Sensoren der Motorsteuerung - Einführung

An dieser Stelle soll eine kurze, leicht verständliche Einführung über typische Sensoren zum Motormanagement gegeben werden. Die Informationen können nur allgemein gehalten sein und gehen nicht auf Hersteller-Spezifika ein. Alles natürlich ohne jegliche Gewähr. Anregungen, Korrekturen etc. sind willkommen.

Zur Zeit sind hier Lambdasonde, Luftmassenmesser und Temperatur-Sensoren aufgenommen. Weitere sollen folgen.


Die Lambda-Sonde, hier auch O2-Sensor genannt

Der O2-Sensor kann als kleine Batterie betrachtet werden, die im Bereich von 0 bis 1 Volt arbeitet, wenn sie auf ihre Betriebstemperatur von 315 Grad Celsius oder 600 Grad Farenheit aufgewärmt ist. Ihre Spannung hängt von dem Sauerstoff-Anteil im Abgasstrom ab.

O2-Sensor Schnitt

Alle O2-Sensoren sind zur Atmosphäre offen, die ungefähr 21 Prozent Sauerstoff (O2) enthält. Das Abgas eines benzingetriebenen Motors enthält bis zu 2 Prozent Sauerstoff. Die Ausgangsspannung des Sensors hängt vom Sauerstoffanteil im Abgasstrom ab. Das heißt, wenn das Abgas 2 Prozent Sauerstoff enthält, ist es mager. Dies erzeugt eine niedrige Spannung unterhalb von 0,3 Volt (300 Millivolt). Wenn das Abgas fast 0 Prozent Sauerstoff hat, ist es fett. Dies erzeugt eine hohe Spannung über 0,6 Volt (600 Millivolt). Diese Spannungen werden zum Computer geschickt und dieser reagiert darauf mit einer Justierung des Luft-/Benzin-Verhältnisses. Man bezeichnet das als O2-geregeltes System und wenn das System arbeitet, sagt man, es befindet sich in einem geschlossen Loop (Kreislauf). Wenn es nicht arbeitet, das heißt, der Computer liest keine Daten und reagiert nicht auf den O2-Sensor, sagt man, es befindet sich in einem offenen Loop (Kreislauf).

O2-Sensor

Bedenken Sie, daß der Computer alle Sensoren verwendet, um Zündzeitpunkt, Gemisch und Emissions-Systeme zu kontrollieren. Der O2-Sensor wird als Eingangsgröße vom Computer benutzt, um das Gemisch soweit wie möglich in der Balanze zu halten. Wenn das Luft-/Benzin-Verhältnis in der "Balanze" ist, besteht es aus 14,7 Gewichtsteilen Luft zu 1 Gewichtsteil Benzin (Lambda = 1). Das heißt, jedes Kilogramm Benzin, das der Motor verbrennt, braucht 14,7 Kilogramm Luft. Bedenken Sie, daß Sauerstoff nur 21 Prozent des gesamten Luftvolumens ist, das der Motor braucht. Der Begriff "stöchiometrisch" bezeichnet auch den Punkt, an dem der Katalysator seine maximale Effizienz bei der Umwandlung der drei wichtigsten Schadstoffe (CO, HC, NOX) in die harmloseren Emissionen (CO2, H2O, N, H) entwickelt.

Die Schaltung einer Breitbandsonde:

Schaltung

Die untenstehende Tabelle zeigt die Lambdafaktoren mit den korrelierenden Gemischverhältnissen verschiedener Kraftstoffe der heute hauptsächlich verwendeten Breitband-Sonde.

