Ottomotor-Management

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.

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.

Aufgabe des Kraftstoffversorgungssystems ist es, den Kraftstoff vom Tank in definierter Menge mit einem spezifizierten Druck zum Verbrennungsmotor im Motorraum zu fördern. Die jeweilige Schnittstelle bildet beim Motor mit Saugrohreinspritzung (SRE) der Kraftstoffverteiler mit den Saugrohr-Einspritzventilen und beim Motor mit Benzin-Direkteinspritzung (BDE) die Hochdruckpumpe. Der grundsätzliche Aufbau der Kraftstoffversorgungssysteme ist für beide Einspritzarten ähnlich: der Kraftstoff wird aus dem Tank (dem Kraftstoffspeicher) mittels einer Elektrokraftstoffpumpe durch Kraftstoffleitungen aus Stahl oder Kunststoff zum Motor gefördert. Unterschiedliche Anforderungen führen aber zum Teil zu abweichenden Systemauslegungen und einer Vielfalt an Varianten. Bei der Saugrohreinspritzung fördert eine Elektrokraftstoffpumpe den Kraftstoff aus dem Tank über die Leitungen und den Kraftstoffverteiler (auch Kraftstoff-Rail genannt) direkt zu den Einspritzventilen. Bei der Benzin- Direkteinspritzung wird der Kraftstoff ebenfalls mit einer Elektrokraftstoffpumpe aus dem Tank gefördert, anschließend wird er jedoch durch eine Hochdruckpumpe zunächst auf einen höheren Druck verdichtet und danach den Hochdruck-Einspritzventilen zugeführt.

Bei einem mit definiertem Luft-Kraftstoff-Verhältnis λ homogen betriebenen Ottomotor werden Drehmoment und Leistung von der zugeführten Luftmasse bestimmt. Damit λ genau eingehalten werden kann, wird die zugeführte Luftmasse exakt gemessen, die zu λ passende Einspritzmenge Kraftstoff berechnet und zugemessen.

Aufgabe der Einspritzsysteme ist es, den vom Kraftstoffversorgungssystem aus dem Tank zum Motorraum geförderten Kraftstoff auf die einzelnen Zylinder des Ottomotors zu verteilen und den Kraftstoff entsprechend der Anforderungen aufzubereiten.

Der Ottomotor ist ein Verbrennungsmotor mit Fremdzündung. Die Zündung hat die Aufgabe, das verdichtete Luft-Kraftstoff-Gemisch im richtigen Zeitpunkt zu entflammen. Eine sichere Zündung ist Voraussetzung für den einwandfreien Betrieb des Motors. Dazu muss das Zündsystem auf die Anforderungen des Motors ausgelegt sein. Unter den zahlreichen unterschiedlichen Lösungsansätzen für ein Zündsystem haben sich bisher weltweit nur zwei Zündsysteme in größerem Umfang verbreitet. Das sind einerseits die Magnetzündung und andererseits die Batteriezündung. Beiden gemeinsam ist die Erzeugung eines elektrischen Funkens zwischen den Elektroden einer Zündkerze im Brennraum zur Entflammung des Luft-Kraftstoff-Gemisches.

In den vergangenen Jahren konnte der Schadstoffausstoß der Kraftfahrzeuge durch technische Maßnahmen drastisch gesenkt werden. Dabei wurden sowohl die Rohemissionen durch innermotorische Maßnahmen und intelligente Motorsteuerungskonzepte als auch die in die Umwelt emittierten Emissionen durch verbesserte Abgasnachbehandlungssysteme signifikant reduziert.

Sensoren erfassen einerseits den Fahrerwunsch als Sollwert und andererseits den Betriebszustand des Motors. Dabei wandeln sie physikalische oder chemische Größen in elektrische Signale um, die vom Motorsteuergerät ausgewertet werden können.

Die Aufgabe des elektronischen Motorsteuergeräts besteht darin, alle Aktoren des Motor-Managementsystems so anzusteuern, dass sich ein bestmöglicher Motorbetrieb bezüglich Kraftstoffverbrauch, Abgasemissionen, Leistung und Fahrkomfort ergibt. Um dies zu erreichen, müssen viele Betriebsparameter mit Sensoren erfasst und mit Algorithmen – das sind nach einem festgelegten Schema ablaufende Rechenvorgänge – verarbeitet werden. Als Ergebnis ergeben sich Signalverläufe, mit denen die Aktoren angesteuert werden.

