Ottomotor-Management

363 Pages·2005·51.398 MB·German

by  Robert Bosch GmbH

Ottomotor-Management
Robert Bosch GmbH
Robert Bosch GmbH
Ottomotor
Management
3.
überarbeitete und ergänzte Auflage
I
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© Springer Fachmedien Wiesbaden 2005
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3., überarbeitete und ergänzte Auflage schriftlichen Zustimmung und mit Quellenangabe
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Softcover reprint of the hardcover 3rd edition 2005
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ISBN 978-3-663-10982-2 ISBN 978-3-663-10981-5 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-663-10981-5
NDl
Nikolaus August Otto entwickelte mit dem Viertaktmotor eine Verbrennungskraftmaschine,
die auch für den Einsatz in den ersten Automobilen Ende des 19. Jahrhunderts geeignet war.
Dieser Motor trat daraufhin einen Siegeszug an und ermöglichte die Verbreitung des Auto
mobils. Die in neuen Fahrzeugen eingebauten Benzinmotoren arbeiten immer noch nach dem
gleichen Prinzip und bis heute trägt der "Otto-Motor" den Namen seines Erfinders.
Ein Problem in der Anfangszeit des Automobilzeitalters stellte die Zündung dar. Erst Robert
Bosch konnte dieses Problem zuverlässig lösen. Er entwickelte die von Otto für seine ortsfesten
Motoren eingesetzte träge magnetelektrische Abschnappzündung zur leichteren Abreiß
Magnetzündung, wodurch der Ottomotor höhere Drehzahlen erreichte. Damit konnten die
Anforderungen für den Einsatz des Motors in einem Automobil zunächst befriedigt werden.
Die ebenfalls im Hause Bosch entwickelte Hochspannungs-Magnetzündung in Verbindung mit
der Zündkerze - die im Jahr 2002 ihr hundertjähriges Jubiläum hatte - und schließlich die
Batteriezündung genügten den weiter gestiegenen Anforderungen und sorgten für eine zuver
lässige Zündung des Luft-Kraftstoff-Gemischs im Ottomotor.
Ab den 1970er-Jahren wurden Weiterentwicklungen im Motorenbau vor allem wegen
der immer strengeren Abgasgesetzgebungen erforderlich. Eine wichtige Rolle im Bestreben,
Leistung und Komfort zu erhöhen sowie die Schadstoffemissionen zu verringern spielte die
Elektronik. Im Hause Bosch wurden Systeme entwickelt, die den neu gestellten Anforderungen
Rechnung trugen. Eine wichtige Stellung nehmen die Benzineinspritzung sowie die Zündung
ein, die bei Bosch im Motormanagement-System Motronic zusammengefasst sind. In die
Motronic wurden immer weitere Teilsysteme integriert, wie z. B. die Füllungssteuerung mit der
elektronisch gesteuerten Drosselklappe (elektronisches Gaspedal, EGAS). Die Erweiterung
der Motronic für die Steuerung eines Ottomotors mit direkter Einspritzung in den Brennraum
stellte eine weitere große Herausforderung für die Bosch-Ingenieure dar.
Die Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs und damit die Verringerung der COz-Emissionen
sind Forderungen, die immer mehr in den Vordergrund treten. Die Benzin-Direkteinspritzung
ist ein Weg, der zu diesem Ziel führt. Der Einsatz von Erdgas im Ottomotor ist eine weitere
Alternative, diesem Ziel näher zu kommen. Die Bifuel-Motronic steuert einen Ottomotor, der
sowohl mit Benzin als auch mit Erdgas betrieben werden kann.
In diesem Buch sind die Hefte der Schriftenreihe "Fachwissen Kfz-Technik" zusammengefasst.
Es beschreibt, wie die verschiedenen Motormanagement- Systeme aufgebaut sind und wie sie
sowie ihre Komponenten arbeiten. In einem Rückblick werden auch die früheren Systeme zur
Motorsteuerung, die verschiedenen Benzineinspritzsysteme und Zündsysteme, erläutert.