VoltLambafaktorBenzinLPGMethanolDiesel
1,40 0,686 10,08 10,63 4,39 9,94
1,45 0,696 10,23 10,79 4,45 10,09
1,50 0,706 10,38 10,94 4,52 10,24
1,55 0,716 10,53 11,10 4,58 10,39
1,60 0,727 10,69 11,27 4,65 10,54
1,65 0,739 10,86 11,45 4,73 10,71
1,70 0,750 11,03 11,63 4,80 10,88
1,75 0,762 11,20 11,81 4,88 11,05
1,80 0,774 11,38 12,00 4,95 11,23
1,85 0,787 11,57 12,20 5,04 11,41
1,90 0,800 11,76 12,40 5,12 11,60
1,95 0,814 11,96 12,61 5,21 11,80
2,00 0,828 12,17 12,83 5,30 12,00
2,05 0,842 12,38 13,05 5,39 12,21
2,10 0,857 12,60 13,29 5,49 12,43
2,15 0,873 12,83 13,53 5,59 12,66
2,20 0,889 13,07 13,78 5,69 12,89
2,25 0,905 13,31 14,03 5,79 13,13
2,30 0,923 13,57 14,31 5,91 13,39
2,35 0,941 13,84 14,59 6,03 13,65
2,40 0,960 14,11 14,88 6,14 13,92
2,45 0,980 14,40 15,18 6,27 14,20
2,50 1,000 14,70 15,50 6,40 14,50
2,55 1,037 15,25 16,08 6,64 15,04
2,60 1,078 15,84 16,70 6,90 15,62
2,65 1,121 16,48 17,38 7,17 16,26
2,70 1,169 17,18 18,11 7,48 16,95
2,75 1,220 17,93 18,91 7,81 17,69
2,80 1,276 18,76 19,78 8,17 18,50
2,85 1,337 19,66 20,73 8,56 19,39
2,90 1,405 20,66 21,78 8,99 20,38
  ...
4,00 freie Luft

 


Diagramm

Das obenstehende Diagramm zeigt den sehr scharfen Arbeitspunkt des O2-Sensors um das stöchiometrische Optimum in Abhängigheit seiner Spannung. Es ist nicht gewünscht, daß die Motorelektronik dieses Optimum immer einhält. Beim Beschleunigen muß ein fettes Gemisch eingestellt werden, während hingegen ein zu lange und zu mager eingestelltes Gemisch den Motor beschädigen kann. Das Zusammenspiel der dazu erforderlichen weiteren Sensoren liefert Daten, die mit im Steuergerät im Speicher hinterlegten Tabellen verglichen werden und das Motorsteuerprogramm veranlassen entsprechende Steuer-Maßnahmen zu treffen. Grafische Darstellungen solcher Tabellen zeigen die beiden Bilder unten. Diese Tabellen sind Angriffspunkt der Chip-Tuner.


Zündverstellung Anreicherung

Der Computer kann die Ausgangsdaten des O2-Sensors nur unter bestimmten Bedingungen nutzen.
Erstens muß der Sensor heiß sein (315 Grad Celsius, 600 Grad Fahrenheit), um ein normales Signal zu erzeugen. Deshalb haben heutige Sensoren meist eine eingebaute Heizung, um den kühlenden Effekten bei langem Motorleerlauf entgegen zu wirken und um schneller den geschlossenen Loop bei der Aufwärmphase zu erreichen. Die Beheizung hält außerdem den Sensor sauber und verlängert seine Lebensdauer merklich. Die Heizung wird gewöhnlich von einer mit Zündung-Ein gekoppelten Spannungsquelle gespeist, wie das Relais der Benzinpumpe. Diese Sensoren haben also 2, 3 oder 4 Anschlußdrähte. Bei 4 Drähten sind es O2-Sensor-Ausgang, O2-Sensor-Masse, 12-Volt-Heizung-Plus und 12-Volt-Heizung-Minus. Bei drei Anschlüssen wird die O2-Sensor-Masse vom Gehäuse übernommen.

Zweitens ist der Computer so programmiert, daß er nicht in den geschlossenen Loop geht, solange der Kühlwasser-Temperatur-Sensor nicht meldet, daß der Motor warm ist. Wenn das System zu früh in den geschlossenen Loop geht, bewirkt der Abmagerungseffekt des Systems Fahrstörungen und erhöhten Schadstoffausstoß.

