VKM_I_Kap.7

7.6. Komponenten für Einspritzsysteme

Das folgende Kapitel beschreibt die wichtigsten Motorkomponenten, die für die Gemischbildung beim Ottomotor mit Einspritzsystemen benötigt werden.

7.6.1. Luftmassenmessung

Das Luftmassensignal bildet die wichtigste Grundlage für die Dosierung des Kraftstoffs. Die Positionierung der Luftmassenmesser ist üblicherweise zwischen Luftfilterkasten und Drosselklappe.

7.6.1.1 Stauklappe

Der Stauklappen-Luftmengenmesser (vgl. Abbildung 7-13) wurde in der K-, KE- und L-Jetronic eingesetzt. Eine federbelastete Klappe befindet sich im Luftstrom und muss von diesem verschoben werden. Dadurch wird ein auf der Klappenwelle angebrachtes Potentiometer gesteuert. Es zeigt einen der Klappenstellung entsprechenden Widerstandswert, der vom Steuergerät ausgewertet wird. Zur Kompensation der durch die Ansaugtakte erzeugten Druckschwankungen ist eine Kompensationsklappe eingebaut, die ebenfalls auf der oben beschriebenen Welle befestigt ist. Beide Klappen bilden ein Bauteil. Im Ansaugbereich des Luftmengenmessers ist ein temperaturabhängiger Widerstand eingebaut, der die Temperatur der angesaugten Luft misst. An der Unterseite des Luftmengenmessers ist bei manchen, meist älteren, Fahrzeugen eine Schraube angebracht. Diese verjüngt einen Kanal im Luftmengenmesser, durch den nicht gemessene Luft ins Saugrohr gelangt. Durch Verdrehen dieser Schraube ändert sich die Menge dieser Luft. Damit werden die Leerlaufdrehzahl und die grundsätzliche Kraftstoffzumessung des Steuergeräts eingestellt.

7.6.1.3 Hitzdraht bzw. einfache Heißfilm Luftmassenstrommesser

Ein Platinwiderstand wird mit Hilfe einer Brückenschaltung bei einer konstanten Temperatur gehalten. Der vorbei streichende Luftmassenstrom bewirkt eine Abkühlung des Messelements. Um die Temperatur konstant zu halten, wird der durch den Widerstand fließende Strom erhöht. Der zusätzliche Heizstrom ist proportional zu dem durchgesetzten Luftmassenstrom.

Die nachfolgenden Abbildungen erläutern den Aufbau und das Funktionsprinzip eines Heißfilmluftmassenstrommessers

7.6.1.4 Heißfilm-Luftmassenmesser HFM5

Moderne Heißfilm-Luftmassenmesser (ab Bosch HFM5) arbeiten nach dem im folgenden beschriebenen Prinzip. Ein Heizwiderstand beheizt die Heizzone (4 – Abbildung 7-18). Links und rechts der Heizzone fällt die Temperatur ab. Zwei symmetrisch zur Heizzone angeordnete Temperatursensoren erfassen die Temperaturverteilung auf der Sensormembrane (5). Ohne Luftanströmung ist das Temperaturprofil auf beiden Seiten der Sensormembrane gleich (Kurve 1 – Abbildung 7-18 links oben). Strömt die Ansaugluft über die Messzelle, verschiebt sich das Temperaturprofil entsprechend der Kurve 2. Die strömende Luft kühlt den der Ansaugseite zugewandten Bereich der Sensormembrane ab (der Temperaturverlauf wird steiler). Die dem Motor zugewandte Seite kühlt zunächst ab. Das Aufheizen der Luft durch den Heizwiderstand erwärmt die Sensormembrane im weiteren Verlauf. Die Änderung der Temperaturverteilung über der Sensormembrane führt zu einer Temperaturdifferenz (T) zwischen den Messpunkten M1 und M2. Die Temperaturdifferenz ist ein Maß für den Luftmassenstrom und dabei unabhängig von der Temperatur des vorbeiströmenden Mediums. Außerdem ist die Temperaturverteilung (Temperaturdifferenz) richtungsabhängig, womit neben dem Betrag des Luftmassenstroms auch die Strömungsrichtung erfasst werden kann.

