Wer sich jetzt an das Kapitel Abgase 1 erinnert, wird auf einen Widerspruch
hinweisen wollen. War da nicht die Rede davon, dass ein Katalysator immer ein
ganz bestimmtes Verhältnis von Schadstoffen braucht, um diese quasi
gegeneinander ausgleichen zu können? Ja, das ist so. Und genau dieses Prinzip
wird jetzt mit den Anteilen mageren Gemisches verletzt. Der Katalysator wird nicht
begeistert sein.
Jetzt sollten wir aber zunächst einmal die Wirkung klären. In der Regel entstehen
bei einem zu fetten Gemisch mehr Kohlenwasserstoffe (HC) und Kohlenmonoxid
(CO) und bei einer mageren oder auch sehr heißen Verbrennung mehr Stickoxide
(NO_X). Letztere gibt es auch hier sogar noch am Ausgang des
Katalysators zu viele. Für die Problemlösung gibt es den DeNOxKat, auch
NO_X-Absorberkat genannt. Er ist in der Lage, Stickoxide zu reduzieren.
Wenn Sie aber meinen, durch Nachschalten eines solchen DeNOxKats seien alle
Probleme gelöst, dann irren Sie. Es wird zwar ein Teil der Stickoxide konvertiert,
aber irgendwann muss doch noch etwas davon entsorgt werden. Genau das
geschieht durch Nachverbrennen mit zusätzlichem Kraftstoff. Den Vorgang nennt
man, genau wie beim Aktivkohlefilter, 'Regenerieren'. Die Stickoxide verbrennen
und schaffen Platz für eine neue Ladung.
Sie haben es sicher schon bemerkt, diese Aktion kostet Kraftstoff, aber bedeutend
weniger, als die Schichtladung im Motor einspart. Da ist aber leider noch der
Schwefel im Kraftstoff, der zu mehr Regeneration führt. Man arbeitet an DeNOxKats, die gegen Schwefel resistenter sind. So lange mindestens könnten die
besonders schwefelarmen Kraftstoffe bei Schichtladung nützlich sein. Für die
Benzinherstellung sind die Hürden erheblich höher geworden. War Jahrzehnte lang
1.000 ppm Schwefel erlaubt, sind es seit 2003 nur noch 10 (!).
Im Motor entsteht NO (diesmal ohne 'X'). Katalytische Wirkung macht daraus
NO₂. Im Speicher seit der letzten Regeneration eingelagert sind
Metalloxide, wodurch nicht schädliche Nitrate gebildet werden. Die Reaktionen im
Speicherkat werden mit zunehmender Füllung immer langsamer. Deutlich vor einer
vollständigen Füllung bewirken HC und CO einer fetten Verbrennung die Trennung
von Stickstoff und Sauerstoff.
Wenn wir schon etwas tiefer in der Abgasproblematik stecken, könnte man an
dieser Stelle den Begriff 'Rohemissionen' einführen. Damit sind die Emissionen
gemeint, die unmittelbar und ohne eine entgiftende Behandlung aus dem Motor
kommen. Es ist übrigens hier so wie bei den Umwelt-Grundsätzen im wahren
Leben, Vermeidung geht vor Nachbehandlung. Alles hat Vorrang, was durch eine
effektivere Verbrennung schon an Schadstoffen vermieden werden kann.
Die Rohemissionen in Bezug auf NO_X-Minderung beeinflussen kann im
Teillastbereich sehr entscheidend die AbGasRückführung.
Dabei unterscheidet man zwischen innerer und äußerer Abgasrückführung. Erstere
geschieht durch Veränderung der Steuerzeiten in Richtung auf eine größere
Ventilüberschneidung. Letztere besteht aus einer externen Verbindung zwischen
Abgas- und Ansaugsystem.
Wer sich auf die guten alten Grundsätze der Kfz-Technik beruft, wird spätestens
dann stutzen, wenn behauptet wird, die Zumischung von Abgas ins Frischgas sei
förderlich für den Wirkungsgrad. Klingt auf den ersten Blick absurd, meint aber, das
dem Motor damit ein gewisser Teil der Ansaugarbeit erspart bleibt, weil das
zusätzliche Abgas quasi von selbst in den Brennraum strömt.
