Motorsteuerung

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 EDC dort beschrieben ist, beschreibt dieser Artikel nicht die Besonderheiten von Dieselsteuergeräten, sondern Steuergeräte 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 On-Board-Diagnose 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 zum Beispiel

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 (zum Beispiel 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, zum Beispiel zur Berechnung des Zündzeitpunkts.

Für die Regelungs- und Steueraufgaben verarbeitet das Motorsteuergerät Sensordaten wie zum Beispiel

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 zum Beispiel.

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
Lüftersteuerung
Katalysator-Heizung

Das Motorsteuergerät ist über den CAN-Bus oft mit weiteren Steuergeräten, wie zum Beispiel 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 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.

Literatur

Karl-Heinz Dietsche, Thomas Jäger: Kraftfahrtechnisches Taschenbuch. Robert Bosch GmbH, 25. Auflage, Vieweg, Wiesbaden 2003, ISBN 3528238763
Autoelektrik Autoelektronik. Robert Bosch GmbH, 5. vollständig überarbeitete und erweiterte Auflage. Vieweg, Wiesbaden 2007, ISBN 9783528238728

Siehe auch

Chiptuning

Weblinks

Open Source Motorsteuerungsprojekt mit zugehörigem deutschem Forum (MegaSquirt)
frei programmierbare Motormanagementsysteme mit zugehörigem deutschem Forum (trijekt)