Drittens ist der Computer auch so programmiert, daß er den O2-Sensor bei fast voll geöffneter Drosselklappe ignoriert. Maximale Leistung erfordert ein Maximum an Anreicherung.

Einige Hersteller benutzen auch ein Zeitverzögerungsglied. So gibt es z.B. bei einigen GM Modellen eine Zeitverzögerung von 1 bis 2 Minuten vor dem Erreichen des geschlossenen Loops bei jedem Motorstart. Damit wird dem Motor Zeit zur Stabilisierung gegeben, bevor er in den geschlossen Loop geht.

Um den O2-Sensor auszulesen, senden die meisten Computer eine bestimmte Spannung an das Ausgangskabel des Sensors. Diese liegt typisch bei 450 Millivolt. Da wir nun wissen, daß der Sensor bei Magerbedingungen eine niedrige Spannung (unter 300 Millivolt) und bei Fettbedingungen eine hohe Spannung (über 600 Millivolt) sendet, kann der Computer die Zeit zählen, bei der der Sensor die Marke von 450 Millivolt kreuzt. Kreuzzählungen sind die Anzahl der Zeiten, an denen der Sensor 450 Millivolt kreuzt. Ein Scanner, wie der Vehikel Erkunder, kann dies anzeigen.


Kraftstoffeinspritz-Strategie
Zur Kompensation von Abweichungen des Einspritzsystems verursacht durch Verschleiß und Alterung werden Einspritz-Trimmtabellen benutzt. Wenn während des Betriebs im geschlossenen Regelkreis (Closed Loop) das Einspritzsystem in Richtung Fett oder Mager driftet, steuern die Einspritz-Trimmtabellen bei der Berechnung der Einspritzmenge dem entgegen. Dieses System besteht aus 2 Tabellen, dem Kurzzeit-Einspritztrimm und dem Langzeit-Einspritztrimm.

Kurzzeit-Einspritztrimm wird von einem Scantool als SHRTFT (Short Term Fuel Trim) üblicherweise in Prozent angezeigt und vom Steuergerät anhand der Lambdawerte berechnet. Ein negativer Wert bedeutet, daß die Lambdasonde zu fettes Gemisch detektiert und das Steuergerät dem entgegen wirkt. Idealerweise soll der Wert bei 0% liegen, kann aber zwischen -25% und +35% arbeiten.

Langzeit-Einspritztrimm wird ebenfalls von einem Scantool in Prozent angezeigt (LONGFT = Long Term Fuel Trim). Diese Tabelle sorgt ebenfalls zur Einhaltung des Ideal-Gemischverhältnisses von 14,7:1. Der Arbeitsbereich geht von -35% bis +35% und soll bei 0% liegen, aber Abweichungen bis +/- 20% sind akzeptabel. LONGFT-Tabellen entstehen, wenn die Abweichung bei SHRTFT über einen längeren Zeitraum bleibt. Bei der Übernahme der SHRTFT-Werte in die LONGFT-Werte werden die SHRTFT-Werte dann zu Null und im KARAM (Schreib-/Lesespeicher) des Steuergeräts gespeichert. Das Steuergerät ist somit "lernfähig" und paßt die Einspritztabellen in Abhängigkeit von Fahrzeug-Geschwindigkeit und -Last laufend dem Zustand des Gesamtsystems an. Werden die oberen oder unteren Grenzen beider Trimmtabellen erreicht, wird im Steuergerät ein Fehlercode gesetzt und die MIL Lampe leuchtet.

