P2.1, 4_Aktoren

1. Spannungsgesteuert
2. Spannungsgesteuert mit Vorschaltwiderstand
3. Stromgesteuert – analog oder getaktet

Der wesentliche Unterschied liegt in Wicklungswiderstand, Induktivität, Strombegrenzung und Ansprechgeschwindigkeit.

• Durch den dickeren Draht und die geringere Windungszahl besitzt die Spule eine kleinere Induktivität.

• Der Strom kann schneller ansteigen und das erforderliche Magnetfeld schneller aufgebaut werden.

• Widerstand etwa 12–18 Ω
• dünner Draht
• grosse Windungszahl
• grosse Induktivität
• relativ lange Anzugsverzögerung
• kann mit Bordspannung geprüft werden

• Der Wicklungswiderstand beträgt nur etwa 1–4 Ω. Ohne Strombegrenzung würde bei Bordspannung ein sehr hoher Strom fliessen.
• Der Vorschaltwiderstand bzw. die elektronische Stromregelung begrenzt deshalb den Strom und schützt Einspritzventil und Endstufe.

Vorteil der niederohmigen Wicklung ist die kleine Induktivität und damit kurze Anzugsverzögerung.

Anzugsverzögerung:

• Das Einspritzventil öffnet nach Beginn des elektrischen Signals verzögert. Ursachen sind insbesondere:
  • Induktivität
  • Massenträgheit der Düsennadel
  • Schliessfeder

Abfallverzögerung:

• Nach Abschalten der Ansteuerung benötigt die Düsennadel ebenfalls Zeit, bis sie wieder geschlossen ist.

Deshalb entspricht das elektrische Signal nicht exakt der tatsächlichen mechanischen Öffnungszeit.

Einspritzsignalzeit = unwirksame Einspritzzeit + wirksame Einspritzzeit

Die unwirksame Einspritzzeit umfasst vereinfacht die Zeit, während der das Einspritzventil elektrisch bereits angesteuert wird, mechanisch aber noch nicht entsprechend wirksam geöffnet ist.

Die wirksame Einspritzzeit ist die für die tatsächliche Kraftstoffdosierung wirksame Öffnungszeit.

• Bei niedriger Batteriespannung baut sich der Strom in der Magnetspule langsamer auf. Dadurch öffnet das Einspritzventil später.
• Das Motorsteuergerät kompensiert diesen Effekt durch eine spannungsabhängige Verlängerung der Ansteuerzeit.
• Damit bleibt die eingespritzte Kraftstoffmenge möglichst konstant.
• Insbesondere bei Motorstart revelant!

• Die Bordnetzspannung reicht für die gewünschte schnelle Betätigung nicht aus.
• Eine Endstufe mit Hochleistungskondensatoren erzeugt deshalb etwa 85–100 V.
• Die Ansteuerung besteht vereinfacht aus:
  • Vormagnetisierung → Anzugsphase → Haltephase
• Beim Öffnen wird ein hoher Strom benötigt. Ist das Ventil geöffnet, wird auf einen deutlich niedrigeren Haltestrom reduziert.

• Zum schnellen Öffnen muss zunächst eine hohe elektromagnetische Kraft erzeugt werden. Deshalb werden hohe Spannung und hoher Strom verwendet.
• Ist die Düsennadel geöffnet, benötigt man wesentlich weniger Kraft, um sie dort zu halten.
• Daher wird anschließend auf einen niedrigeren Haltestrom reduziert.
• Das reduziert:
  • Verlustleistung
  • Erwärmung der Spule
  • Belastung der Endstufe.

• Das Piezo-Aktormodul stellt für das Steuergerät eine kapazitive Last dar.
• Kennwerte:
  • Betriebsspannung etwa 125–160 V
  • kurzzeitig etwa 8 A
  • Polaritätsumkehr zum Öffnen und Schliessen
  • Düsennadelhub etwa 35 µm
  • Entladewiderstand 220 Ω

• Soll-Leerlaufdrehzahl einhalten
• Drehzahlschwankungen verhindern
• optimale Startluftmenge einstellen
• Zusatzluft im Schiebebetrieb steuern
• Motorschleppmoment beeinflussen

• Grundsätzlich soll die Leerlaufdrehzahl aus Verbrauchsgründen möglichst niedrig sein, ohne dass der Motor unruhig läuft oder abstellt.

Innere Motorbelastungen:

• Reibung von Kurbel- und Ventiltrieb
• Wasserpumpe
• Ölpumpe
• stark temperaturabhängig

Äussere Belastungen:

• Alternator
• Servolenkpumpe
• Klimakompressor
• Kühlerlüfter
• Getriebe

Für eine konstante Drehzahl muss das erzeugte Motordrehmoment mit der aktuellen Motorbelastung im Gleichgewicht stehen.

