Antriebsstrang – Grundlagen Motorsteuerung - TU Braunschweig ...

7 Antriebsstrang 

- Grundlagen Motorsteuerung 

- Ottomotor 

- Dieselmotor 

- Diagnose 

- Getriebesteuerung 

Prof. Dr.-Ing. T. Form 

Lehrstuhl für elektronische Fahrzeugsysteme 

Institut für Regelungstechnik, TU Braunschweig 

Folie 1 Dr. T. Form „VL Fahrzeugelektronik 1 V2.ppt“ 30.01.2012

Antriebsstrang – Grundlagen Motorsteuerung 

Arbeitsspiele eines Viertaktmotors 

Ansaugen 

Luft/Treibstoffgemisch bzw. bei 

Direkteinspritzern nur Luft 




Verdichten Zünden 

und ggf. Einspritzen 

Beim Ottomotor über die Zündkerze 

Beim Dieselmotor Selbstzündung 

Ausstoßen 

Der Steuerzyklus eines Viertaktmotors erstreckt sich über 2 Kurbelwellenumdrehungen, z.B. Zündfolge: 

Zylinderzahl Zündwinkel in Grad relativ zu OT 

3 (1)0 (2)240 (3)480 

4 (1)0 (3)180 (4)360 (2)540 

5 (1)0 (2)144 (4)288 (5)432 (3)576 

6 (1)0 (5)120 (3)240 (6)360 (2)480 (4)600 

Quelle: Prof. Leohold, U Kassel 



Ventilsteuerzeiten-Diagramm eines Viertakt-Ottomotors 

Quelle: Ottomotormanagement, Vieweg Verlag, 2005 




EÖ Einlaßventil öffnet 

ES Einlaßventil schließt 

AÖ Auslaßventil öffnet 

AS Auslaßventil schließt 

OT Oberer Totpunkt 

ÜOT Überschneidungs OT 

ZOT Zünd-OT 

UT Unterer Totpunkt 

ZZ Zündzeitpunkt 

Quelle: IAV GmbH 


Druck p 


Arbeitsprozesse eines Viertakt-Kolbenmotors 

3 

3 

2 

1´ 




4 

1 5 

Volumen V 

1 bar 

Grün: realer Verlauf 

Ansaugen (1´->1) 

idealisiert: Keine Wärmezufuhr 

real: 1 Arbeittakt 

Verdichten (1->2) 

idealisiert: konstante Entropie 

Verbrennen (2->3) 

idealisiert: konstantes Volumen 

Arbeiten (3->4) 

idealisiert: keine Wärmeabfuhr 

Ausstoßen (4->1->1´) 

idealisiert: konstantes Volumen 

real: 1 Arbeittakt 

Verrichtete Arbeit ist die eingeschlossene 

Fläche im pV-Diagramm 

Bei höherer Verdichtung und gleichem 

Hubraum entsprechend größer. 

Punkt (5) ist bei Einsatz eines Turboladers 

erreichbar, entsprechend erhöht sich die 

geleistete Arbeit 




Arbeitsprozesse eines Viertakt-Kolbenmotors 




Quelle: Prof. Gheorghiu, HAW Hamburg 



Leistungskenngrößen 

P 

e 

= 

Pe 

= 

[ KW ] 

Pe 

= 

[ KW ] 

M 

= 2π 

⋅ M ⋅ n 

[ 

⋅ 

M n 

⋅ ⋅ 

Nm] 

[ 1/ 

min] 

1 

1200 

ω Pe an der Kurbelwelle abgegebene 

Nennleistung 

⋅ 

[ 1/ 

1 

9549 

n pME 

VH 

⋅ ⋅ 

min] [ bar] 

[ dm 




3 

] 

M Drehmoment 

n Motordrehzahl 

p ME 

V H 

effektiver Mitteldruck 

Zylindervolumen 



Verbrauchsverhalten eines 4V-12 Zylinder Otto-Motors 

Variationsmöglichkeiten 

bei der Auslegung eines 

konventionell 

gesteuerten Motors: 

• Nockenwelle/ 

Nockenform: 

Steuerzeiten Ein- und 

Auslassseite 

• Kanalgeometrie 

Ansaugtrakt: 

Füllungssteuerung über 

Resonanzeffekte 

• Ventilzahl, 

Ventilsitzgeometrie 

• Zündzeitpunkt 

• Einspritzzeitpunkt und 

–menge 

• Abgasrückführung 

p ME 




Das Bild zeigt den spezifischen Verbrauch in g/kWh. 

Der optimale Bereich ist grün hinterlegt. 

P e = n*P ME*V H/1200 

M 

Quelle: VW, Endres et. al. 2002 



Drehmomente am Antriebsstrang 







Wirkungsgrad eines Verbrennungsmotors 

am Beispiel eines Ottomotors im Neuen Europäischen Fahrzyklus NEFZ 

Quelle: Bosch 

Quelle: DaimlerChrysler 

HighTechReport 1/2002, „Optimierter Antriebsstrang“ Quelle: Prof. Leohold, U Kassel 






Entwicklung der PKW Emissionen in Deutschland bis 2020 

Grafik S.51 aus VW Umweltbericht 

2003/2004 

1984: Ausweitung auf Dieselmotore 

1988: Partikelgrenzwerte für Dieselfahrzeuge 

1992: Euro-1 (>3-Wege-Kat) 

1996: Euro-2 

2000: Euro-3 

2005: Euro-4 







Luft-Kraftstoff-Verhältnis 

λ = zugeführte Luftmasse / theoretischer Bedarf 

Eine vollständige Verbrennung erfolgt im stöchiometrischen Gemischverhältnis (λ=1) 

1 kg Kraftstoff zu 14,7 kg Luft bzw. 9500l Luft zu 1l Kraftstoff. 

fett mager 

fettes Gemisch mageres Gemisch 







Einflußgrößen auf den Verbrennungsablauf im Kolbenmotor (1) 

Kraftstoffmenge bildet zusammen mit der Luftmasse das zündfähige Gemisch. Dosierung: 

- im λ=1-Betrieb entsprechend der vorhandenen Frischluftmasse, 

- im Teillastbetrieb bei Benzin-Direkteinspritzern und immer bei Dieselmotoren 

wird über die Kraftstoffmenge direkt die Leistung gesteuert. 

Gemischverteilung im Zylinder, d.h. örtliches Luft/Kraftstoffverhältnis im Brennraum 

bestimmt den Verbrennungsablauf und damit Druckaufbau im Zylinder 

und die Entstehung von Schadstoffen. Bei fremdgezündeten Motoren muss 

in der Umgebung der Zündkerze eine zündfähige (λ


Einflußgrößen auf den Verbrennungsablauf im Kolbenmotor (2) 

Luftmasse bildet zusammen mit Kraftstoff das zündfähige Gemisch. 

Zur vollständigen Verbrennung muss mindestens die nach dem 

stöchiometrischen Verhältnis erforderliche Luftmasse 

im Brennraum vorhanden sein. 

Masse wird durch die Strömungsverhältnisse im Ansaugtrakt (Drosselung, 

Schwingungen, Aufladung), Druck und Temperatur im ansaugenden 

Zylinder und Umgebung und durch die Öffnungszeiten des Ansaugventils 

bestimmt. 

Restgasanteil Stammt aus dem unvollständigen Gaswechsel oder einer Abgasrückführung 

(ARF, AGR). 

