Sensoren & Aktoren. Erstellt durch: Martin Vollmer (KFZ05V)

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1 Sensoren & Aktoren Erstellt durch: Martin Vollmer (KFZ05V)

2 Sensoren: Grundlagen Unterscheidung Intregrationsstufen Übersicht Induktivsensor Hallsensor Temperatursensor Potentiometer Piezodrucksensor Beschleunigungssensor Drehmomentsensor Heißfilm-Luftmassenmesser Seitenwandtorsionssensor Lambda-Sonde Übersicht Aktoren: Grundlagen Magnetventil Elektromotor Schrittmotor Zündspule Grundlagen: Halleffekt Piezoeffekt

3 Sensoren Definition Der Begriff Sensor ist gleichbedeutend mit den Begriffen (Mess-) Fühler und (Messwert-) Aufnehmer Grundlagen Sensoren sind die Sinnesorgane des Kraftfahrzeugs für: Weg Winkel Drehzahl Geschwindigkeit Beschleunigung Vibration Druck Durchfluss Gaskonzentration Temperatur und andere Einflussgrößen Ihre Signale sind inzwischen unverzichtbar für viele Steuerungs- und Regelungsfunktionen wie Managementsysteme für Motor und Fahrwerksteuerung, Sicherheit sowie Komfort Mit der elektronischen Datenverarbeitung ist es schließlich möglich, die genannten Einflussgrößen schnell auszuwerten und für die gewünschten Fahrzeugfunktionen aufzubereiten Sensoren setzen eine physikalische oder chemische (meist nichtelektrische) Größe unter Berücksichtigung von Störgrößen in eine elektrische Größe um

4 Als elektrische Größen gelten hier: - Strom - Spannung - Strom-/Spannungsamplituden - Frequenz - Periode - Phase oder auch Pulsdauer einer elektrischen Schwingung - Elektrischer Widerstand - Kapazität - Induktivität Eingabe Verarbeitung Ausgabe

5 Unterscheidung von Sensoren Schalter einfachste und günstigste Variante von Sensoren umfasst nur Schaltstellung ein und aus Bsp. Endschalter für Faltdach Passive Sensoren enthalten nur passive Elemente (Spule, Widerstand, Kondensator) Signale werden in den meisten Fällen als analoge Spannung ausgegeben werden ohne eine Stromversorgung betrieben Bsp. Temperatursensor Aktive Sensoren enthalten intern verstärkende oder Signalformende Bauelemente werden mit einer Stromversorgung betrieben Sensorsignal ist durch eine im Sensor integrierte Elektronik ein Rechtecksignal Bsp. Hallsensor Intelligente Sensoren besitzen zusätzlich eine eigene Auswerteelektronik zur Erfassung und Aufbereitung der Signale Bsp. Heißfilm-Luftmassenmesser Komplexe Sensoren sind für spezielle Aufgaben konzipiert besitzen ebenfalls eine eigene Auswerteelektronik umfassen mehrere Sensoren Bsp. Ölsensor, Radarsensor

6 Integrationsstufen SE Sensoren, SA Signalaufbereitung, A/D Analog Digital Wandler, SG Steuergerät, MC Mikrocomputer

7 Übersicht Sensoren

8 Potentiometer Grundlagen Ist ein elektrischer Widerstand, der mechanisch verändert werden kann wird verwendet zur Bestimmung der Drosselklappenstellung, Fahrpedalstellung usw. Funktion Schleifer eines Potentiometers wird proportional zur Drosselklappenstellung betätigt Enden der Widerstandsbahn sind an eine feste Spannung angeschlossen durch Veränderung der Schleiferstellung entsteht eine entsprechende Spannung am Schleiferanschluss dadurch kann die Stellung von z.b. einer Drosselklappe in eine Spannung umgewandelt werden

