Volltext - Universität Oldenburg

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Carl von Ossietzky
Universität Oldenburg
Bachelorstudiengang
Ökonomische Bildung / Technik
Bachelorarbeit
Titel: Die Historie und der technische Aufbau von
Benzineinspritzanlagen bei PKW-Motoren
vorgelegt von: René Winkelmann
Betreuender Gutachter: Karl-Heinz Hoffmann
Zweiter Gutachter: Prof. Dr. Gert Reich
Oldenburg, 17.09.2008
1.
Einleitung
1
2.
Aufbau und Funktionsweise des Viertakt-Ottomotors
2
3.
Vergaser
3.1 Historie
3.2 Technik
3.2.1 Aufbau des Oberflächenvergasers
3.2.2 Aufbau des Steigstrom- / Flachstrom- / Fallstromspritzvergasers
5
5
7
7
8
4.
Indirekte Einspritzung
4.1 Historie
4.2 Technik
4.2.1 Aufbau und Funktion der Bosch K-Jetronic
– mechanische indirekte Einspritzanlage –
4.2.2 Aufbau und Funktion der Bosch L-Jetronic
– elektrische indirekte Einspritzanlage –
4.2.3 Aufbau und Funktion der Bosch LH-Jetronic
– elektrische indirekte Einspritzanalage –
4.2.4 Aufbau und Funktion der Bosch ME-Motronic
– vollelektronische Einspritz- und Zündanlage mit E-Gas –
13
13
16
17
Direkte Einspritzung
5.1 Historie
5.2 Technik
5.2.1 Elektronisch gesteuerte direkte Einspritzung – strahlgeführt
5.2.2 Elektronisch gesteuerte direkte Einspritzung – wandgeführt
5.2.3 Elektronisch gesteuerte direkte Einspritzung – Bosch MED-Motronic
34
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38
39
40
5.
6.
Fazit
19
22
22
43
Literatur
45
Abbildungsverzeichnis
47
Die Historie und der technische Aufbau von
René Winkelmann
1. Einleitung
Die einzige direkte Schnittstelle zwischen dem Fahrer und dem Motor eines Pkw ist seit
Jahrzehnten das Gaspedal. Nur mit dem Fuß steuert der Fahrer während der Fahrt im
Großteil aller je hergestellten Pkw über die Stellung einer Klappe im Ansaugluftstrom des
Motors den eigentlich einfachen Gemischbildungsprozess: Der Kraftstoff muss mit der Umgebungsluft gemischt und dem Motor zugeführt werden, um dieses Gemisch schließlich
kontrolliert verbrennen zu können. Dazu ist es aber notwendig, dass die Luft in einem ganz
bestimmten Verhältnis zum Kraftstoff steht, außerdem kommt noch dazu, dass dieses
Gemisch nur für bestimmte Betriebszustände des Motors optimal ist, für andere
Betriebszustände allerdings ein geringfügig abweichendes Gemisch vonnöten ist. Der
Schutz der Umwelt und der Verbrauch spielten in den Anfangszeiten des Automobils noch
keine Rolle, später wurde immerhin der Verbrauch des Motors zu einem Faktor für die
Wirtschaftlichkeit des Pkw. Doch auch die Umwelt rückte immer mehr in den Vordergrund:
Die Erkenntnis, dass der Betrieb eines Motors erhebliche Umweltschäden anrichtet,
veranlasste Gesetzgeber, die Entwicklung im Rahmen von Abgasvorschriften zu
beeinflussen. Dennoch möchte der Endverbraucher nicht auf eine möglichst leistungsfähige
und komfortabel zu bedienende Maschine verzichten.
All diese Faktoren wurden im Laufe der Zeit an Einspritzsysteme für Pkw gestellt: Kosten,
Umwelt, Leistung, Verbrauch. Sicherlich wurden diese Schwerpunkte in der Gewichtung in
den Anfangszeiten der jeweiligen Systeme oft anders gesetzt und später durch Veränderungen oder Neuentwicklungen den Forderungen der Zeit angepasst. Genau diese Forderungen
– vom Gesetzgeber und vom Kunden – sorgten und sorgen auch für eine stetige Verbesserung und Optimierung der Einspritzanlagen, in Form von weniger Emissionen, weniger
Verbrauch, höherem Komfort und mehr Leistung.
In dieser Arbeit wird kurz der mechanische Aufbau der Grundkomponenten eines ViertaktOttomotors erläutert, anschließend auf den Vorgänger der Einspritzanlagen – den Vergaser
– eingegangen. Ich werde ausführlich auf unterschiedliche indirekte Einspritzanlagen eingehen und darauf aufbauend die Funktion der Direkteinspritzung erläutern. Vor den jeweiligen technischen Erklärungen über Aufbau und Funktion des Vergasers, der indirekten
sowie der direkten Einspritzung, wird jeweils ein kurzer historischer Abriss der Entwicklung erfolgen.
1
René Winkelmann
2. Aufbau und Funktionsweise des Viertakt-Ottomotors
Verbrennungsmotoren werden nach Zündungsart und Arbeitsverfahren klassifiziert. Zu den
Zündungsarten gehört die Fremd- oder Eigenzündung, zu den Arbeitsverfahren das
Zweitakt- oder Viertaktverfahren. Der Ottomotor arbeitet nach dem Viertaktverfahren mit
Fremdzündung.1
Der grundsätzliche Aufbau des Ottomotors besteht aus mindestens einem zylindrischen
Kolben (1) mit umlaufenden Kolbenringen (2), welcher in einem Zylinder (5) mit einer aufund abwärts gerichteten Hubbewegung wirkt. Durch eine an Kolben und Kurbelwelle (3)
angebrachte Pleuelstange (2) wird die Hubbewegung des Kolbens in eine Drehbewegung
der Kurbelwelle umgesetzt.
Damit der Vorgang der Hubbewegung des Kolbens verrichtet werden kann, bedarf es einer
kontrollierten Expansion eines Luft-/Kraftstoffgemisches im geschlossenen Raum des Zylinders. Diese Expansion wird durch eine kontrollierte Verbrennung erzeugt, der Ottomotor
arbeitet dabei in vier Takten. Diese vier Takte werden innerhalb von vier Hubbewegungen
des Kolbens und zwei Kurbelwellenumdrehungen verrichtet.
Erster Takt: Das vor dem Einlassventil erzeugte Luft-/Brennstoffgemisch gelangt durch den
Einlasskanal (9) sowie das am Ende des Einlasskanals im Zylinderkopf angebrachte Einlassventil (6) in den Zylinderraum durch einen Unterdruck. Dieser entsteht, wenn der Kolben sich in die Richtung des unteren Totpunktes, die tiefste Stellung des Kolbens im Zylinder, bewegt. Dieser Takt wird als Ansaugtakt bezeichnet.
Zweiter Takt: Das Einlassventil schließt in etwa in dem Moment, wo der Kolben den unteren Totpunkt passiert. Dies ist nötig, um das Luft-/Brennstoffgemisch in einem geschlossenen Raum während der Aufwärtsbewegung in die Richtung des oberen Totpunktes, der
höchsten Kolbenstellung im Zylinder, zu verdichten. Das Luft-/Kraftstoffgemisch erwärmt
sich hierbei, im oberen Totpunkt betragen Druck und Temperatur vor der Zündung „etwa
10 bis 16 bar und 350 bis 450 °C“2..Dieser Takt wird als Verdichtungstakt bezeichnet.
Dritter Takt: Befindet sich der Kolben im Bereich des oberen Totpunktes, wird das stark
verdichtete Luft-/Brennstoffgemisch fremd gezündet. Dies geschieht bei einem ViertaktOttomotor üblicherweise mit einer Zündkerze (11), welche im Zylinderkopf angebracht ist.
Durch die kontrollierte Verbrennung entsteht ein starker Druckanstieg auf „etwa 40 bis
70 bar“3 im Zylinderraum, durch die Expansion wird der Kolben dazu gezwungen, sich
1
Vgl. Wagner / Fischer / Frommann 1981, 93
Grohe 1979, 43
3
Grohe 1979, 43
2
2
René Winkelmann
wieder in Richtung des unteren Totpunktes zu bewegen. Es entstehen kurzfristig
Höchsttemperaturen von „etwa 2500 °C“4. Dieser Takt wird als Arbeitstakt bezeichnet.
Vierter Takt: Sobald der Kolben den unteren Totpunkt passiert, öffnet das ebenfalls im Zylinderkopf angebrachte Auslassventil (7), um die durch die Verbrennung entstandenen Gase
durch den Auslasskanal entweichen lassen zu können. Dies erfolgt durch die Aufwärtsbewegung des Kolbens in die Richtung des oberen Totpunktes und einen dadurch
resultierenden Überdruck.5 Die durch die Verbrennung entstandenen Gase werden dabei
ausgestoßen. Befindet sich der Kolben wieder im Bereich des oberen Totpunktes, schließt
das Auslassventil wieder. Dieser Takt wird als Ausstoßtakt bezeichnet. Der Ablauf beginnt
wieder beim Ansaugtakt.
Abbildung 1: Mechanisches Funktionsprinzip des Ottomotors
Das theoretisch ideale Gemisch von Luft und Kraftstoff für eine vollständige Verbrennung
liegt bei einem Massenverhältnis von 14,7 : 1. Das bedeutet, dass bei einer Kraftstoffmasse
von 1 Kilogramm 14,7 Kilogramm Luftmasse benötigt werden. Dies ist die stöchiometrische – also quantitativ reagierende – Verbrennung.6 „Das Verhältnis der [...] Luftmenge zur
4
Grohe 1979, 43
Vgl. Grohe 1979, 43
6
Vgl. Oder / Ortmann / Mallebrein 2002, 17
5
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René Winkelmann
Mindestluftmenge wird über die Luftverhältniszahl λ (Lambda) ausgedrückt.“7 Damit
Abweichungen erfasst werden können, ist der stöchiometrische Wert der Faktor λ = 1.
Bei einer Verbrennung mit Luftmangel (fettes Gemisch) ist λ < 1, bei einer Verbrennung
mit Luftüberschuss (mageres Gemisch) ist λ > 1. Der Ottomotor wird mit verschiedenen
Lambdawerten betrieben, die beste Luftausnutzung wird bei circa λ = 0,9 bis λ = 1,0 erreicht, der beste Wirkungsgrad liegt allerdings bei circa λ = 1,1 bis λ = 1,2.8
7
8
Wagner / Fischer / Frommann 1981, 70
Vgl. Beier / Fränkle / Haahtela 1983, 202
4
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3. Vergaser
Zur kontrollierten und schnellen Verbrennung von Kraftstoff benötigt der Motor Sauerstoff.
Würde der Kraftstoff ausschließlich in flüssiger Form in den Zylinder laufen, könnte der
Kolben diesen nicht verdichten und der Brennstoff wäre für eine kontrollierte und schnelle
Verbrennung auch nicht zündfähig, da der für die Verbrennung unbedingt notwendige
Sauerstoff in der Luft ist nicht vorhanden wäre. Daher muss eine Einrichtung außerhalb des
Zylinders den Kraftstoff mit Luft anreichern, um ein zündfähiges Gemisch zu erhalten. Dies
ist die Aufgabe des Vergasers. Da das Gemisch außerhalb des Verbrennungsraums entsteht,
spricht man auch von einer äußeren Gemischbildung.9
Der Begriff Vergaser ist für die ersten bei Pkw-Motoren verwendeten Vergaser Ende der
1880er und 1890er Jahre zutreffend, für alle späteren Vergaser ist der Begriff Gemischbildner der fachlich korrektere Ausdruck.10 Dennoch werden Gemischbildner immer noch als
Vergaser bezeichnet und auch in dieser Arbeit wird der Begriff Vergaser benutzt.
Der Vergaser ist keine Einspritzanlage, dennoch ist das Funktionsverständnis nützlich, um
die Unterschiede in der Gemischaufbereitung und den Grund, warum Einspritzanlagen
überhaupt eingesetzt und entwickelt wurden, zu erkennen. Zusätzlich kann anhand des
Vergasers das Grundverständnis bezüglich der Gemischaufbereitung im Kontext der
üblichen Betriebszustände eines Pkw-Motors erläutert werden.
Die Historie sowie die Unterschiede zwischen Vergaser und Gemischbildner werden in den
Kapiteln 3.1 sowie 3.2 näher erläutert.
