Motorsteuerung
Eine Motorsteuerung (auch Motorsteuergerät; englisch Electronic Control Unit, ECU) ist eine von einem Automobilzulieferer für einen bestimmten Motortyp entwickelte Elektronik (Steuergerät), welche die Steuerung, Regelung und Überwachung von Motorfunktionen übernimmt.
Die Anfänge der Motorsteuerung basierte zunächst auf einer analogen Elektronik (wie z.B. die Bosch D-Jetronic). Sie dienten zur Realisierung der elektronischen Kraftstoffeinspritzung.
Bei modernen Motorsteuergeräten kommen leistungsfähige digitale Mikroprozessoren oder Mikrokontroller zum Einsatz. Auch Systeme mit mehreren CPUs sind durchaus üblich. Sie steuern die internen Verbrennungsabläufe im Motor und weit mehr.
Abgrenzung
Der Begriff Motorsteuerung wird v. a. im Zusammenhang mit dem Ottomotor verwendet. Die sehr ähnliche Motorsteuerung für den Dieselmotor wird unter Electronic Diesel Control behandelt. Fahrzeuge mit Hybridantrieb haben meist je eine Steuerung für den Verbrennungsmotor und eine Steuerung für die elektrische Maschine.
Grundlagen und Aufbau
Bei aktuellen Verbrennungsmotoren werden mit dem Motorsteuergerät die Verbrennungsabläufe im Motor so gesteuert und kontrolliert, dass das gewünschte Fahrverhalten erreicht und die gültige Abgasnorm eingehalten wird (z.B. Lambdaregelung). Hierzu muss das Motorsteuergerät synchron zum innermotorischen Prozess alle Stellsignale berechnen und ausgeben. Das gilt besonders für die Luftfüllung des Brennraums, die Kraftstoffeinspritzung und die Steuerung des Zündzeitpunkts bis zur Regeneration/Reinigung der Abgasanlage. Motorsteuergeräte können über 200 Anschlüsse (analoge und digitale I/O-Schnittstellen) aufweisen.
Bei großen Verbrennungsmotoren können darüber hinaus auch mehrere Motorsteuergeräte nach dem Master-Slave Prinzip eingesetzt werden. Hierbei wird der erheblich größeren Anzahl an Sensoren und Aktoren Rechnung getragen (z.B. für Einspritz- und Zündsystem pro Zylinder aber auch Luft- und Lambdasensoren bei mehrflutigen Systemen)
Typische Eingangssignale der Motorsteuerung sind:
- Kurbelwellensensor und Nockenwellensensor für die Synchronisation von Verbrennungsmotor und Motorsteuergerät,
- Luftdrucksensor, Luftmassensensor und Elektrische Drosselklappe für die Berechnung der Ladeluftmasse,
- Ladedruck bei Aufladung (Turbolader),
- Zündzeitpunkt (bei fremdgezündeten Verbrennungsmotoren),
- Lambdasonde für das Gemischverhältnis und die katalytische Abgasreinigung sowie die Abgasrückführung,
- variabler Ventiltrieb die Öffnungs- und Schließ(kurbelwellen)winkel der Ein- und Auslassventile,
- Klopfsensor,
- barometrischer Umgebungs-Luftdruck,
- Kraftstoffdrucksignal,
- Temperatur der angesaugten Luft,
- Temperatur der Motorkühlflüssigkeit,
- Temperatur und Druck des Motoröls.
Weitere Eingangssignale werden durch den Fahrer erzeugt, zum Beispiel:
- Gaspedalwinkel/-weg (Fahrpedalweg),
- Kupplungspedal-Schalter,
- Bremssignal-Schalter,
- Fahrgeschwindigkeits-Regelungssystem (Tempomat).
Typische Ausgangssignale der Motorsteuerung sind:
- Ansteuerung der Einspritzventile,
- Aktivierung der Zündung,
- Ansteuerung des Drosselklappenstellers,
- Ansteuerung des Abgasrückführungsventils,
- Ansteuerung des Turboladers (Waste Gate oder VTG),
- Nockenwellenverstellung,
- Kraftstoffpumpe.
