Ottomotor-Management Robert Bosch GmbH
Robert Bosch GmbH Ottomotor Management 2. vollständig überarbeitete und erweiterte Auflage
Herausgeber: Robert Bosch GmbH, 2003 Softcover reprint of the hardcover 1 st edition 2003 Postfach 1129, D-73201 Plochingen. Unternehmensbereich Automotive Aftermarket, Abteilung Product Marketing Diagnostics & Test Equipment (AA/PDT5). Chefredaktion: Dipl.-Ing. (FH) Horst Bauer. Redaktion: Dipl.-Ing. Karl-Heinz Dietsche, Dipl.-Ing. (FH) Thomas Jäger, Sven A. H utter. Redaktionsschluss: 06.03.2003 1. Auflage 1998 2., vollständig überarbeitete und erweiterte Auflage Mai 2003 Alle Rechte vorbehalten. Springer Fachmedien Wiesbaden 2003 Ursprünglich erschienen bei Friedr. Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft mbh, BraunschweiglWiesbaden, 2003. Bibliografische Information der Deutschen Bibliothek Die Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie, detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über <http://dnb.ddb.de> abrufbar. Nachdruck, Vervielfältigung und Übersetzung, auch auszugsweise, nur mit unserer vorherigen schriftlichen Zustimmung und mit Quellenangabe gestattet. Abbildungen, Beschreibungen, Schemazeichnungen und andere Angaben dienen nur der Erläuterung und Darstellung des Textes. Sie können nicht als Grundlage für Konstruktion, Einbau und Lieferumfang verwendet werden. Wir übernehmen keine Haftung für die Übereinstimmung des Inhalts mit den jeweils geltenden gesetzlichen Vorschriften. Haftung ist ausgeschlossen. Änderungen vorbehalten. Der Vieweg Verlag ist ein Unternehmen der Fachverlagsgruppe Bertelsmann Springer. www.vieweg.de ISBN 978-3-322-93930-2 ISBN 978-3-322-93929-6 (ebook) DOI 10.1007/978-3-322-93929-6 ND1
Nikolaus August Otto entwickelte mit dem Viertaktmotor eine Verbrennungskraftmaschine, die auch für den Einsatz in den ersten Automobilen Ende des 19. Jahrhunderts geeignet war. Dieser Motor trat daraufhin einen Siegeszug an und ermöglichte die Verbreitung des Automobils. Die in neuen Fahrzeugen eingebauten Benzinmotoren arbeiten immer noch nach dem gleichen Prinzip und bis heute trägt der "Otto-Motor" den Namen seines Erfinders. Ein Problem in der Anfangszeit des Automobilzeitalters stellte die Zündung dar. Erst Robert Bosch konnte dieses Problem zuverlässig lösen. Er entwickelte die von Otto für seine ortsfesten Motoren eingesetzte träge magnetelektrische Abschnappzündung zur leichteren Abreiß Magnetzündung, wodurch der Ottomotor höhere Drehzahlen erreichte. Damit konnten die Anforderungen für den Einsatz des Motors in einem Automobil zunächst befriedigt werden. Die ebenfalls im Hause Bosch entwickelte Hochspannungs-Magnetzündung in Verbindung mit der Zündkerze - die im Jahr 2002 ihr hundertjähriges Jubiläum hatte - und schließlich die Batteriezündung genügten den weiter gestiegenen Anforderungen und sorgten für eine zuverlässige Zündung des Luft-Kraftstoff-Gemischs im Ottomotor. Ab den 1970er-Jahren wurden Weiterentwicklungen im Motorenbau vor allem wegen der immer strengeren Abgasgesetzgebungen erforderlich. Eine wichtige Rolle im Bestreben, Leistung