3.1 Historie
Der 1885 von Gottlieb Daimler entwickelte, schnell laufende Benzinmotor verfügte über
einen Oberflächenvergaser. Hier wurde der verdampfende Kraftstoff in einem Behälter, mit
möglichst großer Fläche, von der vom Motor angesaugten Luft aufgenommen und der
Verbrennung zugeführt. Zur Beschleunigung der Dampfbildung wurde der Kraftstoffbehälter mit Abgasen von außen beheizt.11 Eine weitere Erfindung in der Anfangszeit des
Ottomotors ist der Dochtvergaser aus dem Jahr 1884. Hier nimmt ein Docht den Kraftstoff
auf und gibt ihn an die vom Motor angesaugte Luft ab. Eine Weiterentwicklung ist der
Bürstenvergaser: Eine rotierende Bürste streicht dabei in einer Wanne durch den Kraftstoff
und fördert die Dampfbildung. Da diese Vergasertechniken eine sehr ungenaue Gemisch9
Vgl. Urlaub 1987, 143
Vgl. Urlaub 1987, 144
11
Vgl. Grohe 1979, 72
10
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René Winkelmann
bildung erzeugen, zum Teil sehr ausladend aufgebaut sind und mit steigenden Motorleistungen die Gemischmenge nicht mehr ausreichend liefern können, sind sie schließlich vom
Spritzdüsenvergaser abgelöst worden.12 Erfunden wurde dieser von Wilhelm Maybach im
Jahr 1893.13 Diese Vergaseridee entwickelte sich stetig weiter und in den 1910er- und
1920er Jahren erschienen zahlreiche Spritzvergasertypen von diversen Herstellern mit zum
Teil noch heute bekannten Markennamen wie Zenith, Holley, Pallas oder Solex. Durch die
beginnende Großserienfertigung von Fahrzeugen wurden einfachere Bauweisen benötigt,
die Deutschen-Vergaser-Werke (auch unter dem Markennamen Pierburg bekannt) stellten
die Fertigung im Jahre 1928 von Messing und Kupfer auf Zink-Druckguss um.14 Die Vergaser konnten dadurch noch präziser aufgebaut und einfacher in größeren Stückzahlen für den
mittlerweile stark ansteigenden Pkw-Bedarf gefertigt werden. Die Weiterentwicklung der
Vergaser schritt in den 1950er Jahren nochmals stark voran, die Komfort- und Leistungsbedürfnisse der Kunden stiegen, es wurden die ersten Mehrfachvergaseranlagen in der Serienfertigung eingesetzt. Die einfachen Steigstromspritzvergaser wichen den Flach- und Fallstromvergasern, die in Register- oder Stufenbauweise beziehungsweise als Mehrfachvergaser eingesetzt wurden. Der erste Vergaser mit Startautomatik, der Solex PICT, wurde 1959
im VW-Käfer in der Großserie verbaut.15 In den 1970er Jahren wurden zwar immer noch
überwiegend Vergaser bei Pkw-Motoren eingesetzt, allerdings kamen die ersten mechanischen und elektronischen Einspritzanlagen für Pkw-Motoren in den Serieneinsatz und
verdrängten langsam, zuerst in der Pkw-Oberklasse, die mittlerweile sehr komplex gewordenen Vergasersysteme. Einige Länder wie die USA verschärften die Abgasvorschriften
stark – schon im Jahr 1968 mussten die Neufahrzeuge in den USA bestimmte Abgasvorschriften einhalten16 – und schrieben 1974 die Verwendung eines Katalysators bei Neufahrzeugen für den Bundesstaat Kalifornien vor.17 Auch in Deutschland und Europa wurden die
ersten Abgasvorschriften Ende der 1960er und Anfang der 1970er Jahre in die Straßenverkehrszulassungsordnung und die ECE-Richtlinien aufgenommen.18 Dennoch sind Vergaser
bis Ende der 1980er Jahre noch in Klein- und Kompaktwagen aufgrund ihrer
kostengünstigen Herstellungsweise, der einfachen Wartung und der Tatsache, dass sich
strengere als die bereits bestehenden Abgasvorschriften noch nicht in allen Ländern und für
alle Fahrzeugklassen durchgesetzt hatten, verbaut worden. Die Verwendung von Dreiwege12
Vgl. Grohe 1979, 73
14
Vgl. http://www.ruddis-berlin.de/index2.htm, Zugriff 08.08.2008
15
Vgl. http://www.ruddis-berlin.de/index2.htm, Zugriff 08.08.2008
16
Vgl. http://www.zeit.de/1967/43/Kalifornische-Formel-ab-Januar-in-den-USA, Zugriff 10.08.2008
17
Vgl. http://www.zeit.de/1971/24/Platin-macht-den-Auspuff-sauber, Zugriff 10.08.2008
18
Vgl. http://www.zeit.de/1969/32/Kopfschmerzen-Husten-Atemnot?page=3, Zugriff 10.08.2008
13
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katalysatoren, welche auf eine präzise Regelung des Luft-Kraftstoffgemisches angewiesen
sind, setzte sich Mitte der 1980er Jahre auch in der Klein- und Kompaktwagenklasse durch.
Eine letzte Vergaservariante, welche mit einer Lambdaregelung betrieben wurde, war der
Pierburg-Fallstrom-Registervergaser mit Lambdaregelung Typ 2E-E aus dem Jahr 1986. Er
konnte sich gegenüber den Einspritzanlagen nicht behaupten und kann lediglich als Übergangsvariante zu den ersten einfachen und kostengünstigen Einspritzanlagen mit Lambdaregelung, die Einzeleinspritzanlagen, zu Beginn der 1990er Jahre gesehen werden.19
3.2 Technik
Vergaser bzw. Gemischbildner sind im eigentlichen Sinne keine Einspritzanlagen, in Kapitel 3.1 wird von einem Gemischbildner gesprochen. Dennoch sollte der Vergaser in der Geschichte der Einspritzanlagen genannt werden, weil er die gleichen grundlegenden
Aufgaben der Einspritzanlagen für einen Benzinmotor ebenfalls erfüllt: die
Gemischbildung. In diesem Kapitel wird der prinzipielle Aufbau verschiedener
Vergasertypen erläutert. Dies sind der Oberflächenvergaser aus den Zeiten, wo Autos noch
eher motorisierten Kutschen ähnelten, sowie die verschiedenen Bauarten von
Spritzvergasern und Mehrfachvergasern.
3.2.1 Aufbau des Oberflächenvergasers
Der Aufbau des Oberflächenvergasers besteht aus einem Kraftstofftank, einem Ansaugrohr,
welches in den Tank führt, einem Ansaugrohr, das an den Motor angeschlossen ist, sowie
einem Tröpfchenabscheider.
Die durch das an den Motor angeschlossene
Ansaugrohr angesaugte Luft strömt durch
den Kraftstoffbehälter und das Ansaugrohr
zum Motor. Hierbei reichert sich die Luft
mit Kraftstoffdämpfen an. Die Öffnungen
der beiden Ansaugrohre müssen oberhalb
der Kraftstoffflüssigkeit angebracht sein.
Damit nichtverdampfter Kraftstoff nicht in
den Motor gelangt, wird der Gemischstrom
Abbildung 2 Prinzip des Oberflächenvergasers
19
Vgl. http://www.zeit.de/1989/26/Nicht-mehr-unter-die-Haube-zu-bringen, Zugriff 10.08.2008
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am Tröpfchenabscheider umgelenkt.20 Der flüssige Kraftstoff fließt zurück in den
Kraftstoffbehälter. Um den Verdampfungsprozess des Kraftstoffs zu beschleunigen, kann
der Kraftstoffbehälter von außen mit Abgasen beheizt werden.21
Der Oberflächenvergaser war auch in den 1880er Jahren schon ein Provisorium. Es ergeben
sich diverse Probleme mit dem Betrieb in einem Pkw: Das Gemisch für den Start des Motors musste auf einem anderen Weg dem Motor zugeführt werden, da der Unterdruck beim
Startvorgang nicht ausreicht, um die Luft ausreichend mit Dämpfen aus dem Kraftstoffbehälter anzureichern. Ein weiteres Problem ergab sich in der Dosierung des Gemisches: Der
Oberflächenvergaser funktionierte nur in einem Betriebszustand des Motors. Die stark temperaturabhängige Bildung von Kraftstoffdämpfen und die sehr ausladend bauende Konstruktion des Kraftstofftanks konnten die größer werdenden Gemischmengen für wachsende
Motorleistungen schließlich nicht mehr liefern und der Oberflächenvergaser wurde
schließlich durch den Spritzvergaser abgelöst.22
3.2.2 Aufbau des Steigstrom-/Flachstrom-/Fallstromspritzvergasers
Erst durch den Steigstrom-Spritzvergaser konnten die grundsätzlichen Aufgaben der Gemischbildung zum Betrieb eines Benzinmotors so zuverlässig erfüllt werden, dass ein einigermaßen problemloser Betrieb eines Ottomotors möglich war. Die grundlegenden Aufgaben des Vergasers sind „die der Luft zugemischten
Kraftstoffmengen richtig zu dosieren, den Kraftstoff
in der Luft zu zerstäuben und die dem Motor
zugeführte Gemischmenge dem jeweiligen
Leistungsbedarf entsprechend anzupassen.“23 Dieser
grundlegende Aufgabenbereich gilt für alle folgenden
Vergasertypen.
Die prinzipielle Funktion des SteigstromSpritzvergasers gestaltet sich folgendermaßen: Eine
im – als Venturirohr ausgeführten – Ansaugrohr (1)
angebrachte Drosselklappe (5), welche durch den
Abbildung 3: Steigstromvergaser
Fahrer stufenlos geöffnet beziehungsweise geschlossen werden kann, erhöht beziehungsweise
20
Vgl. Grohe 1979, 72
Vgl. Grohe 1979, 73
22
Vgl. Grohe 1979, 73
23
Urlaub 1987, 143
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verringert den Luftdurchsatz im Ansaugrohr durch eine Veränderung ihrer Stellung.24 Das
Venturiprinzip besagt, dass an einer verengten Stelle in einem Rohr ein niedrigerer Druck
entsteht als im Bereich des Rohrs mit dem größeren Querschnitt vor und nach der
Verengung, allerdings ist an der verengten Stelle die Durchflussgeschwindigkeit höher.25 In
Ansaugrichtung ist die Drosselklappe hinter der Verengung angebracht. In dem Bereich der
größten Verengung ist die Kraftstoffdüse (2) mit Öffnung in Richtung des Luftstroms
angebracht, dort wird der Kraftstoff mit dem Luftstrom aufgrund der hohen
Durchflussgeschwindigkeit der Luft mitgerissen und vermischt sich mit dieser. Die
Brennstoffdüse ist über ein Rohr mit der Schwimmerkammer (3) verbunden, der
Schwimmer (4) sorgt hier für ein konstantes Kraftstoffniveau durch das oberhalb des
Schwimmers angebrachte Nadelventil.26 Sinkt der Kraftstoffstand, bewegt sich auch der der
Schwimmer nach unten und öffnet durch das Nadelventil den Zulauf zur
Schwimmerkammer sodass Kraftstoff nachströmen kann.
Der Aufbau des Fallstromvergasers ist ähnlich, die Ansaugluft strömt hier allerdings nach
unten. Die Drosselklappe ist unterhalb der Kraftstoffdüse in Richtung Motor angebracht.
Der Flachstromvergaser ist wie der Fallstromvergaser aufgebaut, nur in liegender Bauweise,
das Saugrohr ist waagerecht ausgeführt. Durchgesetzt hat sich der Fallstromvergaser, weil
bei diesem der Gemischstrom nicht entgegen der Schwerkraft strömen muss und dadurch
die zusätzliche Gefahr, dass größere Kraftstoffteilchen wieder ausgeschieden werden,
vermieden wird.27
Abbildung 4: Fall-, Flach-, Steigstromvergaser
Allerdings reicht auch diese prinzipielle Vergaserausführung nicht für den Betrieb eines
Pkw-Motors in allen Betriebszuständen aus.28 Mit diesem Vergaser würde der Ottomotor
lediglich laufen, und dies auch nur auf einem, nach heutigen Verhältnissen, schlechtem Niveau. Es wäre kein Start ohne zusätzliche Einrichtungen möglich, der Leerlauf des Motors
24
26
27
Vgl. Grohe 1979, 75
28
25
9
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wäre ungleichmäßig und der Motorlauf müsste durch den Fahrer stetig über die Drosselklappe reguliert werden, das heißt, der Fahrer hält das Luft-/Kraftstoffgemisch auf einem
zündfähigen Verhältnis. Eine Beschleunigung der Motordrehzahl wäre kaum möglich.
„Zwar wird durch das Öffnen der Drosselklappe […] der Unterdruck vergrößert und damit
auch mehr Brennstoff aus der Hauptdüse […] ausströmen, dies genügt jedoch nicht“29 für
die Anforderungen an einen Pkw-Motor. Um unterschiedliche Betriebszustände sicher gewährleisten zu können, benötigt der Vergaser zusätzliche Einrichtungen.
Da beim Startvorgang des Motors nur eine kleine Motordrehzahl vorhanden ist und dadurch
der Unterdruck an der geöffneten Drosselklappe sehr niedrig ist und im weiteren Verlauf
des Anlassvorgangs der Kraftstoff an den kalten Wänden niederschlägt und nicht in den
Brennraum gelangt, benötigt der Motor ein sehr fettes Gemisch. Eine weitere oberhalb der
Brennstoffdüse angebrachte Drosselklappe, die sogenannte Starterklappe, bewirkt beim
Start im geschlossenen Zustand einen starken Unterdruck im Ansaugrohr und damit einen
erhöhten Kraftstoffaustritt an der Brennstoffdüse.30
Für einen Leerlaufbetrieb des Ottomotors, ohne regulierende Aktivitäten des Fahrers, benötigt der Vergaser eine Leerlaufdüse. Diese Düse behebt die Problematik des unzureichenden
Unterdrucks im Ansaugrohr durch die annähernd geschlossene Drosselklappe: Es tritt keine
ausreichende Menge Brennstoff aus der Hauptdüse aus. Durch die Leerlaufgemisch-Regulierschraube strömt knapp unterhalb der im Leerlauf geschlossenen Drosselklappe das für
den Leerlauf nötige Luft-/Kraftstoffgemisch aus. Vor dieser Düse gelangt die Ansaugluft
oberhalb der Drosselklappe durch die Leerlaufluftdüse und reichert sich an der
Leerlaufdüse mit Kraftstoff an.31
Da beim Beschleunigen die Drosselklappe schnell geöffnet wird, dadurch aber der Unterdruck im Saugrohr abfällt und damit nicht mehr ausreichend Brennstoff aus der Brennstoffdüse fließt, der Motor aber zur Beschleunigung ein ausreichend fettes Gemisch benötigt,
wird am Vergaser eine Beschleunigungspumpe angebracht. Die Beschleunigungspumpe
besteht in der Regel aus einem Hebelmechanismus, der beim schnellen Betätigen des Gaspedals über ein Gestänge auf eine Membran drückt. Hinter der Membran befindet sich
Kraftstoff, dieser wird durch eine weitere Düse oberhalb der Brennstoffdüse eingespritzt.32
Die Beschleunigungspumpe ist so aufgebaut, dass sie nur beim schnellen Öffnen der
Drosselklappe Kraftstoff zusätzlich einspritzt, nicht aber beim langsamen Öffnen der
29
Wagner / Fischer / Frommann 1981, 102
31
32
30
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Drosselklappe. Dies wird durch zwei unterschiedlich große Kugelventile im
Kraftstoffzulauf gesteuert.
Abbildung 5: Beschleunigungspumpe (links); Leerlaufregulierung (rechts)
Einige Vergaser unterscheiden sich in der Konstruktion in
Details vom oben beschriebenen einfachen Spritzvergaser
mit Drosselklappe. Statt einer Drosselklappe kann zum
Beispiel auch ein Flachschieber verwendet werden. Dieser
findet vor allem bei leistungsstarken Motoren, die über
mehr als einen Vergaser verfügen, Verwendung.33 Eine
exakt gleichmäßige Öffnung des Luftquerschnitts bei
mehreren Vergasern ist damit ohne eine umfangreiche
Konstruktion aus Stangen und Umlenkungen für die
Betätigung von Drosselklappen einfach hintereinander
Abbildung 6: Flachschieber
33
Vgl. Grohe 1979, 75 f.
11
René Winkelmann
montiert möglich.