9 Temperatursensor Aufbau Besteht aus dem im Gehäuse eingebauten Temperaturabhängigen Messwiderstand aus Halbleitermaterial Zur Temperaturmessung werden fast ausschließlich nur NTC-Widerstände verwendet Anwendung Temperaturbereiche (NTC-Sensor) Ansaugluft: -40 C C Ladeluft: -40 C C Umgebungsluft: -40 C C Innenraum: -20 C C Kühlmittel: -40 C C Motoröl: -40 C C Kraftstoff: -40 C C Abgas: 100 C C Kältemittel: -40 C C

10 Temperatursensor Unterschiedliche Sensoren NTC-Widerstand: Negativer Temperatur Coeffizient Widerstand verringert sich mit steigender Temperatur Heißleiter PTC-Widerstand: Positiver Temperatur Coeffizient Widerstand Steigt mit steigender Temperatur Kaltleiter z.b. Glühlampen

11 Temperatursensor Funktion Schaltplanbeispiel 1 (Grün) das Steuergerät (rot umrandet) legt den NTC-Widerstand an eine Versorgungsspannung von 5V NTC und R1 bilden einen Spannungsteiler die an R1 abfallende Spannung wird im Steuergerät ermittelt und ausgewertet nach den Regeln der Reihenschaltung ist U umso größer, je kleiner der NTC Widerstand ist und damit, je heißer die zu messende Temperatur Schaltplanbeispiel 2 (Gelb) der Temperaturfühler kann jedoch auch an Masse liegen

12 Heißfilm-Luftmassenmesser Grundlagen ist einer der wichtigsten Sensoren der Mehrpunkt-Einspritzung Gibt Signal über den Lastzustand des Motors an das Motormanagement nicht so empfindlich gegen Ablagerungen wie der Hitzdraht-Luftmassenmesser Quelle: Kfz-Tech muss am Ende nicht mehr mit 1000 C freigebrannt werden braucht nicht den vollen Ansaugstrom, sondern kann im Bypass messen (geringerer Strömungswiderstand) kann auch im Luftfilter verbaut werden

13 Heißfilm-Luftmassenmesser Funktion wie beim Hitzdraht-Luftmassenmesser ist der Heizwiderstand aus Platin auch bildet er weiterhin einen Widerstand einer Brückenschaltung, zu der auch noch ein Temperaturwiderstand, ein Sensorwiderstand und ein einstellbarer Widerstand gehören einer dieser Widerstände ist als dünner Film auf einer Keramikschicht aufgebracht die Brückenschaltung wird so abgeglichen, dass die Temperaturdifferenz Heizwiderstand zu Temperaturwiderstand 160 C beträgt Ansaugluft kühlt den Heizwiderstand zugeführte Heizstrom ist das Maß für die durchströmende Luftmasse Inzwischen ist die Elektronik so weit entwickelt, dass sie pulsierende Luftströme nicht mehrfach berechnet 1 Strömungsrichtung, 2 Sensorelement, 3 Heizzone, 4 Membran

14 Induktiv-Sensor dient der Erfassung von Bewegungen und Positionen (Raddrehzahlen, Kurbelwellenumdrehungen, etc) das physikalische Prinzip der Erzeugung einer Induktionsspannung beruht auf der zeitlichen Änderung des Magnetflusses dadurch wird in die Wicklung eine Wechselspannung induziert Höhe der Wechselspannung hängt von der Drehzahl des Impulsgeberrades und vom Luftspalt zwischen Sensor und Impulsgeberrad ab Je höher die Drehzahl und je kleiner der Luftspalt, desto höher ist die Geberspannung Steuergerät ermittelt Drehzahl über die Frequenz des Gebersignals Positionsermittlung z.b. der Nockenwelle über Lücken oder Dauermagnete im Impulsgeberrad möglich

15 Aufbau Hallsensor

16 Halleffekt An ein elektrisch leitendes Halbleiterblättchen ist an eine Spannungsquelle angeschlossen an ihm werden elektrische Leitungen angeschlossen, so dass ein Strom von z.b. 2A durch ihn hindurch fließt der Strom wird sich in dem homogenen Körper ziemlich gleichmäßig und symmetrisch über die gesamte Querschnittsfläche verteilen Dies wird durch die im Bild dünn gezeichneten schwarzen Stromlinien dargestellt werden.

