Motorelektronik

Eine moderne Motorsteuerung (auch Motorsteuergerät bzw. Engine Control Unit) ist ein eigens entwickelter Computer (Steuergerät), der die Steuerung, Regelung und Überwachung von Motorfunktionen übernimmt. Bei Steuergeräten für Dieselmotoren hat sich die Bezeichnung EDC (Electronic Diesel Control) durchgesetzt. Da über EDC ein eigener Artikel existiert, beschreibt dieser Artikel nicht die Besonderheiten von Dieselsteuergeräten, wohl aber von Steuergeräten für Ottomotoren (Zündung und Benzineinspritzung).

Grundlagen

Bei moderneren Verbrennungsmotoren werden mit der elektronischen Drosselklappe und dem Luftmassensensor die Luftmasse, das Gemischverhältnis (Luft zu Kraftstoff) und die katalytische Abgasreinigung sowie die Abgasrückführung und mit einem variablen Ventiltrieb die Öffnungs- und Schließ(kurbelwellen)winkel der Ein- und Auslassventile den momentanen Erfordernissen entsprechend eingestellt. Bei Motoren mit geeigneter Aufladung kann auch der Ladedruck geregelt werden.

Aufbau

Diagramm zur Funktionsweise eines Fahrzeugsteuergeräts

Genaugenommen handelt es sich dabei meistens nicht um eine offene Steuerung, sondern um eine geschlossene Regelung, weil der mit einem Sensor gemessene IST-Zustand mit einem berechneten SOLL-Zustand verglichen wird (Rückkopplung) und über einen Aktuator dann die Abweichung im geschlossenen Regelkreis minimiert wird. Man bezeichnet die Software in der Motorsteuerung auch als elektronisches Motormanagement.

Moderne Motorsteuerungen werden mit 32-Bit-Mikrocontrollern wie zum Beispiel Infineon TriCore ausgestattet, um die in Echtzeit benötigten Rechenoperationen genügend schnell und genau zu verarbeiten. Vorteilhaft kann aber auch sein, Motorsteuerungen mit FPGAs zu ergänzen, da diese digitale Funktionen schneller ausführen. Soweit die Stückzahlen es erlauben, findet man auch in ASICs integrierte Mikrocontroller.

Charakteristisch für einen Motorsteuerungscomputer ist die integrierte Schnittstelle für analoge und digitale Eingangssignale von Sensoren und Ausgangssignale für Aktoren sowie der CAN-Bus für die Kommunikation mit anderen Steuergeräten im Fahrzeug. Für die Diagnosefunktionen existiert eine separate, vorgeschriebene und genormte Schnittstelle, um mit geeigneten Geräten die Fehlerspeicher auslesen zu können.

Typische Eingangssignale sind unter anderem die Gaspedalstellung (Fahrerwunsch), die Motordrehzahl, der Drosselklappenwinkel, die Luftmasse, verschiedene Temperaturen und Drücke sowie das Lambdasonden- und das Klopfsensorsignal.

Typische Ausgangssignale aktivieren die Zündung und die Einspritzventile sowie bei modernen Motoren unter anderem den Drosselklappensteller, das Abgasrückführungsventil, den Turbolader und die Nockenwellenverstellung.

Funktionsübersicht

Das Motorsteuergerät ist eines der wichtigsten Steuergeräte eines Kraftfahrzeuges. Es übernimmt die notwendigen Berechnungen zum Betrieb des Motors im Fahrzeug, wie z. B.

• Steuerung der Basismotorfunktionen Einspritzung und Zündung
• Ansteuerung und Regelung der Drosselklappe (auch E-Gas genannt)
• Regelung der Aufladung
• Regelung der Leerlaufdrehzahl (IDLE)
• Lambdaregelung
• On-Board-Diagnose für emissions-beeinflussende Bauteile (z.B. Einspritzventile, Katalysator)
• Steuergeräte-Eigendiagnose

Ein Motorsteuergerät besteht elektronisch prinzipiell aus:

• µProzessor
• RAM, ROM und Flash-Speicher
• analogen und digitalen I/O-Schnittstellen

Motorsteuergeräte können über 200 Anschlüsse aufweisen.

Das Motorsteuergerät weist gegenüber anderen Steuergeräten die Besonderheit auf, dass die darauf zyklisch ablaufenden Programme nicht nur zu festen Zeitintervallen ablaufen, sondern parallel dazu auch synchron zur Motordrehzahl, z.B. zur Berechnung des Zündzeitpunkts.

Für die Regelungs- und Steueraufgaben verarbeitet das Motorsteuergerät Sensordaten wie z. B.

• angesaugter Luftmassenstrom
• Winkel-/Drehlzahlgeber von Kurbel- und Nockenwelle(n)
• Winkelgeber der Drosselklappe
• barometrischer Umgebungs-Luftdruck
• Signal der Lambdasonde(n)
• Kraftstoffdrucksignal
• Temperatur der Motorkühlflüssigkeit
• Temperatur und Druck des Motoröls
• Temperatur der angesaugten Luft
• Klopfsensor

und Bediener-Signale wie z. B.

• Gaspedalwinkel
• Bremssignal
• Kupplungspedal-Schalter
• Fahrgeschwindigkeits-Regelungssystem (Tempomat)

und kann mit den Eingangssignalen unter Berücksichtigung hinterlegter Kennfelder Ausgangssignale errechnen bzw. den entsprechenden Stellgliedern Sollgrößen vorgeben:

• Zündzeitpunkt und Zündenergie
• Einspritzzeitpunkt und Einspritzmenge
• Drosselklappenstellung
• Ladungsbewegungsklappen
• Nockenwellenverstellung
• Ventilhub
• Abgasrückführventil
• Tankentlüftungsventil
• Kompressoransteuerung
• Turbolader Waste-Gate-Ansteuerung
• Kraftstoffpumpe
• Generatorerregung
• Klimakompressor-Kupplung

Das Motorsteuergerät ist über den CAN-Bus oft mit weiteren Steuergeräten, wie z.B. Getriebesteuerung, ABS, ESP, Kombiinstrument und Klimaanlage vernetzt.

Das Motorsteuergerät ist zumeist an geschützter Stelle an der Motorspritzwand bzw. oftmals zum Innenraum eingebaut (unterm Armaturenbrett). Ein Motorsteuergerät gehört (nach Austauschmotor und -getriebe) meist zu den teuersten Ersatzteilen eines Autos, dies liegt vor allem daran, dass das Steuergerät unter schwierigen Betriebsbedingungen wie z.B ein sehr großer Temperaturbereich, Vibrationen vom Motor und Erschütterungen durch den Straßenzustand sowie Über- und Unterspannung einwandfrei funktionieren soll. Es kann oft auch im Austausch geliefert bzw. repariert werden.

Literatur

• Karl-Heinz Dietsche, Thomas Jäger, Robert Bosch GmbH: Kraftfahrtechnisches Taschenbuch. 25. Auflage, Friedr. Vieweg & Sohn Verlag, Wiesbaden, 2003, ISBN 3528238763
• Robert Bosch (Hrsg): Autoelektrik Autoelektronik. 5. vollständig überarbeitete und erweiterte Auflage. Vieweg & Sohn Verlag, Wiesbaden 2007, ISBN 9783528238728

Siehe auch

Chiptuning

Weblinks

• Open Source Motorsteuerungsprojekt mit zugehörigem deutschem Forum (MegaSquirt)