Ottomotor-Management im Überblick

266 Pages·2015·9.546 MB·German

by  Konrad Reif (eds.)

Bosch Fachinformation Automobil
Konrad Reif Hrsg.
Ottomotor-
Management
im Überblick
Bosch Fachinformation Automobil
BOSCH Fachinformation Automobil enthält das Basis-
wissen des weltweit größten Automobilzulieferers aus erster
Hand. Anwendungsbezogene Darstellungen sind das Kenn-
zeichen dieser Buchreihe. Ganz auf den Bedarf an praxis-
nahem Hintergrundwissen zugeschnitten, findet der Auto-
Fachmann ausführliche Angaben, die zum Verständnis
moderner Fahrzeuge benötigt werden. Sie eignet sich damit
hervorragend für den Alltag des Entwicklungsingenieurs,
für die berufliche Weiterbildung, für Lehrgänge, zum
Selbststudium oder zum Nachschlagen in der Werkstatt.
Alle Informationen sind so gestaltet, dass sich auch ein
Leser zurechtfindet, für den das Thema neu ist. Die bedarfs-
gerechte Angebotspalette beginnt beim Kraftfahrtechnischen
Taschenbuch, das als handliches Nachschlagewerk den
kompakten Einblick in die aktuelle Fahrzeugtechnik bietet.
Einen umfassenden Einblick in größere, zusammen-
hängende Themengebiete bieten die ausführlichen Fach-
bücher im gebundenen Hardcover-Umschlag. Anschauliche
Detailinformationen mit deutlich reduziertem Umfang
werden, im flexiblen Einband, zu konkreten Aufgaben-
stellungen erklärt. Kleinere Lernhefte zu thematisch abge-
grenzten Wissensgebieten stehen in den Lernordnern „Auto-
mobilelektronik lernen“ und „Motorsteuerung lernen“ bereit.
Konrad Reif
Herausgeber
Ottomotor-Management
im Überblick
Herausgeber
Prof.Dr.-Ing.KonradReif
DualeHochschuleBaden-Württemberg
Ravensburg,CampusFriedrichshafen
Friedrichshafen,Deutschland
(cid:85)(cid:72)(cid:76)(cid:73)(cid:35)(cid:71)(cid:75)(cid:69)(cid:90)(cid:16)(cid:85)(cid:68)(cid:89)(cid:72)(cid:81)(cid:86)(cid:69)(cid:88)(cid:85)(cid:74)(cid:17)(cid:71)(cid:72)(cid:3)
ISBN978-3-658-09523-9 ISBN978-3-658-09524-6(eBook)
DOI10.1007/978-3-658-09524-6
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SpringerVieweg
©SpringerFachmedienWiesbaden2015
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V
Vorwort
Die Technik im Kraftfahrzeug hat sich in den letzten Jahrzehnten stetig weiterentwickelt. Der
Einzelne, der beruflich mit dem Thema beschäftigt ist, muss immer mehr tun, um mit diesen
Neuerungen Schritt zu halten. Mittlerweile spielen viele neue Themen der Wissenschaft und
Technik in Kraftfahrzeugen eine große Rolle. Dies sind nicht nur neue Themen aus der klassi-
schen Fahrzeug- und Motorentechnik, sondern auch aus der Elektronik und aus der Informa-
tionstechnik. Diese Themen sind zwar für sich in unterschiedlichen Publikationen gedruckt
oder im Internet dokumentiert, also prinzipiell für jeden verfügbar; jedoch ist für jemanden,
der sich neu in ein Thema einarbeiten will, die Fülle der Literatur häufig weder überblickbar
noch in der dafür verfügbaren Zeit lesbar. Aufgrund der verschiedenen beruflichen Tätigkei-
ten in der Automobil- und Zulieferindustrie sind zudem unterschiedlich tiefe Ausführungen
gefragt.
