Grundlagen Motorentechnik

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6. Gemischbildung und Zündung des Ottomotors
Gemischbildung und Zündung sind 2 wesentliche Grundfunktionen für den Betrieb eines Ottomotors.
Früher wurden diese Funktionen mit sehr einfachen Bauteilen erfüllt. Die Gemischbildung besorgte ein Vergaser,
in dem der Kraftstoff fein zerstäubt und intensiv mit Luft vermischt wurde.
Für die Zündung wurde eine einfache Zündanlage mit Unterbrecherkontakt, Zündspule und einem Zündverteiler
verwendet. Diese Anlagen waren mit mechanischer und pneumatischer Zündzeitpunktverstellung ausgerüstet.
Bei BMW werden seit 1979 elektronische Motorsteuerungen von Bosch, Siemens VDO oder Eigenentwicklungen
in Zusammenarbeit mit einem kompetenten Zulieferer verwendet. Damit wird die Gemischbildung, Zündung
und sonstige Funktionen mikrocomputergestützt auf elektronischem Wege realisiert.
Wir gehen in diesem Kapitel zunächst allgemein auf die Gemischbildung und Zündung ein und besprechen die
wichtigsten Bauteile. Die ganz speziellen Umfänge der BMW Ottomotoren werden im Kapitel 7 angesprochen.
Hier sehen sie eine einfache elektronische Motorsteuerung. Bitte beschriften Sie die wichtigsten Teile.
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6.1 Die Gemischbildung
Ein Ottomotor braucht eine sehr genau abgestimmte Menge Kraftstoff im Verhältnis zur angesaugten Luft. Das
Verhältnis Kraftstoff zu Luft ist abhängig von den Betriebsbedingungen des Motors und der Art der Einspritzung.
• Motor kalt: ungefähr 1 kg Kraftstoff auf 3 bis 7 kg Luft, sehr fettes Gemisch wegen der Kondensation des
Kraftstoffes an den kalten Saugrohr- und Zylinderwänden erforderlich (Saugrohreinspritzung).
• Motor heiß: ungefähr 1 kg Kraftstoff auf 14,7 kg Luft, das entspricht ca. 1,0 l Kraftstoff auf ca. 10.000 l Luft.
Diese Gemischzusammensetzung bezeichnet man auch als „Lambda 1,0“.
• Bei Vollgas: leichte Gemischanfettung für hohe Leistung und innere Kühlung auf ca. Lambda 0,85 bis 0,90.
• Bei Teillast: Gemisch um Lambda 1,0 bei Saugrohreinspritzung, aber bis zu ca. Lambda 2,5 bei der Benzin-
Direkteinspritzung im Magerbetrieb mit Schichtladung (z.B. beim N53 Motor).
Die elektronische Einspritzanlage muss daher den Kraftstoffbedarf des Motors für alle Betriebszustände
exakt errechnen und genau die richtige Menge Kraftstoff zum richtigen Zeitpunkt feinst zerstäubt einspritzen.
• Das geht heute bei den leistungs-, verbrauchs- und abgasoptimierten Motoren von BMW nur mehr durch den
Einsatz einer komplexen, hochwertigen Technik.
• Die Betriebsbedingungen des Motors, z. B. Temperaturen, Drehzahl, Gaspedalstellung, momentane Gemischzusammensetzung
usw., werden von Messfühlern (Sensoren) erfasst und an das Steuergerät gemeldet.
• Das Steuergerät enthält ein spezielles Mikrocomputersystem, das auf die Anforderungen der elektronischen
Motorsteuerung zugeschnitten ist. Es errechnet aus den Betriebsbedingungen die genaue Kraftstoffmenge und
den Einspritzzeitpunkt. Dann steuert es die Einspritzventile mit einem elektrischen Strom genau so lange an, bis
die errechnete Kraftstoffmenge eingespritzt ist.
• Bei der Einspritzung wird unterschieden in Saugrohr- und Direkteinspritzung. Bei der Direkteinspritzung
unterscheidet man noch einmal zwischen wandgeführter und strahlgeführter Benzin-Direkteinspritzung (kurz
BDE).
• Die richtige Gemischzusammensetzung ist für ein hohes Drehmoment und eine hohe Motorleistung bei
gleichzeitig niedrigem Verbrauch entscheidend. Auch die Umsetzungsrate der giftigen Abgasbestandteile im
Katalysator wird stark von der richtigen Zusammensetzung des Kraftstoff-Luftgemisches beeinflusst.
Hier sehen Sie nochmal grafisch dargestellt das
Verhältnis von Luft zu Kraftstoff für einen Benziner
mit Saugrohreinspritzung und Lambda 1-Betrieb.
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Saugrohreinspritzung: Der Kraftstoff wird vor die Einlassventile gespritzt.
Bei der längst üblichen 4-Ventiltechnik wird bei der
Saugrohreinspritzung der Kraftstoffstrahl V-förmig auf
beide Einlassventile aufgeteilt.
Teilweise verdampft der Kraftstoff bereits, bevor noch
die Einlassventile öffnen. Dadurch wird die optimale
Gemischbildung unterstützt.
Der Einspritzzeitpunkt ist ebenso, wie die Einspritzmenge
variabel und wird vom Steuergerät vorgegeben.
Die Berechnung beider Größen erfolgt blitzartig. Gibt der
Fahrer plötzlich Gas, so wird sofort bei dem gerade ein-
spritzenden Ventil und für die folgenden Einspritzungen
der anderen Einspritzventile die Einspritzzeit verlängert,
damit die erforderliche Beschleunigungsanreicherung
unverzüglich stattfindet und kein „Beschleunigungsloch“
entsteht.