Natürlich sollte die Abgasrückführung spätestens bei Volllast abgeschaltet sein,
weshalb ein AGR-Ventil nötig ist, das über das Motormanagement auch die
Mengensteuerung übernimmt. Übrigens ist ein z.B. stets offenes AGR-Ventil nach
einer gewissen Laufzeit ein nicht unbedingt selten auftretender Fehler. Ihm auf die
Spur zu kommen, hilft bisweilen schon die gewaltsame Schließung, z.B. mit einem
entsprechend zugerichteten Blech.
Die ersten AGR-Ventile hatten noch eine elektrisch angesteuerte Pneumatik, die
ihre Kraft vom Saugtrakt bezog. Inzwischen sind sie nur elektrisch und damit
schneller und präziser. Für die externe Leitung gibt es auch Luft- bzw.
Flüssigkeitskühlung, aber zurzeit hauptsächlich für Dieselmotoren. Auch beim
Ottomotor könnte sie helfen, eine unerwünschte Erwärmung der angesaugten
Gase zu verhindern.
Abgasrückführung reduziert also entscheidend die Verbrennungstemperatur und
setzt damit die Bildung von Stickoxiden herab. Dazu gibt es übrigens noch eine
Möglichkeit, nämlich die Verstellung des Zündzeitpunktes in Richtung 'spät'. Aber
dann sind wir endgültig in einem Konflikt mit dem Kraftstoffverbrauch. Also ist diese
Maßnahme nur sehr behutsam anzuwenden.

Direkteinspritzung 2

Wie sehen sie denn nun aus, die Baugruppen, die zusammen die
Direkteinspritzung ergeben? Na, im Tankbereich werden Sie keine großen
Unterschiede feststellen. Vielleicht mit der kleinen Ausnahme, dass die ehemalige
Pumpe für das gesamte Einspritzsystem zu einer Förderpumpe degradiert wurde.
Aber da es sich nach wie vor um den gleichen Kraftstoff handelt, ist seine
Behandlung bis zum Eintreffen im Motorraum nicht sehr unterschiedlich.
Erstaunlich ist eine Namensgebung, die es vor der Einführung von Common Rail
beim Dieselmotor nicht gegeben hat. Die Bezeichnung 'Rail' für dieses Stückchen
Rohr, das unter Hochdruck den Kraftstoff zu den einzelnen Einspritzventilen
transportiert, war früher schlicht 'Verteilerleiste'. Und an noch etwas müssen wir
uns gewöhnen: Eine Kraftstoffpumpe, die zwischen 50 und 200 bar erzeugen soll,
ist bislang immer noch mechanisch angetrieben, obwohl es z.B. für CabrioKlappdächer elektrische Pumpen gibt, die 180 bar schaffen.
Mit Laser erzeugte feinste Bohrungen im Einspritzventil sorgen für genau
einstellbare Spritzrichtung. Die Einspritzventile werden nicht mehr nur angesteuert,
sondern die Wirkung ihrer Arbeit wird kontrolliert. Man spricht von einem Regelkreis
zwischen Einspritzventil und Motor-Steuergerät. Das kann z.B. am Schwungrad
das durch den betreffenden Zylinder in dessen Arbeitstakt zusätzlich erbrachte
Drehmoment ermitteln und damit die Einspritzmenge entsprechend verändern.
Und das ein Motorleben lang.
Schon längst ist das komplette Motormanagement ein System geworden, bei dem
man die einzelnen Bereiche kaum noch erkennt. Es arbeitet mit der Anforderung
von Drehmoment durch Fahrer/in und realisiert diesen Wunsch möglichst. Es
versucht zunächst einmal, selbst mehr für die Erfüllung dieses Wunsches zu tun.
Meist sind da Reserven vorhanden. So kann z.B. die geometrisch mögliche
Verdichtung nicht ganz ausgeschöpft sein, weil die Ventilsteuerung Abgase durch
mehr Überschneidung wieder in den Ansaugtrakt zurücklässt.
Natürlich muss bei Änderung dieses Zustands auf möglicherweise klopfende
Verbrennung geachtet werden. Es kann auch sein, dass die größere
Überschneidung der Ventile dazu dient, ein mögliches Turboloch durch
zusätzlichen Frischluftdruck zu verhindern. Beim Direkteinspritzer gibt es halt keine
Probleme, wenn Frischgas in den Abgastrakt gelangt, weil dieses Frischgas eben
keinen Kraftstoff enthält.