Das Steuergerät übernimmt die gesamte Steuerung und Regelung des Motors und vieler Aggregate in seiner Peripherie. Mit dem Einsatz der Digitaltechnik ergeben sich vielfältige Möglichkeiten, die sich über die Jahre rasant weiterentwickelt haben. Zum Beispiel wäre die Erfüllung moderner Abgasgesetze und das Erreichen niedriger Verbrauchswerte bei hoher Motorleistung ohne die elektronische Steuerung undenkbar. Viele Einflussgrößen können gleichzeitig in die Steuerung des Motors einbezogen werden, so dass ein optimaler Betrieb ermöglicht wird. Das Steuergerät empfängt die elektrischen Signale der Sensoren für physikalische Zustände sowie die Wünsche des Fahrers, wertet sie aus, berechnet die Ansteuersignale für die Stellglieder (Aktoren) und steuert diese an. Die Leistungsfähigkeit der eingesetzten elektronischen Bauteile nimmt stetig zu und ermöglicht immer komplexere Steuer- und Regelalgorithmen für das Motormanagement (Zündung, Gemischbildung usw.). Alle Bauteile eines Steuergerätes bezeichnet man als die „Hardware“.

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. Beim Ottomotor bedarf es eines Zündsystems, um über einen Zündfunken an der Zündkerze das im Brennraum komprimierte Luft-Kraftstoff-Gemisch zu entzünden und so die Verbrennung einzuleiten. Auch diese Systeme wurden dank der Möglichkeiten der Elektronik zunehmend leistungsfähiger und komplexer.In modernen Motorsteuerungssystemen sind die Funktionen für Einspritzung und Zündung in einem elektronischen Steuergerät integriert und verwenden zur Steuerung und Regelung identische Eingangssignale, die in einem Mikrocontroller verarbeitet werden.Während das Entwicklungsziel in den 1970er-Jahren überwiegend die Leistungs- und Komfortsteigerung war, verschob sich der Schwerpunkt ab den 1980er-Jahren hin zur Emissionsminderung. Eine weitere Forderung, die immer mehr an Bedeutung gewann, war die Senkung des Kraftstoffverbrauchs und damit auch die Reduzierung des CO2-Ausstoßes. Mit der sukzessiven Verfeinerung der Eigendiagnose wurde darüber hinaus eine wesentliche Unterstützung der Fehlersuche und der Problembehebung in den Fahrzeug-Werkstätten erreicht.

Vorreiter im Bestreben, die von Kraftfahrzeugen mit Verbrennungsmotor verursachten Schadstoffemissionen gesetzlich zu begrenzen, war der US-Bundesstaat Kalifornien. Der hohe Motorisierungsgrad in Kombination mit den Besonderheiten des Los-Angeles-Beckens führte hier schon in der Mitte des zwanzigsten Jahrhunderts zu starker Luftverschmutzung. Aufgrund der Kessellage bildet sich oft eine Inversionsschicht, unter der die Emissionen von Kohlenwasserstoffen und Stickoxiden unter starker Sonneneinstrahlung zu photochemischem Smog umgewandelt werden. Bei hohen Schadstoffkonzentrationen bildet sich eine braune Dunstglocke, deren Bestandteile (u. a. Ozon) gesundheitsgefährdend sind und zu negativen Auswirkungen auf Umwelt und Natur führen.

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. 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.

Erdgas als Kraftstoff für Verbrennungsmotoren ist eine gute Alternative zur Reduzierung der CO2-Emissionen und zur Luftreinhaltung. Erdgas besteht hauptsächlich aus Methan, wird unter Druck im Fahrzeugtank gespeichert und wird deshalb auch als CNG (Compressed Natural Gas, komprimiertes Erdgas) bezeichnet. Durch den Vorteil niedrigerer CO2-Emissionen sowie nahezu keiner Partikelemissionen und durch die Möglichkeit, Benzinmotoren mit relativ geringem Aufwand an den Kraftstoff Erdgas anzupassen, hat der Erdgasbetrieb im Ottomotor gute Voraussetzungen, auch kurzfristig eine stärkere Verbreitung zu erfahren.

Ein elektrisches Hybridfahrzeug (Hybrid Electric Vehicle, HEV) verwendet zum Antrieb sowohl einen Verbrennungsmotor als auch mindestens eine elektrische Maschine. Dabei gibt es eine Vielzahl von Antriebsstrukturen, die zum Teil verschiedene Optimierungsziele verfolgen und die in unterschiedlichem Maße elektrische Energie zum Antrieb des Fahrzeugs nutzen. Mit dem Einsatz von elektrischen Hybridantrieben werden im Wesentlichen drei Ziele verfolgt: Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs, Reduzierung der Schadstoffemissionen und Erhöhung von Drehmoment und Leistung (zur Verbesserung der Fahrdynamik).