Motorsteuerung

Eine Motorsteuerung, technisch realisiert als Motorsteuergerät (englisch Engine Control Unit (ECU)), ist eine für einen bestimmten Motortyp entwickelte Elektrik, Elektronik und Software, welche die Steuerung, Regelung und Überwachung von Motorfunktionen übernimmt. In der Regel sind hier die Verbrennungsmotoren gemeint, nicht die Elektromotoren (Elektroantrieb), welche über dafür geeignetes Steuergerät gesteuert werden. Strahltriebwerke aus der Luftfahrt haben ebenfalls eigene Steuergeräte, siehe z. B. das FADEC. Das resultierende elektronische Gerät zur Steuerung und Kontrolle eines Motors wird abgekürzt auch als ein Steuergerät für Motoren bezeichnet. Motorsteuergeräte für Otto- oder Dieselmotoren existieren seit vielen Jahrzehnten. Seit den 2020er Jahren gibt es einzelne Geräte von Herstellern wie Bosch, die beide Motortypen steuern können.

Motorsteuergeräte haben verschiedene Funktionsumfänge. Sie steuern im Allgemeinen den Zündzeitpunkt und regeln Einspritzmenge und -zeitpunkt. Dazu nutzen sie unter anderem Informationen bzw. Daten über Temperaturen, Drehzahl, Last und Sauerstoffgehalt im Abgas, die von Sensoren (Sensorik) gemessen werden und an das Motorsteuergerät kommuniziert werden. Das Gerät verarbeitet die Daten und regelt über Aktoren (Aktorik) die Maschine.

Die Entwicklung und das Testen (V&V) der Echtzeit- bzw. eingebetteten Systeme findet als Teil der Automobilelektronik statt. Da die Geräte häufig in großer Stückzahl produziert und in der Automobilproduktion verbaut werden, müssen sie technischen und wirtschaftlichen Anforderungen genügen. In der Regel sind sie nicht vom Benutzer konfigurierbar, es gibt jedoch einzelne Motorsteuergeräte (auch zum Prototyping), die programmierbar sind. Die Hersteller dieser Geräte sind in der Regel Automobilzulieferer oder Erstausrüster (OEMs). Letztere behalten sich somit die Kernkompetenz im Bereich des Fahrzeug- oder Motorenbaus vor und überlassen die Elektronikentwicklung einem anderen Unternehmen. Dies entspricht dem Prinzip der Zulieferpyramide.

Die Manipulation der Motorsteuergeräte findet umgangssprachlich als „Chiptuning“ statt, jedoch gehen derartige Eingriffe mit Fragen der Zulassung und Garantie einher. Siehe auch Betriebserlaubnis und Versicherungsschutz.

Entwicklungsgeschichte

Frühe Motorsteuerungen waren Analogrechner, die eine elektrische Kraftstoffeinspritzung realisierten. Das erste in Serienwagen eingebaute Gerät war 1957 der Bendix Electrojector, der sich aber nicht bewährte. Bendix verkaufte das System an Bosch, die es zur ersten Generation der Jetronic-Reihe weiterentwickelten. Die Jetronic-D wurde ab 1967 in Serienfahrzeugen eingebaut, etwa den VW Typ 3. Parallel dazu begann etwa ab den 1980er Jahren die Entwicklung der Dieselmotorsteuergeräte, die unter der Bezeichnung Electronic Diesel Control (EDC) von Bosch zunächst für Personenkraftwagen (Pkw) und später auch für Nutzfahrzeuge (Nfz) und andere Industriemotoren auf den Markt kamen.

Motorsteuergeräte seit den 1990er Jahren basieren ausschließlich auf Mikrocontrollern, siehe das Bild von dem geöffneten Motorsteuergerät. Von Bosch wurde damals die elektronisch-gesteuerte Monomotronic eingeführt. Auch Systeme mit mehreren Mikrocontrollern sind üblich, um gewissen Anforderungen an die Sicherheit zu erfüllen bzw. gewährleisten. Aus den Entwicklungen der Motorsteuergeräte gingen teilweise vereinheitlichte Gerätegenerationen hervor, die Otto- und Dieselmotoren sowie verschiedene Kraftstoffe unterstützten.