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Übersichtsschema einer Bosch Saugrohreinspritzung
1 Luftmassenmesser 10 Sekundärluftpumpe 19 AGR-Ventil (Option)
2 Aktivkohlebehälter 11 Sekundärluftventil 20 Differenzdrucksensor
3 Absperrventil 12 Monitor-Lambdasonde 21 Lufttemperaturfühler
4 Tankentlüftungsventil 13 Crashsensor 22 Elektr. Drosselklappe
5 Saugrohrdrucksensor 14 Regel-Lambdasonde 23 Pedalwertgeber
6 Einspritzventil 15 Kühlmitteltemperaturfühler 24 DME-Steuergerät
7 AGR-Magnetventil (Option) 16 Drehzahlgeber 25 EOBD-Diagnoseschnittstelle
8 Einzelzündspule 17 Elektrokraftstoffpumpe 26 Diagnoselampe
9 Nockenwellensensor 18 Klopfsensor
Am Beispiel dieses Bildes gehen wir die Bauteile und die Funktionen einer Saugrohreinspritzung kurz durch. Unser
N52 Motor ist ja mit einer Saugrohreinspritzung ausgerüstet. Allerdings nicht mit einer Bosch-Anlage, wie oben,
sondern mit einer von BMW und Siemens VDO gemeinsam entwickelten, sehr komplexen Motorsteuerung.
Für das Grundverständnis der Saugrohreinspritzung benutzen wir zunächst die einfache Bosch-Anlage als Beispiel
und gehen später auf jene weiteren Funktionen der Motorsteuerung ein, die ganz speziell die BMW Motoren
betreffen.
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Direkteinspritzung: Der Kraftstoff wird ähnlich wie beim Dieselmotor direkt in die Brennräume gespritzt. Wir
wollen uns hier einen kurzen Überblick über das recht komplexe Thema verschaffen.
Der Kraftstoff wird von einer Hochdruckpumpe (max. Druck dzt. ca. 200 bar) in ein Rail gefördert und gelangt
von dort über die Einspritzventile direkt in die Zylinder. Im Gegensatz zur Saugrohreinspritzung ist hier der
Einspritzdruck ähnlich wie beim Common Rail System für Dieselmotoren variabel. Es sind mit schnellen Injektoren
auch Mehrfacheinspritzungen möglich. Die Anlage ist technisch aufwendiger als die Saugrohreinspritzung.
Die beiden Bilder zeigen 2 unterschiedliche Verfahren für die Benzin-Direkteinspritzung (BDE)
Merkmale: Merkmale:
1. Generation, seit ca. 1997 in 2. Generation, seit 2006 in
Serie, Kraftstoffeinsparung Serie, Kraftstoffeinsparung
ca. 5 % zur Saugrohreinspritzung, ca. 20 %, bei höherer Leistung
komplexer Brennraum nach außen öffnende Injektoren
Wandgeführte BDE: Das linke Bild zeigt eine wandgeführte BDE. Die Einspritzung erfolgt je nach Betriebszustand
bereits im Ansaugtakt oder im Verdichtungstakt. Für die Gemischbildung ist im Zylinder eine entsprechende,
gezielte Luftbewegung (entweder ein Drall, eine „Luftwalze“ oder beides) erforderlich. Auch deswegen,
weil an die Zündkerze für die absolut sichere Entflammung eine leicht entzündliche Gemischwolke gebracht
werden muss. Deswegen ist der Brennraum eines Motors mit wandgeführter BDE komplizierter gestaltet,
als bei der Saugrohreinspritzung bzw. bei der strahlgeführten BDE (im Bild rechts). Die wandgeführte BDE
wird durch die strahlgeführte BDE abgelöst. Bei den in Steyr gebauten BMW Motoren wurde und wird die
wandgeführte BDE nicht eingesetzt, daher gehen wir nicht weiter darauf ein.
Strahlgeführte BDE: Bei der strahlgeführten BDE hat der Injektor mit seinem Stahlbild einen erheblichen Einfluss
auf die Gemischbildung im Brennraum. Der Kraftstoffstrahl tritt feinst zerstäubt in Form eines breit gefächerten
Hohlkegels aus dem Injektor aus. Er geht nahe an der Zündkerze vorbei, darf sie aber nicht treffen. Je
nach Betriebszustand des Motors sind präzise Mehrfacheinspritzungen für die Gemischbildung erforderlich.
Dazu benötigt man sehr schnelle Injektoren mit Piezosteuerung.
Mit der strahlgeführten BDE ist in weiten Betriebsbereichen des Motors ein Magerbetrieb ohne Komforteinbußen
möglich. Dadurch ist gegenüber einem Otto-Motor mit Saugrohreinspritzung eine Kraftstoffeinsparung von
bis zu 20 % erreichbar. Die strahlgeführte BDE von BMW, eine BMW - Siemens VDO-Entwicklung, wird
erstmals unter der Bezeichnung High Precision Injection (HPI) bei den N53 und N54 Motoren eingesetzt.
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High Precision Injection (HPI), das innovative, strahlgeführte BDE-Verfahren von BMW
Das HPI-Verfahren ist eine hervorragende, nachhaltige Maßnahme zur Drehmoment- und Leistungssteigerung,
sowie zur Verbrauchssenkung und Minimierung der Abgasemissionen. Die HPI ermöglicht zusätzlich eine Turboaufladung
bei gleichzeitig hohem Verdichtungsverhältnis. Bisher musste bei aufgeladenen Ottomotoren wegen
der hohen Klopfneigung und der damit verbundenen unkontrollierten Selbstzündung des Kraftstoff-
Luftgemisches das Verdichtungsverhältnis stark abgesenkt werden. Mit der HPI fällt diese Einschränkung weg.
Die nutzbaren Potentiale der Aufladung bei Ottomotoren zur Steigerung von Drehmoment und Leistung können
voll ausgeschöpft werden. Wir beschreiben die HPI am Beispiel des N54 Motors.
Zunächst ein Überblick über die Bauteile
Vakuumpumpe
1 Hochdruckleitung Rail - Injektor 6 Kraftstoff-Niederdrucksensor
2 Injektor 7 Mengensteuerventil
3 Rail (Verteilerleiste) 8 Hochdruckpumpe
4 Raildrucksensor 9 Hochdruckleitung Pumpe – Rail
Die HPI-Anlage hat vom Aufbau her eine gewisse Ähnlichkeit mit dem Common Rails System der Dieselmotoren.
