Höhere Technische Bundes- Lehr- und Versuchsanstalt,

Graz-Gösting

Kolleg für Elektronik

Fachspezifische Arbeit aus:

Technische Informatik

Thema:

Einsatz von

Controllern in der KFZ-Technik

Semester 4 ANK

Reife- und Diplomprüfung

Haupttermin 2000/01

Vorgelegt von:

Michaela Stadtegger

Betreuer:

Dipl.-Ing. Ortmann Othmar

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Fachbereichsarbeit aus TINF

µController im KFZ-Management

EINSATZ VON µCONTROLLERN IN DER KFZ-TECHNIK 3

1. Einleitung 3

1.1

Bewertungsmethoden 3

1.1.1

Fahrzeugführung 3

1.2

Kräfte am Fahrzeug 4

2. Überblick µC-Einsatz im Kraftfahrzeug 5

2.1

Unfallursachen Unfallverhütung 6

3. Sicherheitssysteme 8

3.1

Passive Sicherheitssysteme 8

3.2

Aktive Sicherheitssysteme 8

3.2.1

Antiblockiersystem - ABS 9

3.2.1.1 Aufbau 9

3.2.1.2 Arbeitsweise 10

3.2.1.3 ABS-Regelkreis 12

3.2.2

Antriebsschlupfregelung ­ ASR 13

3.2.2.1 Aufbau 13

3.2.2.2 Arbeitsweise 15

3.2.2.3 Ausführungen 17

3.2.3

Fahrdynamikregelung ESP 18

3.3

Datenverarbeitung 20

3.3.1

Systemübersicht 20

3.3.1.1 Eingangssignale 20

3.3.1.2 Signalverarbeitung im Steuergerät 21

3.3.1.3 Ausgangssignale 22

3.4

Datenübertragung zu anderen Systemen 23

3.4.1

Systemübersicht 23

3.4.2

Konventionelle Datenübertragung 23

3.4.3

Serielle Datenübertragung (CAN) 24

3.4.3.1 Steuergerätekoppelung 24

3.4.3.2 Inhaltsbezogene Adressierung 25

3.4.3.3 Priorisierung 26

3.4.3.4 Busvergabe 26

3.4.3.5 Nachrichtenformat 26

3.4.3.6 Integrierte Diagnose 27

3.5

Anforderungen an die Fahrdynamikregelung 28

4. µC im Motormangement 29

4.1

Funktionsprinzip des 4-Takt Motors 29

5. Elektronik im Motor 30

5.1

Prinzip der elektronischen Motorsteuerung 32

5.1.1

Grundfunktion 34

5.1.2

Zusatzfunktionen 35

5.1.3

Drehmomentführung 35

5.1.3.1 Momentenkoordination 36

5.1.4

Fahrzeugmanagement 36

5.1.5

Diagnose 36

Stadtegger Michaela 4 ANK

1

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6. Fachteil µC PCB83C552 37

6.1

Analog/Digital-Wandler 37

6.2

I/O Timing 38

6.3

Analogausgänge 39

6.4

Watchdog 39

6.5

Kraftstoffeinspritzung 40

6.6

Verteilerlose Zündung 42

6.7

Ventilsteuerung 44

6.8

Sensoren 46

6.9

Motorlast 47

Quellennachweiß: 48

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Einsatz von µControllern in der

KFZ-Technik

1. Einleitung

In dieser Arbeit wird auf grundlegende Einsatzmöglichkeiten von µControllern im

KFZ-Technik eingegangen. Am Beginn der Arbeit werden Unfallursachen, Unfall-

verhütung, Bewertungsmethoden der Fahrzeugführung sowie die am Fahrzeug

wirkenden Kräfte behandelt. Anschließend werden die aktiven Sicherheitssysteme

wie ABS - Antiblockiersystem, ASR ­ Antischlupfregelung und ESP ­ Fahrdynamik-

regelung näher erläutert. Weiters wird näher auf die Datenverarbeitung der ESP-

Fahrdynamikregelung und zu anderen Systemen eingegangen. Anschließend folgt

das Kapitel ,,Elektronik im Kraftfahrze ug" wo unter anderem das Prinzip der

elektronischen Motorsteuerung, die Kraftstoffeinspritzung, die Ventilsteuerung usw.

beschrieben wird.

1.1

Bewertungsmethoden

1.1.1

Fahrzeugführung

Das Verhalten eines Fahrzeuges im Straßenverkehr wird durch verschiedene Einflüsse

bestimmt, die sich grob in drei Bereiche einteilen lassen:

Ø Fahrzeugeigenschaften,

Ø Verhalten, Leitungsvermögen und Reaktionsfähigkeit des Fahrers und

Ø umgebende Bedingungen.

Stadtegger Michaela 4 ANK

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Die Bauweise und Auslegung eines Fahrzeuges beeinflussen dessen Bewegung und

Fahrverhalten. Das Fahrverhalten ist die Fahrzeugreaktion auf Fahrerhandlungen (Lenken,

Gasgeben, Bremsen) und auf Störungen von außen (Fahrbahnzustand, Wind usw.).

Gutes Fahrverhalten zeigt sich in der Fähigkeit, den Kurs exakt zu halten und damit die

Aufgabe eines Fahrers voll zu erfüllen.

Dabei hat der Fahrer die Aufgaben,

Ø seine Fahrt den Verkehrs- und Straßenverhältnissen anzupassen,

Ø die geltenden Gesetze im Straßenverkehr zu befolgen,

Ø der Fahrstrecke, gegebenen durch den Straßenverlauf, bestmöglich zu folgen und

Ø vorausschauend und verantwortungsbewusst sein Fahrzeug zu führen.

So gleicht der Fahrer die Fahrzeuglage und die Fahrzeugbewegungen immer wieder

einem subjektiv empfundenen Idealzustand an. Er regiert vorausschauend, handelt gemäß

seiner Erfahrung und passt sich so dem aktuellen Straßenverkehrsgeschehen an.

1.2

Kräfte am Fahrzeug

Auf ein Fahrzeug wirken unabhängig von seinem Bewegungszustand Kräfte ganz

verschiedener Art:

Einerseits handelt es sich dabei um Kräfte in Längsrichtung, z.B. Antriebskraft, Luft-

widerstand oder Rollreibung, anderseits um Kräfte in Querrichtung, z.B. Fliehkraft bei

Kurvenverhalten oder Seitenwind.

Diese Kräfte werden auf die Reifen (und schließlich auf die Fahrbahn) entweder von

oben oder von der Seite übertragen. Dies geschieht über

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Ø das Fahrgestell (z.B. Windkraft)

Ø den Motor,

Ø das Getriebe (Antriebskraft) oder über

Ø die Bremsanlage (Bremskraft).

In der anderen Richtung wirken die Kräfte von unten von der Fahrbahn aus auf die

Reifen und damit auf das Fahrzeug. Grundsätzlich muss die antreibende Kraft des

Motors ­ damit sich das Fahrzeug überhaupt in Bewegung setzen kann ­ alle Fahr-

widerstände (alle Längs- und Querkräfte) überwinden, die durch Fahrbahnlängs- und

Fahrquerneigung verursacht werden.

Für die Beurteilung der Fahrdynamik oder auch der Fahrstabilität eines Fahrzeugs

müssen die Kräfte bekannt sein, die zwischen den Reifen und der Straße wirken,

also über diese Kontaktflächen (auch ,,Reifenaufstandfläche" oder ,,Latsch" genannt)

übertragen werden.

Mit zunehmender Fahrpraxis lernt ein Autofahrer, immer besser auf diese Kräfte zu

reagieren: Sie sind für ihn sowohl bei Beschleunigungen und Verzögerungen als

auch bei Seitenwind oder Glätte spürbar. Bei sehr hohen Kräften, also sehr starken

Bewegungszustandsänderungen, sind diese Kräfte auch gefährlich (Schleudern)

oder zumindest deutlich durch quietschende Reifen vernehmbar und erhöhen den

Materialverschleiß.

2. Überblick µC-Einsatz im Kraftfahrzeug

Ein geradezu atemberaubende Entwicklung verzeichnet die Elektronik in der

Motorentechnik. Schon frühzeitig musste im Bereich der Gemischaufbereitung der

altbewährte mechanische Vergaser der elektronischen Einspritzung weichen. Bei der

Zündanlage waren die Auswirkungen ähnlich. Hier wurde der kontaktgesteuerte

Zündverteiler von der vollelektronischen Zündanlage ersetzt. Den nächsten Schritt

läutete der geregelte Dreiwege-Katalysator ein. Seine Wirkungsweise steht in unmit-

telbarer Abhängigkeit von der sogenannten ,,Lambda-Regelung". Denn der geregelte

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Dreiwege-Katalysator kann seiner Aufgabe nur in vollem Umfange nachkommen,

wenn ein optimales Mischungsverhältnis von Luft und Kraftstoff vorliegt. Damit dieses

Idealverhältnis ­ der Techniker spricht von Lambda = 1 ­ zustande kommt, steuert

eine Lambda-Sonde als Sensor die Gemischregelung. Parallel zur Lambda-

Regelung wurden in den vergangenen Jahren die elektronischen Funktionen der

Gemischaufbereitung und der Zündanlage vervielfacht. Ein intelligentes und

leistungsfähiges Motormanagement ist heute die Voraussetzung für akzeptable

Abgas- und Kraftstoffverbrauchswerte. Solche Systeme sind in der Lage, auf

elektronischem Wege Luft-, Kraftstoff- und Zündanlage in mehreren Regelkreisen mit

der Lambda-Regelung für die Abgaskontrolle zu vernetzen.

