Bei der Entwicklung von Motoren für den Pkw-Bereich

Bei der Entwicklung von Motoren für den Pkw-Bereich konnten in der Vergangenheit
zwei Tendenzen beobachtet werden. Zum einen stieg die Leistung der Motoren immer
weiter an, zum anderen wurde der Schadstoffausstoß – bedingt durch die Forderungen
der Abgasgesetzgebung – immer geringer. Beide Entwicklungsziele konnten nur durch
einen immensen Steuerungsaufwand für das System „Motor“ erreicht werden.
Es reicht deshalb nicht mehr aus, wie früher nur die Komponenten für Einspritzung
und Zündung anzusteuern. Ottomotoren, die dem derzeitigen Stand der Technik
entsprechen, sind mit einer Vielzahl von Zusatzsystemen wie z. B. Abgasrückführung
oder Kraftstoffverdunstungs-Rückhaltesystem ausgerüstet. In Zukunft werden sich
noch weitere Systeme – wie z. B. die variable Ventilsteuerung – die derzeit aus Kostengründen noch nicht verbreitet sind, vermehrt durchsetzen. Die Komponenten all dieser
Systeme müssen so angesteuert werden, dass der Motor seinem Betriebspunkt entsprechend optimal arbeitet. Besonders hohe Anforderungen stellen hierbei Motoren
mit Benzin-Direkteinspritzung.
Für die Steuerung und Regelung des Ottomotors sind deshalb komplexe elektronische Systeme unabdingbar. Mit dem rasanten Fortschritt in der Halbleitertechnik
wurden die Steuergeräte immer leistungsfähiger, sodass das komplette Motormanagement des Ottomotors – bei Bosch als Motronic bezeichnet – von nur einem
Steuergerät übernommen werden konnte; die früher noch separat aufgebauten
Steuerungs- und Regelsysteme für Benzineinspritzung und Zündung wurden nach
und nach von Motronic-Systemen abgelöst.
In diesem Heft aus der Reihe „Fachwissen Kfz-Technik“ von Bosch erfahren Sie,
wie die verschiedenen Motronic-Systeme aufgebaut sind und wie sie arbeiten.
Der Schwerpunkt liegt dabei auf der elektronischen Steuerung und Regelung. Die
Komponenten dieser Systeme sind in einem weiteren Heft dieser Reihe mit dem
Titel „Ottomotor-Management: Grundlagen und Komponenten“ detailliert
beschrieben.
Elektronische Steuerung und Regelung
Übersicht
Elektronische Steuerung und Regelung
Die Aufgabe des elektronischen Motorsteuergeräts besteht darin, alle Aktoren des
Motor-Managementsystems – der Motronic
– so anzusteuern, dass sich ein bestmöglicher Motorbetrieb bezüglich Kraftstoffverbrauch, Leistung, Abgasemission und
Fahrkomfort ergibt. Um das zu erreichen,
müssen viele Betriebsparameter z. B. mit
Sensoren erfasst und in Algorithmen – das
sind nach einem bestimmten Schema ablaufende Rechenvorgänge – verarbeitet werden.
Als Ergebnis ergeben sich Signalverläufe,
mit denen die Aktoren angesteuert werden.
Übersicht
Die Zentrale des Motorsteuergeräts ist ein
kleiner Mikrocomputer (Funktionsrechner)
mit dem Programmspeicher (EPROM), in
dem alle Algorithmen für die Ablaufsteuerung gespeichert sind (Bild 1). Die Eingangsgrößen, die z. B. aus den Informationen von Sollwertgebern und Sensoren abge1
leitet werden, beeinflussen die Berechnungen in den Algorithmen und damit die Ansteuersignale für die Aktoren. Die Aktoren
wandeln die elektrischen Signale in mechanische Größen um (z. B. Variation des
Durchflussquerschnitts von Ventilen).
Das Motorsteuergerät ermöglicht über
den CAN-Bus (Controller Area Network)
auch einen Datenaustausch mit anderen
elektronischen Systemen, wie z. B. dem ESP
(Elektronisches Stabilitäts-Programm). Damit kann die Motorsteuerung in das Fahrzeug-Gesamtsystem integriert werden.