Gerade heute ist es so wichtig wie früher: Wer die Entwicklung mit gestalten will, muss sich
mit den grundlegenden wichtigen Themen gut auskennen. Hierbei sind nicht nur die Hoch-
schulen mit den Studienangeboten und die Arbeitgeber mit Weiterbildungsmaßnahmen in
der Pflicht. Der rasche Technologiewechsel zwingt zum lebenslangen Lernen, auch in Form
des Selbststudiums.
Hier setzt die Schriftenreihe „Bosch Fachinformation Automobil“ an. Sie bietet eine umfas-
sende und einheitliche Darstellung wichtiger Themen aus der Kraftfahrzeugtechnik in kom-
pakter, verständlicher und praxisrelevanter Form. Dies ist dadurch möglich, dass die Inhalte
von Fachleuten verfasst wurden, die in den Entwicklungsabteilungen von Bosch an genau den
dargestellten Themen arbeiten. Die Schriftenreihe ist so gestaltet, dass sich auch ein Leser zu-
rechtfindet, für den das Thema neu ist. Die Kapitel sind in einer Zeit lesbar, die auch ein sehr
beschäftigter Arbeitnehmer dafür aufbringen kann.
,,Ottomotor-Management im Überblick“ enthält einen Überblick über die Steuerung und
Regelung von Ottomotoren. Es werden die Grundlagen des Ottomotors und die für die Steue-
rung und Regelung zentralen Themen dargestellt. Dies sind zum einen die klassischen The-
men Kraftstoffversorgung, Füllungssteuerung, Einspritzung, Zündung und Abgasnachbe-
handlung. Zum anderen sind aber auch die typischen Elektronik-Themen wie Sensoren,
elektronische Steuerung und Regelung, Steuergerät und Diagnose entsprechend behandelt.
Das vorliegende Buch ist eine Auskopplung aus dem gebundenen Buch ,,Ottomotor-
Management“ der Reihe Bosch Fachinformation Automobil und wurde neu zusammen-
gestellt. Für weiterführende Informationen zu diesem Thema wird auf dieses Buch
verwiesen.
Friedrichshafen, im August 2015 Konrad Reif
VI
Inhaltsverzeichnis
Grundlagen des Ottomotors λ-Sonden ........................................................................148
Arbeitsweise .......................................................................2 Zweipunkt-λ-Sonden ...................................................149
Zylinderfüllung ....................................................................7 Breitband-λ-Sonde .......................................................152
Verbrennung .....................................................................15 NOx-Sensor ...................................................................155
Drehmoment, Leistung und Verbrauch .......................19
Elektronische Steuerung und Regelung
Kraftstoffversorgung Übersicht ........................................................................158
Überblick ...........................................................................24 Betriebsdatenverarbeitung ........................................160
Komponenten der Kraftstoffförderung ........................29 Systembeispiele ...........................................................163
Rückhaltesysteme für Kraftstoffdämpfe, Systemstruktur ..............................................................168
Tankentlüftung ..........................................................36 Softwarestruktur ............................................................179
Ottokraftstoffe ..................................................................38 Steuergeräteapplikation .............................................189
Füllungssteuerung Steuergerät
Elektronische M otorleistungssteuerung .....................48 Einführung, Anforderungen und
Dynamische Aufladung ..................................................51 Einsatzbedingungen ............................................198
Aufladung ..........................................................................54 Elektronischer Aufbau des Steuergerätes ..............198
Abgasrückführung ...........................................................64 Rechnerkern ..................................................................201
Sensorik .........................................................................204
Einspritzung Aktor-Ansteuerung .......................................................206
Applikation von Steuerg eräten in
Saugrohreinspritzung .....................................................67
Fahrzeugprojekten ................................................207
Benzin-Direkteinspritzung .............................................83
Hardware-nahe Software ...........................................209
Mechanik ........................................................................211
Zündung
Magnetzündung ............................................................104
Diagnose
Batteriezündung ...........................................................104
Überwachung im Fahrbetrieb –
Induktive Zündanlage ..................................................106
On-Board-Diagnose ............................................214
OBD-System für Pkw und leichte Nfz .....................216
Abgasnachbehandlung
OBD-Funktionen ..........................................................220
Abgasemissionen und Schadstoffe .........................112 Diagnose in der Werkstatt .........................................233
Einflüsse auf Rohemissionen .....................................115
Katalytische Abgasreinigung .....................................120 Abkürzungsverzeichnis ...............................................238
Stichwortverzeichnis....................................................245
Sensoren
Einsatz im Kraftfahrzeug .............................................132
Temperatursensoren ....................................................133
Motordrehzahlsensoren ..............................................135
Heißfilm-Luftmassenmesser ......................................140
Piezoelektrische Klopfsensoren ................................143
Mikromechanische D ruck sensoren ..........................144
Hochdrucksensoren ....................................................147
Herausgeber/Autoren
Herausgeber
Prof. Dr.-Ing. Konrad Reif
Autoren und Mitwirkende
Dr.-Ing. David Lejsek, Dipl.-Ing. Uwe Müller,
Dr.-Ing. Andreas Kufferath, Prof. Dr.-Ing. Konrad Reif,
Dr.-Ing. André Kulzer, Duale Hochschule Baden-Württemberg.