Der Doppelvergaser besteht aus zwei Einfachvergasern für getrennte Ansaugrohre, die über
eine gemeinsame Schwimmerkammer mit Kraftstoff versorgt werden. Die Drosselklappen
bewegen sich gleichzeitig. Mit dem Doppelvergaser wird „eine größere Füllung durch einen
insgesamt größeren Querschnitt für die Luft sowie eine verbesserte Gemischverteilung“34
erzielt. Eine weitere und oft genutzte Bauform ist der Registervergaser,
auch Stufenvergaser genannt. Hier liegen zwei Vergaser nebeneinander, sie wirken
allerdings nacheinander. Die erste Stufe wird für den Leerlauf und Teillastbetrieb genutzt,
bei Volllast öffnet sich die Drosselklappe der zweiten Stufe über ein Gestänge oder über
eine Unterdruckverstellung. „Durch sie kann eine bessere Kraftstoffzumessung vor allem
bei geringem Luftdurchsatz erfolgen […]. Durch die Entdrosselung bei hohem
Luftdurchsatz wird eine höhere Leistung erzielt.“35
34
35
Beier / Fränkle / Haahtela 1983, 158
12
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4. Indirekte Einspritzung
Die grundlegenden Aufgabenbereiche einer indirekten Einspritzung sind gleich mit denen
des Vergasers. Allerdings liegt der entscheidende Unterschied einer indirekten Einspritzung
im Vergleich zu einem Vergaser in der Entnahme des Kraftstoffs: Das Vergaserprinzip
bedient sich des Unterdrucks der vorbeiströmenden Ansaugluft, die Einspritzung nutzt
einen Überdruck im Kraftstoffsystem, welcher durch elektrisch oder mechanisch
angetriebene Pumpen erzeugt wird. Eine Einspritzung benötigt immer einen Regler.36
Die indirekte Einspritzung nennt sich deshalb indirekt, weil sie vor dem Brennraum das
zündfähige Gemisch im Ansaugrohr bildet.37 Sie wird auch als Saugrohreinspritzung
bezeichnet. In den folgenden Unterkapiteln wird die Historie von indirekten Einspritzanlagen erläutert sowie auf in der Großserie verwendete Einspritzanlagen eingegangen. Beschrieben werden in dieser Arbeit die Produkte der Firma Bosch, zum einen weil dieser
Hersteller Marktführer von Einspritzanlagen war und auch heute noch ist, zum anderen,
weil die Einspritzanlagen vom Prinzip her mit denen anderer Hersteller annähernd gleich
oder sogar identisch sind.
Die indirekte Einspritzung ist gegenwärtig das meistverwendete System bei Pkw-Benzinmotoren, da Vergaser wegen der gesetzlichen Bestimmungen bezüglich der Abgase kaum
noch genutzt werden und direkte Einspritzsysteme bei Benzinern erst seit Ende der 1990er
Jahre wieder vereinzelt bei einigen Herstellern eingesetzt werden. Der Aufbau der indirekten Einspritzsysteme ist im Vergleich zur direkten Einspritzung in der Konstruktion einfacher und kostengünstiger gestaltet, die Abgasemissionen sind im Vergleich zum Vergaser
besser durch eine genauere Regulierung des Gemischs.
Allerdings ist eine Weiterentwicklung der indirekten Einspritzung, vor allem in Bezug auf
Abgaswerte und Verbrauch, nur noch marginal möglich, da die Systeme mittlerweile so
ausgereift sind, dass die Hersteller für weitere Verbrauchsoptimierungen den Wirkungsgrad
der Motorkonstruktion optimieren müssten, Entwicklungs- und spätere Produktionskosten
dafür sind aber deutlich höher.
4.1 Historie
Die Geschichte der indirekten Einspritzung in der Pkw-Herstellung beginnt Ende der
1950er Jahre. Mercedes-Benz verbaute im Jahre 1957 die erste mechanische Saugrohrein36
37
Vgl. Oder / Ortmann / Mallebrein 2002, 4
13
René Winkelmann
spritzung im Modell W189 in Serie, sie stammte von der Firma Bosch. General Motors
forschte an der indirekten Einspritzung, das erste Modell mit der elektronischen Einspritzung elektrojector war der Chrysler 300 aus dem Jahr 1958, die Einspritzung stammte vom
Hersteller Bendix.38
Einige Pkw-Hersteller verbauten mechanische und elektronische Saugrohreinspritzanlagen
während der 1960er und Anfang der 1970er Jahre hauptsächlich in Oberklassemodellen und
Sportwagen neben den normalen Vergasermotoren gegen Aufpreis oder ausschließlich für
spezielle Märkte im Ausland. 1967 wurde die von Bendix entwickelte und von Bosch übernommene D-Jetronic im Volkswagen 1600 TL für den US-Markt eingeführt.39 Eine weitere
mechanische Einspritzanlage ist die Kugelfischer-Schäfer Benzineinspritzung40, die im
BMW 2000tii ab 1969, im Ford Capri RS2600 ab 1970 und in diversen Peugeot Modellen
verbaut wurde.
In den 1970er Jahren wurden vermehrt indirekte Einspritzanlagen eingesetzt, durchsetzen
konnte sich die Firma Robert Bosch mit unterschiedlichen Einspritzsystemen. Nach der
Bosch D-Jetronic folgte die rein mechanische Bosch K-Jetronic 1973 die unter anderem im
Volkswagen Golf 1 GTI eingesetzt wurde. Sie wurde später zur mechanisch-elektrohydraulischen Variante Bosch KE-Jetronic weiterentwickelt, um Abgasemissionen zu senken.41
Weiter erschienen von Bosch die elektrohydraulische L-Jetronic im Jahre 1974 sowie erweiterte Varianten, die LE-Jetronic für den europäischen und LU-Jetronic für den USMarkt. Eine weitere Version der Bosch L-Jetronic war die Bosch LH-Jetronic.42 Ein
weiterer Hersteller von Einspritzanlagen für Pkw in den 1960er und 1970er Jahren ist unter
anderem Lucas aus Großbritannien.
1979 brachte Bosch die erste kombinierte elektronische Zünd- und Einspritzanlage auf den
Markt, die M-Motronic. Der erste Serien-Pkw mit dieser Einspritzanlage war der BMW
732i.43
In den 1980er Jahren wurde eine weitere kostengünstig herzustellende Einspritzanlage entwickelt: die Zentraleinspritzung – Single-Point-Injection. Sie besitzt nur eine Einspritzdüse
für alle Zylinder, im Gegensatz zu den bisher genannten Einspritzungen mit jeweils einer
Einspritzdüse pro Zylinder – Multi-Point-Injection. Diese Einspritzung sollte die Vergaser
nun auch in der Kompakt- und Kleinwagenklasse verdrängen. General Motors entwickelte
38
Vgl. http://www.kfztech.de/kfztechnik/motor/otto/benzingeschichte.htm, Zugriff 11.08.2008
Vgl. http://www.zeit.de/1967/39/VW-mit-Computer, Zugriff 11.08.2008
40
Vgl. Beier / Fränkle / Haahtela 1983, 175 f.
41
42
43
Vgl. http://www.bosch.com/content/language1/html/3074_3184.htm, Zugriff 11.08.2008
39
14
René Winkelmann
eine Zentraleinspritzung mit dem Namen Multec, Bosch brachte die Mono-Jetronic
beziehungsweise Mono-Motronic auf den Markt.
Einige Pkw-Hersteller entwickelten in den 1980er Jahren eigene Einspritzanlagen für ihre
Pkw. So konstruierte Volkswagen zum Beispiel die Digijet- und Digifant Einspritzanlagen,
letztere mit elektronischer Zündung, für einige Pkw-Modelle wie den Typ 2, Polo, Golf
sowie für einige Audi Modelle. Die Eigenentwicklungen basierten im Funktionsprinzip
allerdings oftmals auf den Einspritzanlagen von Bosch, so ähnelt die Digijet Einspritzung
stark der Bosch L-Jetronic, die Digifant Einspritzung der Bosch LH-Motronic.44 Die
Entwicklung der elektronischen Einspritzanlage wurde durch den immer öfter verwendeten,
und in einigen Ländern schon vorgeschriebenen Dreiwegeabgaskatalysator, beschleunigt.
Gegen Ende der 1980er Jahre fanden sich kaum noch Vergasersysteme in neuen Pkw, Anfang der 1990er Jahre setzten sich die kombinierten elektronischen Zünd-/Einspritzanlagen
durch, sie waren zuverlässlich, geeignet für geregelte Dreiwegekatalysatoren, kostengünstig
herzustellen und die Wartung wurde durch die mittlerweile übliche Eigendiagnose der Systeme erheblich vereinfacht. Mitte der 1990er Jahre entwickelte Bosch das EGAS-System,
mit dem das Gaspedal elektrifiziert wird45. Damit können die bisher jeweils für sich allein
agierenden weiteren Systeme im Pkw, wie die Anti-Schlupf-Regelung oder das Elektronische-Stabilitätsprogramm, in das Motor-Management eingreifen, um das Fahrverhalten des
Pkw auch über den Motor beeinflussen zu können. Dies geschah gegen Ende der 1990er
Jahre zunehmend über sogenannte CAN-BUS-Systeme, welche die Steuergeräte
miteinander über ein Bus-Netzwerk verbinden und somit zahlreiche elektrische Leitungen
einsparen können.46
Neben Bosch gibt es noch weitere Hersteller von Saugrohreinspritzanlagen. Gegen Ende
der 1990er Jahre fällt eine Vielzahl von Automobilzulieferern auf, welche mittlerweile
Komponenten für Saugrohreinspritzanlagen für Ottomotoren herstellen. Dennoch basieren
die Saugrohreinspritzanlagen von Siemens, Nippon Denso, AC-Delco oder von MagnetiMarelli fast immer auf der Idee des Bosch Motronic Systems. Als Beispiel für die unterschiedlichsten Kombinationsmöglichkeiten von Herstellern der Komponenten sei hier die
Magneti-Marelli 1AV Einspritzanlage eines 1997er Golf III mit Vierzylinder Ottomotor,
1,6 Liter Hubraum und 55 kW genannt: Die Einspritzdüsen stammen vom Hersteller
Weber; Saugrohrdrucksensor, Lambdasonde und Zündverteiler von Bosch; Zündtrafo und
Drosselklappeneinheit von Siemens-VDO; die Zündkabel von Beru sowie die Zündkerzen
44
Vgl. Volkswagen SSP Nr. 69 1984, 30 f.
Vgl. Mechner / Köhler / Michelt 2003, 22
46
Vgl. Robert Bosch GmbH 2003, 68
45
15
René Winkelmann
vom japanischen Hersteller NGK. Das Motorsteuergerät ist schließlich von MagnetiMarelli, der Aufbau der Saugrohreinspritzanlage ist ein klassisches Bosch Motronic
System. Sämtliche Komponenten der Einspritzanlage – lediglich die Einspritzdüsen sind
etwas anders dimensioniert – werden dann schließlich auch beim 1,4-Liter-Motor mit
44 kW verwendet, hier aber mit einem Bosch Motronic MP9.0 Steuergerät.47
Das weitere Entwicklungspotenzial bezüglich Komfort, Kraftstoffverbrauch und Abgasemissionen ist gegen Ende der 1990er auf einem niedrigen Niveau angelangt. Einige konstruktive Änderungen und Optimierungen, wie die von der Adam Opel AG entwickelte und
ab 2003 serienmäßig in zahlreichen Opel Modellen eingesetzte Twinport-Technologie, bewirken zwar noch einmal Einsparmöglichkeiten beim Verbrauch gegenüber konventionellen Systemen48, können sich aber nicht herstellerübergreifend durchsetzen. Die Entwicklung geht nun in die Richtung der direkten Einspritzung, bei der Betriebsarten des Motors
möglich werden, welche mit der indirekten Einspritzung technisch nicht realisierbar sind.
4.2 Technik
Indirekte Einspritzanlagen werden in unterschiedliche Systemarten eingeteilt. Diese Systemarten unterscheiden sich im Wesentlichen durch „[…] die Art der Dosierung, Art der
Verteilung auf die Zylinder […] [sowie die] Art der Druckerzeugung voneinander.“49
Die Art der Dosierung zielt auf die unterschiedlichen Systeme der Zumessung der Kraftstoffeinspritzmenge. Die Verteilung des Kraftstoffes auf die einzelnen Zylinder ist bei indirekten Einspritzanlagen entweder intermittierend oder kontinuierlich, bei der Art der
Druckerzeugung wird unterschieden, wie der Überdruck im Kraftstoffsystem erzeugt
wird.50
Auf ausgewählte Baureihen der mechanischen, elektronisch und mechanischen sowie der
rein elektronisch betriebenen indirekten Einspritzanlagen wird in dieser Arbeit
eingegangen, um die grundlegende Funktion sowie die wesentlichen Bauteile dieser
indirekten Einspritzanlagen zu erläutern.
Verwendet werden heute nur noch vollständig elektronisch geregelte Einspritzanlagen, in
der Vergangenheit sind allerdings auch mechanische oder mechanisch und elektronisch
gesteuerte Einspritzanlagen bei Pkw-Motoren eingesetzt worden. Der Grund liegt hier in
den Kosten und dem Entwicklungsstand von elektronischen Bauteilen in den 1960er und
47
Vgl. Volkswagen SSP Nr. 168 1995, 2 f.
Vgl. http://media.gm.com/de/opel/de/news/pr_old/pressrelease_1432.htm Zugriff 11.08.2008
49
Wagner, Fischer, Fromman 1981, 103
50
Vgl. Beier / Fränkle / Haahtela 1983, 175 ff.
48
16
René Winkelmann
1970er Jahren. Die Elektronik war damals teilweise weniger zuverlässig als ein mechanisches System, manchmal aber auch schlichtweg zu langsam und unflexibel für die ausschließliche Steuerung einer indirekten Einspritzanlage, weil nur analoge Technik verwendet werden konnte51, und schließlich wurde sie von Endverbrauchern zu damaliger Zeit
auch nicht immer akzeptiert. Erst gegen Ende der 1970er Jahre konnte mit dem Einsatz von
Digitaltechnik mit Mikrocontrollern die erste vollelektronische Steuerung einer
kombinierten Zünd- und Einspritzanlage in Großserie realisiert werden. Sie wurde im Laufe
der Zeit mit zusätzlichen Komponenten zur Verbesserung der Wartung, des Komforts und
des Verbrauchs sowie der Abgasemissionen erweitert.52
4.2.1 Aufbau und Funktion der Bosch K-Jetronic
– mechanische indirekte Einspritzanlage –
„Die K-Jetronic (K für kontinuierlich) der Firma Bosch […] ist eine mechanische Anlage
mit elektrisch angetriebener Kraftstoffpumpe […].“53 Bei dieser indirekten Einspritzanlage
wird vor jedem Zylinder über ein mechanisch gesteuertes Einspritzventil kontinuierlich
Kraftstoff eingespritzt.