Schließlich sind diese Systeme in älteren Fahrzeugen immer noch vorhanden.
Ein weiteres Thema dieses Buches ist die Abgasgesetzgebung, die einen wesentlichen Einfluss
auf den Umfang der Motronic-Systeme hat. Dieses Kapitel gibt einen Einblick in die Komplexität
der gesetzlichen Vorgaben.
Bis ein Motronic-System in einem neu entwickelten Fahrzeug arbeitet, ist ein immenser
Entwicklungsaufwand erforderlich. Ein Kapitel dieses Buches gibt deshalb einen überblick, wie
diese Systeme im Hause Bosch zur Serienreife gebracht werden.
Ein umfangreiches Inhalts-und Sachwortverzeichnis sowie das Abkürzungsverzeichnis machen
dieses Buch zu einem idealen Nachschlagewerk zum Thema "Ottomotor-Management".
Die Redaktion
6 InhaH
10 Geschichte 84 Kraftstoffversorgung
des Automobils 84 Kraftstoffförderung
10 Entwicklungsgeschichte bei Saugrohreinspritzung
12 Pioniere der Kfz-Technik 86 Kraftstoffförderung bei
14 Das Lebenswerk von Benzin-Direkteinspritzung
Robert Bosch 87 Kraftstoffverdunstungs-
Rückhaltesystem
16 Grundlagen 88 Elektrokraftstoffpumpe
des Ottomotors 91 Benzinfilter
16 Arbeitsweise 93 Hochdruckpumpen für BDE
20 Zylinderfüllung 100 Kraftstoffverteilerrohr
24 Drehmoment und Leistung 101 Drucksteuerventil
26 Motorwirkungsgrad 101 Druckbegrenzungsventil
28 Spezifischer 102 Kraftstoffdruckregler
Kraftstoffverbrauch 103 Kraftstoffdruckdämpfer
30 Klopfende Verbrennung
104 Saugrohreinspritzung
32 Kraftstoffe 104 Übersicht
32 Ottokraftstoffe 105 Arbeitsweise
37 Alternative Kraftstoffe 108 Einspritzlagen
109 Gemischbildung
40 Systeme zur 113 Zündung und Entflammung
Füllungssteuerung homogener Luft-Kraftstoff-
40 Elektronisches Gaspedal Gemische
(EGAS) 114 Elektromagnetische
44 Variable Ventilsteuerung Einspritzventile
47 Dynamische Aufladung
50 Mechanische Aufladung 118 Benzin-Direkteinspritzung
52 Abgasturboaufladung 118 Übersicht
55 Ladeluftkühlung 118 Arbeitsweise
56 gesteuerte Ladungs- 119 Brennverfahren
bewegung 122 Betriebsarten
57 Abgasrückführung 125 Gemischbildung
127 Zündung und Entflammung
58 Benzineinspritzsysteme 128 Hochdruck-Einspritzventil
der Vergangenheit
58 Übersicht 130 Erdgas-Betrieb
60 Anfänge der Gemisch- von Ottomotoren
bildung 130 Übersicht
68 Benzineinspritzsysteme 132 Aufbau und Arbeitsweise
im Wandel der Zeit 133 Gemischbildung
135 Natural Gas Injector NGI2
138 Erdgas-Rail
138 Kombinierter Erdgasdruck-
und Temperatursensor
139 Hochdrucksensor
DS-HD-KV4
140 Tankabsperrventil TV-NG1
141 Druckregelmodul PR-NG1
Inhalt 7
144 Zündsysteme der 220 Motronic-Systeme
Vergangenheit 220 Elektronische Steuerung
144 Übersicht und Regelung
146 Anfänge der Zündung 226 Motronic-Ausführungen
154 Batterie-Zündsysteme 232 Systemstruktur
im Wandel der Zeit 234 Subsysteme und
Hauptfunktionen
160 Induktive Zündanlage
160 Aufbau 242 Sensoren