Dr. Ing. h.c.F. Porsche AG, (Einspritzung)
Prof. Dr.-Ing. Konrad Reif,
Duale Hochschule Baden-Württemberg. Dipl.-Ing. Klaus Winkler,
(Grundlagen des Ottomotors) Dr.-Ing. Wilfried Müller,
Umicore AG & Co. KG,
Dipl.-Ing. Andreas Posselt, Prof. Dr.-Ing. Konrad Reif,
Dr.-Ing. Jens Wolber, Duale Hochschule Baden-Württemberg.
Ing.-grad. Peter Schelhas, (Abgasnachbehandlung)
Dipl.-Ing. Manfred Franz,
Dipl.-Ing. (FH) Horst Kirschner, Dr.-Ing. Manfred Strohrmann,
Dipl.-Ing. Andreas Pape, Dr.-Ing. Berndt Cramer,
Dr. rer. nat. Winfried Langer, Prof. Dr.-Ing. Konrad Reif,
Dipl.-Ing. Peter Kolb, Duale Hochschule Baden-Württemberg.
Dr. rer. nat. Jörg Ullmann, (Sensoren)
Günther Straub,
Prof. Dr.-Ing. Konrad Reif, Dipl.-Ing. Stefan Schneider,
Duale Hochschule Baden-Württemberg. Dipl.-Ing. Andreas Blumenstock,
(Kraftstoffversorgung) Dipl.-Ing. Oliver Pertler,
Prof. Dr.-Ing. Konrad Reif,
Dr.-Ing. Martin Brandt, Duale Hochschule Baden-Württemberg.
Dr.-Ing. Alex Grossmann, (Elektronische Steuerung und Regelung)
Dipl.-Ing. Markus Deissler,
Prof. Dr. Kurt Kirsten, IDK GmbH Dipl.-Ing. Hans-Walter Schmitt,
Dipl.-Ing. Michael Bäuerle, Dipl.-Ing. Hans-Peter Ströbele,
Dipl.-Ing. Martin Rauscher, Dipl.-Ing. Axel Aue,
Dr.-Ing. Jochen Müller, Dipl.-Ing. Norbert Jeggle,
Bosch Mahle Turbo Dipl.-Ing. Andreas Müller,
Systems GmbH & Co. KG, Dipl.-Ing. Wolfgang Löwl,
Dr.-Ing. Wolfgang Samenfink, Dipl.-Ing. Jochen Schneider,
Prof. Dr.-Ing. Konrad Reif, Dipl.-Ing. Jörg Gebers,
Duale Hochschule Baden-Württemberg. Prof. Dr.-Ing. Konrad Reif,
(Füllungssteuerung) Duale Hochschule Baden-Württemberg.
(Steuergerät)
Dipl.-Ing. Andreas Posselt,
Dipl.-Ing. Markus Gesk, Dr.-Ing. Markus Willimowski,
Dipl.-Ing. Anja Melsheimer, Dipl.-Ing. Jens Leideck,
Dipl.-Ing. (BA) Ferdinand Reiter, Prof. Dr.-Ing. Konrad Reif,
Dipl.-Ing. (FH) Klaus Joos, Duale Hochschule Baden-Württemberg.