Abbildung 7: Bosch K-Jetronic
51
53
52
17
René Winkelmann
Die elektrische Kraftstoffpumpe ist als Rollenzellenpumpe ausgeführt, sie ist mit einem
Überdruck- und Rückschlagventil ausgestattet und fördert bei Motorbetrieb fortwährend
Kraftstoff über die Kraftstoffvorlaufleitung in den Kraftstoffspeicher und Kraftstofffilter
zum Kraftstoffmengenteiler. Der Kraftstoffspeicher hält den von der Kraftstoffpumpe erzeugten Kraftstoffüberdruck von 4,7 bar über einen längeren Zeitraum bei abgestelltem
Motor aufrecht und verhindert die Dampfblasenbildung des durch Motor- und Stauwärme
erhitzten Kraftstoffs für einen leichteren Start eines bereits betriebswarmen Motors.54 Der
Kraftstofffilter verhindert Verschmutzungen im Kraftstoffmengenteiler und in den
Einspritzdüsen durch verunreinigtes Benzin.
Der Kraftstoffmengenteiler ist das wichtigste Instrument der Bosch K-Jetronic. Hier wird
die Menge des einzuspritzenden Kraftstoffs über den Steuerkolben, welcher mit je einem
Schlitz pro Zylinder versehen ist, bestimmt. Der Kolben bewegt sich aufwärts oder abwärts
und bestimmt so die Durchflussmenge des Kraftstoffs. Der Steuerkolben ist abhängig von
der Stellung der Stauscheibe im Lufttrichter des Saugrohrs, dem Luftmengenmesser. Die
Stauscheibe arbeitet nach dem Prinzip der Schwebekörper-Durchflussmessung. Durch die
vom Motor je nach Drosselklappenstellung angesaugte Luftmenge wird die Stauscheibe
angehoben oder abgesenkt und überträgt diese Bewegung über einen Hebel auf den Steuerkolben. Das Gegengewicht der Luftkraft an der Stauscheibe ist der Steuerdruck am Steuerkolben.55 Differenzdruckventile sorgen dafür, dass die Durchflussmenge des Kraftstoffs an
den Differenzdruckventilen lediglich von der Stellung der Steuerschlitze abhängig ist und
halten einen Differenzdruck von 0,1 bar an den Steuerschlitzen. An den Differenzdruckventilen sind die Kraftstoffleitungen zu den Einspritzventilen angeschlossen. Die mechanischen Kraftstoffventile spritzen vom Start an kontinuierlich die im Kraftstoffmengenteiler
dosierte Kraftstoffmenge ein, bei einem Kraftstoffüberdruck von 3,3 bar öffnen sie sich. Ein
Systemdruckregler, welcher als Überströmventil ausgelegt ist, hält den Systemdruck der
Anlage im Betrieb konstant auf 4,7 bar, der vom Motor nicht verbrauchte, aber zum Druckaufbau nötige Kraftstoff läuft über die Rücklaufleitung zurück zum Kraftstofftank.56
Um das Gemisch den Betriebszuständen anzupassen „hat der Lufttrichter […] drei kegelstumpfförmige Ansätze mit verschiedenen Steigungswinkeln. Der untere und der obere, die
am steilsten sind, bewirken bei gleicher Luftmengenänderung ein stärkeres Anheben der
Stauplatte […]. Das Gemisch für Volllast und Leerlauf wird […] fetter“57.
54
Vgl. Grohe 1979, 88
Vgl. Grohe 1979, 91
56
Vgl. Küttner 1984, 313
57
Küttner 1984, 314
55
18
René Winkelmann
Für den Kaltstart nutzt die Bosch K-Jetronic ein zusätzliches Elektrostartventil, welches
über einen Thermozeitschalter gesteuert wird. Unterhalb einer bestimmten Kühlwassertemperatur oder, bei luftgekühlten Motoren, unterhalb einer bestimmten Zylinderkopftemperatur spritzt das Elektrostartventil zusätzlich Kraftstoff in das Saugrohr. Für den Motorwarmlauf wird über einen Warmlaufregler der Systemdruck von gewöhnlich 3,7 bar auf bis zu
0,5 bar abgesenkt. Durch den niedrigeren Systemdruck vermindert sich der Gegendruck des
Steuerkolbens, dadurch kann dieser durch die Stauscheibe leichter betätigt werden, es fließt
mehr Kraftstoff durch die Steuerschlitze.58 Der Warmlaufregler arbeitet mit einer elektrisch
betriebenen Bimetallfeder, wodurch der Regler nach der Warmlaufzeit abgeschaltet wird.
Zusätzlich sorgt ein Zusatzluftschieber für eine erhöhte Motordrehzahl während der Warmlaufphase. Ein im kalten Zustand geöffnetes Ventil versorgt den Motor zusätzlich mit Luft
durch einen Bypass an der geschlossenen Drosselklappe. Diese Luft wird ebenfalls von der
Stauscheibe gemessen. Ein Drehschieber verändert durch einen elektrisch beheizten Bimetallstreifen während der Warmlaufphase seine Position und sperrt dadurch den Bypass.59
4.2.2 Aufbau und Funktion der Bosch L-Jetronic
Die Bosch L-Jetronic ist eine Weiterentwicklung der ebenfalls elektronischen, aber druckgesteuerten Bosch D-Jetronic. Sie spritzt intermittierend in das Saugrohr ein. Die Bosch LJetronic nutzt für die Aufbereitung des Gemisches allerdings statt eines Druckfühlers einen
Luftmengenmesser. Der Luftmengenmesser misst die vorbeiströmende Luftmenge über
eine Stauklappe, welche
mechanisch an ein
Potentiometer
angeschlossen ist und
somit die Bewegung
überträgt. Das
elektronische Steuergerät
besteht unter anderem aus
integrierten Schaltkreisen,
durch Verwendung von
Abbildung 8: Blockschaltbild L-Jetronic
58
59
Vgl. Grohe 1979, 91
Vgl. Grohe 1979, 91
19
René Winkelmann
Hybridbausteinen wurde die Anzahl der elektronischen Bauteile im Vergleich zur Bosch DJetronic gesenkt und gleichzeitig die Zuverlässigkeit verbessert.60 Die Verarbeitung der
jeweiligen Signale wird im Blockschaltbild auf Seite 19 ersichtlich.
Der Kraftstoff wird durch die Vorlaufleitung mit einer elektrisch betriebenen Kraftstoffpumpe durch den Filter über einen Druckregler, welcher den Systemdruck von 2,5 bar im
Verhältnis zum Saugrohrdruck hält, zu den elektromagnetisch gesteuerten Einspritzventilen
gepumpt.61 Überschüssiger Kraftstoff fließt durch den Druckregler über die Rücklaufleitung
wieder in den Kraftstoffbehälter. Die Einspritzventile „öffnen [simultan] in Abhängigkeit
von der Motordrehzahl zweimal je Arbeitstakt und werden vom Unterbrecherkontakt im
Zündverteiler ausgelöst […]“62. Damit die Verdampfungszeiten für den vorgelagerten
Kraftstoff verringert werden, wird pro Arbeitstakt jeweils nur die halbe benötigte
Kraftstoffmenge eingespritzt. Die Öffnungsdauer der Einspritzventile wird durch das
elektronische Steuergerät bestimmt und wird hauptsächlich aus den Signaldaten des Luftmengenmessers und der Motordrehzahl ermittelt.63
Der Luftmengenmesser ist im Saugrohr angebracht und besteht aus einer Stau- und einer
Kompensationsklappe, beide Klappen sind fest miteinander verbunden und drücken gegen
eine weiche Feder. Steigt die angesaugte Luftmenge an, öffnet sich die Stauklappe und die
Kompensationsklappe bewegt sich gegen ein Dämpfungsvolumen, wodurch eine unerwünschte Pulsation der Stauklappe durch Saughübe vermieden wird.64 Durch die Veränderung der Stellung ändert sich das Spannungssignal für das Steuergerät durch das Potentiometer. Zusätzlich ist ein Temperatursensor angebracht, welcher die Temperatur des Luftstromes misst und das Signal an das Steuergerät liefert.
Die Drosselklappe besitzt einen Leerlauf- und Volllastschalter. Die Schalter sind ebenfalls
elektrisch mit dem Steuergerät verbunden und dienen der Volllastanreicherung des Gemisches sowie der Schubabschaltung, bei der kein Kraftstoff im Schubbetrieb eingespritzt
wird.65
Für die Start- und Warmlaufphase des Motors wird zusätzlich zum Thermoschalter im
Kühlwasserkreislauf beziehungsweise Zylinderkopf bei luftgekühlten Motoren ein Temperaturfühler eingesetzt. Der Thermoschalter bewirkt ein zusätzliches Einspritzen von Kraftstoff in das Saugrohr über das Kaltstartventil, der Temperaturfühler übermittelt dem Steuer-
60
Vgl. Grohe 1979, 93
62
63
Vgl. Grohe 1979, 95
64
65
Vgl. Grohe 1979, 95
61
20
René Winkelmann
gerät kontinuierlich die aktuelle Temperatur des Kühlwassers beziehungsweise Zylinderkopfes zur Berechnung der Einspritzmenge von Kraftstoff durch die Einspritzventile. Beim
Kaltstart und während der Warmlaufphase wird die Einspritzzeit verlängert. Für die Luftversorgung im Leerlaufbetrieb befinden sich eine Bypassleitung an der Stauklappe sowie
eine Bypassleitung an der Drosselklappe. Während des Warmlaufbetriebs ist ein von der
Kühlwassertemperatur abhängiger Zusatzluftschieber aktiv, welcher, wie bei der Bosch
K-Jetronic, die Luftmenge durch einen weiteren Bypass an der Drosselklappe erhöht.66
Abbildung 9: Bosch L-Jetronic
Die Bosch L-Jetronic bietet im Vergleich zur Bosch D-Jetronic „[…] eine besser abgestimmte Zumessung der Kraftstoffmenge zur angesaugten Luftmenge […]“67 weil „[…]
eine besondere Gemischanreicherung beim Beschleunigen wie bei der D-Jetronic […] nicht
notwendig [ist], da die Stauklappe im Luftmengenmesser ohne Verzögerung auf jede Änderung der Drosselklappenstellung anspricht.“68
66
Vgl. Grohe 1979, 93
Grohe 1979, 95
68
Grohe 1979, 95
67
21
René Winkelmann
4.2.3 Aufbau und Funktion der Bosch LH-Jetronic
Die Bosch L-Jetronic wurde weiterentwickelt: Mit der Bosch LH-Jetronic konnte die Problematik der Luftvolumenmessung mittels Luftmengenmesser, bei der die Luftmasse nicht
berücksichtigt wird, durch den Einsatz eines Luftmassenmessers behoben werden. Der
Luftmassenmesser wird in zwei Ausführungen verwendet: als Hitzdraht-Luftmassenmesser
oder als Heißfilm-Luftmassenmesser. „Gemessen wird [beim Hitzdraht-Luftmassenmesser]
die in ein Spannungssignal umgewandelte Stromstärke, die zur Einhaltung der Temperatur
– d. h. des ohmschen Widerstandes – eines elektrisch beheizten und durch die vorbeiströmende Luft gekühlten Drahtes erforderlich ist.“69 Der Heißfilm-Luftmassenmesser besteht
aus einer elektrischen Brückenschaltung von drei Widerständen, welche als dünner Film auf
einer Keramikschicht aufgebracht sind. Die Temperatur des Heizwiderstandes wird mit
einer veränderlichen Spannung auf 160 °C über die der Ansaugluft, welche vom Temperaturwiderstand für die Ansaugluft ermittelt wird, gebracht. Durch den Luftmassendurchsatz
wird der Heizwiderstand mehr oder weniger abgekühlt, ein Sensorwiderstand misst dabei
die Spannungswerte, die der Heizwiderstand zum Erhalten der Temperatur von 160 °C benötigt. Diese Regelspannung wird durch eine Elektronik zu einem Signal für das Motorsteuergerät aufbereitet, welches daraus die angesaugte Luftmasse errechnet.70 Die
Drosselklappe besitzt im Gegensatz zu früheren Systemen keine separaten Schalter für die
Erkennung von bestimmten Betriebszuständen, sondern übermittelt die Stellung der Drosselklappe ausschließlich über ein Potentiometer.
Die Ansteuerung der Einspritzventile bei der Bosch LH-Jetronic erfolgt nun nicht mehr
simultan, sondern sequenziell71, jedes Einspritzventil wird vom Steuergerät gesondert angesteuert, alle Ventile haben aber die gleiche Öffnungsdauer.
4.2.4 Aufbau und Funktion der Bosch ME-Motronic
– vollelektronische Einspritz- und Zündanlage mit E-Gas –
Im folgenden Kapitel werden die wesentlichen Bauteile des Bosch Motronic Systems erläutert, am Beispiel des vollelektronischen Einspritzsystems Bosch ME-Motronic werden
am Ende des Kapitels die Zusammenhänge dieser Komponenten deutlich gemacht.
Durch den Fortschritt in der Halbleitertechnik, der fortschreitenden Entwicklung von einzelnen Komponenten der Einspritzanlagen und die immer schärfer werdenden Abgasvor69
Vgl. Fachkunde Kraftfahrzeugtechnik 2004, 261
71
70
22
René Winkelmann
schriften entwickelte Bosch die Motronic. „Sie integrierte die Funktionalität des Einzeleinspritzsystems Jetronic mit einer elektronischen Kennfeldzündung.“72 Dadurch können beide
Systeme besser aufeinander abgestimmt werden und der konstruktive Aufwand verringert
sich.73 Die Bosch Motronic wird aufgegliedert in unterschiedliche Bauteilgruppen: das Motorsteuergerät, die Sollwertgeber, die Sensoren und die Aktoren. Während die Sensoren
physikalische und chemische Größen erfassen und dem Motorsteuergerät diese Werte als
elektrische Signale liefern74, werden diese in Algorithmen im Steuergerät – unter anderem
bestehend aus Funktionsrechner und Programmspeicher – unter Berücksichtigung der Sollwertgeber – unter anderem des elektronischen Gaspedals – in Signalverläufe verarbeitet.
Mit diesen Signalverläufen werden die elektrischen oder elektromagnetischen Ventile, Relais und Stellmotoren, die Aktoren, angesteuert und beeinflussen dadurch gezielt den Motorlauf.75 Ein großer Vorteil der Bosch Motronic ist die variable Bauweise was die gewünschten Komponenten anbelangt. So ist „[…] der Übergang von einem pneumatischen
auf einen elektrischen Stellantrieb ohne Änderung der übergeordneten Steuerungsfunktionen darstellbar.“76 Die Integration von weiteren – nicht für einen Motorbetrieb zwingend
notwendigen – Bauteilen wie eine Abgasrückführung, Nockenwellenverstellung, variable
Saugrohrgeometrie oder ein Sekundärluftsystem ist für Kraftfahrzeughersteller einfach
möglich. So können kostengünstig Motoren für Länder mit weniger starken Emissionsschutzauflagen hergestellt werden, weil das Weglassen von bestimmten Anbauteilen der
Einspritzung kaum konstruktive Veränderungen mit sich bringt. Es ist daneben aber
möglich, auf dem gleichen Motorrumpf auch leistungsstärkere und/oder emissionsärmere
Motoren mit der gleichen Einspritzanlage, aber einer umfangreicheren Anzahl an Sensoren
und Aktoren und dem entsprechend angepassten Motorsteuergerät herzustellen. Das Motorsteuergerät wird dabei lediglich softwaretechnisch geändert, die Hardware des Motorsteuergeräts wird nicht geändert.
