Sensoren im KFZ, messen und verstehen
Da mir immer mehr auffällt das hier fragen über die Funktionsweise und die Möglichkeiten der Diagnose aufkommen, will ich hier nach und nach einzelne Sensoren erleutern. Ich versuche es alles so einfach wie möglich zu erklären, sollte doch fragen auftreten, einfach fragen. Da wir nun doch eine Hondagemeinschafft sind, will ich nicht auf jeden Sensor eingehen, sondern speziell auf die, die auch bei Honda benutzt werden.
Also was benötigt ein Motorsteuergerät überhaupt um einen Motor überhaupt zum laufen zu bekommen?
Außer den Mechanischen Dingen die zum Motorlauf benötigt werden(Luft, Kraftstoff, Kompression etc), benötigt das Motorsteuergerät zwei elektronische Signale. Erstens das Last Signal und zweitens das Drehzahlsignal des Motors. Fehlt eines dieser Signale kann ein Motor nicht laufen.
Beginnen wir mit dem Lastsignal.
Welche Möglichkeiten gibt es die Last eines Motors(Otto) zu ermitteln?
Da gibt es je nach Hersteller und Baujahr verschiedene Sensoren und Möglichkeiten.
Die verbreitesten sind:
Luftmengenmesser (mittelmäßige genaue Erfassung)
Luftmassenmesser (sehr genaue Erfassung)
Ansaugdruckfühler (Map) (ungenaue Erfassung)
Alpha/n Steuerung (sehr ungenaue Erfassung)
Ich werde, da die Luftmassen/mengemesser bei unseren Hondas nicht so verbreitet sind, auf diese nicht weiter eingehen. Es sei den es wird wirklich gewünscht
Wie funktioniert es?
Alpha/n Steuerung:
Anhand der Motordrehzahl und der Drosselklappenstellung weiß das Motorsteuergerät wie viel Luft theoretisch gerade angesaugt wird. Dadurch kann das Motorsteuergerät eine sehr grobe Grundeinspritzmenge berechnen. Da wie man merkt dieses Prinzip sehr grob ist, wird diese Lasterfassung heutzutage nicht mehr verwendet. Bei manchen Fabrikaten dient diese Methode nur noch als Notlösung wenn das Hauptsystem ausfällt. Somit ist ein Motorlauf immer noch gewährleistet.
Wie wird die Drosselklappenstellung ermittelt?
Direkt an der Drosselklappe sitzt ein einfaches Potenziometer dessen Schleifarm direkt an Klappe hängt und diesen über die Leiterbahnen schiebt, wodurch je nach Stellung des Schleifarms das Spannungssignal am Arm unterschiedlich ist.
Wie kontrolliere ich das Poti?
Ein Poti hat 3Leitungsanschlüsse.
Spannungsversorgung (in der Regel 5v)
Masse
Signalleitung
1.
Versorgungsspannung bei aufgesteckten Stecker gegen die eigene Sensormasse prüfen. Warum bei angesteckten Stecker und warum gegen die Sensormasse?
Würde man den Stecker abziehen und dann beispielsweise 5v messen, wüsste man nur das das Kabel nicht durchtrennt ist, aber nicht ob in ihr ein Widerstand ist. Diesen erkennt man erst bei geschlossenen Stromkreis und dadurch zu geringer Spannung am Bauteil. Würde man also nur 2v Versorgungsspannung bei erwarteten 5v messen, fallen anscheinend die fehlenden 3v an einen Übergangswiderstand ab. Gegen die eigene Sensormasse wird gemessen um auch gleich festzustellen das die Masseversorgung i.o. ist.
2.
Signal mit dem Multimeter aufnehmen. Dabei sehr langsam die Drosselklappe von voll geschlossen bis zu voll geöffnet bewegen. Dabei genau die Spannung beobachten, diese verläuft linear z.b. entweder von ca 0,5v4,5v oder andersrum. Dabei darf die Spannung nirgends einbrechen, da dies auf eine defekte Leiterbahn schließen würde. Auch müssen die Endspannungen mit der Herstellerangabe übereinstimmen.
