WEITERBILDUNG SERVICE TECHNIKER TECHNIK VON PROFIS FÜR PROFIS Motor- und Motormanagementsysteme Bordnetz, Vernetzung, Kommunikation Fahrzeug und Komfort Navigation, Unterhaltung, Infotainment Fahrzeug und Sicherheit Fahrzeug, Reifen, Fahrwerk Kraftstoffe und Antriebe Instandsetzung und Diagnose Sensoren, Aktoren Motor, Abgase und Umweltproblematik Antriebsstrang Fahrzeugsysteme/Mechatronik
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Motor- und Motormanagementsysteme Dieselantrieb Diagnose unter Hochdruck Die OM-651-Dieselmotoren von Mercedes mit Delphi-Common-Rail-System Bild 1: Der Mercedes-Dieselmotor OM 651 war bei seiner Einführung eines der modernsten Aggregate. Er sitzt in Fahrzeugen vom Sprinter bis zur C- Klasse. Mit der Präsentation des Common-Rail-Systems im Mercedes- Benz C 220 CDI im Jahr 1998 etablierte sich der Dieselmotor auch in der automobilen Oberklasse. Das damalige Common- Rail-System erreichte schon einen maximalen Einspritzdruck von 1.350 bar. Die Leistungsausbeute nahm in den folgenden Jahren stetig zu. Mit der Einführung des Motors 646 in der 125-kW-Variante arbeitete das System bereits mit einem maximalen Einspritzdruck von 1.600 bar und erzeugte ein maximales Motordrehmoment von 400 Nm. Der aktuelle Motor 651 arbeitet jetzt sogar mit einem maximalen Einspritzdruck von 2.000 bar und erzeugt ein maximales Motordrehmoment von 500 Nm. Des Weiteren kommen direkt angesteuerte Piezoinjektoren zum Einsatz, die bis zu fünfmal schneller arbeiten als die bisher eingesetzten Magnetinjektoren. Dadurch lässt sich die Einspritzung noch genauer in Vor-, Hauptund Nacheinspritzungen einteilen, wodurch sich eine bessere Verbrennung und damit reduzierte Abgasemissionen ergeben. Dieser Beitrag beschreibt den Umgang mit dem Delphi-Common- Rail-System der Mercedes-Motoren in der Werkstatt. Besonders hervorzuheben am Motor 651 sind die Piezoinjektoren, eine zweistufige Turboaufladung und der Rädertrieb in Kombination mit einem Kettentrieb auf der Kraftabgabeseite. Den Abgasgrenzwert nach der Euro-5-Norm hält der Motor mit dem bekannten Abgasnachbehandlungssystem aus Oxidationskatalysator und Dieselpartikelfilter (DPF) ein. Gleichzeitig erreichten die Entwickler gegenüber dem Vorgängermotor ein Leistungsplus von 20 Prozent auf 150 kw bei geringerem Hubraum. Grundvoraussetzung für eine erfolgreiche Diagnose ist es, die richtige Generation des Einspritzsystems zu erkennen. Werden hier Fehler gemacht, stimmen alle nachfolgenden Prüfschritte nicht mehr und es kommt zu Fehlinterpretationen. Das System (CDI D Delphi) kann anhand des Baujahrs (Fahrgestellnummer) und des Motorcodes identifiziert werden. Falls eine Kommunikation mit dem Fahrzeugsystem möglich ist, kann man das System auch mit dem Diagnosetester identifizieren. Alle Steuergeräte der Systemfamilie CDI D Delphi haben folgende Merkmale: Zweiteiliger Steckanschluss 154 Klemmen Bild 2 zeigt mögliche Informationen beim Auslesen des Steuergerätes. Dies kann zum Beispiel hilfreich sein, falls ein Ersatzteil ermittelt werden muss (HW-Nr.) oder wenn die Werkstatt überprüfen möchte, ob die Kundenbeanstandung mit einem Softwareupdate (SW-Stand) behoben werden könnte. Diese Informationen sind ebenfalls wichtig, wenn der Fahrzeughersteller im Rahmen des Regelservice vorschreibt, die Steuergerätesoftware auf Aktualität zu prüfen. Bei der Diagnose eines Fehlers im Motormanagement sollen dem Werkstattfachmann Fehlersuchpläne helfen, in die er mit der Beanstandung des Kunden einsteigen kann. Lautet diese zum Inhalt Diagnose untere Hochdruck Kraftstoffsystem 50 Motorregelung 54 Sensoren 56 Vorglühsystem 60 Abgas 61 12 /2012 www.kfz-betrieb.de 49
Wurden am Motor keine leistungssteigernden Maßnahmen (insbesondere Chip-Tuning und/oder Veränderungen an Ventil-Steuerzeiten) vorgenommen? Kraftstoffsystem Die Kraftstoffversorgung ist in ein Niederdrucksystem und ein Hochdrucksystem unterteilt. Niederdrucksystem Bild 2: Informationen beim Auslesen des Steuergeräts zu Hardwarenummer (HW-Nr.) bzw. über den Softwarestand (SW-Stand) des Systems. Beispiel Anlasser dreht, Motor startet nicht, beginnt die Fehlersuche mit der Abfrage des Fehlerspeichers. Liegt ein Eintrag vor, sollte dieser mit einer Komponentenprüfung abgearbeitet werden. Hat das System jedoch keinen Fehler abgelegt, sind Systemkenntnis und Erfahrung gefragt, dann müssen Soll- und Istwerte auf Plausibilität geprüft werden. Ergibt sich auch dabei kein offensichtlicher Fehler, sollte man mit den grundsätzlichen Vorausetzungen für einen einwandfreien Motorlauf fortfahren. Zum Beispiel empfiehlt Mercedes bei Dieselmotoren einen Tankinhalt von mindesten 15 Litern. Im weiteren Verlauf werden dann die Systemkomponenten des Kraftstoffsystems überprüft, bis die Beanstandung behoben ist. Bevor wir das Kraftstoffsystem genauer unter die Lupe nehmen, empfiehlt sich ein Blick auf allgemeingültigen Prüfvoraussetzungen. So muss zum Beispiel die Motormechanik einwandfrei arbeiten, damit das Common-Rail-System funktioniert. Weitere wichtige Punkte sind: Ist der Ladezustand der Batterie in Ordnung? Haben sämtliche Steckanschlüsse einen einwandfreien Sitz und sind nicht vertauscht? Dies ist insbesondere bei Unfallfahrzeugen, vorangegangenen Reparaturen und nachträglichen Einbauten zu beachten. Sind die Masseverbindung(en) des Motors, der Karosserie und der Komponenten in Ordnung? Funktionieren weitere Systeme, die Einfluss auf die Motorsteuerung haben, einwandfrei? Zum Beispiel Klimaanlage, Getriebesteuerung, Wegfahrsperre, CAN-Datenbus usw. Ist der Motor mechanisch in Ordnung? Stimmen zum Beispiel Ventil-Steuerzeiten und Ventilspiel, Zylinder-Kompression/- Druckverlust, Querschnitt und Dichtheit der Abgasanlage, Dichtheit des Ansaugsystems, Entlüftung des Kurbelwellengehäuses? Entsprechen Füllstand und Qualität der Betriebsstoffe Kraftstoff, Motoröl und Kühlmittel den Vorschriften des Fahrzeugherstellers und wurden die Wechselintervalle eingehalten? Wurden bei vorangegangenen Reparaturen oder Kundendienstmaßnahmen ausschließlich für dieses Fahrzeug/System freigegebene Ersatzteile verwendet? Die elektrische Kraftstoffpumpe fördert den Kraftstoff über den Filter und das Mengenregelventil bis zur Hochdruckpumpe und von dort zum Kraftstoffüberdruckventil. Das Mengenregelventil steuert das Kraftstoffvolumen, das über den Ringkanal den zwei Pumpenelementen der Hochdruckpumpe zugeführt wird. Im Schubbetrieb, das heißt bei geschlossenem Mengenregelventil, wird zur Schmierung der Pumpenelemente der Kraftstoff Bild 3: Systemübersicht der Niederdruckseite: 5 Kraftstoffbehälter, 6 Saugstrahlpumpe, 7 Kraftstoffsieb, 8 Beruhigungstopf, 9 Kraftstoffpumpe. vom Kraftstoffzulauf über die Nullförderdrossel direkt in den Ringkanal geleitet. Den am Mengenregelventil anliegenden Kraftstoffdruck begrenzt das