Dipl.-Ing. Peter Schenk, (Diagnose)
Dr.-Ing. Andreas Kufferath,
Dr.-Ing. Wolfgang Samenfink, Soweit nicht anders angegeben, handelt es sich um
Dipl.-Ing. Andreas Glaser, Mitarbeiter der Robert Bosch GmbH.
Dr.-Ing. Tilo Landenfeld,
2
Grundlagen des Ottomotors
Arbeitsweise
Der Ottomotor ist eine Verbrennungs-
kraftmaschine mit Fremdzündung, die ein
Luft-Kraftstoff-Gemisch verbrennt und Im Arbeitszylinder eines Ottomotors wird
damit die im Kraftstoff gebundene chemi- periodisch Luft oder Luft-Kraftstoff-Ge-
sche Energie freisetzt und in mechanische misch angesaugt und verdichtet. Anschlie-
Arbeit umwandelt. Hierbei wurde in der ßend wird die Entzündung und Verbren-
Vergangenheit das brennfähige Arbeitsge- nung des Gemisches eingeleitet, um durch
misch durch einen Vergaser im Saugrohr die Expansion des Arbeitsmediums (bei ei-
gebildet. Die Emissionsgesetzgebung ner Kolbenmaschine) den Kolben zu bewe-
bewirkte die Entwicklung der Saugrohrein- gen. Aufgrund der periodischen, linearen
spritzung (SRE), welche die Gemischbil- Kolbenbewegung stellt der Ottomotor einen
dung übernahm. Weitere Steigerungen Hubkolbenmotor dar. Das Pleuel setzt dabei
von Wirkungsgrad und Leistung erfolgten die Hubbewegung des Kolbens in eine Rota-
durch die Einführung der Benzin-Direkt- tionsbewegung der Kurbelwelle um (Bild 1).
einspritzung (BDE). Bei dieser Technologie
wird der Kraftstoff zum richtigen Zeitpunkt Viertakt-Verfahren
in den Zylinder eingespritzt, sodass die Die meisten in Kraftfahrzeugen eingesetzten
Gemischbildung im Brennraum erfolgt. Verbrennungsmotoren arbeiten nach dem
Viertakt-Prinzip (Bild 1). Bei diesem Ver-
fahren steuern Gaswechselventile den La-
dungswechsel. Sie öffnen und schließen die
Ein- und Auslasskanäle des Zylinders und
steuern so die Zufuhr von Frischluft oder
-gemisch und das Ausstoßen der Abgase.
Das verbrennungsmotorische Arbeitsspiel
stellt sich aus dem Ladungswechsel (Aus-
schiebetakt und Ansaugtakt), Verdichtung,
Bild 1
a Ansaugtakt 1 Das Arbeitsspiel des Viertakt-Ottomotors (am Beispiel eines Motors mit Saugrohreinspritzung und getrennter
Ein- und Auslassnockenwelle)
b Verdichtungstakt
c Arbeitstakt
1
d Ausstoßtakt
2 a b c d
3
1 Auslassnockenwelle
2 Zündkerze 4
3 Einlassnockenwelle
4 Einspritzventil 5 OT Vc
5 Einlassventil
6
6 Auslassventil
V s
7 Brennraum 7 h
8 Kolben
9 Zylinder UT
10 Pleuelstange 8
11 Kurbelwelle
9
12 Drehrichtung
M Drehmoment 10
αs KKuorlbbeenlwhiunbkel 11 12
M
V Hubvolumen
h
V Kompressions-
c
volumen
© Springer Fachmedien Wiesbaden 2015
K. Reif (Hrsg.), Ottomotor-Management im Überblick, Bosch Fachinformation Automobil, DOI 10.1007/978-3-658-09524-6_1
Grundlagen des Ottomotors Arbeitsweise 3
Verbrennung und Expansion zusammen. erhöht den Druck und die Temperatur der
Nach der Expansion im Arbeitstakt öffnen Brennraumladung, was den Kolben abwärts
die Auslassventile kurz vor Erreichen des treibt. Nach zwei Kurbelwellenumdrehungen
unteren Totpunkts, um die unter Druck ste- beginnt ein neues Arbeitsspiel.