Einfacher kann man diesen Test mit einem Oszilloskop machen, da man dann durch diese Rauschprüfung einen defekt noch besser sehen würde
Beispiel einer Rauschprüfung mit intakten Poti
Beispiel einer Rauschprüfung mit defekter Leiterbahn
Ansaugdruckfühler (Map)
Der oft verbreitete Map Sensor(besonders bei unseren Honda) misst über eine mit Dehnwiderstände versehende Membrane den Druck im Ansaugbereich nach der Drosselklappe. Dieser Druck ist je nach Drosselklappenstellung nahe Atmosphärendruck (ca 1bar)(voll geöffnete DK) bis ca 0,3bar (sogenannter Unterdruck)(Leerlauf/geschlossene DK)
Da nun auf der einen Seite der Membrane der Atmosphärendruck und auf der anderen Seite der "Ansaugdruck" herrscht, verändert sich durch die verformung der Membrane der Messwiderstand und somit das aufgenommene Elektronische Signal.
Dieser Sensor benötigt eine Versorgungsspannung die i.d.r 5 oder 12/14volt beträgt.
Dadurch ergibt sich das dieser Sensor i.d.r. 3 Leitungsanschlüsse besitzt.
1.Versorgungsspannung
2.Sensormasse
3.Signalleitung
Welchen Vorteil bietet dieser Sensor zur Alpha/n Steuerung?
Evtl Undichtigkeiten im Ansaugsystem, Kompressionsverluste oder sonstige Druckverluste im Ansaugsystem können kompensiert werden. Außerdem kann aufgrund der auch vorhandenen Alpha/n Steuerung eine Plausibilitätsprüfung mit eingebaut werden.
Wie überprüfe ich diesen Sensor?
1.
Versorgungsspannung bei aufgesteckten Stecker gegen die eigene Sensormasse prüfen. Warum bei angesteckten Stecker und warum gegen die Sensormasse?
Würde man den Stecker abziehen und dann beispielsweise 5v messen, wüsste man nur das das Kabel nicht durchtrennt ist, aber nicht ob in ihr ein Widerstand ist. Diesen erkennt man erst bei geschlossenen Stromkreis und dadurch zu geringer Spannung am Bauteil. Würde man also nur 2v Versorgungsspannung bei erwarteten 5v messen, fallen anscheinend die fehlenden 3v an einen Übergangswiderstand ab. Gegen die eigene Sensormasse wird gemessen um auch gleich festzustellen das die Masseversorgung i.o. ist.
2.
Als nächstes sollte man das Signal aufnehmen. Dazu am besten den Map Sensor ausbauen und an eine Unterdruckpumpe anschließen, Stecker aber wegen der Spannungsversorgung drauf lassen. Nun mit dem Multimeter die Signalspannung bei Atmosphärendruck (Spannung etwas unter der Versorgungsspannung) aufnehmen. Nun langsam nach und nach Unterdruck auf den Sensor geben und die Spannung beobachten. Sie sollte genauso wie der Druck langsam und proportional sinken. Bricht sie total ein oder die Spannung wird kurzzeitig unplausibel, ist der Sensor defekt. Im Idealfall hat man natürlich ein Oszilloskop und kann sich das Signal bildlich darstellen um zu sehen wie sich die Spannung verhält. Aber es geht auch ohne mit ein wenig Geduld.
Ein Beispiel wie sich die Signalspannung zum
Druck verhält
Somit sollte jetzt schon mal klar sein, wie wichtig die Lasterkennung und deren Sensoren für das Motorsteuergerät sind. Alle anderen Sensoren wie z.b. Lambda, Temperaturfühler etc sind für den reinen Motorlauf unwichtig, da sie für das Motorsteuergerät nur Korrekturwerte übermitteln, die zur der Grundeinspritzmenge die vorher aus Last und Drehzahl ermittelt wurde, nur ab oder dazugerechnet werden.
