Einlasssysteme 1.4 TSI & 2.0 TSI

[TL1000R]

Bei Ansaugsystemen ohne LMM/MAF sollte man vorsichtig sein mit Veränderungen des Ansaugtracktes.


Die Strategien

Nach diesen grundlegenden Erklärungen zur Treibstoff-Förderung muss betrachtet werden, wie das Steuergerät
die richtigen Öffnungszeiten oder Duty Cycles berechnet, um den zum gewünschten Benzin/Luft-Verhältnis
benötigten Benzindurchfluss zu erhalten.
Für die Treibstoffflusskontrolle kommen drei Strategien zur Anwendung: alpha-N, Speed Density und Mass Air.
Alpha-N ist das einfachste Verfahren, aber im Teillastbereich und bei Lastwechsel ungenügend genau. Es wird
deshalb nur in Rennfahrzeugen verwendet, in Passagierfahrzeugen nur im Notlaufprogramm. Speed Density und
Mass Air können sehr viel exakter sein, auch über eine breitere Spanne von Betriebsbedingungen, aber ihre Genauigkeit
hängt sehr von der Programmqualität der volumanabhängigen Effektivitätsberechnung (Speed Density)
oder der Genauigkeit des Luftmassenmessers (Mass Air) ab.


Alpha-N

Hierbei stelt "alpha" wür den Öffnungswinkel der Drosselklappe und "N" für die Umdrehungszahl des Motors.
Das Steuergerät benötigt nur den Eingang des Drosselklappen-Positionssensors (TPS) und eines Umdrehungssignal,
z.B. des Kurbelwellen-Positionssensors oder eines Zündverteilers. Die Treibstoffkontrolle setzt Luftdurchfluss,
Stellwinkel und Umdrehungszahl in ein einfaches Verhältnis. So wird angenommen, dass bei größerem
Öffnungswinkel und/oder höherer Drehzahl mehr Luft in den Motor strömt, weshalb mehr Treibstoff für ein
gleichbleibendes Gemisch benötigt wird. Somit kann die Benzinkontrolle des EEC aus einer simplen Tabelle von
Pulsbreiten für jeden Wert von alpha und N bestehen. Dies funktioniert für Rennmotoren gut, wo die Drosselklappe
zumeist ganz geschlossen oder geöffnet ist (WOT - wide open throttle), selten jedoch in einer Zwischenstellung.
In den Zwischenwerten und Übergängen ist alpha-N zu ungenau, da der Luftdurchfluss von mehr Faktoren
abhängt wie der Drosselklappe und der Motorumdrehung. So funktioniert alpha-N nicht gut mit Turboladern,
da das Steuergerät nicht erfährt, ob die Luft in den Motor gepresst wird und mit welchem Druck.
Ein anderer Nachteil für alpha-N ist der langwierige Prozess, für jede Umdrehungszahl sowie für jeden Öffnungswinkel
die richtige PW-Zahl zu ermitteln. Wird nachträglich ein Teil des Motors geändert (z.B. ein anderer
Luftfilter oder andere Einspritzdüsen), muss die PW-Tabelle neu aufgebaut werden.

