Bachelorarbeit. Carl von Ossietzky Universität Oldenburg. Bachelorstudiengang Ökonomische Bildung / Technik

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1 Carl von Ossietzky Universität Oldenburg Bachelorstudiengang Ökonomische Bildung / Technik Bachelorarbeit Titel: Die Historie und der technische Aufbau von vorgelegt von: Betreuender Gutachter: Karl-Heinz Hoffmann Zweiter Gutachter: Prof. Dr. Gert Reich Oldenburg,

2 1. Einleitung 1 2. Aufbau und Funktionsweise des Viertakt-Ottomotors 2 3. Vergaser Historie Technik Aufbau des Oberflächenvergasers Aufbau des Steigstrom- / Flachstrom- / Fallstromspritzvergasers 8 4. Indirekte Einspritzung Historie Technik Aufbau und Funktion der Bosch K-Jetronic 17 mechanische indirekte Einspritzanlage Aufbau und Funktion der Bosch L-Jetronic 19 elektrische indirekte Einspritzanlage Aufbau und Funktion der Bosch LH-Jetronic 22 elektrische indirekte Einspritzanalage Aufbau und Funktion der Bosch ME-Motronic 22 vollelektronische Einspritz- und Zündanlage mit E-Gas 5. Direkte Einspritzung Historie Technik Elektronisch gesteuerte direkte Einspritzung strahlgeführt Elektronisch gesteuerte direkte Einspritzung wandgeführt Elektronisch gesteuerte direkte Einspritzung Bosch MED-Motronic Fazit 43 Literatur 45 Abbildungsverzeichnis 47

3 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 Viertakt- Ottomotors 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

4 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 Viertakt- Ottomotor 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 2 Grohe 1979, 43 3 Grohe 1979, 43 2

5 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 5 Vgl. Grohe 1979, 43 6 Vgl. Oder / Ortmann / Mallebrein 2002, 17 3

6 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, Wagner / Fischer / Frommann 1981, 70 8 Vgl. Beier / Fränkle / Haahtela 1983, 202 4

7 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 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 Gemisch- 9 Vgl. Urlaub 1987, Vgl. Urlaub 1987, Vgl. Grohe 1979, 72 5

8 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 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 einhalten 16 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 Dreiwege- 12 Vgl. Grohe 1979, Vgl. Beier / Fränkle / Haahtela 1983, 1 14 Vgl. Zugriff Vgl. Zugriff Vgl. Zugriff Vgl. Zugriff Vgl. Zugriff

9 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 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 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 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. Zugriff

10 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 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 Steigstrom- Spritzvergasers 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, Vgl. Grohe 1979, Vgl. Grohe 1979, Urlaub 1987, 143 8

11 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 Vgl. Wagner / Fischer / Frommann 1981, Vgl. Wagner / Fischer / Frommann 1981, Vgl. Wagner / Fischer / Frommann 1981, Vgl. Grohe 1979, Vgl. Wagner / Fischer / Frommann 1981, 101 9

12 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, Vgl. Wagner / Fischer / Frommann 1981, Vgl. Wagner / Fischer / Frommann 1981, Vgl. Wagner / Fischer / Frommann 1981,

13 Drosselklappe. Dies wird durch zwei unterschiedlich große Kugelventile im Kraftstoffzulauf gesteuert. Abbildung 5: Beschleunigungspumpe (links); Leerlaufregulierung (rechts) Abbildung 6: Flachschieber 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 33 Vgl. Grohe 1979, 75 f. 11

14 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 Beier / Fränkle / Haahtela 1983, Beier / Fränkle / Haahtela 1983,

15 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 Saugrohrein- 36 Vgl. Beier / Fränkle / Haahtela 1883, Vgl. Oder / Ortmann / Mallebrein 2002, 4 13

16 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 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 Benzineinspritzung 40, 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 US- Markt. 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 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. Zugriff Vgl. Zugriff Vgl. Beier / Fränkle / Haahtela 1983, 175 f. 41 Vgl. Zugriff Vgl. Zugriff Vgl. Zugriff

17 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 wird 45. 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 Magneti- Marelli 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 , 30 f. 45 Vgl. Mechner / Köhler / Michelt 2003, Vgl. Robert Bosch GmbH 2003, 68 15

