter Zünd­verteiler und unzureichender Kraftstoffqualität Auswirkung: Vor Totalausfall (Motorschaden) tritt Leistungsverlust auf. Abhilfe: Motor, Zündung und Gemischaufberei­tung überprüfen. Neue Zündkerzen.

@starker Verschleiß der Mittelelektrode. Ursache: Zündkerzen-Wechselintervall nicht beachtet. Auswirkung: Zündaussetzer, besonders beim Beschleunigen (Zündspannung für großen Elektrodenabstand nicht mehr ausreichend) . Schlechtes Startverhalten. Abhilfe: Neue Zündkerzen.

@ Starker Verschleiß der Masseelektrode. Ursache: Aggressive Kraftstoff- und Ölzusätze. Ungünstige Strömungseinflüsse im Brennraum, eventuell aufgrund von Ablagerungen. Motor­klopfen. Keine thermische Überlastung. Auswirkung: Zündaussetzer, besonders beim Beschleunigen (Zündspannung für große Elektrodenabstand nicht mehr ausreichend). Schlechtes Startverhalten. Abhilfe: Neue Zündkerzen.

@ lsolatorfußbruch. Ursache: Mechanische Beschädigung (z. B. Schlag, Fall oder Druck auf die Mittel ­elektrode bei unsachgemäßer Handhabung). ln Grenzfällen kann aufgrundvon Ablagerungen zwischen Mittelelektrode und Isolatorfuß und durch Korrosion der Mittelelektrode der Isolator­fuß (besonders bei überlanger Betriebsdauer) gesprengt werden. Auswirkung: Zündaussetzer. Zündfunke springt an Stellen über, die durch Frischgemisch nicht sicher erreicht werden. Abhilfe: Neue Zündkerzen.

Praxis

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M-Motronic

254

Motormanagement M-Motronic

Gesamtsystem M-Motronic

Systemübersicht Die M-Motronic vereinigt in nur einem Steuergerät die gesamte Elektronik der Motorsteuerung, die alle am Ottomotor gewünschten Stelleingriffe vornimmt. Meßfühler (Sensoren) am Motor erfas­sen die dazu notwendigen Betriebs­daten, z. B. Schalteingänge wie: - Zündung (EIN/AUS), - Nockenwellenstellung, - Fahrgeschwindigkeit, - Fahrstufe, - Getriebeeingriff, - Klimaanlage usw.

oder Analogeingänge wie: - Batteriespannung, - Motortemperatur, - Ansauglufttemperatur, - Luftmenge, - Drosselklappenwinkel, - Lambda-Sonde, - Klopfsensor usw. und die - Drehzahl.

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 diese Signale und steuern Stellglieder an, die den Motor steuern. Damit kann ein optimales Zusam­menwirken von Einspritzung, bester Kraftstoffaufbereitung und richtigem Zündzeitpunkt bei den verschiedenen Betriebszuständen des Ottomotors ver­wirklicht werden.

M-Motronic-Ausführungen

Die nachfolgende Beschreibung mit den zugehörigen Abbildungen bezieht sich auf eine typische M-Motronic-Aus­führung (Bild 1 ). Weitere Motronic-Vari­anten sind auf die individuellen Anforde­rungen, die die Gesetzgebung verschie­dener Länder und die Automobilhersteller an ein Motorsteuerungssystem stellen, abgestimmt.

Grundfunktion Die Steuerung von Zündung und Ben­zineinspritzung bildet (unabhängig von der Ausführung) grundsätzlich den Kern des M-Motronic-Systems. Die Kapitel Be­triebsdatenerfassung und -Verarbeitung beschreiben die Erfassung und Verar­beitung der gemessenen Informationen.

Zusatzfunktionen Weitere Steuer- und Regelfunktionen -notwendig geworden durch die Gesetz­gebung zur Senkung der Abgasemis­sionen und die Verringerung des Kraft­stoffverbrauchs - erweitern die Grund­funktion der M-Motronic und gestatten eine Überwachung aller Einflüsse auf die Zusammensetzung der Abgase. Dazu gehören: - Leerlaufdrehzahlregelung, - Lambda-Regelung, - Steuerung des Kraftstoffverdun-

stungs-Rückhaltesystems, - Klopfregelung, - Abgasrückführung zur Senkung von

NOx-Emissionen und - Steuerung des Sekundärluftsystems

zur Senkung von HG-Emissionen. Bei erhöhten Anforderungen der Auto­mobilhersteller kann das System zu­sätzlich noch durch folgende Funktionen ergänzt werden:

- Steuerung des Turboladers sowie der Saugrohrumschaltung zur Leistungsstei­gerung des Motors, - Nockenwellensteuerung zur Senkung der Abgasemissionen und des Kraftstoff­verbrauchs sowie der Leistungssteige­rung und - Klopfregelung sowie Drehzahlbegren­zung und Geschwindigkeitsbegrenzung zum Schutz von Motor und Fahrzeug.

Fahrzeugmanagement Die M-Motronic unterstützt die Steuerge­räte anderer Fahrzeugsysteme. Sie er­möglicht damit unter anderem im Verbund mit dem Steuergerät des Automatikgetrie­bes ein Schalten , das durch Momentenre-

Sild 1

duzierung beim Schaltvorgang das Getriebe schont, und zusammen mit dem ASS-Steuergerät eine Antriebsschlupf­regelung (ASR) für die erhöhte Fahr­sicherheit. Das untenstehende Systembild zeigt den maximalen Umfang eines M-Motronic­Systems. Ein solches System kann zur Erfüllung

der strengen Abgasgrenzwerte und - der Anforderungen an die integrierte

Diagnose für den US-Bundesstaat Kalifornien seit 1993 eingesetzt werden.

Systembild M-Motronic M5 mit integrierter Diagnose.

1 Aktivkohlebehälter, 10 Sekundärluftventil , 2 Absperrventil . 11 Luftmassenmesser, 3 Regenerierventil . 12 Steuergerät. 4 Kraftstoffdruckregler, 13 Drosselklappengeber. 5 Einspritzventil, 14 Leerlaufsteller, 6 Drucksteller, 15 Lufttemperatursensor, 7 Zündspule. 16 Abgasrückführventil, 8 Phasensensor, 17 Kraftstoffiller, 9 Sekundär1uftpumpe, 18 Klopfsensor,

19 Drehzahlsensor, 20 Motortemperatursensor, 21 Lambda-Sonde. 22 Diagnoseschnittstelle, 23 Diagnoselampe, 24 Differenzdrucksensor, 25 Elektrokrattstoffpumpe.

Gesamt­system

255

M-Motronic

256

Kraftstoffsystem

Kraftstoffversorgung Kraftstoffversorgungssystem Das Kraftstoffversorgungssystem hat die Aufgabe, dem Motor unter allen Be­triebsbedingungen stets die benötigte Kraftstoffmenge zur Verfügung zu stel­len. Hierzu fördert eine elektrisch ange­triebene Pumpe den Kraftstoff über ein Krattstotfilter aus dem Kraftstoffbehälter zum Kraftstoffverteiler mit den elektro­magnetischen Einspritzventilen. Diese spritzen ihn genau dosiert in das Saug­rohr des Motors. Der nicht verbrauchte Bild 1

Kraftstolfversorgungssystem.

1 Elektrokraftstoffpumpe (lntank), 2 Kraftstoffilter, 3 Kraflstoffverteiler, 4 Einspritzventil, 5 Druckregler.

Kraftstoff fließt über einen Druckregler zum Kraftstoffbehälter zurück (Bild 1 ).

ln den meisten Fällen nutzt der Druck­regler den Saugrohrdruck als Referenz. Mit diesem typischen Druck und der Durchströmung des Kraftstoffverteilers (Kühlung des Kraftstoffs) können keine störenden Dampfblasen im Kraftstoff ent­stehen. Auf diese Weise ergibt sich ein konstanter Differenzdruck am Einspritz­ventil mit üblicherweise 300 kPa. Falls erforderlich, können in das Kraft­stoffversorgungssystem Druckdämpfer zur Reduzierung von Kraftstoffpulsati­onen eingebaut sein.

Elektrokraftstoffpumpe

Aufgabe Die Elektrokraftstoffpumpe fördert den Kraftstoff kontinuierlich aus dem Kraft­stoffbehälter. Sie kann direkt in den Kraft­stoffbehälter ("lntank") oder außerhalb in die Kraftstoffleitung ("lnline") eingebaut sein. Die heute in der Regel verwendeten ln­tank-Pumpen (Bilder 2 und 3) sind in Tankeinbaueinheiten integriert, die noch den Füllstandsgeber und einen Dralltopf zur Abscheidung von Dampfblasen aus dem Kraftstoffrücklauf enthalten. Bei ln­line-Pumpen kann zur Vermeidung von

Bild 2

Heißförderproblemen eine Vorförder­pumpe in den Kraftstoffbehälter montiert werden, die den Kraftstoff mit geringem Druck zur Hauptpumpe fördert. Um unter allen Betriebsbedingungen den erforder­lichen Kraftstoffdruck aufrecht zu erhal­ten, ist die Fördermenge größer als der maximale Kraftstoffbedarf des Motors. Die Motorsteuerung schaltet die Elek­trokraftstoffpumpe ein. Eine Sicherheits­schaltung verhindert die Förderung bei eingeschalteter Zündung und stehen­dem Motor.

Zweistufige Elektrokraftstoffpumpe (mit Seitenkanal- und lnnenzahnradpumpe).

1 Vorstufe (Seitenkanalpumpe), 2 Hauptstufe (lnnenzahnradpumpe), 3 Motoranker, 4 Kommutator, 5 Rückschlagventil , 6 elektrischer Anschluß.

Bild 3

Zweistufige Elektrokraftstoffpumpe (mit Seitenkanal- und Peripheralpumpe).

1 Ansaugdeckel mit Sauganschluß, 2 Laufrad, 3 Vorstufe (Seitenkanalpumpe), 4 Hauptstufe (Peripheral­pumpe), 5 Pumpengehäuse, 6 Motoranker, 7 Rückschlagventil, 8 Anschlußdeckel mit Druckanschluß.

4 ------..

3 ---,

2 ---,

Kraftstoff­system

257

M-Motronic Aufbau Elektrokraftstoffpumpen bestehen aus folgenden Elementen: - Pumpenteil, - Elektromotor und AnschlußdeckeL

Elektromotor und Pumpenteil der Elek­trokraftstoffpumpe befinden sich in ei­nem gemeinsamen Gehäuse und wer­den ständig von Kraftstoff umspült. Dies bewirkt eine gute Kühlung des Elektro­motors. Mangels Sauerstoff kann sich im Gehäuse kein zündfähiges Gemisch bil­den. Explosionsgefahr besteht dadurch nicht. Der Anschlußdeckel enthält die elektrischen Anschlüsse, das Rück­schlagventil und den druckseitigen hy­draulischen Anschluß. Das Rückschlag­ventil hält den Systemdruck nach Ab­schalten der Elektrokraftstoffpumpe noch einige Zeit aufrecht, um Dampfblasen­bildung zu verhindern. Zusätzlich können im Anschlußdeckel Entstörmittel zur Funkentstörung integriert sein.

Bauarten Abhängig von den Systemanforderun­gen kommen verschiedene Pumpenprin­zipien zum Einsatz (Bild 4).

Verdrängerpumpen Rollenzellenpumpen (RZP) und Innen­zahnradpumpen (IZP) zählen zur Gruppe der Verdrängerpumpen. Die Pumpwir­kung beruht darauf, daß umlaufende Kammern variabler Größe eine Zulauf­öffnung freigeben und durch Vergrö­ßerung Kraftstoff ansaugen. Wenn das maximale Volumen erreicht ist, wird die Zulauföffnung geschlossen und die Aus­laßöffnung freigegeben. Durch Verklei­nerung der Kammer wird nun der Kraft­stoff ausgedrückt. Bei den Rollenzel­lenpumpen werden die Kammern durch umlaufende Rollen gebildet, die in einer rotierenden Nutscheibe geführt sind. Durch Fliehkraft und Kraftstoffdruck wer­den sie nach außen an die exzentrisch angeordnete Rollenlaufbahn gedrückt. Die Exzentrizität zwischen Nutscheibe und Rollenlaufbahn verursacht die ste­tige Vergrößerung und Verkleinerung der

258 Kammern.

Bild4

Funktionsprinzipien.

a Rollenzellenpumpe (RZP), b Peripheralpumpe (PP), c Innenzahnradpumpe (IZP), d Seitenkanalpumpe (SKP). A Zulauf, B Auslaß. a

Die Innenzahnradpumpe besteht aus einem inneren Antriebsrad, das in einem exzentrisch angeordneten Außenläufer kämmt, der einen Zahn mehr zählt als das Antriebsrad. Die gegeneinander ab­dichtenden Zahnflanken bilden bei der Drehung in ihren Zwischenräumen varia­ble Kammern. Rollenzellenpumpen kön­nen bis zu einem Kraftstoffüberdruck­bereich von 650 kPa eingesetzt werden, Innenzahnradpumpen bis 400 kPa, was jedoch für praktisch alle M-Motronic­Anwendungen ausreicht.

Strömungspumpen Zur Gruppe der Strömungspumpen ge­hören die Peripheral- (PP) und Seiten­kanalpumpen (SKP) . Bei ihnen werden die Kraftstoffteilchen vom Laufrad be­schleunigt und in einen Kanal geschleu­dert, wo sie durch Impulsaustausch Druck erzeugen. Peripheralpumpen un­terscheiden sich von den Seitenkanal­pumpen durch die größere Anzahl von Schaufeln, die Form der Laufräder und die im Gegensatz zu Seitenkanalpumpen am Umfang (peripheral) angeordneten Kanäle. Mit Peripheralpumpen kann zwar nur ein maximaler Kraftstoffüber­druck von 400 kPa erreicht werden, sie sind dafür aber wegen ihrem kontinuier­lichen, praktisch nicht pulsierenden Kraftstoffstrom besonders für geräusch­empfindliche Fahrzeuganwendungen geeignet. Mit Seitenkanalpumpen sind

Bild 5

Kraftstoffilter.

1 Papiereinsatz (Papierwickel) , 2 Sieb, 3 Stützplatte.

2 3

nur Überdrücke bis 30 kPa möglich. Sie werden bevorzugt als Vorförderpumpen bei Systemen mit lnline-Pumpe und als Vorstufe bei zweistufigen lntank-Pumpen in Fahrzeugen mit Heißstartproblemen eingesetzt sowie bei Systemen mit Zen­traleinspritzung.

Kraftstoffi lter Verunreinigungen im Kraftstoff können die Funktion von Einspritzventilen und Druckregler beeinträchtigen. Der Elek­trokraftstoffpumpe ist deshalb ein Filter nachgeschaltet Das Krattstotfilter ent­hält einen Papiereinsatz mit einer mittle­ren Porenweite von 10 j..Lm. Er ist in dem Metallgehäuse mit einer Stützplatte fi­xiert. Die Wechselintervalle sind vom Filtervolumen und der Kraftstoffver­schmutzung abhängig (Bild 5) .

Kraftstoffverteiler Der Kraftstoff durchströmt den Kraft­stoffverteiler und wird so gleichmäßig auf alle Einspritzventile verteilt. Neben den Einspritzventilen ist meist auch der Druckregler und eventuell ein Druck­dämpfer am Kraftstoffverteiler befestigt. Die gezielte Abstimmung der Kraftstoff­verteilerabmessungen 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 be­stehen die Kraftstoffverteiler aus Stahl, Aluminium oder Kunststoff. Zu Prüf­zwecken und zum Kraftstoffdruckabbau im Service kann ein Prüfventil integriert sein.

Kraftstoffdruckregler Die Einspritzmenge soll nur von der Ein­spritzzeit abhängen. Die Differenz zwi­schen Kraftstoffdruck im Kraftstoffver­teiler und Saugrohrdruck muß deshalb konstant bleiben. Der lastabhängige Saugrohrdruck muß also auf den Kraft­stoffdruck abgebildet werden. Deshalb läßt der Kraftstoffdruckregler

Kraftstoff­system

gerade soviel Kraftstoff zum Kraftstoff- 259

M-Motronic

260

behälter zurückfließen, daß das Druck­gefälle über den Einspritzventilen kon­stant bleibt. Zur vollständigen Durch­spülung des Kraftstoffverteilers ist der Kraftstoffdruckregler normalerweise an dessen Ende montiert. Er kann jedoch auch in der Kraftstoffleitung sitzen. Der Kraftstoffdruckregler ist als mem­brangesteuerter Überströmdruckregler ausgebildet (Bild 6). Eine Gummigewe­bemembran teilt den Kraftstoffdruckreg­ler in eine Kraftstoffkammer und in eine Federkammer. Die Feder preßt über den in die Membran integrierten Ventilträger 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 soviel Kraftstoff zum Kraftstoffbehälter fließen, daß sich an der Membran ein Kräfte­gleichgewicht einstellt. Die Federkammer ist pneumatisch mit dem Sammalsaug­rohr hinter der Drosselklappe verbunden. Der Saugrohrunterdruck wirkt dadurch auch in der Federkammer. An der Mem­bran steht damit das gleiche Druckver­hältnis wie an den Einspritzventilen an. Das Druckgefälle über den Einspritzven­tilen hängt deshalb allein von der Fe­derkraft und der Membranfläche ab und bleibt folglich konstant.

Kraftstoffdruckdämpfer Das Takten der Einspritzventile und das periodische Ausschieben von Kraftstoff bei Elektrokraftstoffpumpen nach dem Verdrängerprinzip führt zu Schwingun­gen des Kraftstoffdrucks. Diese können sich unter Umständen über die Befesti­gungselemente von Elektrokraftstoff­pumpe, Kraftstoffleitungen und Kraft­stoffverteiler auf den Kraftstoffbehälter und die Karosserie des Fahrzeugs über­tragen. Dadurch verursachte Geräusche können durch gezielte Gestaltung der Befestigungselemente und spezielle Kraftstoffdruckdämpfer vermieden wer­den. Der Kraftstoffdruckdämpfer (Bild 7) ist ähnlich aufgebaut wie der Kraftstoff­druckregler. Wie bei diesem trennt eine federbelastete Membran den Kraftstoff­und 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 bei Druckspitzen Kraftstoff aufnehmen und bei Druck­senken wieder abgeben. Um bei saug­rohrdruckbedingter Schwankung des Kraftstoffabsolutdrucks stets im optima­len Betriebsbereich zu arbeiten, kann die Federkammer mit einem Saugrohran­schluß versehen sein. Wie der Kraftstoff­druckregler kann auch der Kraftstoff­druckdämpfer am Kraftstoffverteiler oder in der Kraftstoffleitung sitzen.

Bild6

Kraftstoffdruckregler.

1 Saugrohranschluß. 2 Feder, 3 Ventilt räger, 4 Membran, 5 Ventil, 6 Kraftstotfzulauf, 7 Kraftstoffrücklauf.

~7

Bild7

Kraftstoffdruckdämpfer.

1 Feder, 2 Federteller, 3 Membran, 4 Kraftstoffzulauf, 5 Kraftstoffrücklauf.

Kraftstoffeinspritzung

Hohe Ansprüche an Laufkultur und Ab­gasverhalten eines Fahrzeugs bedingen hohe Anforderungen an die Gemisch­zusammensetzung jedes Arbeitstaktes. Neben der genauen Dosierung der ein­gespritzten Kraftstoffmasse entspre­chend der vom Motor angesaugten Luft ist deshalb auch in zunehmendem Maße die zeitgenaue Einspritzung von Bedeu­tung. Jedem Motorzylinder ist deshalb ein elektromagnetisches Einspritzventil zugeordnet. Es spritzt den Kraftstoff, ge­nau dosiert und zu dem vom Steuergerät bestimmten Zeitpunkt, direkt vor das (die) Einlaßventil(e) des Zylinders. Eine BildS

Einspritzventil (" top-feed").

1 Filtersieb im Kraftstoffzulauf, 2 elektrischer Anschluß, 3 Magnetwicklung, 4 Ventilgehäuse, 5 Anker, 6 Ventilkörper, 7 VentilnadeL

Saugrohrwandbenetzung, die bei insta­tionärem Motorbetrieb zu zeitweisen Ab­weichungen des gewünschten Lambda­Wertes führen kann, wird dadurch weit­gehend vermieden. Die Saugrohre des Motors leiten somit nur die Verbren­nungsluft und können deshalb optimal an die gasdynamischen Erfordernisse des Motors angepaßt werden.

Elektromagnetisches Einspritzventil Das elektromagnetische Einspritzventil enthält eine Ventilnadel mit aufgesetztem Magnetanker (Bilder 8 und 9). Sie wird präzise im Ventilkörper geführt. Eine Schraubenfeder drückt die Ventilnadel im Ruhezustand auf den Dichtsitz des Bild 9

Einspritzventil ("bottom-feed").

1 Elektrischer Anschluß, 2 Filtersieb im Kralt­stoffzulauf, 3 Magnetwicklung, 4 Ventilgehäuse, 5 Anker, 6 Ventilkörper, 7 VentilnadeL

Kraftstoff­system

261

M-Motronic

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Ventilkörpers und verschließt dadurch die Kraftstoffaustrittsöffnung zum Saug­rohr des Motors. Sobald das Steuergerät die Magnetwick­lung im Ventilgehäuse ansteuert, wird der Magnetanker mit der Ventilnadel 60 . . . 100 f-lm angehoben, wodurch der Kraftstoff durch eine kalibrierte Öffnung austreten kann. Abhängig von Einspritzart, Motordreh­zahl und Last beträgt die Ansteuerzeit 1 ,5 .. . 18 ms und die Ansteuertrequenz 3 ... 125Hz. Für den jeweiligen Anwendungsfall gibt es verschiedene Einspritzventiltypen:

Bild 10

"Top-Feed"-Einspritzventil Das "Top-Feed"-Einspritzventil wird axial von oben ("top feed") vom Kraftstoff durchströmt. Es wird mit einem oberen Dichtring in entsprechend geformte Öff­nungen des Kraftstoffverteilers einge­setzt und mit einer Halteklammer gegen Herausrutschen gesichert. Mit dem unte­ren Dichtring steckt es im Saugrohr des Motors (Bild 8).

"Bottom-Feed"-Einspritzventil Das im Kraftstoffverteiler integrierte "Bot­tom-Feed"-Einspritzventil ist von Kraft­stoff umspült. Der Kraftstoffzulauf befin­det sich seitlich ("bottom-feed"). Der Kraftstoffverteiler ist direkt auf das Saug-

Einspritzventile (" bottom-leed"), integriert im Kraltstoffverteiler.

1 Kraftstoffzulauf, 2 Einspritzventil, 3 elektrischer Anschluß, 4 Kontak1schiene, 5 Druckregler, 6 Kraftstoffrücklauf.

Bild 11

Zumeßarten und Kraltstolfaufbereitung.

4

1 Ringspaltzumessung, 2 Einlochzumessung, 3 Mehrlochzumessung, 4 Mehrlochzumessung beim ZweistrahlventiL

5

rohr montiert. Das Einspritzventil ist mit einer Halteklammer oder einem Deckel des Kraftstoffverteilers, der auch die elektrischen Anschlüsse enthalten kann, im Kraftstoffverteiler fixiert. Zwei Dicht­ringe verhindern den Austritt von Kraft­stoff. Neben gutem Heißstart- und Heiß­laufverhalten durch die Kraftstoffkühlung zeichnet sich das Modul, bestehend aus Kraftstoffverteiler und Einspritzventilen, durch geringe Bauhöhe aus (Bilder 9 und 1 0) .

Gemischaufbereitung Der Forderung nach geringer Benetzung der Saugrohrwand bei guter Homogeni­sierung des Luft-Kraftstoff-Gemisches

Bild 12

Einspritzventil mit Luflumfassung.

1 Luftzufuhr, 2 Kraftstoffzufuhr.

2 v

durch Zerstäubung des Kraftstoffs wird durch verschiedene Kraftstoffzumeß­arten Rechnung getragen. Die kalibrierte Kraftstoffaustrittsöffnung des Einspritz­ventils kann dazu den Erfordernissen entsprechend ausgebildet sein (Bild 11 ).

Bei der Ringspaltzumessung erstreckt sich ein Teil der Ventilnadel (Spritz­zapfen) durch den Ventilkörper. Der da­bei entstehende Ringspalt bildet die kalibrierte Kraftstoffaustrittsöffnung. Der Spritzzapfen enthält an seinem unteren Ende eine angeschliffene Abreißkante, an der der Kraftstoff zerstäubt und kegel­förmig abspritzt. Einspritzventile mit Einlochzumessung haben statt des Spritzzapfens eine dün­ne Spritzlochscheibe mit einer kalibrier­ten Bohrung. Es ergibt sich daraus ein dünner Kraftstoffstrahl, der die Saug­rohrwand kaum benetzt, den Kraftstoff jedoch auch wenig zerstäubt. Einspritz­ventile mit Mehrlochzumessung sind wie bei der Einlochzumessung mit einer Spritzlochscheibe versehen, die in die­sem Fall jedoch mehrere kalibrierte Löcher enthält. Diese sind so angeord­net, daß sich ein Kegelstrahl ähnlich der Ringspaltzumessung mit vergleichbarer Kraftstoffzerstäubung ergibt. Die Löcher können auch so ausgerichtet sein, daß sich zwei oder mehr Einspritzstrahlen ergeben. Somit kann bei Motoren mit mehreren Einlaßventilen je Zylinder der Kraftstoff optimal auf die einzelnen An­saugkanäle verteilt werden. Einspritz­ventile mit Luftumfassung ermöglichen eine weitere Verbesserung der Aufbe­reitung (Bild 12). Dazu wird Verbrennungsluft aus dem Saugrohr vor der Drosselklappe mit Schallgeschwindigkeit durch einen kali­brierten Spalt direkt an der SpritzJoch­scheibe gesaugt. Durch die Wechselwir­kung zwischen Kraftstoff- und Luftmole­külen wird der Kraftstoff sehr fein vernebelt. Damit Luft durch den Spalt ge­saugt werden kann, ist ein Unterdruck gegenüber dem Atmosphärendruck im Saugrohr notwendig. Die Luftumfassung wirkt deshalb hauptsächlich im Teillast­betrieb des Motors.

Kraftstoff­system

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M-Motronic

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Hochspannungs­kreis der Zündung

Im Hochspannungskreis einer Zünd­anlage wird die zur Zündung notwendige Hochspannung erzeugt und "zeitrichtig" an die jeweilige Zündkerze verteilt.

Der Hochspannungskreis einer M-Mo­tronic kann unterschiedlich ausgeführt sein: - Hochspannungskreis mit einer Zünd­spule, einer Zündungsendstufe und ei­nem Hochspannungsverteiler (rotieren­de Spannungsverteilung, ROV). - Hochspannungskreis mit je einer Ein­zelfunken-Zündspule und je einer Zün­dungsendstufe pro Zylinder (ruhende oder elektronische Spannungsvertei­lung, RUV). - Hochspannungskreis mit je einer Zweifunken-Zündspule und je einer Zündungsendstufe für zwei Zylinder (ru­hende oder elektronische Spannungs­verteilung, RUV).

Zündspule Aufgabe Die Zündspule speichert die notwendige Zündenergie und erzeugt die benötigte Hochspannung für den Funkendurch­bruch im Zündzeitpunkt

Aufbau und Funktion Die Funktion einer Zündspule beruht auf dem lnduktionsgesetz. Sie besteht aus zwei magnetisch gekoppelten Kupfer­wicklungen (Primär- und Sekundärwick­lung). Die im Magnetfeld der Primär­wicklung gespeicherte Energie wird auf die Sekundärseite übertragen. Strom und Spannung werden abhängig vom Verhältnis der Windungszahlen (Über­setzungsverhältnis) von der Primär- auf die Sekundärseite umgesetzt (Bild 1 ).

Moderne Zündspulen bestehen aus einem geschlossenen Eisenkreis, zu­sammengesetzt aus einzelnen Blechen, und einem Kunststoffgehäuse. Im

Gehäuse sitzt die Primärwicklung auf ei­nem Wickelkörper direkt auf dem Kern. Darüber ist die Sekundärwicklung ange­ordnet, die zur Erhöhung der Isolations­festigkeit als Scheiben- oder Kammer­wicklung ausgeführt ist. Das Gehäuse ist zur Isolation der Wicklungen untereinan­der und zum Kern mit Epoxidharz ausge­gossen. Der Aufbau und die Auslegung der Zündspule sind dem jeweiligen Ein­satzfall angepaßt.

Zündungsendstufe Aufgabe und Funktion Die Zündungsendstufe mit mehrstufigen Leistungstransistoren dient zum Ein- und Ausschalten des Primärstroms durch die Zündspule. Sie ersetzt den früher übli­chen Unterbrecher einer Zündanlage. Desweiteren hat die Zündungsendstufe sowohl die Primärspannung als auch den Primärstrom zu begrenzen. Die Begren­zung der Primärspannung verhindert ein zu hohes Ansteigen der angebotenen Sekundärspannung und damit ein Schä­digen der Hochspannungsteile. Die Be­grenzung des Primärstroms beschränkt die Energie der Zündanlage auf einen vorgegebenen Wert. Es gibt interne (in die M-Motronic inte­grierte) und externe (aus der Motronic ausgelagerte) Zündungsendstufen.

Bild 1

Zündspulen (Schema).

Rotierende Verteilung: a Eintunken-Zündspule. Ruhende Verteilung: b Einzelfunken-Zündspule, c Zweifunken-Zündspule.

a b c

15 4a

4 4 4b

Hochspannungserzeugung Die M-Motronic schaltet die Zündungs­endstufe während der berechneten Schließzeit ein. Innerhalb dieser Zeit steigt der Primärstrom der Zündspule auf seinen Sollwert. Die Höhe des Primärstroms und die Größe der Primärinduktivität der Zünd­spule bestimmen die im Magnetfeld gespeicherte Energie der Zündanlage. Im Zündzeitpunkt unterbricht die Zün­dungsendstufe den Stromfluß. Durch die Änderung des Magnetfelds wird in der Sekundärwicklung der Zündspule die Sekundärspannung induziert. Die maximal mögliche Sekundärspan­nung (Sekundärspannungsangebot) hängt von der gespeicherten Energie der Zündanlage, der Wicklungskapazität und dem Übersetzungsverhältnis der Zünd­spule, der Sekundärlast und der Primär­spannungsbegrenzung der Zündungs­endstufe ab. Das Angebot der Sekundärspannung muß in jedem Fall über der zum Funken­durchbruch an der Zündkerze notwendi­gen Spannung (Zündspannungsbedart) liegen. Die Funkenenergie muß zur Entflammung des Gemisches auch bei Auftreten von Folgefunken ausreichend groß sein. 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 Spannungs­verteilung wird der Einschaltfunke durch die vorgeschaltete Verteilertunkenstrecke wirksam unterdrückt. Bei ruhender Span­nungsverteilung mit Einzelfunksn-Zünd­spulen sperrt eine Diode im Hochspan­nungskreis den Einschaltfunken. Bei ruhender Spannungsverteilung mit Zweifunken-Zündspulen wird der Ein­schaltfunke durch die hohe Überschlag­spannung der Reihenschaltung von zwei Zündkerzen ohne Zusatzmaßnahmen unterbunden.