161 Aufgabe und Arbeitsweise 242 Einsatz im Kraftfahrzeug
163 Zündparameter 243 Temperatursensoren
167 Spannungsverteilung 244 Motordrehzahlsensoren
168 Zündungsendstufe 246 Hall-Phasensensoren
169 Verbindungs-und 248 HeiBfilm-Luftmassenmesser
Entstörmittel 251 Piezoelektrische
Klopfsensoren
170 Zündspulen 252 Mikromechanische
170 Aufgabe Drucksensoren
171 Anforderungen 254 Hochdrucksensoren
172 Aufbau und Arbeitsweise 256 Zweipunkt-Lambda-Sonden
178 Ausführungen 260 Planare Breitband-Lambda-
182 Elektronik in der Zündspule Sonde LSU4
183 Elektrische Parameter
185 Simulationsbasierte Ent- 262 Steuergerät
wicklung von Zündspulen 262 Einsatzbedingungen
262 Aufbau
186 Zündkerzen 262 Datenverarbeitung
186 Aufgabe
187 Anwendung 268 Abgasemission
188 Anforderungen 268 Verbrennung des
189 Aufbau Luft-Kraftstoff-Gemischs
192 Elektrodenwerkstoffe 269 Hauptbestandteile
193 Zündkerzenkonzepte des Abgases
194 Elektrodenabstand 270 Schadstoffe
195 Funkenlage 272 Einflüsse auf
196 Wärmewert der Zündkerze Rohemissionen
198 Anpassung von Zündkerzen
202 Betriebsverhalten 276 Katalytische
der Zündkerze Abgasreinigung
204 Ausführungen 276 Übersicht
211 Typformel für Zündkerzen 277 Dreiwegekatalysator
212 Herstellung von Zündkerzen 280 NOx-Speicherkatalysator
214 Simulationsbasierte Ent- 282 Katalysator-Konfigurationen
wicklung von Zündkerzen 284 Aufheizen des Katalysators
215 Zündkerzen-Praxis 288 Lambda-Regelkreis
8 Inhalt
292 Abgasgesetzgebung Redaktionelle Kästen
292 Übersicht
294 CARB-Gesetzgebung 51 Geschichte von
297 EPA-Gesetzgebung Kompressorfahrzeugen
299 EU-Gesetzgebung 59 Einspritzgeschichte(n)
302 Japan-Gesetzgebung 143 Kraftstoffverbrauch in
302 USA-Testzyklen der Praxis
304 Europäischer Testzyklus 153 Einsatz der Magnetzündung
305 Japan-Testzyklus 166 Unfallgefahr
201 100 Jahre Zündkerzen -
306 Abgasmesstechnik Produktvielfalt
306 Abgasprüfung für die 225 Motronic-Systeme
Typzulassung im Motorsport
308 Abgasmessgeräte 247 Miniaturen
311 Verdunstungsprüfung 255 Mikromechanik
267 Leistungsfähigkeit
312 Diagnose der Steuergeräte
312 Überwachung im Fahr 271 Treibhauseffekt
betrieb (On-Board 287 Katalyse
Diagnose) 291 Ozon und Smog
315 On Board Diagnostic 331 Weltweiter Service
System für Pkw und
leichte Nkw
332 Diagnose in der Werkstatt
334 Steuergeräteentwicklung
334 Hardwareentwicklung
338 Funktionsentwicklung
340 Softwareentwicklung
344 Applikation
351 Qualitätsmanagement
352 Sachwortverzeichnis
352 Sachwörter
358 Abkürzungen
Autoren 9
Grundlagen des Ottomotors Motormanagement Motronic
Dr. rer. nat. Dirk Hofmann, Dipl.-Ing. Bernhard Mencher,
Dipl.-Ing. Bernhard Mencher, Dipl.-Ing. (FH) Thorsten Allgeier,
Dipl.-Ing. Werner Häming, Dipl.-Ing. (FH) Klaus Joos,
Dipl.-Ing. Werner Hess. Dipl.-Ing. (BA) Andreas Blumenstock,
Dipl.-Red. Ulrich Michelt.