Bei einigen Steuergeräten wird die Langzeit-Einspritztrimm-Tabelle nicht beim Löschen eines Fehlercodes mit einem Scantool mit gelöscht. Beim Austausch von Einspritzventilen oder dem Kraftstoff-Druckregler muß daher durch Abklemmen der Fahrzeugbatterie der KARAM gelöscht werden, damit sich die Tabelle neu aufbaut


Selbst wenn Sie die Anzahl der Kreuzzählungen nicht ohne einen Scanner sehen können, können Sie mit einem Digital-Voltmeter den offenen/geschlossenen Loop-Zustand des Systems beobachten. Schließen Sie das Voltmeter nach obigen Schema an, während der O2-Sensor angeschlossen bleibt und der Motor läuft.

Achtung: Schliessen Sie nicht die Ausgangsleitung des Sensors gegen Masse kurz. Dies kann den Sensor zerstören und die Auslesung verfälschen.

Wenn der Motor startet (kalt), sollten Sie etwa 0,450 Volt (450 Millivolt) am Ausgang des O2-Sensors auslesen. Dieser Wert kann leicht variieren. Das System ist nun im offenen Loop.

Nach ein paar Minuten (weniger, wenn der O2-Sensor geheizt ist) sollte der Wert anfangen zu wandern. Sie sollten Werte zwischen fast 0 Volt und fast 1 Volt sehen. Wenn Sie dies sehen, ist alles in Ordnung. Die Ausgangswerte des O2-Sensors ändern sich relativ schnell. Ein langsamer O2-Sensor mit sich langsam ändernden Werten kann so festgestellt werden. Wenn die Werte nicht anfangen zu wandern (Verbleib im offenen Loop), kann die Fehlersuche beginnen, wie z.B. Suche nach gebrochenen Kabeln, fehlerhafte Steckverbindung etc. Erst im schlimmsten Fall ist der O2-Sensor tatsächlich defekt.

Schema

Permanente Überwachungen der O2-Sensoren durch OBD-2/EOBD

  • Signalbereich durch Plausibilitätsprüfung der Sondenspannung
  • Heizleistung durch Messung von Strom und Spannung am Heizwiderstand
  • dynamisches Verhalten durch Messung der Regelfrequenz
  • andere emissionsbeeinflussende Parameter durch Erkennung der Kennlinienveränderung durch überlagerten Regelkreis

Beispiele für Einbauorte und -Bezeichnungen

Einbauorte Einbauorte Einbauorte Einbauorte

 



Luftmassenmesser (LMM) oder engl. Mass-Air-Flow (MAF)

Der Luftmassenmesser, im folgenden LMM genannt, besteht aus zwei Widerstandsdrähten (Sensoren), die in einer Venturi-Düse im Beipaß vom Luftstrom der vom Motor angesaugten Luft beaufschlagt werden. Davon wird das eine Sensor-Element beheizt auf eine Temperatur von 200 Grad Celsius oberhalb der vom kalten Sensor-Element gemessenen Umgebungstemperatur. Das heiße Sensor-Element wird von der vorbeistreichenden Luft abgekühlt. Der Strom, der benötigt wird, um die Temperatur des heißen Sensor-Elements auf 200 Grad Celsius zu halten, ist proportional der Masse der Luftmenge. Der LMM sendet ein analoges Voltsignal an den Motorcomputer, proportional der Einlaßluft-Masse. Der Motorcomputer berechnet daraus die erforderliche Öffnungszeit der Einspritzdüsen entsprechend dem gewünschten Benzin-/Luft-Verhältnis.

LMM

Störungen, die auf den LMM zurückgeführt werden, können zum einen aus Störungen des Anschlußkabels (Kabelbruch, Kurzschluß, Steckerkontakt etc.) resultieren, zum anderen auch vom LMM selbst.