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Die Hochdruckpumpe (HDP) ist eine 3-Kolbenpumpe. Der Antrieb erfolgt über eine Klauenkupplung auf die
Pendelscheibe. Die macht neben der Drehbewegung auch noch eine pendelnde Hubbewegung. So werden die 3
Hochdruckkolben nacheinander betätigt. Das Bild zeigt die Pumpe nicht in Einbaulage, sondern aufgestellt.
Das Triebwerk der HDP ist mit einem speziellen Öl befüllt. Die Ölbefüllung ist im Bild rot markiert. Die Kolben
der HDP drücken das Öl in einen Raum, der von einem Membranbalg gebildet wird. Außerhalb der Membran
ist der Kraftstoff. Die Membran wird durch den Öldruck auf der Innenseite gedehnt und verdrängt dadurch
den Kraftstoff (blau), der sich in der Kammer auf der Außenseite befindet. Der Pumpenantrieb und die 3 Hochdruckkolben
kommen nicht mit Kraftstoff in Berührung. Die HDP kann einen Druck von max. 245 bar liefern
Dann öffnet das Druckbegrenzungsventil. Der Betriebsdruck liegt bei max. 200 bar, wird über den Raildrucksensor
gemessen und über ein Kennfeld an den Bedarf des Motors angepasst.
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Membranbalg,
Zylinder, Kolbenfeder
und HD-
Kolben
1 Kompensator zum Temperaturausgleich 8 Zulauf zum Druckbegrenzungsventil
2 Rückschlagventil niederdruckseitig (3 mal) 9 Rückschlagventil hochdruckseitig (3 mal)
3 elektrischer Anschluss Mengensteuerventil 10 Pendelscheibe
4 Mengensteuerventil (Kraftstoffzumessung) 11 Klauenkupplung Antrieb
5 Rücklauf Druckbegrenzungsventil 12 Hochdruckkolben (3 x)
6 Zulauf von der Elektrokraftstoffpumpe 13 Ölfüllung Hochdruckpumpe (rot)
7 Hochdruckanschluss zum Rail 14 Kraftstoffkammer (blau)

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Hochdruckzylinder im Schnitt Blick in den Pumpenoberteil mit den 3 Zylindern
1 Metallmembran 2 Hochdruckkolben
rot = Ölfüllung blau = Kraftstoff
Blick in den Unterteil auf die Pendelscheibe
Die Antriebsteile der HDP befinden sich im Ölbad und kommen nicht mit dem Kraftstoff in Berührung. Die
Druckübertragung von der Ölfüllung auf den Kraftstoff erfolgt durch die Metallmembran. Durch Temperaturänderungen
kann sich das Volumen der Ölfüllung ändern. Das wird durch einen thermischen Kompensator ausgeglichen.
Die HDP fördert nur soviel Kraftstoff, als durch das Mengensteuerventil dem Hochdruckteil zugemessen wird.
Dadurch lässt sich der Raildruck vom Steuergerät der Motorelektronik kennfeldabhängig einstellen. Die Haupteinflussgrößen
sind die Motordrehzahl und die Motorlast im jeweiligen Motorbetriebspunkt. Über das Mengensteuerventil
kann der Raildruck auch schnell abgesenkt werden, wie es z.B. beim Gaswegnehmen erforderlich
ist.
Für die Kraftstoffzufuhr vom Tank zur HDP ist eine mengengeregelte elektrisch angetriebene Vorförderpumpe
(EKP) zuständig. Der Zulaufdruck zur HDP liegt bei ca. 5 bar.
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Ansichten der HDP
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In Einbaulage wie am Motor,
jedoch ohne Vakuumpumpe
Ansicht von vorne auf
den Antrieb. Die HDP
ist an der Rückseite
der Vakuumpumpe
angeflanscht, die
Klauenkupplung
greift in die Vakuumpumpe
ein. Die wird
ihrerseits über ein
Kettenrad von der
Steuerkette angetrieben.
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Das Rail ist ein Edelstahlrohr. Es dient als Kraftstoffspeicher und stellt über Hochdruckleitungen die Verbindung
zwischen Hochdruckpumpe und Injektoren her. Am Rail ist der Raildrucksensor montiert. Siehe dazu das
Übersichtsbild. Ähnlich wie beim Common Rail System der Dieselmotoren ist der Raildruck variabel.
Die Injektoren bringen den Kraftstoff feinst zerstäubt in den Brennraum ein. Die Betätigung erfolgt elektrisch
mit einem extrem schnellen Piezo-Steller. Weil das Strahlbild bei der Einspritzung einem Hohlkegel entsprechen
muss, damit es zu einer korrekten Gemischbildung kommt, öffnet die Ventilnadel nach Außen (in Richtung
Brennraum) und formt so den Strahl. Dieser spezielle Einsspritzstrahl „führt“ die Gemischbildung, daher strahlgeführte
BDE.
Die Einbaulage im Zylinderkopf: Der Injektor sitzt mittig zwischen den Ventilen. Dadurch vermeidet man, dass
der Kolbenboden oder die Zylinderwand mit Kraftstoff benetzt wird. Im Bild links vom Injektor befindet sich
die Zündkerze mit der Stabzündspule. Die Luftströmung im Brennraum und der spezielle Kraftstoffstrahl garantieren
eine perfekte Gemischbildung. Bei bestimmten Betriebszuständen wird mehrmals eingespritzt.
Blick in den Brennraum Piezo-Injektor
Die Ventilnadel öffnet nach außen
und bildet einen präzisen Hohlkegel.
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Aufbau des Piezo-Injektors der HPI Piezoaktor
1 Ventilnadel nach außen öffnend
2 Piezoelement (Piezoaktor)
3 Ausgleichselement Wärmedehnung
Das Piezo-Grundprinzip (Bild rechts):
1 Piezoelement unbestromt
2 Piezoelement bestromt und gedehnt
3 geschichteter Aufbau des Piezoelements
Ein Piezoelement ist ein elektromechanischer Wandler. Wird es bestromt, dann dehnt es sich. Allerdings ist die
Dehnung sehr gering, daher werden einige hundert Piezoelemente für einen Aktor verwendet. Jedes Piezoplättchen
dehnt sich, die einzelnen Hübe addieren sich zu einem Gesamthub.