Die Grundfunktionen der Motorsteuergeräte sind über definierte Schnittstellen festgelegt.
Dadurch ist es möglich, dass ein Fahrzeughersteller eigene Software für verschiedene Fahrzeugtypen verwendet.77 Aufgrund der hohen Speicherkapazitäten der Flash-Speicher in Motorsteuergeräten ist es mittlerweile möglich, dass sämtliche herstellerspezifische Ausstat-
72
Robert Bosch GmbH 2003, 5
Vgl. Tabellenbuch Kraftfahrzeugtechnik 2004, 237
74
75
76
77
73
23
René Winkelmann
tungsvarianten, wie zum Beispiel eine Tempomatfunktion, bereits im Motorsteuergerät abgelegt sind und über eine Codierung aktiviert oder deaktiviert werden können.
Abbildung 10: Blockschaltbild Bosch ME-Motronic
Die Bosch ME-Motronic benötigt als Hauptsteuergröße einen Sensor zur Erfassung der
Motorlast, dafür verwendet werden können der bereits von der Bosch LH-Jetronic bekannte
Luftmassen- oder Luftmengenmesser, der Saugrohrdrucksensor und / oder das Drosselklappenpotentiometer. Es kann dabei nur ein Sensor, wie zum Beispiel der Luftmassenmesser,
aber auch mehrere Sensoren, wie der Saugrohrdrucksensor in Kombination mit dem Drosselklappenpotentiometer, zur Erfassung der Motorlast genutzt werden.78
Durch die Elektrifizierung des Gaspedals ist die ursprüngliche Betätigung der Drosselklappe über einen Bowdenzug durch Potentiometer am Gaspedal sowie Stellmotoren und
dem bereits vorhandenen Potentiometer an der Drosselklappe ersetzt worden. Die elektrische Steuerung der Stellmotoren zur Betätigung der Drosselklappe erfolgt durch das Motorsteuergerät. Der Grund für den Einsatz des elektronischen Gaspedals ist die Beeinflus-
78
24
René Winkelmann
sung des Motordrehmoments durch das Motorsteuergerät, unabhängig von der tatsächlichen
Gaspedalstellung. Diese Beeinflussung wird benötigt, um Abgasemissionen und Verbrauch
zu optimieren, aber auch um die Funktion von sicherheitsrelevanten Systemen im Pkw zu
unterstützen. Zusätzliche vom Fahrer beeinflusste Sollwertsysteme wie die Geschwindigkeitsregelanlage können so ebenfalls mit geringem Aufwand in die Motorsteuerung eingreifen.79
Die Drosselklappenstellung wird – wie schon von der Bosch LH-Jetronic bekannt – über
ein Drosselklappenpotentiometer dem Steuergerät übermittelt. Durch den an der
Drosselklappeneinheit angebrachten Elektromotor zur Steuerung der Stellung der
Drosselklappe durch das elektronische Gaspedal entfällt ein separater Leerlaufsteller oder
ein Bypass an der Drosselklappe, weil der bereits vorhandene Elektromotor die Stellung der
Drosselklappe für den Leerlaufbetrieb übernehmen kann.80
Die Zündanlage kann als rotierende Hochspannungsverteilung – bestehend aus einem mechanisch angetriebenen Zündverteiler mit Zündtrafo – oder als ruhende Spannungsverteilung – jeweils eine Stabzündspule pro Zündkerze beziehungsweise eine Zweifunkenzündspule, die zwei Zündkerzen von einer gemeinsamen Zündspule versorgt – ausgeführt werden.81 Um einer klopfenden Verbrennung, also einer unkontrollierten Verbrennung durch
Selbstentzündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches im Zylinder,82 entgegenwirken zu können,
wird ein Klopfsensor am Motorblock angebracht. Der Klopfsensor besteht aus einer Piezokeramik, welche durch eine seismische Masse mit Druck beaufschlagt wird. Der Piezokristall erzeugt dabei je nach Stärke des Drucks elektrische Spannungen, die dem Motorsteuergerät zugeführt werden. Diese elektrische Spannung veranlasst das Motorsteuergerät bei
bestimmten Schwellenwerten zu einer Rücknahme des Zündzeitpunktes. Tritt keine klopfende Verbrennung mehr auf, wird der Zündzeitpunkt in kleinen Schritten wieder vorgestellt auf einen gespeicherten Kennfeldwert. Tritt wiederholt eine klopfende Verbrennung
ein, nutzt das Steuergerät einen weiteren gespeicherten Kennfeldwert für niedrigoktanigen
Kraftstoff. So ist es möglich, einen Motor, welcher für den Betrieb mit Super Plus Benzin
98 ROZ ausgelegt ist, mit Super Benzin 95 ROZ zu betreiben.83
Ein zusätzlicher Ansauglufttemperaturfühler im Saugrohr erfasst die die momentane Ansauglufttemperatur kurz vor dem Zylinderkopf. Der zusätzliche Ansauglufttemperaturgeber
im Saugrohr ist notwendig, weil sich die angesaugte Luft durch das Saugrohr, welches sich
79
Vgl. Robert Bosch GmbH 2003, 8 ff.
81
Vgl. Robert Bosch GmbH 2002, 74 f.
82
83
80
25
René Winkelmann
durch abstrahlende Motorwärme erhitzt, zusätzlich erwärmt. Dadurch ist eine genauere Berechnung der Einspritzmenge möglich, weil sich der Kraftstoff je nach Temperatur unterschiedlich mit der angesaugten Luft vermischt.
Der Motordrehzahlfühler, ein Induktivgeber, ermittelt die Motordrehzahl am Kurbelwellenrad. Anhand einer weiteren Bezugsmarke am Kurbelwellenrad wird außerdem der obere
Totpunkt des Zylinders 1 erkannt. Ein weiterer Bezugsmarkengeber befindet sich an der
Nockenwelle, dieser nach dem Hall-Prinzip funktionierende Geber ermittelt zusammen mit
dem Motordrehzahlfühler an der Kurbelwelle die Zündstellung des ersten Zylinders im oberen Totpunkt, um Einspritz- und Zündzeitpunkt dem richtigen Zylinder zuordnen zu
können. Dies ist wichtig für die Zünd- und Einspritzanlage, ohne das Signal der beiden
Fühler ist ein Betrieb des Motors nicht möglich. Besonders wichtig wird das
Zusammenspiel bei Verwendung einer variablen Nockenwellenverstellung durch die sich
ständig ändernden Steuerzeiten des Motors. Aber auch beim Verschleiß der mechanischen
Komponenten des Riemen- oder Kettentriebs der Nockenwellensteuerung und den dadurch
veränderten Steuerzeiten kann in einem begrenzten Rahmen mit einer angepassten Berechnung des Gemischs entgegengewirkt werden.
Zur Verbesserung der Abgasemissionen und für
den Betrieb eines Dreiwegekatalysators ist eine
Lambdasonde notwendig. Der Katalysator wandelt bei λ = 0,995 bis λ = 1,005 – dem Lambdafenster – circa 98 % der Verbindungen NOx, CO
und HC zu CO2, H2O und N2 um.84
Dabei muss der Katalysator eine Temperatur
Abbildung 6: Spannungssprungsonde
zwischen 400 °C und 800 °C aufweisen. Gleiches gilt für die Lambdasonde, sie übermittelt
dem Motorsteuergerät den Unterschied zwischen magerem und fettem Gemisch über ein
Spannungssignal.85
Lambdasonden wurden bis Ende der 1990er Jahre als Zweipunktsonden, auch Spannungssprungsonden genannt, verbaut. Im Lambdafenster steigt und sinkt die Spannung zwischen circa 0,9 Volt und 0,1 Volt je nach Gemischzusammensetzung sprunghaft in Richtung λ < 1 bei fettem Gemisch beziehungsweise in Richtung λ > 1 bei magerem Gemisch.86
84
86
85
26
René Winkelmann
Bei der Bosch Motronic kann über die Ansteuerung der Einspritzventile der Lambdawert
beeinflusst werden. Ist das Gemisch fett, also λ < 1, wird die Einspritzzeit der Einspritzventile durch das Motorsteuergerät verkürzt und der Sauerstoffgehalt im Abgas steigt wieder in
Richtung λ > 1. Da das Gemisch nun mager ist, wird die Einspritzzeit wieder etwas verlängert, indem das Motorsteuergerät die Öffnungszeiten der Einspritzventile verlängert.87 Die
Regelfrequenz bei erhöhter Motorleerlaufdrehzahl – circa 2000 Umdrehungen pro Minute –
liegt in der Regel bei größer als 1 Hertz. Das Spannungssignal muss also zwischen 0,1 Volt
(mageres Gemisch) und 0,9 Volt (fettes Gemisch) mindestens einmal gependelt haben.88
Die Lambdasonde wurde schon vor Erfindung der Bosch M-Motronic als zusätzliche
Komponente bei diversen Einspritzanlagen verwendet, so wurde die rein mechanische
Bosch K-Jetronic durch die Erweiterung mit einer Lambdasonde, einem Motorsteuergerät
und einem elektro-hydraulischen Drucksteller (statt des hydraulischen Systemdruckreglers)
zur teilelektrischen Einspritzanlage Bosch KE-Jetronic, welche durch diesen Regelkreis das
Gemisch anpassen konnte.89
Verwendet werden mittlerweile überwiegend Breitband-Lambdasonden, oftmals auch in
Kombination mit einem weiteren Katalysator, dem Vorkatalysator, im Abgasstrang. Breitbandlambdasonden liefern im Gegensatz zur Spannungssprung-Lambdasonde ein stetiges
Spannungssignal, die Lambdaregelung kann schneller auf eine Änderung des Gemischs
reagieren, das Regelverhalten ist dynamischer.90 Einige Abgasvorschriften verlangen
zusätzlich die Überprüfung der Katalysatorfunktion. Diese wird mit einer zweiten Lambdasonde hinter dem Katalysator realisiert, das Motorsteuergerät vergleicht modellierte Amplituden der vor dem Katalysator angeordneten Lambdasonde mit den Amplituden der
Lambdasonde hinter dem Katalysator. Die Amplituden der Lambdasonde vor dem Katalysator müssen durch das Steuergerät modelliert werden, weil hierbei eine Breitbandlambdasonde mit einem stetigen Spannungsverlauf zum Einsatz kommt. Übersteigen die Amplituden der Lambdasonde nach dem Katalysator die modellierten Amplituden der Lambdasonde vor dem Katalysator91, so schaltet sich die für den Fahrer sichtbare Diagnoselampe an
und es wird ein entsprechender Text im Fehlerspeicher des Motorsteuergeräts hinterlegt.
Eine weitere Möglichkeit, die Schadstoffemissionen zu verringern, ist die Rückführung von
bereits verbrannten Gasen in den Zylinder, die Verbrennungshöchsttemperatur sinkt da-
87
Fachkunde Kraftfahrzeugtechnik 2004, 317
89
Vgl. Volskwagen SSP Nr. 69 1984, 16 ff.
90
91
88
27
René Winkelmann
durch. „Dadurch entstehen bei der Verbrennung deutlich weniger Stickoxide (bis zu
40%).“92
Durch die Ventilüberschneidung von Auslass- und Einlassventil wird eine geringe Menge
von Abgasen ohne zusätzliche Einrichtungen wieder der Verbrennung zugeführt. Bei der
sogenannten äußeren Abgasrückführung wird über einen Bypass der Abgasstrang mit dem
Saugrohr verbunden, der Bypass mündet in Ansaugrichtung hinter der Drosselklappe, er
wird über ein Abgasrückführungsventil geöffnet und verschlossen. Das Öffnen und Schließen steuert das Motorsteuergerät in Abhängigkeit des Betriebszustandes, nicht aktiv ist
diese zusätzliche Abgasrückführung bei Kaltstart, Warmlauf, Leerlauf und Volllast.93 Damit
der Katalysator beim Kaltstart und Warmlauf schneller aufheizt, bläst eine Sekundärluftpumpe Frischluft in den Abgaskrümmer, um das fette Gemisch mit einer exothermen Reaktion nachzuverbrennen. Dabei werden gleichzeitig CO und HC reduziert.94 Ein
Sekundärluftventil „[…] schützt die Sekundärluftpumpe und verhindert […][, dass] heiße
Abgase in die Pumpe einströmen.“95
Eine weitere Auflage im Rahmen des Umweltschutzes und der bestehenden Abgasnormen
ist das geschlossene Kraftstoffsystem, bei dem auch Kraftstoffdämpfe nicht in die freie
Natur gelangen dürfen. Dämpfe aus dem Kraftstoffbehälter werden über einen Zwischenspeicher, dem Aktivkohlefilter, und einem Tankentlüftungsventil kontrolliert dem Ansaugsystem zugeführt. Das Tankentlüftungsventil ist als Magnetventil ausgeführt und wird vom
Motorsteuergerät während des Betriebs angetaktet.96 Belüftet werden der Aktivkohlefilter
und der Kraftstofftank über ein zum Tankentlüftungsventil parallel geschaltetes
Absperrventil. Mit einem Differenzdrucksensor im Kraftstoffbehälter überwacht das
Motorsteuergerät den Innendruck des Kraftstoffbehälters, um Leckagen im
Kraftstoffsystem zu erkennen.
Sämtliche Aktoren, Sensoren und Sollwertgeber werden durch das Eigendiagnosesystem
überwacht. Falls während des Betriebs Geber oder Aktoren ausfallen, ist es dennoch möglich, den Motor eingeschränkt in Betrieb zu halten. Bemerkt das Steuergerät den Ausfall
eines Gebers oder Aktors durch ein unplausibles Signal oder einen Kurzschluss nach Masse
oder Plus, rechnet es im Falle eines defekten Gebers mit voreingestellten Ersatzwerten
weiter oder orientiert sich an Werten anderer Geber, im Falle des Ausfalls eines der
Aktoren wird dieser durch das Motorsteuergerät deaktiviert oder ignoriert. Bis auf die bei92
Vgl. Tabellenbuch Kraftfahrzeugtechnik 2004, 251
94
95
96
93
28
René Winkelmann
den Drehzahlfühler an Kurbelwellenrad und Nockenwelle ist dies bei allen Gebern möglich.
