Was ist eine ECU?

Die Verwendung des Begriffs ECU kann sich auf ein Motorsteuergerät beziehen, jedoch bezieht sich ECU auch auf eine elektronische Steuereinheit, die eine Komponente jedes mechatronischen Systems im Automobil ist, nicht nur für die Steuerung eines Motors.

In der Automobilindustrie bezieht sich der Begriff ECU oft auf eine Motorsteuereinheit (ECU) oder ein Motorsteuerungsmodul (ECM). Wenn diese Einheit sowohl einen Motor als auch ein Getriebe steuert, wird sie oft als Powertrain Control Module (PCM) bezeichnet.

Für die Zwecke dieses Artikels werden wir die ECU als Motorsteuergerät behandeln.

Was macht eine ECU?

Grundsätzlich steuert die Motor-ECU die Einspritzung des Kraftstoffs und bei Benzinmotoren den Zeitpunkt des Funkens, um ihn zu zünden. Es bestimmt die Position der Einbauten im Motor mithilfe eines Kurbelwellenpositionssensors, so dass die Einspritzdüsen und die Zündanlage genau zum richtigen Zeitpunkt aktiviert werden. Während dies nach etwas klingt, das mechanisch gemacht werden kann (und in der Vergangenheit auch gemacht wurde), steckt nun ein bisschen mehr dahinter.

Ein Verbrennungsmotor ist im Wesentlichen eine große Luftpumpe, die sich selbst mit Kraftstoff antreibt. Während die Luft angesaugt wird, muss genug Kraftstoff zur Verfügung gestellt werden, um die Leistung für den Betrieb des Motors zu erzeugen und gleichzeitig eine nützliche Menge übrig zu haben, um das Auto bei Bedarf anzutreiben. Diese Kombination aus Luft und Kraftstoff wird als „Gemisch“ bezeichnet. Zu viel Gemisch und der Motor gibt Vollgas, zu wenig und der Motor ist nicht in der Lage, sich selbst oder das Auto anzutreiben.

Nicht nur die Menge des Gemischs ist wichtig, sondern auch das Verhältnis dieses Gemischs muss richtig sein. Zu viel Kraftstoff – zu wenig Sauerstoff, und die Verbrennung ist schmutzig und verschwenderisch. Zu wenig Kraftstoff – zu viel Sauerstoff macht die Verbrennung langsam und schwach.

Früher wurde die Gemischmenge und das Mischungsverhältnis durch eine rein mechanische Dosiervorrichtung, den Vergaser, gesteuert, der kaum mehr als eine Ansammlung von Löchern mit festem Durchmesser (Düsen) war, durch die der Motor den Kraftstoff „ansaugte“. Mit den Anforderungen moderner Fahrzeuge, die sich auf Kraftstoffeffizienz und geringere Emissionen konzentrieren, muss das Gemisch strenger kontrolliert werden.

Der einzige Weg, diese strengen Anforderungen zu erfüllen, ist die Übergabe der Kontrolle über den Motor an eine ECU, die Engine Control Unit. Die ECU hat die Aufgabe, die Kraftstoffeinspritzung, die Zündung und die Nebenaggregate des Motors nicht mehr analog, sondern mit digital gespeicherten Gleichungen und numerischen Tabellen zu steuern.

Präzises Kraftstoffmanagement

Eine ECU muss sich mit vielen Variablen auseinandersetzen, wenn sie über das richtige Mischungsverhältnis entscheidet.

• Motorbedarf
• Motor-/Kühlmitteltemperatur
• Lufttemperatur
• Kraftstofftemperatur
• Kraftstoffqualität
• Schwankende Filterverschmutzung
• Luftdruck
• Pumpleistung des Motors

Dies erfordert eine Reihe von Sensoren, um solche Variablen zu messen und sie auf die Logik in der Programmierung der ECU anzuwenden, um zu bestimmen, wie sie korrekt kompensiert werden.

Eine Erhöhung des Motorbedarfs (z. B. beim Beschleunigen) erfordert eine Erhöhung der Gesamtgemischmenge. Aufgrund der Verbrennungseigenschaften der verwendeten Kraftstoffe erfordert dies auch eine Änderung des Verhältnisses dieses Gemischs. Wenn Sie das Gaspedal betätigen, öffnet sich die Drosselklappe, um mehr Luft in den Motor zu lassen. Die Zunahme des Luftstroms zum Motor wird vom Luftmassenmesser (MAF) gemessen, so dass die ECU die eingespritzte Kraftstoffmenge ändern kann, um das Mischungsverhältnis innerhalb der Grenzen zu halten.