Der Hub hängt von der angelegten Spannung ab. Da jeder Piezo-Injektor ein gewisses Eigenleben hat, wird ein
Injektor-Spannungsabgleich (ISA) gemacht. Damit erzielt man unabhängig vom Einzelverhalten ein gleiches
Gesamtverhalten der Injektoren in einem Motor. Den Wert für den ISA erhält der Injektor bei der Fertigung in
Form eines Barcodes. Bei einem Injektortausch ist der Wert für den ISA in das Steuergerät einzugeben.
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Das Bild zeigt die Anordnung von Rail, Hochdruckleitungen, Piezo-Injektoren und Stabzündspulen an einem
Modell-Zylinderkopf vom N54 Motor.
Anordnung der Stabzündspulen, der Zündkerzen und
der Piezo-Injektoren im realen N54-Zylinderkopf
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Magerbetrieb und Schichtladung: Während der N54 mit HPI auf Lambda 1 und homogene Gemischbildung
im gesamten Betriebs-Kennfeld ausgelegt ist, arbeitet der N53 im unteren bis mittleren Lastbereich mit magerem
Gemisch. Nur im oberen Lastbereich, wo es um Drehmoment und Leistung geht, fährt auch der N53 mit ca.
Lambda 1. Durch den Magerbetrieb mit „Schichtladung“ ergibt sich im normalen Fahrbetrieb gegenüber einem
herkömmlichen Ottomotor mit Saugrohreinspritzung eine signifikante Verbrauchseinsparung.
Allerdings erfordert der magere Betrieb einen NOx-Speicherkatalysator, damit auch der höhere Stickoxidausstoß
(NOx) in ungiftige Abgasbestandteile umgesetzt werden kann. Mit dem 3-Wege Katalysator allein ist das
nicht möglich, weil der 3-Wege Kat nur um Lambda 1 die Stickoxide reduzieren kann.
Der NOx-Speicher-Kat wiederum benötigt möglichst schwefelfreien Kraftstoff, damit er seine Wirkung entfalten
kann. Im Kapitel 7 gehen wir nochmal kurz auf den NOx-Speicherkat ein.
Die Grafik zeigt schematisch die Abläufe im Brennraum bei Saugrohreinspritzung, HPI - Homogen und HPI -
Schichtladebetrieb
1 Saugrohreinspritzung mit Lambda 1-Betrieb (z.B. N52)
2 Direkteinspritzung mit homogener Gemischbildung im Zylinder und Lambda 1-Betrieb (z.B. N54)
3 Direkteinspritzung Schichtladebetrieb (z.B. diverse Betriebsbereiche beim N53)
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blau =
mager
Beim Schichtladebetrieb befindet sich nur im Bereich der Zündkerze eine zündfähige Gemischwolke. Der Rest
des Brennraums ist „schichtweise“ von oben nach unten mit magerem Gemisch, Luft oder Abgasresten gefüllt.
Das magere Gemisch nimmt nach der Zündung der Gemischwolke an der Zündkerze durch den schnellen Temperatur-
und Druckanstieg ebenfalls an der Verbrennung teil.
rot =
fett

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Vorteile des Schichtladebetriebs beim N53 mit HPI:
• Die piezogesteuerte, sehr präzise HPI-Einspritzung ermöglicht in einem weiten Drehzahl- und Lastbereich
einen echten, kraftstoffsparenden Magerbetrieb. Wird jedoch Drehmoment und Leistung abgerufen, schaltet
das DME-Steuergerät sofort um auf einen Homogenbetrieb mit ca. Lambda 1. Der Motor zeigt ein dadurch
äußerst dynamisches Ansprechverhalten.
• Beim Schichtladebetrieb des N53 ist die Drosselklappe voll offen, daher ist die Ladungswechselarbeit niedrig
und der Wirkungsgrad des Motors hoch.
• Durch die Direkteinspritzung kommt es im Brennraum zu einem Kühleffekt. Dadurch kann das Verdichtungsverhältnis
erhöht werden, ohne dass die Klopfneigung (durch Selbstentzündung) zunimmt. Damit steigt
der thermodynamische Wirkungsgrad.
• Die Wandwärmeverluste im Brennraum sind gering. Auch das erhöht den thermodynamischen Wirkungsgrad.
• In Summe ergibt sich dadurch für den Fahrzeugnutzer eine Kraftstoffeinsparung von ca. 20%
Das Betriebsarten-Kennfeld des N53
1 Schichtladebetrieb (Feld 1 und 4 zusammen)
2 Übergang von Schichtladung zu Homogenbetrieb
3 Homogenbetrieb mit ca. Lambda 1
4 eingeschränkter Schichtladebetrieb eines Direkteinspritzers der 1. Generation (wandgeführt)
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6.2 Die Zündung
Das Kraftstoff-Luftgemisch muss natürlich auch zum richtigen Zeitpunkt gezündet werden. Nur dann erreicht
der Motor seine höchste Leistung bei gleichzeitig geringstem Verbrauch und niedrigsten Abgaswerten.
• Der richtige Zündzeitpunkt hängt ebenfalls wieder von den Betriebsbedingungen des Motors ab, die ja
bereits von den Messfühlern (auch Sensoren genannt) erfasst werden, die für die Gemischbildung zuständig
sind. Auch der Zündzeitpunkt muss im DME-Steuergerät ganz genau berechnet und eingestellt werden.
• Der Begriff DME bedeutet: ........................................................................................................................
• Die Motorelektronik steuert oder regelt alle Abläufe der Gemischbildung und der Zündung eines Ottomotors
und viele weitere Funktionen. Dabei werden die Messfühler (Sensoren) und das Steuergerät
mehrfach genutzt.
Für die Zündung benötigt man einen kräftigen Zündfunken an den Zündkerzen. Für einen sicheren elektrischen
Überschlag im Zylinder unter allen Betriebszuständen ist eine Hochspannung bis zu 30.000 Volt erforderlich.
Diese Spannung wird bei BMW mit Hochleistungszündspulen erzeugt. Jeder Zylinder hat seine eigene Zündspule.
