Unter Motormanagementsystemen sind beim Motorrad generell Kombinationen von Zünd- und Einspritzsystemen zu verstehen.

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1 Motormanagement Unter Motormanagementsystemen sind beim Motorrad generell Kombinationen von Zünd- und Einspritzsystemen zu verstehen. Als Zündsysteme kommen Digitale Transistorzündungen und digitale CDI-Zündsysteme zum Einsatz. Bei den Einspritzsystemen kommen in den meisten Fällen indirekte, sequentielle Einspritzsysteme mit Druck-Drehzahl bzw. Last-Drehzahl Steuerung zum Einsatz. Aufgabe des Einspritzsystems: Den Kraftstoff fein zerstäubt in die angesaugte Luftmenge einspritzen. Die Gemischzusammensetzung für den jeweiligen Betriebspunkt des Motors hinsichtlich Last, Drehzahl, Betriebstemperatur und Umweltparameter zu optimieren. Schadstoffausstoß hinsichtlich gesetzlicher Grenzwerte zu begrenzen. Vorteile eines Einspritzsystems gegenüber Vergaser: Genauere Bestimmung der Einspitzmenge da mehr Parameter berücksichtigt werden. Feinere Zerstäubung und damit bessere Vergasung des Kraftstoffes besonders bei niedrigen Drehzahlen. Komfortsteigerung durch automatische Kaltstarteinrichtung Abgasreinigungssysteme können integriert werden und hinsichtlich des Wirkungsgrades optimal arbeiten. Wenig Empfindlichkeit nach längeren Standzeiten des Fahrzeuges (Verharzung von Kraftstoffen) Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs z.b. durch Schubabschaltung. Weniger Strömungsverluste und damit insbesondere im Volllastbereich Optimierung der Ansaugwege und Verbesserung der Zylinderfüllung (Leistungssteigerung). Weitere generelle Vorteile der Einspritzsysteme wie sie im PKW-Bereich zu beobachten waren, treffen auf das Motorrad nicht zu, da die Vergaseranlagen des Motorrades in der Grundauslegung bereits anders konzipiert waren. Insbesondere Leistungssteigerungen und deutliche Verbrauchsreduzierungen sind zumindest bisher nicht in größerem Umfang realisiert. Grundaufbau von Einspritzsystemen: Einspritzsysteme bestehen aus den folgenden Einzelsystemen: Kraftstoffsystem: Zum Kraftstoffsystem gehören Vorratsbehälter (Tank), Pumpe, Filter, Leitungen und Druckregler Ansaug- und Auspuffsystem: Das Ansaugsystem besteht im wesentlichen aus Lufteinlass, Air-Box, Steuerung des Lufteinlasses, Drosselklappengehäuse mit Drosselklappe und Saugrohre sowie Klappen- oder Walzensysteme in der Auspuffanlage. Steuerungs- und Regelungssystem: Neben dem eigentlichen Steuergerät (ECM = Engine Control Modul) gehören hier sämtliche Sensoren (Druck, Drehzahl, Temperatur usw.) aber auch sämtliche Aktoren (z.b. Einspritzventile, Stellmotoren, Magnetventile usw.) zum Steuerungs- und Regelsystem. Abgasreinigungssysteme Zu den Abgasreinigungssystem gehören beim Motorrad Sekundärluftsysteme, geregelte und ungeregelte Katalysator-Systeme.

2 Bild 001: Einspritzsystem (Quelle Honda)

3 Indirekte Einspritzsysteme Bei der indirekten Einspritzung wird der Kraftstoff in das Saugrohr eingespritzt. Beim Motorrad wird ausnahmslos jedes Saugrohr einzeln mit einem oder zwei Einspritzventilen in Form einer Multi Point Injection (MPI) mit Kraftstoff versorgt. Da die Auslegung der Motorradmotoren üblicherweise Leistungsorientiert erfolgt, kommen sequentielle Einspritzsysteme zum Einsatz. Bei der sequentiellen Einspritzung wird für jeden Zylinder die Einspritzmenge einzeln berechnet und der Einspritzbeginn und die Einspritzdauer so festgelegt, dass der Einspritzbeginn im jeweiligen Ansaugtakt liegt. Das Einspritzende liegt jeweils kurz vor dem Schließen des Einlassventils. Bei niedrigen Drehzahlen kann daher der Einspritzbeginn so gelegt werden, dass Kraftstoff nicht vor dem geschlossenen Einspritzventil vorgelagert werden muss, sondern zusammen mit der angesaugten Luftmasse in den Zylinder gelangt. Bei den hohen, motorradüblichen Drehzahlen von über min-1, muss jedoch der Einspritzbeginn sehr früh gewählt werden um in der kurzen zur Verfügung stehenden Zeit die notwendige Kraftstoffmenge einzuspritzen. Ein Teil des Kraftstoffes wird daher bereits eingespritzt während das Einlassventil noch geschlossen ist. Da durch das Vorlagern aber die homogene Gemischzusammensetzung verschlechtert wird, werden bei besonders hoch drehenden Motoren zunehmend 2 Einspritzventile pro Zylinder verwendet, um den Einspritzvorgang im wesentlichen während des Ansaugtaktes erfolgen zu lassen. Bild 002 Primär und Sekundär Einspritzventile Kraftstoffsystem Der Kraftstoff wird von einer im Tank befindlichen Pumpe über einen Vorfilter angesaugt und gelangt unter Druck stehend über einen Feinstfilter in den Anschluss der Förderleitung und von da aus zum Drosselklappengehäuse. Über eine Ringleitung, die am Druckregler endet wird der Kraftstoff den Einspritzventilen zugeführt. Der Druckregler stellt einen modellspezifischen Einspritzdruck von 2,5 bis 4,5 bar über Saugrohrdruck bzw. Atmosphärendruck sicher. Nicht benötigter Kraftstoff gelangt über den Druckregler und die Rücklaufleitung zurück zum Tank. Ein Dampfblasenabscheider verhindert, dass mitgeführte Dampfblasen von der Ansaugstelle angesaugt werden.