Schnitt LMM

 

LMM Diagramm

LMM Durchfluß (gm/sec) Sensor-Ausgang (Volt)
0 0,2
2 0,7
4 1,0
8 1,5
15 2,0
30 2,5
50 3,0
80 3,5
110 4,0
150 4,5
175 4,8

Bevor man den LMM ersetzt, kann versucht werden, den LMM zu reparieren. Aber VORSICHT: Die beiden Sensor-Elemente bestehen aus hauchfeinem Draht, die keinerlei harte Berührungen vertragen. Eine Reparatur beschränkt sich daher auf das vorsichtige Reinigen evtl. verschmutzter Sensor-Elemente.

Wie sollte man vorgehen? Das untere Bild zeigt einen typischen Einbauplatz des LMM zwischen dem Luftfilter und dem Drosselklappengehäuse im Ansaugschlauch.

LMM Einbauort

Entfernen Sie den Anschlußstecker und schrauben Sie vorsichtig den Sensor vom Gehäuse ab. Sie sehen dann, wie im unteren Bild gezeigt, die beiden Sensor-Elemente.

LMM Kabelvergleich

Vermeiden Sie die Verwendung von Reinigungsmitteln (Solvent), die Rückstände hinterlassen. Bewährt haben sich Reinigungssprays für Elektronikteile oder Azeton. Falls Sie mit Spray keinen Erfolg haben, können Sie äußerst vorsichtig ein getränktes Q-Tip zum Säubern verwenden. Aber ACHTUNG: Wenn ein Drähtchen dabei reißt, war es das dann. Der LMM ist hinüber. Unten sehen Sie das Sensor-Element vergrößert.

LMM Element

Verbiegen Sie bei der Prozedur nicht die Anschlüsse der Elemente, da die Elemente sonst nicht mehr im definierten Luftstrom liegen. Nach Trocknung des LMM bauen Sie ihn wieder vorsichtig ein, ohne mit den Elementen irgendwo anzustoßen.

Andere LMM-Typen können sich durch zeitgesteuertes Erhitzen (Abbrennen) selbsttätig reinigen.


Temperatur-Sensoren (Kühlwasser, Einlaßluft)

Temperatur-Sensoren haben in etwa die gleiche Charakteristik.

Temp.-Sensor

 

Temperatur
(Grad F)
Temperatur
(Grad C)
Sensor-Ausgang
(Volt)
248 120 0,25
212 100 0,46
176 80 0,84
150 66 1,34
140 60 1,55
104 40 2,27
86 30 2,60
68 20 2,93
32 0 3,59
-4 -20 4,24
-40 -40 4,90

Sensorendaten über OBD-2

Welche Sensorendaten über die OBD-2 Schnittstelle ausgelesen werden können, ist vom Fahrzeug-Hersteller und -Modell abhängig. Ein unvollständiges Beispiel zeigt die untenstehende Liste im Auszug. Die übertragende Datenrate ist von einer Reihe von Faktoren abhängig, wie OBD-2 Protokoll, Interface, Auslesegerät (PC/Laptop) usw. Sie liegt etwa zwischen 3 und 30 Hz.

Fahrzeug Kühlwasser-
Temperatur
kurzzeitkorr.
Einspritzung
langzeitkorr.
Einspritzung
Kraftstoff-
Druck
Lade-Druck Umdrehungen Geschwindigkeit Ansaugluft-
Temperatur
Luftmasse Lambda-
Test
Fiat Stilo
1.2 16V 77kW
1 1 1 0 1 1 1 1 0 1
Volvo S80
2.4L 2001
1 1 1 0 0 1 1 1 1 1
Renault Megane
Coupe 2.0 IDE
1 1 1 0 1 1 1 1 0 0
Fiat Seicento
2000
1 1 1 0 1 1 1 1 0 0
Daewoo
Tacuma
1 1 1 0 1 1 1 1 0 0
Nissan
Primera
1 1 1 0 0 1 1 1 1 0
Cookies erleichtern die Bereitstellung unserer Dienste. Mit der Nutzung unserer Dienste erklären Sie sich damit einverstanden, dass wir Cookies verwenden.
Weitere Informationen Ok