Wenn in den letzten 20 Jahren die Zahl der Straßenverkehrsunfälle mit Personen-

schäden trotz einer Verdoppelung der Verkehrsdichte gesunken ist, so ist dies auf

die ständigen technischen Verbesserungen im Kraftfahrzeug zurückzuführen.

Mit der Fahrdynamikregelung ESP, elektronisches Stabilitätsprogramm oder DSC

Dynamisches Stabilitätsprogramm genannt, ist es gelungen, die Fahrsicherheit einen

weiteren Schritt voranzubringen. Die Verknüpfung der Funktionen ABS und ASR mit

den Bewegungsdaten des Fahrzeugs ermöglicht es, das Kraftfahrzeug in Grenz-

situationen zu stabilisieren und ungewolltes Ausbrechen oder Schleudern zu ver-

hindern.

Zusammengefasst sind ABS Antiblockiersystem, ASR Antischlupfregelung, ESP

Fahrdynamikregelung, Gurtstrammer und Airbag, Fahrgeschwindigkeitsregelung

(Tempomat), Boardcomputer, Diebstahlsicherung, Vierradlenkung, Allradsteuerung,

elektronische Wegfahrsperre (EWS), elektronische Getriebesteuerung, Navigations-

system und Klimaanlagen nur einige µC gesteuerte Systeme.

2.1

Unfallursachen Unfallverhütung

Im Straßenverkehr ist der überwiegende Teil aller Unfallursachen bei ,,Unfällen mit

Personenschaden auf personenbezogenes Fehlverhalten zurückzuführen. Dabei ist

eine nicht angepasste Geschwindigkeit die Hauptunfallursache.

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Weitere Ursachen sind:

Ø falsche Straßenbenutzung,

Ø Abstandsfehler,

Ø Vorfahrts-/Vorrangfehler oder

Ø falsches Abbiegen.

Der überaus größte Teil davon entfällt auf PKW-Fahrer. Technische Mängel wie Be-

leuchtung, Bereifung, Bremsen usw. bzw. fahrzeugbezogene Ursachen wurden in

nur geringem Maße registriert.

Andere vom Fahrer nicht beeinflussbare, unfallbezogene Ursachen (Wetter) waren

dagegen schon häufiger festzustellen.

Anhand dieser Fakten wird deutlich, dass die Sicherheitstechnik eines Fahrzeuges

(in besonderem Maße die dafür notwendige Elektronik) immer weiter verbessert bzw.

ergänzt werden muss, um

Ø den Fahrer in Extremsituationen bestmöglichst zu unterstützen,

Ø Unfälle zu vermeiden oder

Ø Unfallfolgen zu mildern.

In fahrkritischen Situationen gilt es deshalb, das Fahrzeugverhalten in Grenzbe-

reichen und extremen Fahrsituationen für den Fahrer ,,vorhersehbar" zu machen. Die

Erfassung verschiedener Parameter (Drehzahl der Räder, Querbeschleunigung,

Giergeschwindigkeit usw.) und deren elektronische Weiterverarbeitung in einem oder

mehreren Steuergeräten hilft, die Vorgänge in extrem kurzer Zeit durch geeignete

Maßnahme ,,beherrschbarer" zu machen.

Folgende Situationen oder Gefahren sind Beispiele für mögliche Erfahrungen mit

Grenzbereichen:

Ø verändernde Straßen-/Witterungsverhältnisse

Ø Konflikte mit anderen Verkehrsteilnehmern,

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Ø Konflikte mit Tieren bzw. Hindernissen auf der Fahrbahn oder

Ø ein plötzlicher Schaden (geplatzter Reifen) am Fahrzeug.

3. Sicherheitssysteme

Auf die Fahrsicherheit im normalen Straßenverkehr gibt es viele Einflüsse:

Ø der Zustand des Kraftfahrzeuges (Ausrüstungsgrad, Reifenzustand,

Verschleißerscheinungen),

Ø die Wetter-, Straßen- und Verkehrsverhältnisse (z.B. Straßenbelag, Seitenwind

oder Verkehrsdichte) sowie

Ø die Qualifikation des Fahrers, also seine Fähigkeiten und seine Befindlichkeiten.

Aktive und passive Fahrsicherheitssysteme verbessern in hervorragender Weise die

Fahrsicherheit bezüglich des Fahrzeugs:

3.1

Passive Sicherheitssysteme

Die Systeme dienen dem Schutz der Insassen vor schweren Verletzungen. Sie senken die

Verletzungsgefa hr und mildern die Unfallfolgen. Ein Beispiel für passive Sicherheitsaus-

rüstung ist der Airbag, der die Insassen schützt, wenn ein Unfall trotz der aktiven Sicher-

heitssysteme nicht vermieden werden konnte.

3.2

Aktive Sicherheitssysteme

Diese Systeme helfen, Unfälle zu vermeiden und tragen damit vorbeugend zur Sicherheit

im Straßenverkehr bei. Beispiele für die aktiven Fahrsicherheitssysteme sind:

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Ø das Antiblockiersystem ABS

Ø die Antriebsschlupfregelung ASR und

Ø die Fahrdynamikregelung ESP (Elektronisches Stabilitätsprogramm).

Die Sicherheitssysteme stabilisieren das Fahrzeug in kritischen Situationen und erhalten

dabei dessen Lenkbarkeit.

3.2.1

Antiblockiersystem - ABS

Bei kritischen Fahrverhältnissen, wie nasser oder glatter Fahrbahn, schreckhafter

Reaktion des Fahrers oder Fehlverhalten anderer Verkehrsteilnehmer, kann es zum

Blockieren der Räder kommen, so dass das Fahrzeug nicht mehr lenkbar ist und ins

Schleudern geraten und/oder von der Fahrbahn abkommen kann. In einer solchen

Situation verhindert das Antiblockiersystem das Blockieren der Räder und stellt somit

die Lenkbarkeit des Fahrzeugs sicher und mindert die Schleudergefahr erheblich.

Auch in einem kritischen Fahr-/Bremszustand wie der Vollbremsung sind Aus -

weichmanöver dank ABS noch möglich, und Zusammenstöße können eher ver-

hindert werden.

3.2.1.1 Aufbau

Das Antiblockiersystem besteht aus folgenden Komponenten:

Ø Drehzahlsensoren,

Ø Steuergerät,

Ø Hydroaggregat,

Ø Radbremsen.

Drehzahlsensoren:

Die Drehzahlsensoren geben Signale an das Steuergerät

weiter, das die Radumfangsgeschwindigkeit bestimmt.

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Steuergerät:

ABS-Anlagen gibt es meist als 3- oder 4-Kanal-Systeme, da

2-Kanal-Sychrocontrollern, die die Information von je zwei

Rädern (Kanäle 1 und 2 bzw. 3 und 4) parallel verarbeiten und

die logischen Prozesse abarbeiten. Eine komplexe Reglerlogik

wandelt die Regelsignale zu Stellbefehlen für die Magnet-

ventiledes Hydroaggregates um.

Hydroaggregat:

Das Hydroaggregat setzt die Stellbefehle des Steuergerätes

um und steuert über Magnetventile den Radzylinder mit

optimaler Abbremsung, auch wenn bei Notbremsungen der

vom Fahrer vorgegebene Druck sehr viel höher ist. Es ist

zwischen dem Hauptzylinder und den Radzylindern ange-

ordnet.

Radbremsen:

Der vom Hydroaggregat übertragene Bremsdruck wirkt in den

Radbremsen als Spannkraft zum Anpressen der Bremsbeläge

an die Bremstrommeln bzw. Bremsscheiben.

3.2.1.2 Arbeitsweise

Das ABS regelt bei Vollbremsung den in die Betriebs-Bremsanlage einzusteuernden

Bremsdruck. Dies geschieht in den einzelnen Radzylindern in Abhängigkeit vom

Radschlupf und von der Radbeschleunigung bzw. der Radverzögerung.

Die Entwicklung der Digitalelektronik machte es möglich, die komplexen Vorgänge

beim Bremsen sicher zu überwachen und bei Bedarf in Bruchteilen einer Sekunde zu

reagieren. Dieses sehr flexible System, das eine Integration ohne Änderungen an der

Basis-Bremsanlage gestattet, arbeitet auf folgende Weise:

Bei eingeschalteter Zündung und beliebigen Fahrzeugstand erfassen Drehzahl-

sensoren an beiden Vorderrädern um am Hinterachsendifferenzial bzw. an allen vier

Rädern die Signale, die zur Errechnung der Radumfangsgeschwindigkeiten benötigt

und die an das Steuergerät weitergegeben werden. Erkennt das Steuergerät aus den

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empfangenen Signalen eine Blockiergefahr, steuert es im Hydroaggregat die Rück-

förderpumpe und die Magnetventile der betreffenden Räder an.