18 vom japanischen Hersteller NGK. Das Motorsteuergerät ist schließlich von Magneti- Marelli, 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 Systemen 48, 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 , 2 f. 48 Vgl. Zugriff Wagner, Fischer, Fromman 1981, Vgl. Beier / Fränkle / Haahtela 1983, 175 ff. 16

19 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 konnte 51, 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 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 Vgl. Mechner / Köhler / Michelt 2003, Vgl. Mechner / Köhler / Michelt 2003, Beier / Fränkle / Haahtela 1983,

20 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 Vgl. Grohe 1979, Vgl. Grohe 1979, Vgl. Küttner 1984, Küttner 1984,

21 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 Aufbau und Funktion der Bosch L-Jetronic elektrische indirekte Einspritzanlage Die Bosch L-Jetronic ist eine Weiterentwicklung der ebenfalls elektronischen, aber druckgesteuerten Bosch D-Jetronic. Sie spritzt intermittierend in das Saugrohr ein. Die Bosch L- Jetronic 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, Abbildung 8: Blockschaltbild L-Jetronic durch Verwendung von 58 Vgl. Grohe 1979, Vgl. Grohe 1979, 91 19

22 Hybridbausteinen wurde die Anzahl der elektronischen Bauteile im Vergleich zur Bosch D- Jetronic 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. Beier / Fränkle / Haahtela 1983, Vgl. Grohe 1979, Beier / Fränkle / Haahtela 1983, Vgl. Grohe 1979, Vgl. Beier / Fränkle / Haahtela 1983, Vgl. Grohe 1979, 95 20

23 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 Vgl. Grohe 1979, Grohe 1979, Grohe 1979, 95 21

24 4.2.3 Aufbau und Funktion der Bosch LH-Jetronic elektrische indirekte Einspritzanlage 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 sequenziell 71, jedes Einspritzventil wird vom Steuergerät gesondert angesteuert, alle Ventile haben aber die gleiche Öffnungsdauer 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 Abgasvor- 69 Beier / Fränkle / Haahtela 1983, Vgl. Fachkunde Kraftfahrzeugtechnik 2004, Vgl. Fachkunde Kraftfahrzeugtechnik 2004,

25 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 liefern 74, 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 73 Vgl. Tabellenbuch Kraftfahrzeugtechnik 2004, Vgl. Robert Bosch GmbH 2003, 6 75 Vgl. Robert Bosch GmbH 2003, Robert Bosch GmbH 2003, Vgl. Robert Bosch GmbH 2003, 84 23

26 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 Vgl. Robert Bosch GmbH 2003, 14 24

27 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. 80 Vgl. Robert Bosch GmbH 2003, Vgl. Robert Bosch GmbH 2002, 74 f. 82 Vgl. Fachkunde Kraftfahrzeugtechnik 2004, Vgl. Fachkunde Kraftfahrzeugtechnik 2004,

28 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 NO x, CO und HC zu CO 2, H 2 O und N 2 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 Vgl. Fachkunde Kraftfahrzeugtechnik 2004, Vgl. Fachkunde Kraftfahrzeugtechnik 2004, Vgl. Robert Bosch GmbH 2003, 63 26

29 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 Katalysator 91, 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 Vgl. Fachkunde Kraftfahrzeugtechnik 2004, Fachkunde Kraftfahrzeugtechnik 2004, Vgl. Volskwagen SSP Nr , 16 ff. 90 Vgl. Robert Bosch GmbH 2002, Vgl. Robert Bosch GmbH 2003, 57 27

30 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 bei- 92 Fachkunde Kraftfahrzeugtechnik 2004, Vgl. Tabellenbuch Kraftfahrzeugtechnik 2004, Vgl. Robert Bosch GmbH 2002, Fachkunde Kraftfahrzeugtechnik 2004, Vgl. Fachkunde Kraftfahrzeugtechnik 2004,

31 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 Vgl. Volkswagen SSP Nr , 16 ff. 98 Vgl. Volkswagen SSP Nr , 30 ff. 29

32 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 elektroni- 99 Vgl. Volkswagen SSP , Vgl. Fachkunde Kraftfahrzeugtechnik 2004, 278 ff. 30