In Abbildung 7-19 sind die Signalverläufe für zwei HFM, mit und ohne Strömungsrichtungserkennung aufgetragen. Das mit HFM5 gekennzeichnete Signal zeigt eine ausgeprägte Sinusschwingung und damit ein Rückströmen des Mediums bei einer Pulsationsfrequenz von 10 Hz. Das mit Sensyflow P gekennzeichnete Signal zeigt im Bereich des Rückströmens einen positiven Wert und damit die doppelte Pulsationsfrequenz da dieses Gerät keine Rückströmung erfassen kann. In diesem Bereich ist die Luftmassenmessung des Sensyflow P fehlerhaft.

Die Ultraschallmessung zählt zu den akustischen Strömungsmessverfahren. Bei diesem Messprinzip wird auf einem oder auch mehreren Messpfaden die Laufzeit von Ultraschallimpulsen gemessen. Wird ein Ultraschallsignal in einem strömenden Medium ausgestrahlt, ergibt sich die Geschwindigkeit der Schallwelle aus der vektoriellen Addition der lokalen Schallgeschwindigkeit und der Strömungsgeschwindigkeit des Mediums. Dieses physikalische Prinzip wird als Mitnahmeeffekt bezeichnet. Bei dem so genannten Ultraschall-Laufzeitverfahren arbeiten die Ultraschallsonden eines Pfades abwechselnd als Sender und Empfänger. Hierbei wird die Laufzeit des Schallimpulses in Strömungsrichtung (t_v) verkürzt und in der Gegenrichtung (t_r) verlängert. Aus der Laufzeitdifferenz wird die Gasgeschwindigkeit im Pfad ermittelt. Durch die Messung mit und gegen die Strömungsrichtung ist die Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit (v) unabhängig von der lokalen Schallgeschwindigkeit. Der Schall kann von piezokeramischen Ultraschallwandlern, Kondensatoren oder durch Funkenentladung erzeugt werden. Die piezokeramischen Wandler und auch die Kondensatoren können sowohl als Sender als auch als Empfänger verwendet werden

7.6.2. Drosselklappe und Drosselklappensignal

Die Drosselklappe ist das wichtigste Organ zur Steuerung der Luftmasse. Bei konventionellen Motoren sitzt sie im Ansaugtrakt nach dem Luftmassenmesser und vor dem Ansaugkrümmer, so dass die gesamte angesaugte Luftmasse durch sie hindurch strömt. Seltener und meist bei leistungsstarken Motoren zu finden sind Einzeldrosselklappen im Ansaugkanal vor jedem Zylinder.

Die variable Stellung der Klappe führt zu einem variablen Strömungswiderstand, der den Luftstrom drosselt und so die Quantitätssteuerung des Ottomotors darstellt. Die Betätigung der Drosselklappe erfolgte zunächst mechanisch über einen Seilzug, der mit dem Fahrpedal verbunden war (Gaszug). Mit der Einführung von elektronischen Einspritzsystemen entfiel diese mechanische Kopplung und die Ansteuerung erfolgt elektronisch über Gleichstrommotoren mit Getrieben, selten auch Direktantriebe ohne Getriebe oder Schrittmotoren.

Die Sollposition der Drosselklappe wird von der Motorelektronik vorgegeben. Die tatsächliche Stellung wird mit einem Drehpotentiometer erfasst, was redundant ausgeführt ist. Der jeweilige Drosselklappenwinkel entspricht in Abhängigkeit von der Drehzahl (und der Ansteuerung der Einlassventile) einer bestimmten Luftmasse (vgl. Abbildung 7-21) und somit einem Lastpunkt. Diesem ist eine bestimmte Einspritzmenge im Kennfeld für die schnelle Lambdasteuerung zugeordnet.

