Ottomotor-Management

Frontmatter

Geschichte des Automobils

Zusammenfassung

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

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Grundlagen des Ottomotors

Zusammenfassung

Der Ottomotor¹) ist ein fremdgezündeter Verbrennungsmotor, der ein Luft-Kraftstoff-Gemisch verbrennt und damit die im Kraftstoff enthaltene chemische Energie in Bewegungsenergie umwandelt.

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Kraftstoffe

Zusammenfassung

Der wichtigste Energieträger, aus dem Kraftstoffe gewonnen werden, ist Erdöl. Erdöl ist im Laufe von Jahrmillionen durch Zersetzung abgestorbener Lebewesen entstanden und besteht aus vielen verschiedenen Kohlenwasserstoffen. Qualitativ hochwertiger Kraftstoff trägt wesentlich zu einem störungsfreien Fahrbetrieb und zu niedrigen Abgasemissionen bei. Daher sind Anforderungen an die Zusammensetzung und Eigenschaften des Kraftstoffs gesetzlich festgelegt.

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Systeme zur Füllungssteuerung

Zusammenfassung

Bei einem mit definiertem Luft-Kraftstoff-Verhältnis λ homogen betriebenen Ottomotor wird das abgegebene Drehmoment und damit die Leistung von der zugeführten Luftmasse und der eingespritzten Kraft-stoffmenge bestimmt. Damit λ genau eingehalten werden kann, muss die Luftmasse exakt zugemessen werden.

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Benzineinspritzsysteme der Vergangenheit

Zusammenfassung

Einspritzsysteme haben die Aufgabe, dem Motor ein Luft-Kraftstoff-Gemisch bereitzustellen, das dem jeweiligen Betriebszustand bestmöglich angepasst ist. Im Laufe der Zeit wurden die Systeme immer weiter verbessert, wobei der Anteil der Elektronik ständig zugenommen hat.

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Kraftstoffversorgung

Zusammenfassung

Aufgabe des Kraftstoffversorgungssystems ist es, den Kraftstoff mit einem definierten Druck zu den Einspritzventilen zu fördern. Die Einspritzventile spritzen den Kraftstoff in das Saugrohr (Saugrohreinspritzung) oder direkt in den Brennraum (Benzin-Direkteinspritzung) ein. Bei der Saugrohreinspritzung fördert eine Elektrokraftstoffpumpe den Kraftstoff aus dem Tank zu den Einspritzventilen. Bei der Benzin-Direkteinspritzung wird der Kraftstoff ebenfalls mittels Elektrokraftstoffpumpe aus dem Tank gefördert, anschließend wird er durch eine Hochdruckpumpe auf höheren Druck verdichtet und den Hochdruck-Einspritzventilen zugeführt.

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Saugrohreinspritzung

Zusammenfassung

Bei Ottomotoren mit Saugrohreinspritzung (SRE) beginnt die Bildung des Luft-Kraftstoff-Gemischs außerhalb des Brennraums im Saugrohr. Diese Motoren sowie deren Steuerungssysteme konnten im Lauf der Zeit immer weiter verbessert werden. Sie haben aufgrund der besseren Kraftstoff-zumessung den Vergasermotor, der auch mit äußerer Gemischbildung arbeitet, fast vollständig verdrängt.

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Benzin-Direkteinspritzung

Zusammenfassung

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

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Erdgas-Betrieb von Ottomotoren

Zusammenfassung

Der Verband europäischer Fahrzeughersteller (ACEA) hat in einer Selbstverpflichtung festgelegt, bis zum Jahr 2008 den durchschnittlichen CO₂-Ausstoß auf 140 g/km zu reduzieren. Gegenüber dem Stand von 1995 bedeutet das eine Reduzierung um 25 %. Fahrzeugkonzepte auf der Basis von CNG (Compressed Natural Gas = komprimiertes Erdgas) stellen einen Beitrag zur Absenkung der CO₂-Emissionen dar. Da Erdgas bisher noch nicht flächendeckend an Tankstellen erhältlich ist, sollte zusätzlich der Betrieb des Motors mit Ottokraftstoff möglich sein.

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Zündsysteme der Vergangenheit

Zusammenfassung

Der Ottomotor ist ein Verbrennungsmotor mit Fremdzündung. Ein Zündfunke entzündet das im Brennraum komprimierte Luft-Kraftstoff-Gemisch und leitet so die Verbrennung ein. Dieser Zündfunke entsteht durch einen Funkenüberschlag zwischen den Elektroden der Zündkerze, die in den Brennraum hineinragt. Die Zündanlage muss die für den Funkenüberschlag an der Zündkerze erforderliche Hochspannung erzeugen sowie für das zeitgerechte Auslösen des Zündfunkens sorgen.

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Induktive Zündanlage

Zusammenfassung

Die Zündung des Luft-Kraftstoff-Gemischs im Ottomotor erfolgt elektrisch durch einen Funkenüberschlag zwischen den Elektroden der Zündkerze. Die in dem Funken umgesetzte Energie der Zündspule entzündet das verdichtete Gemisch, die anschließend von dieser Stelle ausgehende Flammenfront sorgt für die Entflammung des Gemischs im gesamten Brennraum. Die induktive Zündanlage erzeugt in jedem Arbeitstakt die für den Funkenüberschlag erforderliche Hochspannung und die für die Entflammung notwendige Funkendauer. Die elektrische Energie wird dem Bordnetz entnommen und in der Zündspule zwischengespeichert.

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Zündspulen

Zusammenfassung

Die Zündspule als Komponente der induktiven Zündanlage erzeugt aus der niedrigen Batteriespannung die Hochspannung, die für den Funkenüberschlag an der Zündkerze erforderlich ist. Die Funktion der Zündspule beruht auf der elektromagnetischen Induktion: Die im Magnetfeld der Primärwicklung gespeicherte Energie wird durch magnetische Induktion auf die Sekundärseite der Zündspule übertragen.