17 Halleffekt setzt man das Blättchen in ein Magnetfeld, so entsteht an den Körperkanten, die quer zur Stromrichtung und quer zum Magnetfeld ausgerichtet sind, eine Spannung (Hallspannung) elektrische Ladungen, die sich nicht parallel zu einem Magnetfeld bewegen, werden aus ihrer Bahn abgelenkt Stehen sich die Pole gegenüber, werden die Elektronen zum großen Teil zur vorderen Körperfläche hin gezogen an der hinteren Körperfläche fließen nun fast keine Elektronen mehr vorbei es entsteht also vorne ein Elektronenüberschuss und hinten ein Elektronenmangel, was sich als elektrische Spannung bemerkbar macht.

18 Hallsensor Funktion Magnetschranke mit Hall-IC und Luftspalt ist fest im Verteiler montiert Welle treibt den Blendenrotor an, dessen Blenden der Zylinderzahl entsprechen Blenden laufen berührungslos durch den Luftspalt der Magnetschranke Je nachdem ob sich die Blende im Luftspalt befindet, verändert sich das Magnetfeld dies führt zu einer Veränderung der Hallspannung Im Hall-IC wird diese Spannung verstärkt, umgeformt und an das Steuergerät weitergeleitet

19 Funktion Hallsensor

20 Hallsensor Vorteile von Hallsensoren gegenüber Induktivgebern Hallsensoren liefern ein von der Drehzahl unabhängige Signalspannung insbesondere können sie auch sehr langsame Drehbewegungen und sogar statische Zustände erfassen Hallsensoren liefern von Natur aus bereits ein Rechtecksignal, wie es von Digitalschaltungen in den Steuergeräten direkt auswertbar ist, wogegen Signale von Induktivgebern erst aufbereitet werden müssen Anwendung Phasensensor an der Nockenwelle für die Zylindererkennung Motordrehzahlsensor/ Bezugsmarkengeber Raddrehzahlsensor Fahrgeschwindigkeitssensor am Getriebe Hallsensor zur Drehzahlmessung

21 Piezo-Drucksensor Grundlagen Sensor zur Messung von absoluten bzw. relativen Drücken verwendet man piezoelektrische Sensoren sie erzeugen bei Belastung durch Druckkräfte eine elektrische Spannung (*Piezoeffekt) diese entsteht durch Kristalle, an denen infolge einer Deformation eine elektrische Spannung anliegt im Motorbereich werden sie als Klopfsensoren und als Druckfühler im Saugrohr eingesetzt weitere Anwendungsbereiche im Kfz: Bremsdrucksensor für Fahrdynamikregelungen Einspritzdrucksensor beim Dieselmotor Öldrucksensor

22 Piezoeffekt *Piezoeffekt: zusammendrücken des Piezoelements führt zu einer Verschiebung der Ladungen im Kristallgitter des Piezokeramischen Werkstoffs Werkstoffe sind z.b. Siliziumoxid oder Blei-Zirconat-Titan zwischen den in Druckrichtung sich gegenüberstehenden Oberflächen entsteht eine elektrische Spannung Diese Oberflächenladung kann man durch Aufeinanderschichten von mehreren Kristallplätchen verstärken

23 Piezo-Drucksensor Funktion der zu messende Druck wird über den Druckbolzen auf das Piezoelement übertragen seismische Masse erzeugt den Piezoeffekt* dadurch entsteht im Piezoelement eine Spannung Spannung ist Messgröße für den Druck Elektroden greifen Spannung ab und führen sie der Auswerteelektronik zu Elektronik bereitet Spannungssignal auf und gibt es an das Steuergerät weiter

24 Beschleunigungssensor misst die Beschleunigung, indem die auf eine Testmasse wirkende Trägheitskraft bestimmt wird Somit kann z.b. bestimmt werden, ob eine Geschwindigkeitszunahme oder - abnahme stattfindet Beschleunigungssensoren haben daher eine Vielzahl von Einsatzmöglichkeiten: Messung von Vibrationen Aktive Federungssysteme in Fahrzeugen Alarmanlagen bei beweglichen Gütern oder als Berührungssensor. Schadensuntersuchungen beim Warentransport Messung von Querbeschleunigungen am Fzg. Signal für Airbags prinzipieller Aufbau