Spannungsverteilung

Rotierende Spannungsverteilung (ROV) Bei einer herkömmlichen Zündanlage wird die Hochspannung der Zündspule durch einen Zündverteiler mechanisch auf die einzelnen Zylinder verteilt. Da die bisherigen Funktionen des Zündvertei­lers (mechanische Zündwinkelverstel­lung über Drehzahl und Last) bei der M­Motronic elektronisch ertolgen, können vereinfachte Hochspannungsverteiler verwendet werden. Die Einzelteile eines Hochspannungs­verteilers sind: - lsolierdeckel, - Verteilerläufer mit Entstörwiderstand, - Verteilerkappe mit Anschlußdomen

und - Entstörkappe. Der Verteilerläufer sitzt dabei direkt auf der Nockenwelle. Eine sichere Hochspannungsverteilung ist nur innerhalb eines bestimmten Zünd­winkelverstellbereichs gewährleistet, der mit höheren Zylinderzahlen abnimmt. Bei 6-Zylinder-Anlagen kann eine fliehkraft­gesteuerte Nachführung des Verteiler­läufers den Verstellbereich ausreichend erweitern, bei 8-Zylinder-Anlagen ist hierzu meist eine Aufteilung in zwei 4-Zy­linder-Anlagen notwendig.

Ruhende Spannungsverteilung (RUV) Bei der verteilerlosen, elektronischen oder ruhenden Spannungsverteilung gibt es zwei Alternativen:

Anlage mit Einzelfunksn-Zündspulen Jedem Zylinder ist eine Zündspule und eine Zündungsendstufe zugeordnet, die entsprechend der Zündfolge vom M­Motronic-Steuergerät angesteuert wird. Da die Verteilerverluste entfallen, können diese Zündspulen besonders klein gebaut sein. Sie sitzen vorzugsweise direkt über der Zündkerze. Die ruhende Spannungs­verteilung mit Einzelfunksn-Zündspulen ist universell für alle Zylinderzahlen ein­setzbar. Es gibt keine Einschränkungen des Zündwinkelverstellbereichs; aller-

Hoch­spannungs­kreis

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M-Motronic

266

dings muß die Anlage über einen Nockenwellensensor zusätzlich synchro­nisiert werden (Bild 2).

Anlage mit Zweifunken-Zündspulen Eine Zündspule und eine Zündungs­endstufe 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 Kompressionstakt des einen Zylinders der zweite gerade im Aus­stoßtakt befindet. 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 wird. Dadurch ergibt sich eine geringe Einschränkung des möglichen Zündwinkelverstellbereichs. Die Anlage muß nicht mit der Nockenwelle synchro­nisiert sein (Bild 3).

Verbindungs- und Entstörmittel

Hochspannungsleitungen Die Hochspannung der Zündspule muß zur Zündkerze gelangen. Hierzu werden kunststoffisolierte, hochspannungsfeste Kupferleitungen 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 ist durch die im­pulsförmige, stromstarke Entladung eine Störquelle. Durch Entstörwiderstände im Hochspannungskreis wird der Spitzen­strom der Entladung begrenzt. Um die Störabstrahlung des Hochspannungs­kreises zu minimieren, müssen die Ent-

störwiderstände möglichst nahe an der Störquelle sitzen. Eine weitere Verringerung der Abstrah­lung läßt sich durch eine teilweise oder vollständige Abschirmung der Zündan­lage erreichen. Üblicherweise sind die Entstörwiderstände in die Zündkerzen­stecker, die Anschlußstecker und bei ro­Bild2

Einzelfunken-Zündspule.

1 Niederspannungsanschluß außen, 2 lamellierter Eisenkern, 3 Primärwicklung, 4 Sekundärwicklung, 5 Hochspannungsanschluß innen über Federkontakt, 6 Zündkerze.

2----3----

Bild3

Zweifunken-Zünd spule.

1 Niederspannungsanschluß, 2 Eisenkern, 3 Primärwicklung, 4 Sekundärwicklung, 5 Hochspannungsanschlüsse.

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I

tierender Spannungsverteilung 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. Bild 4

Zündkerze.

1 Anschlußbolzen mit Anschlußmutter, 2 Isolator aus AI20 3-Keramik, 3 Gehäuse, 4 Warmschrumpfzone, 5 leitendes Glas, 6 Dichtring, 7 Verbundmittelelektrode Ni/Cu, 8 Masseelektrode.

3

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Zündkerze

Mit der Zündkerze wird ein Zündfunken zur Entflammung des Luft-Kraftstoff-Ge­misches im Brennraum erzeugt. Die Zündkerze ist eine keramikisolierte, gasdichte Hochspannungsdurchführung in den Brennraum. Die Funkenstrecke zwischen Mittelelektrode und Masse­elektrode wird bei Erreichen der Zünd­spannung leitend und setzt die verblie­bene Energie der Zündspule in einen Funken um.

Die Höhe der Zündspannung hängt vom Elektrodenabstand, der Elektrodengeo­metrie, dem Brennraumdruck und dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis im Zündzeit­punkt ab. Im Motorbetrieb verschleißen die Elek­troden der Zündkerze. Dadurch steigt der Zündspannungsbedarf, der bis zum Ende des vorgesehenen Wechsel­intervalls in allen Betriebsfällen vom An­gebot der Sekundärspannung der Zünd­anlage sicher gedeckt werden muß.

Hoch­spannungs­kreis

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M-Motronic

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Betriebsdaten­erfassung

Motorlast

Eine der Hauptgrößen zur Berechnung von Einspritzmenge und Zündwinkel ist die Motorlast (Lasterfassung). Zur Bestimmung der Motorlast werden in den Motronic-Systemen folgende Last­sensoren eingesetzt: - Luftmengenmesser (LMM), - Hitzdraht-Luftmassenmesser (HLM), - Heißfilm-Luftmassenmesser (HFM), - Saugrohr-Drucksensor und - Drosselklappengeber (DKG). Der Drosselklappengeber wird in den Motronic-Systemen meistens als soge­nannter Nebenlastsensor zusätzlich zu einem der oben genannten Hauptlast­sensoren (LMM, HLM, usw.) eingesetzt. Vereinzelt wird er auch als Hauptlast­sensorverwendet

Luftmengenmesser Der Luftmengenmesser sitzt zwischen Luftfilter und Drosselklappe und erfaßt den vom Motor angesaugten Luftvolu­menstrom [m3fh]. Der Ansaugluftstrom lenkt eine Stauklappe gegen die kon­stante Rückstellkraft einer Feder aus. Die Winkelstellung der Stauklappe wird über ein Potentiometer abgegriffen. Die Spannung des Potentiometers wird dem Bild 1

Luftmengenmesser im Ansaugsystem.

Steuergerät zugeführt und dort mit der Speisespannung des Potentiometers verglichen. Dieses Spannungsverhältnis ist ein Maß für den vom Motor ange­saugten Luftvolumenstrom. Das Aus­werten von Widerstandsverhältnissen im Steuergerät schließt den Einfluß der Al­terung und des Temperaturganges des Potentiometers auf die Genauigkeit aus (Bild 1 ). Damit Pulsationen der Ansaugluft die Stauklappe nicht zum Schwingen anre­gen, wird sie durch eine Gegenklappe und ein "Dämpfungsvolumen" gedämpft. Um Änderungen der Luftdichte bei sich ändernden Temperaturen der Ansaugluft zu berücksichtigen, ist im Luftmengen­messer ein Temperatursensor integriert, mit dessen temperaturabhängigem Wi­derstand das Steuergerät einen Korrek­turwert ermittelt. Der Luftmengenmesser ist noch Be­standteil von zahlreichen, sich heute in Serie befindlichen M-Motronic- und L­Jetronic-Systemen. Die im folgenden be­schriebenen Lastsensoren werden vor­zugsweise eingesetzt und ersetzen den Luftmengenmesser mit Stauklappe in künftigen Systemen.

Luftmassenmesser Bei dem Hitzdraht-Luftmassenmesser und dem Heißfilm-Luftmassenmesser handelt es sich um "thermische" Last­sensoren. Sie sind zwischen Luftfilter

1 Drosse lklappe, 2 Luftmengenmesser, 3 Signal der Ansauglufttemperatur zum Steuergerät, 4 Steuergerät, 5 Signal des Luftmengenmessers zum Steuergerät , 6 Luft1ilter. QL angesaugte Luftmenge, r.x AuslenkwinkeL

4

6

und Drosselklappe eingebaut und er­fassen den vom Motor angesaugten Luft­massenstrom [kg/h]. Beide Sensoren ar­beiten nach demselben Prinzip. Im Ansaugluftstrom befindet sich ein elektrisch beheizter Körper, der durch die strömende Luft abgekühlt wird. Eine Re­gelschaltung führt den Heizstrom so nach, daß dieser Körper eine konstante Übertemperatur gegenüber der Ansaug­lufttemperatur annimmt. Der Heizstrom ist dann ein Maß für den Luftmassen­strom. Die Luftdichte wird bei diesem Meßprin­zip mitberücksichtigt, da sie die Größe der Wärmeabgabe vom beheizten Kör­per an die Luft mitbestimmt.

Bild2

Komponenten des Hitzdraht-Luftmassenmessers.

1 Temperatursensor, 2 Sensorring mit Hitzdraht, 3 Präzisionswiderstand. QM Massendurchftuß.

Bild3

BrOckenschaltung des Hitzdraht-Luftmassenmessers.

RH Hitzdraht RK Kompensationswiderstand, RM Meßwiderstand, R,, R2 Abgleichwiderstände. UM Meßspannung. QM einströmende Luftmasse pro Zeiteinheit.

Hitzdraht-Luftmassenmesser Beim Hitzdraht-Luftmassenmesser ist der beheizte Körper, der Hitzdraht, ein 70 !J,m dünner Platindraht Zur Kompen­sation der Ansauglufttemperatur wird diese durch einen im Hitzdraht-Luftmas­senmesser integrierten Temperatursen­sor erfaßt. Die Regelschaltung besteht im wesentlichen aus einer Brücken­schaltung und einem Verstärker. Hitz­draht und Lufttemperatursensor sind Bestandteile der Brücke und funktionie­ren dort als temperaturabhängige Wider­stände (Bilder 2 bis 4) . Der Heizstrom erzeugt an einem Prä­zisionswiderstand ein dem Luftmassen­strom proportionales SpannungssignaL Bild4

Hitzdraht·Luftmassenmesser.

1 Hybridschaltung, 2 Deckel, 3 Metalleinsatz, 4 Innenrohr mit Hitzdraht, 5 Gehäuse, 6 Schutzgitter, 7 Haltering.

Betriebs­daten­erfassung

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M-Motronic

270

Dieses Spannungssignal wird dem Steu­ergerät zugeführt. Zur Vermeidung von "Driften" durch Schmutzablagerungen auf dem Platin­draht wird der Hitzdraht nach Abstellen des Motors für eine Sekunde auf eine hohe Freibrenntemperatur gebracht. Da­bei dampft bzw. platzt angelagerter Schmutz ab und der Draht ist gereinigt.

Heißfilm-Luftmassenmesser Beim Heißfilm-Luftmassenmesser ist der beheizte Körper ein Platin-Filmwider­stand (Heizer) . Dieser befindet sich zu­sammen mit weiteren Elementen der Brückenschaltung auf einem Keramik­plättchen. Die Temperatur des Heizers wird von ei­nem temperaturabhängigen Widerstand (Durchflußsensor) erfaßt, der Bestandteil der Brücke ist. Die Trennung von Heizer und Durchfluß­sensor ist vorteilhaft für die Auslegung der Regelschaltung. Das Heizelement und der Lufttemperatursensor sind mit Sägeschnitten thermisch entkoppelt. Bild 5

Heißtilm-Luttmassenmesser.

a Gehäuse, b Heißfilmsensor (in der Gehäusemitte eingebaut). 1 Kühlkörper, 2 Zwischenbaustein, 3 Leistungs­baustein, 4 Hybridschaltung, 5 Sensorelement.

a

b 0

Die gesamte Regelschaltung befindet sich auf einem Substrat. Die Spannung am Heizer ist das Maß für den Luftmas­senstrom. Diese wird von der Elektronik des Heißfilm-Luftmassenmessers in eine für das Steuergerät angepaßte Span­nung umgewandelt (Bilder 5 bis 7). Die Langzeitmeßgenauigkeit bleibt ohne Freibrennen erhalten. Da sich Schmutz hauptsächlich an der Vorderkante des Sensorelementes anlagert, sind die für den Wärmeübergang entscheidenden Elemente stromabwärts auf dem Keramiksubstrat angeordnet. Zusätzlich ist das Sensorelement so gestaltet, daß Schmutzaufbau die Umströmung des Sensors nicht beeinflußt.

Saugrohr-Drucksensor Der Saugrohr-Drucksensor ist pneuma­tisch mit dem Saugrohr verbunden und nimmt so den Saugrohr-Absolutdruck [kPa] auf. Es gibt ihn als Einbauelement für das Steuergerät oder als "Wegbau"-Sensor, der in Saugrohrnähe oder direkt am Bild6

Heißfilm-Sensorelement.

1 Keramiksubstrat, 2 Sägeschnitt RK Temperatur-Kompensationssensor, R1 Brückenwiderstand, RH Heizwiderstand, Rs Sensorwiderstand.

Saugrohr befestigt ist. Als Einbau­element besteht seine pneumatische Verbindung zum Saugrohr aus einer Schlauch Ieitung. Der Sensor ist unterteilt in eine Druck­zelle mit zwei Sensorelementen und einen Raum für die Auswerteschaltung. Sensorelemente und Auswerteschaltung sind auf einem gemeinsamen Keramik­substrat untergebracht (Bild 8).

Das Sensorelement besteht aus einer glockenförmigen Dickschichtmembran, die eine Referenzdruckkammer mit be­stimmtem Innendruck einschließt. Je nach Größe des Saugrohrdrucks wird die Membran verschieden stark ausgelenkt Auf der Membran sind piezoresistive Widerstände angeordnet, deren Leit­fähigkeit sich unter mechanischer Span­nung ändert. Diese Widerstände sind so als Brücke geschaltet, daß eine Auslenkung der Membran zu einer Änderung des Brückenabgleiches führt. Die Brücken­spannung ist damit ein Maß für den Saugrohrdruck (Bild 9).

Die Auswerteschaltung hat die Aufgabe, die Brückenspannung zu verstärken, Temperatureinflüsse zu kompensieren und die Druck-Kennlinie zu linearisieren. Das Ausgangssignal der Auswerteschal­tung wird dem Steuergerät zugeführt.

Drosselklappengeber Der Drosselklappengeber erfaßt den Drosselklappenwinkel zum Ermitteln ei­nes Nebenlastsignals. Das Nebenlast­signal wird u. a. als Zusatzinformation für Dynamikfunktionen, zur Bereichserken­nung (Leerlauf, Teillast, Vollast) und als Notlaufsignal bei Ausfall des Haupt­lastsensors verwendet. Der Drosselklappengeber ist am Dros­selklappenstutzen befestigt und sitzt mit der Drosselklappe auf einer Welle. Ein Potentiometer wertet die Winkelstellung der Drosselklappe aus und überträgt ein Spannungsverhältnis über eine Wider­standsschaltung an das Steuergerät (Bilder 10 und 11 ).

Schaltung des Heißfilm-Luftmassenmessers.

RK Temperatur-Kompensationssensor, RH Heiz­widerstand, R1, R2 , R3 Brückenwiderstände, UM Meßspannung, /H Heizstrom, IL Lufttemperatur, QM einströmende Luftmasse pro Zeiteinheit.

Bild 8

Drucksensor (für Steuergeräteeinbau).

1 Druckanschluß, 2 Druckzelle mit Sensorelementen, 3 Dichtsteg, 4 Auswerteschaltung, 5 Dickschichthybrid.

2 3 4 5

I_Liw I I .~ q~ . ~

Bild9

Dickschichtmembran im Drucksensor.

1 Piezoresistive Widerstände, 2 Basismembran, 3 Referenzdruckkammer, 4 Keramiksubstrat p Druck.

Betriebs­daten­erfassung

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M-Motronic

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Bei Einsatz des Drosselklappengebers als Hauptlastsensor wird die Anforde­rung an die Genauigkeit höher. Die höhere Genauigkeit wird durch einen Drosselklappengeber mit zwei Potentio­metern (zwei Winkelbereiche) und einer verbesserten Lagerung erreicht. Die angesaugte Luftmasse wird in Ab­hängigkeit von der Drosselklappen­stellung und der zugehörigen Drehzahl im Steuergerät bestimmt. Temperatur­abhängige Luftmassenänderungen wer­den über die Auswertung von Signalen der Temperatursensoren berücksichtigt. Bild 10

Drosselklappengeber.

1 Drosselklappenwelle, 2 Widerstandsbahn 1, 3 Widerstandsbahn 2, 4 Schleiferarm mit Schleifer, 5 elektrischer Anschluß.

1 2 3 4

Bild 11

Schaltung Drosselklappengeber.

UM Meßspannung, R,. R2 Widerstandsbahnen 1 und 2, R3, R4 , R5 Abgleichwiderstände. 1 Drosselklappe.

Drehzahl, Kurbelwellen- und Nockenwellenstellung Drehzahl und Kurbelwellenstellung Die Kolbenstellung eines Zylinders wird als Meßgröße zur Festlegung des Zünd­zeitpunktes verwendet. Die Kolben aller Zylinder sind über Pleuelstangen mit der Kurbelwelle verbunden. Ein Sensor an der Kurbelwelle liefert deshalb die Infor­mation über die Kolbenstellung aller Zylinder. Die Geschwindigkeit, mit der sich die Kurbelwellenstellung ändert, wird Dreh­zahl genannt und gibt die Anzahl der Um­drehungen der Kurbelwelle pro Minute an. Diese wichtige Eingangsgröße für die Motronic wird ebenfalls aus dem Signal der Kurbelwellenstellung berechnet. Obwohl der Sensor an der Kurbelwelle primär ein Signal zur Kurbelwellenstel­lung liefert, aus dem im Steuergerät ein Drehzahlsignal abgeleitet wird, hat sich die Bezeichnung Drehzahlsensor einge­bürgert.

Signalerzeugung für die Kurbelwellenstellung Auf der Kurbelwelle ist ein ferroma­gnetisches Geberrad mit Platz für 60 Zähne angebracht, wobei zwei Zähne ausgelassen sind (Zahnlücke). Ein in­duktiver Drehzahlsensor tastet diese Zahnfolge von 58 Zähnen ab. Er besteht aus einem Permanentmagneten und ei­nem Weicheisenkern mit einer Kupfer­wicklung (Bild 12). Passieren nun die Ge­berradzähne den Sensor, ändert sich in ihm der magnetische Fluß. Es wird eine Wechselspannung induziert (Bild 13). Die Amplitude der Wechselspannung verringert sich mit größer werdendem Abstand zwischen Sensor und Geberrad und wächst mit steigender Drehzahl stark an. Eine ausreichende Amplitude ist ab einer Mindestdrehzahl (20 min-1)

vorhanden. Zahn- und Polgeometrie müssen einan­der angepaßt sein. Die Auswerteschal­tung im Steuergerät formt die Sinus­spannung von stark unterschiedlicher Amplitude in eine Rechteckspannung mit konstanter Amplitude um.

Berechnung der Kurbelwellenstellung Die Flanken der Rechteckspannung wer­den über einen lnterrupt-Eingang an den Rechner gegeben. Ist der aktuelle Flan­kenabstand mehr als doppelt so groß wie der vorherige und der nachfolgende, dann wird eine Zahnlücke erkannt. Die Zahnlücke ist einer definierten Kurbel­wellenstellung des Zylinders 1 zugeord­net. Der Rechner synchronisiert zu die­sem Zeitpunkt die Kurbelwellenstellung. Mit jeder folgenden positiven oder nega­tiven Zahnflanke zählt er die Kurbel­wellenstellung um 3 Grad weiter. Die Zündausgabe soll jedoch in kleineren Schritten erfolgen. Die gemessene Zeit­Bild 12

Drehzahlsensor.

1 Dauermagnet, 2 Gehäuse, 3 Motorgehäuse, 4 Weicheisenkern, 5 Wicklung, 6 zahnscheibe mit Bezugsmarke (Zahnlücke).

2 3

Bild 13

dauer zwischen zwei Zahnflanken wird deshalb geviertelt. An eine Zahnflanke kann das Ein-, Zwei- oder Dreifache dieser so erhaltenen Zeiteinheit für die Zündwinkelausgabe (dadurch ist sie in Schritten von 0,75 Grad möglich) an­gehängt werden.

Berechnung der Segmentzeit und der Drehzahl aus dem Drehzahlsensorsignal Die Zylinder eines Viertakt-Motors sind so gegeneinander versetzt, daß nach zwei Kurbelwellenumdrehungen (720 Grad) der Zylinder 1 erneut mit dem Ar­beitszyklus beginnen kann. Dieser Versatz ergibt den mittleren Zünd­abstand, und die Dauer dazwischen wird Segmentzeit Ts genannt.

Bei gleichmäßiger Aufteilung des Ver­satzes bedeutet dies:

Versatz Grad Zähne

2 Zylinder 360 60

3 Zylinder 240 40

4 Zylinder 180 30

5 Zylinder 144 24

6 Zylinder 120 20

8 Zylinder 90 15

12 Zylinder 60 10

Signalzuordnung Zündung, Kurbelwelle und Nockenwelle.

a Sekundärspannung der Zündspule, b Signal des Drehzahlsensors an der Kurbelwelle , c Signal des Hall-Sensors an der Nockenwelle. 1 Schließen, 2 Zünden.

c------,

Betriebs­daten­erfassung

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M-Motronic

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Im Takt der Segmentzeit werden mit der aus ihr abgeleiteten Drehzahl Zündung und Einspritzung neu berechnet. Die Drehzahl gibt die mittlere Kurbelwellen­drehzahl in der Segmentzeit an und ist ihrem Kehrwert proportional.

Nockenwellenstellung Die Nockenwelle steuert die Einlaßven­tile und die Auslaßventile des Motors. Sie dreht sich halb so schnell wie die Kurbel­welle. Wenn sich ein Kolben zum oberen Tot­punkt bewegt, dann bestimmt sie durch die Stellung der Ein- und Auslaßventile, ob er sich in der Verdichtungsphase mit anschließender Zündung oder in der Ausstoßphase vom Abgas befindet. Aus der Kurbelwellenstellung kann diese In­formation nicht gewonnen werden. Wenn die Zündung einen Hochspan­nungsverteiler hat, der mechanisch mit der Nockenwelle gekoppelt ist, dann zeigt dessen Verteilerfinger auf den rich­tigen Zylinder und das Steuergerät be­nötigt zur Zündausgabe keine Informa­tion über die Nockenwellenstellung.

Doch im Gegensatz zu dieser rotieren­den Spannungsverteilung (ROV) erfor­dern Motronic-Systeme mit ruhender Spannungsverteilung (RUV) und Einzel­funken-Zündspulen Zusatzinformatio­nen. Denn das Steuergerät muß ent­scheiden, welche Zündspule mit zuge­ordneter Zündkerze angesteuert wird. Dazu benötigt es die Information über die Nockenwellenstellung. Aber auch wenn der Zeitpunkt der Ein­spritzung für jeden Zylinder individuell angepaßt ist, wie bei der sequentiellen Einspritzung, ist die Information der Nockenwellenstellung nötig.

Signal des Hall-Sensors Die Nockenwellenstellung wird meistens mit einem Hall-Sensor ermittelt. Die Er­fassungseinrichtung für die Nockenwel­lenstellung besteht aus einem Hall-Ele­ment, dessen Halbleiterplättchen strom­durchflossen ist. Dieses Element wird von einer Blende gesteuert, die sich mit der Nockenwelle dreht. Sie besteht aus

ferromagnetischem Material und erzeugt während ihres Passierens eine Span­nung auf dem Hall-Element senkrecht zur Stromrichtung (Bild 13).

Berechnung der Nockenwellenstellung Da die Hall-Spannung im Millivolt-Be­reich liegt, wird das Signal im Sensor aufbereitet und als Schaltsignal dem Steuergerät zugeführt. Im einfachsten Fall prüft der Rechner während des Pas­sierens der Geberrad-Zahnlücke, ob Hall-Spannung vorhanden ist und ob der Zylinder 1 sich damit im Arbeitstakt befin­det oder nicht. Spezielle Blendenmuster erlauben, aus dem Nockenwellensignal einen Notlauf­betrieb bei Ausfall des Drehzahlsensors zu betreiben. Die Auflösung des Nocken­wellensignals ist jedoch zu ungenau, um den Drehzahlsensor an der Kurbelwelle auch im Normalbetrieb zu ersetzen.

Gemischzusammensetzung Luftzahlf... Die Lambda-Sonde mißt das Luftver­hältnis Lambda (f...). Lambda ist die Maß­zahl für das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Gemisches. Bei A. = 1 arbeitet der Kata­lysator optimal.

Lambda-Sonde Die äußere Elektrodenseite der Lambda­Sonde ragt in den Abgasstrom, die in­nere Elektrodenseite steht mit der Au­ßenluft in Verbindung (Bild 14). Die Sonde besteht im wesentlichen aus einem Spezialkeramikkörper, dessen Oberflächen mit gasdurchlässigen Pla­tin-Elektroden versehen sind. Die Wir­kung der Sonde beruht darauf, daß das keramische Material porös ist und eine Diffusion des Luftsauerstoffs zuläßt (Festelektrolyt). Die Keramik wird bei höheren Temperaturen leitend. Ist der Sauerstoffgehalt auf beiden Seiten der Elektroden verschieden groß, so entsteht an den Elektroden eine elektrische Span­nung. Bei einer stöchiometrischen Zu­sammensetzung des Luft-Kraftstoff-Ge­mischs von A. = 1 ergibt sich eine Sprungfunktion (Bild 16).

Die Spannung und der Innenwiderstand der Sonde sind von der Temperatur ab­hängig. Ein sicherer Regelbetrieb ist bei Abgas­temperaturen über 350 oc (unbeheizte Sonde) bzw. über 200 °C (beheizte Sonde) möglich.

Beheizte Lambda-Sonde Das Konstruktionsprinzip der beheizten Lambda-Sonde (Bild 15) entspricht weit­gehend dem der unbeheizten. Die aktive Sondenkeramik wird von in­nen durch ein keramisches Heizelement beheizt, so daß- auch bei noch geringer Abgastemperatur - die Temperatur der Bild 14

Anordnung der Lambda-Sonde im Abgasrohr.

1 Sondenkeramik, 2 Elektroden, 3 Kontakt, 4 Gehäusekontaktierung, 5 Abgasrohr, 6 keramische Schutzschicht (porös), 7 Abgas, 8 Luft.

8

3

Bild 15

Beheizte Lambda-Sonde.

Sondenkeramik für die Funktion hoch genug ist. Die beheizte Sonde hat ein Schutzrohr mit verminderter Durchlaßöffnung; eine Abkühlung der Sondenkeramik bei kal­tem Abgas wird damit unter anderem verhindert. Die Sondenheizung verkürzt die Zeit vom Start des Motors bis zum Einschalten der Regelung und stellt den Regelbetrieb auch bei kälterem Abgas sicher (zum Beispiel im Leerlauf) . Beheizte Sonden haben kürzere Reaktionszeiten, was der Regelgeschwindigkeit zugute kommt. Die Einbaumöglichkeiten dieser Sonden sind vielfältiger.

Bild 16

Spannungskennlin ie der Lambda-Sonde für 600 •c Arbeltstemperatur.

a Fettes Gemisch (Luftmangel ), b Mageres Gemisch (Luftüberschuß).

mV a b

1000

~ 0> 800

---..,_ c :::> c c 600 <!! a. fJ) c

400 Q) '0 c 0

(/) 200 '-.

0 0,8 0,9 1 1,1

Luftzahl A. 1,2

1 Sondengehäuse, 2 keramisches Stützrohr, 3 elektrische Anschlüsse, 4 Schutzrohr mit Schlitzen, 5 aktive Sondenkeramik, 6 Kontaktteil , 7 Schutzhülse, 8 Heizelement, 9 Klemmenanschlüsse für Heizelement

3

4 5 6 7 8 9

Betriebs­daten­erfassung

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M-Motronic

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Klopfende Verbrennung

ln Ottomotoren können unter bestimmten Bedingungen anormale, typisch "klin­gelnde" Verbrennungsvorgänge auftre­ten, die eine Steigerung von Leistung und Wirkungsgrad begrenzen. Dieser unerwünschte Verbrennungsvorgang wird mit Klopfen bezeichnet und ist die Folge einer Selbstentzündung des noch nicht von der Flammenfront erfaßten Frischgemisches. Die normal eingeleitete Verbrennung und die Verdichtung durch den Kolben ver­ursachen Druck- und Temperaturerhö­hungen, die zu einer Selbstentzündung des Endgases (noch nicht verbranntes Bild 17

Klopfsensor.

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

Bild 18

Signale des Klopfsensors.

Gemisch) führen. Hierbei können Flammgeschwindigkeiten von mehr als 2000 m/s auftreten, während normale Verbrennungen Geschwindigkeiten von etwa 30 m/s zur Folge haben. Bei dieser schlagartig ablaufenden Ver­brennung kommt es lokal im Endgas zu einem starken Druckanstieg. Die da­durch erzeugte Druckwelle breitet sich aus und trifft auf die den Brennraum be­grenzenden Wände. Bei länger andauerndem Klopfen können die Druckwellen und die erhöhte thermi­sche Belastung an der Zylinderkopf­dichtung, am Kolben und im Ventil­bereich des Zylinderkopfes mechanische Schäden verursachen.

Bild 19

" Horchstellen" der Klopfsensoren.

1 Der Klopfsensor sitzt zwischen dem zweiten und dritten Zylinder. 2 Falls zwei Sensoren eingebaut sind, sitzen sie zwischen zwei Zylindergruppen.

2 2

Der Klopfsensor liefert ein Signal (c) , das dem Druckverlauf (a) im Zylinder entspricht. Das gefilterte Drucksignal ist in (b) dargestellt.

ohne Klopfen mitKlopfen

Die charakteristischen Schwingungen klopfender Verbrennungen werden durch Klopfsensoren aufgenommen, in elek­trische Signale umgewandelt und der Motronic zugeführt (Bilder 17 und 18). Anzahl und Anbauposition der notwen­digen Klopfsensoren müssen sorgfältig ermittelt werden . Für alle Zylinder und alle Betriebspunkte des Motors, ins­besondere bei hohen Drehzahlen und Lasten, muß eine sichere Klopferken­nung gewährleistet sein. ln der Regel werden 4-Zylinder-Reihenmotoren mit einem, 5- und 6-Zylinder-Motoren mit zwei , 8- und 12-Zylinder-Motoren mit zwei oder mehr Klopfsensoren ausge­rüstet (Bild 19).