Korrekturgrößen/sensoren
Korrekturgrößen sind die Werte, welche genutzt werden um die Grundeinspritzmenge je nach Zustand von z.b. Temperatur oder Druck korrigiert wird.
Was für Sensoren/Werte werden dafür genommen?
Kühlmitteltemperatursensor
Ansaugtemperatursensor
Lambdasonde
Wieso benötige ich welchen Sensor?
Ansaugtemperatursensor
Der Ansaugtemperatursensor misst wie der Name schon sagt die Temperatur der Angesaugten Luft im Saugrohr.
Dies wird wird benötigt, da ein Motor mit Saugrohreinspritzung gewisse Kondensationsverluste im Saugrohr hat. Um es vereinfacht zu sagen, der Sprit bleibt an den Saugrohrwänden zum teil hängen. Dies natürlich bei kalten Saugrohr mehr als bei warmen. Ähnlich wie wenn man heiß duscht und die Feuchtigkeit an den Fensterscheiben haften bleibt.
Würde man nun die Temperatur bei kalten Saugrohr ignorieren, würde der Motor zu wenig Sprit kriegen, da zu viel Kraftstoff im Saugrohr hängen bleibt. Erwärmt sich das Saugrohr sowie die angesaugte Luft, werden die Kondensationsverluste geringer und es muss weniger Kraftstoff eingespritzt werden.
Motortemperatursensor
Seine Funktion ist ähnlich des Ansaugtemperatursensors, nur das mit diesem Sensor die Kondensationsverluste im Zylinder ausgeglichen werden. Bei einen kalten Motor kondensiert der Kraftstoff an den Zylinderwänden, wodurch um wieder ein passendes Gemisch zu haben, die Einspritzmenge nach oben hin korrigiert werden muss.
Somit sollte schon mal für jedem klar sein warum überhaupt ein kalter Motor mehr Kraftstoff benötigt als ein warmer. Nämlich allein durch die Kondensationsverluste im Motor und bei Saugrohreinspritzung auch dort.
Wie funktioniert so ein Temperatursensor?
Temperatursensoren gibt es in zwei verschiedenen Ausführungen. Zum einen den ntc (negativer Temperaturkoeffizient) bei dem mit steigender Temperatur der elektrische Widerstand sinkt. Somit steigt die Leitfähigkeit und das Motorsteuergerät misst einen geringeren Spannungsverlust am Sensor.
Die zweite Version ist der ptc (positiver Temperaturkoeffizient) dieser verhält sich in seinem Widerstandsverhalten genau andersrum wie der ntc. Das heißt bei steigender Temperatur steigt der Widerstand und das Motorsteuergerät misst einen höheren Spannungsabfall am Sensor.
Überprüfen tut man diese Sensoren indem man*mit einem Multimeter den Widerstand des Sensor an bei verschiedenen Temperaturen misst und diese mit der Vorgabe des Herstellers vergleicht. In der Regel sind sind Temperatursensoren zweipolig, somit ist klar wo man mit seinen Messspitzen ran muss. Bei älteren Fahrzeugen gibt es auch einpolige Sensoren. Diese haben ihre Masse am Gehäuse. Somit geht man mit seinen Messspitzen an den Pin wo der Stecker drauf kommt und ans Gehäuse/Gewinde. Bei der Widerstandsmessung ist immer zu beachten das das Bauteil spannungsfrei und vom Stromkreis getrennt ist.
Lambdasonde/Lambdaregelung
Was bedeutet Lambda überhaupt?