7.6.3. Saugrohrdrucksensor

Der Saugrohrdrucksensor ist pneumatisch mit dem Saugrohr verbunden und nimmt so den Absolutdruck auf. Der Sensor ist unterteilt in eine Druckzelle mit zwei Sensorelementen und der Auswerteeinheit (vgl. Abbildung 7-22 links). Das Sensorelement besteht aus einer glockenförmigen Dickschichtmembran, die eine Referenzkammer mit einschließt (vgl. Abbildung 7-22 rechts). Je nach anliegendem Saugrohrdruck wird die Membran verschieden stark ausgelenkt. Auf dieser sind piezoresistive Widerstände in einer Brückenschaltung angeordnet, deren elektrische Leitfähigkeit sich unter mechanischer Spannung ändert. Eine Auslenkung der Membran führt zu einer Änderung des Brückenabgleichs und ist damit ein Maß für den Saugrohrdruck.

Der Saugrohrdruck für einen modernen abgasturboaufgeladenen Ottomotor ist in Abbildung 7-23 über Drehzahl und Last dargestellt. Gut zu erkennen ist der saugmotorische Bereich (Saugrohrdruck < ca. 1000 mbar) bei niedrigen Lasten, in dem die Drosselklappe die Quantitätsregelung des Motors durch Regelung des Unterdrucks übernimmt. Bei hohen Lasten ist die Drosselklappe voll geöffnet, die Quantitätsregelung erfolgt über den Ladedruck (Saugrohrdruck > ca. 1000 mbar)

7.6.4. Niederdruck-Kraftstoffsystem

Das Niederdruck-Kraftstoffsystem dient dazu, den Kraftstoff aus dem Tank anzusaugen und über Schlauchleitungen dem Einspritzsystem bereit zu stellen. Bei Saugrohreinspritzung reicht der Druck im System für die Einspritzung aus, bei Direkteinspritzern ist eine Hochdruckkreis, in dem sich die Injektoren befinden, nachgeschaltet.

7.6.4.1 Niederdruck-Kraftstoffpumpe

Die Niederdruck-Kraftstoffpumpe ist eine Pumpe meist im Kraftstofftank, die als elektrisch angetriebene Verdränger- oder Strömungspumpe ausgeführt ist. Für tankinternen Einbau werden vorwiegend Strömungspumpen (teilweise zweistufig) verwendet. Abbildung 7-24 zeigt eine Verdrängerpumpe für den Einbau in der Kraftstoffleitung.

7.6.4.2 Kraftstofffilter

Der Kraftstofffilter ist entweder in der Saugleitung der Pumpe oder nach der Niederdruck-Kraftstoffpumpe angeordnet. Er reinigt den Kraftstoff von festen Kraftstoffverunreinigungen oder Bestandteilen von Ablagerungen im Tank. Er ist bei Ottomotoren meist als In-Line-Filter aus Papierähnlichem Material in einem Blech oder Kunststoffgehäuse ausgeführt.

7.6.4.3 Kraftstoffniederdruckregler

Der Kraftstoffniederdruckregler wird ausschließlich bei Saugrohreinspritzern eingesetzt. Er hält den Differenzdruck zwischen der Verteilerleiste zu den Injektoren und dem Saugrohrdruck konstant um, bezogen auf die Einspritzzeit, immer die gleiche Kraftstoffmenge zu garantieren. Die Druckseite der Niederdruck-Kraftstoffpumpe ist an (1) Abbildung 7-26 angeschlossen. Je niedriger der Saugrohrdruck, am Anschluss (7) anliegend, desto weiter öffnet der Kraftstoffdruck das Ventil (3) gegen die Druckfeder (6) und der Kraftstoffdruck wird über den Rücklauf (2) abgebaut. Somit wird bei geringen Lasten mit niedrigem Saugrohrdruck auch der Einspritzdruck reduziert.

7.6.5. Hochdruck-Kraftstoffsystem

Das Hochdruck-Kraftstoffsystem wird nur bei Direkteinspritzern benötigt, da hier die Leistung der Niederdruckpumpe nicht ausreicht, um den für gute Gemischaufbereitung im Brennraum benötigten Einspritzdruck (> 50bar) darzustellen.