Im Falle eines Ausfalls des Saugrohrdrucksensors kann die Bosch Motronic über die Drosselklappenstellung einen Ersatzwert aus einem vorher einprogrammierten Kennfeld übernehmen. Fällt zum Beispiel ein Temperatursensor aus, nutzt das Steuergerät einen Ersatzwert, welcher den meist genutzten Betriebsbereich ungefähr abdeckt oder es orientiert sich
am Wert des Ansauglufttemperaturgebers. Der Motor läuft in diesen Fällen im sogenannten
Notlauf. In diesem Betriebsbereich verschlechtern sich die Abgaswerte und der Motor kann
schlechte Start- oder Betriebseigenschaften wie Stottern, Leistungsverlust oder unrunder
Motorlauf im Leerlauf aufweisen.97 Fallen mehrere Geber, Aktoren oder Teile aus beiden
Gruppen aus, ist es möglich, dass ein Motorlauf gar nicht erst möglich ist und der Motor
sich folglich nicht starten lässt oder während des Betriebs stoppt. Bei jeder Störung wird ein
entsprechender Fehlertext im Steuergerät gespeichert, je nach Art der Störung als sporadisch auftretender oder als dauerhafter Fehler. Beeinflusst die Störung die Abgaszusammensetzung oder droht dauerhafter Schaden an der Mechanik, leuchtet zusätzlich eine
Kontrollleuchte im Sichtbereich des Fahrers auf. Der Fehlerspeicher kann über eine einheitliche Diagnoseschnittstelle, der sogenannten OBD-Schnittstelle, mit einem Diagnosecomputer gesichtet und gelöscht werden. Weitere Funktionen der On-Board-Diagnose sind
unter anderem eine Stellglieddiagnose, bei der einzelne Aktoren der Einspritzanlage bei
Motorstillstand angesteuert werden, um ihre elektrische Funktion überprüfen zu können.98
Die Codierung, mit der das Motorsteuergerät entsprechend der Ausstattung des Fahrzeugs
konfiguriert werden kann. Einzelne Messwertgruppen, welche Werte von Sensoren der
Einspritzanlage im Klartext anzeigen sowie die Adaptionsmöglichkeit, mit der
Grundeinstellungen von Aktoren vorgenommen werden.
Das Zusammenspiel der Bosch ME-Motronic-Komponenten gestaltet sich in den folgenden
Betriebszuständen wie folgt:
Der Kraftstoff wird über das Vorlaufrohr mittels einer elektrischen Kraftstoffpumpe durch
den Kraftstofffilter gepumpt und sammelt sich in einem Verteilerrohr, an die elektromagnetische Einspritzventile des Saugrohrs angeschlossen sind. Ein vom Saugrohrdruck abhängiger Kraftstoffdruckregler hält einen Druck von 3 bar im Kraftstoffsystem, nicht genutzter Kraftstoff fließt über die Rücklaufleitung wieder zurück in den Kraftstofftank. Die
Entlüftung des Kraftstofftanks mündet in den Aktivkohlebehälter, welcher wiederum über
eine Schlauchleitung an das Tankentlüftungsventil am Saugrohr angeschlossen ist.
97
98
Vgl. Volkswagen SSP Nr. 168 1994, 16 ff.
Vgl. Volkswagen SSP Nr. 196 1998, 30 ff.
29
René Winkelmann
Beim Kaltstart wird aufgrund der geringen Verdampfungsneigung und der starken Kondensationsneigung des Kraftstoffs im Ansaugtrakt das Luft-Kraftstoff-Gemisch über eine Verlängerung der Einspritzzeit angefettet. Um die Länge der Einspritzzeit zu berechnen, nutzt
das Steuergerät hauptsächlich die Werte des Ansaugluft- und Motortemperaturfühlers. Die
Einspritzventile arbeiten zusätzlich während des Startvorgangs sowie in den ersten Sekunden des Warmlaufs auf allen Zylindern simultan. Während der ersten Umdrehungen durch
den Anlasser beim Startvorgang ermittelt das Steuergerät über den Kurbelwellen- und Nockenwellensensor den oberen Totpunkt des ersten Zylinders, um die korrekten Zünd- und
Einspritzzeitpunkte der Zylinder zu bestimmen.99
Befindet sich der Motor im Warmlauf, schaltet das Steuergerät wieder auf die sequenzielle
Einspritzung um. Die Drosselklappe steht während des Warmlaufs etwas weiter offen als
im Leerlauf bei betriebswarmem Motor, dies ist nötig, um die höhere innere Reibung des
kalten Motors zu überwinden und den Katalysator sowie die Lambdasonde mittels der höheren Leerlaufdrehzahl schneller aufzuheizen. Das Motorsteuergerät öffnet das Sekundärluftventil und aktiviert die Sekundärluftpumpe, welche nun zusätzlich Luft in den Abgasstrang pumpt. Durch die Luft heizt sich der Katalysator zusätzlich schneller auf, die hohen
CO- und HC-Werte durch den bei Warmlauf im Bereich λ < 1 laufenden Motor werden
durch eine thermische Nachverbrennung gesenkt. Die Lambdaregelung ist während des
Startvorgangs und Warmlaufs nicht aktiv, die Werte der Lambdasonde werden bis zu einer
bestimmten Motortemperatur ignoriert. Dies ist nötig, weil eine aktive Lambdaregelung
während der Warmlaufphase das nötige fette Gemisch in ein zu mageres Gemisch ändert
und der Motor deshalb schlechte Laufeigenschaften aufweisen würde.100 Außerdem
benötigt die Lambdasonde eine bestimmte Eigentemperatur, um korrekt arbeiten zu können.
Damit diese Temperatur möglichst schnell erreicht ist, wird die Lambdasonde zusätzlich
durch eine elektrische Heizung während des Warmlaufs beheizt.
Haben der Motor sowie die Lambdasonde ihre Betriebstemperatur – je nach Motorauslegung circa 80 °C Kühlwassertemperatur und circa 400 °C Lambdasondentemperatur – erreicht, wird die Lambdaregelung aktiv, die Sekundärluftpumpe abgeschaltet und das Sekundärluftventil geschlossen. Die Einspritzzeiten verkürzen sich insgesamt mit steigender
Motortemperatur, das für die Funktion des Dreiwegekatalysators nötige stöchiometrische
Luft-Kraftstoff-Gemisch λ = 1 wird bei Leerlauf- und Teillastbetrieb durch die Lambdaregelung eingehalten. Die Leerlaufdrehzahl wird durch den Stellmotor der Drosselklappe in
einem vom Steuergerät vordefinierten Bereich gehalten. Betätigt der Fahrer das elektroni99
Vgl. Volkswagen SSP 168 1994, 10
Vgl. Fachkunde Kraftfahrzeugtechnik 2004, 278 ff.
100
30
René Winkelmann
sche Gaspedal, wird im Motorsteuergerät die gewünschte Öffnung der Drosselklappe je
nach Geschwindigkeit der Betätigung, der aktuellen Stellungsposition des Gaspedals sowie
dem aktuellen Betriebszustand des Motors über hinterlegte Kennfelder so veranlasst, dass
das nötige und sinnvolle Drehmoment des Motors unter Berücksichtigung der Abgasemissionen zur Verfügung gestellt wird. Das Tankentlüftungsventil wird nun im Teillastbereich
durch das Motorsteuergerät aktiviert und führt die im Aktivkohlefilter zwischengespeicherten Kraftstoffdämpfe ebenfalls der Verbrennung zu. Während der Erhöhung der Motordrehzahl ändert sich auch der gewünschte Zündzeitpunkt der Zündanlage, je nach Motordrehzahl und Motorlast muss dieser in Richtung früh oder spät wandern. Der Zündzeitpunkt
wird aus den Betriebsdaten und den im Motorsteuergerät hinterlegten Kennfeldern errechnet und entsprechend angepasst.101 Dabei werden die Spannungssignale des Klopfsensors
ebenfalls bei der Berechnung des benötigten Zündzeitpunktes berücksichtigt.
Betätigt der Fahrer das elektronische Gaspedal nun soweit, dass es die maximal mögliche
Position erreicht – Vollgas – wird im Motorsteuergerät die vollständige Öffnung der Drosselklappe veranlasst und das Gemisch durch Verlängerung der Einspritzzeit angefettet. Der
Motor läuft im Volllastbetrieb mit einem fetten Gemisch, um das größtmögliche Drehmoment beziehungsweise die größtmögliche Leistung zu erzielen.102 Durch den Betrieb mit
einem fetten Gemisch wird zudem eine niedrigere Verbrennungstemperatur erzielt, wodurch verhindert wird, dass sich der Motor überhitzt. Durch den Klopfsensor erkennt das
Motorsteuergerät zudem das für den Motor besonders schädliche Volllastklopfen,
gegebenenfalls wird dann der Zündzeitpunkt wieder etwas in Richtung spät geändert.103
Lässt der Fahrer das elektronische Gaspedal komplett oder teilweise wieder los, schaltet das
Steuergerät in den Schiebebetrieb. Die Drosselklappe schließt sich, die Einspritzventile
werden geschlossen, sodass kein Kraftstoff mehr eingespritzt wird. Unterhalb einer bestimmten Drehzahlschwelle – circa 500 bis 700 Umdrehungen pro Minute über der Motorleerlaufdrehzahl – veranlasst das Steuergerät wieder das Einspritzen von Benzin, um ein
Absterben des Motors durch den negativen Schwung zu vermeiden.104
101
Vgl. Fachkunde Kraftfahrzeugtechnik 2004, 278 ff.
103
Vgl. Volkswagen SSP Nr. 168 1994, 12
104
102
31
René Winkelmann
Abbildung 12: Bosch ME-Motronic
Für alle Betriebszustände gilt, dass die Werte sämtlicher Sensoren der Bosch ME-Motronic
bei allen Berechnungen für die Einspritzzeit, Zündzeitpunkt sowie Drosselklappenstellung
mit einberechnet werden, außer die der Lambdasonde vor Erreichen der Betriebstemperatur.
Weitere Antriebskomponenten wie das ebenfalls durch ein Steuergerät geregelte Automatikgetriebe können auf die Werte des elektronischen Gaspedals zugreifen. So ist die Vollgasstellung – der sogenannte Kickdown – durch das Potentiometer vom Automatikgetriebesteuergerät ohne weitere Schalter erkennbar. Sicherheitssysteme können die Drosselklappenstellung über das Motorsteuergerät beeinflussen, das Elektronische-Stabilitäts-Programm, welches ebenfalls über ein Steuergerät verfügt, ist in der Lage, im Falle eines
beginnenden Schleudervorgangs – zusätzlich zum Eingriff in das Bremssystem des Pkw –
das Motordrehmoment über die Drosselklappenstellung zu verringern oder auch zu
erhöhen, um das Fahrzeug wieder in ein stabiles Fahrverhalten zurückzuführen.105
Die Antischlupfregelung, im Anti-Blockier-System oder je nach Fahrzeugausstattung auch
im Elektronischen-Stabilitäts-Programm enthalten, kann das Drehmoment des Motors bei
durchdrehenden Antriebsrädern zurücknehmen, indem es das Motorsteuergerät dazu
veranlasst, die Drosselklappe bei gleichbleibender Gaspedalstellung zu schließen. Während
eines Gangwechsels des Automatikgetriebes wird die Motorsteuerung ebenfalls aus
Komfortgründen beeinflusst. Gewöhnlich wird dabei der Zündzeitpunkt des Motors im
Moment des Gangwechsels kurzzeitig durch das Motorsteuergerät in Richtung spät verstellt
105
32
René Winkelmann
um einen Schaltruck zu vermeiden. Um diese unterschiedlichen Eingriffe in die Motorelektronik mit möglichst wenig elektrischen Leitungen zu ermöglichen, kommunizieren die
Steuergeräte der einzelnen Systeme eines Pkw über einen CAN-BUS.106
106
33
René Winkelmann
5. Direkte Einspritzung
Die direkte Kraftstoffeinspritzung bei Motoren ist fast so alt wie der Vergaser, bei PkwBenzinmotoren hat sie sich bis zum Ende des 19. Jahrhunderts aber nicht durchgesetzt. Die
vermehrte Anwendung der Direkteinspritzung bei Dieselmotoren während der 1990er Jahre
sowie die dadurch fortgeschrittenen Forschungsergebnisse im Bereich der Direkteinspritzung bestärkten einige Pkw-Hersteller und Zulieferer der Automobilindustrie, die Idee, das
Benzin direkt in den Zylinder einzuspritzen, wieder aufzunehmen. Den Vorteilen der
Direkteinspritzung, unter anderem sind dies mehr Leistung sowie geringerer Verbrauch,
steht – im Vergleich zur indirekten Einspritzung – der verhältnismäßig große Aufwand in
der Entwicklung der mechanischen Konstruktion des Motors, dessen elektronischer Steuerung sowie die hohen Kosten für einige der hochbelasteten – aber dennoch filigranen –
Bauteile und Komponenten, entgegen.107 Die Pkw-Hersteller scheinen verhalten gegenüber
der Direkteinspritzung zu agieren, nur wenige Hersteller haben die Benzindirekteinspritzung flächendeckend über alle Fahrzeugklassen eingeführt, obwohl fast jeder Hersteller
mittlerweile schon über direkt einspritzende Dieselmotoren in seinem Pkw-Angebot
verfügt. Nimmt man den Zeitraum, in dem die direkte Dieseleinspritzung in annähernd
jedem Pkw mit Dieselmotor Einzug gehalten hat und überträgt ihn auf die direkte
Benzineinspritzung, so dürfte erst in den 2030er Jahren annähernd jeder Pkw-Benziner über
einen direkt einspritzenden Benzinmotor verfügen. Einige Hersteller – Alfa Romeo zum
Beispiel – entwickeln zwar Benzindirekteinspritzer, dies allerdings „[…] ohne jede
Spritsparambitionen […]“108. Im Laufe der Literatursuche stellte sich auch heraus, dass
kaum ein Hersteller seine direkteinspritzenden Benziner, sofern überhaupt noch im
Angebot, bewirbt.