Seit den 2020er Jahren werden einzelne Steuergeräte auch als „Fahrzeugcomputer“ bezeichnet. Sie ähneln modernen Computern in ihrer Hardware-Software-Architektur und ihren Fähigkeiten, welche für z. B. autonome Fahreigenschaften benötigt werden. Zu den neuen Design-Methoden in der Automobilelektronik zählen z. B. die Software-definierten Fahrzeuge.

Die Steuerung der in Hybrid- und batterieelektrischen Fahrzeugen verbauten Elektromotoren findet als Teil der Leistungselektronik mittels Stromrichtertechnik statt.

Abgrenzung

Der Begriff Motorsteuerung wird vor allem im Zusammenhang mit den Verbrennungsmotoren wie dem Ottomotor verwendet. Dabei tragen die Geräte des Herstellers Bosch den Markennamen Motronic, einem Gerät der Jetronic-Reihe.^[1] Die Motorsteuerung für Dieselmotoren von Bosch wird unter Electronic Diesel Control (EDC) beschrieben.

Es existieren jedoch tausende Motorsteuergeräte für eine Vielzahl von unterschiedlichen Motoren (genauer: Antriebe) für unterschiedliche Zwecke und Systeme wie Autos, Schiffe, Luftfahrtantriebe, Raketenantriebe, Industriemaschinen usw.

Fahrzeuge mit Hybridantrieb haben meist je eine Steuerung für den Verbrennungsmotor und eine Steuerung für die elektrische Maschine. Elektrofahrzeuge verfügen über eigene Steuergeräte für den elektrischen Antrieb und ein Steuergerät als Teil des Batteriemanagementsystems (BMS). Hier spielen andere elektrische und elektronische Anforderungen eine Rolle, die im Rahmen der Leistungselektronik und durch den Einsatz von Stromrichtern gelöst werden.

Fluggeräte jeglicher Art, die mit Kolbenmotoren oder Strahltriebwerken ausgestattet sind, werden ebenfalls über ein zentrales Gerät gesteuert, welches im Rahmen der Luft- und Raumfahrttechnik (Avionik) entwickelt, erprobt oder getestet und hergestellt wird.

Bei großen Verbrennungsmotoren (Großmotoren, meist Dieselgroßmotoren) können darüber hinaus auch mehrere Steuergeräte nach dem Master-Slave Prinzip eingesetzt werden. Hierbei wird der erheblich größeren Anzahl an Sensoren und Aktoren Rechnung getragen (zum Beispiel für Einspritz- und Zündsystem pro Zylinder aber auch Luft- und Lambdasensoren bei mehrflutigen Systemen). Aufgrund leistungsfähigerer Motorsteuergeräte und anderer Rahmenbedingungen sind derartige verteilte Systeme jedoch nicht häufig.

Funktionsübersicht

Das Motorsteuergerät ist eines der wichtigsten Steuergeräte eines Kraftfahrzeuges (Personen- oder Nutzkraftwagen). Es übernimmt die notwendigen Berechnungen zum Betrieb des Verbrennungsmotors, welcher für den Antrieb des Fahrzeugs benötigt wird.

Kernfunktionen

Kraftstoffeinspritzung: Die Kraftstoffeinspritzung stellt unter Berücksichtigung hinterlegter Verbrauchskennfelder die richtige Kraftstoffmenge zum richtigen Zeitpunkt sicher. Die Berechnung benötigt unter anderem die Gaspedalstellung, die Drehzahl, den Kurbelwellenwinkel, die verfügbare Verbrennungsluft und das Signal der Lambdasonde. Die Lambdaregelung soll ein passendes Verhältnis von Kraftstoff und Luft einstellen, um den 3-Wege-Katalysator optimal betreiben zu können.
Ansteuerung der Drosselklappe: Der frühere Bowdenzug ist heute durch das elektronische Gaspedal (E-Gas), ersetzt, vgl. auch Drive-by-Wire-Konzept. Über einen Winkelgeber kann die Drosselklappenstellung an die Motorsteuerung zurückgemeldet werden.
Zündung: Die in einem separaten Artikel beschriebene Zündung entflammt das Luft-/Kraftstoffgemisch.
Ladedruckregelung: Wird der Motor mit einem Turbolader aufgeladen, so muss der Ladedruck geregelt werden. Dazu misst die Motorsteuerung den Ladedruck und öffnet bei Bedarf ein Ventil (Wastegate).
Regelung der Leerlaufdrehzahl: Die Leerlaufdrehzahlregelung passt die Luft- und Kraftstoffmenge so an, dass eine konstante Drehzahl gehalten wird.