Damit ist es nicht getan. Für beste Leistungswerte und eine sichere Verbrennung muss die ECU das Mischungsverhältnis ändern und bei Vollgas mehr Kraftstoff einspritzen als im Fahrbetrieb – dies wird als „fettes Gemisch“ bezeichnet. Umgekehrt würde eine Betankungsstrategie oder ein Fehler, der dazu führt, dass weniger als die normale Kraftstoffmenge eingespritzt wird, zu einem „mageren Gemisch“ führen.

Neben der Berechnung der Betankung auf Basis der Fahreranforderung spielt die Temperatur eine erhebliche Rolle in den verwendeten Gleichungen. Da Benzin als Flüssigkeit eingespritzt wird, muss es erst verdampfen, bevor es verbrannt wird. In einem heißen Motor ist dies leicht zu bewerkstelligen, aber in einem kalten Motor ist die Wahrscheinlichkeit geringer, dass die Flüssigkeit verdampft und es muss mehr Kraftstoff eingespritzt werden, um das Mischungsverhältnis im richtigen Bereich für die Verbrennung zu halten.

Flashback: Vor dem Einsatz der ECU wurde diese Funktion durch einen „Choke“ am Vergaser gesteuert. Diese Drossel war einfach eine Klappe, die den Luftstrom in den Vergaser einschränkte und den Unterdruck an den Düsen erhöhte, um mehr Kraftstofffluss zu fördern. Diese Methode war oft ungenau, problematisch und musste regelmäßig nachgestellt werden. Viele wurden vom Fahrer während der Fahrt manuell eingestellt.

Die Temperatur der Luft spielt für die Verbrennungsqualität ebenso eine Rolle wie der schwankende atmosphärische Druck.

Die Perfektionierung der Verbrennung

Da ein Automotor die meiste Zeit im Teillastbereich verbringt, konzentriert sich das Steuergerät in diesem Bereich auf maximale Effizienz. Das ideale Gemisch, bei dem der gesamte eingespritzte Kraftstoff verbrannt wird und der gesamte Sauerstoff bei dieser Verbrennung verbraucht wird, wird als „stöchiometrisch“ oder oft als „Lambda“ bezeichnet. Bei stöchiometrischen Bedingungen ist Lambda = 1,0.

Die Abgas-Sauerstoffsonde (Lambdasonde, O2-Sensor, Sauerstoffsensor oder HEGO) misst die nach der Verbrennung verbleibende Sauerstoffmenge. Dadurch erfährt der Motor, ob ein Überschuss an Luft im Mischungsverhältnis vorhanden ist – und natürlich, ob zu viel oder zu wenig Kraftstoff eingespritzt wird. Die ECU liest diese Messung und passt die eingespritzte Kraftstoffmenge ständig an, um das Gemisch so nahe wie möglich an Lambda = 1,0 zu halten. Dies wird als „Closed-Loop“-Betrieb bezeichnet und ist ein wichtiger Beitrag zur höheren Effizienz, die durch den Einsatz von Motorsteuergeräten erreicht wird.

Aufgrund der strengen Emissionsvorschriften gibt es viele andere Systeme an einem Motor, die dazu beitragen, den Kraftstoffverbrauch und/oder die Umweltbelastung zu reduzieren. Dazu gehören:

• Abgasrückführung (AGR)
• Katalysator und Selektive Katalytische Reduktion
• Abgaseinspritzreaktion (AIR)
• Dieselpartikelfilter (DPF)
• Kraftstoffschichtung
• Abgasadditiv-Einspritzung (z. B. AdBlue)
• Dampfemissionskontrolle (EVAP)
• Turbolader und Kompressoraufladung
• Hybrid-Antriebssysteme
• Variable Ventilsteuerung (z.B. VTEC oder MultiAir)
• Variable Ansaugsteuerung

Jedes der oben genannten Systeme beeinflusst den Motorbetrieb in irgendeiner Weise und muss daher vollständig vom Steuergerät gesteuert werden.

Wie funktioniert ein Steuergerät?