Jedes Vorderrad wird über ein ihm zugeordnetes Paar von Magnetventilen so be-

einflusst, dass es ­ unabhängig von den übrigen Räder ­ den bestmöglichen Beitrag

zum Bremsen leisten kann (Individualregelung). An der Hinterachse bestimmt das

Rad mit der kleineren Haftreibungszahl den gemeinsamen Druck in beiden Rad-

bremsen (Select-low-Prinzip). Hierdurch wird das Rad mit der größeren Haftreibungs-

zahl bei ABS geringfügig unterbremst. Als Folge davon ist der Bremsweg etwas

länger, was aber durch den Gewinn an Fahrzeugstabilität wieder aufgewogen wird.

Das Steuergerät schaltet die Magnetventile pro Rad in drei Verschiedene Zustände.

Erster Zustand:

Im ersten Zustand (stromlos) der beiden Ventile (Einlassventil

offen, Auslassventil geschlossen) werden Hauptzylinder und

Radzylinder miteinander verbunden; der Radbremsdruck kann

ansteigen.

Zweiter Zustand:

Im zweiten Zustand (Einlassventil bestromt und damit ge-

schlossen) wird der Hauptzylinder abgetrennt; der Radbrems-

druck bleibt konstant.

Dritter Zustand:

Im dritten Zustand wird zusätzlich noch das Auslassventil be-

stromt und damit geöffnet. Damit wird die Radförderpumpe ver-

bunden, so dass der Radbremsdruck sinkt.

Damit kann der Bremsdruck nicht nur kontinuierlich, sondern durch ein getaktetes

Ansteuern auch stufenförmig auf- oder abgebaut werden.

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3.2.1.3 ABS-Regelkreis

Abbildung 1

1 Hydroaggregat mit Magnetventilen

2 Hauptzylinder

3 Radzylinder

4 Steuergerät

5 Drehzahlsensor

Regelstrecke:

Fahrzeug mit Radbremse, Rad und Reibwertpaarung

Reifen/Fahrbahn

Störgrößen:

Fahrbahnverhältnisse, Bremsenzustand, Beladung des Fahr-

zeugs, Fahrmanöver und Bereifung (geringer Reifendruck, ab-

gefahrenes Profil)

Regler:

Drehzahlsensoren und ABS-Steuergerät

Regelgrößen:

Radumfangsverzögerung bzw. ­beschleunigung sowie

Bremsschlupf, die allesamt aus den Raddrehzahlen abgeleitet

werden

Führungsgröße:

Druck auf das Bremspedal

Stellgröße:

Bremsdruck

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Die Verarbeitung der einzelnen Regelgrößen hängt davon ab, ob z.B. die Räder mit

dem Motor gekoppelt sind oder nicht, oder ob die Fahrbahnoberfläche griffig oder

glatt ist. Bei bestimmten ABS-Ausführungen werden die Giermomentwirkung (durch

Bremsen auf inhomogenen Fahrbahnen) speziell bei kleinen PKW oder die be-

sonderen Bedingung bei Fahrzeugen mit Allradantrieb berücksichtigt.

3.2.2

Antriebsschlupfregelung ­ ASR

Kritische Fahrsituationen (z.B. Übersteuern) entstehen nicht nur beim Bremsen,

sondern auch beim Anfahren und Beschleunigungen besonders auf glatter Fahrbahn

am Berg oder bei einer Kurvenfahrt. Solche Situationen können den Autofahrer über-

fordern, und Fehlreaktionen auslösen.

Diese Fahrsituationen können mit der Antischlupfregelung ASR bewältigt werden. Sie

bremst das zum Durchdrehen neigende Antriebsrad ab (oder bei Allradantrieb die

entsprechenden Räder mit Neigung zum Durchdrehen) und/oder passt das

Motordrehmoment rechzeitig an das auf die Straße übertragbare Antriebsmoment an

und stellt die Fahrzeugstabilität sicher.

Die ASR ist eine Erweiterung des Antiblockiersystems ABS. Sie entlastet den Fahrer

und sichert bei Beschleunigungsvorgängen die Lenkbarkeit des Fahrzeugs.

3.2.2.1 Aufbau

ASR nutzt die gleichen Komponenten wie ABS, die zum Teil um einige Funktionen

erweitert sind.

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Abbildung 2

1 Drehzahlsensoren

2 Radbremsen

3 ABS/ASR-Hydroaggregat

4 ABS/ASR-Steuergerät

5 Motronic-Steuergerät

6 Drosselklappe

Drehzahlsensoren:

Die Drehzahlsensoren geben Signale an das Steuergerät

weiter, das daraus die Radumfangsgeschwindigkeit bestimmt.

Steuergerät:

Die ABS-Elektronik ist um einen ASR-Teil erweitert. Wie bei

ABS erfasst die Eingangsschaltung des Steuergerätes die

Signale der Raddrehzahlsensoren. Daraus wird der Schlupf

der einzelnen Räder ermittelt. Ist der Schlupf an einem

Antriebsrad zu groß, wird die ASR-Regelung eingeleitet. Die

Signale werden in zwei parallel arbeitenden Mikrocontrollern

verarbeitet. In der Ausgangschaltung werden sie zu Stellbe-

fehlen für die Magnetventile und der Förderpumpe im Hydro-

aggregat umgewandelt, das die Bremsmomentregelung be-

wirkt.

Über eine zusätzliche Schnittstelle werden die Informationen

an das Steuergerät für das Motormanagement (Motronic)

übertragen.

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Hydroaggregat:

Das Hydroaggregat von ABS ist um einen ASR-Teil erweitert.

Es setzt die Befehle des Steuergerätes um und steuert, unab-

hängig vom Fahrer, über Magnetventile den jeweiligen hydrau-

lischen Druck in den Radbremsen. Während eines Regelvor-

ganges mit ASR schaltet ein zusätzliches Umschaltventil vom

normalen Bremsbetrieb auf ASR-Betrieb um. Die Rückförder-

pumpe des ABS saugt vom Hauptzylinder Bremsflüssigkeit an

und erzeugt den ASR-Systemdruck. Damit kann ohne Ein-

greifen des Fahrers Bremsdruck auf die Radzylinder der ange-

triebenen Räder wirken.

Radbremsen:

Der vom Hydroaggregat übertragene Bremsdruck wirkt in den

Radbremsen als Spannkraft zum Anpressen der Bremsbeläge

an die Bremstrommeln oder Bremsscheiben.

3.2.2.2 Arbeitsweise

Die ASR regelt bei zum Durchdrehen neigenden Rädern den Vortrieb des Fahrzeugs

in Abhängigkeit vom Radschlupf und der Radbeschleunigung bzw. -verzögerung.

Dieses sehr flexible System, das eine Adaption ohne Änderungen an der Basis-

Bremsanlage mit ABS gestattet, arbeitet folgendermaßen:

Während der Fahrt nehmen Drehzahlsensoren an allen vier Rädern Signale auf, die

sie an das Steuergerät weitergeben. Wenn der Fahrer das Gaspedal betätigt, steigt

das Motordrehmoment, und das Antriebsmoment erhöht sich. Kann dieses erhöhte

Moment auf dem Fahrbahnbelag vollständig übertragen werden, dann lässt sich das

Fahrzeug ungehindert beschleunigen. Übersteigt aber das Antriebsmoment das

physikalisch maximal übertragbare Drehmoment, so erhöht sich die Drehzahl von

mindestens einem Antriebsrad, es neigt zum Durchdrehen. Dadurch reduziert sich

die übertragbare Antriebskraft und das Fahrzeug kann durch den eintretenden

Verlust an Seitenführungskraft instabil werden. ASR wird hier aktiv und regelt die

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Antriebsmomente der angetriebenen Räder bzw. bremst sie ab und verhindert das

Durchdrehen bzw. eine Instabilität.

Damit ASR, unabhängig davon wie stark der Fahrer das Fahrpedal betätigt, ein-

greifen kann, muss grundsätzlich anstelle der mechanischen Verbindung zwischen

Fahrpedal und Drosselklappe des Ottomotors oder zwischen Fahrpedal und der

Dieseleinspritzpumpe des Dieselmotors ein elektronisches Gaspedal (EGAS) treten.

Das EGAS behandelt Stellbefehle von ASR mit Vorrang gegenüber der Vorgabe des

Fahrers.

Die Stellung des Fahrpedals wird über einen Fahrpedalsensor in ein elektrisches

Signal umgewandelt, das in einem Steuergerät für EGAS oder in einem Steuergerät

für Motronic mit integriertem EGAS unter Berücksichtigung von vorprogrammierten

Größen und von Signalen anderer Sensoren (z.B. Temperatur, Motordrehzahl) in

eine Steuerspannung für einen elektrischen Stellmotor umgesetzt wird. Dieser Stell-

motor betätigt die Drosselklappe des Ottomotors oder den Verstellhebel der Diesel-

einspritzpumpe und beeinflusst das Antriebsmoment.