Kraftstoffüberdruckventil auf 4 bis 4,5 bar. Wird dieser Wert überschritten, öffnet das Ventil und leitet den überschüssigen Kraftstoff in den Rücklauf zum Kraftstoffbehälter. Zusätzlich wird ein Teil des Kraftstoffs als Schmiermenge vom Kraftstoffüberdruckventil zur Exzenterwelle geleitet. Sollten sich Luftblasen im Kraftstoff befinden, wird die Luft über das Kraftstoffüberdruckventil zum Rücklauf der Hochdruckpumpe geführt und auf diese Weise das Niederdrucksystem entlüftet. Um den Wirkungsgrad des Motors zu erhöhen und zusätzlich die Temperatur des Kraftstoffs niedrig zu halten, regelt das Mengenregelventil den Zufluss des Kraftstoffs zur Hochdruckpumpe. Damit der Kraftstoff auch bei sehr niedrigen Außentemperaturen durch die Leitungen fließen kann, befindet sich ein Heizelement im Kraftstofffilter. Das Heizelement wird vom vorderen Signalerfassungs- und Ansteuerungsmodul (SAM) mit Strom versorgt. Sendet das Airbagsteuergerät ein Crash-Signal an das Motorsteuergerät, wird die Ansteuerung der Kraftstoffpumpe sofort unterbrochen und das System drucklos geschaltet. Möglicher Fehlercode: 22F9 Kraftstofffilter verschmutzt/elektrischer Fehler Zur Prüfung des Kraftstoffdrucks muss man dafür vorgesehenes Werkzeug benutzen. Bosch bietet zum Beispiel ein sogenann- 50 www.kfz-betrieb.de 12 /2012
Motor- und Motormanagementsysteme tes Diesel Set 1 an. Es beinhaltet alle nötigen Adapter und Messuhren, um die Prüfung korrekt und praxisgerecht durchzuführen. Wenn der Systemdruck nicht erreicht wird, sollte man folgende Fehlermöglichkeiten in Betracht ziehen: Tankbelüftung ist defekt oder verstopft. Das Kraftstoffvorwärmungs-Heizelement ist verstopft (wenn verbaut). Der Kraftstofffilter ist verstopft. Der Kraftstoffkühler ist verstopft. Die Kraftstoffförderpumpe ist mechanisch defekt. Schlauchleitungen sind undicht, verschmutzt oder verengt. Die elektrischen Prüfungen im Bereich des Niederdrucksystems beziehen sich auf die Elektrokraftstoffpumpe und das Elektrokraftstoffpumpenrelais. Die Komponenten sind Eigendiagnosefähig. Mögliche Fehlercodes sind: 2339 Elektrokraftstoffpumpe Unterbrechung 2339 Elektrokraftstoffpumpe Plusschluss 2339 Elektrokraftstoffpumpe Masseschluss Um die elektrischen Leitungen und Steckverbindungen schnell und einfach zu überprüfen, steht ein Stellgliedtest in der Eigendiagnose zur Verfügung. Die Ansteuerung der Elektrokraftstoffpumpe erfolgt getaktet. Sie wird mit drei Wiederholungen für 1,5 Sekunden angesteuert, dazwischen ist eine Pause von 0,5 Sekunden. Das Elektrokraftstoffpumpenrelais schaltet dabei hörbar und die Elektrokraftstoffpumpe muss hörbar laufen. Während des Stellgliedtests zeigt der Tester aktuelle Istwerte an. Sollte dabei der Kraftstoffdruck nicht erreicht werden, lässt sich die Fehlerursache mit Komponententests ermitteln. Spannungsversorgung der Kraftstoffpumpe prüfen Voraussetzungen: Der Steckanschluss der Elektrokraftstoffpumpe ist abgezogen und der Relaissockel ist mit einer gesicherten Kabelbrücke verbunden. Die Messung erfolgt am Steckanschluss der Elektrokraftstoffpumpe kabelbaumseitig. Der Sollwert entspricht der Bordnetzspannung. Um sicher entscheiden zu können, ob die Komponente tatsächlich defekt ist, kann sie mit einer abgesicherten, externen Spannung betrieben werden. Sollte dabei der Kraftstoffdruck erreicht werden, liegt das Problem kabelbaumseitig oder am Elektrokraftstoffpumpen-Relais. Je nach Ausführung des Relais kann die Information über die Klemmenbelegung in einer Abbildung auf der Komponente ersichtlich sein. Spannungsversorgung prüfen: Die Messung erfolgt am Stecksockel von Klemme 2 gegen Masse, bei eingeschalteter Zündung sollte Bordnetzspannung anliegen. Wird das Relais vom Motorsteuergerät angesteuert, liegt gemessen zwischen Klemme 1 und Klemme 2 Bordnetzspannung an (geschaltete Masse vom Steuergerät). Das Relais selbst kann mit einer Widerstandsmessung geprüft werden. Typische Prüfwerte sind steuerseitig 50 bis 150 Ohm und schaltseitig < 1 Ohm. Elektrische Leitungsverbindungen prüfen Bedingt durch Isolationsfehler, hervorgerufen durch Witterungs-, mechanische und andere Einflüsse sowie durch eingedrungene Feuchtigkeit in Kabelsträngen oder Steckverbindungen, können ungewollte elektrische Verbindungen zu anderen elektrischen Komponenten entstehen. Die Übergangswiderstände sind häufig jedoch so hoch, dass kein direkter Kurzschluss entsteht und somit eventuell vorhandene Leitungsschutzeinrichtungen zum Beispiel Sicherungen nicht ansprechen. Insbesondere bei Signalund Steuerleitungen kann das fehlerhafte Potenzial zu Fehlfunktionen der Systeme oder Komponenten führen. Bei Systemen mit einer Eigendiagnose erfolgen in der Regel folgende Einträge im Fehlerspeicher: Plusschluss Masseschluss oder Unterbrechung. Um eine elektrische Funktion und eine eindeutige Diagnosefähigkeit, insbesondere bei Signal- und Steuerleitungen, sicherzustellen, werden diese im Normalzustand häufig durch das Steuergerät, entweder definiert gegen Minus oder gegen Plus geschaltet. Das hat zur Folge, dass die elektrischen Leitungen im einseitig offenen Zustand (das heißt, der Stecker am Steuergerät ist gesteckt) nicht potenzialfrei sind und so keine Prüfungen auf Plus- bzw. Masseschluss möglich sind. Folgende Prüfvoraussetzungen müssen beachtet werden: Während der Messung darf kein Batterieladegerät angeschlossen sein. Es dürfen sich keine Geräte in der Nähe des Fahrzeugs befinden, von denen elektrische Felder abstrahlen (zum Beispiel Sendegeräte, Mobilfunktelefone usw.). Denn sonst besteht die Gefahr von Fehlmessungen durch induktive bzw. kapazitive Kopplungen! Bei neueren Systemvarianten erfolgt das Einschalten der Kraftstoffpumpe, wenn ihr Steuergerät das Signal Kraftstoffpumpe Ein erhält. Dieses Signal sendet das Motorsteuergerät redundant als CAN-Signal über den Antriebs-CAN und als Massesignal. Zusätzlich erhält das Steuergerät der Kraftstoffpumpe das CAN- Signal Kraftstoff-Solldruck vom Motorsteuergerät. Es erfasst den aktuellen Kraftstoffdruck über ein Spannungssignal vom Kraftstoffdrucksensor und sendet diese Information über den Antriebs-CAN. Das Steuergerät der Kraftstoffpumpe wertet zudem den aktuellen Kraftstoffdruck aus, gleicht ihn mit dem Kraftstoff-Solldruck ab und steuert die Kraftstoffpumpe mit ei- Bild 4: Ansteuerung der Kraftstoffpumpe. Die Grafik zeigt einen typischen Spannungs- und Stromverlauf. 12 /2012 www.kfz-betrieb.de 51