25 Beschleunigungssensor Kleinsensoren haben Messbereiche von einigen bis hunderten g Sie sind vielfach auch sehr robust gegen Stöße, Temperatur, Vibrationen und andere Effekte Genauigkeiten liegen meist im Prozentoder Promille-Bereich zur Analyse von Fahrzeugbewegungen für die Fahrzeugelektronik ist die Beschleunigungsmessung unentbehrlich Miniaturisierte Sensoren sind meist mit piezoelektrischen Sensoren oder als MEMS (Micro-Electro-Mechanical System) aufgebaut prinzipieller Aufbau

26 Beschleunigungssensor Sensoren für Querbeschleunigung An einer Feder angebrachte Dauermagneten erzeugen ein Magnetfeld Ein über den Dauermagneten angebrachtes Hallelement registriert ein Hallspannung Feder wird durch Beschleunigung ausgelenkt Dauermagneten ändern den Elektronenfluss im Hallelement Steuergerät ermittelt aus der Hallspannung die Beschleunigung prinzipieller Aufbau

27 Beschleunigungssensor Crashsensoren Biegebalken mit unterschiedlich polarisierten Piezoelementen sind auf eine Platte befestigt Elemente sind mit elektrischen Leitungen verbunden Elemente werden bei einer Beschleunigung gebogen und dadurch gestaucht oder gedehnt Elektrische Spannung entsteht durch den Piezoeffekt Spannung ist Mass für die Beschleunigung prinzipieller Aufbau

28 Seitenwandtorsionssensor Reifen weist abwechselnd gepolte Magnetzonen in seiner Seitenwand auf feststehende Sensoren erfassen die Magnetfeldänderungen Dadurch kann die Raddrehzahl wie beim herkömmlichen ABS-Sensor erfasst werden und auch Kräfte, die auf den Reifen wirken und ihn ungewöhnlich verformen Kräfte die auf den Reifen wirken: Antriebskräfte Bremskräfte Querkräfte bei Kurvenfahrt, Seitenwind, quergeneigter Fahrbahn Ein Steuergerät verarbeitet die Signale und nutzt sie für eine über das einfache ESP hinausgehende Fahrdynmikregelung.

29 Drehmomentsensor Grundlagen wird verwendet bei Elektrisch angetriebene Systeme zur Lenkunterstützung diese ersetzen in den nächsten Jahren die derzeit gebräuchlichen Lösungen auf der Basis von Hydraulik oder Elektrohydraulik das Steuergerät des Lenksystems benötigt hierbei genaue Informationen über die Lenkbefehle Bosch entwickelt deshalb Sensoren, die die erforderlichen Daten von Drehwinkel, Drehrichtung und Drehmoment elektronisch erfassen Leistungsfähigere Systeme ermöglichen zunehmend den Einsatz in größeren Fahrzeugen derart betriebene Servosysteme tragen vorrangig zur Reduzierung des Kraftstoffverbrauches bei

30 Drehmomentsensor Optische Drehmomentmessung Automobilausrüster entwickeln derzeit einen kombinierten Drehmoment- Winkelsensor hierbei erkennt ein optisches Sensorelement die Verdrehung von zwei mit entsprechenden Codes versehenen Scheiben auf der Lenkachse zueinander Hieraus errechnet der Sensor mit zugehöriger Elektronik das Drehmoment sowie den absoluten Lenkwinkel eine feinfühlige Regelung der elektrischen Servounterstützung ist somit möglich