Weitere Funktionen

Eigendiagnose des Motorsteuergerät
On-Board-Diagnose (OBD) für emissions-beeinflussende Bauteile (zum Beispiel Einspritzventile, Lambdasonden, Katalysatoren, Partikelfilter)
Elektronisch abgeregelte Höchstgeschwindigkeit
Nockenwellenverstellung (kann bei komplexen Systemen über ein eigenes Steuergerät erfolgen)
Abgasrückführregelung
Katalysator-Heizung
Generatorerregung
Zusammenspiel mit Klimaanlage, Kupplung des Klimakompressors
Zusammenspiel mit Bedarfen der Servolenkung (hydraulische Servolenkungspumpe über Riemen, elektromechanische Servolenkung über Generator)
Lüftersteuerung
Tankentlüftung
Motor- und Bauteilschutz

Signalverarbeitung

Bei modernen Verbrennungsmotoren werden mit dem Motorsteuergerät die Verbrennungsabläufe im Motor so gesteuert und kontrolliert, dass das gewünschte Motorverhalten erreicht wird. In Abhängigkeit vom Anwendungsbereich müssen unterschiedliche Anforderungen vom Motorsteuergerät erfüllt werden. Zum Beispiel die Erreichung des optimalen Wirkungsgrades bei Stationärmotoren (z. B. in einem Blockheizkraftwerk), größtmögliche Motorausfallsicherheit bei Flugmotoren oder Einhaltung der gültigen Abgasnorm im Automobilbereich (siehe auch: Lambdaregelung). Hierzu muss das Motorsteuergerät synchron zum innermotorischen Prozess alle Stellsignale berechnen und ausgeben. Das gilt besonders für die Luftmasse im Zylinder, die Kraftstoffeinspritzung und die Steuerung des Zündzeitpunkts bis zur Regeneration/Reinigung der Abgasanlage. Motorsteuergeräte können über 200 Anschlüsse (analoge und digitale I/O-Schnittstellen) aufweisen.

Eingangssignale (Sensorik)

Typische Eingangssignale der Motorsteuerung sind:

Kurbelwellensensor und Nockenwellensensor für die Synchronisation von Verbrennungsmotor und Motorsteuergerät
Luftdrucksensor, Luftmassensensor und Elektrische Drosselklappe für die Berechnung der Ladeluftmasse
Ladedruck bei Aufladung (Turbolader)
Zündzeitpunkt (bei fremdgezündeten Verbrennungsmotoren)
Lambdasonde für das Gemischverhältnis und die katalytische Abgasreinigung sowie die Abgasrückführung
Variabler Ventiltrieb die Öffnungs- und Schließ(kurbelwellen)winkel der Ein- und Auslassventile
Klopfsensor
Barometrischer Umgebungs-Luftdruck
Kraftstoffdrucksignal
Temperatur der angesaugten Luft
Temperatur der Motorkühlflüssigkeit
Temperatur und Druck des Motoröls

Weitere Eingangssignale werden durch den Fahrer erzeugt, zum Beispiel:

Gaspedalwinkel/-weg (Fahrpedalweg)
Kupplungspedal-Schalter
Bremssignal-Schalter
Fahrgeschwindigkeits-Regelungssystem (Tempomat)

Ausgangssignale (Aktorik)

Typische Ausgangssignale der Motorsteuerung sind:

Ansteuerung der Einspritzventile
Aktivierung der Zündung
Ansteuerung des Drosselklappenstellers
Ansteuerung des Abgasrückführungsventils
Ansteuerung des Turboladers (Wastegate oder Variable-Turbinengeometrie-Lader)
Nockenwellenverstellung
Kraftstoffpumpe

Elektronische Motorsteuerung

Ein Motorsteuergerät ist ein elektronisches Gerät, das Eingangssignale aufnimmt, verarbeitet und als Ausgangssignale weitergibt. Es übernimmt die vollständige Messung, Steuerung und Regelung eines Verbrennungsmotors.