nem pulsweitenmodulierten Signal (PWM-Signal) so an, dass der Istwert dem Sollwert entspricht. Je nach Bedarf wird der Kraftstoffdruck über das in die Hochdruckpumpe integrierte Druckbegrenzungsventil variabel auf etwa vier bar geregelt. Hochdrucksystem Das Hochdrucksystem erzeugt den für die Einspritzung erforderlichen Kraftstoffdruck und speichert diesen. Der Kraftstoff wird, geregelt von der Hochdruckpumpe, in das Rail gefördert. Über die Hochdruckleitungen gelangt er dann mit einem maximalen Einspritzdruck von bis zu 2.000 bar zu den einzelnen Piezoinjektoren. Das Hochdrucksystem arbeitet leckölfrei. Die Hochdruckpumpe verdichtet je nach Signal des Fahrpedalsensors und Motordrehzahl eine bestimmte Menge Kraftstoff. Den tatsächlichen Kraftstoffdruck sowie die Kraftstofftemperatur im Rail erfassen der Raildruck- und der Kraftstofftemperatursensor, die die Daten permanent an das Steuergerät weiterleiten. Das Steuergerät regelt den Raildruck auf Basis dieser Daten über das Mengenregelventil und das Druckregelventil. Die zylinderselektive Einspritzmenge berechnet das Steuergerät dann kennfeldabhängig. Sie ist abhängig vom Kraftstoffdruck im Rail und von der Ansteuerdauer der Piezoinjektoren. Nach dem Abstellen des Motors liegt noch ein Restdruck von 50 bis 80 bar im System an. Das Einspritzsystem darf deshalb aus Sicherheitsgründen erst nach einem Abbau dieses Drucks geöffnet werden. Das Steuergerät regelt den Raildruck ebenfalls kennfeldabhängig über das Druckregelventil oder das Mengenregelventil. Dabei unterscheidet es zwischen der Druckregelventil-Regelung und der Mengenregelventil-Regelung. Nach jedem Motorstart steuert es zuerst das Druckregelventil an, das Mengenregelventil ist in diesem Fall vollständig geöffnet. So kann die maximale Kraftstoffmenge zur Hochdruckpumpe gefördert werden. Die Druckregelventil-Regelung erfolgt unter folgenden Bedingungen: Nach jedem Motorstart im Leerlauf bis zu einer Kraftstofftemperatur von 10 C, bei steigender Kraftstofftemperatur. Nach jedem Motorstart im Leerlauf ab einer Kraftstofftemperatur von 5 C, bei fallender Kraftstofftemperatur. Beim Abschalten des Motors wird die Kraftstoffzufuhr zu den Pumpenelementen vom Mengenregelventil unterbrochen. Das System wird durch die Eigendiagnose überwacht. Mögliche Fehlercodes sind zum Beispiel: 2075 Hochdruckkreislauf Maximaldruck überschritten 236E Hochdruckkreislauf prüfen Zur Plausibilitätsprüfung stehen diverse Istwerte zur Verfügung. In Verbindung mit dem Raildrucksensor kann man so überprüfen, ob das Steuergerät ein Signal an die jeweilige Komponente ausgibt. Voraussetzung dafür, dass die Diagnoseaussage stimmt, ist, dass der Sensor in Ordnung ist. Sollte es dabei Unklarheiten geben, bietet es sich an, den Hochdruckbereich mit zusätzlichem Werkzeug zu prüfen. Dafür bietet zum Beispiel Bosch das sogenannte Dieselset 3 an. Es enthält alle Adapter und Messgeräte, die eine Aussage zum Hochdruckkreis parallel zur Eigendiagnose des Motorsteuergerätes zulassen. Bild 6: Zur Plausibilitätsprüfung stehen für den Hochdruckkreis verschiedene Istwerte zur Verfügung. Gemischbildung Bild 5: Systemübersicht Hochdruck 1 Heizelement Kraftstoff, 2 Kraftstofffilter, 3 Rail, 4 Raildrucksensor, 5 Druckleitung, 6 Piezoinjektor, 7 Hochdruckpumpe, 8 Mengenregelventil, 9 Druckregelventil Die Einspritzregelung definiert den Einspritzzeitpunkt und die Einspritzdauer. Die Einspritzmenge hängt dabei, wie beschrieben, vom Raildruck und der Einspritzdauer ab. Über die vom Steuergerät direkt angesteuerten Piezoinjektoren lässt sich die Kraftstoffeinspritzung sehr genau an die jeweilige Situation bezüglich Last und Drehzahl anpassen. Dabei wird je nach Einspritzzeitpunkt zwischen Voreinspritzung, Haupteinspritzung und Nacheinspritzung unterschieden. Bei der Voreinspritzung wird vor Beginn der eigentlichen Haupteinspritzung eine kleine Menge an Kraftstoff in den Zylinder eingespritzt. Dieser Vorgang findet bis zu zweimal statt. Dadurch wird der Wirkungsgrad der Verbrennung verbessert, und 52 www.kfz-betrieb.de 12 /2012
Motor- und Motormanagementsysteme es ergibt sich durch das Aufheizen des Brennraums ein weicherer Verbrennungsablauf. Daraus resultieren geringere Abgasemissionen und leisere Verbrennungsgeräusche. Das Steuergerät berechnet die Voreinspritzmenge und den Ansteuerbeginn der Piezoinjektoren abhängig von folgenden Faktoren: Lastzustand des Motors Ansteuerbeginn der letzten Haupteinspritzung Die Haupteinspritzung regelt dann das Motordrehmoment und die Leistung. Sie erfolgt mit geringerem Abstand nach der Voreinspritzung. Der Einspritzdruck von bis zu 2.000 bar zerstäubt dabei den Kraftstoff sehr fein. Die dadurch entstandenen Kraftstofftropfen weisen im Verhältnis zum Volumen eine große Oberfläche auf. Dadurch wird einerseits die Geschwindigkeit des Verbrennungsprozesses begünstigt und andererseits eine geringere Partikelgröße bei den Emissionen erreicht. Im Anschluss an die Haupteinspritzung steuert das Motormanagement bis zu zwei Nacheinspritzungen. Die Erste dient dazu, die Abgastemperatur zu erhöhen, um den Umwandlungsprozess der Abgasbestandteile im Oxidationskatalysator zu unterstützen. Die zweite Nacheinspritzung findet abhängig von dem Beladungszustand des Dieselpartikelfilters (DPF) statt. Sie erhöht die Abgastemperatur weiter und löst dadurch den Regenerationsvorgang im DPF aus. Die Partikel im Abgas werden nachträglich verbrannt. Die Reibung beim Öffnen und Schließen der Piezoinjektoren führt zu Verschleiß am Düsensitz der Düsennadel. Daraus ergibt sich über die Laufzeit eine Veränderung der Einspritzmenge, die das Motormanagement durch eine Korrektur der Ansteuerdauer ausgleicht. Die Einspritzmengenkorrektur setzt sich wie folgt zusammen: Nullmengenkalibrierung Haupteinspritzmengen-Korrektur Dabei sind folgende Voraussetzungen erforderlich: Motordrehzahl zwischen 1.000 und 2.600 min -1 Schub- oder Fahrbetrieb Motoröltemperatur höher als 80 C Beim Motor 651 mit Delphi-Einspritzsystem erfolgt die Nullmengenkalibrierung mit Hilfe von zwei Klopfsensoren. Dafür kalibriert die Elektronik während des Motor- oder Schubbetriebs in definierten Zeitabständen eine zylinderselektive Voreinspritzmenge. Dabei erhöht sie die Ansteuerdauer so lange, bis das Steuergerät ein Signal der beiden Klopfsensoren empfängt. Die Differenz zwischen der ermittelten und der nominalen Ansteuerdauer wird dann zur Einspritzmengenkorrektur genutzt. Die Funktion Haupteinspritzmengen-Korrektur korrigiert die Haupteinspritzmenge mittels der Lambdasonden vor dem Katalysator. Dabei wird die Einspritzmenge so lange verändert, bis der im Steuergerät hinterlegte Lambda-Sollwert erreicht ist. Startfreigabe des Fahrberechtigungssystems Bei Fahrzeugen mit Automatikgetriebe Fahrstufe P oder N eingelegt. Die Startersteuerung im Motorsteuergerät schaltet den Starter an und ab. Das Steuergerät liest für das Starten folgende Sensoren und Signale ein: Öltemperatursensor Atmosphärendrucksensor Positionssensor Kurbelwelle Raildrucksensor Hallsensor Nockenwelle Kühlmittel-Temperatursensor Klemme-61-Signal Dreht der Fahrer den Zündschlüssel in Startstellung, erhält das Motorsteuergerät über den Fahrwerk-CAN das Klemme 50-Signal vom Steuergerät des