und Komfort zu erhöhen sowie die Schadstoffemissionen zu verringern spielte die Elektronik. Im Hause Bosch wurden Systeme entwickelt, die den neu gestellten Anforderungen Rechnung trugen. Eine wichtige Stellung nehmen die Benzineinspritzung sowie die Zündung ein, die bei Bosch im Motormanagement-System Motronic zusammengefasst sind. In die Motronic wurden immer weitere Teilsysteme integriert, wie z. B. die Füllungssteuerung mit der elektronisch gesteuerten Drosselklappe (elektronisches Gaspedal, EGAS). Die Erweiterung der Motronic für die Steuerung eines Ottomotors mit direkter Einspritzung in den Brennraum stellte eine weitere große Herausforderung für die Bosch-Ingenieure dar. In diesem Buch sind die Hefte der Schriftenreihe "Fachwissen Kfz-Technik" zusammengefasst. Es beschreibt, wie die verschiedenen Motormanagement-Systeme aufgebaut sind und wie sie sowie ihre Komponenten arbeiten. In einem Rückblick werden auch die früheren Systeme zur Motorsteuerung, die verschiedenen Benzineinspritzsysteme und Zündsysteme, erläutert. Schließlich sind diese Systeme in älteren Fahrzeugen immer noch vorhanden. Ein weiteres Thema dieses Buches ist die Abgasgesetzgebung, die einen wesentlichen Einfluss auf den Umfang der Motronic-Systeme hat. Dieses Kapitel gibt einen Einblick in die Komplexität der gesetzlichen Vorgaben. Bis ein Motronic-System in einem neu entwickelten Fahrzeug arbeitet, ist ein immenser Entwicklungsaufwand erforderlich. Ein Kapitel dieses Buches gibt deshalb einen Überblick, wie diese Systeme im Hause Bosch zur Serienreife gebracht werden. Ein umfangreiches Inhalts- und Sachwortverzeichnis sowie das Abkürzungsverzeichnis machen dieses Buch zu einem idealen Nachschlagewerk zum Thema "Ottomotor-Management". Die Redaktion
6 Inhalt 10 Geschichte 66 Benzineinspritzung des Automobils im Überblick 10 Entwicklungsgeschichte 66 Übersicht 12 Pioniere der Kfz-Technik 68 Anfänge der Gemisch- 14 Das Lebenswerk von bildung Robert Bosch 76 Benzineinspritzsysteme im Wandel der Zeit 16 Grundlagen 76 D-Jetronic des Ottomotors 82 K-Ketronic 16 Arbeitsweise 92 KE-Jetronic 20 Klopfende Verbrennung 94 L-Jetronic 23 Drehmoment und Leistung 108 Mono-Jetronic 24 Motorwirkungsgrad 26 Spezifischer 128 Kraftstoffförderung Kraftstoffverbrauch 128 Übersicht 28 Ottokraftstoffe 129 Kraftstoffförderung bei Saugrohreinspritzung 34 Steuerung 130 Kraftstoffförderung bei des Ottomotors Benzin-Direkteinspritzung 34 Anforderungen 133 Kraftstoffverdunstungs- 36 Füllungssteuerung Rückhaltesystem 39 Gemischbildung 134 Elektrokraftstoffpumpe 42 Zündung 136 Kraftstofffilter 137 Kraftstoffverteilerstück 44 Entwicklungsgeschichte 137 Kraftstoffdruckregler Ottomotor-Steuerungs- 138 Kraftstoffdruckdämpfer systeme 138 Kraftstoffbehälter 44 Übersicht 138 Kraftstoffleitungen 45 Mechanische Systeme 46 Elektronische Systeme 140 Saugrohreinspritzung 49 Motormanagement 140 Übersicht Motronic-System 141 Arbeitsweise 142 Elektromagnetische 50 Systeme zur Einspritzventile Füllungssteuerung 144 Einspritzarten 50 Steuerung der Luftfüllung 52 Variable Ventilsteuerzeiten 146 Benzin-Direkteinspritzung 55 Gesteuerte Ladungs- 146 Übersicht bewegung 147 Arbeitsweise 56 Abgasrückführung 148 Rail 57 Dynamische Aufladung 148 Hochdruckpumpe 60 Mechanische Aufladung 150 Drucksteuerventil 62 Abgasturboaufladung 152 Hochdruck-Einspritzventil 65 Ladeluftkühlung 154 Brennverfahren 155 Gemischbildung 156 Betriebsarten