Ein Steuergerät wird oft als das „Gehirn“ des Motors bezeichnet. Es ist im Wesentlichen ein Computer, ein Schaltsystem und ein Energiemanagementsystem in einem sehr kleinen Gehäuse. Um auch nur auf einer grundlegenden Ebene zu funktionieren, muss es 4 verschiedene Arbeitsbereiche umfassen.

• Eingang
  Dies umfasst typischerweise Temperatur- und Drucksensoren, Ein-/Aus-Signale und Daten von anderen Modulen im Fahrzeug und ist die Art und Weise, wie ein Steuergerät die Informationen sammelt, die es benötigt, um Entscheidungen zu treffen.
• Ein Beispiel für einen Eingang wäre ein Kühlmitteltemperatursensor oder ein Gaspedalstellungssensor. Auch Anfragen des ABS-Moduls (Antiblockiersystem) können berücksichtigt werden, z.B. für die Anwendung der Traktionskontrolle.
• Verarbeitung

Nachdem die Daten vom Steuergerät gesammelt wurden, muss der Prozessor die Ausgangsspezifikationen bestimmen, wie z.B. die Impulsbreite der Einspritzdüsen, wie von der im Gerät gespeicherten Software vorgegeben.

• Der Prozessor liest nicht nur die Software aus, um die entsprechende Ausgabe zu bestimmen, sondern er zeichnet auch seine eigenen Informationen auf, wie z.B. gelernte Gemischeinstellungen und Kilometerstand.
• Ausgabe
  Das Steuergerät kann dann eine Aktion auf den Motor ausüben, so dass die richtige Menge an Energie zur Verfügung steht, um Aktoren präzise anzusteuern.
• Dazu kann die Steuerung der Impulsbreite von Kraftstoffeinspritzdüsen, das exakte Timing der Zündanlage, das Öffnen eines elektronischen Drosselklappengehäuses oder die Aktivierung eines Kühlerlüfters gehören.
• Power Management

Das Steuergerät hat viele interne Leistungsanforderungen, damit die Hunderte von internen Komponenten korrekt funktionieren. Damit viele Sensoren und Aktuatoren funktionieren, muss das Steuergerät außerdem die richtige Spannung an die Komponenten im Auto liefern. Das können nur 5 Volt für Sensoren oder über 200 Volt für die Schaltkreise der Einspritzdüsen sein.

• Nicht nur die Spannung muss stimmen, sondern einige Ausgänge müssen mehr als 30 Ampere verarbeiten, was natürlich eine Menge Wärme erzeugt. Das Wärmemanagement ist ein wichtiger Teil des Steuergeräte-Designs.

Grundlegende Steuergerätefunktion

Die erste Stufe des Steuergerätebetriebs ist tatsächlich das Powermanagement. Hier werden verschiedene Spannungen geregelt und das Einschalten des Steuergeräts gehandhabt. Die meisten Steuergeräte haben ein ausgeklügeltes Powermanagement aufgrund der Vielzahl von Komponenten im Inneren, die 1,8V, 2,6V, 3,3V, 5V, 30V und bis zu 250V genau regulieren – alles aus der 10-15V-Versorgung des Autos. Das Power-Management-System ermöglicht es dem Steuergerät auch, die volle Kontrolle darüber zu haben, wann es sich selbst abschaltet – also nicht unbedingt, wenn Sie den Zündschalter ausschalten.

Sobald die korrekten Spannungen geliefert werden, können die Mikroprozessoren beginnen zu booten. Dabei liest der Hauptmikroprozessor die Software aus dem Speicher und führt einen Selbsttest durch. Anschließend liest er Daten von den zahlreichen Sensoren am Motor und wandelt sie in nützliche Informationen um. Diese Informationen werden oft über den CANbus – das interne Computernetzwerk Ihres Autos – an andere elektronische Module übertragen.

Wenn der Hauptmikroprozessor diese Informationen interpretiert hat, bezieht er sich auf die numerischen Tabellen oder Formeln innerhalb der Software und aktiviert die Ausgänge nach Bedarf.

Beispiel. Zeigt der Kurbelwellenpositionssensor an, dass der Motor kurz davor ist, die maximale Kompression in einem der Zylinder zu erreichen, aktiviert er einen Transistor für die entsprechende Zündspule. Die oben erwähnte Formel und die Tabellen in der Software sorgen dafür, dass die Aktivierung dieses Transistors verzögert oder vorgezogen wird, basierend auf Drosselklappenposition, Kühlmitteltemperatur, Lufttemperatur, AGR-Öffnung, Gemischverhältnis und früheren Messungen, die eine fehlerhafte Verbrennung zeigen.