Speed Density

SD-Syteme gehen hier deutlich weiter. Nun wird zusätzlich der tatsächliche Unterdruck im Ansaugbereich mit
dem Manifold Absolut Pressure-Sensor (MAP) gemessen, ebenso wie die Inlet Air Temperature (IAT, in älteren
Systemen auch Air Charge Temperature - ACT - genannt). Nun enthält die Programmierung des Steuergerätes
eine Tabelle der gewünschten Mischungsverhältnisse, die Durchflussraten der Düsen, einen Hubraum-Faktor
(cubic inch displacement - CID), eine Tabelle der Volumeneffizienz (volumetric efficiency - VE), und ein
Programm zur fortlaufenden Berechnung des Ansaug-Luftflusses, des erforderlichen Benzinflusses (für das
gewünschte Mischungsverhältnis aus der Tabelle), und schließlich der richtigen Pulsbreite für die Einspritzdüsen.
SD arbeitet folgendermaßen: Zunächst liest das Steuergerät MAP und IAT aus. Mit Hilfe physikalischer Gesetze
zum idealen Gas kann es die Dichte der aktuell angesaugten Luft errechnen ("density" aus SD). Über RPM und
MAP sucht das Steuergerät den passenden Wert aus der VE-Tabelle heraus (wenn nötig auch interpoliert). Mit
VE, CID und RPM kann die aktuell in den Motor strömende Luftmasse berechnet werden. Durch Auslesen des
gewünschten Mischungsverhältnisses aus der Tabelle kann das Steuergerät nun die Treibstoffmenge berechnen,
die zum Erreichen dieses Mischungsverhältnisses benötigt wird. Da die Anzahl der Einspritzdüsen und ihr Treibstoffdurchsatz
bekannt ist, kann das Steuergerät den erforderlichen DC der Düsen berechnen. Aus DC und RPM
wird schließlich die Pulsbreite errechnet.
Zur Verdeutlichung hier ein Beispiel:
Ein 5,0-Liter-Motor mit acht 19-lb/h-Einspritzdüsen läuft mit einem Ansaugunterdruck von 5 in. Hg und 3000
U/min, die Ansaugluft (IAT) hat 80°F, das gewünschte Benzin-Luft-Mischungsverhältnis ist 14,6. Für diese
RPM- und MAP-Werte ist in der VE-Tabelle ein Wert von 85 (Prozent) eingetragen. Das Gesetz für absolute
Gase lautet D = p/(RT), mit D = Dichte, p = absoluter Druck, T = absolute Temperatur und R = Gaskonstante für
Luft. Vor der Berechnung müssen noch die Einheiten angepasst, also in metrische Werte umgesetzt werden. Die
absolute Temperatur beträgt 80°F = 300°K (Kelvin). Der Ansaugunterdruck von 5 in. Hg rechnet sich wie folgt
um: 29,92 in. Hg - 5 in.Hg = 24,93 in.Hg = 84,42 kPa. Die Gaskonstante für Luft beträgt 0,286 kK/kg*K, die
Düsen haben einen Durchlass von 8,36 kg/h und CID ist 0,005m3.
Hieraus errechnet sich die Ansaugluftdichte: D = 84,42 / (0,286 * 300) = 0,984 kg/m2. Die Luftmasse beträgt
11/42 * D * VE * CID * RPM = 11/42 * 0,984 * 0,85 * 0,005 * 3,000 = 6,72 kg/min. Für ein Benzin-Luft-
Gemisch von 14,6 muss der Treibstoffanteil sein: Mf = Ma / 14,6 = 6,72 / 14,6 = 0,43 kg/min.
Bei acht Einspritzdüsen entfällt auf jede ein Benzinfluss von 0,43 / 8 = 0,054 kg/min = 3,2 kg/h. Da die Düsen
bis zu 8,36 kg/h (= 19 lb/h) durchlassen können, benötigen wir nur einen Duty Cycle von 3,2 / 8,36 = 0,385 oder
38,5%. Bei einem 4-Takt-Motor (zwei Umdrehungen pro Ansaugvorgang) beträgt das Zeitintervall zwischen
Ansaugvorgängen t = 2 / RPM (in min) oder 120000 / RPM (in ms). Bei 3000 U/min ist das Intervall t = 120000
/ 3000 = 40 ms. Schließlich errechnet sich die benötigte Pulsweite: PW = DC * t = 0,385 * 40 = 15,4 ms.
Mass Air
Bei SD-Systemen wird die augenblicklich durchfließende Luftmasse vom Steuergerät errechnet, das einzige
Risiko dieser Kalkulation ist der gespeicherte Wert in der VE-Tabelle. Ist dieser falsch, versagt die Benzinsteuerung.
Deshalb erfordert jede den VE-Wert tangierende Änderung am Motor (wie ein Ansaugbereich mit
besserem Durchsatz oder eine neue Kurbelwelle) die korrekte Neuprogrammierung dieser Werte. Alle Werte für
MAP und RPM in der VE-Tabelle passend zu setzen, ist eine schwierige Aufgaben.
Im Mass Air-System wird der Luftdurchsatz dagegen mit dem Luftmassenmesser (MAF) direkt gemessen. Die
Berechnung der Pulsbreiten ist unverändert, wobei nur die Berechnung der Luftmassen durch die Messung
ersetzt wird. Der große Vorteil dieses Verfahren ist, dass Änderungen vorgenommen werden können, die den
Luftfluss verändern, aber durch die Messungen des MAF bleibt die Treibstoffberechnung korrekt. Damit wird
der MAF-Sensor zur wichtigsten Voraussetzung für Modifikationen am Motor. Trotzdem ist die Genauigkeit des
MAF-Systems sehr stark von der Genauigkeit des MAF abhängig - ähnlich wie das SD-System von der VEProgrammierung.
Dies ist bei MAF-Sensoren von Drittherstellern nicht immer ausreichend gegeben.

Betrachten wir Dritthersteller-MAF-Sensoren, die für die Funktion mit größeren Einspritzdüsen "kalibriert" sind.
Wenn man beispielsweise eine MAF-/Düsenkombination für 36 lb/h-Einspritzdüsen hat und diese ohne sonstige
Änderungen in eine auf 19 lb/hr eingestellte Maschine einsetzt, funktioniert dies zunächst ohne Neuprogramierung
des Steuergerätes. Tatsächlich wird aber das Steuergerät "betrogen". Der neue MAF sendet nur das halbe
Spannungssignal an das PCM, welches hieraus nur die halbe Luftmenge zum Motor erkennt. Demzufolge wird
nur die halbe Menge Treibstoff benötigt, was zur Berechnung etwa der halben Pulsbreite führt. Dies funktioniert
mit 36 lb/h-Düsen gut, da durch sie etwa die doppelte Treibstoffmenge fließt wie durch die vorherigen Düsen,
mit dem Ergebnis, dass etwa die gleiche Menge Treibstoff in den Motor gelangt. Das Problem hierbei ist die
fehlerhafte Last-Berechnung, das Vorzündung und gewünschte Benzin-Luft-Gemischberechnungen verfälschen
kann.