Motorsteuerung

Motorsteuerung

Übersetzt von U. Hailer a.k.a. MucCowboy, keine Gewähr.

PCM-Basiswissen

Dieses Kapitel soll in die Funktionsweise des Motorsteuergerätes (PCM - Powertrain Control Module, oder ECU - Engine Control Unit) einführen, um bei Entscheidungen zum Tuning zu unterstützen und deren Einflüsse auf die Motorregelung zu verstehen. Die exakten Abläufe der Motorregelung sind hier stark verkürzt und vereinfacht dargestellt.

Die beschriebenen Einheiten sind dem Ford Focus Zetec entnommen, treffen also nicht in jedem Fall auf den Mondeo MK4 mit Benzinmotor und nur eingeschränkt auf Dieselmotoren zu. Auch sind Änderungen verbunden mit der Einführung der elektronischen Drosselklappe nicht berücksichtigt.

Das PCM arbeitet wie jeder Computer mit Eingangs- und Ausgangsdaten. Es nimmt Informationen über die Eingänge entgegen, sieht in seinem Speicher nach was damit geschehen soll, und sendet dann Befehle an seine Ausgänge, um die daran angeschlossenen Einheiten zu steuern.

Hier eine Auflistung der wichtigsten Eingangs- und Ausgangssignale und eine Beschreibung, was diese bewirken.

EINGÄNGE

Mass Airflow Sensor (MAF)

Dies ist der wichtigste Sensor des gesamten Systems. Wenn das PCM nicht erfährt, wieviel Luft zum Motor strömt, ist es nahezu unmöglich, die Ausgänge korrekt zu steuern. Der MAF ist ein Heißdrahtsensor. Mit Hilfe eines Chips namens Wheatstone Bridge misst der MAF den elektrischen Widerstand des erhitzten Drahtes im Ansaugluftstrom. Dieser Draht ändert seinen Widerstand wenn sich seine Temperatur ändert, und diese Temperatur hängt von der Strömungsgeschwindigkeit der vorbeiströmenden Luft ab, die den erhitzten Draht kühlt. Als Ergebnis dieser wissenschaftlichen Verkettung gibt der MAF ein Spannungssignal aus, dessen Wert zwischen 0 und 5 Volt der ermittelten Luftmenge entspricht, die eingeströmt ist. Andere MAF-Modelle geben Impulssignale aus mit 0 bis 1024 Impulsen pro Sekunde.

Inlet Air Temperature (IAT)

(auch Air Charge Temperature -ACT) Die Temperatur der angesaugten Luft ist wichtig, weil sie den Zeitpunpt der Selbstzündung des Benzin-/Luft-Gemisches verändert. Allgemein gesagt wird der Zündzeitpunkt abhängig von der Ansaugtemperatur angepasst. Auch wird die Ansaugtemperatur benutzt, um zusammen mit dem MAF die Luftdichte zu ermitteln und die Temperaturdifferenz, die zur Luftstromkühlung des Hitzdrahtes im MAF wirkt. In vielen modernen Motoren befindet sich der IAT-Sensor im MAF.

Crankshaft Position Sensor (CPS)

Dies ist ein Hall-Effekt-Sensor, der einen magnetischen Impuls aus dem Zahnkranzmuster des Schwungrades an der Kurbelwelle aufnimmt. Für Hall-Sensoren wird üblicherweise einer der ansonsten gleichmäßig verteilten Zähne weggelassen. Diese Position signalisiert den oberen Totpunkt des 1. Zylinders oder einen anderen bekannten Punkt der Motorumdrehung. Das PCM benutzt dieses Signal, um zu erkennen, in welcher Stellung in Grad sich die Kurbelwelle befindet.

Throttle Position Sensor (TPS)

Dieser Sensor befindet sich direkt an der Drosselklappe und verwendet ein Potentiometer, dessen Wert sich mit Öffnen und Schließen der Klappe ändert. Mit Automatikgetriebe wird dieser Wert für die Schaltlogik benutzt, sodass das PCM weiß, wann es das Getriebe anweisen soll, anhand der Anforderung durch den Fahrer die Gänge hoch- oder herunterzuschalten. In allen Motoren wird TPS benutzt, den Übergang zwischen Open Loop und Closed Loop zu steuern, wie auch den Übergang zwischen Leerlauf und teilgeöffneter Drosselklappe. Ausgabewerte erfolgen in Volt, aber auch in Impulse oder Impulse relativ zur geschlossenen Position.