Systeme mit elektronischer Motorleistungssteuerung (EGAS) stellen hohe Anforderungen bezüglich der Betriebssicherheit,
da der mechanische Durchgriff auf den
das Drehmoment bestimmenden Steller
(Drosselklappe) nicht mehr vorhanden ist.
Ein Überwachungsmodul überwacht den
Funktionsrechner und leitet im Fehlerfall
Ersatzmaßnahmen ein.
Komponenten für die elektronische Steuerung und Regelung eines ME-Motronic-Systems
Sensoren und Sollwertgeber
Steuergerät
Aktoren
Fahrpedalstellung
Drosselklappenstellung (EGAS)
Luftmasse
Batteriespannung
Zündspulen mit
Zündkerzen
ADC
Funktionsrechner
Einspritzventile
Ansauglufttemperatur
Motortemperatur
Klopfintensität
1
Lambda-Sonde
2
Kurbelwellendrehzahl und OT
Nockenwellenstellung
Getriebestufe
Fahrzeuggeschwindigkeit
CAN
Diagnose
EGAS-Steller
Hauptrelais
RAM
FlashEPROM
EEPROM
Motordrehzahlmesser
Kraftstoffpumpenrelais
1 Heizung Lambda-Sonde
2
Nockenwellen-Steuerung
Tankentlüftung
Überwachungsmodul
Saugrohr-Umschaltung
Sekundärluft
Abgasrückführung
æ UMK1678-1D
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Elektronische Steuerung und Regelung
Systemstruktur
Die Systemstruktur beschreibt funktionale
und statische Aspekte der Motronic-Software-Architektur. Die Software der Motronic gliedert sich in 13 Subsysteme (z. B. Luftsystem, Kraftstoffsystem), die wiederum in
insgesamt 50 Hauptfunktionen (z. B. Ladedruckregelung, Lambda-Regelung) unterteilt sind (Bild 2).
Funktionaler Kern der Motronic-Software
ist die Momentenstruktur (Subsysteme
„Torque Demand“ und „Torque Structure“),
Diese kamen erst mit Einführung des EGAS
(Elektronisches Gaspedal) in der ME7
hinzu. Die Füllungssteuerung durch die
elektrisch verstellbare Drosselklappe ermöglicht das Einstellen der vom Fahrer über
das Fahrpedal vorgegebenen Drehmomentanforderung (Fahrerwunsch). Gleichzeitig
können alle zusätzlichen Drehmomentanforderungen, die sich aus dem Fahrbetrieb ergeben (z. B. beim Zuschalten des
Klimakompressors), in der Drehmomentstruktur koordiniert werden.
Bei den früheren M-Motronic-Systemen
werden die Drehmomentanforderungen alle
einzeln in den Funktionen durch Zündwinkeleingriffe (Verstellung in Richtung „Früh“
oder „Spät“), Ansteuerung des Leerlaufstellers (Zusatzluft über den Bypass) oder Eingriffe in die Gemischbildung (Korrektur der
Einspritzzeit) umgesetzt. Die neuen Generationen der M-Motronic verwenden ebenfalls
die Momentenstruktur zur Koordination
des einzustellenden Drehmoments.
Systemstruktur der Motronic
System Subsystem
TS
System
Control
Torque Structure
SYC
TCA
AEC
Exhaust System
ABB
SGD
TD
ADC
Torque
Demand
TMO
Air System
FPC
TDS
FSS
TDD
FFC
TDC
TCD
FIT
TCC
TDI
IS
TDA
EDM
AVC
AS
ABC
FS
Fuel System
FEL
Operating Data
IKC
SD
CO
AC
DS
MO
Accessory Control
Diagnostic
System
Monitoring System
DocumenMOF
tation
COV
ACT ACA ACF
COU
ACE ACS
DSM
Kurbelwelle
OD
Communication
COS
ECT
EAF
FMA
IGC
Ignition System
ETM
ENM
ETF
AIC
ATC
Main Function
ES
MOC
SDE
MOM
SDL
OEP
OTM
OMI
OBV
Anbindung an
Motor/ Fahrzeug
Datentransfer
Hauptfunktion ohne
Hardwarekomponente
Hauptfunktion mit
Hardwarekomponente
æ SMK1904D
SC
Ottomotor
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Übersicht
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