4 Bild 003 Kraftstoffsystem (Quelle Honda) Elektrische Ansteuerung Kraftstoffpumpe Die Kraftstoffpumpe wird vom ECM über ein Relais gesteuert. Dabei wird das Relais vom ECM bei einschalten der Zündung für einige Sekunden angesteuert und wieder abgeschaltet wenn der Motor nicht gestartet wird. Sobald das ECM über den Kurbelwellensensor erkennt, dass der Motor dreht wird die Steuerleitung des Relais wieder mit Masse verbunden und damit die Kraftstoffpumpe aktiviert. Bild 004 Beispiel eines Stromkreises Kraftstoffpumpe (Quelle Honda)

5 Kraftstoffpumpe Die Kraftstoffpumpe wird über einen Elektromotor der im Kraftstoff liegt angetrieben. Der Kraftstoff dient dabei gleichzeitig zur Kühlung des Elektromotors. Da kein zündfähiges Kraftstoff-Luftgemisch im Bereich der Pumpe vorhanden ist, können evtl. Funken keinen Brand auslösen. Die Pumpe enthält neben dem Pumpenrad ein Rückschlag- und ein Überdruckventil. Das Rückschlagventil sorgt für einen Restdruck in der Förderleitung und erleichtert damit den Neustart. Das Überdruckventil ist im normalen Betrieb geschlossen und dient als Sicherheitseinrichtung wenn Störungen in der Kraftstoffleitung auftreten. Bild 005 Pumpeneinheit (Quelle Honda) Kraftstofffilter Neben einem Vorfilter, der größere Verunreinigungen des Kraftstoffes ausfiltert ist nach der Pumpe ein Feinstfilter verbaut. Dieses Feinstfilter soll alle Verunreinigungen entfernen, die insbesondere die empfindlichen Einspritdüsen beschädigen oder verstopfen können. Das Feinstfilter muss nach Wartungsplan erneuert werden oder kann auch ohne besondere Wechselintervalle verbaut sein. Druckregler Der Druckregler sorgt für einen konstanten Einspritzdruck im System. Da die eingespritzte Kraftstoffmenge über die Einspritzdauer gesteuert wird, ist die Einhaltung des Einspritzdruckes Voraussetzung für die richtige Einspritzmenge. Je nach System wird dabei der Druckregler mit Saugrohrdruck oder Atmosphärendruck beaufschlagt. Bei Saugrohrdruck gesteuerten Druckreglern wird immer ein konstanter Absolutdruck eingehalten der gegenüber dem Saugrohrdruck einen konstanten Wert hat. Wird der Druckregler mit Atmosphärendruck beaufschlagt ist der Einspritzdruck je nach Saugrohrdruck unterschiedlich groß. Die Einspritzdauer muss daher mit einem Korrekturfaktor der druckabhängig ist angepasst werden.