31 Drehmomentsensor Vorteile des optischen Messprinzips: hohe Auflösung geringere Einstrahlempfindlichkeit der ermittelte Wert des absoluten Drehwinkels kann zur Mittenrückstellung der Lenkung oder auch von anderen Fahrzeugsystemen wie dem Elektronischen Stabilitäts-Programm ESP verwendet werden geringe Baugröße verschiedene verfügbare Schnittstellen bieten den Fahrzeugherstellern größte Flexibilität bei der Anpassung an den Einbauort Prinzip der Signalaufbereitung genügt hohen Sicherheitsanforderungen zusammen mit seiner hohen Auflösung und Aktualisierungsrate ist er damit auch für zukünftige Steer-by-Wire-Systeme bestens geeignet Quellen: Bosch

32 Lambda-Sonde Grundlagen Für eine vollständige und einwandfreie Verbrennung ist bei herkömmlichen Ottomotoren ein Mischungsverhältnis von ca. 14,7 kg Luft zu 1 Kilogramm Kraftstoff nötig Verhältnis tatsächlich benötigten Luftmenge zum theoretischen Luftbedarf wird als Luftzahl oder Lambdawert (λ) bezeichnet λ = 1 heißt, dass die zugeführte Luftmenge dem theoretischen Luftbedarf entspricht Im normalen Betrieb des Fahrzeugs schwanken diese Werte beste Leistung bei Luftmangel (λ ca. 0,9 = fettes Gemisch) niedrigste Verbrauch bei Luftüberschuss (λ ca. 1,1 = mageres Gemisch)

33 Lambda-Sonde Grundlagen Lambda-Sonde ist vor dem Kat angeordnet Moderne Systeme besitzen vor und nach dem Katalysator Lambda-Sonden Sonden erfassen über den Restsauerstoffgehalt im Abgas die Gemischzusammensetzung Verschiedene Lambda-Sonden Widerstandssprung-Sonde Nernstsonde (Spannungssprung-Sonde) Breitband-Sonde Monitorsonde

34 Lambda-Sonde Widerstands-Sonde wird bei Ottomotoren in der Regel in den Abgaskrümmer oder das Sammelrohr kurz dahinter eingeschraubt In Fahrzeugen mit hohen gesetzlichen Anforderungen an die Abgasreinigung und die Eigendiagnose kommen mehrere Sonden zum Einsatz bei V-Motoren in der Regel pro Zylinderbank eine bis zu einer Sonde pro Zylinder (für eine selektive Regelung) bei modernen Ottomotoren mit Turboaufladung wird die Lambdasonde gegenwärtig nur nach dem Turbolader eingebaut geringer Widerstand fettes Gemisch hoher Widerstand mageres Gemisch

35 Lambda-Sonde Funktion Sensorelement besteht aus einer halbleitenden Titandioxidkeramik Ladungsträger werden durch Sauerstofffehlstellen die als Donatoren wirken zur Verfügung gestellt bei umgebenden Sauerstoff werden die Fehlstellen besetzt und reduzieren die Zahl der freien Ladungsträger Sauerstoffionen tragen hier nicht wesentlich zur Leitfähigkeit bei, sondern der Sauerstoff reduziert die Zahl der freien Ladungsträger bei hoher Sauerstoffkonzentration hat das Sensormaterial einen großen Widerstand Signal wird durch einen Spannungsteiler mit einem festen Widerstand erzeugt

36 Lambda-Sonde Nernst-Sonde (Spannungssprung-Sonde) eine Seite des keramischen Sensorelements ist dem Abgasstrom ausgesetzt, während die andere Seite an einer Sauerstoffreferenz liegt in den meisten Fällen wird hierzu die Umgebungsluft verwendet entweder durch eine Öffnung direkt an der Sonde oder über die Zuleitung und den Stecker Sauerstoffgehalt der Referenz ist dabei verringert und die Sondenspannung verkleinert bei einer gepumpten Referenz wird die Umgebungsluft nicht mehr benötigt Sauerstoffreferenz wird hier durch einen aufgeprägten Sauerstoffionenstrom aus dem Abgas hergestellt