Abbildung 3

1 ABS/ASR-Steuergerät

2 Motronic-Steuergerät mit EGAS

3 Fahrpedalsensor

4 Stellmotor

5 Drosselklappe (oder Dieseleinspritzpumpe)

6 Drehzahlsensor

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Erkennt das Steuergerät aus den empfangenen Sensorsignalen eine bedeutsame

Abweichung der Sollradgeschwindigkeit, wird ein zum Durchdrehen neigendes Rad

ohne Zutun des Fahrers abgebremst. Parallel dazu greift z.B. das Motronic-Steuer-

gerät über einen elektronischen Drosselklappensteller ein, um das überschüssige

Antriebsmoment zu reduzieren. Die ASR regelt den Schlupf der Antriebsräder auf

den bestmöglichen Wert. Die Bremsdruckmodulation (Druck aufbauen, Druck halten,

Druck abbauen) in den Radzylindern steuert das Abbremsen des zum Durchdrehen

neigenden Rades über die ABS-Ventile und zusätzliche Ventile des Hydro-

aggregates. Die Steuerung des Antriebsmoments geschieht bei Fahrzeugen mit

Ottomotor über das Steuergerät für EGAS bzw. für Mototronic mit integriertem

EGAS. Beeinflusst werden:

Ø Drosselklappenstellung (Verstellung mit EGAS),

Ø Zündanlage (Zündwinkelverstellung mit Mototronic),

Ø Einspritzanlage (Ausblendung einzelner Einspritz- und Zündsignale mit

Mototronic).

Bei Fahrzeugen mit Dieselmotor wird das Antriebsmoment über den Eingriff am

Verstellhebel der Dieseleinspritzpumpe beeinflusst (Reduzierung der Einspritz-

menge). ASR lässt sich durch eine zusätzliche Motorschleppmomentregelung MSR

ergänzen. Beim Zurückschalten oder bei abruptem Gaswegnehmen auf glatter Fahr-

bahn können die Antriebsräder durch die Bremswirkung des Motors einen zu hohen

Bremsschlupf aufweisen. Die MSR hebt das Motordrehmoment durch leichtes Gas-

geben etwas an, um so die Abbremsung der Räder auf ein für die Fahrstabilität noch

zulässiges Maß zu verringern.

3.2.2.3 Ausführungen

Die Ausführung einer ABS/ASR-Einheit ist von der Antriebsart des Fahrzeugs (Otto-

oder Dieselmotor) und von der Art des gewählten Regeleingriffes auf Bremsen,

Drosselklappe, Zündung und/oder Einspritzung abhängig.

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3.2.3

Fahrdynamikregelung ESP

Die Fahrdynamikregelung ist ein System, das die Bremsanlage eines Fahrzeugs be-

nutzt, um das Fahrzeug zu ,,lenken". Die eigentliche Aufgabe der Radbremsen, das

Fahrzeug zu verzögern oder zum Stillstand zu bringen, tritt bei aktiver Fahrdynamik-

regelung hinter die Aufgabe, das Fahrzeug unter allen Umständen stabil und in der

Spur zu halten, zurück.

Das gezielte Bremsen einzelner Räder, z.B. des linken Hinterrades bei Unter-

steuerung oder des rechten Vorderrades bei Übersteuerung, trägt dazu bei, dieses

Ziel bestmöglich zu erfüllen.

Hierfür kann ESP die Antriebsräder durch bestimmte Motoreingriffe auch be-

schleunigen, um so die Stabilität des Fahrzeugs zu gewährleisten.

Mit dieser Individualregelung ist ein Fahrzeug dirigierbar, indem einzelne Räder

gebremst oder die Antriebsräder beschleunigt werden. ESP mindert so in kritischen

Situationen die Gefahr einer Kollision oder eines Überschlags; ein Abkommen von

der Fahrbahn wird innerhalb der physikalischen Grenzen vermieden. Der Autofahrer

kann damit gezielt unterstützt und die Sicherheit im Straßenverkehr gesteigert

werden.

Zum Vergleich der Fahreigenschaften im Grenzbereich eines Fahrzeugs mit und

eines Fahrzeugs ohne ESP sind nachfolgend vier Beispiele aufgeführt.

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Querdynamik bei einem PKW mit ESP

Abbildung 4

1 Fahrer lenkt, Seitenkraftaufbau

2 drohende Instabilität, ESP-Eingriff vorne rechts

3 PKW bleibt unter Kontrolle

4 drohende Instabilität, ESP Eingriff vorne links. vollständige Stabilisierung

MG Giermoment

FR Radkräfte

ß Fahrrichtungsabweichung von der Fahrzeuglängsachse (Schwimmachse)

Bremskrafterhöhung

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3.3

Datenverarbeitung

3.3.1

Systemübersicht

Das Regelungssystem der ESP baut auf bewährten ABS- und ASR-Komponenten

auf. Es enthält Sensoren zur Bestimmung der Reglereingangsgrößen, ein Steuer-

gerät mit hierarchisch strukturierten Reglern und Stellglieder zur Beeinflussung der

Brems- und Antriebskräfte. Die Fahrdynamikregelung gestattet auch einen Daten-

austausch mit anderen elektronischen Systemen und damit eine Integration in das

Fahrzeug-Gesamtsystem.

3.3.1.1 Eingangssignale

Die Signale der Sensoren werden dem Steuergerät über Schutzbeschaltungen und

gegebenenfalls über Signalwandler und Verstärker zugeführt:

Ø Analoge Eingangssignale (z.B. Druck im Hauptzylinder) werden von einem

A/D-Wandler im Mikroprozessor des Steuergeräts in digitale Werte

umgeformt.

Ø Digitale Eingangssignale (z.B. Lenkradwinkel) können vom Mikroprozessor

direkt verarbeitet werden.

Ø Das Signal des induktiven Raddrehzahlsensors wird in einem Schaltungsteil

im Steuergerät aufbereitet, um Störimpulse zu unterdrücken und in ein

Rechtecksignal umgewandelt.

Je nach Integrationsstufe kann die Signalaufbereitung teilweise oder auch ganz

bereits im Sensor stattfinden.

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3.3.1.2 Signalverarbeitung im Steuergerät

Die Mikroprozessoren im Steuergerät verarbeiten die Eingangssignale (siehe Ab-

bildung 5). Sie benötigen dafür ein Programm, das in einem Festwertspeicher (ROM,

EPROM oder Flash EPROM) gespeichert ist.

Signalverarbeitung im Steuergerät

Abbildung 5

Zusätzlich sind fahrzeugspezifische Daten sowie Abgleich- und Fertigungsdaten in

einem nichtflüchtigen Schreib-/Lesespeicher (EEPROM) gespeichert.

Wegen der Vielzahl von Motor- und Ausstattungsvarianten der Fahrzeuge, die unter-

schiedliche Daten erfordern, sind Steuergeräte mit einer Variantencodierung ausge-

stattet. Im EPROM sind mehrere fahrzeugspezifische Datensätze abgespeichert. Die

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µController im KFZ-Management

Variantencodierung wählt den richtigen Datensatz aus. Die Information, auf welchen

Datensatz das Programm zugreifen soll, erhält das ESP-Steuergerät über den CAN-

Bus von einem anderen Steuergerät oder aus dem EEPROM.

Bei der EEPROM-Codierung wird beim Fahrzeughersteller oder in der Werkstatt das

EEPROM mit einem Diagnosetester programmiert.

Mit der Variantencodierung reduziert sich die Anzahl der beim Fahrzeughersteller

benötigten Steuergerätetypen. Ein flüchtiger Schreib/Lesespeicher (RAM) ist not-

wendig, um veränderliche Daten, wie Rechenwerte und eventuell auftretende Fehler

im Gesamtsystem, zu speichern (Eigendiagnose). Das RAM benötigt zu seiner

Funktion eine ständige Stromversorgung. Beim Abklemmen der Fahrzeugbatterie

verliert dieser Speicher den gesamten Datenbestand. Die Adaptionswerte (erlernte

Werte, die im Programm berücksichtigt werden) müssten in diesem Fall nach An-

schluss der Batterie vom Steuergerät wieder neu ermittelt werden. Um das zu ver-

hindern, werden die benötigten Adaptionswerte in einem EEPROM gespeichert.

3.3.1.3 Ausgangssignale

Die Mikroprozessoren steuern mit den Ausgangssignalen Endstufen an, die ge-

nügend Leistung für den direkten Anschluss der Stellglieder (Aktoren) liefern. Diese

Endstufen sind gegenüber K urzschlüssen gegen Masse oder der Batteriespannung

sowie gegen Zerstörung durch elektrische Überlastung geschützt. Zusätzlich werden

einige Ausgangssignale über Schnittstellen an andere Systeme weitergegeben.

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µController im KFZ-Management

3.4

Datenübertragung zu anderen Systemen

3.4.1

Systemübersicht

Der verstärkte Einsatz von elektronischen Steuer- und Regelsystemen im Kraft-

fahrzeug, wie

Ø Fahrdynamikregelung,

Ø elektronische Motorsteuerung,

Ø elektronische Wegfahrsperre (EWS),

Ø Bordcomputer usw.

erfordert eine Vernetzung dieser einzelnen Steuergeräte. Der Informationsaustausch

zwischen den Systemen verringert die Anzahl der Sensoren und verbessert die Aus-

nutzung der Einzelsysteme.

Die Schnittstellen der speziell für Kraftfahrzeuge entwickelten Kommunikations-

systeme können in zwei Kategorien unterteilt werden:

Ø konventionelle Schnittstellen und

Ø serielle Schnittstellen (CAN)

3.4.2

Konventionelle Datenübertragung

Die konventionelle Datenübertragung im Kraftfahrzeug ist dadurch gekennzeichnet,

dass jedem Signal eine Einzelleitung zugeordnet ist. Binäre Signale können nur

durch die zwei Zustände ,,1" oder ,,0", z.B. Bremslicht ,,Ein" oder ,,Aus" übertragen

werden.