Der Betrieb des Hauptprozessors im Steuergerät und die Aktivierung vieler Ausgänge wird von einem Überwachungsmikroprozessor überwacht – im Wesentlichen ein zweiter Computer, der sicherstellt, dass der Hauptcomputer alles richtig macht. Wenn der überwachende Mikroprozessor mit irgendeinem Aspekt des Steuergeräts nicht zufrieden ist, hat er die Möglichkeit, das gesamte System zurückzusetzen oder es komplett abzuschalten. Der Einsatz des Überwachungsprozessors wurde mit der Anwendung der Drive-by-Wire-Drosselklappensteuerung aufgrund von Sicherheitsbedenken zwingend erforderlich, sollte der Hauptmikroprozessor einen Fehler entwickeln.

Diagnose eines Steuergeräts und der Peripheriegeräte

Die Komplexität der Implementierung all dieser Steuerungen, all dieser Eingänge und all dieser Ausgänge erfordert relativ fortschrittliche Selbstdiagnosefähigkeiten – die traditionelle Motordiagnose wird obsolet. Die Ein- und Ausgänge eines Steuergeräts werden einzeln vom Prozessor überwacht, oft Dutzende Male pro Sekunde, um sicherzustellen, dass sie innerhalb der in der Software festgelegten Toleranzen liegen. Wenn ein Sensormesswert für einen bestimmten Zeitraum außerhalb dieser Toleranzen liegt, wird ein Fehler registriert und ein Fehlercode gespeichert, der vom Techniker abgerufen werden kann.

Fehlercodes

Wenn ein Fehlercode im Speicher abgelegt wird, führt dies in der Regel dazu, dass ein Teil der Logik innerhalb der Software umgangen wird, was zu einer verminderten Motorleistung führt, obwohl der Motor immer noch in der Lage ist, auf einem Grundniveau zu funktionieren. Unter Umständen entdeckt die Selbstdiagnose-Routine einen schwerwiegenden Fehler, der entweder den Motor grundsätzlich am Laufen hindert oder den Motor im Interesse der Sicherheit abschaltet.

Bei modernen Motorsteuerungen besteht der erste Schritt der Fehlerdiagnose für einen Fahrzeugtechniker darin, auf Fehlercodes aus dem Speicher des Steuergeräts zuzugreifen. Diese sind oft als 5-stellige alphanumerische Codes gespeichert, die mit einem P, B, C oder einem U beginnen, gefolgt von 4 Zahlen. Details zu diesen Codes und deren Beschreibungen finden Sie hier: OBDII-Fehlercodes

Zusätzlich zu diesen Codes kann der Techniker auch Live-Sensordaten über das Diagnosewerkzeug ansehen, während das Fahrzeug läuft. Dies ermöglicht es ihm, einen Sensorwert zu sehen, der falsch ist, aber nicht so weit außerhalb der Toleranz liegt, dass ein Fehlercode ausgelöst wird.

Elektronische Drosselklappensteuerung

Viele Leute stellen die Notwendigkeit der Drive-by-Wire Drosselklappensteuerung in Frage. Sie wurde in den 90er Jahren eingeführt und ist heute in fast jedem Motor eingebaut, aber was sind die Vorteile gegenüber einem traditionellen Kabel?

Bis in die 80er Jahre wurde die Gaspedalsteuerung meist mit einem Kabel vom Pedal zum Vergaser gesteuert. Die Leerlaufdrehzahl wurde durch einfaches Verstellen einer Schraube eingestellt, um die Drosselklappe leicht geöffnet zu halten, bis der Motor im Leerlauf richtig lief. Diese einfache Methode erforderte ein regelmäßiges Einstellen der Leerlaufdrehzahl und war anfällig für Abweichungen, wenn ein Motor kalt war oder wenn verschiedene Teile verschlissen waren.

In den 1980er Jahren, mit der allgemeinen Einführung von Steuergeräten, wurden elektronische Leerlaufregelklappen eingeführt, die viele dieser Probleme lösten, allerdings steuerte das Steuergerät nun einen Teil des Luftstroms und dennoch blieben alle anderen Komponenten erhalten.