6 Im Druckregler wird eine Membran durch eine Feder geschlossen. Auf die Membranoberfläche wirkt der Saugrohr- oder Atmosphärendruck. Übersteigt der Förderdruck die Federkraft und ggf. den reduzierten Saugrohrdruck, wird ein Ventil geöffnet und Kraftstoff wird über die Rücklaufleitung in den Tank gefördert. Die Pumpenleistung ist so abgestimmt, dass der Druckregler fast immer geöffnet ist. Dadurch wird sichergestellt, dass die Kraftstofftemperatur in der Ringleitung niedrig bleibt und Dampfblasenbildung verhindert wird. Bild 006 Druckregler Ansaug- und Auspuffsystem Speziell das Ansaugsystem ist bei modernen Motorrädern zu einem Leistungsbestimmenden System geworden. In Ram-Air- Systemen wird der Staudruck genutzt der bei höheren Fahrtgeschwindigkeiten im Einlasssystem entsteht. Eine echte Aufladung der Motoren erfolgt dabei jedoch nicht. In der Air-Box bleibt aber trotz hohem Luftbedarf der Atmosphärendruck weitgehend erhalten, so dass die Füllung bei hohen Geschwindigkeiten verbessert wird. Gleichzeitig lassen sich durch die verlängerten Ansaugwege die Ansauggeräusche wirkungsvoll dämpfen. Bei einigen Motorrädern werden durch eine Klappensteuerung ergänzend die Längen der Ansaugwege verändert. Lange Ansaugwege ergeben eine niedrige Eigenfrequenz der Gassäule zwischen Lufteinlass und Einlassventil und ermöglichen eine gute Füllung des Zylinders bei niedrigen Drehzahlen. Kurze Ansaugwege haben eine hohe Eigenfrequenz und ergeben gute Füllung bei hohen Drehzahlen. Die Klappensysteme werden über Druckmembranen die Saugrohrdruck gesteuert sind bewegt. Der Saugrohrdruck wird von einem Magnetventil, das vom ECM gesteuert wird an die Druckmembran geleitet. Um ein Flattern der Ansaugklappe zu verhindern kommen häufig Druckspeicher und Rückschlagventile zum Einsatz. Ein- und Ausschaltzeitpunkt der Magnetventile liegen aus dem gleichen Grund bei unterschiedlichen Drehzahlen. In Ergänzung der einlassseitigen Steuerung werden zunehmend Klappen- oder Walzensysteme in den Auspuffanlagen verbaut. Über die Steuerung der Krümmer werden Druck- und Schwingungsvorgänge auf der Auslassseite optimiert. Durch unterschiedliche Auslassquerschnitte können die Abgase mit mehr oder weniger Strömungswiderstand in den Schalldämpfer strömen. Ist der Querschnitt klein, dauert das Ausströmen der Abgase verhältnismäßig lange. Bei niedrigen Drehzahlen wird damit trotz langer Ventilüberschneidung (hohe Motorleistung) ein Füllungsverlust vermieden. Bei großem Querschnitt können die Abgase ungehemmt entweichen und eine vollständige Zylinderentleerung auch bei hohen Drehzahlen ist gewährleistet. Zudem werden Schwingungsimpulse von einem Krümmer (z.b. Zylinder 1 auf Zylinder 2) übertragen, die zu einem Druckabfall im Krümmer zu Beginn des Ausstoßtaktes führen und damit eine Beschleunigung des Ausströmens ergeben.

7 Bild 007 Ansaugsystem (Quelle Honda) Bild 008 Walzensteuerung im Auspuffsystem (Quelle Honda)

8 Drosselklappengehäuse Im Drosselklappengehäuse sind die Drosselklappen und Starteinrichtungen verbaut. Die Drosselklappen werden über ein Verbindungsgestänge von einer gemeinsamen Betätigung geöffnet und durch Federkraft geschlossen. Aus Sicherheitsgründen ist die Betätigung der Drosselklappen desmodromisch (zwangsbetätigt) ausgelegt (Öffner- und Schließerzug). Im Leerlauf sind die Drosselklappen meist vollständig geschlossen. Das Leerlauf und das Startsystem werden über By-Pass Kanäle mit Luft versorgt. Die Synchronisierung im Leerlauf erfolgt anders als bei Vergasermotoren nicht an der Drosselklappe sondern an speziellen Umluftschrauben die den Querschnitt der Leerlaufkanäle verändern. Die Betätigung der Startluftsysteme kann manuell über einen Seilzug oder aber über Thermoelemente bzw. Leerlaufsteller geschehen. Bei Kaltstart werden zusätzliche Luftkanäle geöffnet um die für die Schnellleerlaufdrehzahl erforderliche Drehzahlanhebung zu ermöglichen. Die Anpassung der Kraftstoffmenge wird entsprechend der Temperatur von dem ECM über die Einspritzdauer vorgenommen. Thermoelemente werden durch ein Wachselement das entweder über das Kühlmittel oder elektrisch beheizt wird angesteuert. Anstelle eines Thermoelementes kann auch ein Leerlaufsteller (Schrittmotor) den Luftkanal im Querschnitt ändern Bild 009 Drosselklappengehäuse (Quelle Honda)

9 Bild 010 Drosselklappengehäuse mit Startventilen und Start- sowie Leerlaufluftkanal (Quelle Honda) Aktoren und Sensoren Steuerungs- und Regelsysteme Neben der eigentlichen Elektronik gehören zu den Steuerungs- und Regelsystemen alle Sensoren und Aktoren. Aufgaben: Sensoren erfassen die verschiedenen Betriebsparameter. Aktoren werden von der Elektronik angesteuert. Im ECM sind in Form von Kennfeldern die Grundeinspritzmengen in Abhängigkeit von den jeweiligen Parametern gespeichert. Als Parameter kommen beim Motorrad folgende Kombinationen vor: Saugrohrdruck Drehzahl Kennfelder (p-n) Als Bestimmungsgröße für dieses Kennfeld, wird der Saugrohrdruck und die Drehzahl des Motors verwendet. P-n Kennfelder kommen bei kleinem Öffnungswinkel der Drosselklappe zum Einsatz. Das Signal des Drosselklappenpotentiometers ist bei kleinen Öffnungswinkeln bis etwa 20 oder 30 % in seiner Auflösung zu gering. Kleine Änderungen des Öffnungswinkels können speziell in den niedrigen Gängen erhebliche Drehzahländerungen zur Folge haben. Um die Genauigkeit zu verbessern wird deshalb der Saugrohrdruck zur Steuerung verwendet.