Wird beigemischt zur Reduzierung der Gemischtemperatur (höhere 

spezifische Wärme der Inertgase, daher besonders effektiv in Form einer 

AGR mit einer Kühlung) und vermindert die Stickoxidbildung. 

Zusätzlich bei Teillast von Benzinmotoren: Gemisch wird mit Inertgas 

ergänzt -> mehr Gas im Brennraum -> weniger Drosselung für gleiche 

Frischluftmasse -> besserer Wirkungsgrad. 





011-01 



Stellgrößen für die Parameter des Verbrennungsprozesses 

Füllung 

Luftmasse 

Restgasgehalt 

Kraftstoffmenge 

Gemischverteilung im Zylinder 

Gemischtemperatur 

Zündung 

Gemisch 

Verbrennung 




Öffnen, Schließen, Hub 

Ventilsteuerung von Einlass- und 

Auslassventil 

Drosselklappe 

Ansaugtrakt Lader 

Saugrohresonanzen 

Menge 

Einspritzung Zeit 

Druck 

Zündenergie 

Zündzeitpunkt 



Antriebsstrang - Grundlagen 

Drehmoment basierte Systemstruktur 







Elektronisches Gaspedal EGAS 




1 redundanter Fahrpedalsensor 

2 Motorsteuergerät 

3 Drosselklappenwinkelsensor 

4 Drosselklappenantrieb 

5 Drosselklappe 

Überwachungskonzept: Sicherheitskritische Eingangsinformationen (Stellung Fahrpedal u. Stellung 

Drosselklappe) werden durch doppelte Sensorik dem Steuergerät zugeführt. 




Komponenten einer Bosch Motronic Motorsteuerung 







Komponenten einer Bosch Motronic Motorsteuerung (1) 







Komponenten einer Bosch Motronic Motorsteuerung (2) 







System Structure – Bosch Motronic ECU 




Connection to car/motor 

Data-transfer 

Main function with HW 

Main function without HW 

Source: 

Ottomotor-Managemeńt, Vieweg Verlag 



Subsystem Torque Demand and Structure – Bosch Motronic ECU 

TD - Collection conditioning of all torque 

demands to the engine (driver, ACC etc.): 

- Torque Demand Signal conditioning TDS 

- Torque Demand Driver TDD 

- Torque Demand Cruise Control TDC 

- Torque Demand Idle Speed Control TDI 

- Torque Demand Auxiliary Functions TDA 

(e.g. torque demands from internal sources) 

TS- Coordination of all torque demands to the 

engine (driver, ACC etc.): 

- Torque Coordination TCD, evaluation of all 

demands and calculation of a requested torque 

- Torque Conversion TCV, calculation of the 

needed values for lambda, air-mass etc. 

- Torque modeling TMO, calculation of 

the actual torque from sensors 

Source: 

Ottomotor-Managemeńt, Vieweg Verlag 






Subsystem Air and Fuel – Bosch Motronic ECU 




AS to control the needed air-mass for the 

requested torque: 

- Air System Throttle Control ATC 

- Air System Determination of Charge ADC 

- Air System Exhaust Gas Recirculation AEC 

- Air System Intake Manifold Control AIC 

- Air System Valve Control AVC 

- Air System Boost Control ABC 

- Air System Brake Booster 

FS – to control the needed fuel mass 

and injection times: 

- Fuel System Feed Forward Control FFC 

- Fuel System Injection Timing FIT 

- Fuel System Mixture Adaption FMA 

- Fuel Supply System FSS 

- Fuel System Purge Control FPC 

- Fuel System Evaporation Leakage 

Detection FEL 

Source: Ottomotor-Managemeńt, Vieweg Verlag 



Subsystem Ignition and Exhaust – Bosch Motronic ECU 




Connection to 

car/motor 

Data transfer 

ES to control the Lambda ratio: 

- Exhaust System Description and Modeling EDM 

- Exhaust System Air Fuel Control EAF 

- Exhaust System Three Way Main Catalyst ETM 

- Exhaust System NOx Main Catalyst ENM 

- Exhaust System Control of Temperature ECT 

Source: Ottomotor-Managemeńt, Vieweg Verlag 


Antriebsstrang - Ottomotor 

Elektromagnetisches Einspritzventil (Bosch EV14) 

Ansteuerungsverlauf: 




Nichtlinearitäten in der Ventilanzugs- und 

Ventilabfallsphase müssen über die 

Zeitdauer der Ansteuerung und in 

Abhängigkeit der Bordnetzspannung 

kompensiert werden. 

Bordnetzspannungsabhängige 

Einspritzkorrektur: 




Aufbau einer Hochspanungszündanlage 

150 – 200V 8kV – 22kV 




30 – 35 kV 

1,3 – 2ms 

30 – 50mJ 

1kV – 2kV 

Sättigung: 

L nimmt ab 

Verluste steigen 




Fremdzündung 

Energie zur Zündung eines homogenen stöchiometrischen Gemisches: 0,2mJ 

turbulenten fetten oder mageren Gemisches >3mJ 

Bauweise: Rotierende Zündspannungsverteilung - Hochspannung wird über rotierenden Finger verteilt 

Ruhende Zündspannungsverteilung (RUV) - direkte Erzeugung der Hochspannung über 

je einen Zündtrafo pro Zylinder 

(keine Verteilerverluste, Feuchtigkeitsunempfindlich) 

Aufbau einer Einzelfunken-Zündspule 

(Quelle: Bosch) 




Druckverlauf im Zylinder in 

Abhängigkeit des Zündzeitpunktes 

(Quelle: Bosch) 



Abgasreinigung 

• Die beste Reduzierung aller 3 Schadstoffe erzielt der Katalysator im Lambdafenster 0,98-1,01. 

• Eine optimale Abgaszusammensetzung erreicht nur ein elektronisches Motormanagement. 

• Die Konvertierungsrate, also der Anteil der umgewandelten Schadstoffe, beträgt bei modernen 

Katalysatoren 90-95%. 

Einfluß λ auf Schadstoffzusammensetzung im 

unbehandelten Abgas: 





CO + O 2 � CO 2 (Oxydation), 

HC + CO 2 � H 2O (Oxydation), 

NO x � N 2 + O 2 (Reduktion) 

Quelle: Wiesinger 



Funktionsschema der Lambda Regelung 





Das Luft-Kraftstoff-Verhältnis wird indirekt 

über den Sauerstoffanteil im Abgas 

gemessen. Bei vollständiger Verbrennung ist 

kein Sauerstoff enthalten. 

Eine elektrochemische Zelle mit einem 

Feststoffelektrolyten (Zirkondioxid, leitfähig 

für Sauerstoffionen ab ca. 300°C) erzeugt 

entsprechend der Differenz der Sauerstoff- 

Partialdrücke zwischen Abgas und Außenluft 

bzw. einem Referenzvolumen nach der 

Nernst´schen Gleichung eine Spannung. 

1 Luftmassenmesser 

2 Motor 

3 Lambda-Sonde 

4 Vorkatalysator 

5 Hauptkatalysator 

6 Einspritzventile 


8 Eingangsaignale 

U sSondenspannung 

U vVentilsteuerspannung 

V EEinspritzmenge 



Funktionsprinzip Lambda-Sonde 

Eine Lambdasonde besteht im Wesentlichen aus einem Spezialkeramikkörper, dessen Oberflächen mit 

gasdurchlässigen Platinelektroden (3) (5) versehen sind. Der keramische Festelektrolyt (4) ist in einem 

Stahlgehäuse eingebracht. Der äußere Teil des Keramikkörpers befindet sich im Abgasstrom, der innere Teil 

steht mit der Außenluft in Verbindung. 