37 Lambda-Sonde Funktion Bei Temperaturen über etwa 300 C wird die Yttrium-dotierte Zirkoniumdioxid- Keramik der Sonde für negative Sauerstoff-Ionen leitend Konzentrationsunterschied erzeugt eine Ionendiffusion zum Abgas Sauerstoff-Atome können als doppelt negativ geladene Ionen durch die Keramik durchtreten Die zur Ionisierung der Sauerstoff-Atome erforderlichen Elektronen werden von den elektronisch leitfähigen Elektroden geliefert Dadurch lässt sich zwischen den innen und außen angebrachten Platin- Elektroden eine elektrische Spannung abnehmen (Sondenspannung)

38 Lambda-Sonde Funktion Sondenspannung liegt bei λ>1 (mageres Gemisch, zuviel Luft) zwischen 0 und 150 mv bei λ<1 (fettes Gemisch, zuviel Kraftstoff) zwischen 800 und 1000 mv In einem sehr schmalen Übergangsbereich um λ=1, dem so genannten λ-fenster, ist die Kennlinie extrem steil Spannung ändert sich dort fast sprunghaft in Abhängigkeit des Luft/Kraftstoffverhältnisses

39 Lambda-Sonde Breitband-Sonde wurde entwickelt, da Dieselmotoren und die so genannten mageren Ottomotoren nicht oder nur selten im λ-bereich eins betrieben werden insbesondere der Dieselmotor ist ein klassisches Magerkonzept, das stets mit einem Luftüberschuss (λ>1) arbeitet für die Regelung des Dieselmotors und der mageren Ottomotoren kann die λ=1 Sonde nicht verwendet werden ihr Signalverhalten im Fetten bzw. im Mageren ist nicht ohne großen Aufwand auswertbar Aufbau einer solchen Sonde ist deutlich komplizierter Sie ist aus mehreren Schichten aufgebaut und hat einen integrierten Heizer

40 Lambda-Sonde Funktion Für das Messprinzip sind drei Teile entscheidend: der Diffusionkanal (blau) zwischen Abgas und Messgas der Nernstzelle die Pumpzelle (rosa) zwischen Abgas und Messgas der Nernstzelle die Nernstzelle (grün) zwischen Messgas und Referenzgas (Luft) Messgas der Nernstzelle wird neben dem Abgas durch einen Diffusionkanal durch einen Pumpstrom beeinflusst Pumpstrom wird durch einen äußeren Regler so eingestellt, dass der Sauerstoffstrom durch den elektrischen Strom der Pumpzelle den Sauerstoffstrom durch den Diffusionkanal genau ausgleicht, so dass das Gas bei λ=1 bleibt

41 Lambda-Sonde Funktion Der Pumpstrom pumpt bei fettem Gemisch Sauerstoffionen in das Messgas der Nernstzelle hinein und bei magerem Gemisch hinaus Über das Vorzeichen und die Größe dieses Stromes kann die Gemischzusammensetzung bestimmt werden Die Regelung des Stromes erfolgt durch einen eigenen Steuerchip im Motorsteuergerät Die NOx-Sonde ist bei Fahrzeugen mit NOx Speicherkatalysatoren eingebaut (Aufbau und der Funktionsweise entspricht der Breitbandlambdasonde)

42 Lambda-Sonde Monitor-Sonde wird bei neueren Ottomotoren als zweite (nach Kat) Lambda-Sonde verwendet überwacht die Funktion des Katalysators Motorsteuergerät kann die Werte der Sonde vor dem Kat mit den Werten der Monitorsonde vergleichen bei einem voll funktionstüchtigen Kat pendelt das Signal der Monitorsonde stark abgeschwächt um den Mittelwert des Signals der ersten Sonde bei altersbedingtem verlusst der Sauerstoffspeicherfähigkeit, ähnelt das Signal der Monitorsonde, zeitlich leicht verzögert, dem der Sonde vor dem Kat Steuergerät kann jetzt eine entsprechende Meldung im Fehlerspeicher ablegen und den Fahrer mittels einer Warnleuchte über eine Fehlfunktion informieren. Monitorsonde kann auch zur Verbesserung der Genauigkeit der Lambdaregelung und zur Plausibilisierung der ersten Sonde verwendet werden