Lambda ist eine Luftverhälniszahl. Diese ergibt sich aus tatsächlich vorhandene Luftmenge(die die angesaugt wird) geteilt durch den theoretischen Luftbedarf (was für eine optimale Verbrennung benötigt wird. Das sind für 1kg Kraftstoff 14,7kg Sauerstoff)
Beispiel:
Mein Motor saugt 14kg Luft an. Der Motor spritzt 1kg Kraftstoff ein. Um diesen optimal zu verbrennen benötigt er 14,7kg Luft.
Gerechnet:
14:14,7=0,95
Somit läuft der Motor mit einem Lambdawert von 0.95, somit ist es ein fettes Gemisch. Ein Lambdawert über 1 wäre logischerweise ein mageres Gemisch.
Durch den Betrieb bei Lambda 1 wird außerdem der größte Teil der Schadstoffe die bei der Verbrennung entstehen würden, bereits vermieden. Des weiteren hat der Katalysator bei Lambda 1 den höchsten Wirkungsgrad, weshalb Serienmotoren so auch betrieben werden.
Beispiel wie sich die Signalspannung in Abhängigkeit des Lambdawertes verändert und welchen Einfluss das auf die entstehende Schadstoffe durch die Verbrennung hat.
Welche Möglichkeiten gibt es diesen Lambdawert zu kontrollieren?
Durch die Anbringung einer Lambdasonde im Abgassystem VOR dem Kat.
Dafür gibt es verschiedene Arten vom Lambdasonden wie z.b.:
Sprungsonde
Widerstandsonde
Breitbandsonde
Wie unterscheiden sich diese Sonden und wie überprüfe ich sie?
Sprungsonde:
Die meistverbreiteste Lambdasonde ist die Sprungsonde. Diese Sonde erzeugt durch einen physikalischen Effekt(Beschreibung weiter unten) seine Signalspannung selber. Die Höhe der Spannung richtet sich danach ob sich im Abgasstrom wenig Sauerstoff(fettes Gemisch) oder viel Sauerstoff(mageres Gemisch) vorhanden ist. Die Höhe der Spannung beträgt bei fetten Gemisch 0,9v und bei mageren Gemisch 0,1v.
Bekommt nun das Motorsteuergerät von der Lambdasonde den Wert von 0,1v(mager), fängt dieses an die Einspritzmenge so lange zu erhöhen bis die Lambdasonde ein fettes Gemisch(0,9v) misst. Daraufhin wird die Einspritzmenge wieder solange verkürzt, bis es wieder mager(0,1v) ist. Dies geschieht ständig während des gesamten Motorlaufs sobald die Lambdasonde ihre Betriebstemperatur von 300? erreicht hat.
Durch dieses ständige abmagern und anfetten, pendelt die Spannung und es entsteht ein sinusförmiges Signal. Die Frequenz dieser Sinuskurve beträgt bei Leerlauf ca 0,3-0,5Herz. Da durch höherer Drehzahl der Luftdurchsatz steigt, steigt auch die Frequenz der Lambdasonde. Bei 2000 1/min beträgt diese dann ca 1Herz.
Wie überprüfe ich diese Sonde?
Mit dem alter können Lambdasonden "vergiften" oder zu träge werden. Das heißt das sie ihre Spannungspitzen oder ihre Frequenzen nicht mehr erreichen. Wenn die "Magerspannung" 0,3v nicht mehr unterschreitet oder die "Fettspannung" 0,6v nicht mehr überschreitet, ist diese vergiftet und defekt. Wird die Regelfrequenz von 0,3-0,5hz im LL und 1hz bei 2000 1/min nicht mehr erreicht, ist die Lambdasonde zu träge und muss erneuert werden. Hersteller geben eine Lebenszeit von ca 80tkm für ein Lambdasonde an.
Die Signalspannung wird bei dieser Lambda am schwarzen Kabel an der Sonde gegen Masse aufgenommen. Leider benötigt man für eine vernünftige Diagnose ein Oszilloskop, alternativ ein analoges Multimeter, da ein Digitales Multimeter zu träge ist.