Kleine Revolutionen bringt die Benzin-Direkteinspritzung zusammen mit Aufladung
hervor. Da entstehen gerade durch Downsizing Dreizylinder, die genügend
Drehmoment für ausgewachsene Limousinen bieten. Sie sind zunehmend auch mit
Direkteinspritzung lieferbar. Interessant wird es, wenn man auch noch mit
Zweizylindern einen Spagat zwischen Leistung und Verbrauch versucht, wenn also
beispielsweise der Fiat Twin Air direkt einspritzt.
Erstaunlich, dass die Benzin-Direkteinspritzung den Mehraufwand zur Erzeugung
des hohen Einspritzdrucks relativ leicht auszugleichen scheint (siehe auch href=“X419“>hier!). Zwar ist man noch weit von Diesel-Einspritzdrücken entfernt,
aber man scheint sich dem Dieselmotor zu nähern. Z.B. sinken zurzeit die
Nenndrehzahlen von Benzin-Direkteinspritzern, während sich die von
Dieselmotoren nach der deutlichen Senkung nach Einführung der
Direkteinspritzung dort wieder etwas erholt haben.

E-Gas

{Vorher}
Da ist jahrelang von einem Potentiometer an der Drosselklappe die Rede und von
einem Volllast- und Leerlaufschalter, den man besser Schubabschalter genannt
hätte und plötzlich ist der Gaszug weg und ein Stellmotor bedient die Drosselklappe
(Drive by Wire). Was kann so vorteilhaft daran sein, den Gaszug durch einen Motor
zu ersetzen?
{E-Gas: Elektronische Motorleistungssteuerung}
Bevor wir dieser Frage nachgehen, sollten wir erst die Bauteile vollständig klären.
Da ist das Gaspedal, das nur noch eine Feder und zwei Potentiometer bedient, am
besten sogar gegeneinander arbeitend. D.h. steigt bei einem Potentiometer der
Widerstand durch Treten des Gaspedals, so fällt er beim anderen. Immerhin darf
es nicht passieren, dass dem Steuergerät irrtümlich Vollgas signalisiert wird.

{Nachher}
Übrigens sind nicht alle Sensoren an der Drosselklappe selbst entfallen. Um
nämlich der Drosselklappe einen bestimmten Winkel zu geben, muss dieser
ständig gemessen und dem Steuergerät beim Stellen rückgekoppelt werden.
Früher gab es ein extra E-Gas-Steuergerät, heute wird das vom Motormanagement
mit erledigt. Trotzdem bleibt die Frage, was die zweifellos kompliziertere und damit
auch teurere Konstruktion bringt.
Dazu muss man wissen, dass es Systeme gibt, die E-Gas zwingend voraussetzen,
z.B. die Direkteinspritzung mit Schichtladung. Hier reißt bei Teillast das Steuergerät
die Drosselklappe auf, um so viel Luft wie möglich in den Brennraum strömen zu
lassen. Und das alles, obwohl nur wenig Gas gegeben wird. Gaspedal und
Drosselklappe müssen nicht immer synchron sein. Man hat sogar den Eindruck,
die Betriebsbereiche mit nicht synchronem Verhalten der beiden nehmen zu.
Da ist dann kein Starten mit offener Drosselklappe zu befürchten, während diese
bei großer Last vermutlich voll aufgerissen wird, um die Ansaugwiderstände zu
reduzieren. Oder man spart Anreicherung für die Beschleunigung, wenn man die
Klappe langsam öffnet. Inzwischen wird sogar gemessen, ob genug Unterdruck für
den Bremskraftverstärker vorhanden ist. Mit Sicherheit kann auch hier ein die
Drosselklappe steuerndes Motormanagement helfen.
Als die ersten Fahrzeuge mit E-Gas aufkamen, konnten wir uns nicht verkneifen,
den Ausfall des Systems zu simulieren. Wir haben also hinter dem Gaspedal den
Stecker gezogen. Erstaunen allenthalben, als dies der Motor mit einer deutlich
erhöhten Leerlaufdrehzahl beantwortete. Die Philosophie, die dahintersteckt ist,
der Kunde kommt mit diesem erhöhten Leerlauf ohne Abschleppen in die
Werkstatt.