10 Bild 011 p-n Kennfeld (Quelle Honda) Öffnungswinkel Drehzahl Kennfeld (Alpha-n) Bei der Alpha-n Steuerung wird der Öffnungswinkel der Drosselklappe und die Drehzahl zur Bestimmung der Grundeinspritzmenge verwendet Kennfelder können entsprechend der Strömungsverhältnisse, der Zündabstände und der Zylinderfüllung für jeden einzelnen Zylinder unterschiedlich ausfallen. Neben den Speichern für die Kennfelder sind im ECM weitere Einrichtungen und Funktionen notwendig. Bild 012 Alpha-n Kennfeld (Quelle Honda)

11 Kompensations- oder Korrekturfunktion Aus den gespeicherten Kennfeldern ermittelt das ECM die Grundeinspritzdauer. Diese Grundeinspritzdauer wird aufgrund der übrigen Sensorsignale (Temperatur, Druck usw.) in konstruktiv vorgegebenen Werten korrigiert, d.h. verlängert oder verkürzt. Selbstdiagnosefunktion Das ECM überwacht die eigene Funktion und die Funktion der verbundenen Sensoren und Aktoren. Mit einer Selbstdiagnose werden Signale auf Vorhandensein und Plausibilität geprüft. Bei etwaigen Fehlern wird eine entsprechende Fehlermeldung an den Fahrer erzeugt. Der genaue Schadenscode kann in der Werkstatt je nach System in Form eines Zifferncodes oder einer Klartextmeldung ausgelesen werden. Fail-Safe Funktion Wird ein Sensorsignal als fehlerhaft erkannt, können verschiedene Werte innerhalb des Steuerkreises durch konstruktiv vorgegebene Standartwerte ersetzt werden. Nicht alle Funktionen können problemlos ersetzt werden. So ist fast immer erforderlich das Kurbelwellendrehzahl und Zylinderposition bei Start eines Fahrzeuges erkannt werden. Fehlerhafte Druck- oder Temperatursignale können hingegen fast immer ersetzt werden. Ein einwandfreier Motorlauf unter allen Betriebsbedingungen ist durch die Ersatzwerte nicht gewährleistet, jedoch kann die Fahrt bis zur nächsten Werkstatt aus eigener Kraft fortgesetzt werden. Weitere Funktionen Neben den Funktionen des Einspritzsystems sind im ECM noch die Funktionen des Zündsystems beinhaltet. Die Funktion des Zündsystems ist mit der Funktion eines Einzelsystems identisch. Lediglich die Verwendung der jeweiligen Sensorsignale (Drehzahl und Last) erfolgt parallel durch beide Systeme. Je nach Modell durch das ECM Ein- und Auslasssysteme gesteuert werden. Zusätzlich können modellabhängig Wegfahrsperren in das ECM integriert werden, die nach dem Transpondersystem arbeiten. Sensoren Sensoren haben die Aufgabe dem ECM die jeweiligen Betriebsparameter in Form von Spannungs- oder Stromsignalen zu übermitteln. Die Signale werden meist in analoger Form erzeugt und müssen im AD-Wandler des ECM in digitale Signale umgewandelt werden. Kurbelwellenpositionssensor (CPS) Aufgabe des CPS ist es die jeweilige Motordrehzahl zu ermitteln. Der CPS arbeitet als Induktivgeber und erzeugt ein Wechselspannungssignal. Das Segmentrad kann dabei unterschiedlich ausgeführt sein. Je nach Ausführung des Segmentrades kann neben der Drehzahl auch noch die Kurbelwellenposition (Zylinder 1 in OT) ermittelt werden. Im Induktivgeber wird eine Wechselspannung erzeugt. Die Höhe der Wechselspannung beträgt bei Starterdrehzahl mindesten 1,0 V Spitzenspannung und erreicht bei höheren Drehzahlen bis etwa 40 V Spitzenspannung.

12 Durch eine besondere Zahnform (Breiter Zahn) oder durch eine Austastlücke (fehlender Zahn) erkennt das ECM den Beginn einer neuen Umdrehung. Bild 013 Kurbelwellensensor nach dem Induktivprinzip Nockenwellensensor (Cyl) Der Nockenwellensensor arbeitet ebenfalls nach dem Induktivgeberprinzip und informiert in Form eines Wechselspannungssignals das ECM über die jeweilige Stellung des Bezugstylinders (z.b. Zylinder 1 in OT Arbeitstakt) Mit diesen beiden Parametern sind die Voraussetzungen für eine sequentielle Einspritzung gegeben. Bild 014 Nockenwellensensor zur Festlegung der zylinderselektiven Einspritzung und Zündung (Quelle Honda)