Über Tastverhältnisse können kontinuierlich veränderliche Größen übertragen

werden, wie die Ansteuerung von Magnetventilen.

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µController im KFZ-Management

Die Zunahme des Datenaustausches zwischen den elektronischen Komponenten im

Kraftfahrzeug kann mit konventionellen Schnittstellen jedoch nicht mehr sinnvoll be-

wältigt werden. Die Komplexität der Kabelbäume ist schon heute nur mit großem Auf-

wand beherrschbar, und die Anforderungen an den Datenaustausch zwischen den

Steuergeräten steigen.

3.4.3

Serielle Datenübertragung (CAN)

Die Probleme beim Datenaustausch über konventionelle Schnittstellen können durch

den Einsatz von Bussystemen (Datensammelschienen) gelöst werden, z.B. CAN,

einem speziell für Kraftfahrzeuge entwickelten Bussystem. Sofern die elektronischen

Steuergeräte eine serielle Schnittstelle CAN besitzen, können die oben genannten

Signale über CAN übertragen werden.

Es gibt drei wesentliche Einsatzgebiete für CAN im KFZ:

Ø Steuergerätekoppelung,

Ø Karosserie- und Komfortelektronik und

Ø mobile Kommunikation

Die folgende Beschreibung beschränkt sich auf die Steuergerätekoppelung.

3.4.3.1 Steuergerätekoppelung

Bei der Steuergerätekoppelung werden elektronische Systeme wie Fahrdynamik-

regelung, Motorsteuerung, elektronische Getriebesteuerung usw. miteinander ge-

koppelt. Die Steuergeräte sind dabei als gleichberechtigte Stationen über eine

lineare Busstruktur verbunden.

Diese Struktur hat den Vorteil, dass das Bussystem bei A usfall einer Station für alle

anderen weiterhin voll verfügbar ist. Im Vergleich zu andern logischen Anordnungen

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(Ring- oder Sternstrukturen) wird damit die Wahrscheinlichkeit für einen

Gesamtausfall wesentlich verringert.

Lineare Busstruktur

Abbildung 6

Bei Ring- bzw. Sternstrukturen führt der Ausfall eines Teilnehmers bzw. der Zentral-

einheit zum Gesamtausfall.

Typische Übertragungsraten liegen zwischen ca. 125 kBit/s und 1 MBit/s. Die Über-

tragungsraten müssen so hoch sein, damit das geforderte Echtzeitverhalten

garantiert werden kann.

3.4.3.2 Inhaltsbezogene Adressierung

Das Bussystem CAN adressiert nicht die einzelnen Stationen, sondern ordnet jeder

Nachricht einen festen, 11 oder 29 Bit langen Identifier zu. Dieser Identifier kenn-

zeichnet den Inhalt der Nachricht (z.B. Raddrehzahl).

Eine Station verwertet nur diejenigen Daten, deren zugehörige Identifier in der Liste

entgegenzunehmender Botschaften gespeichert sind (Akzeptanzprüfung). Alle

anderen Daten werden ignoriert.

Die inhaltsbezogene Adressierung ermöglicht es, ein Signal an mehrere Stationen zu

senden, indem ein Sensor sein Signal direkt bzw. über ein Steuergerät auf das Bus-

netz schickt und dieses dort dann verteilt wird. Außerdem lassen sich so viele Aus-

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stattungsvarianten verwirklichen, weil weitere Stationen zu einen bereits bestehen-

den Bussystem hinzugefügt werden können.

3.4.3.3 Priorisierung

Der Identifier bestimmt neben dem Dateninhalt gleichzeitig die Priorität der Nach-

richten beim Senden.

Ein Signal, das sich sehr schnell ändert, muss auch sehr schnell weitergeleitet

werden und bekommt deshalb eine höhere Priorität als ein Signal, das sich ver-

hältnismäßig langsam ändert.

3.4.3.4 Busvergabe

Wenn der Bus frei ist, kann jede Station beginnen, ihre Nachricht zu übertragen. Be-

ginnen mehrere Stationen gleichzeitig zu senden, dann setzt sich die Botschaft mit

der höchsten Priorität durch, ohne dass ein Zeit- bzw. Bitverlust eintritt. Die Sender

mit Botschaften niedriger Priorität werden dann automatisch zu Empfängern und

wiederholen ihren Sendeversuch, sobald der Bus wieder frei ist.

3.4.3.5 Nachrichtenformat

Für die Übertragung auf dem Bus wird ein Datenrahmen (Data Frame) aufgebaut,

dessen Länge maximal 130 Bit (Standard Format) bzw. 150 Bit (erweitertes Format)

beträgt.

Damit ist sichergestellt, dass die Wartezeit bis zu nächsten, möglicherweise

dringlichen Übertragung stets kurz gehalten wird.

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Ein Data Frame besteht aus sieben aufeinanderfolgenden Feldern, die

Ø den Beginn der Nachricht (Start of Frame),

Ø den Identifier (Arbitration Field),

Ø die Byte-Anzhal der Nachricht (Control Field),

Ø die Nachricht selbst (Data Field),

Ø ein Sicherungssignal zur Erkennung von Übertragungstörungen (CRC Field),

Ø ein Bestätigungssignal für fehlerfreien Empfang (Ack Field),

Ø das Ende der Nachricht (End of Frame)

umfassen und markieren.

3.4.3.6 Integrierte Diagnose

Das Bussystem CAN verfügt über eine Reihe von Kontrollmechanismen zur Stö-

rungserkennung. Dazu gehört z.B. das Sicherungssignal im Data Frame und das

Monitoring, bei dem jeder Sender seine eigene Nachricht wieder empfängt und dabei

eventuelle Abweichungen erkennen kann.

Stellt eine Station eine Störung fest, so sendet sie ein Fehlerflag, das die laufende

Übertragung stoppt. Dadurch wird verhindert, dass andere Stationen die fehlerhafte

Botschaft annehmen.

Im Falle einer defekten Station könnte es dann allerdings auch vorkommen, dass alle

Botschaften, also auch die fehlerfreien, mit einem Fehlerflag abgebrochen werden.

Um dies zu verhindern, ist das Bussystem CAN mit einem Mechanismus ausge-

stattet, der gelegentlich auftretende Störungen von anhaltenden Störungen unter-

scheiden kann. Dies geschieht über eine statistische Auswertung der Fehlersituation.

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3.5

Anforderungen an die Fahrdynamikregelung

Die Fahrdynamikregelung ESP ist ein Regelsystem zur Verbesserung des Fahrverhaltens,

das einerseits in das Bremssystem und anderseits in den Antriebsstrang eingreift:

Durch ABS können die Räder beim Bremsen nicht blockieren, durch ASR können die

Räder beim Anfahren nicht durchdrehen.

ESP als Gesamtsystem gewährleistet darüber hinaus, dass das Fahrzeug beim Lenken

nicht schiebt oder instabil wird und seitlich ausbricht.

ESP verbessert die Fahrsicherheit in folgenden Punkten:

Ø Aktive Unterstützung des Fahrers beim Lenken auch in kritischen Situationen, in

denen querdynamische Kräfte wirksam werden.

Ø Erweiterte Fahrstabilität; Spur- und Richtungstreue werden in allen

Betriebszuständen wie Vollbremsung, Teilbremsung, Freirollen, Antrieb, Schub und

Lastwechsel gewahrt.

Ø Erweiterte Fahrstabilität auch im Grenzbereich, z.B. bei extremen Lenkmanövern

(Angst und Panikreaktionen), und damit Reduzierung der Schleudergefahr.

Ø In verschiedenen Situationen noch weiter verbesserte Nutzung des Kraftschluss-

potentials bei ABS/ASR-Funktionen und bei MSR- Funktionen (Motorschlepp

momentregelung; automatische Anhebung der Motordrehzahl bei zu hohem Motor-

bremsmoment) und dadurch Bremsweg- und Traktionsgwinne sowie verbesserte

Ø Lenkarbeit und Stabiliät.

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4. µC im Motormangement

4.1

Funktionsprinzip des 4-Takt Motors

Der 4 Takt-Ottomotor wurde von Niklaus Otto erfunden; der erste Motor 1874 ent-

wickelt.

Aufbau und Wirkungsweise:

Im Vergaser wird aus Benzin und Luft ein Benzin-Luft-Gemisch hergestellt man

unterscheidet folgende Schritte:

1. Takt:

Der Kolben geht abwärts, deshalb entsteht im Zylinder ein Unterdruck. Das Benzin-

Luft-Gemisch wird angesaugt, das Einlassventil ist dabei offen, das Auslassventil

geschlossen.

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2. Takt:

Es wird verdichtet; beide Ventile sind geschlossen; der Kolben wird hochgedrückt,

dadurch wird das Benzin-Luft-Gemisch auf 1/8 seines Volumens verkleinert und die

Temperatur steigt auf 400° C.

3. Takt:

Das Benzin-Luft-Gemisch wird mit der Zündkerze entzündet, die Temperatur steigt

und das Volumen vergrößert sich; der Kolben wird dadurch nach unten bewegt, das

ist der einzige Takt, in dem mech. Arbeit geleistet wird. Die Zündung erfolgt kurz vor

dem oberen Totpunkt, weil die Zündung eine gewisse Zeit braucht, (sonst klopfen

des Motors).