Es gibt übrigens leidvolle Erfahrungen mit E-Gas, z.B. von Audi mit dem Typ 5000,
von dem in USA behauptet wurde, er würde bisweilen von selbst beschleunigen.
Da es sich ausnahmslos um Fahrzeuge mit Automatik handelte, ging der Hersteller
von einer Verwechslung von Fußbremse und Gaspedal aus. Richtig bewiesen
wurde die angebliche Fehlfunktion der Fahrzeuge nie, aber dem Ruf des Audi 5000
hat es sehr geschadet.
Übrigens verdanken die Fahrer(innen) einer Automatik diesem Fiasko die
komplizierter gewordene Startprozedur solcher Fahrzeuge. Sie können sich
vorstellen, wie sehr man Fehlfunktionen in der Richtung vermeiden will. Beim EGas sorgt ein komplizierter Algorithmus dafür, dass der vom Steuergerät
angenommene Fahrpedalwinkel niemals größer ist als der tatsächliche.
Die Einführung von E-Gas hat nicht nur einen zusätzlichen Aktuator gebracht.
Seither wird zwischen dem Steuergerät und den Sensoren in Drehmoment
gerechnet. Aus dem Winkel des Gaspedals bestimmt es den sogenannten
'Fahrerwunsch' und zwar als Anforderung von Drehmoment in Nm. Ein Zuschalten
der Klimaanlage erfährt das Motormanagement ebenfalls als eine solche
Anforderung.
Würde es nicht durch z.B. etwas mehr Drosselklappenwinkel reagieren, könnte das
Fahrzeug einen Tick langsamer werden. Das gilt es zu vermeiden. Die Werte in der
Einheit des Drehmoments werden sogar über das Bussystem übertragen. So ist
also die gegenwärtige Lastanforderung netzweit abrufbar. Umgekehrt kann z.B.
das elektronische Sperrdifferenzial mit Motoreingriff vom Motormanagement eine
deutliche Reduzierung des Drehmoments fordern.
Noch moderner ist ein ESP, das schwierige Handlungssituationen nicht durch
Bremsen sondern durch gezielten Antrieb einzelner Räder behebt. Auch hier
werden Drehmomente übers Netz verbreitet. Kaum zu glauben, dass man die
Rücknahme eines Zündwinkels auch als Drehmomentverlust messen und
einstellen kann. Ein besonders niedriger Leerlauf kann durch eine eilige
Anforderung bei typischen Handlungen vor dem Losfahren als Forderung nach
mehr Nm formuliert werden.

Schichtladung 2
Die Schichtladung besteht als Möglichkeit nur bei der Direkteinspritzung, also seit
etwa 1995. Äußeres Kennzeichen eines Betriebszustandes mit Schichtladung ist
die durch E-Gas vollkommen geöffnete Drosselklappe. Damit ergibt sich schon
eine Verbesserung des Wirkungsgrades durch Wegfall der Drosselung. Die zweite
wird durch ein Gesamt-Lambda deutlich größer Eins erzielt. So ergibt sich bei
Strahlführung der Ansaugluft ein Vorteil von ca. 15 Prozent. Eingespritzt wird dabei
etwa in der Mitte eines meist vierventiligen Zylinderkopfs senkrecht zum Kolben
hin.
Es gibt dann noch die Wandführung, wobei der Kolbenboden die den Strahl in
Richtung Zündkerze führende Wand darstellt. Konzentriert man ein zündfähiges
Gemisch an der Zündkerze ohne Strahl- oder Wandführung, so spricht man von
einer luftgeführten Strahlbildung. Die beiden letztgenannten Systeme erreichen
momentan nur die Hälfte des Wirkungsgrades wie ein strahlgeführtes.
Natürlich ist Schichtladung nur in Teillast realisierbar. Man kann schon froh sein,
wenn damit im großen Gang normale Autobahnschnitte möglich sind. Die
Laststeuerung erfolgt hierbei durch die Einspritzmenge. Je schneller man fährt,
desto mehr näher sich das Gesamt-Lambda der 1, typisches Kennzeichen des
homogenen Betriebs.