Das keramische Material ist porös und lässt ab 300°C Sauerstoffionen durch, sperrt jedoch gegen Durchlass für 

Elektronen. Die Sauerstoffionen wandern von innen (Außenluft) nach außen (Abgas), weil im Abgas eine 

geringere Konzentration (geringerer Partialdruck) von Sauerstoff besteht. Die auf der Innenseite 

zurückbleibenden Elektronen (die ja nicht durch den Elektrolyten hindurchkönnen), werden von einer 

elektrisch leitenden Schicht (5) aufgefangen. Auf der Innenseite der Sonde bildet sich ein 

Elektronenüberschuss und auf der Außenseite (3), wo die Sauerstoffionen ankommen, ein 

Elektronenmangel. 




fett mager 




Lambda-Regelkreis und Stellgrößenverlauf bei Zweipunkt-Regelung (1) 

Zweipunkt-Lambda-Sonde: Fettes Gemisch λ1 � 200mV 

Stellgrößenverlauf mit: 

1 schneller Gemischkorrektur (Sprung) 

2 Anpassfunktion (Rampe) und 

3 Verweilzeit t V zur gesteuerten „Fett“ bzw. 

„Mager“ Verschiebung. 




Lambda-Regelkreis und Stellgrößenverlauf bei Zweipunkt-Regelung (2) 




Quelle: Bosch 



Breitband-Lambda-Sonde 




Bei Breitband-Sonden dient ein nahezu linear verlaufender "Pumpstrom" 

dem Steuergerät als Messgröße. Die Sonde besitzt zwei Zellen, eine 

Pumpzelle und eine Sensorzelle. Mit dem Pumpstrom werden immer so 

viele Sauerstoff-Ionen in die Messkammer hineingepumpt, bis sich 

zwischen den Elektroden im Referenzluftkanal und in der Messzelle ein 

Spannungswert von 450 mV eingestellt hat. Der Pumpstrom ist die 

Messgröße für den Lambdawert Daher ist eine entsprechende Regelung in 

der Lage, stetig jedes gewünschte Luftverhältnis im Brennraum herzustellen 



Funktionsprinzip eines induktiven Gebers 

Induktive Sensoren arbeiten nach dem 

Induktionsgesetz. 

Zu einem Sensor gehört eine Spule 

(Wicklung), ein permanent erzeugtes 

Magnetfeld und eine "Bewegung". Durch 

dieses Messprinzip lassen sich 

berührungslos und somit verschleißfrei 

Winkel, Wege und Geschwindigkeiten 

messen 

Quelle: www.kfztech.de 




Eisenkern 

magnetisches 

Feld 

U(ϕ) 

Permanentmagnet 

S 

N 

Permanentmagnet 

Polschuh 

Spule 

Widerstand 

ϕ 

U 

Geberrad 

Signal hängt vom 

Spiel ab, „Rattern“ 



Funktionsprinzip Kurbelwellensensor mit induktivem Geber 

Der Kurbelwellensensor misst die Motordrehzahl. 

Der magnetische Fluss durch die Spule hängt 

davon ab, ob dem Sensor eine Lücke oder ein 

Zahn gegenübersteht. Ein Zahn bündelt den 

Streufluss des Magneten, eine Lücke dagegen 

schwächt den Magnetfluss. 

Wenn sich das Schwungrad und somit der 

Zahnkranz dreht, wird durch jeden einzelnen Zahn 

eine Magnetfeldänderung bewirkt. Die Änderung 

des Magnetfeldes erzeugt in der Spule eine 

Induktionsspannung. Die Anzahl der Impulse pro 

Zeiteinheit sind ein Maß für die Drehzahl des 

Schwungrades. Durch bewusste Zahnlücken (7) im 

Zahnkranz kann das Steuergerät auch die 

momentane Stellung (Position) des Motors 

erkennen. Bei magnetventilgesteuerten 

Motormanagementsystemen werden 

Impulsräder mit 60er-Teilung verwendet, wobei 

ein oder zwei fehlende Zähne die Bezugsmarke 

definieren. 




Aufbau: Motordrehzahlsensor: 

Signalverlauf: 

1 Dauermagnet, 

2 Induktivgebergehäuse, 

3 Motorgehäuse, 

4 Weicheisenkern, 

5 Induktionswicklung 

6 Luftspalt, 

7 Zahnlücken 

1 Zahn, 

2 Zahnlücke, 

3 Bezugsmarke 




Funktionsprinzip eines Hallgebers 

Hall-Sensorelement: 

I Plättchenstrom 

IH Hall-Strom 

IV Versorgungsstrom 

UH Hall-Spannung 

UR Längsspannung 

B magnetische Induktion 

α Ablenkung der Elektronen 

durch das Magnetfeld 






Nockenwellensensor (1) 

Mit der Nockenwelle dreht sich ein Rotor aus ferromagnetischem Material. Der Hall-IC 

befindet sich zwischen Rotor und einem Dauermagneten, der ein Magnetfeld 

senkrecht zum Hall-Element liefert. Passiert nun z.B. ein Zahn (Schranke) das 

stromdurchflossene Sensorelement (Halbleiterplättchen) des Stabsensors, verändert 

er die Feldstärke des Magnetfeldes senkrecht zum Hall-Element. Somit werden die 

Elektronen, die von einer an das Element angelegten Längsspannung U R getrieben 

werden, senkrecht zur Stromrichtung stärker abgelenkt. Dadurch entsteht die Hall- 

Spannung, die im Millivoltbereich liegt. Sie ist unabhängig von der 

Relativgeschwindigkeit zwischen dem Sensor und dem Rotor. 

Die integrierte Auswerteelektronik im Hall-IC bereitet die durch die Rotation des 

Zahnkranzes sich ändernde Hall-Spannung als Signal auf und gibt es als 

Rechtecksignal aus. 

a Positionierung von Sensor und Einspurimpulsrad 

b Ausgangssignalverlauf UA 

1 Elektrischer Anschluss 

2 Sensorgehäuse 

3 Motorgehäuse 

4 Dichtring 

5 Dauermagnet 

6 Hall-IC 

7 Impulsrad mit Zahn/Segment (Z) und Lücke (L) 

α Luftspalt 

ϕ Drehwinkel 




Hall-Stabsensor: 



Nockenwellensensor (2) 

Weil die Zähne in unterschiedlichen Abständen voneinander entfernt sind, treten die Hallspannungen in 

verschiedenen Zeitabständen auf. Daraus erkennt das Motorsteuergerät den anzusteuernden Zylinder. 





Antriebsstrang - Diagnose 

Example of an Intelligent Hall-Sensor 

Rotational direction is recognized by 3 staggered signals from corresponding Hall elements in the sensor. As opposed to passive 

rotational speed sensors, the active version creates and delivers a square wave signal. 

The application of this measuring principle allows for velocity measurements accurate to v = 0.1 km/h. This is enough to cover the 

harder requirements of navigation systems, anti-rollback brake assist systems and park distance control systems. 





Signal processing 

The signals have 14 mA and 7 mA 

current respectively. The second serves 

as evaluation information for the error 

memory. The 14 mA signal serves as 

the information signal. 