13 Drosselklappenpositionssensor (TPS) Der TPS übermittelt die Signalspannung als Referenzwert an das ECM. Die Spannungsversorgung erfolgt über das ECM und liegt meist bei +5V. Der TPS ist ein Potentiometer der mit einer Eingangsspannung von etwa 5 V durch das ECM versorgt wird. Das Ausgangssignal beträgt bei geschlossener Drosselklappe etwa 0,5 V und bei geöffneter Drosselklappe 4,5 V Bild 015 Drosselklappenpotentiometer Drucksensor (MAP und IAP) Die Drucksensoren werden vom ECM mit Spannung versorgt. Eine Siliziummembran wird je nach Druck mehr oder weniger stark verbogen. Eine daraus resultierende Widerstandsänderung ergibt eine Veränderung des Signalpegels. Zur Vereinfachung der Systeme, werden die Funktionen von IAP und MAP Sensor auch in einem Bauteil integriert. Ein Drucksensor misst bei stehendem Motor den im Saugrohr herrschenden Atmosphärendruck und nach Motorstart den reduzierten Saugrohrdruck.

14 Bild 016 Drucksensor (MAP) Temperatursensor (ECT und IAT) Temperatursensoren arbeiten mit Thermistoren. Thermistoren arbeiten nach dem Prinzip des NTC. Bei niedrigen Temperaturen ist der Widerstand des Thermistors hoch, die resultierende Signalspannung hoch. Mit zunehmender Temperatur wird der Widerstand des Thermistors geringer und die resultierende Signalspannung niedrig. ECT und IAT arbeiten grundsätzlich nach dem gleichen Prinzip. Teilweise sind die Gehäuse in denen sich die Sensoren befinden unterschiedlich ausgeführt. ECT sind durchwegs aus Metall, da Temperaturänderungen nur relativ langsam erfolgen. IAT sind teilweise aus Kunststoff um Temperaturänderungen schneller erfassen zu können. Bild 017 Temperatursensor

15 Klopfsensor (knocksensor) Der Klopfsensor besteht aus einem Piezoelement, das bei Erschütterungen ein Spannungssignal erzeugt. Je heftiger die Erschütterung desto höher die erzeugte Spannung. Übersteigt das Spannungssignal einen vorgegebenen Wert, wird dies vom ECM als klopfende Verbrennung erkannt. Der Zündzeitpunkt wird in konstruktiv festgelegten Schritten in Richtung spät verstellt und nach Wegfall des Spannungssignals wieder in Richtung früh verstellt. Durch diese Funktion des Klopfsensors ist es möglich den Zündzeitpunkt näher an das theoretische Maximum zu legen und damit die Leistungsausbeute besonders bei hohen Drehzahlen zu verbessern. Ein Ausgleich von Kraftsoffsorten (Normal und Super) ist nur dann möglich, wenn der Regelbereich groß genug ist. Klopfsensoren ermitteln charakteristische Schwingungen des Kurbelgehäuses, die durch klopfende Verbrennungen verursacht werden. Sobald das ECM dieses Spannungssignal empfängt wird der Zündzeitpunkt in festgelegten Stufen in Richtung Spätzündung verstellt, bis die klopfenden Verbrennungen aufhören. Das ECM verstellt dann wieder in Richtung Frühzündung. Bild 018 Klopfsensor

16 Lambdasonde (O2-Sensor) Die Lambdasonde gibt an das ECM ein Spannungssignal ab, das in Abhängigkeit vom Restsauerstoffgehaltes des Abgases entsteht. Bei fettem Gemisch (Sauerstoffmangel) entsteht eine große Sauerstoffdifferenz, das Spannungssignal ist hoch. Bei magerem Gemisch (Sauerstoffüberschuss) entsteht nur eine kleine Sauerstoffdifferenz, das Spannungssignal ist niedrig. Beim Motorrad kommen sowohl Spannungs- als auch Widerstandsprungsonden zum Einsatz. Damit die Sonde das erforderliche Signal erzeugen kann ist eine Betriebstemperatur von etwa 300 C erforderlich. Da die Abgase aller Zylinder von der Sonde erfasst werden müssen und zudem die Sonde nicht überhitzen darf (max 650 C) wird die Sonde relativ weit vom Krümmer entfernt eingebaut. Die Gefahr der Überhitzung ist damit zwar gebannt, jedoch muss die Sonde zum Erreichen der Mindesttemperatur über ein Heizelement elektrisch auf Betriebstemperatur gebracht werden. Bild 019 Lambdasonde Die Spannungssprungsonde hat ein Platin beschichtetes Zirkonelement. Im Lambdafenster ändert sich die erzeugte Signalspannung sprungartig. Bei der Widerstandssprungsonde ändert sich der Widerstand im Lambdafenster sprungartig. Die Sonde baut kompakter und ist unempfindlicher gegen äußere Einflüsse.