{Schichtladung nur mit zusätzlichem NO_X-Speicherkat}
Für das Umschalten zwischen Homogen- und Schichtladung wird also nicht nur die
Einspritzung vom Ansaug- an das Ende des Verdichtungstakts verlegt, sondern
auch noch die Drosselklappe weit geöffnet. Natürlich soll das Umschalten
möglichst der Aufmerksamkeit des/der Fahrers/in entzogen werden, wieder eine
besondere Aufgabe für das Motormanagement.
Viele angebliche Neuerungen im Kfz-Bereich existieren schon sehr lange. Dass
aber der Begriff 'Schichtladung' schon bei Nicolaus August Ottos Erfindung des
Viertaktmotors die Hauptrolle gespielt hat, ist dann doch eine Besonderheit. Der
war nämlich nach intensiver Beobachtung der Rauchentwicklung aus einem
Fabrikschornstein zu der Überzeugung gekommen, dass nur die Schichtladung
den Weg zum Hochdruckmotor ebnen könne.
Zu vermuten ist also, dass Otto nicht den Viertaktmotor, sondern die geschichtete
Ladung erfunden zu haben glaubte. Im Brennraum müsse also der Gasanteil vom
Zylinderkopf bis zum Kolbenboden kontinuierlich abnehmen. Wir wissen heute um
die Fehler in dieser Annahme, sind aber dankbar, dass daraus trotzdem ein die
Welt bestimmendes Motorkonzept entstanden ist. Übrigens hat Otto 1877 schon
ein Patent zur Direkteinspritzung von Kraftstoff erwirkt.

Sensoren
Mit der Zusammenlegung von Einspritzung und Zündung, der Abgasentgiftung und
den vielen anderen hinzugekommenen Aufgaben ist die Zahl der Sensoren
gewachsen. Es wird Zeit, sie einmal etwas zu gruppieren. Da ist zunächst die
Lasterfassung. Mit Luftmengen- und –massenmessung haben wir uns schon
auseinandergesetzt, genauso wie die Drucksensorik. Es ist die Frage zu stellen,
wozu wir diese, z.T. auch noch parallel agierenden Bauteile angesichts einer
Zweipunkt-Lambdaregelung brauchen.
Nimmt man wieder das Beispiel der Schichtladung, so ist z.B. eine Regelung rund
um Lambda=1 gar nicht sinnvoll. Längst gibt es die Erweiterung in den mageren
Messbereich bis ca. Lambda=4. Hierzu wurde eine sogenannte Breitbandsonde
abgeleitet, deren Kern (Nernst-Spannung) noch mit dem der Zweipunktsonde
identisch ist, der aber durch einen weiteren Raum und einen Pump-Mechanismus
ergänzt wurde.
Eine Lambdasonde, auch die Breitbandsonde, kann nicht messen, bevor sie nicht
eine bestimmte Temperatur erreicht hat. Aber auch in diesem Bereich oder auch
beim Beschleunigen muss eine bestimmte Kraftstoffmenge zugemessen werden.
Aber es gibt noch einen anderen Grund für die Mehrzahl an Lastsensoren, die wir
auch 'Redundanz' nennen, und das ist die Diagnose. Wir werden uns noch mit ihr
zu beschäftigen haben.
Die zweite Gruppe der Sensoren ist die der Temperatursensoren. Die Messung
des Kühlmittels und die der Ansaugluft haben zwar Tradition seit der ersten
elektronischen Benzineinspritzung, aber neu ist z.B. die bei der Direkteinspritzung
vorkommende Messung der Abgastemperatur. Auch die reinen Druckmesser
haben im Abgas ein neues Betätigungsfeld gefunden, z.B. im Abgas und zur
Diagnose der Tank-Dichtigkeit.
Noch gar nicht besprochen wurde bisher der sehr wichtige Drehzahlsensor, je nach
Arbeitsweise kombiniert mit oder assistiert von einem Bezugsmarkensensor.
Verrichten beide ihre Arbeit an der Kurbelwelle, ist auch noch die Stellung der
Nockenwelle wichtig, um exakt den Takt zu bestimmen, in dem sich ein bestimmter
Zylinder gerade befindet. Natürlich ist am Ventiltrieb gerade im Hinblick auf die neu
gewonnenen Verstell-Möglichkeiten noch mehr Sensorik möglich.