Eingangssignale und Signalverarbeitung Beispiel einer Einzelzündspule (Schnitt)
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Kontaktierung
Eisenkern
Primärwicklung
Sekundärwicklung
Kontaktfeder
Zündkerze
Zündkerze

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Das Grundprinzip einer Zündspule gleicht dem eines Transformators.
Die Zündspule hat 2 getrennt angebrachte Spulen
auf einem lamellierten Weicheisenkern.
Die Primärspule hat wenige Windungen eines
dicken Drahtes und wird vom DME-Steuergerät
mit Stromimpulsen beaufschlagt. Dadurch entsteht
ein pulsierendes Magnetfeld im Weicheisenkern.
Die magnetischen Feldlinien schneiden die Wind-
ungen der Sekundärspule (viele Windungen, dünner
Draht) und erzeugen die Zündspannung.
Die Höhe der Zündspannung (Sekundärspannung)
hängt vom Übersetzungsverhältnis der Windungen
ab. Im Bild rechts hat die Sekundärspule doppelt so
viele Windungen, wie die Primärspule, daher
ist auch die Sekundärspannung doppelt so hoch.
Aufbau einer Zündkerze (Beispiel):
1 Anschlussbolzen 5 leitendes Glas
2 Keramik-Isolator 6 Dichtring
3 Gehäuse mit 6-kant 7 Verbundelektrode (+)
4 Warmschrumpfzone 8 Masseelektrode (-)
Am Anschlussbolzen wird die Hochspannung zugeführt. An der
Mittelelektrode erfolgt der Hochspannungs-Überschlag, wie im unteren
Bild angedeutet.
Zündkerzen gibt es in verschiedenen Ausführungen. Es ist unbedingt
darauf zu achten, dass die richtige Kerze verbaut wird. Einerseits muss
die Zündkerze ihre Selbstreinigungstemperatur erreichen, andererseits
darf sie auch nicht zu heiß werden. Das Bild links unten zeigt eine „heiße“
Kerze, das Bild rechts unten eine kalte Kerze.
Zündkerzen sind sehr empfindlich gegen Beschädigungen. Eine Kerze, die zu Boden gefallen ist, darf nicht
mehr verbaut werden. Ein unsichtbarer Riss im Isolator führt mit Sicherheit zu einem späteren Ausfall.
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Zur Zündanlage gehört auch der Klopfsensor
Mit „Klopfen“ bezeichnet man bei Ottomotoren eine unkontrolliert ablaufende Verbrennung, bei der sehr
hohe Drücke und Temperaturen entstehen. Die Flammfront läuft statt normal mit 25 – 30 m/sec. mit 200 – 300
m/sec. durch den Zylinder. Die mechanische und thermische Belastung des Motors ist dabei enorm. Dadurch
können schnell Motorschäden auftreten (Anschmelzungen im Brennraum, bis zu einem Lochbrand im Kolben).
Es gibt verschiedene Ursachen beim Klopfen. Eine davon ist ein Kraftstoff mit zu niedriger Oktanzahl. Das
Kraftstoff- Luftgemisch entzündet sich dann unabhängig vom Zündfunken der Zündkerze und die Verbrennung
gerät außer Kontrolle. Es ist Aufgabe der Klopfsensoren, solche Betriebszustände zuverlässig und sofort zu erkennen
und an das Steuergerät zu melden. Das Steuergerät nimmt dann sofort den Zündwinkel zurück. Dadurch
sinkt die Temperatur im Brennraum und die Selbstentzündung des Kraftstoff- Luftgemisches wird gestoppt.
Der Klopfsensor ist ein piezoelektrischer Sensor, der auf die Verbrennungsgeräusche reagiert. Er ist an einer
planen Fläche am ZKG montiert und erzeugt durch den Körperschall aus der Verbrennung eine elektrische
Spannung. Die „Kunst“ liegt darin, aus dem Spannungssignal nur die funktionskritischen Klopfsignale herauszufiltern.
Bei den 6-Zylinder-Benzinern sind 2 Klopfsensoren vorhanden. Es werden jeweils 3 Zylinder zusammen gefasst.
Klopfsensoren müssen eine plane und beschädigungsfreie Auflage am ZKG haben und müssen mit dem
richtigen Drehmoment angezogen werden. Nur dann funktionieren sie einwandfrei.
Hier ist das Signal eines Klopfsensors
zu sehen. Links ohne Klopfen und rechts
mit Klopfen:
a Zylinderdruckverlauf
b gefiltertes Drucksignal
c Signal des Klopfsensors
Stellt das Steuergerät eine klopfende
Verbrennung fest, dann wird am ent-
sprechenden Zylinder der Zündwinkel
schrittweise gegen spät verstellt. Da-
durch geht die Zylindertemperatur
sofort zurück und das Klopfen ver-
schwindet.
SEITE 17

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Zündzeitpunkt und Zylinderdruck (Beispiel)
Das Bild rechts zeigt den Zusammenhang zwischen
Zündzeitpunkt und dem Druck im Zylinder während
der Verbrennung im Teillastbereich.
Der richtige Zündwinkel ist entscheidend für
das Drehmoment und die Leistung des Motors,
aber auch für die Motorlebensdauer.
Klopfende Verbrennung erzeugt hohe Druckspitzen
und eine hohe Zylindertemperatur. Beides kann zu
einem Durchschmelzen des Kolbenbodens führen.
Um stets einen optimalen Zündwinkel zu haben,
wird er vom DME-Steuergerät entsprechend den
Betriebsbedingungen per Kennfeld eingestellt.
Das Bild unten zeigt so ein Zündwinkelkennfeld
über der Drehzahl und der Last. Es gehen jedoch
in die Zündwinkelberechnungen auch die Ansaug-
luft- und Kühlmitteltemperatur, der Saugrohrdruck
und andere Größen mit ein.
SEITE 18

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6.3 Die Funktionen der DME
Die Elektronische Motorsteuerung ist für höchste Motorleistung bei niedrigstem Verbrauch und geringsten Abgaswerten
ausgelegt. Sie erfüllt selbstverständlich auch die amerikanischen und europäischen Anforderungen an
die Onboard-Diagnose (OBD). Einige Funktionen der DME haben wir schon bei der Einspritzung und Zündung
besprochen.