7.6.5.1 Hochdruck-Kraftstoffpumpe

Die mechanisch über die Nockenwelle angetriebene Hochdruckpumpe erzeugt den Kraftstoffhochdruck im Kraftstoffrail, an das die Injektoren angeschlossen sind. Die Hochdruckpumpe wird von der Niederdruckpumpe mit Kraftstoffversorgt und erzeugt einen Motorbetriebspunktabhängigen Druck von ca. 50 – 200 bar. Die Pumpe ist meist als Radialkolbenpumpe ausgeführt. Die Exzenterwelle verschiebt hierbei einen Kolben über einen Laufring. Dieser komprimiert das eingeschlossene Kraftstoffvolumen, das über einen Kanal aus dem Zylinder seitlich ausströmen kann und der Hochdruckseite zugeführt wird. Bei der Rückwärtsbewegung des Kolbens strömt Kraftstoff von der Niederdruckseite in den Zylinder nach, wo er bei der nächsten Umdrehung wieder komprimiert wird. Durch den Einsatz von mehreren Kolben in der Pumpe, werden die Druckpulsationen im Rail reduziert. Die Kraftstoffdruckregelung auf der Hochdruckseite kann entweder in der Pumpe, oder am Rail durch ein Überströmventil realisiert werden.

7.6.5.2 Hochdrucksteuerventil

Für die Regelung hoher Drücke bei Systemen mit Rücklauf ist ein elektronisch gesteuertes Magnetventil im Kraftstoffrail erforderlich. Im Stromlosen Zustand ist das Ventil geschlossen um auch im Störfall den Druckaufbau im Rail zu ermöglichen. Durch Bestromung des Ventils kann der Durchflussquerschnitt der Ventilgruppe vergrößert oder verkleinert werden. Somit kann auf den gewünschten Druck geregelt werden. Durch eine Druckbegrenzungsfunktion werden die Komponenten, wie Injektoren und Hochdruckpumpe, vor unzulässig hohen Drücken geschützt

7.6.5.3 Kraftstoffhochdrucksensor

Das Signal des Raildrucksensors dient als Eingang des Steuergeräts für die Kraftstoffdruckstuerung und Überwachung im Rail durch das Drucksteuerventil.

Der Raildrucksensor arbeitet nach folgendem Prinzip: Der elektrische Widerstand der auf der Membran angebrachten Schichten variiert, wenn sich deren Form verändert. Diese Formänderung durch den sich aufbauenden Systemdruck bewirkt eine Veränderung des elektrischen Widerstandes und erzeugt in der mit 5 V versorgten Widerstandsbrücke eine Spannungsänderung. Diese Spannung liegt in einem Bereich von 0 – 70 mV (entsprechend dem anliegenden Druck) und wird von der Auswerteschaltung auf einen Bereich von 0,5 – 4,5 V verstärkt

7.6.6. Kraftstoffinjektoren

Die Kraftstoffinjektoren/Einspritzventile sind für die Dosierung des Kraftstoffs zuständig. Sie werden elektronisch vom Steuergerät angesteuert. Je nach Einspritzart – Saugrohr- oder Direkteinspritzung – kommen unterschiedliche Injektoren zum Einsatz.

7.6.6.1 Einspritzventile für Saugrohreinspritzung

Einspritzventile für Saugrohreinspritzung arbeiten auf dem niedrigen Druckniveau der Niederdruck-Kraftstoffpumpe (bis ca. 5 bar). Sie sind als elektromagnetische Aktoren ausgeführt. Im unbestromten Zustand wird die Düsennadel (4)(Abbildung 7-30) durch die Schließfeder in den Nadelsitz gepresst und somit die Spritzlöcher verschlossen. Durch die Bestromung der Spule wird der Anker gegen die Schließfeder eingerückt, die Düsennadel wird mitgezogen und der Kraftstoff wird eingespritzt. Unterschiede bei den Einspritzventilen gibt es bei der Anzahl, Form und Art der Spritzlöcher. Die wichtigsten Zumessungsarten werden in Abbildung 7-31 veranschaulicht. Neben den konventionellen Einspritzventilen, bei denen ausschließlich Kraftstoff am Injektor ins Saugrohr eingespritzt wird, gibt es auch sog. luftumfasste Injektoren. Hier wird der Kraftstoff direkt am Düsenaustritt mit Druckluft zerstäubt und somit ein Luft-Kraftstoff-Spray eingespritzt. Der Vorteil dieser Systeme kann in einer besseren Gemischaufbereitung durch hohe Strömungsgeschwindigkeiten der Luft am Düsenaustritt liegen. Problematisch ist jedoch der technische Aufwand zu sehen, da die Druckluftversorgung durch zusätzliche Pumpen bereit gestellt werden muss.