17 Aktoren Neben den bereits beschriebenen Stellmotoren für Abgas und Einlasssteuerung sind die Einspritzventile von dem ECM zu steuern. Die Einspritzventile sind als elektromagnetische Ventile mit konstantem Hub ausgeführt. Die eingespritzte Kraftstoffmenge wird nicht über einen unterschiedlich großen Öffnungsquerschnitt sondern nur über eine Veränderung der Einspritzdauer erzeugt. Die Einspritzventile werden mit Bordspannung versorgt und das ECM steuert die Masseverbindung. Sobald der Transistor des ECM die Masseverbindung hergestellt hat, fließt Strom durch die Magnetwicklung. Das Magnetfeld bewegt eine Kolbenstange an dessen Ende ein Nadelventil oder ein Kugelventil geöffnet wird. Am Ende der Einspritzdauer wird der Stromkreis durch den Transistor unterbrochen, das Magnetfeld bricht zusammen. Über Federkraft wird die Kolbenstange wieder in Ruhelage gebracht und das Ventil geschlossen. Das zusammenbrechende Magnetfeld erzeugt in der Wicklung eine Induktionsspannung von etwa V. Der Öffnungshub des Ventils beträgt nur wenige zehntel Millimeter. Der Kraftstoff tritt aus bis zu 7 kleinen Bohrung aus. Bild 020 Primäre und Sekundäre Einspritzventile

18 Abgasreinigung Aufgabe: Aufgrund der hohen Schadstoffbelastungen der Luft durch Abgase aus dem Straßenverkehr schreibt der Gesetzgeber eine Verringerung der im Abgas enthaltenen Schadstoffe vor. Kraftstoffe bestehen vor allem aus KohlenwasserstoffVerbindungen. Bei vollkommener Verbrennung dieser Kohlenwasserstoff-Verbindungen mit Sauerstoff würden nur Wasserdampf und Kohlendioxid (CO2) entstehen. Kohlendioxid in großen Mengen wird für klimaverändernde Wirkung mitverantwortlich gemacht. Wegen der unvollständigen Verbrennung des Kraftstoffes im Motor entstehen jedoch neben Wasserdampf und Kohlendioxid fast 1000 weitere Abgasbestandteile. Die wichtigsten schädlichen Abgasbestandteile sind: Kohlenmonoxid (CO) Unverbrannte Kohlenwasserstoffe (HC) Stickoxide (NOx) Feststoffe (Ruß) Annähernd 99 % der Abgasbestandteile zählen zu den unschädlichen oder weniger schädlichen Abgasen (N2; CO2, H2O). Nur etwa 1 % der gesamten Abgasmenge muss zu den schädlichen Abgasen gerechnet werden. Schadstoffe: Motorradmotoren erreichen ihre höchste Leistung bei einem Gemischverhältnis von Lambda=0,88 (Luftmangel von ca %) da bei diesem Wert die Flammfrontgeschwindigkeit mit etwa 35 m/s den höchsten Wert erreicht. Bedingt durch den Luftmangel wird der Kraftstoff nicht vollständig ausgenutzt. Der Ausstoß von unverbrannten Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxid nimmt stark zu. Bei einer Gemischzusammensetzung von Lambda = 1,0 bis 1,1 (Luftüberschuss von 0 10 %) erreichen die Motoren den geringsten spezifischen Kraftstoffverbrauch. Jedoch sinkt die Motorleistung erheblich ab und aufgrund der unzureichenden Innenkühlung kann es zu Überhitzung kommen. Neutrale bis magere Gemischszusammensetzung ist daher nur im Leerlauf und im unteren Teillastbetrieb möglich. HC und CO werden bei Luftüberschuss nur in geringem Maß ausgestoßen, jedoch nimmt die Bildung von NOx bei Verbrennungstemperaturen von über 2000 C stark zu. NOx gilt als bodennahe Vorläufersubstanz von Ozon. Kohlenmonoxid. CO: Geruchloses, farbloses Gas, das bei einer Konzentration ab 0,3 % und längerer Einwirkdauer tödlich wirken kann. CO bildet sich bei jeder Verbrennung, da die Gemischzusammensetzung im Motor nicht homogen ist. Der CO Ausstoß steigt mit fetter werdendem Gemisch stark an. Unverbrannte Kohlenwasserstoffe (HC): Bestehen aus einer Vielzahl von unterschiedlichen Kohlenwasserstoffen und gelten zum Teil als Krebserregend (z.b. Benzol). Der HC Ausstoß ist bei fettem Gemisch und bei extrem magerem Gemisch hoch. Bei fettem Gemisch fehlt dem HC der Reaktionspartner Sauerstoff, bei extrem magerem Gemisch kommt es in Teilen des Brennraumes zu Verbrennungsaussetzern, da das Gemisch nicht mehr vollständig durchbrannt werden kann. Gleichzeitig sinkt die Flammfrontgeschwindigkeit auf etwa 20 m/s, sodass zum Zeitpunkt AV öffnet die Verbrennung nur unvollständig erfolgt ist. Stickoxide NOx: Bei der Verbrennung entstehen verschiedene Stickoxide (NO2 und NO3). Diese Verbindung sind keine chemisch stabilen Verbindungen und zersetzen sich unter Einfluss von UV-Licht (Sonnenlicht). Stickoxide gelten als Vorläufersubstanz des bodennahen Ozons. Ozon verursacht Schädigungen des Atemsystems. Die Bildung von NOx geschieht erst unter Einfluss von hohen Drücken und hohen Verbrennungstemperaturen. Wegen Sauerstoffüberschuss entstehen bei magerem Gemisch besonders hohe NOx Konzentrationen. Feststoffe (Ruß) Partikel entstehen besonders bei unvollständiger Verbrennung unter Sauerstoffmangel.