Beispiel für eine Signalaufnahme
Bei Einpoligen Lambdasonden wird die Masseversorgung über das Gehäuse sichergestellt. Die hat den Nachteil, das bei älteren Fahrzeugen durch Korrosion an der Abgasanlage eine schlechte Masseverbindung herrschen kann. Abhilfe wäre ein separates Kabel vom Lambdasondengehäuse zu einem guten Massepunkt zu ziehen.
Um auch schnell sicherzustellen ob die Signalleitung zum Steuergerät in Ordnung ist, ist es möglich bei laufenden Motor den*Stecker der Lambdasonde abzuziehen und mit dem Multimeter von der Signalleitung gegen Masse Spannung zu messen. Es müssen vom Steuergerät 0,35-0,55v anliegen. Diese Referenzspannung dient dem Steuergerät als Schutz vor elektronischen Störsignalen bei inaktiver Lambdasonde
Des weiteren sind die meisten Lambdasonden mit einer Heizung ausgestattet, die dazu dient die Lambdasonde schneller auf Betriebstemperatur zu bringen. Diese Heizungen sind ptc Elemente welche ständig vom Steuergerät bestromt werden um immer die Betriebstemperatur zu gewährleisten. Die Kabelfarben sind bei den meisten Lambdasonden für die Heizung weiß.
Wie erzeugt die Spannungssprungsonde ihre Spannung eigentlich?
Die Spannungssprungsonde besteht aus einem Zirkondioxid Keramikkörper, der auf der Innen und Außenseite mit einer porösen Platinenelektrode versehen ist. Die Außenseite wird mit Abgasen umspüllt. Auf der Innenseite liegt Atmosphärenluft an. Sobald die Sonde ihre Betriebstemperatur (300°c) erreicht hat, wird die Zirkondioxidkeramik für Sauerstoffionen leitend. Somit können die Sauerstoffionen die in der Luft vorhanden sind, durch die Keramik in den Abgasbereich "wandern". Die Menge an Ionen die nun durch diese Keramik wandert ist vom Potenzialunterschied von Atmosphärenluft und Abgas abhängig. Da z.b. bei einem fetten Gemisch im Abgas sehr wenig Sauerstoff und somit wenig Sauerstoffionen vorhanden sind, aber in der Atmosphärenluft viel Sauerstoff mit dementsprechend viele Sauerstoffionen, ist der Potenzialunterschied sehr hoch und es wandern viele Sauerstoffionen durch die Keramik. Durch dieses "wandern" ensteht eine Spannung. In diesem Fall mit hohen Potenzialunterschied 0,9V. Bei einem mageren Gemisch wäre der Potenzialunterschied logischerweise durch den erhöhten Sauerstoffanteil im Abgas geringer, wodurch auch die Spannung sinkt (0,1v)
zum besseren Verständnis
Breitbandlambdasonde
Warum Breitbandlambdasonde? Was kann die mehr als eine Spannungssprungsonde?
Der Vorteil einer Breitbandlambdasonde im Gegensatz zu einer Spannungssprungsonde ist, das sie auch in dem Bereich messen kann wo bei eine Sprungsonde längst Schluss ist. Normale Sprungsonden können in der Regel im Bereich von 20% um Lambda1 messen. Das heißt Lambda 0,8-1,2. Alles drüber oder drunter kann von dieser Sonde einfach nicht gemessen werden.
Breitbandlambdasonden können durch ihre verbesserte Messweise Lambdawerte von ca 0,7 bis Lambda 4 (sehr magerer Betrieb, z.b Dieselmotoren, Direkteinspritzer oder Schichtladungsbetrieb bei Otto) messen.
Wie funktioniert eine Breitbandlambdasonde?
Wir haben wie oben beschrieben gelernt wie eine Spannungssprungsonde funktioniert. In einer Breitbandlambdasonde sind zwei dieser Sonden integriert.