Signal aspects 

1 Internal sensor signal 

2 Air gap reserve too low 

3 Running direction A 

4 Running direction B 

5 Assembly border situation A 

6 Assembly border situation B 

7 Standstill signal 



Zylinderfüllung 




1 Luft-/Kraftstoffdämpfe aus Kraftstoffverdunstungs- 

Rückhaltesystem 

2 Regenerierungsventil 

3 Verbindung zum Karftstoffverdunstungs- 

Rückhaltesystem 

4 rückgeführtes Abgas 

5 Abgasrückführventil AGR 

6 Luftmassenstrom (Umgebungsdruck) 

7 Luftmassenstrom (Saugrohrdruck) 

8 Frischgasfüllung (Brennraumfüllung) 

9 Restgasfüllung (Brennraumdrcuk) 

10 Abgas 

11 Einlassventil 

12 Auslassventil 

13 Drosselklappe 

14 Ansaugrohr 




Hitzdraht-Luftmassenmesser 




R K 

R H 

R M 

I H 

U M 

Temperatur- 

Kompensationswiderstand 

Hitzdraht-Heizwiderstand 

Messwiderstand 

Heizstrom 

Messspannung 

K 



Heißfilmluftmassenmesser 




Quelle: Bosch 



Entstehung von klopfender Verbrennung 




Die Zündkerze entzündet das Luft-Kraftstoffgemisch 

im Verdichtungstakt kurz vor dem oberen Totpunkt. 

Bis zur vollständigen Entflammung des Gemisch 

vergehen drehzahlabhängig einige Millisekunden, 

sodass der Verbrennungsschwerpunkt nach dem OT 

liegt. 

Durch die beginnende Verbrennung ergibt sich eine 

zusätzliche Druck- und Temperaturerhöhung im 

Brennraum, das noch nicht verbrannte Gemisch wird 

weiter verdichtet. Dabei kann die Temperatur des 

verdichteten Gemischs lokal so hoch werden, da es 

sich in einzelnen Bereichen selbst entzündet. 

Diese Verbrennung erzeugt eine Flammenfront, die 

10 bis 100.fach höher als die der von der Zündkerze 

ausgehenden Verbrennung ist. Die so erzeugten 

Stoßwellen erzeugen beim Auftreffen auf die 

Zylinderwand das typische metallische Klingeln des 

Motors. 




Schnittbild Klopfsensor 

Klopfsensor - Schnittbild 

s105799 

1- Carrier 

2- Contact ring 

3- Seismic mass 

4- Nut 




5- Isolation ring 

6- Spring 

7- Piezo ceramic 

8- Overmolding material 

9- Minitimer terminal 

s105417 

Quelle: Siemens 



Signalaufbereitung Klopfsensor 

Klopfsensor - Signalaufbereitung 

in p u t 

a m p lifie r 

+ 

- 

+ 

- 

in p u t 

a m p lifie r 

c h a n n e l 

s e le c t 

a n tia lia s in g 

filte r 

g a in 




b a n d p a s s 

filte r 

fu ll w a v e 

re c tifie r 

in te g ra to r 


o u tp u t b u ffe r 

c o n v e rte r 



Anwendungsbeispiel Klopfsensor (1) 

Klopfsensor: Klopfsignal ohne Klopfen 







Anwendungsbeispiel Klopfsensor (2) 

Klopfsensor: Klopfsignal mit Klopfen 





042-01 



Ölsensor 

Quelle: Temic 




Ölsensor für die Wartungsintervallverlängerung (WIV) zur 

Messung von: 

• Öltemperatur 

• Ölpegel und 

• Ölqualität 

Die Öltemperatur wird mit einem Temperatursensor (NTC) 

gemessen. Für die Erfassung des Ölstands und der Ölqualität 

werden Kondensatoren verwendet. 

Mit sinkendem Ölstand in dem Kondensator ändert sich auch 

dessen Kapazität, da sich dann Luft statt Öl als Dielektrikum 

zwischen den Kondensatorplatten befindet. 

Bei alterndem Öl steigt der Wassergehalt im Öl, langkettige 

Moleküle zerbrechen in kürzere und Abrieb des Motors wird im 

Öl gebunden. Daher ändert sich mit der Alterung des Öls auch 

dessen relative Dielektrizität ε r. Diese Änderung bewirkt aber 

eine Variation der Kapazität, die vom zugehörigen Steuergerät 

erkannt und ausgewertet wird. 



TSI-Prinzip 





Antriebsstrang - Dieselmotor 

Funktionen der Dieselsteuerung 

Steuergröße ist die 

Drehmomentanforderung von 

• Fahrer (Gaspedal) 

• Geschwindigkeitsregelung 

• Fahrdynamikregelung 

Innere Regelungen optimieren 

den Motorbetriebspunkt 

hinsichtlich Verbrauch, 

Emissionen bzw. begrenzen 

die Führungsgröße zur 

Vermeidung von Schäden an 

Motor- oder Antrieb: 

• Spritzbeginnregelung, 

• Ladedruckregelung, 

• Abgasrückführungsregelung, 

• Leerlaufregelung, 

• Laufruheregelung, 

• aktive Ruckeldämpfung 

Nadelbewegungsfühler 

Fahrpedalgeber 

Geschwindigkeitswählhebel 




ICs 




Applikation 

Applikation: Anpassung der Parameter einer vorgegebenen Regelung/Steuerung an eine spezielle Anwendung 

hier: Meßtechnische Ermittlung 

• der Parameter/Variablen 

• von Kennlinien oder Kennfeldern (KL/KF) verschiedener Regelstrecken oder Regler in der Motorsteuerung, 

• ggf. Ergänzung von speziellen Algorithmen, um bestimmte störende Eigenschaften des Motors abzufangen. 

Entwicklung des Steuergeräte-Applikationsaufwands 




Quelle: Hentschel 2002 

12000 Variablen in 2005 

Kennfeld für Spritzbeginn-Sollwert (Bosch). Je 

höher Drehzahl und Einspritz-menge sind, 

desto früher beginnt die Einspritzung. 

Aus: Wolf-Peter Böttcher, Heinz Hermböding, 

Peter Klavon, Volkert Schlüter, Richard 

Skutnick, Axel Sprenger: Die Meisterprüfung 

im KFZ-Handwerk. Vogel Buchverlag, 

Würzburg, 1998. 


Steuerungs- und regelungstechnische Systeme 

Applikation 

• Welche Sollwertvorgaben müssen unter welchen Bedingungen getroffen werden? 

• Was ist die geeignete Reglerstruktur für die gestellte Aufgabe und wie müssen die 

Reglerparameter ausgelegt werden? 

• Ist der Arbeitsbereich des Stellgliedes ausreichend? Ist eine Vergrößerung evtl. möglich? 

• Wie können Störgrößen vermieden oder ihre Auswirkungen reduziert werden? 

• Wie ändert sich das Regel- 

streckenverhalten in 

den verschiedenen 

Betriebspunkten? 

• Sind die Regler 

entsprechend 

robust ausgelegt? 

• Wie kann der Istwert 

hinreichend genau 

gemessen werden? 

