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Sprache Italiano
Stufe Berufslehre
Erstellt / Aktualisiert 16.11.2013 / 06.01.2019
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7.5. Homogeneous Charge Compression Ignition – HCCI

Teil II

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Verfahrensgrenzen von HCCI ergeben sich durch den hohen Spitzendruck woraus eine hohe mechanische Belastung des Triebwerks resultiert. Die Regelung der Selbstzündung ist kompliziert, da es eine Vielzahl von Einflussgrößen gibt (Ladungstemperatur, Zylinderdruck beim Schließen der Ventile, Restgasanteil, Kraftstoff-Luftverhältnis sowie die Homogenisierung der Ladung). Zusätzlich ist zu beachten, dass die Variation einer Stellgröße gleichzeitig mehrere Einflussgrößen ändert. Der Verbrennungsvorgang bei Selbstzündung ist wesentlich vom vorhergehenden Zyklus abhängig, was eine zyklustreue Füllungssteuerung unabdingbar macht. Weitere Grenzen ergeben sich einerseits durch das Risiko einer „klopfenden" Verbrennung bei Betrieb mit Lamda < 3, sowie andererseits durch Erreichen der Aussetzergrenze (f(Lamda, AGR)). Der Motorstart und Warmlauf erfolgt bei fremdgezündetem Betrieb.

Eine Kombination der Verfahren Otto und Diesel kann auf Basis der HCCI-Technologie realisiert werden („unkenunterstützte" Selbstzündung).

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7.6. Komponenten für Einspritzsysteme

7.6.1 Luftmassenmessung

7.6.1.1. Stauklappe

7.6.1.2. Karmann Vortex Luftmassenmesser

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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

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7.6.1.4 Heißfilm-Luftmassenmesser HFM5

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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.

 

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7.6.1.5 Ultraschallmessung

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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 (tv) verkürzt und in der Gegenrichtung (tr) 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

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7.6.2. Drosselklappe und Drosselklappensignal

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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.

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7.6.3. Saugrohrdrucksensor

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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)

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7.6.4. Niederdruck-Kraftstoffsystem

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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.

 

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7.6.4 Niederdruck Kraftstoffsystem

7.6.4.2 Kraftstofffilter

7.6.4.3 Kraftstoffniederdruckregler

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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.