Bild 20

Motortemperatursensor.

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

Bild21

Kennlinie des Temperatursensors (NTC).

n

L---------------------~0 oc a Temperatur _.. " :Ii J

Motor- und Ansaugluft­temperatur

Der Sensor für die Motortemperatur hat einen temperaturabhängigen Wider­stand, der in den Kühlwasserkreislauf des Motors ragt und dessen Temperatur annimmt (Bild 20). Nach dem gleichen Prinzip erfaßt ein Sensor im Ansaugkanal die Temperatur der angesaugten Luft. Der Widerstand hat einen negativen Temperaturkoeffizienten (NTC, siehe Bild 21) und ist Teil einer Spannungs­teilerschaltung, die mit einer Spannung von 5 V versorgt wird. Die über dem Widerstand abfallende Spannung wird über den Analog-Digital­Wandler eingelesen und ist ein Maß für die Temperatur. Im Rechner ist eine Tabelle gespeichert, die zu jedem Span­nungswert die dazugehörige Temperatur angibt und damit den nichtlinearen Zusammenhang zwischen Spannung und Temperatur kompensiert.

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 Bei niedriger Batteriespannung muß die Schließzeit des Zündkreises verlängert werden, damit die Zündspule ausrei­chend Energie für den Zündfunken laden kann.

Betriebs­daten­erfassung

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M-Motronic

278

Betriebsdaten­verarbeitung

Lastsignalberechnung

Meßgrößen Im Steuergerät wird aus den Signalen Last und Drehzahl ein Lastsignal berech­net, das der vom Motor angesaugten Luftmasse pro Hub entspricht. Dieses Lastsignal ist die Grundlage zur Berech­nung der Einspritzzeit und zur Adressie­rung der Zündwinkelkennfelder (Bild 1 ).

Luftmassenmessung Beim Einsatz eines Hitzdraht-Luftmas­senmessers bzw. eines Heißfilm-Luft­massenmessers wird die Luftmasse di­rekt gemessen und als Größe zur Be­rechnung des Lastsignals verwendet. Bild 1

Berechnung der Einspritzzeit.

Grundeinspritzzeit aus Lastsignal

Beim Luftmengenmesser ist zusätzlich eine Dichtekorrektur zur Ermittlung der Luftmasse und des Lastsignals erfor­derlich. ln Einzelfällen werden auftre­tende Meßfehler aufgrund starker Luft­pulsationen im Saugrohr durch eine Pulsationskorrektur kompensiert.

Druckmessung Beim druckmessenden System (mit ei­nem Drucksensor als Lastsensor) be­steht im Unterschied zu den luftmassen­messenden Systemen kein direkter über Formeln hergestellter Zusammenhang zwischen der Meßgröße Saugrohrdruck und der angesaugten Luftmasse. Hier wird zur Berechnung des Lastsignals im Steuergerät ein Anpassungskennfeld verwendet. Änderungen von Temperatur und Rest­gasanteil gegenüber dem Ausgangs­zustand werden anschließend kom­pensiert.

Einspritzzeit im Start

Korrektur des Lambda­Reglers bei aktiver Lambda-Regelung

Drosselklappenwinkelmessung Bei Verwendung eines Drosselklappen­gebers wird das Lastsignal im Steuer­gerät in Abhängigkeit von Drehzahl und Drosselklappenwinkel gebildet. Ände­rungen der Luftdichte werden berück­sichtigt, indem das Lastsignal mit Hilfe gemessener Temperaturen und Um­gebungsdrücke korrigiert wird.

Einspritzzeit-Berechnung Grundeinspritzzeit Die Grundeinspritzzeit wird direkt aus dem Lastsignal und der Einspritz­ventilkonstanten berechnet. Diese Ein­spritzventilkonstante definiert die Bezie­hung der Ansteuerzeit der Einspritzven­tile zu der Durchflußmenge und ist von der Gestaltung der Einspritzventile ab­hängig. Die Multiplikation der Einspritzzeit mit der Ventilkonstanten ergibt die zur Luft-

Bild 2

Vergleich der Einspritzarten.

masse zugehörige Kraftstoffmasse pro Hub. Die Grundauslegung erfolgt dabei auf eine Luftzahl von 'A = 1. Dies gilt, solange der Differenzdruck zwischen Kraftstoffdruck und Saugrohr­druck konstant ist. ln anderen Fällen wird über ein Lambda-Korrektur-Kennfeld dieser Einfluß auf die Einspritzzeit kom­pensiert. Der Einfluß unterschiedlicher Batterie­spannungen auf die Anzugs- und Abfall­zeiten der Einspritzventile wird durch eine Batteriespannungskorrektur ausge­glichen.

Effektive Einspritzzeit Die effektive Einspritzzeit ergibt sich durch die zusätzliche Einrechnung von Korrekturgrößen. Diese werden in ent­sprechenden Sonderfunktionen berech­net und berücksichtigen die unterschied­lichen Betriebsbereiche und Betriebsbe­dingungen des Motors. Die Korrekturen

a Simultane Einspritzung, b Gruppeneinspritzung, c sequentielle Einspritzung.

-360· Zündfolge

a Zyl. 1

Zyl. 3

Zyl. 4

Zyl. 2

b Zyl. 1

Zyl. 3

Zyl. 4

Zyl.2

c Zyl. 1

Zyl. 3

Zyl. 4

Zyl. 2

o• OTZyl.1

36Q• 720° 1080° KW

D Einlaßventil offen

D Einspritzung

t Zündung

Betriebs­daten­Verarbeitung

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M-Motronic

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wirken dabei sowohl einzeln als auch in Kombination in Abhängigkeit von appli­zierbaren (anwendbaren) Parametern.

Der Berechnungsablauf der Einspritzzeit ist in Bild 1 dargestellt. Die einzelnen Betriebsbereiche bzw. -zustände werden in den nachfolgenden Kapiteln näher erläutert. Unterhalb einer minimalen Zylinderfül­lung wird kein verbrennungsfähiges Ge­misch aufbereitet. Die Begrenzung auf eine minimale Einspritzzeit verhindert so die Entstehung unverbrannter Kohlen­wasserstoffe im Abgas. Während des Starts erfolgt eine separate Berechnung der Einspritzzeit, die unab­hängig vom berechneten Lastsignal ist.

Einspritzlage Neben der korrekten Einspritzzeit ist die Einspritzlage ein weiterer Parameter zur Optimierung der Verbrauchs- und Ab­gaswerte. Die Variationsmöglichkeiten sind hierbei von der verwendeten Einspritzart ab­hängig (Bild 2): - simultane Einspritzung, - Gruppeneinspritzung oder - sequentielle Einspritzung.

Simultane Einspritzung Bei der simultanen Einspritzung erfolgt die Einspritzung bei allen Einspritz­ventilen zum gleichen Zeitpunkt zweimal pro Zyklus, d. h. zweimal pro Nocken­wellenumdrehung bzw. einmal pro Kur­belwellenumdrehung. Die Einspritzlage ist fest vorgegeben.

Gruppeneinspritzung Bei der Gruppeneinspritzung werden zwei Gruppen von Einspritzventilen zu­sammengefaßt, die je Gruppe einmal pro Zyklus einspritzen. Der zeitliche Abstand beider Gruppen beträgt eine Kurbel­wellenumdrehung. Diese Anordnung er­möglicht bereits eine betriebspunkt­abhängige Wahl der Einspritzlage und vermeidet in weiten Kennfeldbereichen die unerwünschte Einspritzung in das offene Einlaßventil.

Sequentielle Einspritzung Diese Einspritzung bietet die größten Freiheitsgrade. Hierbei erfolgen die ein­zelnen Einspritzungen unabhängig von­einander mit gleicher Einspritzlage, be­zogen auf den jeweiligen Zylinder. Die Einspritzlage ist frei programmierbar und kann an jeweilige Optimierungskriterien angepaßt werden.

Vergleich Bei der Gruppeneinspritzung und der sequentiellen Einspritzung ist im Ver­gleich zur simultanen Einspritzung ein größerer Variationsbereich (Bereich von kleinster Menge im Leerlauf bis zu größ­ter Menge bei Vollast) der Einspritzven­tile notwendig.

Schließwinkelsteuerung Mit dem Schließwinkelkennfeld wird die Stromflußzeit der Zündspule in Abhän­gigkeit von Drehzahl und Batteriespan­nung so gesteuert, daß im Betrieb am Ende der Stromflußzeit in weiten Berei­chen der gewünschte Soli-Primärstrom erreicht wird. Ausgehend von der Ladezeit einer Zünd­spule, die von der Batteriespannung ab­hängt, ergibt sich die Schließzeit (Bild 3). Ein zusätzlicher Dynamikvorhalt ermög­licht auch bei schnellen Drehzahlsprün­gen auf eine höhere Drehzahl die Bereit­stellung des notwendigen Strombedarfs.

Bild3

Primärstromverlauf bei verschiedenen Bord­netzspannungen.

Ar------------,

Zeit t

Eine Begrenzung der Ladezeit im oberen Drehzahlbereich stellt die notwendige Funkenbrenndauer sicher.

Zündwinkelsteuerung Ein Kennfeld mit einem Basiszündwinkel in Abhängigkeit von Motorlast und Dreh­zahl ist im Steuergerät der M-Motronic gespeichert. Dieser Zündwinkel wird hinsichtlich Kraftstoffverbrauch und Ab­gasemissionen optimiert. Mit der Auswertung von Motortemperatur und Ansauglufttemperatur (aufgenom­men über Motor- und Lufttemperatur­sensoren) werden Temperaturänderun­gen mitberücksichtigt

Bild4

Berechnung des Zündzeitpunktes.

Weitere wirksame Korrekturen bzw. Um­schaltungen auf andere Kennfelder er­möglichen die Anpassung an jeden Be­triebszustand. Damit sind Wirkungs­verknüpfungen zwischen Drehmoment, Abgas, Kraftstoffverbrauch, Klopfnei­gung und Fahrverhalten möglich. Spe­zielle Zündwinkelkorrekturen wirken bei­spielsweise bei Betrieb mit Sekundär­lufteinblasung oder Abgasrückführung sowie im dynamischen Fahrbetrieb (z. B. Beschleunigung). Weiterhin werden die verschiedenen Betriebsbereiche wie Leerlauf, Teillast und Vollast sowie Start und Warmlauf berücksichtigt. Bild 4 zeigt den Berechnungsablauf des Zündwin­kels bzw. Zündzeitpunktes.

Betriebs­daten­verarbeitung

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M-Motronic

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Betriebszustand

Start Während des gesamten Startvorgangs gibt es eine spezielle Berechnung der Einspritzmenge. Für die ersten Einspritzimpulse wird zu­dem ein spezielles "Einspritztiming" aus­gewählt. Eine erhöhte Einspritzmenge, die der Motortemperatur angepaßt wird, dient dem Aufbau eines Krattstotfilms an der Saugrohrwand und deckt den erhöh­ten Kraftstoffbedarf während des Motor­hochlaufs ab. Unmittelbar nach den ersten Drehungen des Motors (Startbeginn) wird die Start­mehrmenge abhängig von der steigen­den Drehzahl des Motors bis zum Start­ende abgeregelt. Der Zündwinkel wird ebenfalls an den Startvorgang angepaßt. Er wird in Ab­hängigkeit von der Motortemperatur und der Drehzahl eingestellt.

Nachstart Während des Nachstarts (Phase nach dem Startende) wird eine weitere Redu­zierung der noch erhöhten Einspritz­menge in Abhängigkeit von der Motor­temperatur und der Zeit nach dem Start­ende vorgenommen. Der Zündwinkel wird an diese Einspritz-

Bild 1

Einfluß der Sekundärluft auf HC und CO.

1 ohne Sekundärluft, 2 mit Sekundärluft.

ppm

600

500 ()

~ 400 0 "(ij

-~ 300 UJ

200

100

0 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0

Luftzahl I..

1,1 1,2

menge und an den entsprechenden Betriebszustand angepaßt. Der Nach­start geht fließend in den Warmlauf über.

Warmlauf Je nach Motor- und Abgaskonzept kann die Phase des Warmlaufs mit unter­schiedlichen Vorgehensweisen durch­laufen werden. Entscheidend für die Aus­legung sind die Fahrbarkeit sowie Ab­gas- und Verbrauchsverbesserungen.

Die Kombination eines mageren Warm­laufes mit einem späten Zündzeitpunkt erhöht die Abgastemperatur. Einen anderen Weg, eine höhere Abgas­temperatur zu erreichen, bietet eine fette Warmlaufabstimmung in Verbin­dung mit einer Sekundärlufteinblasung. Hierbei wird für kurze Zeit nach dem Start Luft in das Abgassystem hinter den Auslaßventilen eingebracht. Diese Zu­satzluft kann beispielsweise mit Hilfe einer Sekundärluftpumpe eingeblasen werden. Der Luftüberschuß führt bei ei­nem ausreichenden Temperaturniveau zu einer HC- und CO-Oxidation im Aus­puffsystem und der erwünschten höhe­ren Abgastemperatur (Bild 1 ). Beide Maßnahmen führen zu einer schnelleren Betriebsbereitschaft des Katalysators. Neben den Eingriffen auf Zündwinkel und Einspritzung ist außerdem eine

%

12

10 0

~ 8 0

"(ij

-~ 6 UJ

4

2 2

0 0,5 0,6

Luftzahl!..

Erhöhung der Leerlaufdrehzahl über eine speziell angepaßte Luftvorsteuerung zur schnelleren Katalysatoraufheizung mög­lich. Bei erreichter Betriebsbereitschaft des Katalysators wird die Einspritzung auf eine Luftzahl von "A = 1 geregelt und der Zündwinkel entsprechend angepaßt.

Übergangskompensation Beschleunigen/Verzögern Ein Teil des in das Saugrohr eingespritz­ten Kraftstoffes gelangt nicht sofort beim nächsten Ansaugvorgang in den Zylin­der, sondern schlägt sich als Flüssig­keitsfilm an der Saugrohrwand nieder. Die Menge des stationär im Wandfilm gespeicherten Kraftstoffes nimmt mit steigender Last und längerer Einspritz­zeit stark zu. Beim Öffnen der Drosselklappe wird des­halb ein Teil des eingespritzten Kraftstof­fes für den Wandfilmaufbau benötigt. Um eine Ausmagerung während eines Be­schleunigungsvorganges zu verhindern, muß diese Kraftstoffmenge zusätzlich eingespritzt werden. Bei fallender Last wird die im Wandfilm gebundene Kraft­stoffmehrmenge wieder frei. Daher muß beim Verzögerungsvorgang die Ein­spritzzeit um die gleiche Kraftstoffmenge vermindert werden. Bild 2 zeigt den daraus resultierenden Verlauf der Einspritzzeit

Bild2

Einspritzzeit Im Übergang.

1 Einspritzzeit aus Lastsignal , 2 effektive Einspritzzeit, 3 Mehrmenge, 4 Mindermenge, 5 Drosselklappenwinkel <XoK·

5

Fahrstrecke -

Schubabschalten/Wiedereinsetzen Im Schiebebetrieb wird die Einspritzung abgeschaltet und damit werden Kraft­stoffverbrauch und Abgasemission ver­ringert. Vor Abschalten der Einspritzpulse wird zunächst der Zündzeitpunkt in Richtung spät verstellt, um den Drehmoment­sprung beim Übergang in den Schub zu verkleinern. Nach Unterschreiten einer Wiederein­setzdrehzahl, die oberhalb der Leerlauf­drehzahl liegt, setzt die Einspritzung wie­der ein. Die Wiedereinsetzdrehzahl ist in Abhängigkeit von verschiedenen Para­metern wie z. B. Motortemperatur und Drehzahldynamik im Steuergerät gespei­chert, um in allen Betriebsbereichen ein Unterschwingen der Motordrehzahl zu vermeiden. Beim Wiedereinsetzen wird bei den ersten Einspritzpulsen der nötige Wandfilmaufbau über eine Krattstoff­mehrmenge berücksichtigt. Die Zünd­winkelsteuerung unterstützt beim Wie­dereinsetzen einen ruckfreien Dreh­momentaufbau.

Leerlaufregelung Leerlauf Im Leerlauf des Motors bestimmen hauptsächlich der Wirkungsgrad und die Leerlaufdrehzahl den Kraftstoffver­brauch. Ein erheblicher Anteil des Kraft­stoffverbrauchs von Kraftfahrzeugen im dichten Straßenverkehr entfällt auf die­sen Betriebszustand. Daher ist eine möglichst niedere Leerlaufdrehzahl von Vorteil. Der Leerlauf muß jedoch so eingestellt sein, daß die Leerlaufdrehzahl unter al­len Bedingungen, wie belastetes Bord­netz, eingeschaltete Klimaanlage, ein­gelegter Gang bei Fahrzeugen mit Auto­matikgetriebe, aktiver Lenkhilfe usw. , nicht zu weit absinkt und der Motor un­ruhig läuft oder gar ausgeht.

Leerlaufdrehzahlregelung Die Leerlaufdrehzahlregelung muß ein Gleichgewicht zwischen dem abgegebe­nen Motordrehmoment und der Motorbe-

Betriebs­zustand

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M-Motronic

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lastung herstellen und damit für eine kon­stante Drehzahl sorgen. Die Motorlast im Leerlauf setzt sich aus verschiedenen Lastmomenten, die im Mo­tor entstehenden Reibmomente des Kurbel- und Ventiltriebs und der Zusatz­aggregate (z. B. der Kühlwasserpumpe) zusammen. Diese internen Reibmomente, die von der Leerlaufregelung ausgeglichen wer­den, unterliegen einer langsamen Veränderung während der Lebensdauer des Motors. Sie sind zudem stark temperaturabhängig. Zu diesen internen Reibmomenten kommt die externe Last durch die bereits erwähnten Belastungen wie Klimaanlage usw. Diese externen Lasten unterliegen star­ken Schwankungen, weil Aggregate zu­und wieder abgeschaltet werden. Be­sonders moderne Motoren mit kleiner Schwungmasse und großvolumigem Saugrohr reagieren empfindlich auf diese Laständerungen.

Bild3

Bypass-Steiler für Schlauchanschluß.

Eingangsgrößen Neben dem Signal des Drehzahlsensors benötigt die Leerlaufdrehzahlregelung noch eine Information über den Drossel­klappenwinkel , um die Leerlaufbedin­gung (Fuß vom Gaspedal) erkennen zu können. Um die Temperaturabhängigkeit vorsteu­ern zu können, wird die Motortemperatur erfaßt. Abhängig von der Motortem­peratur und der gewünschten SoUdreh­zahl wird eine Luftmasse vorgegeben, die im geregelten Betrieb noch korrigiert wird. Soweit vorhanden, dienen Eingangs­signale von der Klimaanlage oder des automatischen Getriebes zu einer besse­ren Vorsteuerung und unterstützen damit die Leerlaufdrehzahlregelung.

Bild4

Bypass-Steiler für Anbau.

Stelleingriffe Die Leerlaufregelung hat physikalisch drei Möglichkeiten des Stelleingriffs:

Luftsteuerung Der bewährte Eingriff ist die Luft­steuerung über einen Bypass zur Dros­selklappe oder eine Verstellung der Drosselklappe selbst über einen verän­derlichen Anschlag bzw. einen Direkt­antrieb wie bei der "Elektronischen Mo­torleistungssteuerung". Beim Bypass-Steiler für Schlauchan­schluß wird der Bypass zur Drossel­klappe über Luftschläuche und Steiler gebildet (Bild 3). Moderner sind Bypass­Steiler für Anbau, die direkt an das Dros­selklappenteil geflanscht sind und die Bypassluft regulieren. Bild 4: Beispiel für einen Einwicklungs­drehsteller (Bypass) für Anbau . Bypass-Steiler haben den Nachteil, daß sie zur Leckluft der Drosselklappe zu­sätzliche Leckluft verursachen. Benötigt ein gut eingelaufener Motor weniger Luft im Leerlauf als Drosselklappe und By-

Bild 5

pass-Steiler Leckluft verursachen, kann die Leerlaufdrehzahl nicht mehr ein­gestellt werden. Die Luftsteuerung über die Verstellung der Drosselklappe hat diesen Nachteil nicht. Bei der Leerlauf­Drosselvorrichtung verstellt ein Elektro­motor über ein Getriebe den Leerlaufan­schlag der Drosselklappe (Bild 5). Bei großvolumigem Saugrohr wirkt der Ein­griff über die Luftmenge nur verzögert auf die LeerlaufdrehzahL

Zündwinkelsteuerung Die zweite (wesentlich schneller wirken­de) Möglichkeit ist der Eingriff auf den ZündwinkeL Über drehzahlabhängige Zündwinkel kann erreicht werden, daß mit sinkender Motordrehzahl der Zünd­winkel nach früh verstellt wird und das Drehmoment zunimmt.

Gemischzusammensetzung Der Eingriff auf die Gemischzusam­mensetzung ist wegen der strengen Ab­gasvorschriften und der begrenzten Mög­lichkeiten praktisch ohne Bedeutung.

Drosselvorrichtung mit integriertem Leerlaufsteller.

Betriebs­zustand

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Lambda-Regelung

Eine wirkungsvolle Maßnahme, schäd­liche Abgasemissionen zu senken, ist eine Nachbehandlung der Abgase im Dreiwege-Katalysator. Er wandelt die drei schädlichen Abgaskomponenten CO, HC und NOx in H20, C02 und N2 um.

Regelbereich Die Umwandlung aller drei angespro­chenen Abgaskomponenten ist nur in ei­nem sehr engen Bereich möglich: dem "Lambda-Fenster" (A = 0,99 .. . 1 ). Dies kann nur mit der Lambda-Regelung er­reicht werden. Die Lambda-Sonde, die im Abgasstrom vor dem Katalysator liegt, mißt den Sauerstoffgehalt des Abgases. Bei mageren Gemischen (A. > 1) ergibt sich eine Sondenspannung von ca. 100 mV, bei fettem Gemisch (A < 1) von ca. 800 mV. Bei A. = 1 springt die Sondenspannung von einem Span­nungspegel auf den anderen (Bild 6) . Das Steuergerät erzeugt aus dem Signal des Luftmassenmessers und der aufge­nommenen Motordrehzahl ein Einspritz­signal. Für die Lambda-Regelung be­rechnet das Steuergerät aus dem Lambda-Sondensignal zusätzlich einen Faktor, mit dessen Hilfe die Einspritzzeit korrigiert werden kann. Bild 7 zeigt das Funktionsschema. Bild 6

Regelbereich der Lambda-Sonde und Verringerung der Abgasemlssionen.

----- Ohne katalytische Nachbehandlung __ Mit katalytischer Nachbehandlung

Funktion Die Lambda-Regelung ist nur mit einer betriebsbereiten Lambda-Sonde wirk­sam. Eine Sondenauswerteschaltung stellt diesen Zusammenhang fortwäh­rend fest. Bei kalter Sonde, bei Unterbrechungen oder Kurzschlüssen in der elektrischen Leitung erzeugt sie nicht plausible Span­nungswerte, die nicht ausgewertet wer­den. ln den meisten Fällen werden die Lambda-Sonden beheizt; sie sind damit bereits nach 30 s betriebsbereit. Kalte Motoren brauchen für einen gleich­mäßigen Rundlauf ein fetteres Gemisch (A < 1). Die Lambda-Regelung kann deshalb erst oberhalb einer bestimmten Motortemperaturschwelle freigegeben werden. Bei aktiver Lambda-Regelung wird das Lambda-Sondensignal im Steuergerät mit einem Komparator (Vergleicher) in ein Zweipunktsignal umgewandelt. Das übertragene Signal (A > 1, Gemisch zu mager oder A. < 1, Gemisch zu fett) veranlaßt den nachgeschalteten Regler, seine Stellgrößen zu verändern (mit einem Sprung und anschließendem "Rampenverlauf"). Die Einspritzzeit wird verändert (also ver­größert oder verkleinert), und mit dem ständigen Datenaustausch stellt sich so eine Dauerschwingung des Reglerfak­tors ein. Bild7

Funktionsschema der Lambda-Regelung.

1 Lultmassenmesser, 2 Motor, 3a Lambda­Sonde 1, 3b Lambda-Sonde 2 (nur bei Bedarf) , 4 Katalysator, 5 Einspritzventile, 6 Steuergerät. Us Sondenspannung, Uv Ventilsteuerspannung, Ve Einspritzmenge.

I I T 1 uSb I

Die Periodendauer dieser Schwingung ist durch die Gaslaufzeit bestimmt und die Amplitude durch die "Rampen­steigung" so festgelegt, daß sie im Last­Drehzahlbereich trotz unterschiedlicher Gaslaufzeiten weitgehend konstant bleibt.

Lambda-Verschiebung Der optimale Konvertierungsbereich (Umwandlungsbereich) und der Span­nungssprung an der Sonde sind nicht ganz deckungsgleich. Durch eine un­symmetrische Reglerschwingung läßt sich das Gemisch in den optimalen Be­reich (A = 1) verschieben. Die Unsymmetrie wird entweder durch ein verzögertes Umschalten des Regler­faktors nach dem Spannungssprung (von mager nach fett) an der Sonde erreicht oder durch einen unsymmetri­schen Sprung. Dieser Fall tritt dann ein, wenn der Span­nungssprung an der Sonde von mager nach fett eine andere Sprunghöhe hat als der Spannungssprung von fett nach mager.

Adaption der Vorsteuerung an die Lambda-Regelung Die Lambda-Regelung korrigiert die zeit­lich nachfolgende Einspritzung aufgrund der vorausgegangenen Messung an der Lambda-Sonde. Dieser zeitliche Versatz ist durch die Gaslaufzeiten bestimmt und läßt sich nicht umgehen. Deshalb treten beim "Anfahren" eines neuen Betriebspunktes mit falsch abgestimmter Vorsteuerung erst einmal Abweichungen von A = 1 auf, bis die Regelung diese wieder ausge­regelt hat. Zur Einhaltung von Abgasgrenzwerten ist deshalb eine Vorsteuerung notwen­dig. Die Vorsteuerung wird bei der An­passung an den Motor festgelegt und das Lambda-Kennfeld im ROM (Lese­speicher) gespeichert. Im Laufe der Nut­zungsdauer eines Fahrzeugs können je­doch "Drifts" auftreten, die eine andere Vorsteuerung erfordern. Diese Drifts sind z. B. Dichte- und Qualitätsänderungen des Kraftstoffes.

Die Adaption der Vorsteuerung erkennt, daß der Lambda-Regler in bestimmten Drehzahlbereichen unter Last immer wieder die gleiche Korrektur durchführen muß. Sie korrigiert die Vorsteuerung in diesem Bereich und schreibt diese Kor­rektur in einen Speicher (Dauer-RAM), der auch bei Motorstillstand mit Strom versorgt wird. Beim nächsten Start kann deshalb mit der korrigierten Vorsteue­rung begonnen werden, bevor die Lambda-Regelung aktiv ist. Eine Unterbrechung der Spannungs­versorgung des Langzeitspeichers wird erkannt. Die Adaption beginnt dann mit neutralen Werten.

Zweisonden-Lambda-Regelung Eine Sonde, die hinter dem Katalysator eingebaut wird, ist besser vor Ver­schmutzungen durch das Abgas ge­schützt. Mit Hilfe dieser Sonde wird der Regelung mit der Sonde vor dem Kataly­sator eine zweite Regelung überlagert, die eine langzeitstabile Gemischzusam­mensetzung sichert (Bild 7). Die überlagerte Regelung verändert die Unsymmetrie der Dauerschwingung der Regelung mit der Sonde vor dem Kataly­sator und kompensiert dadurch die Lambda-Verschiebung. Eine Lambda-Regelung allein mit der Sonde hinter dem Katalysator wäre we­gen der langen Gaslaufzeiten zu träge.

Betriebs­zustand

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M-Motronic

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Kraftstoffverdunstungs­Rückhaltesystem

Entstehung von Kraftstoffdämpfen Der Kraftstoff im Kraftstoffbehälter er­wärmt sich: - wegen der Wärmestrahlung von au­

ßen oder - wegen des überschüssigen Kraftstof­

fes, der aus dem Kraftstoffkreislauf zu­rückfließt und sich im Motorraum er­hitzt hat.

Dadurch entstehen HG-Emissionen, die hauptsächlich im Kraftstoffbehälter aus­dampfen.

HC-Emissionsbegrenzung Gesetzliche Bestimmungen legen Grenzwerte für Verdunstungsemissionen fest. Kraftstoffrückhaltesysteme begrenzen diese HG-Emissionen. Sie sind mit ei­nem Aktivkohlebehälter ausgerüstet, in dem die Entlüftungsleitung aus dem Kraftstoffbehälter endet. Die Aktivkohle hält den Kraftstoffdampf zurück und läßt BildS

Kraftstoffverdunstungs-Rückhaltesystem.

1 Leitung vom Kraftstoff- zum Aktivkohlebehälter, 2 Aktivkohlebehälter, 3 Frischluft, 4 Regenerierventil, 5 Leitung zum Saugrohr, 6 Drosselklappe.

nur die Luft ins Freie entweichen. Zu­sätzlich ist damit für einen Druckaus­gleich gesorgt. Um die Aktivkohle immer wieder zu regenerieren, führt eine wei­tere Leitung vom Aktivkohlebehälter zum Saugrohr. Bei Motorbetrieb entsteht im Saugrohr ein Unterdruck. Er bewirkt, daß Luft aus der Umgebung durch die Aktivkohle ins Saugrohr strömt. Diese reißt die zwi­schengespeicherten Benzindämpfe mit und führt sie der Verbrennung zu. Ein Regenerierventil in der Leitung zum Saugrohr dosiert diesen Regenerier­bzw. "Spülstrom" (Bild 8).

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

tJ.p Differenz zwischen Ps Saugrohrdruck und Pu Umgebungsdruck.

Pu 1J 3

2

1 % der angesaugten Luft beträgt und nur aus Frischluft besteht, wird das Gemisch um 1 % magerer. Stark mit Benzin an­gereicherte Luft dagegen verfettet das Gemisch um ca. 30%, da Benzindampf mit dem stöchiometrischen Faktor 14,7 auf das Luft-Kraftstoff-Verhältnis A wirkt. Zudem ist die spezifische Dichte von Kraftstoffdampf doppelt so hoch wie die von Luft.

Regenarierventil Ein Regenerierventil wird so angesteu­ert, daß der Aktivkohlebehälter ausrei­chend gespült wird und die Lambda­Abweichungen minimal sind (Bild 9).

Kontrollfunktion des Steuergerätes Damit die Gemischadaption unabhängig von Tankentlüftungseinflüssen arbeiten kann, wird das Regenerierventil in regel­mäßigen Zeitabständen geschlossen. Das Regenerierventil wird "rampen­förmig" geöffnet. Dabei auftretende Ab­weichungen des Lambda-Reglers "lernt" das Steuergerät als Gemischkorrektur Bild 9

Regenerierventil.