Realisierbarkeit von 

Sollwertvorgaben 

Sollwertvorgabe 




Regeldifferenz 

Abstimmung der 

Reglerparameter, 

Entwurf neuer 

Reglerstrukturen 

Regler 

Störgröße 

Regeleinrichtung 

Stellglied 

Störgröße 

Stellgröße 

Regelstrecke 

gemessener 

Istwert Meßeinrichtung 

Istwert 

Erfassung des Istwerts 

Arbeitsbereich 

des Stellgliedes 

Störgröße 

Minimierung 

der Störgrößen 

Regelgröße 

Berücksichtigung 

Änderung des 

Regelstreckenverhaltens 




Vorgehensweise bei regelungstechnischen Problemstellungen 

1. Formulierung der regelungstechnischen Ziele 

2. Mathematische Modellbildung der physikalischen Regelungstrecke 

3. Bestimmung der Parameter des Modells anhand von Messungen an der 

Regelungstrecke (Identifikation) 

4. Auswahl eines geeigneten Reglers und Parameterbestimmung 

5. Simulation des Streckenmodells und des geschlossenen Regelkreises 

6. Regelung der Strecke 






Beispiel Applikation Leerlaufregler – Änderung des Streckenverhaltens 

An die Auslegung der Reglerstruktur und der Regelparameter werden besondere Anforderungen gestellt. 

Dieselmotoren werden in Großserie mit mehreren 100.000 Stück pro Jahr gefertigt. Fertigungstoleranzen des 

ganzen Regelkreises und aller Komponenten können sich addieren, die Alterung ist zu berücksichtigen. Für die 

Applikation des LLR müssen folgende Aspekte betrachtet werden: 

• Fertigungstoleranzen, 

• Alterung (Motor und Getriebe), 

• Betriebsbedingungen: warm/kalt, Änderung des Luftdrucks, 

• nichtlineares Strecken- und Stellgrößenverhalten, 

• Fahren in unterschiedlichen Gängen, 

• Kupplung getreten / nicht getreten, 

• unbekannte Störsignale, 

• Öl-, Wasser-, Saugrohrtemperatur, 

• Belastung durch elektrische Verbraucher, Klimaanlage, 

• Abgasrückführung, Spritzbeginn, 

• Hydraulik, 

• Fahrzeuggewicht, 

• Getriebeart (Handschalter, Automatik, Syncro, Quattro, ...) und 

• Anforderung durch Pedalwertgeber 




Wegen der starken und nicht 

berechenbaren Änderungen des 

Streckenverhaltens 

muß die Regelung sehr stabil 

ausgelegt werden. 

Eine optimal an einen bestimmten 

Betriebspunkt angepaßte 

Regelung kann in der Serie unter 

den erwähnten wechselnden 

Bedingungen zu einer instabilen 

Regelung führen. 




Modellbildung des Streckenverhaltens 

statisches Verhalten: 

Ermittlung des Streckenverhaltens 

durch anlegen statischer Signale an den 

Eingang der Strecke 

(� Linearität der Strecke) 

dynamisches Verhalten: 

Anregung der Strecke mit einem zeitlich 

veränderlichen Eingangsignal 

(� typ. Sprungfunktion) 




h [m] 

h(t) 

u(t) 

[V] 

1.0 

0.8 

0.6 

0.4 

0.2 

gemessen 

linearisiert 

0 

5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 

6.0 

5.0 

4.0 

3.0 

2.0 

1.0 

0 

h( t) 

Überschwingungen 

u 0 [V] 

�1.0 

�0.5 0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 

u( t) 

stationärer Endwert 

t [s] 



Beispiel für Kennlinien und Kennfelder 

Kennlinie eines 

Luftmassenmessers 




Quelle: Bosch 

Kennfeld für Spritzbeginn-Sollwert. Je höher Drehzahl 

und Einspritzmenge sind, desto früher muß die 

Einspritzung beginnen 




Beispiel Applikation Leerlaufregler – Reglerstruktur des Leerlaufreglers 

Drehzahlregelung im Leerlauf, also ohne externen Mengenwunsch, kann durch einen PI-Regler mit 

DT 1-Vorsteuerung realisiert werden: 

S o l l d r e h z a h l 

P - A n t e il 

I - A n t e iil l 

• Durch den I-Anteil ist gewährleistet, daß es keine bleibende Regelabweichung gibt und die Solldrehzahl 

erreicht werden kann, wenn die maximal zulässige Menge nicht überschritten werden muß. 

• Die DT1-Vorsteuerung ist nur bei fallenden Drehzahlen aktiv und wird wieder abgeschaltet, sobald die 

gemessene Drehzahl kleiner als die Solldrehzahl ist. 




- 

D T 1 - V o r s t e u e r u n g 

+ 

+ - 

M e n g e 

R e g e l s t r e c k e 

? ? 

S c h a lt e r w i r d g e s c h l o s s e n 

w e n n g il t 

d ( D r e h z a h l ) 

d ( Z e it ) 

< 0 

D r e h z a h l ( n ) 




Beispiel Applikation Leerlaufregler – Groß- und Kleinsignalverhalten 

Um ein möglichst schnelles Erreichen der Solldrehzahl zu erreichen, wird die Regeldifferenz in drei Bereiche 

eingeteilt. 

Für jeden Bereich stehen unabhängig voneinander einstellbare Parameter für den PI-Regler zur Verfügung. 

Weiterhin gibt es ein Label für die Fensterbreite. Als Label werden die einstellbaren Parameter in der Software 

bezeichnet. 

Drehzahl 

negative Regeldifferenz 

positive Regeldifferenz 




Regeldifferenz = Solldrehzahl - Istdrehzahl 

t 

Fensterbreite 

Solldrehzahl 

Fensterbreite 


Signalbereich 


Antriebsstrang 

Zusammenfassung Sensoren zur Motorsteuerung 

Funktion Variante Prinzip 

Kurbelwellenposition 

+ Drehzahl Geberrad (60-2) Hall, induktiv 

Nockenwellenposition Phasensenor Hall 

Ansauglufttemperatur NTC 

Kühlmitteltemperatur NTC 

Öltemperatur NTC 

Ölzustand 

Fahrpedalgeber Potentiometrisch, redundant 

Drosselklappenstellung Potentiometrisch 

Lastsignal Otto-Saugmotor Saugrohrdruck: Membran 




Otto, BDI Luftmassenmesser: Heißfilm/draht 

Luftmengenmesser: Stauklappe + Poti 

Luftdruck Membran resistiv (Brücke) 

Luftzahl Vorkat Lambdasonde (Sprung/kontinuierlich) 

Nachkat Lambdasonde (Sprung/kontinuierlich) 

Tankinnendruck Differenzdrucksensor 

Batteriespannung Steuergerät AD-Wandler 

Klopfsensor Schwingmasse induktiv 



Zusammenfassung Aktoren zur Motorsteuerung (1) 


(Fremd-)Zündung ROV 1 Trafo/Zündspule 

RUV Einzeltrafos pro Zylinder 

Kraftstoff-Einspritzung Otto Niederdruck 3 bar: elektromagnetisch (1,5…18ms) 

Einspritzventile BDI Hochdruck 200 bar: elektromagnetisch/Piezo 




Diesel Hochdruck 2200 bar: elektromagnetisch/Piezo 

Kraftstoffpumpe mit Rücklauf elektromotorisch mit hydraul. Druckregler/ 

Rücklauffrei elektromotorisch mit elektron. Druckregelung 

Kraftstoff-Hochdruckpumpe PD mechanisch an Düse 

Common Rail mechanisch an Kurbelwelle 

Regenerierventil AKF elektromagnetisch 

Absperrventil AKF elektromagnetisch 

Leckdiagnosepumpe Pumpe elektromotorisch 





Drosselklappenverstellung E-Gas elektromotorisch fail-safe 

Leerlaufdrehzahlsteller Ventil getaktet elektromagnetisch 

Abgasrückführung Rückführventil elektropneumatisch getaktet 

oder elektromagn. Ventil 




Nockenwellenverstellung s.u. 