Moderne Motorsteuerungen werden mit Mikrocontrollern, wie zum Beispiel dem Infineon TriCore, realisiert. Sie können in Echtzeit die benötigten Berechnungen genügend schnell und genau anstellen. Der Mikrocontroller hat Zugriff auf internen oder externen Speicher (RAM, ROM und Flash-Speicher). Das heißt, diese Geräte verfügen über computer- und softwarebasierte Fähigkeiten, die ältere elektrisch-mechanische Einspritzsysteme wie z. B. der ersten Jetronic-Reihe nicht hatten. Sie sind aus den ersten Systemen hervorgegangen und haben sich zu vollelektronischen Systemen (Steuergeräten) weiterentwickelt.

Bei Personenkraftwagen spielen aufgrund der hohen Stückzahlen technische und wirtschaftliche Anforderungen bei der Wahl der Elektronik des Motorsteuergeräts eine Rolle. Halbleiterbauelemente wie ASICs oder FPGAs sind in diesem Umfeld selten zu finden, da der Entwicklungs- und Testaufwand derartiger Bausteine die üblichen Time-to-Market-Zyklen übersteigt. Dafür kommen diese Geräte bei anderen Geräten wie Kampfflugzeugen oder Mehrzweckkampfflugzeugen zum Einsatz. Im Einzelfall werden sie auch bei Steuergeräten wie dem Infotainmentsystem verwendet.

Eine Besonderheit von Motorsteuergeräten ist, dass die darauf zyklisch ablaufenden Programme nicht alle zu festen Zeitintervallen ablaufen, sondern einige auch synchron zur Motordrehzahl, bzw. zur Kurbelwellenposition, zum Beispiel zur Berechnung des Zündzeitpunkts. Die Software basiert damit auf einem Echtzeitbetriebssystem (RTOS).

Charakteristisch für einen Motorsteuerungscomputer ist die integrierte Schnittstelle für analoge und digitale Eingangssignale von Sensoren und Ausgangssignale für Aktoren. Für die On-Board-Diagnose (OBD) im Automobilbereich gibt es eine separate, vorgeschriebene und genormte Schnittstelle (K-Leitung), um mit geeigneten Geräten die Fehlerspeicher auslesen zu können. Das Motorsteuergerät ist über den CAN-Bus oft mit weiteren Steuergeräten, wie zum Beispiel Getriebesteuerung, Antiblockiersystem (ABS), Elektronischem Stabilitätsprogramm (ESP), Kombiinstrument und Klimaanlage im Fahrzeug vernetzt. In stationären Anwendungen (Maschinen oder Anlagen) läuft die Vernetzung über einen Feldbus und SPS-Steuerungen.

Motorsteuergeräte sind im Automobilbereich oftmals nicht Steuerungen, sondern Regelungen, das heißt, sie haben geschlossene Regelkreise, weil der mit einem Sensor gemessene Ist-Zustand mit einem berechneten Soll-Zustand verglichen wird (Rückkopplung) und über einen Aktuator dann die Abweichung im geschlossenen Regelkreis minimiert wird. Man bezeichnet die Software in der Motorsteuerung auch als elektronisches Motormanagement. Bei stationären Anwendungen (z. B. in einem Blockheizkraftwerk) können Regelkreise, die nicht synchron zur Kurbelwelle arbeiten auch außerhalb der Motorsteuerung liegen.