19 Gesetzliche Vorgaben Motorräder müssen je nach Hubraum die europäischen Abgasvorschriften nach ECE 40 und ECE 47 erfüllen. Abgasgrenzwerte EU1 EU2 EU3 Fahrzyklus 40s Leerlauf + 6 x Zyklus nach ECE 40 6 x ECE 40 Neuer Zyklus HC (g/km) 3 1 0,3 NOx (g(km) 0,3 0,3 0,15 CO (g/km) 13 5,5 2,0 Gültig seit Die Abgasmessung erfolgt dabei nach einer standardisierten Messmethode im Prüflabor. Die gesamten Abgase des Motors werden dabei gesammelt und analysiert. Schadstoffminderung Der Schadstoffausstoß eines Motorrades kann durch 4 Methoden reduziert werden: Umweltverträgliche Fahrweise Kraftstoffqualität Motorische Maßnahmen Abgasreinigung (thermisch und katalytisch) Umweltverträgliche Fahrweise Verzicht auf Hochgeschwindigkeitsfahrten Verzicht auf unnötige Fahrten Nutzung des unteren und mittleren Drehzahlbereiches wegen besonders guter Füllung der Zylinder. Kraftstoffqualität Eine Kraftstoffzusammensetzung die sicherstellt, dass schädliche Bestandteile (z.b. Schwefel) auf ein Minimum reduziert sind, sowie ein möglichst hoher Heizwert des Kraftstoffes ermöglichen zusammen mit einem hohen Wirkungsgrad des Motors einen reduzierten Schadstoffausstoß. Motorische Maßnahmen: Grundsätzlich sind alle Maßnahmen die zu einer Leistungsoptimierung führen auch tauglich, den Schadstoffausstoß zu vermindern. Hierzu zählen insbesondere: Motorkonstruktion (Brennraum, Ansaugwege, Verdichtung, Reibung, Motorsteuerung) Optimierung der Gemischbildungseinrichtung und der Gemischzusammensetzung auf den jeweiligen Betriebsbereich. Optimierung von Zündleistung und Zündzeitpunktbestimmung um eine fehlerlose Verbrennung zu gewährleisten. Schubabschaltung Gestaltung von Ansaug- und Abgasanlage.

20 Abgasreinigung Bei der Abgasreinigung muss zwischen einer thermischen und einer katalytischen Abgasreinigung unterschieden werden. Entstandene Abgase werden durch diese Verfahren in weniger schädliche Abgase umgewandelt. Thermische Abgasreinigung durch Sekundärluftsysteme (SLS oder PAIR). Beim SLS wird kurz nach dem Auslassventil durch einen Venturieffekt Frischluft in den Auspuff geführt. Der in der Luft enthaltene Sauerstoff kann bei ausreichend hoher Abgastemperatur (> 500 C) mit den unverbrannten Kohlenwasserstoffen HC zu H2O und CO2 reagieren und mit CO zu CO2 reagieren. Bei dieser Oxidation können etwa % der beiden Schadstoffe umgewandelt werden. Um schädliches Auspuffknallen zu verhindern wird das SLS im Schiebebetrieb abgeschaltet. Dies geschieht entweder über ein Saugrohrdruck betätigtes Membranventil oder durch das ECM und ein Magnetventil. Ein Rückschlagventil verhindert, dass Abgase über das SLS in den Luftfilter gelangen. Neben der Abgaskonvertierung bietet das SLS in Kombination mit einem Katalysator noch zwei entscheidende Vorteile: Durch die Oxidation wird die Abgastemperatur erhöht, der Katalysator kann weiter vom Auslass entfernt montiert werden. Beim Motorrad notwendige und gewünschte fette Gemische (Leistungsausbeute, Laufverhalten des Motors, Innenkühlung) können zumindest in Teilbereichen realisiert werden, ohne den Katalysator wegen zu vieler unverbrannter HC zu schädigen. Bild 021 Thermische Oxidation durch SLS System (Quelle Honda)

21 Katalytische Abgasreinigung durch geregelte und ungeregelte Katalysatoren. Aufgaben: In einem Konverter (Umwandler) sollen Abgase durch eine katalytische Umwandlung reduziert werden. NOx wird reduziert (aufgespalten) in N2 und O2 CO wird oxidiert (verbrannt) mit O zu CO2 HC wird oxidiert zu H2O und CO2 Ein Katalysator ist ein chemischer Stoff der eine chemische Reaktion ermöglicht oder erleichtert, ohne selbst an der Reaktion teilzunehmen. Als Katalysatorstoffe kommen Rhodium (Reduktion) und Platin (Oxidation) zur Verwendung. Da drei Schadstoffe in drei chemischen Reaktionen in einem Bauteil umgewandelt werden, wird der Katalysator auch DreiWege-Katalysator genannt. Bild 022 Metallträger 3-Wege Katalysator Aufbau: Der Katalysator besteht beim Motorrad in der Regel aus einem Metallträger-Material. Keramik-Träger finden beim Motorrad kaum Verwendung, da das Trägermaterial nicht ausreichend gegen Vibrationen beständig ist und einen deutlich erhöhten Strömungswiderstand wegen dickerer Materialstärken aufweist. Der Metallträger besteht aus 0,3 mm dickem Hitzebeständigem Metall, dass zur Vergrößerung der Oberfläche wellenförmig gewickelt wird. Auf dem Metallträger wird eine poröse Zwischensicht (wash-coat) aufgebracht, die in erster Linie die Oberfläche des Katalysators vergrößert. Auf die wash-coat wird die eigentliche katalytische Beschichtung (Platin und Rhodium) aufgebracht.