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Zündkerzen

Zusammenfassung

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

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Motronic-Systeme

Zusammenfassung

Motronic ist die Bezeichnung für ein Motormanagementsystem, das die elektronische Steuerung und Regelung des Ottomotors in einem einzigen Steuergerät ermöglicht. Die erste Motronic wurde im Jahr 1979 von Bosch in Serie gebracht. Sie umfasste im Wesentlichen die Funktionen der elektronischen Einspritzung and der elektronischen Zündung. Mit dem Fortschritt der Mikroelektronik konnte die Leistungsfähigkeit der Motronic-Systeme im Lauf der Zeit immer weiter gesteigert werden. Der Funktionsumfang wurde kontinuierlich an die aktuellen Erfordernisse angepasst und damit wurde die Komplexität der Motronic erhöht.

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Sensoren

Zusammenfassung

Sensoren erfassen Betriebszustände (z. B. Motordrehzahl) und Sollwerte (z. B. Fahrpedalstellung). Sie wandeln physikalische Größen (z. B. Druck) oder chemische Größen (z. B. Abgaskonzentration) in elektrische Signale um.

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Steuergerät

Zusammenfassung

Mit der Digitaltechnik ergeben sich vielfältige Möglichkeiten zur Steuerung und Regelung elektronischer Systeme im Kraftfahrzeug. Viele Einflussgrößen können gleichzeitig mit einbezogen werden, sodass sich die Systeme bestmöglich betreiben lassen. Das Steuergerät empfängt die elektrischen Signale der Sensoren, wertet sie aus und berechnet die Ansteuersignale für die Stellglieder (Aktoren). Das Steuerungsprogramm — die „Software“ — ist in einem Speicher abgelegt. Die Ausführung des Programms übernimmt ein Mikrocontroller. Die Bauteile des Steuergeräts werden als „Hardware“ bezeichnet. Das MotronicSteuergerät umfasst alle Steuer- und Regelalgorithmen für das Motormanagement (Zündung, Gemischbildung usw.)

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Abgasemission

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In den vergangenen Jahren konnte der Schadstoffausstoß der Kraftfahrzeuge durch technische Maßnahmen drastisch gesenkt werden. Bei Pkw mit Ottomotor spielte dabei der zunehmende Anteil von Fahrzeugen mit Dreiwegekatalysator eine wichtige Rolle.

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Katalytische Abgasreinigung

Zusammenfassung

Die Abgasgesetzgebung legt Grenzwerte für die Schadstoffemissionen von Kraftfahrzeugen fest. Zur Einhaltung dieser Grenzwerte sind motorische Maßnahmen allein nicht ausreichend, vielmehr steht beim Ottomotor die katalytische Nachbehandlung des Abgases zur Konvertierung der Schadstoffe im Vordergrund. Dafür durchströmt das Abgas einen oder mehrere im Abgasstrang sitzende Katalysatoren, bevor es ins Freie gelangt. An der Katalysatoroberfläche werden die im Abgas vorliegenden Schadstoffe durch chemische Reaktionen in ungiftige Stoffe umgewandelt.

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Abgasgesetzgebung

Zusammenfassung

Vorreiter im Bestreben, die von den Kraftfahrzeugen verursachten Schadstoffemissionen gesetzlich zu begrenzen, war der US-Bundesstaat Kalifornien. Anstoß dazu gab nicht zuletzt der Umstand, dass in Los Angeles aufgrund der Kessellage die Abgase oft nicht vom Wind weggetragen werden, sondern wie eine Dunstglocke über der Stadt liegen bleiben. Bei hoher Schadstoffbelastung der Luft führte dies zur Bildung von Smog und in der Folge zu Gesundheitsschäden der Bevölkerung und zu massiven Sichtbehinderungen.

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Abgasmesstechnik

Zusammenfassung

Im Rahmen der Typprüfung zur Erlangung der allgemeinen Betriebserlaubnis von Pkw und leichten Nkw wird die Abgasprüfung am Fahrzeug auf Rollenprüfständen durchgeführt. Die Prüfung unterscheidet sich damit von Abgasprüfungen, die z. B. im Rahmen der Feldüberwachung mit Werkstattmessgeräten durchgeführt werden.

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Diagnose

Zusammenfassung

Die Zunahme der Elektronik im Kraftfahrzeug, die Nutzung von Software zur Steuerung des Fahrzeugs und die erhöhte Komplexität moderner Einspritzsysteme stellen hohe Anforderungen an das Diagnosekonzept, die Überwachung im Fahrbetrieb (On-Board-Diagnose) und die Werkstattdiagnose (Bild 1). Basis der Werkstattdiagnose ist die geführte Fehlersuche, die verschiedene Möglichkeiten von Onboard- und Offboard-Prüfmethoden und Prüfgeräten verknüpft. Im Zuge der Verschärfung der Abgasgesetzgebung und der Forderung nach laufender Überwachung hat auch der Gesetzgeber die On-Board-Diagnose als Hilfsmittel zur Abgasüberwachung erkannt und eine herstellerunabhängige Standardisierung geschaffen. Dieses zusätzlich installierte System wird OBD-System (On Board Diagnostic System) genannt.

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Steuergeräteentwicklung

Zusammenfassung

Das Steuergerät ist die zentrale Stelle, von der aus ein elektronisches System im Kraftfahrzeug gesteuert und geregelt wird. An die Steuergeräteentwicklung werden deshalb hohe Anforderungen bezüglich der Qualität und der Zuverlässigkeit gestellt.

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