Ventilsteuerung s.u. 

Regelklappe (Drosselklappe) elektropneumatisch 

Sekundärlufteinblasung Sekundärluftpumpe Gleichstrommotor 30A 

Sekundärluftventil elektromagnetisch 

Saugrohrverstellung Schalt-Saugrohr Ventilklappe elektromagnetisch 

stufenloser Versteller elektromotorisch 

Motorabschaltung (Diesel) Saugrohrklappe elektropneumatisch 

Kraftstoffabschaltung elektromagn. Ventil 

Starthilfe Ansaugluftvorwärmung elektromagn. Ventil 

Glühstiftkerze PTC 





Aufladung Abgasturbolader VTG elektromotorisch 




(Turbinengeometrieverstellung) 

eBooster elektromotorisch 

Ladedrucksteller elektromagnetisch 3/2Wege-Ventil 

Ventilsteuerung Nockenwellenverdrehung hydraulisch/elektromagnetisch 

Nockenwellenumschaltung hydraulisch/elektromagnetisch 

elektromech. Ventiltrieb elektromagn. Schwinger 

elektrohydr. Ventiltrieb elektromagn. geschalteter 

Hydraulikantrieb 

Motorkühlung (Lüfter) mechanisch Kurbelwelle 

mechanisch gekuppelt elektromagn. Kupplung 

elektrisch geschaltet Reihenschlußmotor 

elektrisch geregelt elektronisch geregelter E-Motor 

hydraulisch geregelt Steuerventil elektromagn. 


Antriebsstrang – Elektromagnetische Ventilsteuerung 

Prinzip 




Quelle: mediadesign 


Antriebsstrang – On Board Diagnose (OBD) 

Systemumfang 





Antriebsstrang – On Board Diagnose 

Überwachte Elemente 

1. Prüfung elektrischer Schaltkreise der Sensoren und Stellglieder, z.B. 

•Drehzahlsensor 

•Lambdasonden 

2. Plausibilitätsprüfung abgasrelevanter Sensoren und Stellglieder, z.B. 

•Katalysator 

•Lambdasonden 

3. Plausibilitätsprüfung abgasrelevanter Systeme, z.B. 

•Zündsystem 

•Kraftstoffsystem 






Aufgaben 

Die Aufgaben von OBD sind: 

- kontinuierliche Überwachung aller abgasrelevanten Komponenten in allen 

Fahrzeugen 

- jederzeitiges Erfassen und Melden von wesentlichen Emissionserhöhungen 

während der gesamten Betriebszeit eines Fahrzeugs 

- Gewährleistung dauerhaft niedriger Abgasemissionen 

- Schutz von Komponenten, z.B. des Katalysators bei Fehlzündungen 

- Speichern der Daten bei aufgetretenen Fehlern 

- Bereitstellung einer Schnittstelle zum Auslesen der gespeicherten Daten und 

laufender Betriebsdaten 





Antriebsstrang – On Board Diagnose (OBD) 

Pin-Belegung OBD2-Stecker, J1962 Diagnosebuchse (weiblich) im Fahrzeug 




Pin-Nr.Beschreibung 

1 Hersteller spezifisch 

2 J1850 Bus+ 


4 Fahrzeug Masse 

5 Signal Masse 

6 CAN High (J-2284) 

7 ISO 9141-2 K Ausgang 



10 J1850 Bus 




14 CAN Low (J-2284) 

15 ISO 9141-2 L Ausgang 

16 Batterie (+)-Spannung 



Diagnoseablauf 





Überwachung aller 

abgasbeeinflussenden Systeme 

und Komponenten 

nein Fehler 

- Erkennung von Fehlerart und -ort 

- Speicherung von Fehlerinformationen 

- Information des Fahrers 

ja 

- Aufrechterhaltung von Fahrsicherheit und Notlauf 

- Vermeidung von Folgeschäden 

- Unterstützung der Werkstatt bei der Reparatur 



Komponenten 

OBD einer Motorsteuerung (Skoda 1,4l EUIV) 

1b 

1a 

18 

⊗ 19 

2 

V 17 

3 




7 

4 

6 

5 

9 

13 

Simos 3PA 

11 

12 

8 

14 

15 

16 

1a Lambdasonde vor Kat (linear) 

1b Lambdasonde nach Kat (binär) 

2 Temperaturfühler Kühlwasser 

3 Zündleiste mit 

Doppelfunkenzündspulen 

4 Zündkerze 

5 Einspritzventil 

6 Klopfsensor 

7 Drehzahlgeber Kurbelwelle (60-2) 

8 E-Gas Drosselklappensteller 

9 Drucksensor mit NTC 

10 Kraftstoffdruckregler 

11 Kraftstoffverteiler 

12 AKF-Ventil 


14 AKF-Behälter 

15 Kraftstoffilter 

16 Kraftstoffpumpe 

17 MIL 

18 Pedalwertgeber 

19 E-Gas Fehlerlampe 

20 Nockenwellensensor 




Treiberbaustein zur Auswertung der Lambdasonde 




Temperaturschutzschaltung 

zur 

Überstromerkennung 

Komparatorschaltungen 

zur Spannungsüberwachung 

Erkennung offener 

Stromkreis 



Überwachung λ-Sonde 

λ-Regelung 

Überwachung 

-Periodendauer 

-Signalbereich 

-Sondenheizung 

λ-Sonde 

vor 

Katalysator 

U Sonde 




Zeit 

T 

U max 

U min 

λ-Sonde 

hinter 

Katalysator 

überlagerte 

λ-Regelung 

Überwachung 

Regelwert 

F R 

F R max 

Zeit 




Einfluß gealterter λ-Sonden auf die Emissionen 

Quelle: Glöckler 

Emissionen im FTP-Test 

[ % vom Grenzwert ] 

λ-Sondenspannung 

200 

150 

100 

50 




0 

schnelle Sonde 

(neu) 

T 

Diagnosegrenzwert 

langsame Sonde 

(gealtert) 

Zeit 

0 2 4 6 8 10 12 14 

Periodendauer im Leerlauf [ s ] 

NOx 

CO 

HC 



Katalysatorüberwachung 

λ-Sonde 

vor 

Katalysator 

Katalysator 

λ-Sonde 

hinter 

Katalysator 




Auswertung 

Signalamplitude 

vor Katalysator 

Auswertung 

Signalamplitude 

hinter Katalysator 

A vor Kat . Auswertung 

Amplitudenverhältnis: 

A hinter Kat. 

A hinter Kat. 

AV = 

A vor Kat. 