elektronischen Zündschlosses. Das Motorsteuergerät steuert daraufhin das Relais Klemme 50 Starter mit einem Massesignal an. Der Leistungskontakt des Relais schließt, und der Magnetschalter des Starters wird an Klemme 50 mit Spannung von Klemme 30 versorgt. Erkennt das Motorsteuergerät durch den Positionssensor der Kurbelwelle und durch die Botschaft Klemme 61 ein den laufenden Motor sowie über die Botschaft Klemme 50 aus, dass der Startvorgang beendet ist, kann der Fahrer über den Fahrpedalsensor die Einspritzmenge und somit die Motordrehzahl regeln. Die Startersteuerung erfolgt vom Motorsteuergerät automatisch (Tippstart). Das heißt, ist der Startvorgang eingeleitet, hat das Abschalten der Klemme 50 keinen Einfluss mehr auf den Startvorgang. Wenn der Motor Startdrehzahlen von 400 bis 700 min -1 erreicht oder die Startzeit 5 bis 40 Sekunden dauert, (abhängig von der Kühlmitteltemperatur) unterbricht das Steuergerät die Masseansteuerung zum Relais Klemme 50 Starter und beendet damit den Startvorgang. Will der Fahrer erneut starten, muss er erst eine Sperrzeit von 1,5 bis 3 Sekunden abwarten. Dies geschieht, um das Einspuren vom drehenden Ritzel des Starters in die Verzahnung der Mitnehmerscheibe des Motors zu verhindern (Zahnkranzschutz). Starten Voraussetzungen: Klemme 87M ein (Motorsteuerung ein ) Motor aus Bild 7: Istwerte, mit denen man über die Eigendiagnose die Funktion Startersteuerung prüfen kann. 12 /2012 www.kfz-betrieb.de 53
Motorregelung Allgemeine Drehzahlregelungen Voraussetzungen: Klemme 87M ein (Motorsteuerung ein ) Motor läuft Die Drehzahlregelung stabilisiert die Leerlaufdrehzahl und begrenzt die Motordrehzahl zum Schutz des Motors und des Antriebsstrangs. Über das Signal vom Positionssensor der Kurbelwelle erkennt das Motorsteuergerät die Motordrehzahl. Es liest zur Drehzahlbegrenzung folgende Sensoren und Signale ein: Motordrehzahl Raildrucksensor Steuergerät Getriebesteuerung/Steuereinheit vollintegrierte Getriebesteuerung Steuergerät Elektronisches Stabilitäts-Programm Das CDI-Steuergerät liest zur Leerlaufdrehzahlregelung zusätzlich folgende Sensoren und Signale ein: Ladedrucksensor, Motorlast Ladedrucksensor Niederdruck-Abgasturbolader Kühlmittel-Temperatursensor Temperatursensor Ladeluft Außentemperatur über Fahrwerk-CAN Schalter Kupplungspedal Der Kraftstoffdruck im Rail und die Einspritzzeit der Kraftstoffinjektoren ergeben die Einspritzmenge. Das Steuergerät regelt die Motordrehzahl durch folgende Maßnahmen: Ansteuerung des Druckregelventils Keine Ansteuerung der Kraftstoffinjektoren Anpassen der Einspritzzeit der Kraftstoffinjektoren Ansteuerung des Mengenregelventils Die Eigenschwingungen des Motors im Leerlauf werden vom Steuergerät über die schaltbaren Motorlager links und rechts geregelt. Diese verhindern, dass der Motor im Leerlauf niederfrequente Eigenschwingungen auf die Karosserie überträgt. Im Fahrbetrieb wirken sie als hydraulische Motorlager. Um den Drehmomentwandler in den Wählhebelstellungen P und N (kein Kraftschluss) vor erhöhtem statischen Innendruck zu schützen, wird die Motorhöchstdrehzahl auf rund 4.200 min - 1 begrenzt. Die Information über die aktuelle Wählhebelstellung erhält das Motorsteuergerät über den Antriebs-CAN. Um den Motor im Fahrbetrieb vor den Folgen einer unzulässig hohen Motordrehzahl zu schützen, wird die Motorhöchstdrehzahl auf etwa 4.500 min -1 begrenzt, sobald das Auto rollt. Den Fahrbetrieb erkennt das Motorsteuergerät am CAN-Signal Fahrzeuggeschwindigkeit, welches das Steuergerät des elektronischen Stabilitäts-Programms über den Fahrwerk-CAN sendet. Bei Fahrzeugen mit Automatikgetriebe beträgt die Leerlaufdrehzahl 750 min -1, bei Fahrzeugen mit Schaltgetriebe 810 min -1. Damit im Leerlauf die Motordrehzahl beim Zuschalten des Kältemittelkompressors nicht abfällt, sendet das Steuer- und Bediengerät der Klimatisierungsautomatik vor dem Zuschalten ein Statussignal an das Motorsteuergerät. Dieses passt daraufhin die Leerlaufdrehzahl entsprechend an. Bei folgenden Bedingungen unterbricht das Steuergerät das Zuschalten des Kältemittelkompressors: Motordrehzahl <2.000 min -1 Wert des Fahrpedalsensors >95 Prozent Mit Einlegen der Fahrstufe D oder R wird auf eine niedrigere Leerlaufdrehzahl geregelt, um die Kriechneigung des Fahrzeugs zu verringern. Eine Unterspannung der Bordnetzbatterie erkennt das Motorsteuergerät über Klemme 30. In diesem Fall erhöht es bei Fahrzeugen mit Automatikgetriebe die Leerlaufdrehzahl in den Fahrstufen D und R bis zum Ausschalten des Motors um etwa 100 min -1. Bild 8: Der Stellgliedtest Drehzahlanhebung lässt Rückschlüsse auf die Drehzahlregelung zu. Laufruheregelung Die Laufruheregelung reduziert Laufunruhen im Motordrehzahlbereich von 750 bis 2.600 min -1. Für diese Funktion liest das Steuergerät folgende Sensoren und Signale ein: Heißfilm-Luftmassenmesser, Motorlast Kühlmittel-Temperatursensor Kraftstoffstand über den Fahrwerk-CAN Steuergerät Elektronisches Stabilitäts-Programm Fahrpedalsensor Positionssensor Kurbelwelle Um Verbrennungsaussetzer zu erkennen, liest das Steuergerät das Signal des Positionssensors der Kurbelwelle ein und wertet es auf seine Gleichförmigkeit hin aus. Läuft die Kurbelwelle ungleichförmig, korrigiert das Steuergerät den Kraftstoffdruck im Rail über das Druckregelventil, das Mengenregelventil sowie über die Einspritzzeit der Kraftstoffinjektoren. Schwingungen des Antriebsstrangs können bei bestimmten Motordrehzahlen und Lastzuständen die Auswertung des Motorlaufs negativ beeinflussen. Deshalb wird bei schlechter Fahrbahn (Waschbrett) der Toleranzbereich der Laufruheauswertung vergrößert. Das Raddrehzahlsignal (für die Erkennung eines gleichmäßigen Radlaufs) erhält das Motorsteuergerät über den Fahrwerk-CAN vom ESP-Steuergerät. 54 www.kfz-betrieb.de 12 /2012