1 Schlauchanschluß, 2 Rückschlagventil , 3 Blattfeder, 4 Dichtelement, 5 Magnetanker, 6 Dichtsitz, 7 Magnetwicklung.

der Kraftstoffregenerierung. Die Funktion ist so ausgelegt, daß bis zu 40% des Kraftstoffes aus dem Regenerierstrom kommen können. Bei inaktiver Lambda-Regelung werden nur kleine Regeneriermengen zugelas­sen, weil dann Gemischfehler nicht mehr ausgeregelt werden können. Beim "Schubabschalten" im Schiebebe­trieb wird das Regenerierventil schlag­artig geschlossen, damit keine Benzin­dämpfe unverbrannt zum Katalysator ge­langen können.

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

Betriebs­zustand

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Voraussetzung für diese Zündwinkel­auslegung ist eine sichere Klopferken­nung ab einer bestimmten Klopfintensität jedes einzelnen Zylinders im gesamten Betriebsbereich des Motors. Zur Klopferkennung werden die für das Klopfen charakteristischen Schwingun­gen durch einen oder mehrere an geeig­neter Stelle des Motors angebrachte Kör­perschallaufnehmer, die Klopfsensoren, in elektrische Signale umgewandelt und der Motronic zur Auswertung zugeführt. Dort erfolgt für jeden Zylinder und jede Verbrennung in einem entsprechenden Auswertealgorithmus die Klopferken­nung. Erkannte klopfende Verbrennun­gen führen am betreffenden Zylinder zu einer Spätverstellung des Zündzeit­punktes um einen programmierbaren Betrag. Tritt kein Klopfen mehr auf, er­folgt wieder eine stufenweise Früh­verstellung des Zündzeitpunktes bis zum Vorsteuerwert. Der Klopferkennungs- und der Klopt­regelalgorithmus werden so abgestimmt, daß kein hörbares und motorschädi­gendes Klopfen auftritt (Bild 1 0).

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

Klopfregelung.

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

Zyl. 1 Arbeitsspiele -

Bild 10

Klopfregelung bei Turbomotoren Bei Motoren mit Abgasturboaufladung ist eine Kombination von Ladedruck- und Klopfregelung besonders vorteilhaft. Bei Auftreten von Klopfen wird zunächst der Zündzeitpunkt nach spät verstellt. Erst bei Überschreiten von Spätverstell­schwellen, die durch die Abgas­temperatur bestimmt werden, wird als weitere klopfmindernde Maßnahme der Ladedruck abgesenkt. Der Turbomotor kann so unter Einhaltung der zulässigen Abgastemperatur mit optimalem Wir­kungsgrad an der Klopfgrenze betrieben werden.

Ladedruckregelung Abgasturboaufladung Von den bekannten Aufladeverfahren beim Ottomotor hat sich die Abgas­turboaufladung gegenüber der Druck­wellen- und der mechanischen Aufla­dung eindeutig durchgesetzt. Die Ab­gasturbolader ermöglichen bereits bei Motoren mit kleinem Hubraum hohe Drehmomente und Leistungen bei guten Motorwirkungsgraden. Gegenüber ei­nem Saugmotor mit gleicher Leistung benötigt der Turbomotor einen kleineren Bauraum und hat damit ein besseres Lei­stungsgewicht Untersuchungen der Automobilindustrie haben ergeben, daß bei gleichen Fahr­leistungen ein Turbomotor mit kleinem

Hubraum und elektronischer Ladedruck­regelung gegenüber einem Saugmotor eine ähnliche Kraftstoffverbrauchsein­sparung wie ein Nebenkammer-Diesel­motor haben kann. Der Abgasturbolader besteht in seinen Hauptbauteilen aus einem Verdichter und einer Abgasturbine, deren Räder auf einer gemeinsamen Welle angeordnet sind. Die Abgasturbine setzt einen Teil der Abgasenergie in Rotationsenergie um und treibt den Verdichter an. Dieser saugt Frischluft an und fördert die vorver­dichtete Luft über Ladeluftkühler, Dros­selklappe sowie Saugrohr zum Motor. Bild 11

Stellglied der elektronischen Ladedruckregelung.

1 TaktventiL fl2 Ladedruck, flo Druck in der Membrandose, TVM Ansteuersignal für Taktventil vom

Steuergerät, Ii r Volumenstrom durch Turbine, VwG Volumenstrom durch Waste-Gate.

Stellglied für Abgasturboaufladung Pkw-Motoren müssen bereits bei niedri­gen Drehzahlen ein hohes Drehmoment erreichen. Deshalb wird das Turbinen­gehäuse für einen kleinen Abgasmas­senstrom ausgelegt, z. B. Vollast bei n = 2000 min-1. Damit nun bei größeren Abgasmas­senströmen der Abgasturbolader den Motor nicht überlädt, muß in diesem Be­reich ein Teilstrom über ein Bypass-Ven­til ("Waste-Gate") an der Turbine vorbei in die Abgasanlage abgeführt werden. Üblicherweise ist dieses Bypass-Ventil in Klappenausführung im Turbinengehäuse integriert. Seltener ist der Einsatz eines Tellerventils in einem separaten Ge­häuse parallel zur Turbine. Die variable Turbinengeometrie wurde bisher beim Ottomotor noch nicht eingesetzt, ist aber auch mit der Ladedruckregelung kom­binierbar.

Elektronische Ladedruckregelung Bei einer pneumatisch-mechanischen Regelung wird das Stellglied des Turbo­laders direkt mit dem Ladedruck vom Verdichteraustritt beaufschlagt. Hierbei ist der Drehmomentverlauf über der Mo­tordrehzahl nur in sehr engen Grenzen wählbar. Über der Last gibt es nur eine Vollastbegrenzung. Die Taleranzen im Vollast-Aufladegrad können nicht ausge­regelt werden. in der Teillast verschlech­tert das geschlossene Bypass-Ventil den Wirkungsgrad. Beschleunigungen aus niedrigen Motordrehzahlen können zu einem verzögerten Ansprechen des Ab­gasturboladers (ausgeprägteres "Turbo­loch") führen. Diese Nachteile lassen sich durch eine elektronische Ladedruckregelung (Bild 11) vermeiden. ln bestimmten Teil­lastbereichen kann der spezifische Kraft­stotfverbrauch gesenkt werden. Erreicht wird dies durch Öffnen des Bypass-Ven­tils, welches sich wie folgt auswirkt: - Ausschiebearbeit des Motors und die

Turbinenleistung nehmen ab, - Druck und Temperatur am Verdich­

teraustritt werden gesenkt und - Druckgefälle an der Drosselklappe

Betriebs­zustand

nimmt ab. 291

M-Motronic

292

Ebenfalls ergibt sich ein linearisierter Drehmomentverlauf über dem Drossel­klappenwinkel mit einer besser dosier­baren Leistungsanforderung durch das Gaspedal. Um die zuvor genannten Verbesserun­gen zu ermöglichen, muß der Abgastur­bolader mit Stellglied optimal an den Motor angepaßt sein. Beim Stellglied betrifft dies: - das elektro-pneumatische Taktventil, - die wirksame Membranfläche, Hub

und Feder der Membrandose und - der Querschnitt des Ventiltellers bzw.

der -klappe am "Waste-Gate".

ln der M-Motronic mit elektronischer Ladedruckregelung liegen die Sollwerte je nach eingesetztem Lastsensor in Druck, Luftmenge oder Luftmasse vor. Diese Sollwerte sind in einem Kennfeld in Abhängigkeit von Motordrehzahl und Drosselklappenwinkel gespeichert. Regelkreisglieder gleichen die Differenz zwischen dem vom Betriebspunkt ab­hängigen Soll- und dem gemessenen Ist­wert aus. Der berechnete Wert am Reg­lerausgang wird als Signal (pulsweiten­moduliert) an das Taktventil ausgegeben. Im Stellglied führt dieses Signal über eine Änderung des Steuerdrucks und des Hubes zu einer Änderung des Quer­schnitts am Bypass-Ventil.

Am Turbomotor darf die Abgastempe­ratur zwischen Motor und Turbine be­stimmte Schwellwerte nicht überschrei­ten. Deshalb setzt Bosch die Lade­druckregelung nur in Verbindung mit der Klopfregelung ein. Denn nur die Klopfre­gelung erlaubt während der gesamten Motorlebensdauer einen Betrieb mit möglichst frühen Zündzeitpunkten. Die­ser für den jeweiligen Motorbetriebs­punkt optimale Zündwinkel bringt eine sehr niedrige Abgastemperatur mit sich.

Für eine noch weitergehende Senkung der Abgastemperatur sind Eingriffe auf den Ladedruck und/oder auf das Ge­misch möglich.

Drehzahl- und Geschwindigkeits­begrenzung Extrem hohe Drehzahlen können zur Zerstörung des Motors führen (Ventil­trieb, Kolben). Durch die Drehzahl­begrenzung wird vermieden, daß eine maximal zulässige Motordrehzahl über­schritten wird. Die M-Motronic bietet die Möglichkeit einer Drehzahl- und Geschwindigkeitsbegren­zung über eine Einspritzausblendung.

Bei Überschreiten der Maximaldrehzahl no bzw. der Maximalgeschwindigkeit wer­den die Einspritzimpulse unterdrückt. Drehzahl bzw. Geschwindigkeit werden dadurch begrenzt.

Bei Unterschreiten eines kleinen Schwellwertes setzt die Einspritzung wieder ein . Dies erfolgt in schnellem Wechsel in­nerhalb eines Drehzahltoleranzbandes um die vorgegebene maximal zulässige MotordrehzahL

Der Fahrer bemerkt die Drehzahlbe­grenzung durch eine Einbuße im Fahr­komfort und wird dadurch veranlaßt, ent­sprechend zu reagieren. Bild 12 zeigt ein Beispiel für den Dreh­zahlverlauf bei einer aktiven Drehzahl­begrenzung.

Bild 12

Begrenzen der maximalen Drehzahl n0 durch Unterdrücken der Einspritzimpulse. a Bereich der Kraftstoffabschaltung.

0~--------------~ 0 s

Zeit I---

Abgasrückführung

Während der Ventilüberschneidung wird eine bestimmte Restgasmenge vom Brennraum ins Saugrohr geschoben. Beim nachfolgenden Ansaugvorgang wird dann zusätzlich zum Frischgemisch ein gewisser Anteil Restgas mit ange­saugt. Die Größe des Restgasanteils ist durch die Ventilüberschneidung betriebspunkt­abhängig fest für einen ausgelegten Motor vorgegeben. Eine Variation des Restgasanteils ist ent­weder über eine "äußere" Abgasrück­führung (AGR) mit einem von der M­Motronic angesteuerten Abgasrückführ­ventil (Bild 13) oder über eine Nockenwellenverstellung möglich. Bis zu einem gewissen Grad kann sich ein steigender Restgasanteil positiv auf die Energieumsetzung und damit auf den Kraftstoffverbrauch auswirken. Weiterhin führt eine Erhöhung des Restgasanteils zu einer Reduzierung der maximalen Verbrennungstemperatur und als Folge davon zu einer Verringerung der Stick­oxidbildung. Gleichzeitig führt eine Erhöhung des Restgasanteils jedoch ab einem be­stimmten Maß zu einer unvollständigen Verbrennung und damit zu einer Zunah­me der Kohlenwasserstoff-Emissionen, des Kraftstoffverbrauches und der Lauf­unruhe (Bild 14).

Bild 13

AbgasrückfOhrung (Beispiel).

1 Abgasrückführung, 2 elektropneumatischer Wandler, 3 Abgasrückführventil, 4 Steuergerät, 5 Luftmassenmesser. 11 Drehzahl.

Einfluß des Restgasanteils auf Kraftstoff­verbrauch und Emissionen.

1 Luftzahl 'A ( Restgasanteil AG = konstant) , 2 Restgasanteil AG (A = konstant).

g/kWh

-5 :> ~ e .,

t ~ 0

11 ~ ~

N 8. "'

ppm

c 0 'iii V>

t .E w (.) J:

"'

/ /

/

I I

I

/1 I

I

ppm ~=========~ c 0 'iii

~ t X

0 z

Bild 14

0,9 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5

Luftzahl !.. (RG=konst. )

0,16 0,36 0,56 0,76 Restgasanteil RG (l..=konst.)

Betriebs­zustand

293

M-Motronic

294

Nockenwellensteuerung

Die Nockenwellensteuerung kann auf vielfältige Art und Weise den Ottomotor beeinflussen: - Drehmomenten- und Leistungserhö­

hung, Abgas- und Verbrauchsreduzie­rung,

- Steuerung der Ladungszusammen­setzung und

- stufige bzw. stufenlose Verstellung für Einlaß und Auslaß.

Die Steuerzeit "Einlaß schließt" ist maß­gebend für die maximale Zylinderfüllung in Abhängigkeit von der Drehzahl. Bei frühem Schließen des Einlaßventils liegt das Maximum des Luftaufwandes in dem Bereich niedriger Drehzahlen, bei späte­rem Schließen verschiebt es sich in den Bereich höherer Drehzahlen.

Die Phase, in der sich Ventilsteuerungen zeitlich überschneiden (Steuerzeiten "Einlaß öffnet" und "Auslaß schließt" überlappen sich), legt die interne Rest­gasrückführung fest.

Eine verlängerte Ventilöffnungsdauer über eine nach früh verschobene Ein­laßöffnungsdauer führt zu einer Erhö­hung des Restgasanteils, da sich die ins Saugrohr geschobene und anschließend wieder angesaugte Restgasmasse er­höht. Damit reduziert sich bei gleicher Drossel­klappenstellung die angesaugte Frisch­gemischmasse; die Drosselklappe muß zum Ausgleich für einen gleichen Last­punkt weiter geöffnet werden. Die durch die "Entdrosselung" (Herabset­zung der Drosselwirkung) hervorgeru­fene Verkleinerung der Ladungswechsel­schleife verbessert den Wirkungsgrad bzw. senkt den Kraftstoffverbrauch. Eine Verschiebung der Einlaßöffnungs­dauer in Richtung spät verringert den RestgasanteiL Hier werden insbesondere im Leerlauf Verbesserungen hinsichtlich der Ver­brauchswerte der Abgasemissionen und der Laufruhe erreicht.

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

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

Verdrehung der Einlaßnockenwelle.

1 spät, 2 normal, 3 früh.

Auslaß Einlaß l (~I (verstellbar)

Kurbelwinkel

Bild 16

Nockenwellenumschaltung.

1 Standard-, 2 Zusatznocken.

l "' .c ::J J:

Auslaß Einlaß (verstellbar) (verstellbar)

/2\ I \ I \ I \ I I

\ o~~~--~~~~~--~'w

120° 240° 360° 480° 600° UT OT UT

Kurbelwinkel

öffneVschließt", so resultieren daraus im Leerlauf ein geringerer Restgasanteil und bei höheren Drehzahlen ein höherer Luftaufwand.

Bei niedrigen bis mittleren Drehzahlen oder in bestimmten Teillastbereichen führt eine Verdrehung der Einlaß­nockenwelle in Richtung frühes "Einlaß öffneVschließt" zu einem höheren maxi­malen Luftaufwand.

Gleichzeitig führt sie im Teillastbereich zu einer Erhöhung des Restgasanteils mit den damit verbundenen Einflüssen auf den Kraftstoffverbrauch und die Abgas­emissionen.

Nockenwellenumschaltung Bei der Nockenwellenumschaltung ver­ändern sich die Ventilsteuerzeiten durch Schalten von zwei unterschiedlichen Nockenformen.

Bild 17

Stufenlose Steuerzeit- und Ventilhubänderung.

a minimaler, b maximaler Hub.

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

Betriebs­zustand

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M-Motronic

296

Saugrohrumschaltung

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

Saugrohre für Einzeleinspritzsysteme transportieren nur Luft; der Kraftstoff wird vor den Einlaßventilen abgespritzt. Dies bietet mehr Möglichkeiten bei der Saug­rohrgestaltung. Standardmäßige Saugrohre für Einzel­Bild 18

Resonanzaufladung.

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

i

Drehzahl nMotor-

einspritzsysteme bestehen aus Einzel­schwingrohren und Sammler mit Dros­selklappe.

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

Einen nahezu idealen Drehmoment­verlauf ermöglicht eine Saugrohrum­schaltung, bei der zum Beispiel in Ab­hängigkeit von Motorlast, Drehzahl und Drosselklappenstellung verschiedene Verstellungen möglich sind: - Verstellen der Schwingrohrlänge, - Umschalten zwischen verschiedenen Bild 19

Schalt-Ansaugsysteme.

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

B

Schwingrohrlängen oder unterschiedli­chen Durchmessern von Schwingrohren,

- wahlweises Abschalten eines Einzel­rohres je Zylinder bei Mehrfach­Schwingrohren,

- Umschalten auf unterschiedliche Sammlervolumen.

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

Resonanzaufladung Bei der Resonanzaufladung werden Gruppen von Zylindern mit gleichen Zündabständen über kurze Rohre an Re­sonanzbehälter angeschlossen, die über Resonanzrohre mit der Atmosphäre bzw. Bild20

Stufenlos längenvariable Sauganlage.

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

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

Schalt-Ansaugsysteme Beide Systeme der dynamischen Auf­ladung erhöhen den erzielbaren Luftauf­wand vor allem im unteren Drehzahl­bereich. Zum Umschalten der Schalt-Ansaug­systeme dienen zum Beispiel Klappen, die die zu Zylindergruppen zusammen­gefaßten Systembereiche drehzahlab­hängig voneinander trennen bezie­hungsweise miteinander verbinden (Bild 19). Die regelbare Ansaugrohrlänge arbeitet mit einer ersten Resonanzkammer bei niedrigen Drehzahlen. Die Ansaugrohr­länge verändert sich schließlich bis zu hohen Drehzahlen, bei denen zusätzlich noch eine zweite Resonanzkammer öff­net (Bild 20). Bild 21 zeigt den Einfluß variabler Saug­rohrgeometrie auf den effektiven Mittel­druck in Abhängigkeit von der Drehzahl als Maß für den Luftaufwand. Bild21

Effektiver Mitteldruck in Abhängigkeit von der Drehzahl bei drei Längen der stufenlos varia­blen Sauganlage.

L 1 effektive Saugrohrlänge, D, Saugrohr-Durchmesser.

bar

12

~ "' 11 "" " " :2 .,

10 "' ~ Q; .2: 9 ,;;: Q)

:0:: w

8

7 2000 4000

Drehzahl "

Betriebs­zustand

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M-Motronic

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Integrierte Diagnose

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

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

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

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

Katalysator Eine weitere Diagnosefunktion über­wacht den Katalysator auf seinen Wir­kungsgrad. Zu diesem Zweck wird zu­sätzlich zu der herkömmlichen Lambda­Sonde vor dem Katalysator eine Lambda-Sonde nach dem Katalysator eingebaut. Ein funktionierender Kataly­sator besitzt eine Speicherwirkung für Sauerstoff, durch welche die Regel­schwingungen der Lambda-Regelung gedämpft werden. Bei einem gealterten Katalysator läßt diese Eigenschaft nach, bis sich schließlich der Signalverlauf nach dem Katalysator dem Signalverlauf vor dem Katalysator angleicht. Durch Vergleich der Lambda-Sondensignale

Abgasemissionen in Abhängigkeit von der Aussetzerrate.

Motor: 6 Zylinder, 2,8 I. Emissions-Grenzwerte US 94: HC = 0,25 g/Meile, CO = 3,40 g/Meile, NOx = 0,40 g/Meile.

250

~ 200 ~ c ~ Cl > 150

c Q) c 0 100 ·~

E Q)

gJ .8' 50 <(

HC

ÜL_ ____ L_ ____ LL ____ L_ __ __

0

Bild2

2

Aussetzerrate

Überwachung des dynamischen Verhaltens von Lambda-Sonden.

3

a Neue Sonde, b gealterte Sonde Typ II, c gealterte Sonde Typ 111.

T=3S

T=8S

e>c c ("', r ~ ("'--. ::l c

~ (/) c Q)

-g c7l

1'-'

0

I

1\ I

10 20

T= 11 s

\ I \ 1/ \ \/ \ \

'-'

30 40

Zeit

%

Bild 1

s

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

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

Kraftstoffversorgung Länger anhaltende Abweichungen des Kraftstoff-Luft-Gemisches vom stöchio­metrischen Verhältnis werden in Ver­bindung mit der Gemischadaption be­rücksichtigt. Überschreiten diese Ab­weichungen vorher definierte Grenzen, befindet sich irgend ein Bauteil der Kraft­stoffversorgung oder -zumessung außer­halb seines Spezifikationsbereiches.

Integrierte Diagnose

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300

Beispiel hierfür kann ein fehlerhafter Druckregler, Lastsensor oder auch nur eine Leckage im Saugrohr oder in der Abgasanlage sein.

Sekundärlufteinblasung Die nach einem Kaltstart wirksame Sekundärlufteinblasung muß ebenfalls überwacht werden, da bei einem eventu­ellen Ausfall die Emissionen beeinflußt werden . Bei aktiver Sekundärlufteinbla­sung kann das Signal der Lambda-Son­den geprüft oder bei einer im Leerlauf aktiven Testfunktion der Lambda-Regler eingeschaltet und beobachtet werden.

Abgasrückführung Für die Diagnose der Abgasrückführung bieten sich verschiedene Möglichkeiten an. Im wesentlichen haben sich zwei Varianten durchgesetzt. Bei der ersten Möglichkeit wird an der Stelle, an der das heiße Abgas in das Saugrohr zurückge­führt wird, mit einem Sensor die Tempe­raturerhöhung bei aktiver Abgasrück­führung gemessen. Bild 3

Als zweite Möglichkeit wird im Schub (bei Kraftstoffabschaltung) das Abgasrück­führventil voll geöffnet. Das in das Saug­rohr strömende Abgas führt dort zu einer Druckerhöhung. Über einen Drucksensor wird die Er­höhung des Saugrohrdrucks gemessen und ausgewertet.

Tanksystem Nicht nur Emissionen aus der Abgas­anlage beeinträchtigen die Umwelt, son­dern auch aus der Tankanlage ent­weichende Kraftstoffdämpfe. Zunächst beschränkt sich der Gesetz­geber noch auf eine relativ einfache Überprüfung der Funktion des Regene­rierventils . Später wird gefordert, daß Lecks in dem Kraftstoffverdunstungs­Rückhaltesystem erkannt werden . ln Bild 3 ist das Grundprinzip der Dia­gnose dargestellt. Mit einem Absperr­ventil wird das Rückhaltesystem ver­schlossen. Dann wird vorzugsweise im Leerlauf des Motors das Regenerierventil geöffnet,

Unterdruckprüfung zum Erkennen von Lecks in der Tankentlüftung.

1 Saugrohr. 2 Regenerierventil , 3 Absperrventil , 4 Kraftstoffbehälter, 5 Differenzdrucksensor, 6 Schutzventil.

wobei sich der Saugrohrdruck im ge­samten System fortpflanzt. Über einen Drucksensor im Tank wird der Druckver­lauf beobachtet und daraus auf Lecks geschlossen.

Weitere Überwachungen Neben der Motorsteuerung, die haupt­sächlich von dieser neuen Gesetz­gebung betroffen ist, werden aber auch andere Systeme (z. B. automatische Ge­triebe) in die Überwachung mit einbezo­gen. Diese melden das Vorhandensein von Fehlern an die Motorsteuerung und diese steuert dann stellvertretend die Diagnoselampe an. Durch die steigende Komplexität der Systeme und verschärfte Umweltge­setze kommt der Diagnose eine zuneh­mende Bedeutung zu.

Bild 3 Bosch-Motortester.

Notlauf

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

Integrierte Diagnose

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Steuergerät

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

Mechanischer Aufbau Das Steuergerät befindet sich in einem Metallgehäuse, das eine Leiterplatte mit den elektronischen Bauelementen ent­hält. Die Sensoren, die Stellglieder und die Stromversorgung sind über eine viel­polige Steckverbindung an das Steuerge­rät angeschlossen. Diese Steckverbin­dung ist, je nach Gerätetyp, entsprechend dem unterschiedlichen Funktionsumfang 35-, 55- oder 88polig ausgeführt. Die Leistungsbauelemente zur direkten Ansteuerung der Stellglieder sind auf Kühlkörper im Steuergerät montiert. We­gen der erzeugten und abzuführenden Wärme dieser elektronischen Bauteile ist eine gute Wärmeleitung zur Karosserie notwendig.

Umgebungsbedingungen An das Steuergerät werden hohe Anfor­derungen bezüglich der Umgebungs­temperatur, der Feuchte und den mecha­nischen Beanspruchungen gestellt. Ebenso sind die Forderungen an die elektromagnetische Störunempfindlich­keit und an die Begrenzung der Abstrah­lung hochfrequenter Störsignale sehr hoch.

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

Spannungsversorgung Ein Spannungsregler stellt die konstante Versorgungsspannung von 5 V für die digitalen Schaltungen bereit.

Signaleingabe Die Eingangssignale werden in unter­schiedlicher Form dem Steuergerät zu­geleitet. Sie werden über Schutzbe­schaltungen und gegebenenfalls über Signalwandler und Verstärker geführt. Der Mikroprozessor verarbeitet diese Schaltsignale direkt.

Die analogen Signale (z. B. Informa­tionen über angesaugte Luftmenge, Drosselklappenstellung, Motor- und An­sauglufttemperatur, Batteriespannung, Lambda-Sonde usw.) werden von einem Analog/Digitalwandler (A/D-Wandler) im Mikroprozessor in digitale Werte umge­formt.

Das Signal eines induktiven Sensors mit Informationen über Drehzahl und Be­zugsmarke wird in einem Schaltungsteil aufbereitet, um Störimpulse zu unter­drücken.

Signalverarbeitung Der Mikroprozessor im Steuergerät ver­arbeitet die Eingangssignale. Dieser Mikroprozessor benötigt ein Programm für die Signalverarbeitung, das in einem Festwertspeicher (ROM oder EPROM) gespeichert ist. Zusätzlich sind in dem Speicher die motorspezifischen Kenn­linien und Kennfelder für die Motor­steuerung gespeichert. Wegen der Vielzahl von Motor- und Aus­stattungsvarianten der Fahrzeuge sind einige Steuergeräte mit einer Varianten­codierung ausgestattet. Über diese Co­dierung wird bei dem Fahrzeughersteller oder in einer Werkstatt eine Auswahl der im EPROM gespeicherten Kennfelder zusätzlich programmiert, um die ge­wünschten Funktionen der Variante erfül­len zu können. Andere Gerätetypen sind derart konzi­piert, daß komplette Datensätze am Ende der Fahrzeugproduktion in das EPROM einprogrammiert werden kön-

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

Signalausgabe Der Mikroprozessor steuert Endstufen an, die genügend Leistung für den direk­ten Anschluß der Stellglieder liefern. Bild 1

Blockschaltbild M-Motronic.

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

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

Sensoren Signalaufbereitung Rechner Endstufen Stellglieder

Scha~eingänge:

Zündung EINlAUS ---+ Nockenwellenstellung ---+ Fahrgeschwindigkeit ---+ Fahrstufe ---+

Getriebeeingriff Klimaanlage

Analogeingänge: Batteriespannung

Motortemperatur ---+ Ansauglufttemp. ---+ Luftmenge ---+ Drosselklappenwinkel ---+ Lambda-Sonde ---+ Klopfsensor ---+

Drehzahlsignal

i---. :RAM: L ___ J

Einspritzventil

Zündspule Relais Kraftstoffpumpe Hauptrelais

Regenarierventil

Leertaufsteller Fehlertampe

Diagnose

Steuer­gerät

303

M-Motronic Schnittstellen zu anderen Systemen

Systemübersicht

Der verstärkte Einsatz von elektroni­schen Steuerungen im Kraftfahrzeug, wiez.B. - Getriebesteuerung, - elektronische Motorleistungssteue-

rung (EMS bzw. E-Gas), - elektronische Motorsteuerung

(M-Motronic), - Antiblockiersystem (ABS), - Antriebsschlupfregelung (ASR), - Bordcomputer usw., macht eine Vernetzung dieser einzelnen Steuerungen erforderlich. Der Informa­tionsaustausch zwischen den Steue­rungssystemen verringert die Anzahl von Sensoren und verbessert die Aus­nutzung der Einzelsysteme.

Die Schnittstellen können in zwei Kate­gorien unterteilt werden: - konventionelle Schnittstelle, z. B.

binäre Signale (Schalteingänge), Tast­verhältnisse (Pulsbreiten-modulierte Signale),

- serielle Datenübertragung, z. B. Controller Area Network (CAN).

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

304 sinnvoll bewältigt werden. Die "Komple-

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

Serielle Datenübertragung (CAN) Es gibt drei wesentliche Einsatzgebiete für CAN im Kfz: - Steuergerätekopplung, - Karosserie- und Komfortelektronik

(Multiplex), - mobile Kommunikation. Die folgende Beschreibung bezieht sich auf die Steuergerätekopplung.

Steuergerätekopplung Bei der Steuergerätekopplung werden elektronische Systeme wie M-Motronic, elektronische Getriebesteuerung usw. miteinander gekoppelt. Typische Über­tragungsraten liegen zwischen ca. 125 kBit/s und 1 MBit/s. Sie müssen so hoch sein, daß ein gefordertes Echtzeit­verhalten garantiert werden kann. Ein

Bild 1

Konventionelle Datenübertragung.

GS Getriebesteuerung, EMS elektronische Motorleistungssteuerung, ABS Antiblockier· system, ASR Antriebsschlupfregelung, MSR Motorschleppmomentregelung.

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

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

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

Bild 2

Lineare Busstruktur.

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

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

Botschaftsformat Für die Übertragung auf dem Bus wird ein Datenrahmen (Data Frame) auf­gebaut, dessen Länge weniger als 130 Bit beträgt. Damit ist sichergestellt, daß die Wartezeit bis zur nächsten, mögli­cherweise sehr dringlichen Übertragung stets kurz gehalten wird. "Data Frame" besteht aus sieben auf­einanderfolgenden Feldern.

Standardisierung CAN ist bei der internationalen Nor­menorganisation ISO als Standard für den Einsatz im Kfz für Datenreihen über 125 kBit/s und zusammen mit zwei weiteren Protokollen für Datenraten bis zu 125 kBit/s vorgesehen.

Schnitt­stellen

305

ME-Motronic

306

Motormanagement ME-Motronic

Gesamtsystem Motronic Systemübersicht

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

Motronic-Ausführungen

Die nachfolgende Beschreibung bezieht sich auf eine typische Ausführung einer ME-Motronic. ln diesem Kürzel kenn­zeichnet "M" die klassischen Aufgaben einer Motronic, also die koordinierte Steuerung von Einspritzung und Zündung, "E" steht für die Integration des elektro­nischen Gaspedals EGAS.