Fuel Rail Delta Pressure Sensor (FRDP)

Der Treibstoffdruck ist wichtig, da die Einspritzventile auf einen Druck von 40 psi eingestellt sind. Das PCM hat Korrekturtabellen für abweichenden Treibstoffdruck, sodass auch bei abweichendem Druck der optimale Motorlauf beibehalten werden kann. Das Signal enthält "Delta", da die Druckdifferenz zwischen dem Ansaugkopf und dem Einspritzrohr benötigt wird. Herrschen im Ansaugbereich 20 inHg (Leerlauf), werden nur 30 psi Treibstoffdruck benötigt. Wenn der Ansaugbereich auf 5 inHg (Volllast) fällt, sind 37 psi Treibstoffdruck gefordert. Dasselbe Konzept wird bei aufgeladenen Fahrzeugen verwendet. Bei 10 psi Ladedruck werden 50 psi Kraftstoffdruck benötigt. Aufgeladene Motoren haben hier ein Problem, weil der Sensor nicht im Verhältnis zum atmosphärischen Druck misst. Deshalb werden hier 50 psi als Festwert vorgegeben.

Coolant Temperature Sensor (ECT)

Die Betriebstemperatur des Motors beeinflusst das Klopfverhalten der Verbrennung, weshalb das PCM diese Temperatur erfahren muss. Ebenfalls wird dieser Wert zum Ansteuern der Motorlüfter verwendet. Die Kühlmitteltemperatur beeinflusst auch die Kaltstartfunktionen, einschließlich des ersten Closed Loop-Übergangs. Frühere ECT-Sensoren im Kühlwasserkreislauf werden häufig durch Sensoren abgelöst, welche die Temperator des Metalls im Zylinderkopf erfassen (CHT - Cylinder Head Temperature Sensor). Wo erforderlich, benutzt das PCM eine Umsetzungsfunktion, um auf die Kühlmitteltemperatur zu schließen.

Oxygen Sensor (HO2S - Heated O₂ Sensor)

(auch: Lamdasonde) Dieser Sensor liefert ein Spannungssignal, das dem Sauerstoffanteil im Abgas entspricht, aufgrund dessen das PCM das Mischungsverhältnis von angesaugter Luft und Kraftstoff beeinflussen kann. Über OBD2 können Kraftstoffkorrekturen (STFT und LTFT, short / long time fuel trim) ausgelesen werden, die auf Ausgabewerte dieses Sensors schließen lassen. Im Closed Loop zeigt STFT den aktuellen Treibstoff-Flusswert an. Im Open Loop wird dieser Sensor nicht benutzt, sodass STFT nur den Wert der Basis-Treibstofftabelle wiedergibt.

Im Closed Loop ist STFT gegenläufig zu Lamda. Ein Wert über 1.0 (Volt) bedeutet, dass der Sensor auf "fett" erkennt, über 1.0 auf "mager". In Ford-Benzinmotoren werden Schmalband-Sensoren eingesetzt. Diese liefern nur im näheren Bereich um Lamda 1.0 exakte Werte. Tuning-Maßnahmen verändern den Closed Loop-Bereich des MAF über STFT. Hierbei sollte die automatische Lernfunktion des PCM deaktiviert werden, sodass LTFT nicht beachtet werden muss. Belässt man diese Funktion aus, sollte das Tuning sehr sorgfältig erfolgen (gute Lamdawerte schwanken um 5%, also zwischen 0,95 und 1,05).

Knock Sensor (KS)

Dies ist die "große Unbekannte" für viele Selfmade-Tuner. Der Sensor besteht im Wesentlichen aus einem piezo-elektzrischen Mikrofon. Er liefert dem PCM ein Wechselstromsignal, welches dieses verarbeitet und nach "Tönen" eines bestimmten Frequenzbereiches sucht. Fehlzündungen erzeugen einen charakteristischen Ton.

Battery Voltage

Dieser Wert ist bedeutend, da einige der Ein-/Ausgabefunktionen von schwankender Spannung der Batterie bzw. des Generators beeinflusst werden.

AUSGABEN

Einspritzventile

Manchmal werden Einspritzventile mit einem Wert von Liter pro Stunde angegeben. Dies ist irreführend, da Einspritzventile komplexer definiert werden als nur mit der dauerhaften Menge an Durchfuss. Einspritzventile haben einen Unterwert, Brechpunkt und Oberwert, die alle im PCM hinterlegt sind. Hieraus errechnet es, für wie lange es die Ventile den Befehl zur Öffnung geben soll (Pulsbreite).

Zündspule

Die Zündspule der Motoren beruht auf dem Wasted Spark-Prinzip. Die Spule erzeugt Zündimpulse für die Zylinder 1 und 4 bzw. 2 und 3 jeweils gleichzeitig. Deshalb kann man die Nockenwellen nicht um 180 Grad verdreht einbauen. Eine der drei Anschlusskabel der Zündspule liefert die Versorgung (12 Volt), die anderen beiden sind geschaltete Masseleitungen, die die Zündimpulse für 1+4 bzw. 2+3 generieren.

Fuel Pump Driver Module (FPDM)

Dieses Modul hat den Benzindruckregler. Das PCM signalisiert dem FPDM, mit wieviel die Benzinpumpe zu betreiben ist, um den verlangten Benzindruck zu erzeugen (und damit den gewünschten Einspritzdruck in den Einspritzventilen). Hierbei arbeitet das FPDM mit dem Fuel Rail Delta Pressure Sensor zusammen, um den Druck auf 40 psi zu halten.