Fassen wir die wichtigsten Funktionen einer modernen DME-Anlage nochmal zusammen:
1) .............................................................................................................................................................
2) .............................................................................................................................................................
3) .............................................................................................................................................................
4) .............................................................................................................................................................
5) .............................................................................................................................................................
6) .............................................................................................................................................................
7) .............................................................................................................................................................
8) .............................................................................................................................................................
9) .............................................................................................................................................................
10) .............................................................................................................................................................
11) .............................................................................................................................................................
12) .............................................................................................................................................................
Die Aufzählung ist beispielhaft und nicht vollständig. Es gibt noch weitere Funktionen wie: bedarfsgerechte
Ansteuerung der Kraftstoff-Vorförderpumpe, Crash-Erkennung, Diebstahlschutz, usw.
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Datenverarbeitung im Steuergerät
Das Steuergerät ist das Kernstück der DME. Es verarbeitet die Betriebsbedingungen des Motors und gibt die
Ströme für die Zündanlage, die Einspritzung und für andere Funktionen aus.
Skizzieren Sie an einigen Beispielen die Datenverarbeitung des DME-Steuergeräts:
Eingangsgrößen Steuergerät Ausgangsgrößen
(Spannungen) (Datenverarbeitung) (Stellerströme)
SEITE 20

Adaption
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Unter „Adaption“ (Anpassung) versteht man die Fähigkeit des DDE-Steuergeräts, Abweichungen vom Normalzustand
zu erkennen und ohne einen Eingriff von Außen auszuregeln. Solche Abweichungen können die Gemischbildung,
die Zündung, die Leerlaufdrehzahlregelung und andere Funktionen betreffen. Sie können umwelt-,
laufzeit- oder verschleißbedingte Ursachen haben.
Ein Beispiel: Die Gemischbildung der DME ist selbstlernend. Das Steuergerät lernt aus dem Signal der Lambdasonden
eventuelle Abweichungen vom Normalzustand, speichert sie ab und passt automatisch die Einspritzzeit
an die neuen Verhältnisse an. Solche Abweichungen können sein: Leichte Undichtheiten im Bereich der
Sauganlage, Gemischabmagerung durch Ablagerungen an den Einspritzventilen, Fahrten in großer Höhe usw.
Das Bild unten zeigt so einen Adaptionsvorgang durch die DME beim Befahren der Großglockner-
Hochalpenstraße.
SEITE 21
Aus der Grafik sieht man, wie das
Steuergerät ausgehend von einem
bereits gelernten Adaptionsfaktor
1,0 (rote Linie) die Gemischbildung
höhenabhängig
abmagert oder anfettet.
In großer Höhe ist die Luftdichte
geringer und das Gemisch würde
zu fett sein, wenn es nicht vom
Steuergerät per Adaptionsfaktor
korrigiert werden würde. Die entsprechende
Information liefert die
Lambdasonde.
Der Adaptionsfaktor bildet in unserem
Beispiel sehr schön die
Luftdruckunterschiede ab.
Der Adaptionsfaktor kann per
Diagnose aus dem Steuergerät
ausgelesen werden.

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Bitte beantworten Sie folgende Fragen:
1.) Die Digitale Motorelektronik wird in 3 Funktionsgruppen eingeteilt
Sensoren, Steuergerät und Aktoren Zündanlage, Einspritzanlage
und Katalysator
2.) Einige Vorteile der Hochdruckeinspritzung HPI (High Precision Injection) von BMW
Kraftstoffeinsparung kein Zündkerzenwechsel mehr
niedrige Abgaswerte Turboaufladung problemlos möglich
ruhiger Motorlauf Thermomanagement für Motor und Heizung
erspart den regelmäßigen Ölwechsel bringt besseres Fahrverhalten
keine Einstellarbeiten an bringt bessere Beschleunigung
Gemischbildung und Zündung
3.) Einige Eigenschaften der Piezo-Injektoren der HPI
sehr schnell Mehrfacheinspritzungen benötigen nur 14 Volt
Nadelhub 2 mm Strahl bildet Hohlkegel öffnen nach außen
4.) Die Lambdasonde misst
den CO-Wert im Abgas den Restsauerstoffgehalt im Abgas
die Einspritzzeit den Abgasdurchsatz
5.) Bei folgenden Betriebszuständen wird durch das DME-Steuergerät die Einspritzmenge erhöht
Beschleunigung Kat-Heizung aktiv Motorüberhitzung
Schiebebetrieb Warmlauf nach Kaltstart Vollgas
6.) Die selbstlernende Adaption der DME-Funktionen erfolgt
einmalig laufend nach jedem Start
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6.4 Die Sensoren der DME (und DDE)
Die Sensoren (Fühler) der DME und DDE (Digitale Dieselelektronik) erfassen auf elektrischer Basis den Fahrerwunsch
und die Betriebsbedingungen des Motors. Einige Sensoren werden sowohl bei den Otto- als auch bei
den Dieselmotoren für gleiche bis ähnliche Anwendungsfälle verwendet. Auch wenn die elektronischen Motorsteuerungen
teilweise stark unterschiedlich sind. Wir besprechen daher hier gleich einige Sensoren der DDE
mit und gehen dann später nur mehr auf die rein DDE-spezifischen Sensoren ein.
Die Messgrößen z.B. Motortemperatur, Ansauglufttemperatur, Ansaugluftmenge, Gaspedalstellung, Drehzahl,
Stellung der Nockenwelle, Restsauerstoff im Abgas usw. werden elektrisch erfasst und an das Steuergerät gemeldet.
Die Sensoren sind über den Motorkabelbaum an das Steuergerät angeschlossen.
• Temperaturfühler: Für die Messung von Temperaturen verwendet man bei der Motorelektronik temperaturabhängige
Widerstände. Das eigentliche Sensorelement ist meistens sehr klein. Es ist in ein Gehäuse eingepackt
und hat elektrische Anschlüsse, die meistens als 2-polige Stecker ausgeführt sind.