Motor- und Motormanagementsysteme Der Toleranzbereich der Laufruheauswertung wird nach erfolgter Adaption des Positionssensors der Kurbelwelle verkleinert. Die Laufruheauswertung kann damit an die spezifischen Rundlaufeigenschaften des Motors angepasst werden. In einer Schubphase (Fahrpedal nicht betätigt), bei der gleichförmiger Rundlauf vorhanden ist, speichert das Steuergerät die Rundlaufeigenschaften des Motors. Diese sind als Vergleichsgröße erforderlich, um Motoraussetzer zu erkennen. Der Toleranzbereich der Laufruheauswertung ist im Steuergerät voreingestellt und kann bei Bedarf mit einem geeigneten Eigendiagnosetester angepasst werden. Die Laufruheregelung wird bei Motoren mit Delphi-Einspritzsystem als Cylinder Balance Control bezeichnet. Start-Stopp-Motorsteuerung Funktionsvoraussetzungen: Motor läuft im betriebswarmen Zustand (Kühlmitteltemperatur zwischen 60 und 115 C Einmalige Geschwindigkeitsüberschreitung von 15 km/h in Vorwärtsfahrt Motorhaube geschlossen Schalthebel in Neutralstellung (bei Schaltgetriebe) Kupplungspedal nicht betätigt (bei Schaltgetriebe) Fahrstufe N (bei Automatikgetriebe) Systemdiagnose abgeschlossen Bei stehendem Fahrzeug schaltet die Start-Stopp-Funktion den Motor automatisch ab und startet ihn wieder, sobald der Fahrer anfahren möchte. Die Funktion soll bei Fahrzeugstillstand den Kraftstoffverbrauch und somit die Abgasemissionen reduzieren. Um die Funktionsvoraussetzungen für die Start-Stopp-Funktion zu bewerten, führt das Motorsteuergerät permanent eine Systemdiagnose durch. Das Steuergerät SAM mit Sicherungsund Relaismodul vorn prüft zusätzlich die Funktion aller beteiligten Komponenten und sendet den Status über den Fahrwerk- CAN an das Motorsteuergerät. Bei erfüllten Voraussetzungen wird dem Fahrer die Betriebsbereitschaft der Start-Stopp-Funktion durch das Symbol ECO im Kombiinstrument angezeigt. Das Steuergerät CDI liest für die Start-Stopp-Funktion folgende Sensoren und Signale ein: Kühlmittel-Temperatursensor Fahrpedalsensor Kraftstoff-Temperatursensor Status-Taste ECO der Start-Stopp-Funktion Signal Motorhaube geschlossen ESP-Steuergerät Bremsbetätigung Fahrzeuggeschwindigkeit/Raddrehzahl Motordrehzahl Neutralstellung im Getriebe Schalter am Kupplungspedal Crashsignal Signal des Türkontakts vorn links Status der Klimaanlage Steuergerät der Kraftstoffpumpe Steuergerät der Radarsensoren Steuergerät Mantelrohrmodul Nach einem automatischen Motorstopp lässt das Motorsteuergerät maximal drei weitere automatische Motorstopps zu, wenn das Auto dazwischen nicht schneller als 8 km/h fährt. Nach dem vierten Motorstart muss das Fahrzeug diese Geschwindigkeitsschwelle erst überschreiten, damit das System den Motor erneut automatisch stoppt. Durch diese Einschränkung soll immer ein ausreichender Ladestand der Batterie sichergestellt sein. Als weitere Schutzfunktion bietet das System einen Motorzwangsstart. Hierbei startete das Motorsteuergerät den Motor, wenn eine der folgenden Bedingungen eintritt: Bordnetzzustand nicht in Ordnung Kühlmitteltemperatur >115 C Überschreiten der Motorstoppdauer von maximal 3 Minuten Änderung des Status der Klimaanlage Airmatic, Bremsassistent oder Abstandsregelsystem im Regeleingriff Begonnener Bremsvorgang kann nicht sicher beendet werden Unterdruck am Bremskraftverstärker nicht ausreichend Fahrerabwesenheitserkennung Änderung des Lenkradwinkels um mehr als 8 Fahrzeuggeschwindigkeit >2 km/h Kommunikationsfehler der Start-Stopp Funktion mit einem der folgenden Systeme: Fahrwerks- und Lenkungsfunktionen, Energiemanagement, Brems- und Regelsysteme Bei eingelegtem Rückwärtsgang geht das System von einem Rangiervorgang aus und deaktiviert die Start-Stopp-Funktion. Befindet sich der Motor im Motorstopp, während der Fahrer den Rückwärtsgang einlegt, startete das System den Motor und unterdrückt einen Motorstopp. Die Start-Stopp-Funktion wird anschließend bei eingelegtem Vorwärtsgang automatisch wieder aktiviert, wenn das Auto schneller als 15 km/h fährt. Bei diesen umfangreichen Funktionen kann man sich leicht vorstellen, dass die Diagnose relativ umfangreich ist, um bei entsprechenden Kundenbeanstandungen (in kurzer Zeit) den Fehler zu finden. Ohne Fehlerspeichereinträge und Istwertplausibilisierung ist das nur mit einem Messen Hand am Arm fast unmöglich. Motornotlauf Die Aufgabe des Motornotlaufs besteht darin, dem Fahrer bei Störungen in einzelnen Komponenten der Motorsteuerung ein sicheres Weiterfahren zu ermöglichen. Beispielsweise schaltet das System bei Ausfall eines Fahrpedalsensors auf den zweiten Hallsensor um und reduziert die Motorleistung. Fällt die Plausibilitätsprüfung vom Motorsteuergerät negativ aus oder sind beide Hallsensoren ausgefallen, läuft der Motor nur noch mit Leerlaufdrehzahl. Fällt das Spannungssignal vom Positionssensor der Kurbelwelle aus, verwendet das System für den Notlauf das Spannungssignal vom Hallsensor der Nockenwelle. Erkannte Fehler werden wie bei einem modernen System üblich im Fehlerspeicher der Eigendiagnose abgelegt. 12 /2012 www.kfz-betrieb.de 55
E-OBD-Funktion Mercedes setzt bei den Motoren eine Onboard-Diagnose (OBD) der zweiten Generation mit entsprechenden Anpassungen für den europäischen Markt ein. Das OBD-System ist im Motorsteuergerät integriert und hat folgende Aufgaben: Abgasrelevante Bauteile und Systeme während der Fahrt überwachen Fehlfunktionen feststellen und speichern Fehlfunktionen durch eine Warnlampe anzeigen Ermittelte Fehler über eine einheitliche Schnittstelle an ein Generic Tool übertragen Die OBD soll dauerhaft niedrige Abgasemissionen gewährleisten und überwacht folgende Bauteile und Systeme: Ansaugluftpfad, Kraftstoffsystem, Glühanlage, Abgasrückführung, Laufruheregelung, Lambdasonde, Lambdasondenheizung, Dieselpartikelfilter, Kurbelgehäuseentlüftung und sonstige emissionsrelevante Komponenten. Sie kontrolliert zudem Bauteile, deren Störung die Diagnose einer abgasrelevanten Komponente verhindern würden. Das Steuergerät überprüft außerdem sich selbst und seine Ein- und Ausgangssignale auf Plausibilität und erkennt mögliche Störungen. Die Störungen und deren Speicherung werden wie folgt unterschieden: Störung ständig vorhanden Wackelkontakt, der während der Fahrt aufgetreten ist Folgende Störungen werden in Häufigkeit und Dauer erkannt: Signale über oder unter einem Grenzwert (zum Beispiel Kurzschluss, Leitungsunterbrechung, defekter Sensor) Unlogische Kombination verschiedener Signale, Regelkreis an der unteren oder oberen Grenze des Regelungsintervalls Störungen in Wirkungsketten (fehlerhafte Prüfabläufe, zum Beispiel bei der Laufruheregelung) Störungsmeldungen über die CAN-Datenbusse Beim Prüfverfahren wird in Komponenten- und Wirkungskettenprüfung unterschieden. Die Komponentenprüfung ist die direkte Prüfung eines Bauteils. Sie umfasst: Die Überwachung der Spannungsversorgung und Stromkreise Den Abgleich der Sensorsignale mit anderen Sensorsignalen und gespeicherten Vergleichswerten Dabei kann es folgende drei Testergebnisse geben: Signal vorhanden (Prüfung bestanden) Signal nicht vorhanden (Störung) Signal vorhanden, aber unplausibel (Störung) Fahrpedalsensoren Die Fahrpedal-Positionssensoren 1 und 2 sitzen im Fahrpedalmodul. Beide arbeiten nach dem Hallgeberprinzip und signalisieren dem Motorsteuergerät, dass der Fahrer das Fahrpedal betätigt. Die Sensoren verfügen über eine gemeinsame Spannungsversorgung sowie jeweils eine eigene Masseansteuerung und Signalleitung, um die Redundanz des Systems zu gewährleisten. Die Bauteile werden von der Eigendiagnose überwacht. Mögliche Fehlercodes sind: 2076 Fahrpedal-Positionssensor prüfen 2079 Fahrpedal-Positionssensor System ist im Notlauf 207A Fahrpedal-Positionssensor Bereichsüberschreitung/ Momentenberechnung Temperatursensoren Die Motorsteuerung des OM 651-Motors greift auf die Daten von acht Temperatursensoren zurück. Sie messen die Tempraturen der Ansaugluft, der Ladeluft, der Außenluft, des Abgases vor dem Partikelfilter und dem Abgasturbolader, des Kühlmittels, des Öls und des Kraftstoffs. Sie werden von der Eigendiagnose überwacht. Exemplarisch hier die Fehlercodes des Öltemperatursensors: 2379 Motorölsensor: Öltemperatur Masseschluss 2379 Motorölsensor: Öltemperatur unplausibel 222E Motoröl-Temperatursensor prüfen Bild 9: Verschiedene Istwerte, die sich mit einer zusätzlichen Temperaturmessung plausibilisieren lassen. Sensoren Bild 10: Kennlinien von Temperatursensoren. A Temperatur über der Signalspannung, B Temperatur über dem Widerstand. 56 www.kfz-betrieb.de 12 /2012