Für die Dosierung des Kraftstoffs ist die Kenntnis über den Zusammenhang zwischen Steursignal (Spannung) und tatsächlicher Ventilöffnungsdauer wichtig. Er beeinflusst sowohl den Zeitpunkt, als auch die Dauer der Einspritzung. Abbildung 7-33 zeigt den Öffnungsvorgang des Einspritzventils mit dem Zusammenhang zwischen elektrischem Signal und tatsächlicher Öffnungsdauer. Gut zu erkennen ist die Totzeit zwischen dem Beginn der Bestromung und dem Öffnen des Ventils. Dies ist durch den verzögerten Kraftaufbau in der Spule (analog langsamer Abbau des Stroms durch Induktion am Ende der Bestromung) und die Überwindung von mechanischem Spiel im Ventil zu erklären.

7.6.6.2 Einspritzventile für Direkteinspritzung und HCCI

Im Gegensatz zum MPFI-Einspritzventil muss dieses höheren Temperaturen und Drücken standhalten (Injektordüse im Brennraum, Positionierung im Zylinderkopf) sowie in kürzerer Zeit während des Zyklus für eine gute Gemischaufbereitung und exakte Zumessung sorgen.

7.6.7. Lambda-Sonden (Sauerstoffsonden)

Die zur Motorsteuerung vorwiegend eingesetzten Sauerstoff-Lambdasonden werden als so genannte Nernst-Sonden bezeichnet und arbeiten, nach dem Prinzip eines potentiometrischen Festkörperelektrolyten. Es erfolgt eine stromlose Messung des Potentials zwischen einer Referenz- und einer Messelektrode. Dazu wird die Eigenschaft bestimmter Halbleiterkristalle genutzt, bei erhöhter Temperatur (ca. 350°C) den elektrischen Strom in Form von Ionen zu transportieren. Die Referenzelektrode ist entweder direkt mit der Umgebungsluft oder mit einer nach außen abgeschlossenen Referenzkammer verbunden. Die Messelektrode ist mit dem Abgas in Kontakt. Da auch bei fettem Motorbetrieb noch Restsauerstoff im Abgas enthalten ist (bei Lamda=95 noch ca. 0,2 …0,3 Vol.-%), tritt zwischen den beiden Elektroden wegen des unterschiedlichen Sauerstoffanteils auf beiden Seiten der Sonde eine el. Spannung auf. Der Festkörperelektrolyt besteht im Allgemeinen aus Zirkoniumdioxid (ZrO2). Um eine schnelle Funktionsfähigkeit der Sonde sicherzustellen, wird diese über eine Heizung zusätzlich beheizt.

7.6.7.1 Sprungsonde

Die Sonde wird als binäre Sonde zur Unterscheidung zwischen fettem und magerem Motorbetrieb eingesetzt. Die Sensorausgangsspannung besitzt im Bereich um = 1 einen charakteristischen Abfall von ca. 0,8 V auf 0,2 V(„prungsonde"). Die Sprungsonde arbeitet als galvanisches Element, dessen Elektrolyt (Zyrkoniumoxyd) bei Temperaturen oberhalb 300° C zweifach negativ geladene Sauerstoffionen passieren lässt. Da Luft einen höheren Sauerstoffgehalt als das Abgas besitzt, wandern die Ionen demnach in der Sensorkeramik von innen nach außen und führen somit zu einer Potentialdifferenz zwischen innerer Elektrode (+, vgl. 10 in Abbildung 7-35) und äußerer Elektrode(-, vgl. 9 in Abbildung 7-35). Diese Potentialdifferenz kann gemessen werden und bildet die Sensorausgangsspannung