Kraftstoffe für Ottomotoren
Dr. rer. nat. Jörg Ullmann, Sensoren
Dipl.-Ing. (FH) Thorsten Allgeier. Dr.-lng. Wolfgang-Michael Müller,
Dr.-Ing. Uwe Konzelmann,
Systeme zur Füllungssteuerung Dipl.-Ing. Roger Frehoff,
Dr. rer. nat. Heinz Fuchs, Dipl.-Ing. Martin Mast,
Dipl.-Ing. (FH) Bernhard Bauer, Dr.-Ing. Johann Riegel.
Dipl.-Phys. Torsten Schulz,
Dipl.-Ing. Michael Bäuerle, Steuergerät
Dipl.-Ing. Kristina Milos. Dipl.-Ing. Martin Kaiser.
Kraftstoffförderung Abgasemissionen
Dipl.-Ing. Jens Wolber, Dipl.-Ing. Christian Köhler,
Ing. grad. Peter Schelhas, Dipl.-Ing. (FH) Thorsten Allgeier.
Dipl.-Ing. Uwe Müller,
Dipl.-Ing. (FH) Andreas Baumann, Katalytische Abgasreinigung
Dipl.-Betriebsw. Meike Keller. Dr.-Ing. Jörg Frauhammer,
Dr. rer. nat. Alexander Schenck zu Schweinsberg,
Saugrohreinspritzung Dipl.-Ing. Klaus Winkler.
Dipl.-Ing. Anja Melsheimer,
Dipl.-Ing. Rainer Ecker, Abgasgesetzgebung
Dipl.-Ing (BA) Ferdinand Reiter, Dipl.-Ing. Bernd Kesch,
Dipl.-Ing. Markus Gesk. Dipl.-Ing Ramon Amirpour,
Dr. Michael Eggers.
Benzin-Direkteinspritzung
Dipl.-Ing. Andreas Binder, Abgas-Messtechnik
Dipl.-Ing. Rainer Ecker, Dipl.-Phys. Martin-Andreas Drühe.
Dipl.-Ing. Andreas Glaser,
Dr.-Ing. Klaus Müller. Diagnose
Dr.-Ing. Matlhias Knirsch,
Erdgas-Betrieb von Ottomotoren Dipl.-Ing. Bernd Kesch,
Dipl.-Ing. (FH) Thorsten Allgeier, Dr.-lng. Matlhias Tappe,
Dipl.-Ing. (FH) Martin Haug, Dr.-Ing. Günter Driedger,
Dipl.-Ing. Roger Frehoff, Dr. rer. nat. Walter Lehle.
Dipl.-Ing. Michael Weikert,
Dipl.-Ing. (FH) Kai Kröger, Steuergeräteentwicklung
Dr. rer. nat. Winfried Langer, Dipl.-Ing. Martin Kaiser,
Dr.-Ing. habil. Jürgen Förster, Dipl.-Phys. Lutz Reuschenbach,
Dr.-Ing. Jens Thurso, Dipl. -Ing. (FH) Bert Scheible,
Jürgen Wörsinger. Dipl.-Ing. Eberhard Frech.
Induktive Zündanlage Weitere Autoren
Dipl.-Ing. Walter Gollin. Dietrich Kuhlgatz
(Lebenswerk von Robert Bosch)
Zündspulen
Dipl.-Ing. (FH) Klaus Lerchenmüller, sowie die Redaktion in Zusammenarbeit mit den
Dipl.-Ing. (FH) Markus Weimert, zuständigen Fachabteilungen unseres Hauses.
Dipl.-Ing. Tim Skowronek.
Soweit nicht anders angegeben, handelt es sich
Zündkerzen um Mitarbeiter der Robert Bosch GmbH.
Dipl.-Ing. Erich Breuser.