Signalverläufe der λ-Sonden 

neuer Katalysator 

große 

Sauerstoffspeicherfähigkeit 

gealterter Katalysator 

geringe 

Sauerstoffspeicherfähigkeit 






Überwachung Katalysator 

O 2-Speicherfähigkeit [ µmol/g ] 

25 

20 

15 

10 

5 

0 

40 50 60 70 80 90 100 




HC-Konvertierung [ % ] 

Quelle: Degussa 



Tankleckdiagnose im Kraftstoffsystem im Leerlauf mit Unterdruckverfahren 

Motorsteuerung 

Tankentlüftungsventil 




Absperrventil 

Aktivkohlebehälter 

normaler Betriebszustand: Absperrventil 

offen, Tankentlüftungsventil offen 

Tankdrucksensor 




Tankdruckverlauf während der Diagnose des Tankentlüftungssystems 

Absperrventil 

Tankentlüftungsventil 

relativer 

Tankdruck 

[ hPa ] 

auf 

zu 

auf 

zu 

+1,0 

0,0 

-1,0 

-2,0 

-3,0 

-4,0 




Diagnosewert 

= 

∆p D - ∆p G 

T 1 

Zeit 

∆p G 

Grobleckerkennung, 

es darf 

keine Luft durch ein 

Leck nachströmen 

T 2 

∆p D 


Feinleckerkennung, es 

darf der Druck nur um 

den zuvor ermittelten 

Gradienten ansteigen 



Diagnosewert in Abhängigkeit vom Leckdurchmesser 

∆p D - ∆∆p G [ hPa ] 

2.0 

1.5 

1.0 

0.5 

0.0 

voller Tank 




0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 

Leckdurchmesser [ mm ] 




Erkennung von Verbrennungsaussetzern 


Drehzahlsensor 




M = W + J* dω ω / dt 

M: Motordrehmoment 

W: Lastmoment 

J: Massenträgheitsmoment 

ω: Winkelgeschwindigkeit 

Messung der Segmentzeiten T Seg. 

LU (n) = 

T Seg. 

Zyl. 1 Zyl. 3 Zyl. 4 Zyl. 2 

Zeit 

Auswertung Laufunruhewert: 

( T Seg.(n+1) - T Seg.(n) ) - KOR(n) 

3 

TSeg.(n) Folie 78 Dr. T. Form „VL Fahrzeugelektronik 1 V2.ppt“ 30.01.2012


Segmentzeiten und Laufunruhewerte bei einem Verbrennungsaussetzer 

Segmentzeit [ ms ] 

Laufunruhe [ 1/s 2 ] 


6.90 

6.85 

6.80 

6.75 

6.70 

400 

300 

200 

100 

0 

-100 

-200 




Aussetzer 

1 5 3 6 2 4 1 5 3 6 2 4 1 5 3 6 2 4 

n=3000 min -1 

Zylindersegment 6-Zyl.-Ottomotor, V H=2,8 l 



Erkennung von Verbrennungsaussetzern 

HC-Emission im FTP-Test 

[ % vom Grenzwert ] 

250 

200 

150 

100 

50 

6-Zyl.-Ottomotor, V H=2,8 l 




0 

Diagnosegrenzwert 

0 0.5 1 1.5 2 2.5 

Aussetzerrate [ % ] 



Antriebsstrang - Getriebe 

Übersicht Getriebebauarten 

Handschaltgetriebe 

kostengünstig, manuelle Steuerung = minimaler Komfort 

Wandler-Automatikgetriebe 

hohe Verluste durch hydraulischen Wandler, größter Schaltkomfort da minimale Zugkraftunterbrechung, üblich 4 – 6 Gänge, teuer 

Automatisierte Schaltgetriebe (ASG) 

kostengünstigste Realisierung eines Getriebeautomaten, unkomfortabel aufgrund Zugkraftunterbrechung 

Doppelkupplungsgetriebe (DKG) 

bester Wirkungsgrad, aufwändiger als ASG, Schaltkomfort nur über intelligente elektronische Steuerung (Gangvorwahl) 

Stufenlose Getriebe (CVT) 

aufwändig, optimale Anpassung an Motorbetriebspunkt durch freie Übersetzungswahl 

Marktanteil in % Handschalter Automat CVT 

(Quelle: Köpf ATZ 

2003) 




1990 2000 1990 2000 1990 2000 

Welt 58,1 53,0 41,6 45,8 0,3 1,2 

Nordamerika 14,5 15,3 85,5 84,7 0


Übersicht Aufgaben 

Aufgabe des Getriebes: 

• Anpassung von Drehzahl und Drehmoment des Motors an Antriebsbedarf (Geschwindigkeit, Beschleunigung) 

mit den Zielen Verbrauchsminimierung, Fahrdynamik, Bremsunterstützung 

entsprechend den Betriebskennlinien des Motors 

• Wahl von Vor-/Rückwärtsfahrt 

• Anfahrvorgang 

Drehmomentübertragung von Stillstand mit Leerlauf des Motors bis zu einem Betriebspunkt mit fester 

Kopplung von Motor und Antriebswelle 

Kennzeichen: 

• Übersetzungsverhältnis ca. 5 für Ottomotoren bzw. bis 6,5 für Dieselmotoren 

• Hohe Übersetzungsverhältnisse (Getriebespreizung) sind für günstigen Verbrauch gewünscht 

(Motorbetrieb bei niedrigen Drehzahlen), 

• Niedrige Stufung erwünscht für gute Beschleunigungswerte, verlangt größere Gangzahl bei Motoren mit 

ausgeprägten Drehmomentmaxima. Höhere Gangzahl ist aber wegen der Schaltzeiten nachteilig für die 

Beschleunigungswerte. 

• Vermeidung von Zugkrafteinbrüchen bzw. –unterbrechung aus Komfortgründen erwünscht 

Zugkraftverlauf im Schaltvorgang: 




Automat/DKG 

Handschalter/ 

ASG 



Übersicht 




Shift-by-wire: 

In das Getriebe integriertes Steuergerät in 

Hybridausführung im BMW-6-Gang-Automaten mit 

shift-by-wire Steuerung 

(Quelle: Hall, Bock 2001) 


Antriebsstrang – Getriebe 

CVT 

Das Getriebe im Antriebsstrang 

Normale Schalt- und Automatikgetriebe übersetzen die Motordrehzahl entsprechend der Zahl der verfügbaren Gänge (üblich 4-6 

bei Handschaltern, früher 3, jetzt 4-6 bei Automaten) auf den Achsantrieb. Der Motor folgt mit seinem Arbeitspunkt dem Fahrprofil, 

d.h. Drehmoment und Drehzahl stellen sich nach Fahrerwunsch, eingelegtem Gang sowie Geschwindigkeit und 

Widerstandsmoment an den Rädern ein. Der Motor wird daher nur selten in einem bezüglich Schadstoffemission oder 

Wirkungsgrad optimalen Arbeitspunkt betrieben, mittels des Getriebes kann man sich diesem bestenfalls in diskreten 

Schritten annähern. Die meisten Neuentwicklungen im Bereich der Motorsteuerung wie variable Ventilsteuerungen und die 

Füllungssteuerung versuchen diese Einschränkung mit Maßnahmen am Verbrennungsmotor zu kompensieren. 

Ein anderer Ansatz geht davon aus, den Motor möglichst in oder nahe einem optimalen Arbeitspunkt zu betreiben und die 

Drehzahlanpassung im Getriebe vorzunehmen., dafür muss ein Getriebe mit einer stufenlos steuerbaren Übersetzung (CVT – 

Continuous Variable Transmission) in den Antriebsstrang eingefügt werden. 

Das Antriebsstrangmanagement verlagert seinen Schwerpunkt zur Getriebesteuerung hin, prinzipiell kann damit die 

Motorsteuerung einfach gehalten werden, neu erforderlich ist aber eine Getriebesteuerung, die aus Last, Geschwindigkeit, 

Fahrerwunsch und Optimierungskriterium den geeigneten Betriebspunkt für den Motor und die passende Getriebeübersetzung 

einstellt. 