Es gibt auch Doppeltemperaturfühler. In einem Gehäuse sind 2 voneinander unabhängige Temperatursensoren
eingebaut. Beispielsweise einer für die DME und einer für das Kühlmittel-Fernthermometer. Der Doppeltemperaturfühler
hat dann 4 Anschlüsse.
Ein Temperaturfühler ist elektrisch gesehen ein sogenannter „Heißleiter", das heißt, je höher die anliegende
Temperatur, desto geringer ist der Widerstandswert des Sensors. Dadurch liefert ein NTC (=Negativer Temperatur
Koeffizient, zu deutsch Heißleiter) bei kaltem Motor eine höhere und bei heißem Motor eine niedrigere
Messspannung. Aus dieser Spannung errechnet das Steuergerät die Temperatur. Wir haben die Temperatur-Messschaltung
schon im Kapitel „Grundlagen allgemeine Elektrik“ an einem Beispiel behandelt.
• Drehzahlgeber: Drehzahlgeber arbeiten auf elektromagnetischer Basis. Zu einem Drehzahlgeber gehört
auch ein sogenanntes Geberrad. Das Geberrad ist an der Kurbelwelle angebracht. Es hat 58 Zähne und eine
Zahnlücke, in der noch 2 Zähne Platz hätten. Diese Zahnlücke ist die Bezugsmarke, aus der das Steuergerät
die Stellung der Kurbelwelle erkennt. Das Geberrad der aktuellen Dieselmotoren wird aus einem topfförmigen
Blech hergestellt, das statt der Verzahnung 58 kleine Dauermagneten und eine Lücke am Umfang hat.
Für die Drehzahlmessung werden heute Hallgeber oder Magnetoresistive Geber verwendet. Sie sind technisch
aufwendiger, als auch die früheren Induktivgeber können aber Drehzahlen bis Null messen. Hallgeber
werden auch als Nockenwellengeber verwendet. Ein Hallgeber gibt Rechteckimpulse aus. Das Steuergerät
zählt die Anzahl der Impulse in einem Zeitfenster und errechnet daraus die Drehzahl.
Temperaturfühler Drehzahlgeber
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Grundlagen Motorentechnik
Temperaturfühler am Zylinderkopf vom M57TÜ2
Drehzahl- und Bezugsmarkengeber M57TÜ2
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• Luftmassenmesser: Im Heißfilm-Luftmassenmesser von Bosch (als Beispiel) sitzt in einem Messkanal ein
Heizplättchen, das vom Steuergerät auf eine konstante Temperatur (bis ca. 130°C) aufgeheizt wird. Vor und
hinter dem Heizplättchen befindet sich je ein Temperatursensor. Ein Teil der vom Motor angesaugten Luft
strömt durch den Messkanal des Luftmassenmessers. Aus diesem Teilstrom durch den Messkanal errechnet
das Steuergerät die gesamte Luftmasse, die dem Motor zugeführt wird.
Funktionsprinzip: Die Temperatur der eintretenden Luft wird vom eingangsseitigen Sensor gemessen. Die
durchströmende Luft wird an die heißen Oberfläche des Heizplättchens etwas erwärmt. Der ausgangsseitige
Temperaturfühler misst daher eine etwas höhere Lufttemperatur, als der eingangsseitige Sensor. Aus der
Temperaturdifferenz errechnet das Steuergerät die Gesamt-Luftmasse. Auf diese Weise ist es auch möglich,
Pulsationen der Ansaugluft zu erkennen und zu berücksichtigen. Damit werden eventuelle Messfehler vermieden.
Das Messrohr hat am Eingang und Ausgang je ein Strömungsgitter angebracht. Neben dem eigentlichen Sensorelement
kann auch noch ein Ansauglufttemperaturfühler vorhanden sein.
Schema der Luftmassenmessung
ohne Luftströmung mit Luftströmung in Richtung Motor
mit Rückströmung vom Motor
• Nockenwellengeber: Ein Hallsensor erfasst die Stellung der
Nockenwelle und meldet sie an das Steuergerät. Das ist
erforderlich, damit das Steuergerät „erkennt“, in welcher
Position die Nockenwelle steht. Daraus ergibt sich dann
zusammen mit dem Signal des Drehzahl- und OT-Gebers,
welcher Zylinder sich aktuell im Verdichtungstakt befindet.
Das ist für die richtige Einspritz- und Zündfolge wichtig.
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T1 Temperaturfühler eingangsseitig
T2 Temperaturfühler ausgangsseitig

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Ansicht Luftmassenmesser Ansicht Sensorelement
HFM 6 vom M57TÜ2
Der HFM sitzt am Ausgang
des Ansauggeräuschdämpfers
in Richtung zum Turbolader.
Die Verbrennungsluft hat daher
bereits den Luftfiltereinsatz
passiert und ist gereinigt.
Messrohr
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Sensorelement
Messkanal
Steckfühler

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Lambda-Sonde: Die Lambda-Sonde misst den Restsauerstoff, der nach der Verbrennung des Kraftstoff-
Luftgemisches noch im Abgas vorhanden ist. Dieser Sauerstoffgehalt ist ein Maß dafür, ob das Gemisch im Zylinder
fett oder mager war.
Sie erinnern sich: Bei fettem Gemisch ist das Lambda kleiner als 1, bei magerem Gemisch größer als 1. Genau
Lambda = 1 wäre bei einem Mischungsverhältnis von 1 kg Kraftstoff zu 14,7 kg Luft.
Es gibt 2 Arten von Lambda-Sonden: Die „Breitbandssonde“ und die „Sprungsonde“. Für die Gemischregelung
bei den Ottomotoren hat die Breitbandsonde die früher eingesetzte Sprungsonde verdrängt.
• Die Lambda-Breitbandsonde gibt abhängig vom Restsauerstoffgehalt im Abgas einen elektrischen Strom
aus. Bei Lambda = 1,0 ist der Strom Null. War das Gemisch „fett“, also kleiner als Lambda 1,0, dann ergibt
sich ein negatives Messsignal. War das Gemisch „mager“ wird das Messsignal positiv. Aus der Höhe des
Messsignals im plus-/minus-Bereich erkennt das Steuergerät zusätzlich, wie die genaue Gemischzusammensetzung
war und hat damit die Möglichkeit, das gewünschte Lambda exakt einzustellen.