Grundfunktion Die Hauptaufgabe der Motronic ist, den vom Fahrer gewünschten Betriebszustand einzustellen. Im Mikroprozessor wird dazu die Stellung des Fahrpedals in einen Sollwert für das Motormoment übersetzt. Dieses Moment wird dann unter Berück­sichtigung der zahlreichen verfügbaren aktuellen Betriebsdaten der ME-Motronic in die Größen umgerechnet, die bestim­mend sind für das Motormoment - die Füllung der Zylinder mit Luft, - die Masse des eingespritzten Kraft-

stoffs und - der ZündwinkeL

Zusatzfunktion Neben diesen Grundfunktionen beinhal­tet die ME-Motronic eine große Anzahl von zusätzlichen Steuerungs- und Rege­lungsfunktionen. Beispiele dafür sind: - Leerlaufdrehzahlregelung, - Lambda-Regelung, - Steuerung des Kraftstotfverdunstungs-

Rückhaltesystems, - Abgasrückführung zur Senkung von

NOx-Emissionen, - Steuerung des Sekundärluftsystems

zur Senkung von HG-Emissionen und - Fahrgeschwindigkeitsregelung. Diese Funktionen sind notwendig gewor­den durch die Gesetzgebung zur Sen­kung der Abgasemissionen, die Forde-

rungen nach Fortschritten zur Reduzie­rung des Kraftstoffverbrauchs, aber auch durch erhöhte Anforderungen an den Fahrkomfort und die Fahrsicherheit Zusätzlich kann das System noch durch folgende Funktionen ergänzt werden: - Steuerung des Turboladers sowie der

Saugrohrumschaltung (--? Leistungs­steigerung des Motors),

- Nockenwellensteuerung (--7 Senkung der Abgasemissionen und des Kraftstoff­verbrauchs sowie Leistungssteigerung),

- Klopfregelung, Drehzahlbegrenzung und Geschwindigkeitsbegrenzung (--7 Schutz von Motor und Fahrzeug) .

Drehmomentführung Ziel der Drehmomentführung ist die Ent­flechtung dieser vielen, teilweise sehr unterschiedlichen Aufgaben. Nur dann ist es möglich, flexibel- also abhängig vom Motor- oder Fahrzeugtyp - die jeweils benötigten Funktionen auszuwählen und in die jeweilige Variante der Motronic zu integrieren.

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

Bild 1

Blockschaltbild der ME-Motronic.

Fahrpedalstellung a Drosselklappen- a stellung Luftmasse ~II Batteriespannung r:ii~

Ansauglutttemperaatur-~;~~ Motortemperatur : Klopfintensität

Lambda-Sonde 1 c!-2 ,_

Kurbelwellen- A. "­drehzahl und OT v "'--Nockenwellen- 3~ stellung

Getriebestufe -

Fahrzeug- 0 geschwindigkeit

ADC

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

Fahrzeugmanagement Über das Bussystem CAN (Controller Area Network) kann die Motronic mit den Steuergeräten anderer Fahrzeugsysteme kommunizieren. Die Motronic ermöglicht damit unter anderem im Verbund mit dem Steuergerät des Automatikgetriebes ein Schalten, das durch Momentenreduzie­rung beim Schaltvorgang das Getriebe schont. Ein vorhandenes ASR-Steuer­gerät (Antriebsschlupfregelung) informiert bei durchdrehenden Rädern die Motro­nic über diesen Zustand, damit diese das erzeugte Drehmoment reduziert. Somit kommen auch hier die Vorteile der Drehmomentführung zum tragen.

Diagnose Die ME-Motronic wird durch Komponen­ten zur On-Board-Überwachung ergänzt. Daher kann sie zur Erfüllung - der strengen Abgasgrenzwerte und - der Anforderungen an die integrierte

Diagnose eingesetzt werden.

Zündkerzen

EGAS-Steller

J1- E Einspritzventile ~~

~~ Motordrehzahlmesser J3 Hauptrelais

Jrd. Kraftstoffpumpenrelais

~dF--1 Heizung Lambda-Sonde

111:== Tankentlüftung Saugrohr-Umschaltung i Sekundänuft ~ ~A~ ~~~ ~gnose L_-=~~==~~~~

,,----AbgasrOckführung ~

::>

Gesamt­system

307

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Systeme zur Füllungssteuerung

Steuerung der Drosselklappe

Beim Ottomotor mit äußerer Gemisch­bildung ist die Zylinderfüllung die bestim­mende Größe für das abgegebene Mo­ment und damit für die Leistung. Die Drosselklappe steuert den vom Motor angesaugten Luftstrom und damit die Zylinderfüllung.

Herkömmliche Systeme ln herkömmlichen Systemen wird die Drosselklappe mechanisch bewegt. Ein Seilzug oder ein Gestänge überträgt die Bewegung des Fahrpedals auf die Dros­selklappe. Der kalte Motor benötigt eine größere Luftmasse und eine Mehrmenge an Kraftstoff, um das gestiegene Reib­moment auszugleichen. Auch beim Zu­schalten z.B. eines Klimakompressors ist ein höherer Luftbedarf erforderlich, um das Verlustmoment auszugleichen. Der zusätzliche Luftbedarf wird gedeckt, indem ein Bypassluftsteiler einen zusätz­lichen Luftstrom an der Drosselklappe vorbeiführt (Bild 2) oder ein Drossel­klappenansteller den Minimalanschlag

Bild 1

EGA$-System.

Sensoren

Prinzip der Luftsteuerung durch Bypassluft­steller.

1 Leerlaufsteller (Bypassluftsteller) , 2 Steuergerät, 3 Drosselklappe, 4 Bypass.

I "· 1

~q

u Bild 2

der Drosselklappe verändert. ln beiden Fällen läßt sich jedoch der vom Motor benötigte Luftstrom nur in begrenztem Umfang, etwa für eine Leerlaufregelung, elektronisch beeinflussen.

Systeme mit EGAS Bei der elektronischen Motorfüllungs­steuerung EGAS übernimmt ein elektro­nisches Steuergerät die Ansteuerung der Drosselklappe. Die Drosselklappe ist mit dem Drosselklappenantrieb (Gleich­strommotor) und dem Drosselklappen­winkelsensor als Einheit zusammen­gefaßt Sie wird als Drosselvorrichtung bezeichnet (Bild 1 ).

Aktoren

Fahrpedalmodul Motorsteuergerät Drosselvorrichtung

Systemezur Füllungs­steuerung

309

ME-Motronic

310

Zur Ansteuerung der Drosselvorrichtung wird die Stellung des Fahrpedals mit Hilfezweier gegenläufiger Potentiometer erfaßt. Die für diesen Fahrerwunsch er­forderliche Öffnung der Drosselklappe wird dann unter Berücksichtigung des aktuellen Betriebszustandes des Motors vom Steuergerät errechnet und in Ansteuersignale für den Drosselklap­penantrieb umgesetzt. Der aus zwei Po­tentiometern bestehende Drosselklappen­winkelsensor ermöglicht das exakte Einhalten der gewünschten Drossel­klappenposition. Die aus Gründen der Redundanz dop­pelt vorhandenen Potentiometer an Fahrpedal und Drosselvorrichtung sind Bestandteil des EGAS-Überwachungs­systems. Dieses Teilsystem überprüft während des Motorbetriebs ständig alle Sensoren und Berechnungen, die Ein­fluß auf die gewünschte Drosselklappen­öffnung haben. Im Falle einer Fehlfunk­tion wird zunächst auf redundante Sen­soren oder Berechnungsgrößen zurück­griffen. Ist kein redundantes Signal ver­fügbar, so nimmt die Drosselklappe so­fort eine festgelegte Position ein. Mit der ME-Motronic ist die EGAS-An­steuerung in das Motorsteuergerät, das Bild 3

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

2

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

Steuerung des Ladungswechsels

Neben der Drosselung des vom Motor angesaugten Frischgasstroms mit Hilfe der Drosselklappe gibt es weitere Sy­steme zur Veränderung von Frischgas­und Restgasmasse im Zylinder: - variable Steuerzeiten von Ein- und

Auslaßventil, - Abgasrückführung, - variable Geometrie des Saugrohrs

(Dynamische Aufladung) und - Abgasturboaufladung.

Variable Steuerzeiten Bei der Konzeption der Steuerzeiten ist zu beachten, daß sich das Verhalten der in den Zylinder ein- und ausströmenden Gassäulen z.B. über der Drehzahl oder der Drosselklappenöffnung stark ver-

3

Verdrehung der Einlaßnockenwelle.

1 spät, 2 normal, 3 früh.

Auslaß

300°

Einlaß (verstellbar)

420° 480°

Kurbelwinkel

540° 600° UT

Bild4

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

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

Nockenwellenumschaltung.

1 Standard-, 2 Zusatznocken.

1

Auslaß Einlaß (verstellbar) (verstellbar)

/2'\ I \ I \

/ I

o~~~~~~~--L-~~ 120° 240°

UT 360° OT

Kurbelwinkel

Nockenwellenumschaltung

480° 600° UT

Bild 5

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

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

Systemezur Füllungs­steuerung

311

ME-Motronic

312

Stufenlose Steuerzeit- und Ventilhubänderung.

a minimaler Hub, b maximaler Hub.

a

Bild?

Abgasrückführung (Beispiel).

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

4

b

Bild 6

2

3

führung" möglich. Dazu steuert die Motronic abhängig vom Betriebspunkt des Motors das Abgasrückführventil an und legt damit dessen Öffnungsquer­schnitt fest (Bild 7). Dem Abgas wird dadurch ein Teilstrom entnommen und über das Ventil dem Frischgemisch zugeführt. Damit ist der Abgasanteil der Zylinderfüllung festgelegt. Die Abgasrückführung ist ein wirkungs­volles Mittel zur Absenkung der Stick­oxidemissionen. Durch Zumischen von bereits verbranntem Abgas zum Luft­Kraftstoff-Gemisch wird die Verbren­nungs-Spitzentemperatur gesenkt. Diese Maßnahme reduziert die temperatur­abhängige Stickoxidemission.

Dynamische Aufladung Das erreichbare Drehmoment ist propor­tional zur Frischgasfüllung. Das maxi­male Drehmoment kann daher gestei­gert werden, indem die Luft vor Eintritt in den Zylinder verdichtet wird. Die Ladungswechselvorgänge werden nicht nur durch die Steuerzeiten, son­dern auch durch die Saug- und Abgas­leitung beeinflußt. Durch die Saughübe der Zylinder werden im Saugrohr peri­odische Druckschwankungen erzeugt. Diese Druckschwankungen können aus­genutzt werden um die Frischgasfüllung zu vergrößern und damit ein höchst­mögliches Drehmoment zu erreichen. Saugrohre für Einzeleinspritzsysteme bestehen aus den Einzelschwingrohren und dem Sammler mit Drosselklappe. Durch geeignete Wahl der Längen und Durchmesser von Schwingrohr und Sammler kann die Schwingung der Luftsäule im Ansaugsystem ausgenutzt werden, um die Dichte der Frischgas­füllung und damit die Frischgasmasse zu erhöhen.

Schwingsaugrohraufladung Die durch die Kolbenbewegung erzeug­ten Druckwellen laufen durch die Schwingrohre und werden an den Rohr­enden reflektiert. Länge und Durchmes­ser der Schwingrohre werden so auf die Ventilsteuerzeiten abgestimmt, daß ein Druckberg das Einlaßventil kurz vor dem

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

Resonanzaufladung Bei der Resonanzaufladung werden Gruppen von Zylindern mit gleichen Zündabständen über kurze Rohre an Resonanzbehälter angeschlossen, die über Resonanzrohre mit der Atmo­sphäre bzw. einem Sammelbehälter verbunden als Helmholtz-Resonatoren wirken (Bild 8). Die teilweise benötigten großen Sammlervolumen haben durch ihre Speicherwirkung aber mögliche Dynamikfehler (dies sind Gemisch­abweichungen bei schnellen Lastände­rungen) zur Folge.

Variable Saugrohrgeomterie Die beiden Systeme der dynamischen Aufladung erhöhen die erzielbare maxi­male Füllung vor allem im unteren Dreh­zahlbereich.

Bild 8

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

Drehzahl nMotor-

Systemezur Füllungs­steuerung

313

ME-Motronic

314

Schalt-Ansaugsysteme.

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

a A B

Bild 10

Stufenlos längenvariable Sauganlage.

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

Effektiver Mitteldruck in Abhängigkeit von der Drehzahl bei drei Längen der stufenlos variablen Sauganlage.

L 1 effektive Saugrohrlänge, o, Saugrohrdurchmesser.

bar

12

J 11 .>< <.J 2 "0

~ 10 ~ Q; >

~ 9 = w

8

L1=950mm, D1=36mm L1=640mm. D1=36mm L1=330mm, D1=40mm

7 '-----'------J'-----'-------J-"--J 0

2000 4000

Drehzahl"

min-• ~ ::; :::>

Bi ld 11

Einen nahezu idealen Drehmoment­verlauf jedoch ermöglicht eine variable Saugrohrgeometrie (Schalt-Ansaug­systeme), bei der zum Beispiel in Abhängigkeit von Motorlast, Drehzahl und Drosselklappenstellung verschie­dene Verstellungen möglich sind: - Verstellen der Schwingrohrlänge, - Umschalten zwischen verschiedenen

Schwingrohrlängen oder unterschied­lichen Durchmessern von Schwing­rohren,

- wahlweises Abschalten eines Einzel­rohres je Zylinder bei Mehrfachschwing­rohren und

- Umschalten auf unterschiedliche Sammlervolumen.

Zum Umschalten der Schalt-Ansaug­systeme dienen zum Beispiel Klappen, die zu Zylindergruppen zusammenge­faßte Systembereiche drehzahlabhän­gig voneinander trennen beziehungs­weise miteinander verbinden (Bild 9). Die regelbare Ansaugrohrlänge arbeitet mit einer ersten Resonanzkammer bei

niedrigen Drehzahlen. Die Ansaugrohr­länge verändert sich schließlich bis zu hohen Drehzahlen, bei denen zusätzlich noch eine zweite Resonanzkammer öffnet (Bild 1 0). Bild 11 zeigt den Einfluß variabler Saug­rohrgeometrie auf den effektiven Mittel­druck in Abhängigkeit von der Drehzahl als Maß für den Luftaufwand.

Abgasturboaufladung Eine stärkere Erhöhung der Frisch­gasdichte ist durch den Einsatz von Aufladegeräten möglich. Von den be­kannten Verfahren zur Aufladung des Ottomotors findet die Abgasturbo­aufladung die breiteste Anwendung. Die Abgasturboaufladung ermöglicht bereits bei Motoren mit kleinem Hubraum hohe Drehmomente und Leistungen bei guten Motorwirkungsgraden. Gegenüber ei­nem Saugmotor mit gleicher Leistung sprechen vor allem das geringere Ge­wicht und der reduzierte Bauraum für den Turbomotor. 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 niedrigeren und mittleren Drehzahlen Anwendung. Dies gilt insbesondere in Verbindung mit der elektronischen Ladedruckregelung. Der Abgasturbolader besteht in seinen Hauptbauteilen aus einem Verdichter und einer Abgasturbine, deren Räder auf einer gemeinsamen Welle ange­ordnet sind. Die Energie zum Antrieb des Verdichters wird dem Abgas entnommen. Dabei wird einerseits die Energie genutzt, die bei Saugmotoren infolge des durch den Kurbeltrieb vorgegebenen Expansions­verhältnisses nicht genutzt werden kann. Andererseits wird das Abgas beim Verlassen des Motors höher aufgestaut, um die notwendige Verdichterleistung zu erhalten. Die Abgasturbine setzt einen Teil der Abgasenergie in Rotationsenergie um und treibt den Verdichter an. Dieser saugt Frischluft an und fördert die

vorverdichtete Luft über Ladeluftkühler, Drosselklappe sowie Saugrohr zum Motor.

Stellglied der Abgasturboaufladung Pkw-Motoren müssen bereits bei nied­rigen Drehzahlen ein hohes Dreh­moment erreichen. Deshalb wird das Turbinengehäuse für einen kleinen Ab­gasmassenstrom ausgelegt, z.B. Vollast bei n <=2000 min·1 . Damit nun bei größeren Abgasmassen­strömen der Abgasturbolader den Motor nicht überlädt, muß in diesem Bereich ein Teilstrom über ein Bypass-Ventil (Waste-Gate) an der Turbine vorbei in die Abgasanlage abgeführt werden. Übli­cherweise ist dieses Bypass-Ventil in Klappenausführung im Turbinengehäuse

Bild 12 Stellglied der elektronisch geregelten Abgasturboaufladung.

1 Taktventil, P2 Ladedruck, Po Druck in der Membrane, TVM Ansteuersignal für Taktventil vom

Steuergerät, Vr Volumenstrom durch Turbine, V wG Volumenstrom durch Waste-Gate.

Systemezur Füllungs­steuerung

315

ME-Motronic

316

integriert. Seltener ist der Einsatz eines Tellerventils in einem separaten Ge­häuse parallel zur Turbine.

Mechanische Aufladung Bei der mechanischen Aufladung wird ein Verdichter direkt vom Verbrennungs­motor angetrieben. ln der Regel sind da­bei Motor- und Verdichterdrehzahl z. B. über einen Riemenbetrieb fest gekop­pelt. Im Unterschied zur Abgasturboauf­ladung muß daher bei einer Drehzahl­oder Lasterhöhung der Verdichter nicht erst beschleunigt werden, wodurch sich ein höheres Motordrehmoment im dyna­mischen Betrieb ergibt. Da die zum Antrieb des Verdichters not­wendige Leistung jedoch nicht als effek­tive Motorleistung zur Verfügung stehen Bild 1

Kraftstoffversorgungssystem mit Rücklauf.

1 Kraftstoffbehälter, 2 Elektrokrattstoffpumpe. 3 Kraf1stoffilter, 4 Kraf1stoffdruckregler, 5 EinspritzventiL

2

4

kann, steht diesem Vorteil ein etwas er­höhter Verbrauch entgegen. Dieser Nachteil wird gemildert, wenn der Ver­dichter über eine von der Motronic ge­schaltete Kupplung bei niedrigen Motor­lasten und -drehzahlen "abgeschaltet" werden kann.

Kraftstoffsystem

Kraftstoffversorgung

Systeme mit und ohne Rücklauf Das Kraftstoffversorgungssystem hat die Aufgabe, dem Motor unter allen Betriebsbedingungen stets die benötigte Kraftstoffmasse zur Verfügung zu stel-

Elektrokraftstoffpumpe EKP 13.5.

len. Hierzu fördert eine elektrisch ange­triebene Pumpe den Kraftstoff über ein Krattstotfilter aus dem Kraftstoffbehälter zum Kraftstoffverteiler mit den elektro­magnetischen Einspritzventilen. Diese spritzen ihn genau dosiert in das Saug­rohr des Motors. in Systemen mit Rück­lauf fließt der nicht verbrauchte Kraftstoff über einen Druckregler zum Kraftstoff­behälter zurück (Bild 1 ). Bis vor einiger Zeit kennzeichnete diese Lösung den Stand der Technik, zunehmend werden aber rücklauffreie Kraftstoffversorgungs­systeme eingesetzt. in beiden Systemen fördert die Elek­trokraftstoffpumpe den Kraftstoff konti­nuierlich aus dem Tank in den Kraft­stoffkreislauf. Ein Druckregler regelt den Systemdruck durch Veränderung des in das Tankvolumen rückströmenden Kraftstoffstroms. Damit wird der Druck im Kraftstoffversorgungsystem auf ty­pisch 300 kPa eingestellt. Mit diesem Druck wird die Bildung störender Dampfblasen im Kraftstoff verhindert. Im rücklauffreien System ist der Druck­regler in unmittelbarer Nähe der Pumpe angebracht. Dadurch kann die Kraft­stoffrückleitung vom Motor zurück zum Tank entfallen, was zu günstigeren Kosten und reduzierten Kraftstoff­temperaturen im Tank führt. Dies be­wirkt eine Abnahme der Kohlenwasser­stoffemissionen und verbessert die Wir­kung des Kraftstoffverdunstungs-Rück­haltesystems.

Bild 2

Elektrokraftstoffpumpe Die Elektrokraftstoffpumpe fördert den Kraftstoff kontinuierlich aus dem Kraft­stoffbehälter. Sie kann direkt im Kraft­stoffbehälter ("lntank") oder außerhalb in die Kraftstoffleitung ("lnline") eingebaut sein. Die heute in der Regel verwendeten lntank-Pumpen (Bild 2 zeigt als Beispiel die EKP 13.5) sind in Tankeinbaueinhei­ten integriert, die noch den Füllstandsge­ber und einen Dralltopf zur Abscheidung von Dampfblasen aus dem Kraftstoff­rücklauf enthalten. Bei lnline-Pumpen kann zur Vermeidung von Heißförder­problemen eine Vorförderpumpe in den Kraftstoffbehälter montiert werden, die den Kraftstoff mit geringem Druck zur Hauptpumpe fördert. Um unter allen Be­triebsbedingungen den erforderlichen Kraftstoffdruck aufrecht zu erhalten, ist die Fördermenge größer als der maxi­male Kraftstoffbedarf des Motors. Die Motorsteuerung schaltet die Elektro­kraftstoffpumpe ein. Eine Sicherheits­schaltung oder -software verhindert die Förderung bei eingeschalteter Zündung und stehendem Motor.

Kraftstoffverteiler Der Kraftstoff durchströmt den Kraft­stoffverteiler und wird so gleichmäßig auf alle Einspritzventile verteilt. Bei Systemen mit Rücklauf ist neben den Einspritzventilen auch der Druckregler und eventuell ein Druckdämpfer am

Kraftstoff­system

317

ME-Motronic

318

Kraftstoffilter.

1 Papiereinsatz, 2 Sieb, 3 Stützplatte.

Bild 4

Kraftstoffdruckregler.

2 3

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

Bild 5

Kraftstoffdruckdämpfer.

1 Feder, 2 Federteller, 3 Membran, 4 Kraftstotfzulauf, 5 Kraftstotfrücklauf.

2

3

Bild 3

Kraftstoffverteiler befestigt. Die gezielte Abstimmung der Kraftstoffverteiler­abmessungen verhindert örtliche Kraft­stoffdruckänderungen durch Resonan­zen beim Öffnen und Schließen der Einspritzventile. Last- und drehzahl­abhängige Unregelmäßigkeiten der Ein­spritzmassen werden dadurch vermie­den. Abhängig von den Anforderungen der verschiedenen Fahrzeugtypen beste­hen die Kraftstoffverteiler aus Stahl, Aluminium oder Kunststoff. Zu Prüf­zwecken und zum Kraftstoffdruckabbau im Service kann ein Prüfventil integriert sein.

Krattstotfilter Verunreinigungen im Kraftstoff können die Funktion von Einspritzventilen und Druckregler beeinträchtigen. Der Elek­trokraftstoffpumpe ist deshalb ein Filter nachgeschaltet Das Krattstotfilter ent­hält einen Papiereinsatz mit einer mitt­leren Porenweite von 10 IJm (Bild 3).

Kraftstoffdruckregler Die Einspritzmenge ist abhängig von der Einspritzzeit und der Druckdifferenz zwi­schen Kraftstoffdruck im Kraftstoffvertei­ler und Saugrohrdruck. Bei Systemen mit Rücklauf wird der Druckeinfluß kompensiert, indem ein Druckregler die Differenz zwischen Kraftstoffsystemdruck und Saugrohr­druck konstant hält. Dieser Kraftstoff­druckregler läßt gerade soviel Kraftstoff zum Kraftstoffbehälter zurückfließen, daß das Druckgefälle über den Einspritz­ventilen konstant bleibt (Bild 4). Zur voll­ständigen Durchspülung des Kraftstoff­verteilers ist der Kraftstoffdruckregler normalerweise an dessen Ende mon­tiert. Bei rücklauffreien Systemen sitzt der Kraftstoffdruckregler in der Einbauein­heil im Tank. Der Kraftstoffdruck im Kraftstoffverteiler wird auf einen kon­stanten Wert gegenüber Umgebungs­druck geregelt. Die Druckdifferenz zum Saugrohrdruck ist daher nicht konstant und muß bei der Berechnung der Ein­spritzdauerberücksichtigt werden.

Kraftstoffdruckdämpfer Das Takten der Einspritzventile und das periodische Ausschieben von Kraftstoff bei Elektrokraftstoffpumpen nach dem Verdrängerprinzip führt zu Schwingun­gen des Kraftstoffdrucks. Diese können sich unter Umständen über die Befesti­gungselemente von Elektrokraftstoff­pumpe, Kraftstoffleitungen und Kraft­stoffverteiler auf den Kraftstoffbehälter und die Karosserie des Fahrzeugs über­tragen. Dadurch verursachte Geräusche können durch gezielte Gestaltung der Befestigungselemente und spezielle Kraftstoffdruckdämpfer vermieden wer­den. Der Kraftstoffdruckdämpfer (Bild 5) ist ähnlich aufgebaut wie der Kraftstoff­druckregler. Wie bei diesem trennt eine federbelastete Membran den Kraftstoff­und den Luftraum.

Kraftstoffeinspritzung

Hohe Ansprüche an Laufkultur und Ab­gasverhalten eines Fahrzeugs bedingen hohe Anforderungen an die Gemisch­zusammensetzung jedes Arbeitstaktes. Neben der genauen Dosierung der eingespritzten Kraftstoffmasse entspre­chend der vom Motor angesaugten Luft ist auch die zeitgenaue Einspritzung von Bedeutung. Bei der Einzeleinspritzung ist deshalb jedem Motorzylinder ein elektromagnetisches Einspritzventil zu­geordnet. Es spritzt den Kraftstoff, genau dosiert und zu dem vom Steuer­gerät bestimmten Zeitpunkt, direkt vor das (die) Einlaßventil(e) des Zylinders. Eine Saugrohrwandbenetzung, die bei instationärem Motorbetrieb zu zeit­weisen Abweichungen des gewünschten Lambda-Wertes führen kann, wird da­durch weitgehend vermieden. Die Saug­rohre des Motors leiten somit nur die Verbrennungsluft und können deshalb optimal an die gasdynamischen Erfor­dernisse des Motors angepaßt werden.

Elektromagnetisches Einspritzventil

Aufbau und Funktion Einspritzventile bestehen im wesent­lichen aus

- einem Ventilgehäuse mit Stromspule und elektrischen Anschluß,

- einem Ventilsitz mit Spritzlochscheibe und

- einer beweglichen Ventilnadel mit Ma­gnetanker.

Ein Filtersieb im Kraftstoffzulauf schützt das Einspritzventil vor Verschmutzung. Zwei 0-Ringe dichten das Einspritzventil gegen das Kraftstoffverteilerstück und das Saugrohr ab. Bei stromloser Spule drücken die Feder und die aus dem Kraftstoffdruck resultierende Kraft auf den Ventilsitz und dichten das Kraft­stoffversorgungssystem gegen das Saugrohr ab (Bild 6). Wird das Einspritzventil bestromt, er­zeugt die Spule ein Magnetfeld. Durch das Magnetfeld wird der Anker ange­zogen, die Ventilnadel hebt sich vom Ventilsitz ab, und der Kraftstoff fließt Bild 6

Aufbau des Einspritzventils EV6.

1 0-Ringe, 2 Filtersieb, 3 Ventilgehäuse mit elektrischem Anschluß, 4 Stromspule. 5 Feder, 6 Ventilnadel mit Magnetanker, 7 Ventilsitz mit Spitzlochscheibe.

Kraftstoff­system

319

ME-Motronic

320

durch das EinspritzventiL Die abge­spritzte Kraftstoffmenge pro Zeiteinheit ist im wesentlichen bestimmt vom Sy­stemdruck und dem freien Querschnitt der Spritzlöcher in der Spritzloch­scheibe. Wird der Erregerstrom abge­schaltet, schließt die Ventilnadel wieder.

Bauarten ln heutigen Motronic-Systemen kommen im wesentlichen vier Einspritzventil-Bau­arten zum Einsatz (Bild 7): - Das Einspritzventil EV1 wird seit An­fang der 70er Jahre gefertigt. Durch kontinuierliche Weiterentwicklung erfüllt es auch heute noch alle wesentlichen Anforderungen moderner Benzinein­spritzsysteme. - Das Einspritzventil EV6 baut auf den Merkmalen des EV1 auf. Sein gutes Heißstartverhalten erleichtert den Ein­satz rücklauffreier Kraftstoffversorgungs­systeme, da dort die Kraftstofftempera­turen im Einspritzventil höher sind. Ferner stehen verschiedene Einbaulängen zur Verfügung. - Zur Verbesserung der Gemischaufbe­reitung kann das EV6 mit einer Luftum­fassung versehen werden. (siehe auch Bild 9).

Bild 7

Übersicht der verschiedenen Einspritzventile.

a Einspritzventil EV1 , b Einspritzventil EV6, c Einspritzventil EV12.

-Das EV12 ist eine Weiterentwicklung des EV6. Der Abspritzpunkt kann um 20 mm vorgesetzt werden, was die Opti­mierung des Abspritzpunktes bei schwierigen Saugrohrgeometrien verein­facht.

Strahlaufbereitung Die Strahlaufbereitung der Einspritz­ventile, d.h. Strahlform, Strahlwinkel und Tröpfchengröße, beeinflußt die Bil­dung des Luft-Kraftstoff-Gemisches. Individuelle Geometrien von Saugrohr und Zylinderkopf machen unter­schiedliche Ausführungen der Strahl­aufbereitung erforderlich. Um diese An­forderungen erfüllen zu können, stehen verschiedene Varianten der Strahlaufbe­reitung zur Verfügung (Bild 8).

Kegelstrahl Durch die Öffnungen der Spritzloch­scheibe treten einzelne Kraftstoff­strahlen aus. Die Summe der Krafstoff­strahlen bildet einen StrahlkegeL Kegel­strahlen können auch durch einen an der Nadelspitze aus dem Einspritzventil herausragenden Spritzzapfen erzielt werden. Typisches Einsatzgebiet der Kegelstrahlventile sind Motoren mit

einem Einlaßventil. Der Kegelstrahl zielt in die Öffnung zwischen Einlaßventil­teller und Saugrohrwand.

Zweistrahl Die Zweistrahlaufbereitung wird bei Motoren mit zwei Einlaßventilen einge­setzt. Die Öffnungen der Spritzlech­scheibe sind derart angeordnet, daß zwei Kraftstoffstrahlen aus dem Ein­spritzventil austreten. Jeder dieser bei­den Strahlen versorgt ein Einlaßventil.

Bild 8

Stahlformen.

a Kegelstrahl, b ZweistrahL

a

Bild 9

EV6 mit externer Luftumfassung.

1 Luft, 2 Kraftstoff, 3 Luft-Kraftstoff-Gemisch.

I \

"· / '- --- ·

Luftumfassung Beim luftumfaßten Ventil wird das Druck­gefälle zwischen Saugrohrdruck und Umgebungsdruck zur Verbesserung der Gemischaufbereitung genutzt. Luft wird über einen Luftumfassungsvorsatz in den Austrittsbereich der Spritzlech­scheibe geführt. ln einem engen Luft­spalt erhält die Luft eine sehr hohe Geschwindigkeit und der Kraftstoff wird bei der Vermischung mit der Luft fein zerstäubt (Bild 9).