Beinahe hätten wir den Klopfsensor vergessen, dessen Piezo-Kristalllagen das
Motor-Steuergerät die Geräusche so deuten lässt, dass daraus ein eventuelles
Klopfsignal extrahiert werden kann. Zusammen mit dem Überblick, an welchem
Zylinder gerade gezündet wird, kommt man dem Klopfen auf die Spur und kann bis
zur nächsten Zündung schon wirksame Gegenmaßnahmen einleiten.
Natürlich sind Schalter auch Sensoren. Die gibt es z.B. an der Pedalerie und
natürlich am Ganghebel. Damit aktivieren wir die Start-Stopp-Automatik. Auch kann
sie mit gewissen Sicherheitsvorkehrungen bei Automatik-Fahrzeugen gekoppelt
sein. Sensorik ist auch nötig, Zündung und Benzineinspritzung gegen unerlaubte
Eingriffe zu deaktivieren, z.B. beim Diebstahlschutz. Das soll fürs erste genügen.
Danach gibt es zahlreiche realisierte Versuche, Kraftstoff sowohl indirekt als auch
direkt einzuspritzen.

Saugrohr-Einspritzung 1
Einspritzventile sind so etwas wie die letzte Instanz der Benzineinspritzung. Wenn
sie ihre Arbeit getan haben, ist an dem ganzen Prozess wohl nicht mehr viel zu
ändern. Die Zündung hat dann das allerletzte Wort. Während kontinuierlich
einspritzende Ventile durch den Hydraulikdruck geöffnet werden, geschieht das bei
intermittierend arbeitenden durch Magnetventile. Erstere pendeln sich bei wenig
Änderung der Parameter auf eine bestimmte Öffnung ein und wirken wie Düsen.

{bk simmerath}
Die intermittierende kann als Mehrpunkteinspritzung auf unterschiedliche Weise
arbeiten. Spritzen alle Ventile stets gleichzeitig ein, bezeichnet man das als
'simultan'. Das passt zu den ersten Vierzylindern mit D- oder L-Jetronic. Für die
gleichen Anlagen im Sechszylinder werden die Einspritzventile in zwei Gruppen
aufgeteilt. Hat jedes seinen eigenen Einspritzzeitpunkt, nennen wir das
'sequentiell', was so viel wie 'in Folge' heißt. Ist dabei die Öffnungszeit
unterschiedlich, heißt das 'zylinderselektiv'.

{ bk simmerath }
Hier ist die sequentielle Einspritzung (Bild darüber) noch einmal etwas stärker
aufgelöst dargestellt.
Letzteres kommt einer modernen Einspritzung am nächsten. Wie wir schon oben
berechnet haben, sind die Einspritzmengen sehr klein. Sogar bei den großen
Mengen der Zentraleinspritzung hebt sich die Düsennadel z.B. nur um 0,6 mm.
Diese spritzt auf die Drosselklappe, weil sie aus Gründen der Druckkonstanz
außerhalb des unmittelbaren Saugraums bleibt.
Neben der schon erwähnten ungleichen Verteilung auf die Zylinder ist die
Filmbildung des Kraftstoffs im Saugrohr, der man durch mehr Anreicherung als bei
der Mehrpunkteinspritzung begegnet. Trotzdem sind auch hier Einspritzwinkel und
-richtung nicht unwichtig. Der Druck hat sich bei indirekter, intermittierender
Einspritzung von anfangs 2 bar auf etwa 3,5 bar eingependelt. Andere indirekt
einspritzende Systeme haben nicht überlebt.
Vermutlich wird sich diese Art der Einspritzung nur bei äußerst knapper Kalkulation
halten. Allerdings muss die Direkteinspritzung deutlich mehr als den
Energieaufwand für den viel höheren Druck einsparen. Hat der Brennraum nach
dem Einspritzen überall ein Lambda von etwa 1, dann nennt man seine Ladung
'homogen'. In diesem Fall wird schon früh während des Ansaugtaktes eingespritzt.
Für Schichtladung geschieht das so spät wie möglich.
Bei der zuletzt geschilderten Situation ist natürlich die Zeit für die Gemischbildung
die absolut kürzeste. Helfen kann hier der Einspritzdruck von inzwischen bis zu 200
bar. Die hohen Anforderungen an die Zerstäubung machen geforderte TröpfchenDurchmesser von 1 bis 2 hundertstel Millimeter deutlich.