43 Aktoren (Stellglieder) Definition Aktoren - bildhaft als "Muskeln der Mikroelektronik" bezeichnet - steuern, schalten und regeln technische Prozesse. Hierfür wandeln sie die in elektrisch-digitaler oder analoger Form vorliegenden Stellbefehle des Steuergeräts in mechanische Arbeit (Kraft x Weg) um. Grundlagen Aktoren werden von den Endstufen der Steuergeräte elektrisch angesteuert sie beeinflussen daraufhin bestimmte Vorgänge Die Energiewandlung erfolgt: motorisch pneumatisch hydraulisch magnetisch optische Anzeige zum Positionieren kommen vorzugsweise mechanische oder elektronisch gesteuerte Gleichstrommotoren und Schrittmotoren zum Einsatz Stellglieder sind in den meisten Fällen Elektromagnete, die bei eingeschalteter Zündung plusseitig dauernd mit 12 Volt versorgt werden das Steuergerät greift über die Masseseite ein und verbindet die Masseleitung des Magneten mit der Motormasse

44 Magnetventil Grundlagen Aufbau Magnetventile werden von einem Elektromagneten betätigt abhängig von der Bauart können diese Ventile mit bis zu mehreren khz Schaltfrequenz arbeiten Beispiele für die Anwendung: Einspritzventile Schaltventile bei Automatikgetrieben

45 Magnetventil Funktion Strom fließt durch die Magnetspule und erzeugt ein Magnetfeld Magnetfeld zieht den Magnetanker entgegen der der Ventilfederkraft nach oben Kraftstoffdruck hebt die Ventilnadel an Kraftstoff wird eingespritzt Nach Beendigung der Einspritzung wird der Strom abgeschaltet und das Magnetventil wird durch die Federkraft geschlossen Einspritzvorgang ist beendet

46 Elektromotor Grundlagen Stammt aus dem Lateinischen motus = Bewegung ist eine Maschine, die elektrische Energie in mechanische Energie umwandelt dies passiert rein elektrisch mit Hilfe von magnetischen Feldern In Elektromotoren wird die Kraft, die von einem Magnetfeld auf die Leiter einer Spule ausgeübt wird, in Bewegung umgesetzt Damit ist der Elektromotor das Gegenstück zum Generator Elektromotoren erzeugen meist rotierende Bewegungen, sie können aber auch translatorische Bewegungen ausführen Quelle: Wikipedia Arten Gleichstrommotor Schrittmotor Quelle: Tabellenbuch Kraftfahrzeugtechnik

47 Gleichstrommotor Funktion Drehbewegung beruht auf den Kräften, die verschiedene Magnetfelder aufeinander ausüben Auch Stromdurchflossene Leitungen (bzw. Spulen) erzeugen ein Magnetfeld Befestigt man eine Drehbar gelagerte Spule zwischen den Magnetpolen ergibt sich je nach Stromrichtung eine Drehbewegung Quelle: Wikipedia Die Stromzuführung für die sich drehende Spule erfolgt über Schleifringe oder einen segmentierten Kommutator mit Kohlebürsten Drehbewegung erfolgt so lange, bis die Magnetfeldlinien zwischen den Magnetpolen die selbe Richtung haben Quelle: Tabellenbuch Kraftfahrzeugtechnik

48 Gleichstrommotor Funktion damit er an diesem "toten Punkt" nicht stehen bleibt, wird hier die Stromrichtung in der Ankerspule mit Hilfe des Kommutators (Stromwender) umgekehrt er besteht aus zwei Halbkugeln, die in der Mitte durch einen schmalen Streifen nichtleitenden Materials (Kunststoff, Porzellan etc.) getrennt sind Quelle: Wikipedia an der dem Rotor abgewandten Oberfläche des Kommutators befinden sich zwei Kohlebürsten Diese sind fest an eine Spannung angeschlossen Je nach Drehung werden die Leiterschleifen unterschiedlich gepolt Auf den Motor wirkt somit eine Kraft und er dreht sich um 180 weiter Quelle: Tabellenbuch Kraftfahrzeugtechnik