2

Kraftstoff­system

321

ME-Motronic Betriebsdaten­erfassung

Fahrerwunsch

Bei einer Motorsteuerung mit elektro­nischer Drosselklappe (EGAS) besteht zwischen Fahrpedal und Drosselklap­pensteiler keine mechanische Verbin­dung. Statt dessen wird die Fahrpedal­stellung über einen Pedalwertgeber bzw. Fahrpedalmodul erfaßt und in ein elektri­sches Signal gewandelt. Dieses Signal wird in der Motorsteuerung als Fahrer­wunsch interpretiert. Das Fahrpedalmodul ist eine Funktions­einheit, die alle erforderlichen Fahrpe­dalfunktionen einschließlich der kom­pletten Fahrpedalmechanik beinhaltet. Dadurch entfällt jegliche Einstellung im Fahrzeug. Aufgrund der zumeist beeng­ten und speziellen Einbauverhältnisse sind jedoch oft fahrzeugspezifische Aus­führungen notwendig. Zu Diagnosezwecken und zur Sicher­stellung einer Notlauffunktion ist der Winkelsensor des Fahrpedals redundant ausgeführt (zwei Potentiometer). Die Sensoren werden mit unabhängigen Referenzspannungen versorgt und die Signale werden vom Steuergerät ge­trennt eingelesen.

Luftfüllung

Bei Motorkonzepten mit Saugrohrein­spritzung besteht ein linearer Zusam­menhang zwischen der Luftfüllung und dem durch die Verbrennung erzeugten Moment, also der Belastung des Motors. ln der ME-Motronic ist die Luftfüllung da­her nicht nur eine der Hauptgrößen zur Berechnung von Einspritzmenge und Zündwinkel, in einem drehmomentge­führten System wie der ME-Motronic dient die Luftfüllung auch zur Berech­nung des aktuell vom Motor abgegebe­nen Drehmoments. Zur Bestimmung der Füllung können in der ME-Motronic folgende Sensoren ein-

322 gesetzt werden:

- Heißfilm-Luftmassenmesser (HFM), - Saugrohrdrucksensor (DS-S), - Umgebungsdrucksensor (DS-U), - Ladedrucksensor (DS-L, bei Turbomo-

toren) und - Drosselklappengeber (DKG).

Zur Füllungserfassung gibt es motorspa­zifisch unterschiedliche Konzepte, wobei nicht alle Sensoren gleichzeitig vorhan­den sind. Die nicht maßtechnisch erfaß­ten Größen werden anhand der Meß­werte modelliert.

Heißfilm-Luftmassenmesser HFMS Bei dem Heißfilm-Luftmassenmesser handelt es sich um einen "thermischen" Strömungssensor. Er ist zwischen Luft­filter und Drosselklappe angeordnet und kann als Steckfühler entweder z.B. im Luftfiltergehäuse oder in einem Meßrohr in der Luftführung eingebaut sein. Bild 1 zeigt den Aufbau des Sensors.

Sensorelement Im Heißfilm-Luftmassenmesser.

1 Elektrische Anschlüsse, 2 elektrische Ver­bindungen, 3 Auswertelektronik, 4 Luftein laß, 5 Sensorelement, 6 Luftauslaß. 7 Gehäuse.

Der Strömungssensor muß den vom Mo­tor angesaugten Luftmassenstrom [kg/h] sehr genau erfassen. Insbesondere bei hoher Motorbelastung folgt die Luftbe­wegung im Saugrohr vor der Drossel­klappe der Kolbenbewegung auch stromaufwärts. Dadurch auftretende Pulsationen und Rückströmungen dür­fen die Meßgenauigkeit des Luftmas­sensensors nicht beeinflussen. Der in Mikromechanik realisierte Heiß­film-Luftmassenmesser HFM5 (Bild 2) enthält eine Heizzone, die auf eine be­stimmte Temperatur gebracht wird. Außerhalb dieser Zone fällt die Tempe­ratur auf beiden Seiten ab. Ohne Luftan­strömung ist der Temperaturverlauf auf beiden Seiten gleich. Mit Luftanströmung ist auf der Ansaugseite der Temperatur­verlauf steiler, da die Ansaugluft das Sensorelement abkühlt. Auf der gegen­überliegenden, dem Motor zugewandten Seite kühlt die vorbeiströmende Luft den

Bild2

Maßprinzip des Helßfllm-Luft.massensensors.

1 Temperaturprofil ohne Anströmung, 2 Temperaturprofi l mit Anströmung, 3 Sensor, 4 Heizzone. 5 Membran, 6 HFM5 mit Meßrohr, 7 luftstrom. M1, M2 Meßpunkte, T1, T2 Temperaturwerte, t;.T Temperaturdifferenz ergibt Meßsignal.

Signalspannung des HFM5 in Abhängigkeil der Luftmasse.

v.---------------------.

5

C> § 4 c c ~ 3 (I)

iii c .Q> 2 Cl)

0

Rückströmung

Vorwärtsströmung

200 Luftmassenstrom

Bild3

Sensor zunächst ebenfalls ab, die nun vom Heizelement erhitzte Luft erwärmt im weiteren Verlauf aber das Sensorele­ment. Daraus ergibt sich der im Bild dar­gestellte Temperaturverlauf. Abhängig von der angesaugten Luftmasse stellen sich an den Meßpunkten M1 und M2 un­terschiedliche Temperaturen T1 und T2

ein. Die Temperaturdifferenz !iT wird in eine Spannung umgewandelt. Dieses Meßprinzip erlaubt auch die Er­fassung von Rückströmungen. Dann ist die Temperatur T2 niedriger als T1.

Die Temperaturdifferenz hängt direkt von der angesaugten Luftmasse ab. Den Zu­sammenhang zwischen der Luftmasse und der von der Auswerteschaltung erzeug­ten Spannung liefert die Sensorkennlinie (Bild 3). Sie unterteilt sich in Signalberei­che für Vorwärts- und Rückströmung. Zur Erhöhung der Meßgenauigkeit wird das Meßsignal auf eine vom Motronic­Steuergerät ausgegebene Referenz­spannung bezogen. Die Kennliniencha­rakteristik ist so gestaltet, daß die in der Motronic integrierte Diagnose z. B. eine Leitungsunterbrechung erkennen kann. Zur Bestimmung der Ansauglufttempe­ratur kann ein Ausauglufttemperatursen­sor integriert sein . Je nach erforderlichem maximalen Luft­durchsatz gibt es verschiedene Größen

Betriebs­daten­erfassung

~M~~ffi. ~

ME-Motronic

324

Drucksensor (für Steuergeräteeinbau).

1 Druckanschluß, 2 Druckzelle mit

1 2 3 4 5

Sensorelementen, 3 Dichtsteg, 4 Auswerteschaltung, 5 Dickschichthybrid

(Keramiksubstrat) .

~.L;; iN I ~ -- L~.- . . . I ·~ Saugrohrdrucksensor Der Saugrohrdrucksensor ist pneuma­tisch mit dem Saugrohr verbunden und nimmt so den Saugrohr-Absolutdruck [kPa] auf. Der Meßbareich dieses Sensors liegt zwischen 2 .. . 115 kPa (20 ... 1150 mbar). Diesen mikromechanischen Sensor gibt es als Einbauelement für das Steuer­gerät oder als "Wegbau"-Sensor, der in Saugrohrnähe oder direkt am Saugrohr befestigt ist. Als Einbauelement besteht seine pneumatische Verbindung zum Saugrohr aus einer Schlauchleitung. Der Sensor ist unterteilt in eine Druck­zelle mit zwei Sensorelementen und einen Raum für die Auswerteschaltung. Sensorelemente und Auswerteschal­tung sind auf einem gemeinsamen Kera­miksubstrat untergebracht (Bild 4) . Die Auswerteschaltung hat die Aufgabe, die druckabhängige elektrische Span­nung zu verstärken, Temperaturein­flüsse zu kompensieren und die Druck­Kennlinie zu linearisieren. Das Aus­gangssignal der Auswerteschaltung wird dem Steuergerät zugeführt.

Umgebungsdrucksensor Der Umgebungsdrucksensor ist wie der Saugrohrdrucksensor ausgeführt. Er ist im Steuergerät verbaut. Der Umge­bungsdruck wird benötigt, wenn die Fül­lung nicht über einen Luftmassenmesser berechnet, sondern aus der Drosselklap­penstellung abgeleitet wird. Ferner er­laubt er eine exakte Bestimmung der Dichte der Umgebungsluft, einer Infor­mation, die in zahlreichen Diagnosefunk­tionen Anwendung findet.

Ladedrucksensor Zur Ladedruckregelung bei motoren muß der Ladedruck werden. Hierfür wird ein

Turbo­ermittelt

Druck-

Bild4

sensor eingesetzt, dessen Maßbereich bis 250 kPa (2500 mbar) reicht.

Drosselklappengeber Die ME-Motronic stellt das geforderte Moment über die Drosselklappe ein. Um zu prüfen, ob die Drosselklappe die be­rechnete Lage auch einnimmt, wird über einen Drosselklappengeber die Lage ausgewertet (Lageregelung). Aus Redundanzgründen besteht der Ge­ber aus zwei getrennten Potentiometern mit getrennter Referenzspannung.

Drehzahl, Kurbelwellen- und Nockenwellenstellung Drehzahl und Kurbelwellenstellung Die Kolbenstellung eines Zylinders wird als Meßgröße zur Festlegung des Zünd­zeitpunktes verwendet. Die Kolben aller Zylinder sind über Pleuelstangen mit der Kurbelwelle verbunden. Ein Sensor an der Kurbelwelle liefert deshalb die Information über die Kolbenstellung aller Zylinder. Die Geschwindigkeit, mit der sich die Kurbelwellenstellung ändert, wird Dreh­zahl genannt und gibt die Anzahl der Um­drehungen der Kurbelwelle pro Minute an. Diese wichtige Eingangsgröße für die Motronic wird ebenfalls aus dem Sig­nal der Kurbelwellenstellung berechnet. Obwohl der Sensor an der Kurbelwelle primär ein Signal zur Kurbelwellenstellung liefert, aus dem im Steuergerät ein Dreh­zahlsignal abgeleitet wird, hat sich die Be­zeichnung Drehzahlsensor eingebürgert.

Signalerzeugung für die Kurbelwellenstellung Auf der Kurbelwelle ist ein ferromagneti­sches Geberrad mit Platz für 60 Zähne angebracht, wobei zwei Zähne ausge-

lassen sind (Zahnlücke). Ein induktiver Drehzahlsensor tastet diese Zahnfolge von 58 Zähnen ab. Er besteht aus einem Permanentmagneten und einem Weich­eisenkern mit einer Kupferwicklung (Bild 5) . Passieren nun die Geberradzähne den Sensor, ändert sich in ihm der ma­gnetische Fluß. Es wird eine Wechsel­spannung induziert. Die Amplitude der Wechselspannung verringert sich mit größer werdendem Abstand zwischen Sensor und Geberrad und wächst mit steigender Drehzahl stark an. Eine aus­reichende Amplitude ist ab einer Min­destdrehzahl (20 min·') vorhanden. Zahn- und Polgeometrie müssen einan­der angepaßt sein . Die Auswerteschal­tung im Steuergerät formt die sinusför­mige Spannung von stark unterschiedli­cher Amplitude in eine Rechteck­spannung mit konstanter Amplitude um.

Berechnung der Kurbelwellenstellung Die Flanken der Rechteckspannung werden über einen lnterrupt-Eingang an den Rechner gegeben. Ist ein gemesse­ner Flankenabstand mehr als doppelt so groß wie der vorherige und der nachfol­gende, dann wird eine Zahnlücke er­kannt. Die Zahnlücke ist einer definierten Kurbelwellenstellung des Zylinders 1 zu­geordnet. Der Rechner synchronisiert zu diesem Zeitpunkt die Kurbelwellenstel­lung. Mit jeder folgenden negativen Zahnflanke zählt er die Kurbelwellenstel-

Bild 5

Indukt iver Drehzahlsensor.

1 Dauermagnet, 2 Gehäuse, 3 Motorgehäuse, 4 Weicheisenkem, 5 Wicklung. 6 Zahnscheibe mit Bezugsmarke (Zahnlücke).

2 3

lung um 6 Grad weiter. Die Zündaus­gabe soll jedoch in kleineren Schritten erfolgen. Die gemessene Zeitdauer zwi­schen zwei Zahnflanken wird deshalb geachtelt. An eine Zahnflanke kann das Ein-, Zwei- oder Dreifache usw. dieser so erhaltenen Zeiteinheit für die Zünd­winkelausgabe angehängt werden. Da­durch ist sie in Schritten von 0,75 Grad möglich.

Berechnung der Segmentzeit und der Drehzahl aus dem Drehzahlsensorsignal Die Zylinder eines Viertakt-Motors sind so gegeneinander versetzt, daß nach zwei Kurbelwellenumdrehungen (720 Grad) der Zylinder 1 erneut mit dem Arbeits­zyklus beginnen kann. Dieser Versatz er­gibt den mittleren Zündabstand, die Dauer dazwischen wird Segmentzeit Ts genannt. Bei gleichmäßiger Aufteilung des Versat­zes bedeutet dies: Tabelle 1 Versatz Grad Zähne 2 Zylinder 360 60 3 Zylinder 240 40 4 Zylinder 180 30 5 Zylinder 144 24 6 Zylinder 120 20

Im Takt der Segmentzeit werden mit der aus ihr abgeleiteten Drehzahl Zündung und Einspritzung neu berechnet. Die Drehzahl gibt die mittlere Kurbelwellen­drehzahl in der Segmentzeit an und ist ihrem Kehrwert proportional.

Nockenwellenstellung Die Nockenwelle steuert die Einlaßven­tile und die Auslaßventile des Motors. Sie dreht sich halb so schnell wie die Kurbelwelle. Wenn sich ein Kolben zum oberen Tot­punkt bewegt, dann bestimmt sie durch die Stellung der Ein- und Auslaßventile , ob er sich in der Verdichtungsphase mit anschließender Zündung oder in der Gas­wechselphase befindet. Aus der Kurbel­wellenstellung kann diese Information nicht gewonnen werden. Im Gegensatz zur rotierenden Span­nungsverteilung (ROV) erfordern Metro-

Betriebs­daten­erfassung

nie-Systeme mit ruhender Spannungs- 325

ME-Motronic

326

verteilung (RUV) und Einzelfunken­Zündspulen - wie die ME-Motronic - Zu­satzinformationen für die Motorstellung. Denn das Steuergerät muß entscheiden, welche Zündspule mit zugeordneter Zündkerze angesteuert werden soll. Dazu benötigt es die Information über die Nockenwellenstellung. Aber auch wenn der Zeitpunkt der Ein­spritzung für jeden Zylinder individuell angepaßt ist, wie bei der sequentiellen Einspritzung, ist die Information über die Nockenwellenstellung nötig.

Signal des Hall-Sensors Die Nockenwellenstellung wird meistens mit einem Hall-Sensor ermittelt. Die Er­fassungseinrichtung für die Nockenwel­lenstellung besteht aus einem Hall-Ele­ment, dessen Halbleiterplättchen strom­durchflossen ist. Dieses Element wird von einer Blende gesteuert, die sich mit der Nockenwelle dreht. Sie besteht aus ferromagnetischem Material und erzeugt während ihres Passierens eine Span­nung auf dem Hall-Element senkrecht zur Stromrichtung.

Bestimmung der Nockenwellenstellung Da die Hall-Spannung im Millivolt-Be­reich liegt, wird das Signal im Sensor aufbereitet und als Schaltsignal dem Steuergerät zugeführt. Im einfachsten Fall prüft der Rechner während des Pas­sierens der Geberrad-Zahnlücke den Pegel der Hall-Spannung und leitet dar­aus ab, ob Zylinder 1 sich im Arbeitstakt befindet oder nicht. Spezielle Blendenmuster erlauben, aus dem Nockenwellensignal einen Notlauf­betrieb bei Ausfall des Drehzahlsensors zu sichern. Die Auflösung des Nocken­wellensignals ist jedoch zu ungenau, um den Drehzahlsensor an der Kurbelwelle auch im Normalbetrieb zu ersetzen.

Gemischzusammensetzung

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

mißt die Sauerstoffkonzetration im Ab­gas. Ihr Ausgangssignal ist damit abhän­gig von der Luftzahl Lambda (A.).

Lambda-Sonde Als "Zweipunktsonde" ausgeführt zeigt die Lambdasonde an, ob im Abgas fettes (A. < 1 ) oder mageres Gemisch (A. > 1 ) vor­liegt. Die sprungförmige Kennlinie dieser Sonde (Bild 7) erlaubt eine Gemischre­gelung auf A.=1 . Die Breitbandsonde liefert eine Informa­tion über den aktuellen Wert der Luft­zahl. Mit Einsatz dieser Sonde lassen sich auch fette oder magere Gemische regeln.

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

Bild6

Anordnung der Lambda-Sonde im Abgasrohr.

1 Sondenkeramik, 2 Elektroden, 3 Kontakt, 4 Gehäusekontaktierung, 5 Abgasrohr, 6 keramische Schutzschicht (porös), 7 Abgas, 8 Luft.

··.Ö.·_.· · 8

·D . . . . . .

an den Elektroden eine elektrische Spannung. Bei einer stöchiometrischen Zusammensetzung des Luft-Kraftstoff­Gemischs von /...= 1 ergibt sich eine Sprungfunktion (Bild7). Die Spannung und der Innenwiderstand der Sonde sind von der Temperatur abhängig. Ein sicherer Regelbetrieb ist bei Abgastemperaturen über 350 oc (unbeheizte Sonde) bzw. über 200 oc (beheizte Sonde) möglich.

Beheizte Lambda-Sonde Die aktive Sondenkeramik wird von in­nen durch ein keramisches Heizelement in der Mitte der Sonde beheizt, so daß -auch bei noch geringer Abgastempera­tur- die Temperatur der Sondenkeramik für die Funktion hoch genug ist. Die beheizte Sonde hat ein Schutzrohr mit verminderter Durchlaßöffnung; eine Abkühlung der Sondenkeramik bei kal­tem Abgas wird damit unter anderem verhindert. Die Sondenheizung verkürzt die Zeit vom Start des Motors bis zum Einschal­ten der Regelung und stellt den Regel­betrieb auch bei kälterem Abgas sicher (zum Beispiel im Leerlauf). Beheizte Sonden haben kürzere Aufheiz- und Re­aktionszeiten. Damit läßt sich die nach einem Motorstart notwendige Zeit bis zum Einschalten der Regelung minimie­ren, sowie die Regelgeschwindigkeit op-

Bild 7 Spannungskennlinie der Zweipunkt-Lambda­Sonde für 600 °C Arbeitstemperatur.

a Fenes Gemisch (Luftmangel), b mageres Gemisch (Luftüberschuß).

"' :::. "' c: :::> c: c: ro 0.

"' c: Q) "0 c: 0

Cf)

mV

1000

800

600

400

200

0 0,8

a b

---....,

1'--. 0,9 1 1,1

Luftzahi J..

timieren. Ferner sind die Einbaumöglich­keiten dieser Sonden vielfältiger.

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

BildS

Prinzipieller Aufbau einer stetigen Breitband­Lambda-Sonde und die Anordnung der Sonde Im Abgasrohr.

1 Nemstzelle, 2 Referenzzelle, 3 Heizer, 4 Diffusionsspall, 5 Pumpzelle, 6 Abgasrohr.

· .. D·

5 1 2 6

Betriebs­daten­erfassung

327

ME-Motronic

328

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

> ~ Cl

"' c ~~~--~~~~~~~ 0.7 1.0 1.3 1.6 1.9 2.2

Luftzahl __..

Bild9

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

Klopfende Verbrennung

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

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

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

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

Batteriespannung

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

Bild 10

Klopfsensor.

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

Bild 11

Signale des Klopfsensors.

Motortemperatursensor.

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

Bild 13

Kennlinie des Temperatursensors (NTC).

Bild 12

Q r-----------------------,

t

Temperatur - "C

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

ohne Klopfen mit Klopfen .------------------------,

Betriebs­daten­erfassung

329

ME-Motronic

330

Betriebsdaten­verarbeitung

Drehmomentführung Aufgabe Die zentrale Aufgabe einer Motorsteue­rung ist die Umsetzung des vom Fahrer geforderten Motordrehmoments bzw. der Motorleistung. Der Fahrer benötigt diese Motorleistung zur Überwindung der Fahrwiderstände bei konstanter Fahrzeuggeschwindigkeit oder zum Be­schleunigen des Fahrzeugs. Beim heute üblichen Ottomotor muß zunächst die dazu notwendige Luft­füllung berechnet sowie die passende Einspritzmenge und der optimale Zünd­winkel bestimmt werden. Sind diese Gößen bekannt, so können die zuständi­gen Steiler (Drosselvorrichtung, Ein­spritzventile, Zündspulen) angesteuert werden. Neben der Steuerung von Füllung, Ein­spritzung und Zündung hat die Motor­steuerung zahlreiche zusätzliche Aufga­ben übernommen, wobei viele dieser Zu­satzfunktionen ebenfalls Motorleistung verbrauchen. Ein Merkmal der ME-Motronic ist die Drehmomentführung. Zahlreiche Teil-Bild 1

Drehmomentbeeinflussung beim Benzinmotor.

Start, Aufheizen des Katalysators, Leerlaufregelung.

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

l Wirkungsgrad

Externe Anforderungen: Koordination der Umsetzung - Fahrpedal (Fahrer), Momenten- des Moments - Geschwindigkeits- und Wirkungsgrad- in die verfügbaren

regelung, anforderungen Stellgrößen - Fahrdynamik, Drosselklappe - Fahrkomfort. r---- r----

~ Zündwinkel

Start ·····• Einspritz-

Leerlaufregelung ~ Ausblendung

I Drehzahlbegrenzung f---- Einspritzzeit

g I Bauteileschutz f-- Waslegate

Öffnun

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

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

Bild2

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

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

Momentenkoordination mit Füllungspfad und kurbelwellensynchronen Pfad (Zündwinkelpfad).

Füllung Sollwert - Ansteuerung Drosselklappe

Sollwert ,...

Drosselklappe

Priorisierung Füllungs- Umrechnung Sollwert Fahrer Füllungspfad moment Moment Füllung 1 Sollwert

externe f=;> in Füllung Saugrohrdruck

und interne Füllung Sollöffnung Momenten-

4 - Ansteuerung Waslegate anforde- Wirkungsgrade, Turbolader rungen Lambda, (z.B. Zündwinkel Drehzahl- Istwert begrenzung, Frischgas· Berechnung Ausblend-Klima· füllung muster kompresser, Wirkungsgrad Sollmoment Getriebe- und Momenten- -synchrone Einspritzung

eingriff f=;> Priorisierung bezugsgroßen Eingriffe

usw.) Einspritzzeit kurbelwellen-synchroner Sollwert inneres Moment Zündwinkel Pfad

Betriebs­daten­verarbeitung

331

ME-Motronic

332

des Motormomentes und wird daher in der Drehmomentenstruktur als Stell­größe verwendet. Da sie nicht direkt meßbar ist, muß sie mit Hilfe eines Mo­dells aus den zur Verfügung stehenden Meßsignalen berechnet werden. Die For­derungen an das Füllungsmodell sind: - exakte Bestimmung der Luftfüllung bei

allen Betriebsbedingungen (Dynamik, Saugrohrumschaltung, Nockenwellen­verstellung usw.),

- korrekte Berücksichtigung der Füllung mit Abgas bei Systemen mit veränder­licher Abgasrückführrate (steuerbarer externer AGR oder interner AGR),

- Berechnung der Stellgröße "Drossel­klappenwinkel" für eine geforderte Fül­lung.

Saugrohrmodell Für die Kraftstoffzumessung und die Mo­mentenberechnung ist die tatsächlich im Zylinder befindliche Luftmasse von Inter­esse. Da sich diese nicht direkt messen läßt, wird sie über ein Saugrohrmodell berechnet. Je nach verwendetem Fül­lungssensor (z.B. Luftmassen- oder Saugrohrdrucksensor) werden die in die­sem Modell benötigten Größen entwe­der direkt gemessen oder modelliert.

Angesaugte Luftmasse Die entscheidende Größe ist die ange­saugte Luftmasse. Im stationären Motor­betrieb läßt sich die Luftfüllung direkt aus der angesaugten Luftmasse berechnen. Bei schnellen Drosselklappenänderun­gen kommt es jedoch zu einem zeitli­chen Versatz zwischen der z.B. mit ei­nem HFM meßbaren und der in den Brennraum einströmenden Luftmasse, da z.B. beim Öffnen der Drosselklappe zunächst das Saugrohr mit Luft gefüllt werden muß. Erst mit dem langsam stei­genden Saugrohrdruck fließt mehr Luft in den Brennraum.

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

läßt sich durch eine Geradengleichung beschreiben (Bild 3). Der Offset der Geradengleichung wird durch den Partialdruck des internen Rest­gases bestimmt und ist daher abhängig von der Nockenwellenüberschneidung, der Drehzahl und der Dichte der Umge­bungsluft. Die Steigung der Gerade (Gradient) ist abhängig von der Dreh­zahl, der Nockenwellenüberschneidung und der Brennraumtemperatur.

Sonstige Ströme zum Saugrohr Neben dem über die Drosselklappe fließenden Luftstrom resultiert ein zu­sätzlicher Luftmassenstrom z.B. aus dem Kraftstoffverdunstungs-Rückhalte­system. Der bei diesem System benötigte Regenerierstrom kann mit Hilfe des Tankentlüftungsventils (Rege­nerierventil) variiert werden. Bei bekann­tem Saugrohrdruck kann der Regene­rierstrom berechnet und im Saugrohrmo­dell berücksichtigt werden.

Füllungserfassung mit einem HFM Wird ein HFM eingesetzt, so kann damit die in das Saugrohr strömende Luftmasse direkt gemessen werden. Dazu wird der über einen Ansaugtakt (Segment) gemit­telte Luftmassenstrom mit der Ansaug­taktzeit multipliziert und in eine relative Luftfüllung umgerechnet. Die anderen im Saugrohrmodell benötigten Größen wer­den entweder ebenfalls gemessen (z.B.

Bild3 Zusammenhang zwischen Saugrohrdruck und relativer Füllung.

Achtung: Ein Parametersatz (pirg, fupsrl) ist nur gültig für eine Motordrehzahl, eine NW-Über­schneidung, eine Saugrohrgeometrie.

t %.-----------------~r--.

LJ Gradient: fupsrl (%/hPa)

~ hPa-Offset: Saugrohrdruck- c

pirg (hPa) ~ Partialdruck ~

internes Restgas ~

die Ansauglufttemperatur) oder aber im Modell berechnet (hier z.B. der Saug­rohrdruck, aber auch Nebengrößen wie z.B. die Brennraumtemperatur).

Füllungserfassung mit einem Saug­rohrdrucksensor Wird ein Saugrohrdrucksensor als "Haupt­Füllungsssensor" eingesetzt, so mißt er direkt den Saugrohrdruck. ln diesem Fall wird aus dem Saugrohrdruck die dem Saugrohr zuströmende Luftmasse be­rechnet.

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

Einspritzzeit-Berechnung

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

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

Betriebs­daten­Verarbeitung

333

ME-Motronic

334

Minimalwert begrenzt. Dieser Minimal­wert liegt unterhalb der Einspritzzeit, die zur minimal möglichen Zylinderfüllung gehört.

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

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

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

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

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

Betriebszustand

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

Start

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

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

Schnellstart

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

Bild 1

Betriebsbereiche eines Motors.

Vollast

t t Beschleu-Teillast nigungs-

anreicherung

'---

Wieder-einsetzen

Start Leerlauf I --- Schub-abschalten

Drehzahl-

Betriebs­daten­Verarbeitung

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ME-Motronic

336

Signalzuordnung Zündung, Kurbelwelle und Nockenwelle bei einem 6-Zylinder-Motor mit Standardgeberrad.

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

b

c -------,

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

Bild3

Schnellstartgeberrad.

Bild2

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

Drehzahl- und Phasensensorsignal (Nockenwellensignal) des Schnellstartgeberrades beim 4-Zylindermotor.

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

a

b __ ___.ru u A A

Nachstart

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

Warmlauf und Katheizen

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

A ___ A __ 1--Bild4

Im wesentlichen gibt es zwei Konzepte: - Sekundärlufteinblasung in ein fettes

Gemisch bei spätem Zündzeitpunkt und

- magerer Warmlauf mit extrem spätem Zündzeitpunkt

ln beiden Konzepten wird der Motor mit einem schlechten Wirkungsgrad betrie­ben. Dieser wird über einen sehr späten Zündwinkel erreicht und führt zunächst zu einer erhöhten Abgastemperatur und zur Verringerung des abgegebenen Drehmoments. Die Drehmomentführung gleicht diese Verringerung über eine größere Zylinderfüllung automatisch aus. Das Resultat ist eine größere Menge heißeren Abgases, das zum schnellen Aufheizen des Katalysators genutzt wird. Durch das schnelle Aufheizen und die damit verbundene schnelle Betriebsbe­reitschaft des Katalysators wird eine deutliche Absenkung der Abgasemissio­nen erreicht.

Magerer Warmlauf Die Kombination eines mageren Warm­laufs mit dem extrem späten Zündzeit­punkt führt zur Nachoxidation der aus der schlechten Verbrennung resultieren­den unverbrannten Kohlenwasserstoffe.

Betriebs­zustand

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ME-Motronic

338

Einfluß der Sekundärluft auf die HC- und CO-Emission.

1 Ohne Sekundärluft, 2 mit Sekundärluft.

()

ppm

600

500

~ 400 .Q <J)

·~ 300 w

200

100

o~_L __ J_~~_L __ J_~L_~

0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 1,2

LuftzahiA.

Der für diese Oxidation erforderliche Sauerstoff wird aus dem leicht mageren Grundgemisch zur Verfügung gestellt, daher die Bezeichnung "magerer Warm­lauf". Vorteil dieses Verfahrens ist der Verzicht auf Zusatzkomponenten. Da die erreich­bare Wärmeleistung jedoch begrenzt ist, wird ein motornah eingebauter Katalysa­tor benötigt. Damit sind die Wärmeverlu­ste zwischen Motor und Katalysator mi­nimal.

Sekundärlufteinblasung Zusätzlich zum schlechten Wirkungsgrad wird bei diesem Konzept der Motor mit extremem Kraftstoffüberschuß (A.< 0,6) betrieben. Dadurch wird ein erhöhter Kohlenmonoxid- (CO) und Kohlenwas­serstoff-Anteil (HC) im Abgas erzeugt. Durch Einblasen von Frischluft ("Sekun­därluft", die nicht an der Verbrennung im Brennraum teilnimmt) dicht nach den Auslaßventilen werden CO und HC "ver­brannt". Durch die freiwerdende Wärme­energie erreicht der in Strömungsrich­tung folgende Katalysator innerhalb kür­zester Zeit seine Betriebstemperatur. Die benötigte Sekundärluft wird durch eine elektrische Sekundärluftpumpe aus dem Luftfiltergehäuse oder durch einen eigenen Grobschmutzfilter angesaugt und durch ein Abschaltventil und ein Rückschlagventil in das Abgassystem

%.---------------------~

4

2

OL--L~~--~~~--L-_j 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 1,2

LuftzahiA.