4. Takt:

Das Gas wird über das Auslassventil ausgesto ßen. Im Ottomotor gibt es 4 Zylinder.

Die Takte arbeiten immer um eins versetzt; sie treiben die Kurbelwelle an, die

wiederum das Schwungrad antreibt; da es 4 Zylinder und 4 Takte gibt, treibt ein

Zylinder immer die Kurbelwelle an.

5. Elektronik im Motor

Die Elektronik eröffnet dem Kraftzeugbau neue Perspektiven. Viele verschiedenste

Forderungen an die Kraftfahrzeuge können durch Einsatz der Mikroelektronik gelöst

bzw. optimal aufeinander abgestimmt werden. Die folgende Tabelle zeigt einige an

einen Verbrennungsmotor gestellten Anforderungen.

Anforderungen des Kunden:

Ø gute Fahrleistung

Ø hohe Betriebssicherheit

Ø geringer Kraftstoffverbrauch

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Ø niedrige Emissionen

Ø gutes Anspringverhalten bei allen Temperaturen

Ø lange Lebensdauer

Ø niedriges Geräuschniveau

Ø geringe Servicekosten

Ø großes Servicenetz

Anforderungen des Gesetzgebers:

Ø niedrige Emissionen

Ø niedriges Geräuschniveau

Ø Verbrauchslimitierung (wie etwa in den USA)

Die moderne Mikroelektronik wird heute in vielen anderen Bereichen des Kraftfahr-

zeugs eingesetzt. Steigendes Sicherheits- und Komfortbedürfnis der Kunden und im-

mer leistungsfähigere Bauteile sind dafür verantwortlich. Die folgende Tabelle soll

einen Auszug aus den heute möglichen Einsatzbereichen von elektronischen Steuer-

ungen zeigen.

Motor bzw. Antriebsdrang:

Ø Zündwinkelsteuerung

Ø Schließwinkelsteuerung

Ø Kraftstoffmessung

Ø Steuerung von Zusatzgeräten

Ø Getriebesteuerung

Ø Kuppelsteuerung (Porsche)

Ø Geschwindigkeitsregulierung

Ø Allradsteuerung

Ø Verteilerlose Zündung

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Fahrwerk:

Ø Computergesteuerte Radaufhängung

Ø Antiblockiersysteme

Ø Antischlupfregelung

Ø Vierradlenkung

Sicherheit und Komfort:

Ø Abstandsregelung (z.B. Warner)

Ø Gurtstrammer und Airbagausrüstung

Ø Bordcomputer

Ø Navigationssysteme

Ø Klimasteuerung

Ø Diebstahlsicherung

5.1

Prinzip der elektronischen Motorsteuerung

Die Aufgabe der elektronischen Motorsteuerung besteht darin, abhängig von ver-

schiedenen Eingangsgrößen, etwa Drehzahl, Drosselkapselung, Motortemperatur

usw. die Ausgangsgrößen, z.B. den Zündzeitpunkt, die Einspritzmenge usw. so zu

steuern, dass der Motor die vorgegebenen Anforderungen bestmöglichst erfüllt.

Ein Kraftfahrzeugmotor wird im Gegensatz zu einen Stationärmotor fast ständig in

verschiedenen Betriebspunkten betrieben. Als Parameter solcher Motorkennfelder

werden meist die wichtigsten Betriebsgrößen eines Verbrennungsmotors, nämlich

Last und Drehzahl verwendet.

Da es nicht möglich ist in allen Kennfeldpunkten alle gestellten Anforderungen gleich

gut zu erfüllen, versucht man, einen Kraftfahrzeugsmotor so einzustellen, dass für

verschiedene Betriebsarten (Leerlauf, Teillast, Volllast) verschiedene der oben ge-

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nannten Zielsetzungen Priorität genießen. Beispielsweise wäre es sinnlos, den Leer-

lauf nach maximaler Leistung zu optimieren, oder die Vollastkurve nach minimalen

Verbrauch.

Der Einsatz der Elektronik im Kraftfahrzeug entwickelte sich von der einfachen

elektronischen Zündung bis zum modernen geschlossenen System, das im Betrieb

unter extremen Bedingungen Fehleinstellungen und Unterschiede des Treibstoffs

kompensiert um damit auch den Motorverschleiß zu verringern. Aus Rücksichtnahme

auf die Umwelt wurden die zugelassenen Grenzwerte von Emissionen für neue Kraft-

fahrzeuge herabgesetzt. Diese reduzierten Emissionswerte müssen während der

gesamten Lebensdauer des Fahrzeugs eingehalten werden.

Die zur Verringerung der Emissionswerte eingesetzten Katalysatoren verringern die

Motorleistung und können nur bei verbleitem Kraftstoff eingehalten werden. Eine

echte Lösung bietet jedoch die verbesserte Zündung mit der gesteuerten Kraftstoff-

einspritzung. Moderne Motorsteuerungs-Systeme erfordern genau arbeitende A/D-

Wandler, ein genaues Timing für die Zündung und eine exakte Steuerung der Ein-

spritzung in Bezug auf Einspritzbeginn und Einspritzdauer.

Das System (Motronic) das in Abbildung 7 dargestellt ist beinhaltet alle Steller

(Aktoren), die benötigt werden, um die am Ottomotor gewünschten Stelleingriffe

vorzunehmen. Messfühler (Sensoren) erfassen die aktuellen Betriebsdaten von

Motor und Fahrzeug. Die Eingangsschaltung eines zentralen elektronischen Steuer-

gerätes bereitet die Signale der Sensoren auf und stellt dem Mikroprozessor

(Funktionsrechner) des Steuergerätes z.B. folgende Informationen zur Verfügung:

Ø die Fahrpedalstellung,

Ø die Motordrehzahl,

Ø die Zylinderfüllung (Luftmasse),

Ø die Motor- und Ansauglufttemperatur,

Ø die Gemischzusammensetzung und

Ø die Fahrdynamikgeschwindigkeit.

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Der Mikroprozessor erkennt aus diesen Informationen den vom Fahrer gewünschten

Betriebszustand und berechnet daraus das erforderliche Moment, um die vom Fahrer

angeforderte Leistung zu Verfügung stellen zu können. Die ebenfalls leistungsbe-

stimmende Motordrehzahl wird durch die vom Fahrer oder von der Getriebe-

steuerung gewählte Übersetzung bestimmt.

Abbildung 7

Um den gewünschten Betriebszustand einzustellen, berechnet der Mikroprozessor

die erforderlichen Stellsignale. Endstufen verstärken diese Signale und steuern über

die Stellglieder den Motor. Die Bereitstellung der erforderlichen Zylinderfüllung mit

der dazugehörenden Einspritzmenge, sowie die zeitgerechte Zündung ermöglichen

eine optimale Gemischaufbereitung und Verbrennung.

5.1.1

Grundfunktion

Die Hauptaufgabe der Motronic ist, den vom Fahrer gewünschten Betriebszustand

einzustellen. Im Mikroprozessor wird dazu die Stellung des Fahrpedals in einen

Sollwert für das Motormoment übersetzt. Dieses Moment wird dann unter Berück-

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sichtigung der zahlreichen verfügbaren aktuellen Betriebsdaten der ME-Motronic in

die Größen umgerechnet, die bestimmend für das Motormoment sind:

Ø die Füllung der Zylinder mit Luft,

Ø die Masse des eingespritzten Kraftstoffs und

Ø der Zündwinkel.

5.1.2

Zusatzfunktionen

Neben diesen Grundfunktionen beinhaltet die ME-Motronic eine große Anzahl von

zusätzlichen Steuerungs- und Regelungsfunktionen. Beispiele dafür sind:

Ø Leerlaufdrehzahlregelung,

Ø Lambda-Regelung,

Ø Steuerung des Kraftstoffverdunstungs-Rückhaltesystems,

Ø Abgasrückführung zur Senkung von NOx-Emissionen,

Ø Steuerung des Sekundärluftsystems zur Senkung von HC-Emissionen und

Ø Fahrgeschwindigkeitsregelung.

Diese Funktionen sind notwendig geworden durch die Gesetzgebung zur Senkung

der Abgasemissionen, die Forderungen nach Fortschritten zur Reduzierung des

Kraftstoffverbrauchs, aber auch durch erhöhte Anforderungen an den Fahrkomfort

und die Fahrsicherheit.

5.1.3

Drehmomentführung

Ziel der Drehmomentführ ung ist die Entflechtung dieser vielen, teilweise sehr unter-

schiedlichen Aufgaben. Nur dann ist es möglich, flexibel ­ also abhängig vom Motor-

oder Fahrzeugtyp ­ die jeweils benötigten Funktionen auszuwählen und in die je-

weilige Variante der Motronic zu integrieren.

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5.1.3.1 Momentenkoordination

Die meisten dieser zusätzlichen Steuer- und Regelfunktionen beeinflussen ebenfalls

das Drehmoment des Motors. Häufig entstehen daraus gleichzeitig auftretende,

sicher aber gegenseitig widersprechende Forderungen. In einem drehmoment-

geführten System verhalten sich alle diese Funktionen wie der Fahrer: sie fordern ein

Motordrehmoment. Die drehmomentgeführte ME-Motronic kann die widersprüch-

lichen Anforderungen sortieren und die wichtigste Anforderung verwirklichen. Hier

zeigt sich der Vorteil der Momentenstruktur. Alle Funktionen äußern unabhängig

voneinander ihre Forderung nach einem Drehmoment.