22 Betriebsbedingungen: Damit der katalytische Prozess starten kann, muss der Katalysator eine Mindestbetriebstemperatur von etwa 250 C erreichen. Den besten Wirkungsgrad erreicht der Katalysator im Temperaturfenster von etwa C. Oberhalb von etwa 800 C beginnt eine thermische Zersetzung der katalytisch wirksamen Stoffe, ab etwa 1000 C wird der Katalysator thermisch zerstört. Hohe Betriebstemperaturen können insbesondere nach Zünd- oder Verbrennungsaussetzern entstehen. Unverbrannte Kohlenwasserstoffe gelangen in zu großer Menge in den Katalysator, verbrennen dort und erhöhen die Temperatur über den zulässigen Grenzwert. Damit der Katalysator einen möglichst hohen Wirkungsgrad erreicht, müssen die Schadstoffe in einer mengenmäßig eng festgelegten Menge vorliegen. Es müssen ausreichend viele Stickoxide vorhanden sein, um bei der Reduktion ausreichend viele Sauerstoffatome freizusetzen. Es dürfen nur so viele Kohlenmonoxide und unverbrannte Kohlenwasserstoffe vorhanden sein, wie durch den freigesetzten Sauerstoff oxidiert werden können. Beispiel für die chemische Umwandlung NOx: 2NO3 + 2 CO N2 + 2 CO2 + 2 O2 CO: 2 CO + O2 HC: 2 C2H2 + 4 O2 2 CO2 + 4 H2O 2 CO2 Die notwendige Abgaszusammensetzung wird nur in einem sehr kleinen Bereich der Gemischzusammensetzung erreicht. Ungeregelter Katalysator Beim ungeregelten Katalysator ist keine Lambdasonde verbaut. Die Gemischbildung wird unabhängig vom Abgasreinigungssystem durch die Betriebsbedingungen vorgenommen. Nur in Teilen der Betriebsbedingungen entspricht die Gemischzusammensetzung dem Wert Lambda 1. Bei Abweichungen nach fett oder mager verschlechtert sich der Wirkungsgrad. Durch die Steuerung des SLS kann zumindest eine thermische Überlastung des Katalysators verhindert werden. Der Wirkungsgrad dieser Systeme liegt in der Summe etwa bei %. Geregelter Katalysator Beim geregelten Katalysator werden eine oder mehrere Lambdasonden verbaut. Die Lambdasonde gibt je nach Abgaszusammensetzung (Restsauerstoffgehalt) ein Spannungssignal an das ECM. Entsprechend des Spannungssignals (hoch = fett, niedrig = mager) wird die aufgrund der Betriebsbedingung festgelegte Einspritzdauer um einen konstruktiv vorgegebenen Wert verkürzt bzw. verlängert. Die Gemischzusammensetzung schwankt immer im Bereich des Lambdafensters 0,99-1,01. Um trotz des engen Lambdafensters eine gewünschte Motorcharakteristik zu erreichen wird auch der geregelte Katalysator mit einem SLS kombiniert. Eine weitere Verbesserung des Laufverhaltens wird durch einen eingeschränkten Regelbereich des Lambdasondensignals erreicht. Um die Kaltstarteigenschaften zu verbessern, wird das Lambdasignal erst ab Erreichen einer bestimmten Betriebstemperatur berücksichtigt. Bei thermisch kritischen Betriebsbedingungen (Volllast) bleibt zudem ebenfalls das Lambdasignal unberücksichtigt. Speziell in diesem Bereich ist allerdings auch der Wirkungsgrad des Katalysators stark eingeschränkt, da die Verweildauer der Abgase im Katalysator zu kurz wird. Der Wirkungsgrad des geregelten Katalysators kann unter optimalen Bedingungen bei 99 % liegen.

23 Merke: Ein Einspritzsystem besteht immer aus den Komponenten: o Kraftstoffsystem o Ansaug- und Auspuffsystem o Steuerungs- und Regelungssystem o Abgasreinigungssystem Bevor eine Diagnose des Motormanagementsystems vorgenommen wird, muss sicher sein, dass keine mechanischen Fehler z.b. im Motor vorliegen. Alle Abweichungen zum Serienstandard müssen ggfs. vor einer Diagnose zurückgebaut werden (PowerCommander usw.) Vor einer Diagnose müssen die Herstellerunterlagen zur Verfügung stehen.