Inhalt 7 158 Zündung im Überblick 158 Übersicht 160 Anfänge der Zündung 170 Batterie-Zündsysteme im Wandel der Zeit 176 Induktive Zündanlage 176 Aufbau 177 Arbeitsweise 177 Einsatzgebiete 178 Zündungsendstufe 178 Zündspule 180 Spannungsverteilung 181 Zündkerze 182 Verbindungs- und Entstörmillel 183 Zündenergie 185 Zündzeitpunkt 186 Zündspulen 186 Aufgabe 187 Anforderungen 188 Prinzipieller Aufbau und Arbeitsweise 193 Ausführungen 198 Elektronik in der Zündspule 200 Elektrische Parameter 202 Simulationsbasierte Entwicklung von Zündspulen 203 Herstellung von Zündspulen 204 Zündkerzen 204 Aufgabe 205 Anwendung 206 Anforderungen 207 Aufbau 210 Elektrodenwerkstoffe 211 Zündkerzenkonzepte 212 Elektrodenabstand 213 Funkenlage 214 Wärmewert der Zündkerze 216 Anpassung von Zündkerzen 220 Betriebsverhalten der Zündkerze 222 Ausführungen 228 Typformel für Zündkerzen 229 Simulationsbasierte Entwicklung von Zündkerzen 230 Herstellung von Zündkerzen 232 Motormanagement Motronic 232 Systemübersicht 238 M-Motronic 246 ME-Motronic 250 MED-Motronic 256 Sensoren 256 Einsatz im Kfz 258 Temperatursensoren 259 Tankfüllstandsensor 260 Stauscheiben- Potenziometer 261 Drosselklappensensor 262 Fahrpedalsensoren 264 Hall-Phasensensoren 266 Induktionssensor für TZ 267 Hall-Sensor für TZ 268 Induktive Motordrehzahlsensoren 269 Piezoelektrische Klopfsensoren 270 Mikromechanische Drucksensoren 273 Dickschicht-Drucksensoren 275 Hochdrucksensoren 276 Staudruck- Luftmengenmesser 278 Hitzdraht Luftmassenmesser HLM 279 Heißfilm Luftmassenmesser HFM2 280 Heißfilm-Luftmassenmesser HFM5 282 Zweipunkt-Lambda-Sonden 286 Planare Breitband-Lambda Sonde LSU4 288 Steuergerät 288 Einsatzbedingungen 288 Aufbau 288 Datenverarbeitung 294 Elektronische Steuerung und Regelung 294 Übersicht 296 Subsysteme und Hauptfunktionen
B Inhall 304 Elektronische Diagnose 304 Eigendiagnose 307 On-Board-Diagnose (OBD) 308 OBD: Allgemeine Anforderungen 311 OBD: Diagnose-System Management 312 OBD: Einzeldiagnosen 324 Datenübertragung zwischen elektronischen Systemen 324 Systemübersicht 324 Serielle Datenübertragung 329 Ausblick 330 Abgasemissionen 330 Übersicht 331 Hauptbestandteile 332 Nebenbestandteile 334 Einflüsse auf Rohemissionen 338 Schadstoffminderung 338 Übersicht 339 Thermische Nachbehandlung 340 Katalytische Abgasreinigung 340 Übersicht 340 Oxidationskatalysator 341 Dreiwegekatalysator 344 NOx-Speicherkatalysator 346 Lambda-Regelkreis 348 Aufheizen des Katalysators 350 Abgasgesetzgebung 350 Übersicht 352 CARB-Gesetzgebung 356 EPA-Gesetzgebung 358 EU-Gesetzgebung 362 USA-Testzyklen 364 Europäischer Testzyklus 365 Japan-Testzyklus 366 Abgasprüfung 368 Verdunstungsprüfung 370 Werkstatt-Technik 370 Übersicht 372 Prüfung von Steuergeräten in Fahrzeugen 376 Überprüfung des Zündsystems 