5.1.4

Fahrzeugmanagement

Über das Bussystem CAN (Controller Area Network) kann die Motronic mit den

Steuergeräten anderer Fahrzeugsysteme kommunizieren. Die Motronic ermöglicht

damit unter anderem im Verbund mit dem Steuergerät des Automatikgetriebes ein

Schalten, das durch Momentenreduzierung beim Schaltvorgang das Getriebe schont.

Ein vorhandenes ASR-Steuergerät (Antriebsschlupfregelung) informiert bei durch-

drehenden Rädern die Motronic über diesen Zustand, damit diese das erzeugte

Drehmoment reduziert. Somit kommen auch hier die Vorteile der Drehmoment-

führung zum tragen.

5.1.5

Diagnose

Die ME-Motronic wird durch Komponenten zur On-Board-Überwachung ergänzt.

Daher kann sie zur Erfüllung der strengen Abgasgrenzwerte und der Anforderungen

an die integrierte Diagnose eingesetzt werden.

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Abbildung 8

6. Fachteil µC PCB83C552

6.1

Analog/Digital-Wandler

Da der A/D-Wandler des PCB83C552 eine Auflösung von 10 Bit hat, kann für die

Kraftstoffsteuerung ein offenes System (Open-Look) verwendet werden. Die A/D-

Umwandlung kann sowohl durch Hardware als auch durch Software initiiert werden.

Die acht zur Verfügung stehenden Analogkanäle dürften für die meisten Motor-

steuerungen ausreichen.

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6.2

I/O Timing

Der 16-bit-Timer T2 ist mit vier 16-Bit-Auffang- und drei 16-Bit-Vergleichsregistern

verbunden. Übergangsweise kann der Inhalt des Timers T2 vom dazugehörigen Auf-

fangregister übernommen werden. Ein Vergleichsregister kann zur Durchführung

eines Set, Reset oder zur Umschaltung der Anschlüsse von Ausgang 4 in program-

mierbaren Zeitintervallen verwendet werden. Die Timer T2 und die Auffang- und Ver-

gleichs-Logik sind im folgenden Bild dargestellt.

Abbildung 9

Der Timer kann für folgende Funktionen eingesetzt werden:

Ø Bestimmung der Motordrehzahl

Ø Timing für bis zu 6 Injektoren (Einspritzbeginn und Einspritzdauer

Ø Zündung, Unterbrechung und Schließdauer für eine oder zwei Zündspulen

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Der Timer T2 kann über einen Vorteiler mit einem Zwölftel der internen Oszillator-

frequenz oder durch ein externes Signal getaktet werden. Der Vorteiler ist in den

Teilungsverhältnissen 1, 2, 4 oder 8 programmierbar. In der Funktion als Timer kann

T2 die absoluten Zeitpunkte von bestimmten Ereignissen (z.B. Durchlaufen der Be-

zugspunkte von Kurbel- oder Nockenwelle) festhalten, die dann im Auffangregister

gespeichert werden können. Damit kann das Auffangregister zur Bestimmung von

Motordrehzahl, Zylindererkennung usw. verwendet werden. Die Komparatoren kön-

nen zum Set, Reset und Umschalten von Port P4.0 bis P4.7 verwendet werden.

6.3

Analogausgänge

Der PC83C552 ist mit zwei impulsbreitenmodulierten 8-bit-Ausgängen ­ PWM0 und

PWM1 ­ versehen. Diese beiden Ausgänge liefern e ntweder eine Gleichspannung

(logisch 1 oder 0) oder eine Rechteckschwingung. Die Ausgangsfrequenz ist

zwischen 92 Hz und 23,5 kHz programmierbar, wobei sich das Tastverhältnis

zwischen 0/255 und 255/255 in Schritten von 1/255 verändert. Diese Ausgänge

können zur Einstellung der Leerlaufdrehzahl (Bypass der Drosselklappe) oder für die

Abgasrückführung (EGR) verwendet werden. Durch die Integration mit Standard-OP-

Verstärkern können die Ausgangssignale PWM0 und PWM1 in entsprechende

Analogsignale umgewandelt werden.

6.4

Watchdog

Der Watchdog-Timer T3 des PCB83C552 entspricht in seiner Funktion der Tot-

Mann-Einrichtung bei einer Lokomotive. Wenn das User Programm ein Reload des

Watchdog-Timers innerhalb der vorgesehenen Zeit ­ dem Watchdog-Intervall ­

verabsäumt, wird der Watchdog aktiv und bewirkt ein System-Reset. Dieses Watch-

dog-Intervall ist zwischen 2 ms und 510 ms programmierbar. Vor dem Reload des

Watchdog-Timers muss ein Watchdog-Enable-Bit gesetzt werden.

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6.5

Kraftstoffeinspritzung

Eine optimale Verbrennung bringt höhere Leistung bei geringere Treibstoffverbrauch

und weniger Emissionen. Die Verbrennung ist vom Luft/Treibstoff-Verhältnis ab-

hängig und kann durch extreme Zerstäubung des Treibstoffes verbessert werden.

Der Zerstäubungsprozess wird auch von der Strömungsgeschwindigkeit der Luft

beeinflusst.

Da bei modernen Motoren mit mehreren Ventilen bei geringerer Drehzahl die

Strömungsgeschwindigkeit der Luft sehr gering wird, ist das Timing für die Ein-

spritzung besonders wichtig.

Der zeitliche Ablauf der Kraftstoffeinspritzung ist auf die Öffnungszeit der Einlass-

ventile bezogen. Dies bedeutet, dass der Beginn der Einspritzung, bezogen auf den

Referenzpunkt der Kurbelwelle, für jeden Zylinder individuell bestimmt werden muss.

Nachstehend wird beschreiben wie der sequenzielle Ablauf der Treibstoffein-

spritzung, mit möglicher Überlappung, erreicht wird. Im folgenden Bild wird ein

vollständiger Zyklus für jeden Zylinder (zwei Umdrehungen der Kurbelwelle)

dargestellt.

Abbildung 10

Beginn und Ende der Einspritzung sind auf den Referenzpunkt der Kurbelwelle be-

zogen dargestellt. Die Nummerierung der Zylinder entspricht der Reihenfolge der

Einspritzung.

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Der Beginn der Einspritzung wird üblicherweise durch den Kurbelwellen-Drehwinkel

gegenüber dem oberen Totpunkt definiert. Dieser Winkel muss in einen Zeitwert, be-

zogen auf den Referenzzeitpunkt, umgewandelt werden. Der Stopp-Zeitpunkt wird

durch Addition der errechneten Einspritzdauer errechnet.

Die Treiber für die Einspritzung sind mit den Anschlüssen vo n Ausgangs-Port 4 ver-

bunden. Die Steuerung dieses Ausgangs erfolgt durch den Timer T2 und die Ver-

gleichslogik siehe Abbildung 8. Das Referenzsignal ist mit dem Eingang des Auf-

fangregisters 0 ­ (CTIO) ­ verbunden. Beim auftreten einer positiven Flanke am

Eingang wird der Inhalt des Timers T2 in das Auffangregister 0 (CTO) eingelesen

und ein Interrupt herbeigeführt. Damit ist die Absolutzeit des Referenzpunktes für den

jeweiligen Zylinder durch Software definiert.

Um die Einspritzung einzuleiten, wird in das Vergleichsregister 0 (CMO) der für den

Zylinder bestimmten Wert der Referenzzeit eingegeben und das korrespondierende

Bit des STE-Registers auf logisch 1 gesetzt. Wenn der Komparator 0 feststellt, dass

der Timer T2 den in CMO gespeicherten Wert erreicht hat, erfolgt ein Set des ent-

sprechenden Ausgangs von Port 4 ­ und ein Interrupt. In diesem Stadium muss in

CMO die Startzeit für den nächsten Injektor, bezogen auf die neue Referenzzeit, ge-

speichert werden. Für den nächsten Injektor muss ein Set des entsprechenden STE-

Bits und ein Reset für das korrespondierende Bit des vorherigen Injektors durchge-

führt werden.

Um die Einspritzung zu beenden wird im Vergleichsregister 1 (CM1) der Relativwert

zur Referenzzeit des Zylinders gespeichert und das korrespondierende Bit des RTE-

Registers auf logisch 1 gesetzt. Wenn der Komparator 1 feststellt, dass der Timer T2

den in CM1 gespeicherten Wert erreicht hat, erfolgt ein Reset des entsprechenden

Ausgangs von Port 4 ­ und ein Interrupt. In diesem Stadium muss in SM1 die Stopp-

zeit für den nächsten Injektor, bezogen auf die neue Referenzzeit, gespeichert wer-

den. Für den nächsten Injektor muss ein Set des entsprechenden RTE-Bits und ein

Reset für das korrespondierende Bit des vorherigen Injektors durchgeführt werden.

Die folgende Abbildung zeit ein Diagramm der verschiedenen Software-Bereiche. Im

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Abbildung 11

Hauptprogramm wird die Einspritzdauer und der Beginn der Einspritzung, bezogen

auf die Referenzzeit mit Hilfe von Algorithmen errechnet. Die Parameter für diese

Algorithmen kommen über verschiedene Eingänge, deren Werte (für Drehzahl, Luft-

menge, Temperatur etc.) aus Tabellen entnommen werden können. Zeitkritische

Handlungen, wie z.B. das Speichern in CMO, sollten sofort nach dem begleitenden

Interrupt durchgeführt werden. Da Interrupt-Routinen nicht unterbrochen werden

können, müsse diese so kurz wie möglich sein. Durch die Verwendung von ,,Flag-

Routinen" wird eine Unterbrechung ermöglicht.