33 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 Vgl. Fachkunde Kraftfahrzeugtechnik 2004, 278 ff. 102 Vgl. Robert Bosch GmbH 2002, Vgl. Volkswagen SSP Nr , Vgl. Volkswagen SSP Nr , 21 31

34 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 Vgl. Volkswagen SSP Nr , 9 32

35 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 Vgl. Robert Bosch GmbH 2002, 93 33

36 5. Direkte Einspritzung Die direkte Kraftstoffeinspritzung bei Motoren ist fast so alt wie der Vergaser, bei Pkw- Benzinmotoren 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 Fliegerei 109, 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, Zugriff Beier / Fränkle / Haahtela 1983, 10 34

37 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 Hochdruck- Einspritzventile sowie das Drucksteuerventil und der Raildrucksensor angebracht sind. Der Raildrucksensor misst den Kraftstoffdruck im Rail und arbeitet in einem Regelkreis über 110 Vgl. Robert Bosch GmbH 2002, Beier / Fränkle / Haahtela 1983, Vgl. Zugriff Vgl. Zugriff Vgl. Robert Bosch GmbH 2002, 60 35

38 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 Mulden 119 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 NO x, deshalb ist ein weiterer Katalysator im Abgasstrang nötig, der NO x -Speicherkatalysator. 121 Der NO x -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 Vgl. Robert Bosch GmbH 2002, Robert Bosch GmbH 2002, Fachkunde Kraftfahrzeugtechnik 2004, Vgl. Braess / Seiffert, 2003, 188 ff. 119 Vgl. Volkswagen SSP Nr , Vgl. Volkswagen SSP Nr , Vgl. Fachkunde Kraftfahrzeugtechnik 2004, Vg. Robert Bosch GmbH 2002, 84 f. 123 Vgl. Fachkunde Kraftfahrzeugtechnik 2004,

39 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 gespritzt 124, 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 Abbildung 13: Schichtbetrieb ein Mischungsverhältnis von circa λ = 1 hat, in den Bereich der Zündkerze gebracht. Der Bereich um die Gemischwolke ist sehr mager, durch eine hohe Abgasrückführung wird der Bildung von NO x entgegengewirkt. 125 Bezogen auf den gesamten Brennraum ergeben sich Lambdawerte zwischen 1,6 und 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 Homogen- Mager-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, Vgl. Fachkunde Kraftfahrzeugtechnik 2004, Volkswagen SSP Nr , Vgl. Fachkunde Kraftfahrzeugtechnik 2004, Fachkunde Kraftfahrzeugtechnik 2004,

40 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 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. Robert Bosch GmbH 2002, Vgl. Braess / Seiffert, 2003, Vgl. Volkswagen SSP Nr , Fachkunde Kraftfahrzeugtechnik 2004, Vgl. Braess / Seiffert 2003, Vgl. Braess / Seiffert 2003,

41 Problem ist [ ] die Verkokungsneigung des zentral, das heißt in heißer Umgebung angeordneten Injektors[ ] 135. Abbildung 15: Strahlgeführte Direkteinspritzung 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 werden 139, um Nachteile einzelner Verfahren in bestimmten Betriebszuständen zu vermeiden. 135 Braess / Seiffert 2003, Braess / Seiffert 2003, Fachkunde Kraftfahrzeugtechnik 2004, Vgl. Fachkunde Kraftfahrzeugtechnik 2004, Vgl. Fachkunde Kraftfahrzeugtechnik 2004,

42 Abbildung 167: Swirl-Strömung 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 NO x - Speicherkatalysator angebrachten NO x -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 leis- 140 Vgl. Robert Bosch GmbH 2002, Vgl. Fachkunde Kraftfahrzeugtechnik 2004, 283 f. 142 Fachkunde Kraftfahrzeugtechnik 2004,

43 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 NO x - Speicherkatalysator nur in einem bestimmten Temperaturbereich wirksam ist. Der NO x - Sensor 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 Benzin- Direkteinspritzung 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. Robert Bosch GmbH 2003, Vgl. Vgl. Volkswagen SSP Nr , Vgl. Fachkunde Kraftfahrzeugtechnik 2004,

44 Abbildung 18: Bosch MED-Motronic 42