Moderne Motorsteuerungen werden mit Mikrocontrollern, wie zum Beispiel dem Infineon TriCore, realisiert. Sie verfügen über ausreichend Rechenleistung, um die in Echtzeit benötigten Rechenoperationen genügend schnell und genau zu verarbeiten. Der Mikrocontroller hat Zugriff auf internen oder externen Speicher (RAM, ROM und Flash-Speicher). Bei den üblichen Stückzahlen verwendet man zusätzlich auch ASICs um den Mikrocontroller zu entlasten. Vorteilhaft kann aber auch sein, Motorsteuerungen mit FPGAs zu ergänzen, da diese einige digitale Funktionen schneller ausführen können als der Mikrocontroller. Gleichzeitig sind FPGAs in ihrer Anwendung flexibel und können durch die Software neu konfiguriert werden. Sie sind aber nicht kostenneutral und darum bei geringen Stückzahlen sinnvoll einsetzbar. Das Motorsteuergerät weist die Besonderheit auf, dass die darauf zyklisch ablaufenden Programme nicht alle zu festen Zeitintervallen ablaufen, sondern einige auch synchron zur Motordrehzahl, zum Beispiel zur Berechnung des Zündzeitpunkts.
Charakteristisch für einen Motorsteuerungscomputer ist die integrierte Schnittstelle für analoge und digitale Eingangssignale von Sensoren und Ausgangssignale für Aktoren. Für die On-Board-Diagnose existiert eine separate, vorgeschriebene und genormte Schnittstelle (K-Leitung), um mit geeigneten Geräten die Fehlerspeicher auslesen zu können. Das Motorsteuergerät ist über den CAN-Bus oft mit weiteren Steuergeräten, wie zum Beispiel Getriebesteuerung, ABS, ESP, Kombiinstrument und Klimaanlage vernetzt.
Oftmals handelt es sich beim Motorsteuergerät 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.
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 zum Beispiel 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.
Funktionsübersicht
Das Motorsteuergerät ist eines der wichtigsten Steuergeräte eines Kraftfahrzeuges. Es übernimmt die notwendigen Berechnungen zum Betrieb des Motors im Fahrzeug.
Kraftstoffeinspritzung
Die Kraftstoffeinspritzung stellt unter Berücksichtigung hinterlegter Zündkennfelder die richtige Kraftstoffmenge zum richtigen Zeitpunkt sicher. Die Berechnung benötigt u. a. die Gaspedalstellung, die Drehzahl, den Kurbelwellenwinkel, die verfügbare Verbrennungsluft und das Signal der Lambdasonde.
Ansteuerung der Drosselklappe
Der frühere Bowdenzug ist heute durch das elektronische Gaspedal (E-Gas) ersetzt. Über einen Winkelgeber kann eine Rückmeldung der Drosselklappenstellung an die Motorsteuerung erfolgen.
Zündung
Die in einem separaten Artikel beschriebene Zündung entflammt das Luft-/Kraftstoffgemisch. Die Lambdaregelung soll ein passendes Verhältnis von Kraftstoff und Luft einstellen, um den 3-Wege-Katalysator optimal betreiben zu können.
Ladedruckregelung
Wird der Motor z. B. mit einem Turbolader aufgeladen, so muss der Ladedruck geregelt werden. Dazu misst die Motorsteuerung den Ladedruck und verstellt einen Aktor am Turbolader.
Regelung der Leerlaufdrehzahl
Die Leerlaufdrehzahlregelung passt die Luft- und Kraftstoffmenge so an, dass ohne Gas zu geben eine konstante Drehzahl gehalten wird.
Weitere Funktionen
- Steuergeräte-Eigendiagnose,
- On-Board-Diagnose (OBD) für emissions-beeinflussende Bauteile (z. B. Einspritzventile, Lambdasensoren, Katalysator),
- V-Max (Elektronisch abgeregelte Höchstgeschwindigkeit),
- Nockenwellenverstellung (kann bei komplexen Systemen über ein eigenes Steuergerät erfolgen),
- Abgasrückführregelung,
- Katalysator-Heizung,
- Generatorerregung,
- Zusammenspiel mit Klimaanlage, Kupplung des Klimakompressors,
- Lüftersteuerung,
- Tankentlüftung.
Literatur
- Kai Borgeest: Elektronik in der Fahrzeugtechnik, 3. Auflage, Springer-Vieweg, ATZ/MTZ-Fachbuch, Wiesbaden 2014, ISBN 978-3-8348-1642-9
- Robert Bosch Gmbh (Hrsg.): Kraftfahrtechnisches Taschenbuch, 28. Auflage, Springer-Vieweg, Wiesbaden 2014, ISBN 978-3-658-03800-7
- Konrad Reif: Bosch Autoelektrik und Autoelektronik, 6. Auflage, Springer-Vieweg, Wiesbaden 2011, ISBN 978-3-8348-1274-2
Siehe auch
- Chiptuning
- MegaSquirt - frei programmierbare Motorsteuerung
Weblinks
- Open Source Motorsteuerungsprojekt mit zugehörigem deutschem Forum (MegaSquirt)
- frei programmierbare Motormanagementsysteme mit zugehörigem deutschem Forum (trijekt)