CVT Getriebe sind mechanisch äußerst anspruchsvoll und fristeten bisher ein Nischendasein in Kleinwagen (DAF). Seit Ende der 

90er Jahre haben sich aufgrund neuer Materialien, konstruktiver Ansätze und mit den Möglichkeiten leistungsfähiger 

elektronischer Steuerungen Perspektiven ergeben, die zu vielen Neuentwicklungen geführt haben. Eines der ersten Produkte ist 

die von Audi entwickelte Multitronic. 

Die Herausforderung bei CVT-Getrieben besteht in der Abdeckung hoher Drehmomente, dies betrifft im wesentlichen die 

mechanischen Elemente. Die Steuerung muss lernfähige Elemente enthalten, um die verschiedenen, teilweise widersprüchlichen 

Regelziele wie Schadstoffemission, Wirkungsgrad, Fahrdynamik und Komfort zu einem akzeptablen Fahrverhalten zu 

kombinieren. Wird die Steuerung auf minimalen Energieverbrauch optimiert, wird der Motor tendenziell in niedrigeren Drehzahlen 

mit höheren Lasten betrieben. Das Kühlsystem muss daher gegenüber üblichen Auslegungen anders dimensioniert werden. 

Ähnliches gilt für die Katalysatorabstimmung. 






CVT mit Riementrieb – Audi multitronic 




Die klassische Ausführung eines CVT-Getriebes besteht aus einem zwischen zwei 

konischen Antriebsscheiben laufenden Riemen, jetzt aus metallischen Gliedern 

(Schubgliederband). Das Übersetzungsverhältnis wird über den Abstand der 

Scheiben jeder Welle zueinander variiert, da der Riemen damit auf unterschiedlichen 

Radien läuft. 

Quelle: Audi AG 



CVT mit toroidalen Übertragungselementen 

Ein CVT-Getriebe mit dem Potential, auch hohe Drehmomente abzudecken, ersetzt den Riemen durch toroidförmige Laufräder. 

Diese Räder laufen zwischen zwei konkav gewölbten Scheiben, das Übersetzungsverhältnis wird über die Neigung der Räder 

eingestellt. Anders als beim Riementrieb stehen sich An- und Abtriebswelle gegenüber, die Neigung der Laufräder bestimmt den 

effektiven Radius, mit dem die Scheiben und damit die Wellen zueinander drehen. Um metallischen Kontakt der Räder und 

Scheiben zu vermeiden, werden spezielle Flüssigkeiten eingesetzt, die unter hohem Druck im elastohydrodynamischen 

Bereich hohe Kräfte übertragen können und gleichzeitig eine Schmierwirkung aufweisen. 

Vorteile des Toroidgetriebes sind vor allem die schlupffreie Kraftübertragung, eine hohe Leistungsdichte und schnelle 

Verstellbarkeit. Vor einer Serieneinführung sind Materialprobleme zu lösen, vornehmlich bei der Übertragungsflüssigkeit sowie den 

Scheibenmaterialien und ihrer Oberflächenbearbeitung. 




Quelle: Kluger, SAE 2002 



Doppelkupplungsgetriebe 

Das DKG setzt sich aus 2 Teilgetrieben zusammen, je eines für die 

geraden und ungeraden Gangzahlen. Jedes Teilgetriebe kann über 

eine ihm zugeordnete Kupplung den Kraftschluss zum Motor herstellen 

(Doppelkupplung). Die Umschaltung wird so gesteuert, dass sie ohne 

Zugkraftunterbrechung erfolgt. 

Für schnelles Schaltverhalten muss der nächste Gang möglichst vor 

Auslösen der Schaltung eingelegt werden. Dies ist nur mit einer 

Steuerung möglich, die möglichst intelligente Prognosealgorithmen 

enthält. Bei einer Fehlprognose oder einer Schaltung über 2 

Gangstufen ist eine Schaltverzögerung unvermeidlich. 

Quelle: Bartsch, ATZ 2003 






Aufbau Doppelkupplungsgetriebe 

Ausführungsart der 

Doppelkupplung: 

Nass (BorgWarner) 

im Ölbad laufende 

Lamellenkupplung 

Vorteil: 

Kühlung über Öl, dadurch 

Reserven für hohe 

Drehmomente 

Nachteil: 

Ölpumpenleistung (2kW) 

Trocken (LuK, ZF, Valeo) 

trockene Lamellenkupplung 

Vorteil: 

minimale Verluste 

Nachteil: 

dzt. Beschränkt auf kleinere 

Drehmomente 




Quelle: Bartsch, ATZ 2003 

038-01 



Aufbau einer Getriebesteuerung 

Sensoren 

• Programmwahl: Schalter, 

Hallsensoren 

• ggf. Gangschalter 

(Tiptronik): Schalter, 

Hallsensoren 

• CAN/Motorsteuerung: 

Drehzahl, Moment 

• CAN/ESP: Geschwindigkeit, 

Querbeschleunigung 

• ggf. getriebeinterne Größen: 

Temperatur, Hydraulikdruck, 

Position von 

Schaltelementen 




Elektronische Steuerung 

• Schaltprogramm 

• Adaptive Schaltpunktsteuerung 

• Überwachung von Hydraulik/Mechanik 

• Diagnose mit Fehlerspeicher 

Anzeige 

• CAN/Kombiinstrument: 

Programm/Gangstellung, 

Warnmeldungen 

Aktoren 

• Übersetzungssteuerung 

• Steuerung getriebeinterner 

Größen 

(Prinzipabhängig, s.u.) 

• Wählhebelsperre 

• CAN/Motorsteuerung: 

Drehmomentbeeinflussung 



Aktorprinzipien in den verschiedenen Getriebevarianten 

Stufen-Automatikgetriebe 

mit hydraulischem Wandler 

• Hauptdruckregelung: hydraulisches 

Druckregelventil 

• Gangwechselsteuerung: hydraulisches 

Schaltventil 

• Schaltdruckmodulator: hydraulisches 


• Regelung der Wandlerkupplung: hydraulisches 

Druckregel- oder Schaltventil 

• Rückwärtsgangsperre: hydraulisches 

Schaltventil 

• Shift-Lock (Wählhebelsperre): 

elektromagnetisch oder mechanisch 

(Bowdenzug) 




CVT-Getriebe 

• Übersetzungssteller: hydraulisches 


• Bandspannungssteuerung: hydraulisches 


• Steuerung Anfahrkupplung: hydraulisches 


• Rückwärtsgangsperre: hydraulisches 

Schaltventil 

• Shift-Lock (Wählhebelsperre): 

elektromagnetisch oder mechanisch 

(Bowdenzug) 

Automatisiertes Schaltgetriebe (ASG) 

• Gangwechselsteuerung: elektromotorisch 

• Kupplungsbetätigung: elektromotorisch 

•Shift-Lock (Wählhebelsperre): elektromagnetisch 

oder mechanisch (Bowdenzug) 

040-01 



Elektronische Steuerung im Allradantrieb 

Schlupfabhängige Steuerung der Kupplung zur Hinterachse, 

minimiert gegenüber permanentem Allradantrieb die Verluste im Antriebsstrang 

Quelle: Volkswagen

Antriebsstrang – Grundlagen Motorsteuerung - TU Braunschweig ...

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