Wobei eine dieser "Sonden" zum messen dient und die andere als Pumpe (anstatt das durch das "wandern" der Ionen Spannung entsteht, wird Spannung angelegt und somit die Ionen "durchgepumpt").
In Abhängigkeit der Messsonde wird die Pumpsonde mit Strom beaufschlagt, wodurch Sauerstoffionen aus dem Abgas zur Messsonde oder von der Messsonde in den Abgasstrom "gepumpt" wird. Durch den dafür notwendigen Strom (höhe und Stromrichtung) erfasst das Motorsteuergerät den Lambdawert.
Wie kann ich eine Breitbandlambdasonde überprüfen?
Da das Lambdasignal in Form des Pumpstromes gemessen wird, könnte man nun denken man müsse den Strom messen. Leider ist dieser Strom im Milliamperebereich und somit zu gering um ihn genau zu erfassen. Somit bleibt einem nur noch die Möglichkeit über die ist/sollwerte in der Steuergerätediagnose mittels Tester diese Lambdasonde zu überprüfen und evtl mittels des Lambdawert eines Abgastester zu vergleichen.
Woran kann ich von außen eine Breitbandlambdasonde erkennen?
Breitbandlambdasonden haben im Gegensatz zu Sprungsonden mindestens 5 angeschlossene Kabel. Bei Sprungsonden sind es höchstens 4.
Lambdasonde nach dem Katalysator
Wofür habe ich eine zweite Lambdasonde hinter dem Kat?
Diese zweite Lambdasonde dient allein dafür die Katalysatorfunktion zu überprüfen und bei defekten Katalysator dies ans Motorsteuergerät weiterzugeben um über die Motorkontrollleuchte einen Fehler dem Fahrer anzuzeigen
Was wird für eine Lambdasonde dafür verwendet?
Für diese Überwachung wird eine Spannungssprungsonde verwendet
Wie funktioniert diese Überwachung?
Wir erinnern uns das die Lambdasonde vor dem Katalysator wechselnd mager und fett misst, wodurch z.b. der einer Spannungssprungsonde das oben besprochende sinusförmige Signal entsteht. Nun fließt aber das Abgas durch den Katalysator, indem unter anderem durch Oxidation (verbinden durch Sauerstoff) giftige Abgase in ungiftige Stoffe umwandelt werden. Durch diese Oxidation wird der komplette Sauerstoff verbraucht, wodurch nun die Lambdasonde hintern Katalysator ständig ein fettes Gemisch misst (0,6V-0,9V)
Ist nun der Katalysator defekt, wird die Oxidation nicht richtig/gar nicht durchgeführt. Somit bleibt Sauerstoff über, den die zweite Lambdasonde nun erfasst. Da durch das weitere anfetten und abmagern der Restsauerstoffanteil sinkt und steigt, sowie der Sauerstoff im Katalysator nicht verbraucht wird, beginnt die Nachkatsonde das gleiche (Sinusförmige) Signal wie die erste Sonde ans Motorsteuergerät zu senden. Dadurch weiß das Steuergerät das die Katfunktion nicht mehr gegeben ist und setzt einen Fehler.
Bei Fehlern in der Gemischaufbereitung und dem Zündsystem ist natürlich die Katfunktion auch nicht voll gegeben und das Signal der Nachkatsonde wird sich dementsprechend auch ändern. Da aber die erste Lambdasonde dann aber auch ein ständiges fettes oder mageres Gemisch messen würde, würde dies das Steuergerät merken und eine dementsprechenden anderen Fehler setzen (z.b. Lambdaadaption überschritten)
Hier ist natürlich noch nicht Schluss. Ich werde die anderen Sensoren auch weiter vorstellen, beschreiben und hier rein editieren. Wer fragen, Anregungen oder Vorschläge hat, kann sie gerne äußern
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Zitat von stussy
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