5.1 Historie
Die Benzindirekteinspritzung wurde schon Anfang des 19. Jahrhunderts bei Motoren eingesetzt. In den 1930er Jahren kam der entscheidende Durchbruch der Benzindirekteinspritzung für die Fliegerei109, der Grund dafür ist denkbar einfach: Aufgrund der stark
schwankenden Schwerkraft, die unterschiedlichen Luftmassen je nach Höhe und das während eines Fluges problematische Verhalten der Gemischbildung mit einem Vergaser bei
Betrieb in einer Position, die nicht der Einbaulage entspricht – im schlechtesten Fall über
107
Vgl. Braess / Seiffert, 2003, 187
http://www.zeit.de/2002/37/200237_ts-fsi2.xml?page=3, Zugriff 01.09.2008
109
108
34
René Winkelmann
Kopf – ist der Vergaser im Flugzeugbau schlecht zu verwenden. Erstmals im Pkw-Bereich
verwendete die Firma Gutbrod 1951 einen direkt einspritzenden Zweizylinder-Zweitaktmotor, die Direkteinspritzung stammte vom Hersteller Bosch.110 Mercedes-Benz verbaute 1954
eine Direkteinspritzung, ebenfalls vom Hersteller Bosch, an einem Viertaktmotor nach erfolgreicher Erprobung im Rennsport im Modell 300 SL.111 In den folgenden drei Jahrzehnten wurde die direkte Benzineinspritzung dann allerdings nicht weiter bei Pkw-Ottomotoren
genutzt. Die Pkw-Hersteller setzten auf die indirekte Saugrohreinspritzung, welche
erheblich einfacher zu warten, deutlich günstiger herzustellen und robuster im alltäglichen
Einsatz war. Erst 1997 brachte der Pkw-Hersteller Mitsubishi mit dem Mittelklassemodell
Carisma GDI wieder einen Benzindirekteinspritzer auf den Markt.112 In den folgenden zehn
Jahren folgten einige Hersteller mit eigenen Bezeichnungen, aber annähernd identischem
Systemaufbau. Dies sind unter anderem: Renault, PSA Peugeot-Citroen, General Motors,
Toyota, Mercedes-Benz und der Volkswagen-Konzern.113
Bei einer Untersuchung der Herstellerseiten im Internet stellte sich heraus, dass Renault
derzeit kein Modell mit Benzindirekteinspritzung anbietet, Peugeot, Citroen, Opel und
Mercedes-Benz jeweils nur einen Motortyp in wenigen Modellen anbieten, BMW und der
VW-Konzern aber in fast alle Modellreihen diverse Motortypen als Benzindirekteinspritzer
einsetzen, neben den klassischen Saugrohreinspritzern.
5.2 Technik
Bei der Benzindirekteinspritzung wird der Kraftstoff mit hohem Druck direkt in den Brennraum eingespritzt und vermischt sich dort mit der Luft statt vor dem Brennraum, wie bei
Saugrohreinspritzungen oder dem Vergaser. Um den hohen Kraftstoffdruck zu
ermöglichen, benötigt die Einspritzanlage eine mechanische Hochdruckpumpe, welche
gewöhnlich von der Nockenwelle angetrieben wird. Der Kraftstoff wird mit einer
elektrischen Kraftstoffpumpe aus dem Tank mit einem Druck von 3 bar bis 5 bar im
Niederdruckkreis zur mechanischen Hochdruckpumpe gefördert und dort auf einen Druck
von 50 bar bis 120 bar für den Hochdruckkreis verdichtet.114 Der Hochdruckkreis besteht
aus dem Rail (Kraftstoffverteilerrohr), an dem die elektromagnetischen HochdruckEinspritzventile sowie das Drucksteuerventil und der Raildrucksensor angebracht sind. Der
Raildrucksensor misst den Kraftstoffdruck im Rail und arbeitet in einem Regelkreis über
110
112
Vgl. http://www.zeit.de/2002/37/200237_ts-fsi2.xml , Zugriff 01.09.2008
113
Vgl. http://www.kfztech.de/kfztechnik/motor/otto/benzin-di.htm, Zugriff 02.09.2008
114
111
35
René Winkelmann
das Motorsteuergerät mit dem Drucksteuerventil.115 „Das Drucksteuerventil stellt den
gewünschten Druck im Rail durch Verändern des Durchflussquerschnitts ein. Der von der
[…][Hochdruckpumpe] überschüssig geförderte Kraftstoff wird in den
Niederdruckkreislauf gefördert.“116
Der Aufbau des Ansaugtraktes bis kurz vor dem Zylinderkopf ist annähernd gleich mit dem
der Saugrohreinspritzanlage. Benzindirekteinspritzungen unterscheiden sich in der Art,
„[…] wie Luft und Kraftstoff im Brennraum zusammengeführt werden“117. Dies sind das
Strahlgeführte Verfahren und zwei Wandgeführte Verfahren.118 Die mechanische Konstruktion des Ansaugbereichs sowie des Brennraums ist bei Benzindirekteinspritzern elementar
wichtig, um die gewünschte Vermischung der Luft mit dem eingespritzten Kraftstoff zu ermöglichen. Dies geschieht hauptsächlich durch Kolben mit eingearbeiteten Mulden119 sowie
speziell geformten Einlasskanälen im Zylinderkopf und einer Saugrohrklappe im Bereich
vor dem Zylinderkopf.120 Die Saugrohrklappe kann so gestellt werden, dass nur ein Teil des
Ansaugkanals vom Luftstrom genutzt wird und dadurch ein bestimmter Luftdrall im Zylinder erfolgt. Aufgrund der teilweise sehr magereren Verbrennung in bestimmten Betriebszuständen des direkteinspritzenden Ottomotors entstehen unerwünschte Stickoxide – NOx –,
deshalb ist ein weiterer Katalysator im Abgasstrang nötig, der NOx-Speicherkatalysator.121
Der NOx-Speicherkatalysator speichert während der Magerbetriebsarten die Stickoxide.
Kann der NOx-Katalysator nicht weiter Stickoxide aufnehmen, muss er regeneriert werden.
Dazu wird kurzzeitig auf Betrieb mit einem fetten Gemisch umgestellt und das Stickoxid
wird durch eine Reaktion ausgespeichert sowie umgewandelt.122
Ein großer Vorteil in Bezug auf den Kraftstoffverbrauch ist die Möglichkeit, mit einer Benzindirekteinspritzung Betriebsarten des Motors zu nutzen, welche mit einer Saugrohreinspritzung nicht möglich sind. Hauptsächlich ist dies die Möglichkeit, eine Schichtladung
aus Luft-Kraftstoff-Gemisch sowie weiterer Luft und Abgasen im Brennraum zu erstellen,
während bei der Saugrohreinspritzung nur der Homogenbetrieb – der Brennraum ist
gleichmäßig mit einem Luft-Kraftstoff-Gemisch λ = 1 oder λ < 1 gefüllt – möglich ist.123
115
117
118
Vgl. Braess / Seiffert, 2003, 188 ff.
119
120
121
122
Vg. Robert Bosch GmbH 2002, 84 f.
123
116
36
René Winkelmann
Obwohl der Fahrer das Gaspedal nicht voll betätigt hat, ist die Drosselklappe im Schichtbetrieb teilweise voll geöffnet und das Drehmoment über die Qualität der Verbrennung geregelt. Diese Betriebsart wird im unteren Motordrehzahlbereich bis circa 3000 Umdrehungen pro Minute verwendet, der Kraftstoff wird kurz vor dem Zündzeitpunkt erst während
des Verdichtungstaktes in den Brennraum gespritzt124, kann sich dabei aber wegen der kurzen Zeitspanne nicht gleichmäßig mit der im Brennraum vorhandenen Luft vermischen.
Durch den herrschenden Luftdrall im
Brennraum aufgrund der Kolbenform, der voll
geöffneten Drosselklappe und der
geschlossenen Stellung der Saugrohrklappe,
wird die eingespritzte Kraftstoffwolke, welche
ein Mischungsverhältnis von circa λ = 1 hat, in
Abbildung 13: Schichtbetrieb
den Bereich der Zündkerze gebracht. Der
Bereich um die Gemischwolke ist sehr mager, durch eine hohe Abgasrückführung wird der
Bildung von NOx entgegengewirkt.125 „Bezogen auf den gesamten Brennraum ergeben sich
Lambdawerte zwischen 1,6 und 3.“126
Steigt die Drehzahl oder das angeforderte Drehmoment, muss der Motor in den Homogenbetrieb wechseln, die Einspritzzeit wird weiter
vor den Zündzeitpunkt in den Ansaugtakt gelegt,
der Kraftstoff vermischt sich besser mit der Luft.
Die Saugrohrklappe ist voll geöffnet, das
Drehmoment wird über die Quantität der
Abbildung 14: Homogenbetrieb
Luftmenge, also durch die Stellung der
Drosselklappe, gesteuert.127 „Die Gemischbildung
und Verbrennung erfolgt demnach wie bei der Saugrohreinspritzung.“128
Zwischen diesen beiden Hauptbetriebsarten kann der Motor mit weiteren Betriebsarten betrieben werden, um den Fahrkomfort, weitere Kraftstoffeinsparungen sowie die Funktion
und den Schutz von mechanischen Bauteilen sicher gewährleisten zu können. Im HomogenMager-Betrieb wird der Motor im Bereich λ > 1 betrieben, um Kraftstoff einzusparen,
dieser Bereich wird allerdings nur für einen Übergang zwischen Schicht- und
Homogenbetrieb genutzt. Im Homogen-Schicht-Betrieb erfolgt eine zweite Einspritzung
124
Vgl. Braess / Seiffert, 2003, 196.
126
Volkswagen SSP Nr. 252 2001, 21
127
128
125
37
René Winkelmann
von Kraftstoff in ein mageres Luft-Kraftstoffgemisch. Dadurch entsteht eine gut
entflammbare Gemischwolke vor der Zündkerze, welche eine vollständige Verbrennung des
Brennrauminhalts verursacht. Genutzt wird diese Betriebsart bei der Umschaltung von
Homogen- auf Schichtbetrieb, um einen sanfteren Drehmomentverlauf zu erhalten.129
Um den Katalysator nach dem Kaltstart schnell aufzuheizen, wird nach dem Start der Motor
mager betrieben, bei der Entzündung des Gemischs im Arbeitstakt aber noch einmal Kraftstoff eingespritzt. Durch die sehr späte Verbrennung heizt sich der Abgasstrang samt Katalysator schneller auf Betriebstemperatur auf.130
Da für einige dieser Betriebsarten die Steuerzeiten der Nockenwelle beeinflusst werden
müssen, um eine höhere innere Abgasrückführung zu ermöglichen, wird eine variable Nockenwellenverstellung genutzt. Die nötige Verstellung wird vom Steuergerät nach Kennfeldern anhand der Motorlast und der Drehzahl errechnet und schließlich hydraulisch durch
ein Ventil vollzogen.131
Der Aufbau der Benzindirekteinspritzung wird anhand der Verfahren der Zusammenführung von Luft und Kraftstoff sowie des Motormanagementsystems Bosch MED-Motronic
in den folgenden drei Unterkapiteln näher erörtert.
5.2.1
Elektronisch gesteuerte direkte Einspritzung – strahlgeführt
Beim strahlgeführten Verfahren der Kraftstoffeinspritzung wird der Kraftstoff „[…] unmittelbar in die Umgebung der Zündkerze eingespritzt […] und verdampft [dort][…]“132. Dieses Verfahren benötigt keine besondere Ladungsbewegung der Luft, der Brennraum ist so
ausgelegt, dass sich der Kraftstoffstrahl möglichst ungehindert an der Zündkerze verteilen
kann. Die Randzone des Kraftstoffstrahls bildet das zündfähige Gemisch, der Bereich außerhalb des Gemischs besteht aus Luft und restlichen Abgasen.133 Dieses Verfahren kann
einen niedrigen Kraftstoffverbrauch bei Teillastbetrieb und eine hohe Effektivität bei Volllast aufweisen. Allerdings ergeben sich in einigen Betriebszuständen Probleme bei der Gemischbildung – es kann zu unvollständigen Verbrennungen führen,134 die dadurch entstehenden zusätzlichen Abgasemissionen sind nicht erwünscht. Ein weiteres technisches
129
Vgl. Braess / Seiffert, 2003, 197
131
132
133
Vgl. Braess / Seiffert 2003, 188
134
Vgl. Braess / Seiffert 2003, 188
130
38
René Winkelmann
Problem ist „[…] die Verkokungsneigung des zentral, das heißt in heißer Umgebung angeordneten Injektors[…]“135.
Abbildung 15: Strahlgeführte Direkteinspritzung
5.2.2
Elektronisch gesteuerte direkte Einspritzung – wandgeführt
Das wandgeführte Verfahren der direkten Einspritzung nutzt die Strömung der in den Zylinder angesaugten Luft. Die Strömung wird dabei beeinflusst durch eine gezielte Gestaltung des Ansaugweges sowie einen an der Brennraumseite speziell geformten Kolben und
Zylinderkopf. Der Kraftstoff verdampft nach dem Einspritzvorgang in der Mulde des Kolbens sowie an der Zylinderwand und wird durch den Luftstrom vermischt und zur Zündkerze verbracht.136 Die Luftströmung wird in zwei unterschiedliche Bewegungsarten eingeteilt: die Swirl-Strömung und die Tumble-Strömung. Bei der Swirl-Strömung gelangt die
angesaugte Luft durch einen „[…] spiralförmig gestalteten Einlasskanal (Drallkanal) in den
Zylinder […] und dreht im Brennraum um eine Hochachse“137. Das Gemisch wird damit
wieder zur Zündkerze befördert. Die Tumble-Strömung ist eine walzenförmige Luftströmung, welche das Gemisch mit einer Umlenkung durch die Kolbenmulde zur Zündkerze
leitet.138
Die Brennverfahren sind bei Pkw-Motoren meist nicht eindeutig zuzuordnen, da in der
Praxis häufig verschiedene Verfahren verknüpft werden139, um Nachteile einzelner Verfahren in bestimmten Betriebszuständen zu vermeiden.