Mit der fortschreitenden Effizienz des Motorbetriebs und der Effizienz in der Fahrzeugmontage wurde die elektronische Drosselklappensteuerung eingeführt. Dies beschleunigte die Herstellung eines Autos (keine steifen Drosselklappenkabel, die durch die Brandmauer verlaufen), es entfernte die Notwendigkeit eines Leerlaufluftkontrollventils und es erlaubte der Motor-ECU zusätzliche Kontrolle über den Motor für eine verbesserte AGR-Funktion, eine verbesserte Kontrolle über die Motorabschaltung und einen verbesserten Start.

Ein wichtiger Vorteil der elektronischen Drosselklappensteuerung ist, dass die ECU den Drosselklappenwinkel während der Beschleunigung anpassen kann, um den tatsächlichen Luftstrom durch den Motor zu ergänzen. Dies verbessert die Geschwindigkeit, mit der die Luft durch den Ansaugtrakt strömt und sorgt für einen Zuwachs an Drehmoment und Fahrverhalten. Dies wird als Drehmoment-Mapping bezeichnet und ist nur mit der elektronischen Drosselklappensteuerung möglich.

Anpassungen

Moderne Fahrzeuge werden mit viel engeren Toleranzen als in der Vergangenheit gebaut, sind aber immer noch anfällig für Fertigungsschwankungen, mechanischen Verschleiß und Umweltaspekte. Als solche sind sie in der Lage, sich an allmähliche Veränderungen im Betrieb des Motors anzupassen.

Beispiel. Wenn ein Luftfilter durch Staub verstopft wird, kann die ECU den Motor mit einer leicht reduzierten Kraftstoffeinspritzmenge starten, um dies zu kompensieren. Dadurch kann der Motor vom Start weg mit maximaler Effizienz arbeiten, anstatt mit der Werkseinstellung zu starten und bei jeder Fahrt auf das optimale Gemisch hinzuarbeiten. Dazu speichert er die Lambda-Werte früherer Fahrten.

Diese Anpassungen gelten nicht nur für verstopfte Luftfilter, sondern für viele Systeme an einem Motor oder Getriebe. Wenn Komponenten in hydraulischen Systemen verschleißen, müssen sie den Zeitpunkt der Magnetbetätigung ändern, um dies zu kompensieren. In ähnlicher Weise verschlechtert sich die Fähigkeit einer Luftpumpe, wenn der Motor durchgehend verschleißt, und der Öffnungswinkel der Drosselklappe muss geändert werden, um die korrekte Leerlaufdrehzahl beizubehalten.

Die Zeitlinie der ECU

1970er Jahre

ECUs begannen damit, einfach ein paar Solenoide an Vergasern zu steuern, damit diese effektiver funktionieren. Einige begannen mit der Steuerung des Gemischs im Leerlauf.

1980er Jahre

Mit der Einführung der Kraftstoffeinspritzung übernahm das Steuergerät eine neue Rolle, indem es vollständig für das Kraftstoff- und Zündmanagement von Benzinmotoren verantwortlich war.

Die Lambda-Regelung im geschlossenen Regelkreis wurde bald mit einbezogen und das Steuergerät begann schnell eine neue Ära der Motoreffizienz.

1990er Jahre

Das Steuergerät kümmerte sich nun um die Fahrzeugsicherheit. Es begann auch, in Dieselmotoren eingesetzt zu werden, was nicht unwesentlich zum Erfolg des Turbodieselmotors in den nächsten Jahrzehnten beitrug.

2000er Jahre

Die Einführung der Drive-by-Wire-Drosselklappensteuerung, der Turboladersteuerung und zahlreicher Emissionssysteme – alles unter der strengen Kontrolle des Steuergeräts.

2010er Jahre und darüber hinaus

Das Steuergerät hat nun die volle Kontrolle über die Verbrennung des Gemischs, die Öffnung der Drosselklappe, das Kühlsystem und die Emissionssysteme. Es kann mehr als hundert Ein- und Ausgänge haben und ist Teil eines Netzwerks von Dutzenden anderer elektronischer Steuergeräte im Fahrzeug. Hybridsysteme sind auf die Kommunikation mit dem Steuergerät angewiesen, um zu funktionieren, während Fahrassistenzfunktionen kommunizieren, um bei Bedarf die Kontrolle über die Motoranforderung zu übernehmen.