Für die Steuerung und Überwachung des mageren Motorbetriebs ist eine Lambda-Sonde mit einem erweiterten Arbeitsbereich erforderlich. Im Gegensatz zu der konventionellen Lambda-Sonde besitzt diese planare Zweizellen-Grenzstrom-Sonde einen erweiterten Arbeitsbereich und wird auch als Breitband-Lambda-Sonde bezeichnet. Wie bei der einfachen Nernst-Sonde handelt es sich auch bei den Grenzstromsonden um Festkörperelektrolytsensoren. Auch diese Sensoren nutzen die physikalischen Eigenschaften von z.B. ZrO₂, bei erhöhter Temperatur, Sauerstoffionen zu leiten. Im Unterschied zu den Nernst-Sonden wird bei Grenzstromsonden der Ionenfluss selbst gemessen, der durch Anlegen einer äußeren Spannung an die beiden Elektroden der Sondenkeramik entsteht. Die Messgröße ist demnach keine Spannung, sonden ein Strom.

Die planare Zweizellen-Grenzstrom-Sonde stellt eine Kombination einer Nernst-Konzentrationszelle mit einer Sauerstoffionen-transportierenden Pumpzelle dar. Dadurch kann sie nicht nur im stöchiometrischen Punkt Lambda=1, sondern auch im fetten und mageren Bereich messen. Die Sonde benötigt eine spezielle Betriebselektronik, die sowohl die interne Regelelektronik für die Pump- und die Sensorzelle zur Erzeugung des Sensorsignals, als auch die Regelelektronik für die Temperaturregelung der Sonde umfasst. Damit ergeben sich folgende Einsatzbereiche

• Regelung auch bei Lambda>1 und bei Lambda< 1
• stetige Lambda-Regelung bei Lambda= 1
• Regelung von Dieselmotoren
• Magerkonzepte für Ottomotoren

Durch das Gaseintrittsloch (10) gelangt Abgas in die Sauerstoffpumpzelle (8) und an den Diffusionsspalt (6). Die Diffusionsbarriere begrenzt das Nachfließen der Sauerstoffmoleküle aus dem Abgas. Um das Luft-Kraftstoffverhältnis Lambda zu bestimmen vergleicht die Nernst-Konzentrationszelle (7) das Gas im Diffusionsspalt (6) mit der Umgebungsluft im Referenzkanal (5). Durch das Anlegen einer Pumpspannung U_P an den Elektroden der Pumpzelle (8) wird Sauerstoff durch die Diffusionsbarriere aus dem Abgas in den Diffusionsspalt hinein- oder herausgepumpt. Die Pumpspannung U_P wird so geregelt, dass die Zusammensetzung im Diffusionsspalt (6) konstant bei Lambda = 1 liegt. Bei magerem Abgas pumpt die Pumpzelle Sauerstoff ins Abgas, bei fettem Motorbetrieb wird Sauerstoff (durch katalytische Zerlegung von CO2 und H2O an der Abgaselektrode) aus dem Abgas in den Diffusionsspalt gepumpt. Bei Lambda= 1 wird kein Sauerstoff gepumpt. Der Zusammenhang zwischen dem Pumpstrom IP und ist in Abbildung 7-39 dargestellt. Gut zu erkennen ist die hohe Empfindllichkeit der Sonde um Lambda = 1.

7.6.8. Drehzahlsensoren (induktiv)

Mit Hilfe des induktiven Drehzahlsensors (Hallgeber) wird die Motordrehzahl erfasst. Am Anlasserzahnkranz sind zusätzlich Zähne angebracht die über diesen Sensor abgetastet werden. Eine Lücke im Zahnkranz dient dabei als Bezugsmarke für den oberen Totpunkt des 1. Zylinders. Üblich sind 60 Zähne, wobei zwei Zähne für die Lücke ausgelassen werden. Die Auflösung entspricht somit 6°. Im Steuergerät wird das Signal ausgewertet und kann hochskaliert werden. Zur Unterscheidung zwischen Ladungswechsel-OT und Zünd-OT wird zusätzlich die Nockenwelle über einen Sensor abgetastet.

Neben einem Zahnkranz werden neuerdings auch kleiner bauende Magnetspuren verwendet die auf der Kraftgegenseite montiert werden können und somit Bauraum sparen.