10 Geschichte des Automobils Entwicklungsgeschichte
Geschichte des Automobils
Die Mobilität spielt für die Menschen wicklung des Automobils mit Verbren
seit jeher eine große Rolle. In fast jeder nungsmotor. Die öffentliche Meinung war
Epoche versuchte man Mittel zu finden, jedoch noch gespalten. Die Verfechter des
die Menschen über längere Strecken mit neuen Zeitalters rühmten das Automobil
größtmöglicher Geschwindigkeit zu tragen als Inbegriff des Fortschritts, während der
vermochten. Mit der Entwicklung von zu Großteil der Bevölkerung gegen die zuneh
verlässigen Verbrennungsmotoren, die mit mende Belästigung durch Staub, Lärm, Un
flüssigen Kraftstoffen betrieben werden fallgefahr und rücksichtslose Autofahrer
konnten, wurde der Traum des selbst protestierte. Dennoch war das Automobil
fahrenden "Automobils" Wirklichkeit nicht mehr aufzuhalten.
(griechisch: autos = selbst + lateinisch:
mobilis = beweglich). In den An
fängen stellte
Entwicklungsgeschichte der Kauf eines
Automobils
Für die Entstehung eines Gefährtes, das in eine Heraus
Daimler Motor·Kutsche
von 1894 unserem Zeitalter nicht mehr wegzudenken forderung dar.
(Quelle: ist, waren viele Voraussetzungen nötig, ohne Es gab prak
DaimlerChrysler Classic, die ein solches Projekt nicht hätte umgesetzt tisch kein
Konzernarchiv) werden können. Einige Daten sind an dieser Straßennetz, an Reparaturstätten war nicht
Stelle vorangestellt, die einen wesentlichen zu denken, Treibstoff erwarb man in der
Beitrag zur Entwicklung des Automobils Apotheke und Ersatzteile ließ man vor Ort
beitrugen: schmieden. Umso erwähnenswerter ist die
• Circa 3500 v. Chr. erste Fernfahrt von Bertha Benz im Jahr
Die Entwicklung des Rades wird den 1888. Sie war wohl die erste Frau am Steuer
Sumerern zugeschrieben eines motorisierten Fahrzeugs, die dazu
• Circa 1300 noch durch die Bewältigung der damals
Weiterentwicklung der Kutsche mit Ele enormen Distanz über 100 km von Mann
menten wie Lenkung, Radaufhängung heim nach Pforzheim im Südwesten
und Federung Deutschlands die Zuverlässigkeit des Auto
Die erste Fahrt mll efnem
motorgetriebenen Fahr· • 1770 mobils bekräftigte.
zeug schreibt man Dampfwagen von Joseph Cugnot
Joseph Cugnot Zu (1770). • 1801 Am Anfang konzentrierten sich - außer
Sein dreirädnges,
Etienne Lenoir entwickelt den Gasmotor Benz - in Deutschland jedoch wenige Unter
schwerfälliges Holzge
fährt mit Dampfantrieb • 1870 nehmer auf die weltweite Bedeutung der
konnte mrt einer Wasser Nikolaus Otto baut den ersten Viertakt- motorgetriebenen Fahrzeuge. Die Franzosen
füllung 12 M,nuten Verbrennungsmotor sollten das Automobil groß machen.
fahren, Panhard & Levassor nutzten Lizenzen für
Carl Benz kann Daimler-Motoren zum Bau eigener Auto
sich 1885 als mobile. Panhard sind Konstruktionsmerk
Das Patent, das Benz
Erfinder des male wie Lenkrad, geneigte Lenksäule,
am 29. Januar 1886 er·
ersten Auto Kupplungspedal, Luftreifen und
teilt wurde, basierte nicht
auf einer umgebauten mobils in die Röhrenkühler zu verdanken.
Kutsche, sondern stellte I (~} ' Annalen der In den folgenden Jahren schossen Firmen
eine eigenständige ganz· I Geschichte wie Peugeot, Citroen, Renault, Fiat, Ford,
helt Ilche Konstruktion eintragen. Mit Rolls-Royce, Austin und andere wie Pilze aus
dar
seinem Patent dem Boden. Gottlieb Daimler, der seine
(Quelle:
DaimlerChrysler Classlc, beginnt die Motoren nahezu weltweit vertrieb, hatte
Konzernarchiv) rasante Ent- hieran einen nicht unerheblichen Einfluss.