Leerlaufregelventil (Idle Air Control Valve - IAC)

Dieses Ventil regelt die Menge an Ansaugluft, die den Motor bei geschlossener Drosselklappe erreicht. Wenn das PCM ermittelt, dass das Ventil nicht korrekt arbeitet, steuert es den Leerlauf durch Beeinflussung des Zündzeitpunktes (Vorzündung).

Diese Angaben machen die Bedeutung der diversen Kommunikationen für ein Tuning deutlich. Wenden wir uns nun dem Programm und Speicherinhalt des PCM zu, das dies alles verarbeitet. Hier einige Tabellen und Berechnungen, die das PCM verwendet, damit der Motor optimal läuft.

MAF Transfer Function (MTF)

Dies ist der herausragende Ansatzpunkt jeden Tunings. Wenn das MAF nicht korrekt abgebildet wird, wird jede Tuningmaßnahme vom PCM zunichte gemacht. Die Tabelle für diese Maßnahme besteht aus einer Liste aus MAF-Voltwerten oder Impulsen, aus der die Luftmenge in Gramm pro Minute zum entsprechenden MAF-Spannungssignal hervorgeht. Das PCM erkennt mit dieser Funktion, wieviel Treibstoff benötigt wird.

Wird also nun beispielsweise der Durchmesser des MAF-Gehäuses und damit die Menge durchströmender Luft verändert, stimmt die MFT nicht mehr. Ein größeres MAF-Gehäuse ohne Anpassung dieser Daten führt zu magerem Motorlauf. In Open Loop-Phasen wird die Lamdasonde nicht benutzt, sodass dieser Magerlauf nicht durch Fuel Trims ausgeglichen werden kann.

Der MAF ist durch alle Änderungen des Luftstroms sehr direkt betroffen. Bei jeder Veränderung im Ansaug- oder Abgasbereich, muss MTF entsprechend angepasst werden. Dagegen haben solche Veränderungen nur geringe Tuning-Wirklung gegenüber Modifikationen der Nockenwellen oder Zylinderköpfe. Diese machen aber eine grundlegende MTF-Anpassung unumgänglich.

Load Efficiency / Volumetric Efficiency

Die Motorlast (load) wird über den MAF und die Drehzahl im Verhältnis zum Volllastbetrieb des Motors ermittelt. Wenn der Lastwert von 0,8 erreicht wird, liefert die Maschine 80% seiner maximalen Leistung. Das MTF ist für einen kirrekten Lastwert absolut kritisch. Nachdem fast alle sonstigen Tabellen den Lastwert auf der Y-Achse verwenden, muss MTF unbedingt korrekt gesetzt sein, damit ein stimmiger Lastwert ermittelt wird.

Base Fuel Table

In der Open Loop-Phase entnimmt das PCM das zu erzielende Benzin-Luft-Gemisch aus der Base Fuel Table. Dies ist ein weiterer Grund, warum die MTF korrekt sein muss. Denn dieser beeinflusst die zu verwendende Benzinmenge zur Erzielung der in der Base Fuel Table geforderten Mischung in Abhängigkeit von der aus der MTF abgelesenen Luftmenge. Änderungen an dieser Tabelle bedingen deshalb entsprechende Anpassungen in der MTF-Tabelle.

Fuel Open Loop TP

Diese Tabelle steuert den Open Loop-Übergang. Ein größeres Drosselklappengehäuse muss sich in Anpassung dieser Tabelle niederschlagen, da deutlich mehr Luft bei niedrigerem TPS-Wert einströmt. Für Optimierungen muss sichergestellt sein, dass sich die Steuerung bei Volllast nicht noch im Closed Loop befindet.

Viele Tuner setzen diese Tabelle in allen Einträgen pauschal auf 500 Zähler und halten dies für eine kluge Entscheidung. Dies ist jedoch alles andere als optimal, insbesondere bei sportlicher Fahrweise oder typischem Fahrzeugeinsatz in bergigem Gelände.

Spark Tables

Das EEC-V hat drei Tabellen: Borderline Knock Table (BKT), Max Allowed Table, und Minimum Spark For Best Torque table (MBT). BKT sollte den Zündzeitpunkt in Relation zum Klopfzeitpunkt bei 21 °C (70 °F) ACT und 93 °C (200 °F) ECT enthalten. MBT enthält die Zündzeitpunkte für maximales Drehmoment unabhängig vom Motorklopfen. Die Max Allowed Table enthält normierte Werte für den normalen Motorbetrieb. Hinzu kommen aktuelle Korrekturwerte von ACT, ECT, Benzin-Luft-Mischungsverhältnis, plötzlichem Lastwechsel und weiteren Faktoren. Das PCM verwendet den niedrigsten der folgenden drei Werte: 1) BKT nach Einrechnung aller Korrekturwerte, 2) MBT nach Einrechnung der Korrekturwerte von ECT, Abgasdaten und Benzin-Luft-Gemisch, 3) Max Allowed.