Bild5

eingeblasen. Das Rückschlagventil ver­hindert das Rückströmen von heißem Abgas in das Sekundärluftsystem. Die Sekundärluftpumpe und das Sekundär­luftventil wird von der ME-Motronic zeit­richtig angesteuert. Der Einsatz einer Breitband-Lambda-Sonde ermöglicht die genaue Diagnose der Sekundärluft­pumpe. Die erzielbare Wärmeleistung ist ausrei­chend groß, um das Verfahren auch bei motorfernem Katalysator einsetzen zu können. Bild 5 zeigt den Verlauf der Koh­lenwasserstoff- und Kohlenmonoxid­emission über der Luftzahl A. mit und ohne Sekundärluft.

Leerlauf

Im Leerlauf gibt der Motor kein Moment ab. Das durch die Verbrennung ent­stehende Moment wird zum Selbstlauf des Motors und zum Betrieb der Neben­aggregate benötigt. Das zum Selbstlauf des Motors erforderliche Drehmoment sowie die Leerlaufdrehzahl bestimmen den Kraftstoffverbrauch. Da ein erhebli­cher Anteil des Kraftstoffverbrauchs von Kraftfahrzeugen im dichten Straßenver­kehr auf diesen Betriebszustand entfällt, ist eine möglichst niedere Reibleistung, also eine niedrige Leerlaufdrehzahl von Vorteil.

Die Leerlaufdrehzahlregelung der ME­Motronic stellt sicher, daß die Leerlauf­drehzahl unter allen Bedingungen, wie belastetes Bordnetz, eingeschaltete Kli­maanlage, eingelegter Gang bei Fahr­zeugen mit Automatikgetriebe, aktiver Lenkhilfe usw. nicht zu weit absinkt und der Motor unruhig läuft oder gar ausgeht.

Vollast

Bei Vollast ist die Drosselklappe ganz geöffnet, die Drosselverluste entfallen. ln diesem Betriebszustand gibt der Mo­tor bezogen auf die aktuelle Drehzahl das größte Moment ab.

Übergangsverhalten

Beschleunigen /Verzögern Ein Teil des in das Saugrohr eingespritz­ten Kraftstoffes gelangt nicht sofort beim nächsten Ansaugvorgang in den Zylin­der, sondern schlägt sich als Flüssig­keitsfilm an der Saugrohrwand nieder. Die Menge des stationär im Wandfilm gespeicherten Kraftstoffes nimmt mit steigender Last und längerer Einspritz­zeit stark zu. Beim Öffnen der Drosselklappe wird deshalb ein Teil des eingespritzten Kraft­stoffes für den Wandfilmaufbau benötigt. Um eine Ausmagerung während eines Beschleunigungsvorganges zu verhin-

Bild 6

Einspritzzeit im Übergang.

1 Einspritzsignal aus Füllungsberechnung, 2 korrigierte Einspritzzeit, 3 Mehrmenge, 4 Mindermenge, 5 Drosselklappenwinkel aoK·

Zeit-

dern, muß diese Kraftstoffmenge zusätz­lich eingespritzt werden. Bei fallender Last wird die im Wandfilm gebundene Kraftstoffmehrmenge wieder frei. Daher muß beim Verzögerungsvorgang die Einspritzzeit entsprechend der gleichen Kraftstoffmenge vermindert werden. Bild 6 zeigt den daraus resultierenden Verlauf der Einspritzzeit

Schubabschalten/Wiedereinsetzen Ist das vom Motor abgegebene Kupp­lungsmoment negativ, so spricht man von Schiebebetrieb. Die Reib- und Ladungswechselarbeit des Motors wird genutzt, um das Fahrzeug abzubrem­sen. Der Schiebebetrieb kann gefeuert, d.h. mit Einspritzung, oder aber ungefeu­ert arbeiten. Im ungefeuerten Schiebebetrieb wird die Einspritzung abgeschaltet und damit Kraftstoffverbrauch und Abgasemission verringert. Durch die Drehmoment­führung der ME-Motronic kann verhin­dert werden, daß durch das Abschalten der Einspritzimpulse ein Drehmoment­sprung beim Übergang in den Schub auftritt. Hierfür wird das Sollmoment des Motors nicht schlagartig reduziert, son­dern langsam abgeregelt. Nach Unterschreiten einer Wiederein­setzdrehzahl, die oberhalb der Leerlauf­drehzahl liegt, wird die Einspritzung wieder aufgenommen. Die Wiederein­setzdrehzahl ist in Anhängigkeil von ver­schiedenen Parametern, wie z.B. Motor­temperatur und Drehzahldynamik im Steuergerät gespeichert, um in allen Be­triebsbereichen ein Unterschwingen der Motordrehzahl zu vermeiden. Beim Wiedereinsetzen wird bei den er­sten Einspritzpulsen der nötige Wand­filmaufbau über eine Kraftstoffmehr­menge berücksichtigt. Die Drehmoment­führung unterstützt beim Wieder­einsetzen durch ein langsames Aufre­geln des Motormomentes einen ruck­freien Drehmomentaufbau (weiches Wiedereinsetzen).

Betriebs­zustand

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ME-Motronic

340

Leerlaufdrehzahl­regelung

Aufgabe

Im Leerlauf gibt der Motor an der Kupp­lung keine Leistung ab. Zur Einhaltung der gewünschten, möglichst niedrigen Leerlaufdrehzahl muß die Leerlaufdreh­zahlregelung daher ein Gleichgewicht herstellen zwischen der durch die Ver­brennung erzeugten und der "verbrauch­ten" Leistung. Leistung wird im Leerlauf benötigt, um die im Motor entstehende Reibleistung des Kurbel- und Ventiltriebs sowie der Zusatzaggregate (z.B. der Kühlmittel­pumpe) zu decken. Die interne Reibleistung unterliegt einer langsamen Veränderung während der Lebensdauer des Motors. Sie ist zudem stark temperaturabhängig. Externe Lasten (wie z.B. die Klimaanlage) unterliegen starken Schwankungen, weil Aggregate zu- und wieder abgeschaltet werden. Insbesondere moderne Motoren mit kleiner Schwungmasse und großem Saugrohr(speicher-) volumen reagieren empfindlich auf diese Laständerungen.

Arbeitsweise

Bei der drehmomentgeführten ME­Motronic gibt die Leerlaufdrehzahlrege­lung ein Moment vor, mit dem die ge­wünschte Drehzahl bei den gegebenen Betriebsbedingungen erreicht wird. Bei fallender Drehzahl wird dieses Moment vergrößert, bei steigender Drehzahl ver­ringert. Werden zusätzliche Störgrößen, wie das Zuschalten des Klimakompressors oder den "Gang einlegen" eines automati­schen Getriebes erkannt, so wird das angeforderte Moment erhöht. Eine Er­höhung des angeforderten Moments ist auch bei niedrigen Motortemperaturen notwendig, um die höhere Reibleistung des Motors zu decken und/oder eine höhere gewünschte Solldrehzahl zu er­reichen.

Die Summe all dieser Momentanfor­derungen wird an die Drehmomenten­koordination übergeben, die daraufhin die Füllung, das Gemisch und den Zünd­winkel berechnet.

Lambda-Regelung

Eine wirkungsvolle Maßnahme, schäd­liche Abgasemissionen zu senken, ist eine Nachbehandlung der Abgase im Dreiwege-Katalysator. Er hat die Eigen­schaft, Kohlenwasserstoffe (HC), Koh­lenmonoxid (CO), und Stickoxide (NOx) bis zu mehr als 98 %abzubauen (Bild 1), falls der Motor in einem sehr engen Streubereich um das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis mit A. = 1 betrie­ben wird. Er wandelt diese drei Kompo­nenten um in Wasser (H 20), Kohlendio­xid (C0 2) und Stickstoff (N 2).

Bild 1

Katalysatorwirkung in Abhängigkeit von der Luftzahl A..

1 Abgasemission vor Dreiwegekatalysator, 2 Abgasemission nach Dreiwegekatalysator, 3 elektrisches Signal der Lambda-Sonde. u, Sondenspannung.

A.-Regelbereich (Katalysatorfenster)

0,975 --fett

1,0 1,025 1,05 Luftzahl A. mager--

Zweipunkt-Lambda­Regelung

Regelbereich Die Umwandlung aller drei angespro­chenen Abgaskomponenten ist nur in einem sehr engen Bereich möglich: dem "Lambda-Fenster" (A. = 0,99 ... 1 ). Die Ein­haltung dieses Fensters erfordert eine Lambda-Regelung. Die Zweipunkt-Lambda-Sonde, die im Ab­gasstrom vor dem Katalysator liegt, mißt den Sauerstoffgehalt des Abgases. Bei mageren Gemischen (A. > 1) ergibt sich eine Sondenspannung von ca. 100 mV, bei fettem Gemisch (A. < 1) von ca. 800 mV. Bei A. = 1 springt die Sondenspan­nung von einem Spannungspegel auf den anderen. Abhängig von diesem Signal der Lambda­Sonde wird die in der ME-Motronic be­rechnete Einspritzzeit beeinflußt. Bild 2 zeigt das Funktionsschema.

Bild2

Funktionsschema der Lambda-Regelung.

1 Luftmassenmesser, 2 Motor, 3a Lambda-Sonde 1 , 3b Lambda-Sonde 2 (nur bei Zweisonden-Regelung), 4 Katalysator, 5 Einspritzventile, 6 Steuergerät. U, Sondenspannung, u. Ventilsteuerspannung.

Kraft -stoff ======:== :;)[IIJJ 5

Uv Us.

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

Lambda­Regelung

341

ME-Motronic

342

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

Lambda-Verschiebung Auf Grund der ungleichen Sonden­charakteristik bei Fett-Mager- und Mager-Fett-Wechseln führt das in Bild 3b dargestellte symmetrische Regelver­halten zu einem leicht mageren Abgas­gemisch. Da der Katalysator seinen opti­malen Wirkungsgrad im Bereich von J... = 0,99 ... 1 ,0 hat, muß die Regelung diesem

Bild3 Darstellung der dynamischen Zweipunkt-Lambda-Regelung mit dem typischen Schwingungsverhalten.

a Signal der Zweipunkt-Sonde (idealisiert), b Schwingungsverhalten des Regelfaktors, c Umschaltverzögerung mit Maximalwert·

begrenzung.

a mvr---------------------. 0> r::: ~ 800 r::: [ "' r::: Q)

-g ~ 100 '-----'-'r-i---i-T--i--r-i---i-T--r-i-' -r-' -;-' --;'-'r--r-'-_,

b

c I I I I I I I I I I I I I

: verzögerter Rocksprung : : ~it ,M~x!m,al~~rt~e~r~n~u~g

1 I I I I I I I I I I I I I I I

Zeit---

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

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

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

Stetige Lambda-Regelung

Im Gegensatz zum Spannungssprung bei der Zweipunkt-Lambda-Sonde, wel­cher nur fett oder mager anzeigen kann, liefert die Breitband-Lambda-Sonde ein stetiges Signal für die Abweichung von 'A = 1, d.h. anstatt einer Zweipunkt-Re­gelung kann nun eine stetige Lambda­Regelung realisiert werden. Die Vorteile sind: - die wesentlich gesteigerte Dynamik,

da nun die Abweichung vom Sollwert bekannt ist und

- die Möglichkeit, beliebige Sollwerte zu regeln, d.h. auch Werte, die von 'A = 1 abweichen.

Die zweite Möglichkeit gewinnt beson­ders an Bedeutung, wenn das Kraftstoff­einsparpotential für mageren Motorbetrieb genutzt werden soll (Magerkonzept).

Kraftstoff­verdunstungs­Rückhaltesystem

Entstehung von Kraftstoffdämpfen Der Kraftstoff im Kraftstoffbehälter er­wärmt sich: - wegen der Wärmestrahlung von au Ben

oder - wegen des überschüssigen Kraftstof­

fes, der sich im Motorraum erhitzt hat und aus dem Kraftstoffkreislauf zurück­fließt.

Dadurch entstehen HG-Emissionen, die hauptsächlich im Kraftstoffbehälter aus­dampfen.

HC-Emissionsbegrenzung Gesetzliche Bestimmungen legen Grenz­werte für Verdunstungsemissionen fest. Kraftstoffrückhaltesysteme begrenzen diese HG-Emissionen. Sie sind mit einem Aktivkohlebehälter ausgerüstet, in dem die Entlüftungsleitung aus dem Kraftstoffbehälter endet. Die Aktivkohle hält den Kraftstoffdampf zurück und läßt nur die Luft ins Freie entweichen. Zu­sätzlich ist damit für einen Druckaus­gleich gesorgt. Um die Aktivkohle immer wieder zu regenerieren, führt eine wei­tere Leitung vom Aktivkohlebehälter zum Saugrohr. Bei Motorbetrieb entsteht im Saugrohr ein Unterdruck. Er bewirkt, daß Luft aus der Umgebung durch die Aktivkohle ins Saugrohr strömt. Diese reißt die zwi­schengespeicherten Benzindämpfe mit und führt sie der Verbrennung zu. Ein Regenerierventil in der Leitung zum Saugrohr dosiert diesen Regenerier­bzw. "Spülstrom" (Bild 1 ).

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

Kraftstoff­verdunstungs­Rückhalte­system

der Regenerierstrom eine beachtliche 343

ME-Motronic

344

Kraftstoffverdunstungs-Rückhaltesystem.

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

Störgröße. Wenn der Regenerierstrom 1% der angesaugten Luft beträgt und nur aus Frischluft besteht, wird das Ge­misch um 1% magerer. Stark mit Benzin angereicherte Luft dagegen fettet das Gemisch um ca. 30% an, da Benzin­dampf mit dem stöchiometrischen Faktor 14,7 auf das Luft-Kraftstoff-Verhältnis /... wirkt. Zudem ist die spezifische Dichte von Kraftstoffdampf doppelt so hoch wie die von Luft.

Regenarierventil Ein Regenarierventil wird so ange­steuert, daß der Aktivkohlebehälter aus­reichend gespült wird und die Lambda­Abweichungen minimal sind (Bild 2).

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

2

Pu lJ 3

Bild 1

gemäß dieser erwarteten Seladung des Spüstroms verringert. Da die Gemisch­adaption unabhängig arbeitet, können nun auftretende Lambda-Abweichungen als veränderte "Beladung" interpretiert und der vormals angenommene Wert für die Seladung korrigiert werden. Die ME-Motronic benutzt für diese "bela­Bild 2

Regenerierventil.

1 Schlauchanschluß, 2 Dichtsitz. 3 Anker. 4 Druckfeder. 5 Magnetspule, 6 Magnetkern mit Durchgangsbohrung, 7 Strömungspfade.

3

:\ltlll---4

~ ... --5

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

Klopfregelung

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

Klopfregelung.

Regel-Algorithmus bei Zündungseingriff an einem 4-Zylinder-Motor. K1 ... 3 Klopfen an Zylinder 1 ... 3

(bei Zylinder 4 kein Klopfen) a Spätverstellung, b Stufenbreite für Frühverstellung, c Frühverstellung.

Zyl. 1 Arbeitsspiele -

Bild 1

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

Klopfregelung

345

ME-Motronic

346

Adaption

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

Ladedruckregelung

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

chen kann der spezifische Kraftstoffver­brauch gesenkt werden. Erreicht wird dies durch Öffnen des Bypass-Ventils, welches sich wie folgt auswirkt: - die Ausschiebearbeit des Motors und

die Turbinenleistung nehmen ab, - der Druck und die Temperatur am Ver­

dichteraustritt werden gesenkt und - das Druckgefälle an der Drossel­

klappe nimmt ab.

Um die zuvor genannten Verbesserun­gen zu ermöglichen, muß der Abgas­turbolader mit Stellglied optimal an den Motor angepaßt sein. Bild 1

Stellglied der elektronischen Ladedruckregelung.

1 TankventiL P2 Ladedruck, p0 Druck an der Membrane, TVM Ansteuersignal für Taktventil vom

Steuergerät, Vr Volumenstrom durch Turbine, VwG Volumenstrom durch Wastegate.

Beim Stellglied betrifft dies: - das elektro-pneumatische Taktventil, . - die wirksame Membranfläche, Hub und

Feder der Membrandose und - der Querschnitt des Ventiltellers bzw.

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

Schutzfunktionen

Drehzahl- und Geschwindigkeits­begrenzung

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

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

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

Ladedruck­regelung

schwelle überschritten, so kann eine An- 347

ME-Motronic

348

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

Wegfahrsperre

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

Verbesserung der Fahrbarkeil

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

Lastwechselschlagdämpfung.

Kupplungs- j moment = 0

V"

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

Antiruckeltunktion

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

Fahrgeschwindig­keitsregelung

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

keitsregelung mit nur geringem Mehrauf­wand bezüglich eines Bedienteils reali­siert werden.

Funktionen

Folgende Funktionen können vom Fah­rer über die Bedienschalter ausgelöst werden : - Übernahme der aktuellen Zielgeschwin­

digkeit mit anschließendem Halten die­ser Geschwindigkeit (Setzen),

- Beschleunigen und anschließendes Halten der Sollgeschwindigkeit,

- Verzögern und anschließendes Halten der Sollgeschwindigkeit

- Anfahren einer gespeicherten Zielge­schwindigkeit (Wiederaufnahme),

- Erhöhen der Sollgeschwindigkeit im geregelten Betrieb schrittweise um festen Wert (Tip-Up),

- Verringern der Sollgeschwindigkeit im geregelten Betrieb schrittweise um festen Wert (Tip-Down) ,

- Abschalten der Regelung durch Haupt­schalter und/oder Aus-Tip-Schalter.

Bedienelemente

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

i 1

Bedienhebel für Fahrgeschwindigkeitsregler.

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

Verbesserung der Fahrbarkeif

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ME-Motronic

350

Integrierte Diagnose

Diagnose verfahren

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

Diagnose-Bereiche

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

Verlauf der Fahrt wird über Plausibilitäts­prüfungen ermittelt, welcher der beiden Sensoren fehlerhaft ist. Erst wenn dies unzweifelhaft festgestellt werden konnte, wird der zugehörige Fehlercode im Steuergerät gespeichert.

EGAS-Drosselklappensteller Da das Motormoment direkt über die Luftfüllung beeinflußt wird, werden an den Drosselklappensteiler sehr hohe Anforderungen bezüglich der Zuverläs­sigkeit und Diagnostizierbarkeit gestellt. Zur Messung der aktuellen Drosselklap­penstellung hat der Steiler zwei gegen­läufige Potentiometer, deren Signale miteinander verglichen werden. Tritt eine Abweichung auf, so werden die Signale mit einer aus dem Saugrohrmo­dell rückgerechneten Drosselklappen­stellung plausibilisiert.

Verbrennungsaussetzer Bei auftretenden Verbrennungsausset­zern, z.B. durch abgenutzte Zündker­zen, gelangt unverbranntes Gemisch in den Katalysator. Dieses Gemisch kann

Bild 1

Abgasemissionen in Abhängigkeit von der Aussetzerrate.

Motor: 6 Zylinder, 2,8 I. Emissions-Grenzwerte USA.

250

~

r:..---- --._,.. ___ N_Ox...J

o~--~-----W~--~--~ 0 2 3 %

Aussetzerrate

den Katalysator zerstören, in jedem Fall aber die Umwelt belasten. Da schon ge­ringste Aussetzerraten die Emissionen verschlechtern, müssen bereits ein­zelne Verbrennungsaussetzer erkannt werden.

Bild 1 zeigt den Einfluß von Verbren­nungsaussetzern auf die Emission von Kohlenwasserstoffen (HC), Kohlenmo­noxid (CO) und Stickoxiden (NOx).

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

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

Überwachung des dynamischen Verhaltens von Lambda-Sonden.

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

Ola c :::l c c

it c 0 cn

Olb c :::l c c

it c 0 cn

Olc c

T=3s

T=Bs

{"\, (I'\

I\

t"\ 1'-\. \ I \ 1/ \

:::l c c

it \J \) \ \ I"" - '-'

c c5l

0 10 20 30 40 s T= 11 s Zeit

Bild2

Lambda-Sonde

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

Integrierte Diagnose

351

ME-Motronic

352

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

Bild 3

Breitbad-Lambda-Sonde LSU Durch die Entwicklung der Breitband­Lambda-Sonde LSU sind auch von /... = 1 abweichende Vorgaben möglich geworden. Da sich die stetige Lambda­Regelung aus einem Regelkreis "vor Kat" mit einer LSU und einem überla­gerten Regelkreis "hinter Kat" mit einer Zweipunkt-Sonde zusammensetzt, kann die Funktionsfähigkeit der LSU mit Hilfe der Zweipunkt-Sonde überprüft werden. Die Diagnose besteht aus folgenden Überprüfungen:

- Elektrische Plausibilität: Im Gegen­satz zur Zweipunkt-Sonde kann bei der LSU-Sonde der komplette Spannungs­bereich als plausibles Signal anliegen. Neben einer oberen und unteren Grenze wird das Signal mit dem Son­densignal "hinter Kat" verglichen .

Überdruckprüfung zum Erkennen von Lecks im Kraftstoffsystem.

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

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- Dynamik der Sonde: Diagnose durch Auswerten und Bewerten einer aufge­prägten Zwangsamplitude. - Regellage: Durch den Einsatz der zweiten Sonde "hinter Kat" wird über­prüft, ob eine Delta Lambda-Schwelle eingehalten wird. - Heizung: Diese Überprüfung ge­schieht wie bei der Zweipunkt-Sonde. Zusätzlich wird die zeitliche Änderung des Lambda-Signals ausgewertet.

Kraftstoffversorgung Länger anhaltende Abweichungen des Luft-Kraftstoff-Gemisches vom stöchio­metrischen Verhältnis werden in Verbin­dung mit der Gemischadaption berück­sichtigt. Überschreiten diese Abwei­chungen vorher definierte Grenzen, befindet sich irgend ein Bauteil der Kraftstoffversorgung oder -zumessung außerhalb seines Spezifikationsberei­ches. Beispiel hierfür kann ein fehler­hafter Druckregler, Füllungssensor oder auch nur eine Leckage im Saugrohr oder in der Abgasanlage sein.

Tanksystem Nicht nur Emissionen aus der Abgasan­lage beeinträchtigen die Umwelt, son­dern auch aus der Tankanlage entwei­chende Kraftstoffdämpfe. Für den europäischen Markt beschränkt sich der Gesetzgeber zunächst noch auf eine relativ einfache Überprüfung der Funktion des Regenerierventils. ln den USA wird aber heute schon gefor­dert, daß Lecks in dem Kraftstoffverdun­stungs-Rückhaltesystem erkannt werden.

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

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

Sekundärlufteinblasung Die nach einem Kaltstart wirksame Se­kundärlufteinblasung muß ebenfalls überwacht werden, da bei einem even­tuellen Ausfall die Emissionen beein­flußt werden. Bei aktiver Sekundärluft­einblasung kann das Signal der Lambda-Sonden geprüft oder bei einer im Leerlauf aktiven Testfunktion der Lambda-Regler eingeschaltet und be­obachtet werden.

Abgasrückführung Mit der Abgasrückführung können die Stickoxidemissionen im Abgas reduziert werden. Deshalb muß die Funktions­fähigkeit des Abgasrückführsystems überwacht werden.

Bild 4

Schematischer Verlauf des Pumpenstroms bei der Überdruckprüfung des Kraftstoffsystems.

t

Referenz­messung I

dichtes System

Leck> 0,8 mm

1 Tankdiagnose

Meßzeit-

Integrierte Diagnose

353

ME-Motronic

354

Beim Öffnen des Abgasrückführventils strömt ein Teil des Abgases in das Saugrohr. Die zusätzlich in das Saug­rohr und damit in den Zylinder ein­strömende Restgasmasse beeinflußt zunächst den Saugrohrdruck und dann die Verbrennung. Zur Diagnose des Abgasrückführsystems kommen daher zwei Alternativen zum Einsatz:

Diagnose auf Basis Saugrohrdruck Im Teillastbetrieb wird das Abgas­rückführventil kurzzeitg geschlossen. Wird - mittels EGAS - der über den HFM zuströmende Luftstrom konstant gehal­ten, so ändert sich der Saugrohrdruck. Diese Druckänderung wird mit dem Saugrohrdrucksensor gemessen. Die Größe der Druckänderung gibt Aus­kunft über den Zustand des Abgasrück­führsystems.

Diagnose auf Basis Laufunruhe Bei Systemen ohne HFM oder ohne zu­sätzlichen Saugrohrdrucksensor wird im Leerlauf das Abgasrückführventil leicht geöffnet. Die erhöhte Restgas­masse führt zu einer etwas höheren Laufunruhe des Motors, was wiederum die Laufunruheüberwachung des Sy­stems bemerkt. Die Erhöhung der Lauf­unruhe wird dann ebenfalls zur Dia­gnose des Abgasrückführsystems be­nutzt.

Weitere Überwachungen Neben der Motorsteuerung, die haupt­sächlich von dieser neuen Gesetzge­bung betroffen ist, werden aber auch andere Systeme (z.B. elektronische Getriebesteuerung) in die Überwa­chung mit einbezogen. Diese melden das Vorhandensein von Fehlern an die Motorsteuerung und diese steuert dann stellvertretend die Diagnoselampe an. Durch die steigende Komplexität der Systeme und verschärfte Umweltge­setze kommt der Diagnose eine zuneh­mende Bedeutung zu.

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

Abgas-Testzyklus durchlaufen werden müssen. Im bisherigen Scheduling­Konzept (Ablaufplan) werden die ein­zelnen Diagnosefunktionen nach einem festen Raster so aufgerufen, wie es der Betriebszustand im Abgaszyklus er­laubt. Im täglichen Fahrbetrieb kann dies unter Umständen dazu führen, daß sich der Betriebszustand, der zum Start einer bestimmten Diagnose erforderlich ist, erst nach einer längeren Fahr­strecke einstellt. Das bedeutet, daß ei­nige Diagnosen unter Umständen nur selten durchgeführt werden, wenn auf­grund des individuellen Fahrverhaltens die in der Ablaufsteuerung vorgese­hene Reihenfolge der Diagnosefunkti­onen nicht eingehalten werden kann. Das neue Diagnose-System-Manage­ment kann die Reihenfolge der Funkti­onen je nach Fahrzustand dynamisch verändern, so daß die Diagnosefunkti­onen auch im alltäglichen Fahrbetrieb optimal ablaufen können.

Fehlerspeicher Werden abgasrelevante Fehler erkannt, so erfolgt ein Eintrag in den nichtflüchti­gen Fehlerspeicher. Außer den behörd­lich vorgeschriebenen Fehlercodes ent­hält jeder Eintrag einen sogenannten Freeze-Frame, der zusätzliche Informa­tionen zu den Randbedingungen ent­hält, bei denen der Fehler aufgetreten ist (z.B. Drehzahl, Motortemperatur). Projektspezifisch werden auch kunden­dienstrelevante Fehler abgespeichert, die nicht von OBD II gefordert sind. Das Auslesen der Fehlereinträge kann mit Hilfe eines kundenspezifischen Werkstattesters oder Bosch-Motorte­sters (Bild 5) durchgeführt werden, der an das Steuergerät angeschlossen wird. Dieses Hilfsmittel kann außerdem zur Meßdatenerfassung (z.B. Messen der Motordrehzahl) eingesetzt werden. Die OBD II-Gesetzgebung erfordert eine Normung der Fehlerspeicherinfor­mationen gemäß Vorgabe der SAE (So­ciety of Automotive Engineers). Dies er­möglicht das Auslesen des Fehlerspei­chers über genormte, frei käufliche Tester ("Scan-tools").

Notlauf

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

BildS Bosch-Molortesler KTS 500 im Einsatz.

Stellglied-Diagnose

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

Integrierte Diagnose

355

ME-Motronic

356

Steuergerät

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

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

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

15 V die Signale fehlerfrei verarbeiten können.

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

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

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

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

Bild 1

ME7 -Steuergerät.

1 vielpolige Steckverbindung. 2 Leiterplatte. 3 Leistungsendstufen, 4 Mikroprozessor mit ROM

(Funktionsrechner), 5 Flash-EPROM (zusätzlicher

Programmspeicher mit fahr­zeugspezifischem Programm) ,

6 EEPROM, 7 Mikroprozessor mit ROM

(Erweiterungsrechner), 8 Flash-EPROM (Programm­

speicher für Erweiterungs­rechner),

9 Umgebungsdrucksensor, 10 Peripheriebaustein CJ910

(integrierte SV-Spannungs­versorgung und lnduktivgeber­Auswerteschaltung).

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

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

Steuergerät

357

ME-Motronic Schnittstellen ZU anderen Systemen

358

Systemübersicht

Der verstärkte Einsatz von elektroni­schen Steuerungen im Kraftfahrzeug, wiez.B. - elektronische Motorsteuerung

(Motronic), - elektronische Getriebesteuerung, - elektronische Wegfahrsperre, - Antiblockiersystem (ABS), - Antriebsschlupfregelung (ASR), - Bordcomputer usw., macht eine Vernetzung dieser einzelnen Steuerungen erforderlich. Der Informati­onsaustausch zwischen den Steue­rungssystemen verringert die Anzahl von Sensoren und verbessert die Ausnut­zung der Einzelsysteme.

Die Schnittstellen können in zwei Kate­gorien unterteilt werden: - konventionelle Schnittstelle, z. B.

binäre Signale (Schalteingänge), Tast­verhältnisse (Pulsbreiten-modulierte Sig­nale),

- serielle Datenübertragung, z. B. Con­troller Area Network (CAN).

Konventionelle Schnittstellen

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

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

Serielle Datenübertragung (CAN) Diese Probleme können durch den Ein­satz von CAN, einem speziell für Kraft­fahrzeuge konzipierten Bussystem (Da­tensammelschiene), gelöst werden. Sofern die elektronischen Steuergeräte eine serielle Schnittstelle CAN besitzen, können die oben genannten Signale über CAN übertragen werden.

Es gibt drei wesentliche Einsatzgebiete für CAN im Kfz: - Steuergerätekopplung, - Karosserie- und Komfortelektronik

(Multiplex), - mobile Kommunikation. Die folgende Beschreibung bezieht sich auf die Steuergerätekopplung.

Steuergerätekopplung Bei der Steuergerätekopplung werden elektronische Systeme wie Motronic, elektronische Getriebesteuerung usw. miteinander gekoppelt. Typische Über­tragungsraten liegen zwischen ca. 125 kBiVs und 1 MBit/s. Sie müssen so hoch sein, daß ein gefordertes Echtzeit­verhalten garantiert werden kann. Ein

Bild 1

Konventionelle Datenübertragung.