135
Braess / Seiffert 2003, 189
Braess / Seiffert 2003, 189
137
138
139
136
39
Abbildung 167: Swirl-Strömung
5.2.3
René Winkelmann
Abbildung 17: Tumble-Strömung
Elektronisch gesteuerte direkte Einspritzung – Bosch MED-Motronic
Die Bosch ME-Motronic wurde um die für die Benzin-Direkteinspritzung notwendigen
Komponenten erweitert, das Steuerkonzept im Motorsteuergerät musste aufgrund der neuen
Betriebsarten – unter anderem der Schichtbetrieb – und die neuen Komponenten im
Kraftstoffsystem, der Ansaug- und der Abgasanlage geändert werden.140 Die nun Bosch
MED-Motronic genannte Einspritzanlage nutzt die bereits von der Bosch ME-Motronic
bekannten Aktoren und Sensoren – unter anderem das elektronische Gaspedal, den
Luftmassensensor und die elektronische Drosselklappe – zur Erfassung des gewünschten
Drehmoments, der Motorlast und der Betriebsbedingungen sowie zur Beeinflussung der
Einspritzanlage. Wegen der nun aufwendigeren Regelung des Kraftstoffsystems für die
unterschiedlichen Betriebsarten sowie der Abgasnachbehandlung erfasst das
Motorsteuergerät aber auch noch die Signale von weiteren Sensoren: die des vor dem NOx Speicherkatalysator angebrachten NOx-Sensors, des Abgastemperatursensors, des Sensors
für die Saugrohr-Klappenstellung, des Hochdrucksensors am Rail und die des Gebers für
die Saugrohrklappenstellung am Ansaugrohr. Als weitere Aktoren kommen das
Drucksteuerventil am Rail für die Steuerung des Kraftstoffdrucks sowie das Ventil für die
Saugrohr-Klappe hinzu.141 Die Einspritzventile sind zwar ebenfalls elektromagnetisch wie
bei der Saugrohreinspritzung, werden aber wesentlich stärkeren Belastungen durch das
Kraftstoffsystem und der Position im Brennraum ausgesetzt. Durch die teilweise wesentlich
kürzeren Einspritzzeiten „[…] werden die Magnetwicklungen über
Hochleistungskondensatoren mit bis zu 90 V angesteuert“142. Für die Zündung werden leis140
Vgl. Fachkunde Kraftfahrzeugtechnik 2004, 283 f.
142
141
40
René Winkelmann
tungsfähigere Zündspulen verwendet, um eine sichere Zündung des Luft-Kraftstoffgemischs gewährleisten zu können.143
Die Gaspedalstellung, die Motorlast sowie sonstige Betriebsbedingungen wie die Kühlwassertemperatur veranlassen das Motorsteuergerät dazu, bestimmte Betriebsarten mit den entsprechenden Brennverfahren zu wählen. Dazu werden die für die Benzindirekteinspritzung
zusätzlich notwendigen Aktoren entsprechend angesteuert. Bei Homogenbetrieb wird zum
Beispiel die Saugrohrklappe vom Motorsteuergerät so angesteuert, dass sie den gesamten
Querschnitt des Saugrohrs freigibt, im Schichtbetrieb öffnet die Drosselklappe komplett,
trotz eines nicht vollständig betätigten Gaspedals, um Drosselverluste zu vermeiden.144 Die
Signale der Abgastemperatursonde sind für bestimmte Betriebsarten nötig, weil der NOxSpeicherkatalysator nur in einem bestimmten Temperaturbereich wirksam ist. Der NOxSensor ist als Lambdasonde ausgeführt, bei entsprechendem Signal wird der Regenerierungsprozess durch Wählen des Betriebsmodus Homogen-Fett durch das Motorsteuergerät
veranlasst.145 Die für eine Lambdaregelung nötige Erfassung der Lambdawerte im Abgas
muss über eine Breitbandlambdasonde erfolgen, da eine Spannungssprungsonde nicht zur
genauen Erfassung der Lambdawerte in sehr mageren oder sehr fetten Betriebsarten geeignet ist.
Die weiteren Funktionen, wie Abgasrückführung, Nockenwellenverstellung und das Tanksystem mit Be- und Entlüftung, entsprechen mechanisch und elektrisch denen der Bosch
ME-Motronic, die Berücksichtigung dieser Aktoren und Sensoren ist aber für die BenzinDirekteinspritzung im Motorsteuergerät entsprechend angepasst. Das Diagnosesystem, die
Wegfahrsperre und das CAN-BUS-System greifen nicht direkt in die Gemischbildung ein
und konnten deshalb ebenfalls von der Bosch ME-Motronic übernommen werden.
143
Vgl. Vgl. Volkswagen SSP Nr. 252 2001, 22
145
144
41
René Winkelmann
Abbildung 18: Bosch MED-Motronic
42
René Winkelmann
6. Fazit
Die Komplexität der Einspritzanlagen ist in den letzten 20 Jahren stark gestiegen, die gesetzlichen Anforderungen bezüglich der Abgasemissionen an die Automobilhersteller ebenfalls. Erfreulich ist dabei, dass der Verbrauch pro Kilowatt gesunken ist. Dennoch, der
Verbrauch ist insgesamt nur wenig gesunken im Vergleich zu den 1970er und 1980er Jahren – aufgrund des steigenden Gewichts der Fahrzeuge.
Die Entwicklung von immer sparsameren Motoren durch effektivere Einspritzanlagen
scheint abzuflachen, durch die Direkteinspritzung ist die Effektivität eines Benzinmotors
zwar gestiegen, aber die weiteren Möglichkeiten, einen Motor sparsamer zu machen, führen
nun an die Grenzen der mechanischen Machbarkeit. Daher muss nicht mehr nur der Motor
alleine, sondern das gesamte Umfeld des Motors in und mit dem er betrieben wird – unter
anderem sind dies also Fahrer, Karosserie und Kraftstoff – zu anderen Denkweisen geführt,
optimiert oder auch gänzlich geändert werden. Die Hersteller gehen mit unterschiedlichen
Herangehensweisen an dieses Ziel: Die Übersetzung des letzten Ganges im Getriebe wird
verlängert, die Drehzahl sinkt, und damit auch der Verbrauch. Der Motor wird einfach
abgeschaltet, wenn er nicht gebraucht wird, zum Beispiel an der Ampel. Beides sind im
Übrigen Methoden, die schon in den 1980er Jahren eingesetzt wurden, aber da akzeptierten
die Kunden aufgrund eines nicht so stark ausgeprägten Umweltbewusstseins und wohl
hauptsächlich wegen der wesentlich niedrigeren Kraftstoffkosten diese Techniken nicht.
Veränderungen und Weiterentwicklungen an Einspritzanlagen aufgrund von Gesetzen, die
den Umweltschutz fördern sollen, wurden bisher nur von Herstellern aufgrund der
Gesetzeslage, aber nicht aufgrund von Forderungen von Endverbrauchern durchgeführt.
Aufgrund der eher fraglichen Zukunft von fossilen Brennstoffen gehen die Entwicklungen
vieler Automobilhersteller in Richtung Teilhybrid- oder Vollhybrid-Pkw, bei diesen besteht
der Antrieb aus Verbrennungsmotor und Elektromotor. Doch auch die elektrische Energie
für den Betrieb eines Elektromotors muss vorhanden sein.
Einen erheblicher Beitrag zur Einsparung von Kraftstoff und die Senkung von Emissionen
kann der Fahrer auch selbst leisten. Die Einleitung dieser Bachelorarbeit beginnt mit dem
Satz:
Die einzige direkte Schnittstelle zwischen dem Fahrer und dem Motor eines Pkw ist seit
Jahrzehnten das Gaspedal ...
Diese einfache Aussage ist nur noch teilweise richtig, denn zwischen Fahrer und Motor
steht in allen neuen Pkw, welche die Abgasemission Euro 4 erfüllen – und das müssen sie
43
René Winkelmann
in Europa seit spätestens Oktober 2006 –, ein Motormanagement. Kein Befehl vom Fuß des
Fahrers wird direkt in eine Bewegung umgesetzt. Erst auf Veranlassung des Motorsteuergeräts, dem digitalen Leistungs- und Umweltmanagement des Autos, wird der Befehl
durch Stellmotoren entsprechend mehr oder weniger umgesetzt.
Der Fahrer hat durch diese Weiterentwicklungen keine Nachteile, die Umwelt wird dadurch
aber automatisch ein Stück geschont, und dies, obwohl die Leistung und der Komfort gestiegen sind! Dennoch hat der Fahrer immer noch den meisten Einfluss auf den Verbrauch:
Je weniger er das Gaspedal betätigt, desto weniger verbraucht der Motor Kraftstoff. Diese
Tatsache war auch zu Vergaserzeiten nicht anders.
44
René Winkelmann
Literatur
(a) Bücher / Monografien
Beier, Ralph / Fränkle, Gerhard / Haahtela, Otso und andere (1983): Verdrängermaschinen,
Teil II, Köln: Technischer Verlag Resch, Verlag TÜV Rheinland GmbH
Braess, Hans-Hermann / Seiffert, Ulrich (2003): Handbuch Kraftfahrzeugtechnik, 3.
Auflage, Wiesbaden: Friedr. Vieweg & Sohn Verlag
Fischer, Richard / Gscheidle, Rolf / Heidler, Uwe und andere (2004): Fachkunde
Kraftfahrzeugtechnik, 28. Auflage, Haan-Gruiten: Verlag Europa-Lehrmittel
Grohe, Heinz (1979): Otto- und Dieselmotoren, 4. überarbeitete und erweiterte Auflage
Würzburg: Vogel Verlag
Küttner, Karl-Heinz (1984): Kolbenmaschinen, 5. Auflage, Stuttgart: B.G. Teubner
Mechner, Bernhard / Köhler, Christian / Michelt, Ulrich (2003): Ottomotor-Management:
Motronic-Systeme, 1. Ausgabe, Plochingen: Robert Bosch GmbH
Oder, Michael / Ortmann, Rainer / Mallebrein, Georg (2002): Ottomotor-Management:
Grundlagen und Komponenten, 2. Ausgabe, Stuttgart: Robert Bosch GmbH
Urlaub, Alfred (1987): Verbrennungsmotoren, Band 1, Berlin/Heidelberg/New York:
Springer-Verlag
Wagner, H.Th. / Fischer, K.J / v.Frommann, J.D. (1981): Strömungs- und
Kolbenmaschinen, Braunschweig / Wiesbaden: Friedr. Vieweg & Sohn
(b) Herausgeberschriften
(c) Periodika
(d) Quellen im Internet
Private Internet Seite: Vergaserchronik, verwendete Daten wurden anhand weiterer
Quellen verifiziert
http://www.ruddis-berlin.de/index2.htm, Zugriff 08.08.2008
Adam Opel AG: Pressemeldung Twinport Technologie
http://media.gm.com/de/opel/de/news/pr_old/pressrelease_1432.htm, Zugriff
11.08.2008
Robert Bosch GmbH: Geschichte Bosch MoTronic
http://www.bosch.com/content/language1/html/3074_3184.htm, Zugriff 11.08.2008
45
René Winkelmann
DIE ZEIT: Diverse Zeitungsartikel der Wochenzeitung aus dem Onlinearchiv
Zugriff 10.08.2008:
http://www.zeit.de/1971/24/Platin-macht-den-Auspuff-sauber
http://www.zeit.de/1967/43/Kalifornische-Formel-ab-Januar-in-den-USA
http://www.zeit.de/1989/26/Nicht-mehr-unter-die-Haube-zu-bringen
http://www.zeit.de/1969/32/Kopfschmerzen-Husten-Atemnot?page=2
http://www.zeit.de/1969/32/Kopfschmerzen-Husten-Atemnot?page=3
http://www.zeit.de/1967/39/VW-mit-Computer
Zugriff 01.09.2008
http://www.zeit.de/2002/37/200237_ts-fsi2.xml
kfz-tech.de: Geschichte Einspritzanlagen, verwendete Daten wurden anhand weiterer
Quellen verifiziert
http://www.kfztech.de/kfztechnik/motor/otto/benzingeschichte.htm, Zugriff
11.08.2008
http://www.kfztech.de/kfztechnik/motor/otto/benzin-di.htm, Zugriff 02.09.2008
(e) Sonstiges
Volkswagen Selbststudienprogramme: Die Volkswagen Selbststudienprogramme
(Abkürzung SSP) werden seit Jahrzehnten zur Aus- und Weiterbildung von Angestellten in
Volkswagen Betrieben bei technischen Neuerungen genutzt.
Volkswagen AG (1984): Selbststudienprogramm 69, Schadstoffarme Motoren, Wolfsburg:
Volkswagen AG
Volkswagen AG (1995): Selbststudienprogramm 168, Bosch Motronic MP 9.0, Magneti
Marelli 1AV, Konstruktion und Funktion, Wolfsburg: Volkswagen AG
Volkswagen AG (1998): Selbststudienprogramm 196, Der 1,4-16V-55kW-Motor mit
Rollenschlepphebel, Konstruktion und Funktion, Wolfsburg: Volkswagen AG
Volkswagen AG (1999): Selbststudienprogramm 210, Elektrische Gasbetätigung,
Konstruktion und Funktion, Wolfsburg: Volkswagen AG
Volkswagen AG (2001): Selbststudienprogramm 252, Der 1,4 l-77 kW Motor mit BenzinDirekteinspritzung im Lupo FSI, Konstruktion und Funktion, Wolfsburg:
Volkswagen AG
46
René Winkelmann
Abbildungsverzeichnis
Abbildung 1:
Mechanisches Funktionsprizip des Ottomotors (Wagner / Fischer
/ Frommann 1981, S. 94)
3
Abbildung 2:
Prinzip des Oberflächenvergasers (Grohe 1979, 73)
7
Abbildung 3:
Steigstromvergaser (Wagner / Fischer / Frommann 1981, 79)
8
Abbildung 4:
Fall-, Flach-, Steigstromvergaser (Grohe 1979, 75)
9
Abbildung 5:
Beschleunigungspumpe (links); Leerlaufregulierung (rechts)
(Wagner / Fischer / Frommann 1981, 102)
11
Abbildung 6:
Flachschieber (Grohe 1979, 75)
11
Abbildung 7:
Bosch K-Jetronic (Grohe 1979, 89)
17
Abbildung 8:
Blockschaltbild L-Jetronic (Beier / Fränkle / Haahtela 1983,
238)
19
Abbildung 9:
Bosch L-Jetronic (Grohe 1979, S. 94)
21
Abbildung 10:
Blockschaltbild ME-Motronic (Fachkunde Kraftfahrzeugtechnik
2004, 278)
Abbildung 11:
Spannungssprungsonde ( Fachkunde Kraftfahrzeugtechnik 2004,
316)
Abbildung 12:
24
26
Bosch ME-Motronic (Tabellenbuch Kraftfahrzeugtechnik 2003,
244)
32
Abbildung 13:
Schichtbetrieb (Fachkunde Kraftfahrzeugtechnik 2004, 281)
37
Abbildung 14:
Homogenbetrieb (Fachkunde Kraftfahrzeugtechnik 2004, 281)
37
Abbildung 15:
Strahlgeführte Direkteinspritzung (Robert Bosch GmbH 2002, 66)
39
Abbildung 16:
Swirl-Strömung (Robert Bosch GmbH 2002, 66)
40
Abbildung 17:
Tumble-Strömung (Robert Bosch GmbH 2002, 66)
40
Abbildung 18:
MED-Motronic (Fachkunde Kraftfahrzeugtechnik 2004, 280)
42
47

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