Motor- und Motormanagementsysteme Das elektrische Verhalten des NTC- bzw. PTC-Sensors kann anhand von Kenlinien geprüft werden (Bild 10: A Temperatur über Signalspannung, B Temperatur über Widerstand). Stimmen die ermittelte Temperatur, der gemessene Spannungsabfall und der Istwert der Eigendiagnose überein, ist alles in Ordnung. Das Steuergerät erkennt die Realität korrekt. Der Kühlmittel-Temperatursensor ist im Thermostatgehäuse eingebaut. Der Temperatursensor für die Ladeluft befindet sich in einem Kunststoffgehäuse vor dem Drosselklappenansteller. Der Kraftstoff-Temperatursensor erfasst die Temperatur des durchfließenden Kraftstoffs in der Hochdruckpumpe und befindet sich neben dem Kraftstoffzulauf der Hochdruckpumpe. Sobald die Temperatur des geforderten Kraftstoffs auf über 90 C steigt, werden Einspritzmenge und Raildruck automatisch reduziert. Der Öltemperatursensor befindet sich oberhalb der Unterdruckpumpe im Ölkanal am Kurbelgehäuse. Der Ansaugluft- Temperatursensor sitzt im Gehäuse des Heißfilm-Luftmassenmessers. Der Temperatursensor vor dem Abgasturbolader befindet sich am Abgaskrümmerflansch und überwacht die thermische Belastung des Motors und des Abgasturboladers. Der Temperatursensor vor dem Dieselpartikelfilter ermittelt mit der Temperatur des Abgases auch die thermische Belastung des Oxidationskatalysators. Kurbelwellen- und Nockenwellensensor Der Positionssensor der Kurbelwelle befindet sich auf der Kraftabgabeseite links am Getriebeflansch. Er arbeitet nach dem Hall- Prinzip und gibt ein Rechtecksignal aus. Der Hallsensor an der Nockenwelle befindet sich in der Mitte der Zylinderkopfhaube über der Auslassnockenwelle. Zusammen mit dem Signal des Positionssensors der Kurbelwelle dient sein Signal dem Steuergerät zur Zylinder-1-Erkennung. Steht dem Steuergerät das Signal des Positionssensors der Kurbelwelle nicht zur Verfügung, kann der Motor trotzdem gestartet werden, da das Signal des Hallsensors an der Nockenwelle als Ersatzwert dient (siehe Notlauf). Die Sensoren werden von der Eigendiagnose überwacht. Mögliche Fehlerspeichereinträge sind: 200D Kurbelwellen-Positionssensor prüfen 20C2 Kurbelwellen-Positionssensor Unterbrechung/kein Signal 20CF Kurbelwellen-Positionssensor Signalfehler 200B Nockenwellen-Positionssensor Signal fehlt Die Fehlerspeichertexte geben natürlich nur die Fehlersuchrichtung an, und nicht genau den Fehlerort. Wenn also nötig, ist der typische Ablauf bei der Diagnose: Fehlerspeicher auslesen Istwert plausibilisieren Komponententest zum Beispiel mit einer Messung Hand am Arm durchführen. Diese grundsätzliche Vorgehensweise kann natürlich auf alle in diesem Beitrag vorgestellten Komponenten angewendet werden. Heißfilm-Luftmassenmesser Der Heißfilm-Luftmassenmesser (HFM) befindet sich im Ansaugrohr hinter dem Luftfilter. Er erfasst die angesaugte Luftmassen sehr genau. Dazu sitzt im HFM ein beheiztes Sensorelement, dass mit steigender Luftmasse auch stärker abgekühlt wird. Der Heizstrom, der notwendig ist, um die Temperatur des Sensors konstant zuhalten, dient als Maß für die vorbeiströmende Luftmasse. Das Sensorelement erfasst jedoch nur einen Teil des Luftstroms. Eine integrierte Elektronik wertet die Messdaten aus und errechnet die gesamte angesaugte Luftmasse mittels eines Datenmodells. Bild 12: Typischer Signalverlauf der Kurbelwellen- und Nockenwellensensoren. Bild 11: Istwertanzeige der Eigendiagnose von Kurbelwellen- und Nockenwellensensor. Bild 13: Istwert des Luftmassenmessers. 12 /2012 www.kfz-betrieb.de 57
Bild 14: Spannungsverlauf einer neueren Variante des Luftmassenmessers. Ältere Varianten haben andere Signalbilder. Bei der Prüfung des Luftmassenmessers ist es wichtig, die richtige Version zu erkennen (Version 5 oder 6), da die Sensorsignale voneinander abweichen. Bild 14 zeigt den typischen Spannungsverlauf der neueren Version. Ein Problem bei der Diagnose ist, dass es kein werkstattübliches Messgerät für die Prüfung der HMF-Daten auf Plausibilität gibt. Das bedeutet, man ist auf Sollwerte vom Fahrzeughersteller angewiesen, um beurteilen zu können, ob der errechnete Istwert der Realität entspricht und zum jeweiligen Betriebszustand passt. Mögliche Fehlercodes sind: 2007 Heißfilm-Luftmassenmesser prüfen 2249 Heißfilm-Luftmassenmesser Luftmasse zu groß 2249 Heißfilm-Luftmassenmesser Luftmasse zu gering 2251 Heißfilm-Luftmassenmesser Spannungsversorgung fehlerhaft 2251 Heißfilm-Luftmassenmesser Plusschluss 2251 Heißfilm-Luftmassenmesser Masseschluss 2255 Heißfilm-Luftmassenmesser Signal unplausibel 23E3 Heißfilm-Luftmassenmesser Fehler beim Lernvorgang Wird ein defekter Luftmassenmesser ersetzt, müssen nach erfolgter Reparatur die Adaptionswerte im Steuergerät zurückgesetzt werden. Drucksensor nach Luftfilter Der Drucksensor befindet sich an der Reinluftleitung hinter dem Luftfiltergehäuse und ist dafür zuständig, den Unterdruck im Ansaugtrakt zu erfassen. Er arbeitet mit einer mit Dehnwiderständen bestückten Messmembran, die sich je nach Stärke des Luftdrucks verformt. Die dadurch entstehenden Widerstandsänderungen haben Spannungsänderungen zur Folge. Diese wertet das Steuergerät aus. Mögliche Fehlerspeichertexte sind: 23E6 Ansaugluft-Drucksensor prüfen 20B6 Ansaugluft-Drucksensor Masseschluss 20B6 Ansaugluft-Drucksensor Spannungsversorgung 20B6 Ansaugluft-Drucksensor Plusschluss 20B6 Ansaugluft-Drucksensor Signalfehler 20BC Ansaugluft-Drucksensor Signal unplausibel 20BD Ansaugluft-Drucksensor Druck zu hoch 20BD Ansaugluft-Drucksensor Druck zu niedrig Bild 15: Istwert des Ansaugluftdrucks. Ladedrucksensor Der Ladedrucksensor befindet sich links am Motor hinter dem Drosselklappensteller und wird von der Eigendiagnose erfasst. Ansaugstrecke Drosselklappensteller Der Drosselklappensteller befindet sich links unterhalb des Ladeluftkrümmers am Motor und wird vom Steuergerät durch ein pulsweitenmoduliertes Signal angesteuert. Er beeinflusst die dem Motor zugeführte Luftmenge sowie das Mischverhältnis von Ladeluft und rückgeführtem Abgas. Beim Abstellen des Motors wird die Drosselklappe geschlossen. Mögliche Fehlercodes: 2017 Ladedrucksensor Minimalwert unterschritten 2017 Ladedrucksensor Maximalwert überschritten 201A Ladedrucksensor Signal zu niedrig 201A Ladedrucksensor Signal zu hoch 2320 Drosselklappenansteller schwergängig/blockiert 2321 Drosselklappenansteller Minimalwert unterschritten 2321 Drosselklappenansteller Maximalwert überschritten Bild 16: Der Drosselklappensteller sitzt links unterhalb des Ladeluftkrümmrs am Motor. 1 Ladedrucksensor, 2 Drosselklappe, 3 Stellmotor 58 www.kfz-betrieb.de 12 /2012