49 Gleichstrommotor Funktion Der nicht leitende Streifen in der Mitte des Kommutators bewirkt, dass die Stromzufuhr kurzzeitig unterbrochen wird im Rotor wird dadurch kein Magnetfeld mehr erzeugt der Rotor dreht sich somit ohne Krafteinwirkung nur auf Grund seiner Trägheit weiter und überwindet so den neutralen Punkt Quelle: Wikipedia Die genaue Funktionsweise hängt vom Motortyp ab Motortypen: Permaneterregter Motor Nebenschlussmotor Reihen- bzw. Hauptschlussmotor Doppelschlussmotor Quelle: Tabellenbuch Kraftfahrzeugtechnik

50 Schrittmotor Grundlagen Schrittmotor werden für Drosselklappenverstellung etc. verwendet Da der Rotor um einen minimalen Winkel (Schritt) oder sein Vielfaches gedreht werden kann dies geschieht durch ein gesteuertes schrittweise rotierendes elektromagnetisches Feld der Statorspulen Schrittmotoren können bis ca. 1 kw wirtschaftlich eingesetzt werden Man unterscheidet den Schrittmotor nach seiner Bauform in: Reluktanzmagnetschrittmotor Permanentmagnetschrittmotor Hybridschrittmotor (Kombination aus beiden)

51 Schrittmotor Reluktanzmagnet-Schrittmotor Rotor besteht aus einem gezahnten Weicheisenkern nach Ausschalten des Statorstromes verschwindet das Magnetfeld Bei eingeschaltetem Strom fließt der magnetische Fluss durch den Weicheisenkern des Rotors Drehbewegung des Rotors kommt zustande, weil vom gezahnten Stator der nächstliegende Zahn des Rotors angezogen wird, da sich so der magnetische Widerstand verringert

52 Schrittmotor Permanentmagnetschrittmotor Stator besteht aus Weicheisen und der Rotor aus Dauermagneten, die abwechselnd einen Nord- und einen Südpol aufweisen mit dem Stator-Magnetfeld richtet man den dauermagnetischen Rotor so aus, dass eine Drehbewegung entsteht da der Reluktanzschrittmotor keine Permanentmagnete enthält, hat er daher im Gegensatz zum Permanentmagnetschrittmotor auch kein Rastmoment bei ausgeschaltetem Strom Anzahl der Pole (und damit die Auflösung) ist begrenzt

53 Schrittmotor Hybridschrittmotor vereint die Eigenschaften beider Bauformen Permanentmagneten wird noch ein gezahnter Weicheisenkranz eingefügt Nahezu alle heute erhältlichen Schrittmotoren sind Hybridmotoren Als High-Torque Motoren (=hohes Drehmoment) werden häufig Typen bezeichnet, bei denen für den Rotor besonders starke Seltenerdenmagnete verwendet werden So lässt sich eine besonders hohe Kraftdichte erzielen Typische Anwendungsgebiete sind Drucker

54 Zündspule erzeugt aus der bordeigenen 12 V Spannung eine Hochspannung von ca bis V zu erzeugen Hochspannung wird für die Funkenstrecke an der Zündkerze benötigt Zündspule hat drei Anschlüsse: Klemme 1 wird über einen Transistor an Masse angeschlossen Klemme 15 über das Zündschloss an Plus gelegt Ausgang 4 führt über den Zündverteiler zu den Zündkerzen Zündkerzen sind über die Funkenstrecke mit Masse verbunden öffnen und Schließen des Primärstromkreises induziert im Sekundärkreis die Hochspannung heutzutage wird oft für jede Zündkerze eine separate Zündspule gleich an den Zündkerzenschuh montiert (Einzelfunken-Zündspule) dies erhöht Ausfallsicherheit

55 Quellenverzeichnis Tabellenbuch Fahrzeugtechnik (Holland & Josenhans) Kraftfahrzeugtechnisches Taschenbuch Kraftfahrzeug-Technologie (Holland & Josenhans) Kraftfahrzeugtechnik (Europa) Tabellenbuch Kraftfahrzeugtechnik (Europa) Bosch Beru Siemens VDO Feingerätebau TU München