Getriebe­steuerung

ABS/ASR

Metronie

Elektronische Wegfahrsperre

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

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

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

Lineare Busstruktur.

Station Station Station Station 1 2 3 4

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

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

Botschaftsformat Für die Übertragung auf dem Bus wird ein Datenrahmen (Data Frame) aufge­baut, dessen Länge weniger als 130 Bit beträgt. Damit ist sichergestellt, daß die Wartezeit bis zur nächsten, möglicher­weise sehr dringlichen Übertragung stets kurz gehalten wird. "Data Frame" besteht aus sieben aufein­anderfolgenden Feldern.

Standardisierung CAN ist bei der internationalen Normen­organisation ISO als Standard für den Einsatz im Kfz für Datenreihen über 125 kBiUs und zusammen mit zwei weiteren Protokollen für Datenraten bis zu 125 kBiUs vorgesehen.

Schnitt­stellen

359

MED­Motronic

360

Motormanagement MED-Motronic

Überblick

Mit der Benzin-Direkteinspritzung bei Ottomotoren läßt sich im Vergleich zur herkömmlichen Saugrohreinspritzung der Kraftstoffverbrauch um bis zu 20% senken und die verkehrsbedingte C02-

Emission nachhaltig verringern. Um die Direkteinspritzung überhaupt möglich zu machen, bedarf es während des Betriebes exakt abgestimmter Wechsel zwischen der sogenannten Ladungsschichtung bei Teillast und des Betriebes mit einem homogenen Ge­misch bei Vollast Probleme, die sich bislang für die Reali­sierung dieser Einspritzart stellten, wie z.B. - die Begrenzung der Motorleistung im Schichtladebetrieb und - die fehlende Möglichkeit zur katalyti­schen NOx-Abgasnachbehandlung im mageren Betrieb, sind durch die technischen Fortschritte bei der Motorsteuerung und der Kataly­satortechnik lösbar geworden. Die Ben­zin-Direkteinspritzung hat damit gute Aussichten für einen breiten Einsatz im zukünftigen Ottomotor.

Gesamtsystem Motronic MED7

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

forderungen an die Applikation des Einspritzsystems unter allen Betriebs­bedingungen. Die Anforderungen, die an das Motor­steuerungssystem gestellt werden, sind im wesentlichen: - die nötige Kraftstoffmenge exakt zuzu­messen, - den nötigen Einspritzdruck zu erzeu­gen und - den richtigen Einspritzzeitpunkt zu definieren sowie - den Kraftstoff direkt und präzise in die Brennräume des Motors einzubringen. Außerdem muß es die verschiedenen Momentenanforderungen an einen Mo­tor koordinieren, um dann die erforder­lichen Stelleingriffe am Motor vorzu­nehmen.

Eine wesentliche Systemschnittstelle lie­fert das im Motor indizierte 1) Dreh­moment. Die Struktur der Momenten­steuerung ist untergliedert in die drei Funktionsbereiche (Bild 1 ): - Momentenanforderung, - Momentenkoordination und - Momentenumsetzung.

Die wichtigste Momentenanforderung entsteht aus dem Fahrerwunsch durch die Betätigung des Fahrpedals. Die Stel­lung des Fahrpedals wird von der Motorsteuerung als Anforderung für ein bestimmtes Drehmoment an den Ver­brennungsmotor interpretiert. Weitere Momentenanforderungen kön­nen unter anderem auch von der Ge­triebesteuerung, der Antriebsschlupfre­gelung oder der Fahrdynamikregelung gestellt werden.

1) Das indizierte Moment beschreibt das tatsächlich lieferbare Drehmoment des Verbrennungsmotors.

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

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

Bild 1

Momentenstruktur des Motronic-Systems MED 7.

Aufbau

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

Momentenanforderung Momentenkoordination Momentenumsetzung

Fahrpedalstellung Aktuelle ~ Drosselklappenwinkel

Fahrgeschwindigkeitsregler r- Verlustmomente

• Start Koordination der Leerlaufregelung ~ Momentenanforderungen

Lambda-Regelung

Aufheizen Katalysator

• Motor- und Bauteileschutz Geschwindigkeitsbegrenzung r- .. Einspritzzeit

Drehzahlbegrenzung

Antriebsschlupfregelung (ASR) Motorschleppregelung (MSR) r- .. Zündwinkel Fahrdynamikregelung (ESP)

Überblick, Gesamt­system

361

MED­Motronic

362

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

Arbeitsweise

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

Niederdruckkreis ln einem tankseitig angeordneten Nie­derdruckkreis, bestehend aus Elektro­kraftstoffpumpe und parallelgeschalte­tem mechanischem Druckregler, wird Bild2

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

Hochdruckkreis

Hochdruckpumpe: Diese Hochdruck­pumpe hat die Aufgaben, - den Kraftstoffdruck von 0,35 MPa (3,5 bar) Vordruck auf bis zu 12 MPa (120 bar) zu erhöhen, - für geringe Druckschwankungen im Speicher zu sorgen und - einen Betrieb ausschließlich mit Kraft­stoff (zur Vermeidung einer Vermischung mit Motoröl) zu gewährleisten.

Speicher: Der Speicher muß einerseits große Elastizität aufweisen, um Druck­pulsationen aus den periodischen Entnahmevorgängen und der Förder­strompulsation der Hochdruckpumpe zu dämpfen. Andererseits muß der Speicher so steif sein, daß der Raildruck schnell genug den Anforderungen des Motorbetriebs angepaßt werden kann. Der Druck im

Motronic-System MEO 7 für Direkteinspritzung bei Ottomotoren.

1 Luftmassensensor 10 Lambda Sonde (LSF), mit Temperatursensor, 11 Fördermodul

2 Drosselklappe (EGAS), einschließlich 3 Saugrohrdrucksensor, Vorförderpumpe, 4 Hochdruckpumpe, 12 Einspritzventil,

7

3

L:]===~==~======~=9 '-----__/

13 Drucksensor, 14 Abgasrückführventil, 15 elektronisches

Steuergerät.

Speicher wird mit einem Drucksensor erfaßt. Die gewählte Elastizität des Kraftstoff­speichers resultiert hauptsächlich aus der Kraftstoffkompressibilität und dem Speichervolumen. Der Speicher ist rohr­förmig aus Aluminium gefertigt und hat Anschlüsse für die Einspritzventile, das Drucksteuerventil, die Hochdruckpumpe und die zugehörige Sensorik.

Drucksensor: Der Drucksensor dient zur Erfassung des Druckniveaus im Spei­cher. Als Sensorelement wird eine einge­schweißte Edelstahlmembrane verwen­det, auf der die Meßwiderstände in Dünnfilmtechnik aufgebracht sind.

Drucksteuerventil: Das Drucksteuerventil hat die Aufgabe, den Systemdruck im ge­samten Betriebsbereich des Motors ent­sprechend den Kennfeldvorgaben einzu­stellen. Der Systemdruck ist dabei unab­hängig von Einspritz- und Pumpen­fördermenge. Die nach dem Drucksteuerventil abhän­gig vom Lastzustand abströmende Über­schußmenge wird nicht zum Tank, son­dern zur Saugseite der Hochdruckpumpe zurückgeführt. Dadurch wird verhindert, daß sich der Kraftstoff im Kraftstoffbehäl­ter erwärmt und das Tankentlüftungssy­stem unnötig belastet.

Einspritzventil: Das Einspritzventil ist die zentrale Komponente des Einspritzsy­stems. Es muß hohen Anforderungen hinsichtlich Einbaubedingungen, kurzen Einspritzzeiten und hohem Linearitätsbe­reich genügen und der großen Bedeu­tung der Einspritzstrahlformung Rech­nung tragen. Die Einspritzventile der Benzin-Direkt­einspritzung sind direkt an den Speicher angeschlossen. Durch das Ansteuersi­gnal der Einspritzventile werden Ein­spritzbeginn und Einspritzmenge fest­gelegt.

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

Unterer Lastbereich Im unteren Lastbereich wird der Motor mit einer stark geschichteten Zylinder­ladung und hohem Luftüberschuß be­trieben, um einen möglichst niedrigen Kraftstoffverbrauch zu erreichen. Durch eine späte Einspritzung kurz vor dem Zündzeitpunkt wird als Idealzustand eine Aufteilung des Brennraums in zwei Zo­nen angestrebt: eine brennfähige Luft­Kraftstoff-Gemischwolke an der Zünd­kerze, eingelagert in einer isolierenden Schicht aus Luft und Restgas. Dadurch läßt sich der Motor unter Vermeidung von Ladungswechselverlusten weitgehend ungedrosselt betreiben. Außerdem steigt der thermodynamische Wirkungsgrad durch Vermeidung von Wärmeverlusten an den Brennraum­wänden. Bei Schichtbetrieb ist das indizierte Mo­ment nahezu proportional zur einge­spritzten Kraftstoffmenge. Luftfüllung und Zündwinkel haben kaum Einfluß auf das Motormoment Im alltäglichen Fahrbetrieb sind dadurch Verbrauchsvorteile von etwa 20% im Vergleich zur Saugrohr-Einspritzung zu erwarten. Um die NOx-Emission zu ver­ringern, wird außerdem eine hohe Ab­gasrückführrate angestrebt.

Oberer Lastbereich Mit steigender Motorlast und damit stei­gender Einspritzmenge wird die Schicht­ladewolke zunehmend fetter. Dadurch würden sich Abgasverschlechterungen ergeben, insbesondere bezüglich der Rußemission. ln diesem oberen Last­bereich wird der Motor deshalb mit ho­mogener Zylinderladung betrieben. Der Homogenbetrieb ist weitgehend von der ME7 für Saugrohr-Einspritzung über­tragbar. Die Lambda-Koordination über-

Gesamt­system

363

MED­Motronic

nimmt die Steuerung zwischen A. = 1- und Magerbetrieb. Der Kraftstoff wird bereits während des Ansaugvorganges eingespritzt, um eine gute Durchmischung von Kraftstoff und Luft zu erzielen. Wie bei heutiger Saug­rohr-Einspritzung wird die angesaugte Luftmasse entsprechend dem Drehmo­mentwunsch des Fahrers über die Dros­selklappe eingestellt. Die benötigte Ein­spritzmenge wird aus der Luftmasse be­rechnet und über die Lambda-Regelung korrigiert.

Wechsel der Lastbereiche Um die beiden zuvor beschriebenen Be­triebsarten zu ermöglichen, ergeben sich zwei zentrale Anforderungen an die Mo­torsteuerung (Bild 1 ): - der Einspritzzeitpunkt muß betriebs­punktabhängig zwischen spätem Ein­spritzzeitpunkt während der Kompressi­onsphase und frühem Einspritzzeitpunkt während der Ansaugphase verstellbar sein, - die Einstellung der angesaugten Luft­masse muß von der Fahrpedalstellung entkoppelt sein, um im unteren Lastbe­reich einen entdrosselten Motorbetrieb und im oberen Lastbereich eine Drossel­steuerung zu ermöglichen.

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

364 - im Homogenbetrieb wegen der be-

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

Bild3

Umschaltvorgang Schicht-/Homogenbetrieb.

a Schichtbetrieb, b Homogenbetrieb.

a b a

kPa

100

80

il6Q 2 'E40 ~ g> 20 8l 0

4 « 3 <Jl ·c:

r :: 2 '"' t "' 1 ~ 0 ....J

MPa

""' ~ 0,8 :2 .~0,6 :::; li; 0,4 t:: -~02 i ' 0

0 2 4 6 8 10 s Zeit

Abgasnachbehandlung, Katalysatorsteuerung

Gesetzgebung ln Europa werden zukünftig stark ver­schärfte Abgasgrenzwerte gelten. Die Motorsteuerung ist zunächst für die eu­ropäische Abgasgesetzgebung Stufe 111 ausgelegt und wird die geplante euro­päische On-Board-Diagnose enthalten. Eine Weiterentwicklung führt zur Erfül­lung der Stufe IV.

Bild4

Katalysatorsteuerung.

4 ..< 3 <f)

~ 2 -E Q) 1 ,e :::> 0 --'

ppm

800

600 öi ~400 0

"' c200

~ 0

Val%

0,4

öi 0,3 ~

'fi o,2

"' ~0, 1 (.) 0

ppm

800

~600 t;400 ~200

(.) J: 0

150

-----·~·LA_ ~ 200 250

Zeit

300 s

Der Schlüssel für den Serieneinsatz des magerbetriebenen Ottomotors mit di­rekter Einspritzung liegt deshalb in der Entwicklung der Katalysatortechnik für die NOx-Nachbehandlung im mageren Bereich. Voraussetzung für den Einsatz derartiger Katalysatoren ist allerdings eine deutliche Reduzierung des Schwe­felgehaltes im Benzin .

Abgasrückführung Ein wesentlicher Gesichtspunkt bei der Benzin-Direkteinspritzung ist, daß im Schichtbetrieb die NOx-Anteile in dem sehr mageren Abgas nicht durch einen Dreiwege-Katalysator reduziert werden können. Durch Abgasrückführung mit ho­her Abgasrückführrate wird eine Re­duzierung des NOx-Anteils im Abgas um etwa 70 % erreicht. Zur Erfüllung der Ab­gasvorschriften ist zusätzlich eine Nach­behandlung der NOx-Emission un­umgänglich.

NOx-Speicher-Katalysator Für eine Reduzierung des NOx-Anteils im Abgas bietet der NOx-Speicher-Ka­talysator das größte Potential. Dieser ist zusammen mit dem im mageren Abgas vorhandenen Sauerstoff in der Lage, die Stickoxide an seiner Oberfläche in Form von Nitraten anzulagern. Sobald aber dessen Speichervermögen erschöpft ist, muß der Speicher-Katalysator regene­riert werden. Dazu wird kurzfristig auf fet­ten Homogenbetrieb umgeschaltet, wo­bei das Nitrat vor allem zusammen mit CO zu Stickstoff reduziert wird (Bild4). Zur Steuerung der Speicher- und Regenerierphasen kommt ein Modell des Katalysators, das dessen Adsorptions­und Desorptions-Eigenschatten be­schreibt, zum Einsatz. Die Lambda-Son­den vor und hinter dem Katalysator über­wachen die Abgaswerte. Beim zyklischen Umschalten auf den we­nige Sekunden dauernden fetten Ho­mogenbetrieb ist es besonders wichtig, daß der Umschaltvorgang ohne Rück­wirkung auf das Fahrverhalten, also ohne Momentensprünge durchgeführt wird.

Gesamt­system

365

Stichwort­verzeichnis

366

Stichwortverzeichnis

A

Abgasbestandteile, 19 Abgasgrenzwerte, 39 Abgasmeßgeräte, 37 Abgasnachbehandlung, 20 Abgasprüfung, 31 Abgasreinigung, katalytische, 25 Abgasrückführung, AGR, 293, 311 Abgastechnik, 18 Abgasturboaufladung, 43, 315 Abgaszusammensetzung, 18 Adaption (ME-Motronic), 346 Additive (Ottokraftstoff), 15 Adressierung (CAN), 305 Aktivkohlebehälter, 152 Analog-Digital-Wandler, 160 Anreicherungsfaktor, 165 Ansauggeräuschdämpfung, 47 Ansaugluft s. Luft Anschlußbolzen (Zündkerze), 227 Ansteuergerät, 145 Antiklopfmittel, 15 Antiruckelfunktion, 348 Aufladung, 42 Äußere Gemischbildung, 60

B

Batteriespannung, 157, 277, 329 Benzin, 14 Benzineinspritzsysteme, 16, 60 Beschleunigungsanreicherung, 106, 133 Betriebsbedingungen (Ottomotor), 10 Betriebsdatenerfassung, 153, 268, 322 Betriebsdatenverarbeitung, 59, 159,

206,278,330 Betriebstemperatur (Zündkerze), 232 Betriebsverhalten (Zündkerze), 238 Bleifreies Benzin, 14 Bottom-Feed-Einspritzventil, 262 Breitband-Lambda-Sonde, 22, 327 Brennraumform (Ottomotor), 6

D

Diagnose, 176 Diagnoseanschlu ß, 177 Diagnosetester, 145 Dichtsitz (Zündkerze), 240 Differenzdruckventil, 70, 98 Divisions-Steuer-Multivibrator, 127 Doppelbettkatalysator, 26 Drehmomentführung, 307, 330 Drehzahlbegrenzung, 112, 172, 292 Drehzahlsensor, 273, 325 Dreiwegekatalysator, 26 Drosselklappe, 42 Drosselklappenansteller, 172 Drosselklappengeber, 271, 324 Drosselklappenpotentiometer, 155 Drosselklappenschalter, 107, 133, 140 Drosselklappenwinkel, 154 Druckmeßvorrichtung, 89, 117 Druckregler s. Kraftstoffdruckregler Dynamische Aufladung, 42, 313

E

ECE/EG-Testzyklus, 33, 39 Einbett-Oxydationskatalysator, 25 Einspritz- und Zündsysteme, 16 Einspritzaggregat, 1 77 Einspritzimpuls, 127 Einspritzventil, 66, 94, 122, 162,

261,319 Einspritzzeitberechnung, 279, 333 Einzeleinspritzung, 16, 60 Einzelfunken-Zündspule, 58, 211, 265 Elektroden (Zündkerze), 228 Elektrodenabstand (Zündkerze), 229 Elektrodenform (Zündkerze), 229 Elektrodenverschleiß (Zündkerze), 238 Elektrodenwerkstoffe (Zündkerze), 231 Elektrohydraulischer Drucksteller, 1 02 Elektrokraftstoffpumpe, 48, 64, 120,

257,317

Elektronische Einspritzsysteme, 61 H Stichwort-Elektronische Zündung, EZ, 204 verzeichnis Elektronisches Steuergerät (Jetronic) Hall-Effekt, 197

KE-Jetronic, 1 00 Hall-Sensor, 197 L-Jetronic, 125 Hei ßfilm-Luftmassenmesser, 142, 270, LH-Jetronic, 142 322 L3-Jetronic, 140 Helmholtz-Resonator, 47 M-Motronic, 302 Hitzdraht-Luftmassenmesser, 141, 269 ME-Motronic, 356 Hochspannungserzeugung,58,265 Mono-Jetronic, 159 Hochspannungsleitungen, 59, 266

Elektronisches Steuergerät (Zündung) Elektronische Zündung, 207 Transistorzündung, 196, 200, 202 Vollelektronische Zündung, 213

Endstufen, 102, 161 lnduktionsgeber, 201 Entstörmittel, 59, 266 Induktives Zündsystem, 57 Entstörwiderstände, 59, 266 Infrarot-Verfahren (Abgasprüfung), 37

lnnenzahnradpumpe, IZP, 51

F Innere Gemischbildung, 62 Integrierte Diagnose, 298, 350 Intermittierende Einspritzung, 17

Fahrgeschwindigkeitsregelung, 348 lonenstrom-Meßverfahren, 236 Fahrkurven (Abgasprüfung), 31 Isolator (Zündkerze), 227 Fahrzeugmanagement, 255, 307 Fehlerspeicher, 177 J Fettes Gemisch, 44 Fliehkraftzündversteller, 193 Flüchtigkeit (Kraftstoff), 1 5 Japan-Testzyklus, 36, 39 Frischgas, 41 Jetronic-Set, 145, 181 Früh-Verstellsystem, 193 Füllungssteuerung, 309 K FTP 75-Testzyklus, 34, 39 Funkendauer, 223 Funkenlage, 230 Kaltstart s. Startphase Funkenstrecke, 230, 241 Kaltstartanreicherung, 74, 104, 130

Kaltstartventil, 75, 104, 130

G Katalysator-Aufheizung (Katheizen), 337 Katalysatorprüfung, 38 Katalysatorsysteme, 25

Gemisch s. Luft-Kraftstoff-Gemisch Katalytische Abgasreinigung, 25 Gemischadaption, 169 KE-Jetronic, 90 Gemischanpassung, 112, 163 Keramische Monolithen, 28 Gemischaufbereitung, 12, 263 K-Jetronic, 63 Gemischbildung, 11, 42, 73, 99 Klopfbremsen, 15 Gemischentflammung, 185 Klopfende Verbrennung, 239, 276, 328 Gemisch-Grundanpassung, 74, 100 Klopffestigkeit, 14 Gemischkorrektur, 165 Klopfgrenze, 214 Gemischzusammensetzung, 157, Klopfneigung, 186

274,326 Klopfregelung, 289, 214, 183, 289, 345 Geschwindigkeitsbegrenzung, 292 Klopfsensor, 214, 329 Gleitfunkenstrecke, 230 Kontaktgesteuerte Transistorzündung, Grundeinspritzzeit, 279 TZ-K, 194 Gruppeneinspritzung, 280 Konventionelle Schnittstellen, 304 367

Stichwort­verzeichnis

368

Konventionelle Spulenzündung, SZ, 187

Kontinuierliche Einspritzung, 16 Kraftstoffbehälter, 48 Kraftstoffdruckdämpfer, 260, 319 Kraftstoffdruckregler, 53, 121, 151, 259,

318 Kraftstoffeinspritzung s. Kraftstoff­

zumessung Kraftstoffilter, 52, 66, 93, 121, 150, 259,

318 Kraftstoffleitungen, 48 Kraftstoffmengenteiler, 69, 97 Kraftstofförderung, 148 Kraftstoffreinigung, 150 Kraftstoffspeicher, 65, 93 Kraftstoffsystem (Motronic}, 256, 316 Kraftstoffverbrauch, 13, 186 Kraftstoffverdunstungs-Rückhalte-

system, 152, 288, 343 Kraftstoffversorgung, 48

KE-Jetronic, 92 K-Jetronic, 64 L3-Jetronic, 138 LH-Jetronic, 141 L-Jetronic, 120 M-Motronic, 256 ME-Motronic, 306 Mono-Jetronic, 148

Kraftstoffverteiler, 53, 259, 317 Kraftstoffzumessung/-einspritzung,

68, 96, 125, 139,142,161,261,319 Kurbelwellenstellung, 325

L

L3-Jetronic, 138 Ladedruckregelung, 290, 346 Ladedrucksensor, 324 Ladungsschichtung, 9 Ladungswechsel, 42, 310 Lambda-Kennfeld, 161 Lambda-Regelkreis, 83, 168 Lambda-Regelung, 20, 80, 113, 135,

140,143,168,286,340 Lambda-Regelungstester, 89, 145, 181 Lambda-Sonde, 20, 82, 158, 274,326

beheizt, 22, 82, 275, 327 unbeheizt, 21

Lambda-Verschiebung, 342 Lastsignalberechnung (M-Motronic), 278 Lastwechselschlagdämpfung, 348

Leerlaufdrehsteller, 1 09, 143 Leerlaufdrehzahlregelung, 108, 170,

283,340 Leerlaufregelung (M-Motronic) Leerlaufstabilisierung, 77 LH-Jetronic, 141 L -Jetronic, 118 Luftfilter, 46 Luftfüllung, 153, 322 Luftfunkenstrecke, 230 Luftgleitfunkenstrecke, 230 Luft-Kraftstoff-Gemisch, 43 Luft-Kraftstoff-Verhältnis, 11 Luftmassenmesser, 141, 268 Luftmengenmesser, 68, 96, 125, 268 Lufttemperaturanpassung, 134 Lufttemperatursensor, 156, 277, 329 Luftumfassung, 321 Luftversorgung, 46 Luftzahl, 44, 326

M

Mageres Gemisch, 44 Magerkonzepte, 29 Magermotor, 29 Masseelektrode, Zündkerze, 228 Mechanische Aufladung, 43, 316 Mechanisches Einspritzsystem, 60 Mengenvergleichsmeßgerät, 88,

116, 145 Meßkammer (Abgasprüfung), 37 Meßzündkerze, 235 Metallische Monolithen, 28 Mittelelektrode (Zündkerze), 228 Momentenkoordination (ME-Motronic),

307 Momentenstruktur (MED-Motronic), 361 Mono-Jetronic, 146 Mono-Motronic, 182 Motorkonzeption (Ottomotor), 6 Motorlast (M-Motronic), 268 Motormanagement, 254, 306, 360 Motor-Oktanzahl, MOZ, 14 Motorsteuerung (Ottomotor), 40 Motortemperatursensor, 105, 132, 140,

156,277,329 Motortester, 145, 180, 221 Metronie (allgemein), 17, 182

MED-Motronic, 360 ME-Motronic, 306 M-Motronic, 254

N

Nachstartanreicherung, 105, 131 Nachstartphase, 45, 164, 282 Nachverbrennung, thermische, 30 Nernst-Prinzip (Zweipunktsonde), 326 Nernstsonde (Zweipunktsonde), 351 Nockenwellenstellung, 326 Nockenwellensteuerung, 294 Nockenwellenumschaltung, 295, 311 Nockenwellenverdrehung, 294 Nockenwellenverstellung, 311 Notlauf, 176, 301, 355 NOx-Speicherkatalysator, 26, 365

0

Oktanzahl, 14 Ottokraftstoffe, 14 Ottomotor, 4 Ottomotor-Steuerung, 40 Oxydationskatalysator, 25

p

Papierluftfilter, 46 Peripheralpumpe, PP, 52 Planare Lambda-Sonde, 22 Platinmittelelektrode (Zündkerze), 231 Platinzündkerze, 244 Probenentnahme (CVS-Methode), 32 Prüftechnik (Abgas), 31

R

Radkastenfilter, 46 Regeneriergasstrom, 174, 288, 343 Regenerierventil, 175, 289, 344 Research-Oktanzahl, ROZ, 14 Resonanzaufladung, 297, 313 Restgas, 41 Rollenprüfstand, 31 Rollenzellenpumpe, RZP, 51 Rotierende Spannungsverteilung, ROV,

58,182,265 Ruhende Spannungsverteilung, RUV,

58,183,265

s

Saugrohr-Drucksensor, 270, 324 Saugrohrgestaltung, 8 Saugrohrumschaltung, 256, 296 Schadstoffemission, 11, 13, 186 Schalt-Ansaugsysteme, 297 Schiebebetrieb, 45, 173 Schließwinkelregelung, 198, 202, 280 Schließwinkelberechnung, 334 Schlitzträger, 69, 97 Schnellstart, 335 Schnittstellen zu anderen Systemen,304 Schubabschaltung, 30, 80, 111, 135 Schüttgutträger, 27 Schutzfunktionen, (ME-Motronic), 347 Schwingrohrsaugaufladung, 297, 313 Seitenkanalpumpe, SKP, 52 Sekundärlufteinblasung, 30, 338 Sekundär-Meßwertgeber, 221 Sequentielle Einspritzung, 280 Serielle Datenübertragung (CAN), 304 SFTP-Testzyklus, 34, 39 SHED-Test, 33 Signalverarbeitung s. Betriebsdaten-

verarbeitung Silbermittelelektrode (Zündkerze), 231 Simultane Einspritzung, 280 Spannungskompensation, 129, 17 4 Spannungsstabilisierung, 101 Spannungsverteilung, 58, 210, 265 Spät-Verstellsystem, 193 Spezialzündkerzen, 246 Spulenzündung s. Konventionelle

Spulenzündung Startphase,45, 163,282 Startsteuerung, 130 Stauscheiben-Potentiometer

(KE-Jetronic), 1 06 Steckbuchsen (Zündsysteme), 218 Stecker (Zündsysteme), 218 Stellglied-Diagnose, 355 Stetige Lambda-Regelung, 343 Steuergerät s. Elektronisches Steuergerät Strahlaufbereitung (ME-Motronic), 320 Strom- und Schließwinkelregelung

(Transistorzündung), 198, 202 Summierer, 1 01 SUPER-Zündkerze, 240 Synchronisation (Zündung), 187 Systemadapterleitung, 145, 180

Stichwort­verzeichnis

Systemdruckregler, 66, 93 369

Stichwort­verzeichnis

T

Teillastanpassung, 133 Temperatur-Meßzündkerze, 235 Thermische Belastbarkeit,

Zündkerze, 233 Thermische Nachverbrennung, 30 Thermoreaktor, 30 Thermozeitschalter, 75, 1 04, 131 Top-Feed-Einspritzventil, 262 Trägersysteme (Katalysator), 27 Transistorzündung mit Hallgeber, TZ-H, 197 Transistorzündung mit lnduktionsgeber,

TZ-I, 201 Transistorzündung, kontaktgesteuert,

TZ-K, 194

u

Übergangskompensation, 165, 283 Übergangsverhalten, 79 Umgebungsdrucksensor, 324 Universai-Prüfadapter, 117, 145, 180 Universai-Vielfachmeßgerät, 117 Unterdruckzündversteller, 193

V

Variable Saugrohrgeometrie, 313 Ventilprüfgerät, 88, 116 Ventilsteuerzeiten, 7 Verbindungsmittel (Zündsysteme),

59,218,266 Verbleites Benzin, 14 Verbrennung im Ottomotor, 4 Verbrennung, klopfende, 239 Verbrennungsaussetzer, 298 Verbundelektrode (Zündkerze), 231 Verdampfungsverluste (Kraftstoff-

system), 34 Verdichtungsverhältnis, 6 Verdünnungsverfahren

(CVS-Methode), 32 Verdunstungsprüfung, 31 Verdunstungsverluste, 33 Vielfachme ßgerät, 145, 180 Vierfunken-Zündspule, 212 Viertaktverfahren, 4 Vollastanreicherung, 78, 1 06, 133, 172

370 Vollelektronische Zündung, VZ, 21 0

w

Wärmebereich (Zündkerze), 242 Wärmewert (Zündkerze), 232 Wärmewertanpassung (Zündkerze), 236 Warmlaufphase, 45, 164, 282, 337 Warmlaufregler, 77 Wegfahrsperre, 348 Werkstattprüftechnik,

z

K-Jetronic, 88 KE-Jetronic, 116 L -Jetronic, 144 Mono-Jetronic, 180, Zündsysteme, 220

Zentraleinspritzung, 17, 61 Zündeigenschaft, 185 Zündenergie, 185, 222 Zündkerze,59,222,267 Zündkerzenaufbau, 227 Zündkerzenbeanspruchung,224 Zündkerzengesichter, 250 Zündkerzenmontage, 248 Zündkerzen-Typformel, 24 7 Zündspannung, 185 Zündspannungsbedarf, 223 Zündspule, 57, 189, 212, 264 Zündsysteme, 17, 184 Zündung, 13,54 Zündungsendstufe, 57, 208, 264 Zündunterbrecher, 190 Zündversteller, 192 Zündverstellung, 184 Zündverteiler, 191 Zündwinkelberechnung, 334 Zündwinkelsteuerung (M-Motronic), 281 Zündzeitpunkt, 54, 184 Zusatzfunktionen (ME-Motronic), 306 Zusatzluftschieber, 77, 1 08, 134, 140 Zweifunken-Zündspule, 59, 210, 266 Zweipunktsonde, 326 Zweipunkt-Lambda-Regelung, 24, 341 Zweisonden-Lambda-Regelung,

24,287,343 Zweistrahlaufbereitung, 321 Zylinderfüllung (Ottomotor), 41 Zylinderfüllungsberechnung, 331

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