Motor- und Motormanagementsysteme Bild 17: Istwerte aus der Eigendiagnose des Drosselklappenstellers. Einlasskanalabschaltung Der Stellmotor für die Einlasskanalabschaltung (EKAS) befindet sich oberhalb des Ladeluftverteilerrohrs auf der Kraftabgabeseite links. Er verändert die Stellung der Klappen in den Spiraleinlasskanälen des Ladeluftverteilerrohres entsprechend der Ansteuerung vom Steuergerät über einen Verstellhebel. Ein Potentiometer dient dabei als Winkelsensor, sodass ein Soll-/Istwertvergleich für die Position des Verstellhebels durchgeführt werden kann. Bei einem Fehler, oder wenn die Versorgungsspannung unterbrochen ist, öffnen Rückstellfedern die Klappen in den Spiraleinlasskanälen. Die Einlasskanalabschaltung sorgt über das Ladeluftverteilerrohr für ein möglichst gutes Verhältnis zwischen Luftverwirbelung und Luftmasse in allen Lastzuständen des Motors und damit für einen optimalen Füllungsgrad. Sie arbeitet folgendermaßen: Im Ladeluftverteilerrohr sind für jeden Zylinder ein permanent geöffneter Tangentialeinlasskanal und ein klappengesteuerter Spiraleinlasskanal vorhanden. Die Klappen sind über eine Welle miteinander verbunden. Das Motorsteuergerät steuert ihre Stellung kennfeldabhängig. Im unteren Motordrehzahl- und Motorlastbereich verschließen die Klappen die Spiraleinlasskanale. Dadurch erzielen die offenen Tangentialeinlasskanäle eine hohe Luftverwirbelung. Beim Wechsel von Teil- zu Volllast öffnet das Motorsteuergerät die Klappen. Nun sorgt die größere durchströmende Luftmenge mit ihrer erhöhten Strömungsgeschwindigkeit für eine gute Verwirbelung des Luftgemischs. Zweistufiger Abgasturbolader Die zweistufige Aufladung beinhaltet zwei unterschiedlich große Abgasturbolader mit einer Bypassregelung. Sie sitzen rechts am Kurbelgehäuse unterhalb des Abgaskrümmers und ermöglichen eine kontinuierliche Leistungsabgabe ohne das bekannte Turboloch. Der von den Zylindern kommende Abgasstrom strömt zunächst in den Abgaskrümmer. Von hier aus kann er entweder über den Hochdruck-Abgasturbolader (HD-Lader) geleitet werden oder über die Bypassleitung zum Niederdruck-Abgasturbolader (ND- Lader). Ladedruckregelung bei Volllast bis 1.200 min -1 In diesem Betriebsbereich ist die Ladedruckregelklappe (LRK) fast geschlossen. Dadurch strömt der gesamte Abgasstrom über das Turbinenrad des HD-Laders zur ND-Turbine und danach zur Abgasanlage. Der größte Teil der Abgasenergie wirkt somit auf den HD-Lader, der den Hauptteil des erforderlichen Ladedrucks erzeugt. Das bewirkt trotz des niedrigen Abgasstroms einen sich sehr schnell aufbauenden hohen Ladedruck. Die restliche Abgasenergie wirkt auf den ND-Lader, der über die Laderwelle das Verdichterrad antreibt. Der ND-Lader wirkt somit nicht als Strömungsbremse. Regelung bei Volllast zwischen 1.200 und 2.800 min -1 Ab einer Motordehzahl von 1.200 min -1 wird die LRK im Volllastbetrieb mit einem Querschnitt von 5 Prozent bis 95 Prozent geöffnet je nach benötigtem Ladedruck. Dabei wird der ND- Lader mit steigendem Öffnungsquerschnitt der LRK kontinuierlich zugeschaltet und von einer größeren Abgasmenge durchströmt. In diesem Zustand ergänzen sich die beiden Lader und stellen gemeinsam den erforderlichen Ladedruck zur Verfügung. Bis 2.800 min -1 sind das Wastegate und die Bypassklappe Ladeluft geschlossen. Regelung bei Volllast ab 2.800 min -1 In diesem Betriebsbereich ist die LRK vollständig geöffnet. Dadurch wird fast der gesamte Abgasmassenstrom durch den Bypasskanal verlustarm der ND-Turbine zugeführt und der Abgasgegendruck in seiner Höhe begrenzt. Durch diese Vorgehensweise leistet der HD-Lader keinen Beitrag mehr zur Ladedruckerhöhung. Er hat seine Stopfgrenze erreicht, kann also nicht mehr Ladedruck erzeugen und würde bei einer weiteren Beladung einen deutlichen Abfall der Turbinendrehzahl bewirken. Um einen Druckverlust und eine zusätzliche Erwärmung der Ladeluft bei der Durchströmung des HD-Verdichters zu vermeiden, wird die Bypassklappe-Ladeluft geöffnet, sodass der Hauptteil der Luft auf direktem Weg zum Ladeluftkühler strömt. Über Bild 18: Aufbau des zweistufigen Turboladers: 1 Unterdruckdose, 2 Einlass Abgas, 3 Bypass, 4 Anschluss Ladeluftschlauch, 5 HD-Lader, 6 Einlass Ladeluft, 7 ND-Lader, 8 Auslass Abgas. 12 /2012 www.kfz-betrieb.de 59
das Wastegate wird die Leistung der ND-Turbine abhängig vom Lastzustand geregelt. Je nach Lastzustand kann der HD-Lader also bei niedrigen Motordrehzahlen einen hohen Ladedruck aufbauen und bei hohen Motordrehzahlen eine Überlastung des ND-Laders vermeiden. Vorglühsystem Die Glühendstufe befindet sich vorn an der Stirnfläche des Zylinderkopfs. Für ihre Steuerung liest das Steuergerät folgende Parameter zu den Betriebszuständen des Motors ein: Drehzahl Last Kühlmitteltemperatur Die Glühendstufe wird vom Steuergerät über das Local Interconnect Network (LIN) angesteuert. Die Diagnosekommunikation zwischen den beiden findet über dieselbe LIN-Verbindung statt. Es werden folgende Glüharten unterschieden: Vorglühen: Es erwärmt die Brennraume des Motors, um die erforderliche Zündtemperatur des Kraftstoff-Luft-Gemischs zu erreichen. Das Steuergerät wertet dabei zuerst die Motoröltemperatur aus und steuert dann über den Antriebs-LIN in Abhängigkeit von der Kühlmitteltemperatur die Glühendstufe an. Voraussetzung für das Vorglühen ist eine Kühlmitteltemperatur von unter 30 C. Startbereitschaftsglühen: Es stellt nach dem Vorglühen bis zum endgültigen Lauf des Motors eine ausreichend hohe Temperatur zur Verfügung. Dazu werden die Glühkerzen von der Glühendstufe angesteuert. Nachdem eine Startbereitschaftstemperatur von 1.250 C der Glühkerze erreicht ist, erlischt die Vorglüh-Kontrollleuchte. Startglühen: Es stabilisiert die Startdrehzahl des Motors. Empfängt das Steuergerät die Information Kl. 50 EIN vom Steuergerät Elektronisches Zündschloss, so steuert die Glühendstufe die Glühkerzen über den Antriebs-LIN an und unterstützt damit die ersten Arbeitstakte und den Hochlauf des Motors. Nachglühen: Es verbessert den Motorlauf nach dem Kaltstart und die Warmlaufeigenschaften des Motors. Das CDI-Steuergerät wertet die Motoröltemperatur aus und steuert die Glühkerzen nach dem Start des Motors über die Glühendstufe an. Das Nachglühen wird beendet, wenn die Kühlmitteltemperatur einen vorgegebenen Wert erreicht hat. Diagnoseglühen: Es