Das Motorsteuergerät ist im Fahrzeug zumeist an geschützter Stelle an der Motorspritzwand bzw. oftmals zum Innenraum eingebaut (unter dem Armaturenbrett). Ein Motorsteuergerät gehört (nach Austauschmotor und -getriebe) meist zu den teuersten Ersatzteilen eines Autos. Dies liegt vor allem daran, dass das Motorsteuergerät unter schwierigen Betriebsbedingungen, wie zum Beispiel ein sehr großer Temperaturbereich, Vibrationen vom Motor und Erschütterungen durch den Straßenzustand sowie Über- und Unterspannung, einwandfrei funktionieren soll. Es kann oft auch im Austausch geliefert oder repariert werden.

Siehe auch

Chiptuning
Key-Word-Protokoll 1281
MegaSquirt – frei programmierbare Motorsteuerung
Unified Diagnostic Services

Literatur

A. Philippovich: Chemisch-physikalische Grundlagen der Verwendung von Erdöl und seinen Produkten. Springer Vienna, Vienna 1960, ISBN 978-3-7091-7897-3, doi:10.1007/978-3-7091-7896-6 (englisch).
Charles F. Taylor: Internal Combustion Engine in Theory and Practice: Combustion, Fuels, Materials, Design. 2nd (Revised) Auflage. The MIT Press, 1985, ISBN 978-0-262-31103-8, doi:10.7551/mitpress/3851.001.0001 (englisch).
Ronald K. Jurgen (Hrsg.): Electronic Engine Control Technologies (= Automotive Electronics Series. PT-73). Society of Automotive Engineers, Warrendale, PA 1998, ISBN 978-0-7680-0322-2 (englisch, archive.org).
VAG: Electronic Power Control: Design and Function (= Self-Study Programme 210). Volkswagen AG, 1999 (volkspage.net [PDF]).
Konrad Reif (Hrsg.): Grundlagen Motorentechnik und Motorsteuerung (= Automobilelektronik lernen). Springer Vieweg, Wiesbaden 2013, ISBN 978-3-658-00075-2 (springer.com).
Lars Eriksson, Lars Nielsen: Modeling and Control of Engines and Drivelines (= Automotive Series). John Wiley & Sons, Chichester, West Sussex, United Kingdom 2014, ISBN 978-1-118-47999-5, doi:10.1002/9781118536186 (englisch).
Konrad Reif, Robert Bosch GmbH (Hrsg.): Motorsteuerung lernen (Sammelordner). Springer Vieweg, Wiesbaden 2015, ISBN 978-3-658-06780-9 (springer.com).
Jerald A. Caton: An Introduction to Thermodynamic Cycle Simulations for Internal Combustion Engines. Wiley, Chichester, West Sussex 2016, ISBN 978-1-119-03756-9 (englisch, wiley.com).
Konrad Reif (Hrsg.): Gasoline Engine Management: Systems and Components. Springer Fachmedien Wiesbaden, Wiesbaden 2015, ISBN 978-3-658-03963-9, doi:10.1007/978-3-658-03964-6 (englisch).
Günter P. Merker, Rüdiger Teichmann (Hrsg.): Grundlagen Verbrennungsmotoren: Funktionsweise und alternative Antriebssysteme Verbrennung, Messtechnik und Simulation. 9. Auflage. Springer Fachmedien Wiesbaden, Wiesbaden 2019, ISBN 978-3-658-23556-7, doi:10.1007/978-3-658-23557-4.
Kai Borgeest: Elektronik in der Fahrzeugtechnik: Hardware, Software, Systeme und Projektmanagement. Springer Fachmedien Wiesbaden, Wiesbaden 2021, ISBN 978-3-658-23663-2, doi:10.1007/978-3-658-23664-9.
Robert Bosch GmbH (Hrsg.): Kraftfahrtechnisches Taschenbuch. 30. Auflage. Springer Fachmedien Wiesbaden, Wiesbaden 2024, ISBN 978-3-658-44233-0, doi:10.1007/978-3-658-44233-0.

Weblinks

Commons: Engine control unit – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Einzelnachweise

↑ Auskunft zur Marke Motronic im Register des Deutschen Patent- und Markenamtes (DPMA)

[1] Auskunft zur Marke Motronic im Register des Deutschen Patent- und Markenamtes (DPMA)

[1]