1. Luftmenge

• Bypass
• Leerlaufsteller
• Drosselklappensteller

2. Zündzeitpunkt

Die Zündwinkelverstellung reagiert wesentlich schneller und unterstützt deshalb die langsamere Luftregelung.

Sinkt die Drehzahl → Zündwinkel Richtung früh.
Steigt die Drehzahl → Zündwinkel entsprechend Richtung spät.

• Weil das Motordrehmoment durch eine Änderung des Zündzeitpunkts praktisch von Arbeitsspiel zu Arbeitsspiel verändert werden kann.
• Eine Luftmassenänderung benötigt aufgrund von Drosselklappen-/Stellerbewegung und Saugrohrfüllung mehr Zeit.

Bei einer pulsweitenmodulierten Ansteuerung bleiben:

• Frequenz konstant
• Spannungshöhe konstant

Verändert wird das Verhältnis zwischen Ein-Zeit und Periodendauer.

• Bipolar
  • Der Strom durchfliesst die Wicklungen abwechselnd in beiden Richtungen.
  • Vorteil:
    • gesamte Wicklung wird genutzt
    • bessere Leistungsausnutzung
  • Nachteil:
    • höherer Schaltungsaufwand zur Stromrichtungsumkehr
• Unipolar
  • Die Wicklungen besitzen entsprechende Teilwicklungen bzw. Mittelanzapfungen. Die Magnetflussrichtung wird durch Umschalten zwischen den Teilwicklungen verändert.
  • Vorteil:
    • einfachere Endstufe
  • Nachteil:
    • schlechtere Ausnutzung des vorhandenen Kupfervolumens

• Ein Hubkolbensteller ist ein elektromagnetisches Stellglied in der Fahrzeugtechnik. Er regelt die Luftzufuhr (Bypassluft) an Motoren, um den Leerlauf präzise zu stabilisieren. Ein bekannter Vertreter dieser Bauart ist das Leerlaufstabilisierungsventil. 

• Der Hubkolben verändert den Bypassquerschnitt und damit die Luftmenge am geschlossenen Drosselorgan vorbei.
  • Die Spule erhält plusseitige Versorgung; das Motorsteuergerät taktet die Masse.
  • Über das Tastverhältnis wird der Strom geregelt ungefähr zwischen:
    • 400 mA → kleiner Öffnungsquerschnitt
    • 1'200 mA → grosser Öffnungsquerschnitt
• Eine Rückstellfeder bringt den Hubkolben in die Notlaufstellung. Eine Bohrung stellt einen definierten Notlaufquerschnitt bereit, sodass bei warmem Motor ein Notleerlauf möglich bleibt.

• Einwicklungsdrehsteller – EWD:
  • Öffnen: Spulenstrom
  • Schliessen: Rückstellfeder
  • Ansteuerung: PWM
  • Notlauf: mechanisch über Anschlag
• Zweiwicklungsdrehsteller – ZWD
  • Öffnen: Spulenstrom der ersten Wicklung
  • Schliessen: Spulenstrom der zweiten Wicklung
  • Ansteuerung: zwei PWM-Signale
• Der ZWD kann somit aktiv elektrisch in beide Richtungen verstellt werden.

• Typische elektrische Fehler:
  • Kurzschluss nach Plus
  • Unterbruch
  • Kurzschluss nach Masse
• Mechanische Fehler können teilweise durch Plausibilisierung von Tastverhältnis und Luftmassensignal erkannt werden.
• Bei einem Windungsschluss steigt der Strom stark an; das Steuergerät kann daraufhin den Steller abschalten.

• Das Motorsteuergerät berechnet die Sollstellung aus:
  • Fahrpedalstellung
  • Motormomentanforderung
  • Anforderungen anderer Steuergeräte
• Ein Elektromotor verstellt die Drosselklappe.
• Positionssensoren melden die tatsächliche Stellung als Istwert zurück. 
• Dadurch entsteht ein geschlossener Regelkreis.

• Die Soll-Leerlaufdrehzahl ist die Führungsgrösse.
• Das Motorsteuergerät vergleicht diese mit der gemessenen Ist-Drehzahl.
• Aus der Regelabweichung berechnet es eine Stellgrösse und beeinflusst beispielsweise die Luftmenge über die Drosselklappe oder einen Leerlaufsteller.
• Zusätzlich kann der Zündwinkel für schnelle Korrekturen verändert werden.
• Störgrössen wie Klimakompressor, Alternator, Reibung oder Motortemperatur verändern die Motordrehzahl.
• Die tatsächliche Drehzahl wird wieder an das Steuergerät zurückgemeldet, wodurch ein geschlossener Regelkreis entsteht.

• Stabiler Leerlauf bei möglichst tiefer Drehzahl ermöglichen
• Soll-Drehzahl einhalten
• Drehzahlschwankungen verhindern
• Optimale Startluftmenge bereitstellen
• Zusatzluft im Schiebebetrieb regeln
• Motorschleppmoment beeinflussen