377 Zündspulen-Praxis 380 Zündkerzen-Praxis 386 Abgasuntersuchung (AU) 388 Prinzip der Abgasmessung 390 Steuergeräteentwicklung 390 Übersicht 394 Hardwareentwicklung 398 Funktionsentwicklung 400 Softwareentwicklung 404 Applikation 412 Sachwortverzeichnis 412 Sachwörter 418 Abkürzungen Redaktionelle Kästen 22 Kraftstoffverbrauch in der Praxis 61 Geschichte von Kompressorfahrzeugen 81 Einspritzgeschichte(n) 132 Integration im Kraftfahrzeug: Tankeinbaueinheit 139 Entwicklung der Kraftstoffversorgungssysteme (Beispiele) 151 Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs mit BDE 164 Präsentation des Bosch-Niederspannungs- Magnetzünders 166 Einsatz der Magnetzündung 169 Bosch-Batteriezündung (Lehrtafel) 182 Unfallgefahr 197 Zündspulen-Geschichte: Die Asphaltzündspule 219 100 Jahre Zündkerzen - Produktvielfalt 237 Motronic-Systeme im Motorsport 257 Miniaturen 274 Mikromechanik 293 Leistungsfähigkeit der Steuergeräte 333 Ozon und Smog 349 Patentwesen 360 Treibhauseffekt 375 Weltweiter Service 411 Bosch-Prüfzentrum Boxberg
Autoren 9 Grundlagen des Ottomotors Dipl.-Ing. Michael Oder, Or.-Ing. RainerOrtmann, Dipl.-Ing. Werner Häming, Dipl.-Ing. Werner Hess. Steuerung des Ottomotors Dipl.-Ing. Michael Oder, Oipl.-Ing. WalterGollin. Systeme zur Füllungssteuerung Dipl.-Ing. Georg Mallebrein, Dipl.-Ing. Christian Köhler, Dipl.-Ing. Oliver Schlesiger, Dipl.-Ing. Michael Bäuerle. Kraftstoffförderung Dr. Thomas Frenz, Or.-Ing. Dieter Lederer, Dipl.-Ing. Albert Gerhard, Dipl.-Betriebsw. Michael Ziegler, Dipl.-Ing. (FH) Eckhard Bodenhausen, Dipl.-Ing. (FH) Annette Wittke, Dipl.-Ing. (FH) Bernd Kudicke. Saugrohreinspritzung Oipl.-Ing. (FH) Klaus Joos. Benzin-Direkteinspritzung Dipl.-Ing. Michael Oder, Dipl.-Ing. Helmut Rembold. Induktive Zündanlage Dipl.-Ing. WalterGollin. Zündspulen Dipl.-Ing. (FH) Klaus Lerchenmüller, Dipl.-Ing. (FH) Markus Weimert, Dipl.-Ing. Tim Skowronek. Zündkerzen Dipl.-Ing. Erich Breuser. Motormanagement Motronic Dipl.-Ing. Bernhard Mencher, Dipl.-Ing. Christian Köhler, Dipl.-Red. Ulrich Michel!. Elektronische Steuerung und Regelung Dr.-Ing. Jürgen Haag. Elektronische Diagnose Dr. -Ing. Matthias Knirsch, Dr.-Ing. Matthias Tappe, Dr. Michael Eggers. Abgasemissionen Dipl.-Ing. Eberhard Schnaibel, Dipl.-Ing. Christian Köhler. Schadstoffminderung Dipl.-Ing. Christian Köhler. Katalytische Abgasreinigung Oipl.-Ing. Eberhard Schnaibel. Abgasgesetzgebung Dr. Michael Eggers, Dr.-lng. Gerold König. Werkstatt-Technik Dipl.-Ing. Rainer Rehage, Oipl.-Ing. (FH) Volker Engel, Dipl.-Ing. (FH) Hans-Günther Weißhaar, Rainer Heinzmann, Karl-Heinz Vocke. Steuergeräteentwicklung Dipl.-Ing. Adolf Fritz, Dipl.-Phys. Lutz Reuschenbach, Dipl.-Ing. (FH) Bert Scheible, Dipl.-Ing. Eberhard Frech. Weitere Autoren Dipl.-Phys. Patentanwalt Ralf-Hoiger Behrens (Patentwesen), Dietrich Kuhlgatz (Lebenswerk von Robert Bosch) sowie die Redaktion in Zusammenarbeit mit den zuständigen Fachabteilungen unseres Hauses. Soweit nicht anders angegeben, handelt es sich um Mitarbeiter der Robert Bosch GmbH. Steuergerät Dipl.-Ing. Adolf Fritz, Dipl.-Ing. Martin Kaiser.