Während der Interrupt-Routine erfolgt ein CALL zu einem Unterprogramm, welches

nur eine RETI-Instruktion enthält. Dies veranlasst die Rückkehr zur Interrupt-Routine.

Die Interrupts können nun wieder enabeld werden, und die Rückkehradresse für das

Hauptprogramm befindet sich noch immer im STACK. Dann erfolgt ein Sprung zur

Flag-Routine. Am Ende der Flag-Routine erfolgt ein RET-Befehl zum Rücksprung an

die richtige Stelle des Hauptprogramms.

6.6

Verteilerlose Zündung

Bei einem konventionellen Motor mit mechanischen Unterbrecher und einfacher

Spule wird ein Verteiler eingesetzt, um die Zündkerzen in der richtigen Reihenfolge

mit dem Hochspannungsanschluss der Zündspule zu verbinden.

Der Unterbrecherkontakt kann durch Elektronik ersetzt werden. Außer bei Zwei-

zylinder-Motoren ist bei Verwendung von nur einer Zündspule ein Verteiler erforder-

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lich. Bei einem Zweizylinder-Motor sind beide Enden der Zündspule mit je einer

Zündkerze verbunden, die gleichzeitig zünden, wie in der folgenden Abbildung

dargestellt.

Abbildung 12

Der Zeitpunkt der Zündung ist für einen Zylinder richtig. Für den anderen Zylinder

erfolgt die Zündung am Ende des Ausstoßens der Verbrennungsprodukte und hat

somit keine Wirkung.

Beim Vierzylinder-Motor können zwei Zündspulen mit je zwei freien Enden benützt

werden. Die folgende Abbildung zeigt das Timing für eine Vierzylinder-Motor mit zwei

Zündspulen.

Abbildung 13

Der Referenzzeitpunkt muss vor dem oberen Totpunkt liegen, um sicherzustellen,

dass die Zündung immer nach dem Referenzzeitpunkt erfolgt.

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Die Vorzündung ist immer in Winkelgraden der Kurbelwelle, bezogen auf den oberen

Totpunkt, angegeben. Ebenso wie bei Einspritzung muss dieser Winkel als Zeit, be-

zogen auf den Referenzzeitpunkt, angegeben werden. Die Zeit zwischen dem Ein-

schalten und dem Ausschalten der Spule heißt Ladezeit (DWELL oder LOAD TIME).

Am Ende dieser Zeit muss ein genügend großer Strom fließen, um bei der Unter-

brechung einen ausreichenden Zündfunken zu erzeugen. Der Einschaltzeitpunkt für

die Spule wird durch Subtraktion der Ladezeit vom Zündzeitpunkt errechnet (Tign).

Die Ansteuerung für die Spulen sind mit den Bits 5 und 6 von Port 4 verbunden.

Diese beiden Bits werden umgeschaltet und ein Interrupt-Flag gesetzt, wenn Über-

einstimmung zwischen dem Timer T2 und dem Vergleichregister CM2 besteht, vor-

ausgesetzt, dass die korrespondierenden RTE-Bits gesetzt sind.

Im Hauptprogramm werden die Ein- und Ausschaltezeiten für beide Spulen in Bezug

auf die spezifischen Referenzpunkte errechnet. Nach jedem CM2-Interrupt müssen

das Register CM2 wieder geladen und die Bits 6 und 7 von TRE invertiert werden.

Die beiden Spulen können unabhängig voneinander gesteuert werden. Falls eine

Spule eingeschaltet und die andere innerhalb der Interrupt-Latenz plus Handling-Zeit

ausgeschaltet werden muss, werden beide Handlungen gleichzeitig durchgeführt.

6.7

Ventilsteuerung

Der PC83C552 kann auch zur Stabilisierung des Leerlaufs und der Abgasrück-

führung (EGR = Exhaust Gas Recirculation) verwendet werden. Der Leerlauf wird

über ein Bypassventil durch die Menge der bei geschlossener Drosselklappe ein-

gelassenen Luft geregelt. Die Luftmenge wird gemessen und die erforderliche Treib-

stoffmenge für jeden Zylinder errechnet. Die Leerlaufdrehzahl kann durch Justierung

des Bypassventils eingestellt werden.

Abgasrückführung verbessert den Wirkungsgrad des nicht voll belasteten Motors und

reduziert die Stickoxyd-Emission. Die Menge des rückführenden Abgases ist von

mehreren Parametern einschließlich Motorbelastung abhängig und wird über ein

Ventil gesteuert.

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Die Einstellung für das Bypassventil oder das Ventil zur Abgasrückführung wird durch

die angelegte Spannung bestimmt. Diese beiden Spannungen müssen vom Mikro-

controller gesteuert werden. Der PCB83C552 hat zwei Ausgänge mit Impulsbreiten-

Modulation. Die folgende Abbildung zeigt das Block-Diagramm der Impulsbreiten-

Modulation.

Abbildung 14

Die Impulse der Ausgangsspannungen können in Länge und Intervall programmiert

werden. Durch Integration und Puffern der Impulsspannungen mittels einfacher OP-

Verstärker werden die Analogspannungen für die Ventilsteuerung erzeugt. Die Im-

pulse können auch über die mechanische Trägheit der Ventile integriert werden.

Die Wiederholungsfrequenz wird durch den 8-bit-Vorteiler PWMP definiert, der die

Taktimpulse für einen 8 -bit-Zähler liefert. Vorteiler und Zähler sind für beide PWM-

Kanäle zu verwenden.

Der 8-bit-Zähler zählt Modulo 255 von 0 bis einschließlich 254. Der Wert im 8 -bit-

Zähler wird mit dem Inhalt der beiden Register PWMO und WWM1 verglichen. Wenn

der Inhalt von einem der beiden Register größer als der Zählerwert ist, wird der be-

treffende Ausgang von PWMO oder PWM1 auf logisch 0 gesetzt.

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Abbildung 15

Wenn der Inhalt der Register gleich oder kleiner als der Zählerwert ist, ist der Aus-

gang logisch 1. Das Impulsbreiten-Verhältnis wird somit vom Inhalt der Register

PWM0 und PWM1 bestimmt. Das Impulsbreitenverhältnis ist zwischen 0 und 255/255

in Inkrementen von 1/255 programmierbar.

6.8

Sensoren

Die Sensoren erfassen den Betriebszustand des Motors, und sind daher für die

Funktion des Systems von ausschlaggebender Bedeutung. Ihre Signale müssen vom

Steuergerät leicht zu verarbeiten sein und sie müssen zuverlässig arbeiten.

Voraussetzung für zuverlässige Systeme ist der Einsatz von qualitativ hochwertigen

Steckern. Die meisten Motorsteuerungen verursacht die Verbindung zwischen

Sensorik und Elektronik.

Die beiden wichtigsten Motorparameter zur Steuerung eines Verbrennungsmotors

sind die Motorlast und die Drehzahl. Aus diesen Werten können optimale Werte für

Einspritzbeginn, Einspritzdauer und Zündzeitpunkt für den Betrieb ermittelt werden.

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6.9

Motorlast

Zur Aufnahme der Last gibt es mehrer Möglichkeiten:

Ø Luftmassenmessung

Ø durch Ultraschall, Hitzdrahtsonde

Ø Luftmengenmessung

Ø mittels Stauscheibe

Ø Saugrohrunterdruckmessung

Ø Messung der Drosselorganstellung

Die technisch beste Lösung ist die Hitzdrahtmessmethode, bei dem die Abkühlung

eines beheizten, im Luftstrom liegenden Drahtes ein Maß für die druchströmende

Luftmasse ist, da damit der tatsächliche Luftbedarf des Motors erfasst wird.

Der Sensor wäre jedoch gleich wie der Luftmengenmesser für eine Zweitakt-

anwendung viel zu teuer und von der Bauart und Baugröße nicht optimal.

Die Messung des Saugrohrunterdruckes gestaltet sich bei Zweitaktanwendungen als

schwierig, da durch Schlitzsteuerung und Kurbelgehäuse eine gute Auswertung nicht

möglich ist.

Somit wurde auf die einfache und billige Lösung der Bestimmung der Stellung des

Drosselorgans zurückgegriffen, wodurch sich aber einige Nachteile ergeben:

Der tatsächliche Luftbedarf des Motors wird nicht gemessen, deshalb werden

Änderungen am Motor, z.B. durch Verschleiß, oder Umbau (Auspuff) nicht erfasst.

Solche Änderungen werden von den anderen erwähnten Messmethoden großteils

erfasst.

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Quellennachweiß:

Motormanagement ME-Motronic

Bosch / Ausgabe 1999

Motor-Elektronik

Bosch / Ausgabe 1983

Fahrdynamikregelung

Bosch / Ausgabe 1998/99

Ekektronik Report

Ausgabe Juli/August 1989

Internet

www.fh-muenchen.de

www.tu-graz.at

www.fh-aschaffenburg.de

www.bosch.de

www.steyr-daimler-puch.at

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