henden heißen Abgase aus dem Zylinder
strömen zu lassen. Der sich nach dem Arbeitsprozess: Ladungswechsel und
Durchschreiten des unteren Totpunkts auf- Verbrennung
wärts zum oberen Totpunkt bewegende Kol- Der Ladungswechsel wird üblicherweise
ben stößt die restlichen Abgase aus. durch Nockenwellen gesteuert, welche die
Danach bewegt sich der Kolben vom obe- Ein- und Auslassventile öffnen und schlie-
ren Totpunkt (OT) abwärts in Richtung un- ßen. Dabei werden bei der Auslegung der
teren Totpunkt (UT). Dadurch strömt Luft Steuerzeiten (Bild 2) die Druckschwingun-
(bei der Benzin-Direkteinspritzung) bzw. gen in den Saugkanälen zum besseren Füllen
Luft-Kraftstoffgemisch (bei Saugrohrein- und Entleeren des Brennraums berücksich-
spritzung) über die geöffneten Einlassventile tigt. Die Kurbelwelle treibt die Nockenwelle
in den Brennraum. Über eine externe Ab- über einen Zahnriemen, eine Kette oder
gasrückführung kann der im Saugrohr Zahnräder an. Da ein durch die Nockenwel-
befindlichen Luft ein Anteil an Abgas zu- len zu steuerndes Viertakt-Arbeitsspiel zwei
gemischt werden. Das Ansaugen der Frisch- Kurbelwellenumdrehungen andauert, dreht
ladung wird maßgeblich von der Gestalt der sich die Nockenwelle nur halb so schnell wie
Ventilhubkurven der Gaswechselventile, der die Kurbelwelle.
Phasenstellung der Nockenwellen und dem Ein wichtiger Auslegungsparameter für
Saugrohrdruck bestimmt. den Hochdruckprozess und die Verbren-
Nach Schließen der Einlassventile wird die nung beim Ottomotor ist das Verdichtungs-
Verdichtung eingeleitet. Der Kolben bewegt verhältnis ε, welches durch das Hubvolumen
sich in Richtung des oberen Totpunkts (OT) V und Kompressionsvolumen V folgender-
h c
und reduziert somit das Brennraumvolu- maßen definiert ist:
men. Bei homogener Betriebsart befindet
V + V
sich das Luft-Kraftstoff-Gemisch bereits zum ε = _ _h__ __c . (1)
V
Ende des Ansaugtaktes im Brennraum und c
wird verdichtet. Bei der geschichteten Be- Dieses hat einen entscheidenden Einfluss auf
triebsart, nur möglich bei Benzin-Direktein- den idealen thermischen Wirkungsgrad η ,
th
spritzung, wird erst gegen Ende des Verdich- da für diesen gilt:
tungstaktes der Kraftstoff eingespritzt und
somit lediglich die Frischladung (Luft und η = 1 – _ _1_ _ , (2)
th ε κ‒1
Restgas) komprimiert. Bereits vor Erreichen
des oberen Totpunkts leitet die Zündkerze wobei κ der Adiabatenexponent ist [4]. Des
zu einem gegebenen Zeitpunkt (durch Weiteren hat das Verdichtungsverhältnis
Fremdzündung) die Verbrennung ein. Um Einfluss auf das maximale Drehmoment, die
den höchstmöglichen Wirkungsgrad zu er- maximale Leistung, die Klopfneigung und
reichen, sollte die Verbrennung kurz nach die Schadstoffemissionen. Typische Werte
dem oberen Totpunkt abgelaufen sein. Die beim Ottomotor in Abhängigkeit der Fül-
im Kraftstoff chemisch gebundene Energie lungssteuerung (Saugmotor, aufgeladener
wird durch die Verbrennung freigesetzt und Motor) und der Einspritzart (Saugrohrein-