dient zur Diagnose der einzelnen Glühstromkreise. Die Glühkerzen werden dabei vom Steuergerät auf einem niedrigen Temperaturniveau angesteuert, wodurch die Elektronik Systemfehler erkennen und im Fehlerspeicher ablegen kann. Das Diagnoseglühen kann man in der Werkstatt für die Fehlersuche verwenden, um das System unabhängig von der Motoröltemperatur überprüfen zu können. Das Diagnoseglühen führt das Steuergerät darüber hinaus selbstständig durch, wenn die Vorglühanlage längere Zeit nicht aktiv war, zum Beispiel wenn aufgrund einer hohen Kühlmitteltemperatur kein Glühvorgang aktiviert war. Dieselpartikelfilter (DPF)-Glühen: Es wird nur während der DPF-Regenerierung angewendet, um die Last anzuheben und die Verbrennung zu stabilisieren. Notglühen: Tritt ein Problem in der Kommunikation über den LIN-Bus auf (zum Beispiel bei Unterbrechung oder Kurzschluss), so wird die Notglühfunktion für 180 Sekunden aktiv. Fällt die Kommunikation während des Glühvorgangs für mehr als 250 Millisekunden aus, wird die Notglühfunktion ebenfalls für 180 Sekunden aktiviert. Glühdauer und Glühspannung erhalten dabei Ersatzwerte. Das System ist eigendiagnosefähig. Mögliche Fehlercodes sind: 2293 Glühendstufe Kommunikationsfehler 2293 Glühendstufe Temperatur zu hoch 2293 Glühendstufe Klemme 30 nicht angeschlossen 20DD Glühkerzenüberwachung Funktion aktiv 23EA Glühendstufe Signal fehlt 23ED Glühendstufe Unterbrechung/kein Signal 23EE Glühendstufe Signal fehlerhaft Beim Motor 651 werden Glühkerzen mit keramischem Glühstift verbaut. Im Vergleich zu herkömmlichen Glühkerzen erreichen keramische Glühkerzen mit zirka 1.300 C eine um rund 200 C höhere Glühtemperatur und sind weniger anfällig für eine sinkende Glühtemperatur bei langen Glühlaufzeiten. Folgende Sicherheitshinweise sind für den Umgang mit keramischen Glühkerze zu beachten: Glühkerzen nur aus ungeöffneter Originalverpackung verwenden Wurde die Glühkerze fallengelassen, darf sie nicht mehr verwendet werden. Denn es kann durch beschädigte Glühkerzen zu Motorschäden kommen, da sie sehr stoßempfindlich sind! Durch den Sturz könnten sich Haarrisse im Keramikeinsatz bilden. Als Folge davon könnten sich Teile lösen und während des Motorlaufs in den Brennraum fallen. Behandeln Sie die Glühkerzen deshalb immer mit größter Vorsicht! Vor einem Ausbau des Zylinderkopfs müssen die Glühkerzen entfernt Bild 19: Der AGR-Steller regelt über eine Klappe die durchströmende Abgasmenge. 1 AGR-Kühler 2 Bypassklappe für den AGR-Kühler 3 AGR-Steller 4 Stellmotor für den AGR-Steller 60 www.kfz-betrieb.de 12 /2012
Motor- und Motormanagementsysteme Bild 20: Stellgliedtest für die Abgasrückführung und das Bypassventil. Relevante Istwerte lassen sich parallel anzeigen. werden. Sie dürfen auch erst nach dem Einbau des Zylinderkopfs wieder eingebaut werden. Die maximalen Drehmomentwerte für die Glühkerzen muss man sowohl beim Ausbau als auch beim Einbau beachten! Abgas Der Steller für die Abgasrückführung (AGR) ist zwischen der AGR- Bypassklappe und dem AGR-Rohr integriert (Bild 19). Er regelt die durchströmende Abgasmenge über eine Klappe. Das Steuergerät steuert seinen Stellmotor direkt an. Dabei bestimmt der Öffnungsquerschnitt des Ventils die Abgasmenge, die über das Ladeluftverteilerrohr in den Ansaugtrakt des Motors zurückgeführt wird. Der AGR-Steller ist in den Kühlmittelkreislauf des Motors integriert und dadurch vor thermischer Überlastung geschützt. Der AGR-Kühler befindet sich in Fahrtrichtung links hinter der AGR-Bypassklappe. Das Gehäuse besteht aus Edelstahl und wird von Kühlmittel durchstömt. Die Abgaskühlung ermöglicht es, die Dichte des Abgases zu steigern, ohne dabei die Anzahl der Rußpartikel zu erhöhen. Das verbessert die Abgasrückführrate und senkt die NO X -Emissionen. Bei einer Diagnose der Abgasrückführung mit einem Stellgliedtest lassen sich alle relevanten Istwerte parallel auf dem Tester darstellen. Auf diese Weise lässt sich zum Beispiel recht einfach beurteilen, ob das AGR-Ventil öffnet und schließt, oder ob es festhängt. Der Differenzdrucksensor des Dieselpartikelfilters (DPF) befindet sich rechts am Zylinderkopf. Er besteht aus einem Drucksensorelement und einer Elektronik zur Signalverstärkung. Über Abgasdruckleitungen erfasst er den Abgasdruck vor und hinter dem Partikelfilter und ermittelt so die Druckdifferenz. Diese Druckdifferenz wirkt auf das Drucksensorelement, wodurch eine Spannung entsteht, die an das Steuergerät übertragen wird. Die Abgasreinigung besteht aus der bekannten Kombination von Oxidationskatalysator und Dieselpartikelfilter. Der Oxidationskatalysator sorgt für die Verringerung der Kohlenwasserstoffe (HC) sowie der Kohlenmonoxide (CO) und erzeugt durch eine Bild 21: Daten der Eigendiagnose des Dieselpartikelfilters. Nachverbrennung die erforderliche thermische Energie für die Regenerationsphase des Partikelfilters. Dieser besteht aus einem keramischen Wabenfilterkörper aus Siliziumkarbid, das mit Platin beschichtet ist. Die porösen Waben muss das Abgas auf seinem Weg duch den Filter passieren. Dabei werden etwa 98 Prozent der Rußpartikel ausgefiltert. Auf den Beladungszustand des Filters kann das Steuergerät über die Daten des Differenzdrucksensors schließen. Wird die Beladung mit Rußpartikeln zu groß und überschreitet einen im Kennfeld hinterlegten Grenzwert, leitet das Steuergerät bei einem geeigneten Lastzustand die Regenerationsphase ein. Diese erfolgt über eine periodische Erhöhung der Abgastemperatur. Dabei werden die im DPF eingelagerten Rußpartikel überwiegend zu Kohlendioxid (C0 2 ) verbrannt. Der entstandene Ascherest bleibt im DPF zurück. Die Regenerationszeiten sind temperaturabhängig und verringern sich deutlich mit steigender Abgastemperatur. Folgende Maßnahmen werden eingesetzt, um die Abgastemperatur zu erhöhen: Nacheinspritzung Abgasrückführung mit Drosselung der Ansaugluft DPF-Glühen Die Abgastemperatur wird während der Regeneration vom Temperatursensor vor dem Abgasturbolader und vom Temperatursensor vor dem DPF überwacht. Eine unterbrochene Regeneration des Filters wird bei Kurzstreckenfahrten auf mehrere Fahrzyklen verteilt. Die Aufheizphasen bis zum Erreichen der notwendigen Regenerationstemperatur sind dadurch häufiger. Der Regenerationsvorgang läuft für den Kunden unbemerkt ab. Ist der Partikelfilter mit Asche überladen, signalisiert die Kontrollleuchte Motordiagnose im Kombiinstrument eine notwendige Wartung. Nach der Regeneration erfasst das Steuergerät die ermittelte Druckdifferenz und vergleicht diese mit einem Referenzwert. Daraus ermittelt das Steuergerät die Beladung des Dieselpartikelfilters mit der zurückgebliebenen Asche. Muss der DPF ausgetauscht werden, muss man die Adaption im Steuiergerät zurücksetzen und damit die Modellrechnung neu starten. Georg Selgrad 12 /2012 www.kfz-betrieb.de 61