Eine Breitbandsonde kann die Sauerstoffkonzentration von ca. Lambda 0,7 bis zu reiner Luft messen. Mit
der Breitbandsonde kann man daher bei den Ottomotoren sowohl Lambda 1, als auch ein mageres oder fettes
Gemisch sehr genau und schnell einregeln. Bei den Dieselmotoren verwendet man die Breitbandsonde momentan
nicht für eine schnelle Gemischregelung, sondern zum Ausregeln langsamer, laufzeitbedingter, abgasrelevanter
Veränderungen z.B. an den Injektoren, der Abgasrückführung oder am Luftmassenmesser.
Die Breitbandsonde hat eine wirksame elektrische Heizung. Sie braucht an der Sondenspitze eine Betriebstemperatur
von mindestens 750° C und muss als „Regelsonde“ für die Gemischbildung innerhalb von ca. 20
sec. betriebsbereit sein. Obwohl sie motornahe montiert ist, würde sie ohne Heizung höchstens im Vollgasbetrieb
und hoher Drehzahl ihre Temperatur erreichen.
Das Bild rechts zeigt die beiden Breitband-
Sonden am Auspuffkrümmer des N52. Die
Sonden sitzen am Kat-Eingang und messen
das Abgas von jeweils 3 Zylindern. Sie
arbeiten hier als „Regelsonden“ für die
Gemischbildung.
• Die Lambda-Sprungsonde reagiert ebenfalls auf den Restsauerstoff. Sie gibt kein kontinuierliches Mess-
Signal aus, sondern erzeugt bei Lambda 1 einen Spannungssprung. War das Gemisch im Zylinder „mager“,
dann gibt die Sonde eine Spannung von ca. 0,2 V ab, war es „fett“, dann ca. 0,8 V. Das heißt, jeder Wechsel
von mager auf fett um Lambda 1 und umgekehrt, erzeugt an der Sonde einen Spannungssprung. Diesen Sondensprung
hat man früher für die Gemischregelung benutzt. Für heutige Anforderungen reicht das aber nicht
mehr und daher hat die Breitbandsonde die Sprungsonde als Regelsonde verdrängt. Die Sprungsonde wird
heute nur noch zur Katalysator-Überwachung eingesetzt.
Da die Lambda-Sprungsonde eine Betriebstemperatur von mindestens 250°C braucht, um richtig arbeiten zu
können, wird diese Sonde ebenfalls elektrisch beheizt. Sie ist hinter dem Katalysator montiert und überwacht
die Katalysatorfunktion. Daher heißt sie auch „Monitorsonde“.
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Bosch-Breitband-Lambdasonde Schnitt durch die Sonde und Kennlinie
Die Grafik rechts zeigt den Verlauf des Sonden-
Signals in Abhängigkeit von Lambda. Bei Lambda
genau 1,0 ist das Sondensignal null (Pfeil).
1 Mess-Signal
2 Sonden-Kennlinie
3 Lambda
LSU4.9
Lambdaregelkreis: Die Gemischbildung wird über den Restsauerstoffgehalt im Abgas permanent überwacht
und in schneller Folge auf einen Sollwert geregelt. Der Ablauf ist in der Grafik unten vereinfacht dargestellt.
Der Zyklus wird mehrmals
pro Sekunde
wiederholt
mager! fett!
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Drucksensor
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Sowohl bei den Otto- als auch bei den Dieselmotoren wird der Druck der Verbrennungsluft in der Sauganlage
gemessen und für die Berechnung der Gemischbildung und Zündung bzw. für die Dieseleinspritzung verwendet.
Drucksensoren gibt es in unterschiedlichen Bauformen und für unterschiedliche Drücke. Bei den Ottomotoren
ohne Aufladung geht es von Unterdruck bis Atmosphärendruck, bei aufgeladenen Otto- und Dieselmotoren um
einen Überdruck.
Bei den Ottomotoren dient der Saugrohrdrucksensor
auch zur Steuerung der KGH-Entlüftung, zur Tank-
entlüftung und fallweise für die Tankleckprüfung.
Der Drucksensor liefert in Abhängigkeit vom anliegenden
Druck eine Spannung an das Steuergerät. Aus dieser
Spannung berechnet das Steuergerät über die Sensor-
Kennlinie den aktuellen Saugrohrdruck.
Pedalwertgeber
Der Pedalwertgeber meldet per Spannungssignal die Gaspedalstellung und auch die Betätigungsgeschwindigkeit
(beides ergibt den Fahrerwunsch) an das Steuergerät. Der Pedalwertgeber ist heute in ein „Fahrpedalmodul“
integriert. Der Geber und das Gaspedal sind eine Einheit.
Der Pedalwertgeber wird vom Steuergerät permanent auf Funktion überwacht. Tritt eine Störung auf, werden
sofort Gegenmaßnahmen eingeleitet. Ein eingeschränkter Fahrzeugbetrieb (Limp Home) ist möglich.
Aus elektrischer Sicht betrachtet kann der Pedalwertgeber als Potentiometer oder als berührungsloser Hall-
Sensor ausgeführt sein.
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Signalweg vom Fahrpedalmodul zum elektrischen Drosselklappensteller (am Beispiel eines Ottomotors)
Im Bild oben ist nicht nur der Pedalwertgeber redundant (aus Sicherheitsgründen doppelt) ausgeführt, sondern
auch der Sensor für die Stellung der Drosselklappe. Die Signale der beiden Sensoren können dadurch leicht auf
Plausibilität und damit auf mögliche Fehler geprüft werden. Andererseits wird dadurch die Betriebssicherheit
des Fahrzeugs, wenn auch eingeschränkt, gewährleistet. Durch die doppelte Sensorbestückung ist in jedem Fall
ein „Liegenbleiber“ infolge eines Sensordefekts ausgeschlossen.
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Notizen
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