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Sensoren
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.
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.
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).
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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:
Die untenstehende Tabelle zeigt die Lambdafaktoren mit den
korrelierenden Gemischverhältnissen verschiedener Kraftstoffe der heute
hauptsächlich verwendeten Breitband-Sonde.
Volt | Lambafaktor | Benzin | LPG | Methanol | Diesel |
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 |
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Das
nebenstehende 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. |
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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.
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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.
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
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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. |
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. |
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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 |
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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.
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.
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.
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.
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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 |
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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 |
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