SCI-Technikschule VIII: Die Elektronik

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Jedes moderne Serienfahrzeug steckt voll mit Elektronik, um die diversen Hilfsmittel zu steuern. Die meisten davon, wie ABS oder Automatikgetriebe, sind im Motorsport verboten. Trotzdem verfügen auch moderne Sportwagen über eine elektronische Ausstattung. Ein kleiner Einblick.

Selbst in der Welt der Sportwagen werden mittlerweile viele Faktoren von der Elektronik bestimmt. So steuert die Elektronik heutzutage den Motor, verhindert Fehler des Fahrers und versorgt die Ingenieure an der Box mit präzisen Daten über den Zustand des Fahrzeugs. Jeder Fehler, egal ob er vom Fahrer oder durch defekte Komponenten verursacht wurde, wird dabei aufgezeichnet und analysiert.

Steuerung: Aktoren und Steuergeräte

Das Gehirn des Fahrzeugs wird von Steuergeräten gebildet. Wo früher ein Vergaser und ein fliehkraftabhängiger Zündverteiler dafür sorgten, dass der Motor rund lief, kümmern sich heute ein Steuergerät und elektronisch betätigte Einspritzdüsen um die Gemischaufbereitung. Auch das Getriebe und die Servolenkung sind heute oft mit kleinen Steuergeräten versehen, welche die Funktion optimieren und überwachen. Exemplarisch wollen wir uns aber die Funktion des Motorsteuergerätes anschauen.

Die Steuerung der Einspritzmenge

Wie in Teil V der Technikschule schon beschrieben, benötigt der Motor um richtig zu funktionieren die richtige Menge Kraftstoff zur Luftmenge. Dies würde sich in der Theorie ganz einfach mit einer sogenannten „Closed-Loop-Regelschleife“ lösen lassen, indem das Steuergerät den Einspritzdüsen eine Öffnungszeit vorgibt, welche dadurch die Einspritzmenge festlegt. Nach dem Verbrennen müssen die Abgase dann an der Lambdasonde vorbei, welche nun feststellt, ob alles verbrannt wurde oder nicht – oder ob gar noch Sauerstoff vorhanden ist. Im nächsten Schritt würde das Steuergerät dann die Einspritzmenge anpassen.

Dieser Vorgang würde gut funktionieren, wenn der Motor bei konstanter Drehzahl und Last eingeregelt läuft. Ein Sportwagen wird aber in der Regel sehr dynamisch bewegt. Um hier den Aufwand für die Regelung in Grenzen zu halten, sind nun im Steuergerät für bestimmte Drehzahlen und Lastpunkte Werte für die Einspritzzeit hinterlegt. Diese nutzt das Steuergerät als Startpunkte, um die oben beschriebene Regelschleife schneller zu durchlaufen. Befindet sich der Motor zwischen zwei Lastpunkten (oder Drehzahlen), wird zwischen den beiden nächstgelegenen Punkten interpoliert. Das bedeutet, dass abhängig von der Entfernung zu den beiden Punkten der gewichtete Mittelwert gebildet wird.

Darüber hinaus gibt es noch weitere Korrekturfaktoren, welche zum Beispiel dafür sorgen, dass der Motor bei komplett durchgetretenem Gas mehr Kraftstoff erhält, als er bei gleicher Last und Drehzahl und halb durchgetretenem Pedal bekäme. Außerdem wird auch beim Kaltstart oder in bestimmten Rennsituationen ein Korrekturfaktor angewandt, um Kraftstoff zu sparen beziehungsweise das Erwärmen des Motors zu beschleunigen.

Die Steuerung des Zündzeitpunkts

Ähnlich der Einspritzmenge hat auch der Zeitpunkt der Zündung einen Einfluss auf die Effizienz des Motors. Wurde dies früher durch fliehkraftabhängige Zündverteiler bewerkstelligt, liegt diese Aufgabe heute ebenfalls beim Steuergerät.

In der Kurzfassung gilt dabei: Je höher die Drehzahl, desto früher muss man zünden, da sich immer ein sogenannter Zündverzug einstellt. Aber auch die Last hat Einfluss. Da bei geringer Last weniger Luft in den Motor gelangt ist, die Durchmischung des Gemisches meist schlechter und es zündet schlechter. Dies konnten die alten, fliehkraftabhängigen Verteiler nur schlecht bewerkstelligen. Für ein modernes Steuergerät stellt es aber kein Problem dar.

Der Einspritzzeitpunkt

Was für den Benzinmotor der Zündzeitpunkt ist, das ist für den Dieselmotor der Einspritzzeitpunkt. Dieser bestimmt, wann das Gemisch zündet und damit ob die Kraft, den Kolben nach unten zu drücken, zum richtigen Zeitpunkt zur Verfügung steht.

Aber auch bei Benzinmotoren, besonders bei der Verwendung von Direkteinspritzung hat dieser Punkt eine gewisse Wichtigkeit, weil er maßgeblich mit darüber bestimmt, wie gut sich der Kraftstoff mit der Luft vermischt. Hier sind unter Umständen bis zu 20 Prozent Leistungszuwachs drin!

Und wie viel Zeit hat das Steuergerät die richtigen Parameter einzustellen? Nun, dreht der Motor mit 9 000 Umdrehungen, so zündet jeder Zylinder in der Minute 4 500 Mal. Multipliziert mit acht Zylindern bedeutet dies 36 000 Zündungen je Minute, was wiederum 600 Zündungen je Sekunde bedeutet. Das Steuergerät muss also alle 1,7 Milisekunden einem Zylinder das Zündsignal, beziehugnsweise das Signal zum Einspritzen senden.

Die Telemetrie

Ein Sportwagen, insbesondere in der LMP1 ist vollgepackt mit Sensoren. Ständig überwacht werden dabei, neben den schon erwähnten Motorparametern, die Höhe des Fahrzeugs über dem Boden, der Reifendruck, die Reifentemperatur, die Bewegung der Federelemente, der eingelegte Gang, die Geschwindigkeit und noch vieles mehr.

All diese Messwerte werden dabei vom Fahrzeug meist in Echtzeit an den Kommandostand in der Boxengasse weitergegeben. So wissen die Ingenieure manchmal schon vor dem Fahrer, ob ein Platten droht oder der Kraftstoff zur Neige geht.

Seit einiger Zeit verboten, aber prinzipiell möglich ist es sogar, dass von der Box Signale an das Fahrzeug geschickt werden, welche zum Beispiel ein anderes Motorkennfeld aktivieren. So etwas kann aber heute immer noch durch den Fahrer passieren.

Der Fahrer hat allerdings auf seinem Lenkrad, neben diversen Knöpfen, welche es ihm erlauben zum Beispiel das Motorkennfeld oder auch die Aggressivität der Traktionskontrolle zu beeinflussen, ein Display, in welchem ihm die wichtigsten Informationen, wie die Rundenzeit oder Abstände zu andren Fahrzeugen, eingeblendet werden. Darüber hinaus sprechen die meisten Fahrer immer mit ihrem Kommandostand, um weitere Informationen über die Anzeigen hinaus zu erhalten.

Hybridtechnik

Die seit dem letzten Jahr verstärkt eingesetzt Hybridtechnik stellt ihre ganz eigenen Anforderungen an die Elektronik. Anders als das normale Bordstromsystem das meist mit zwölf, manchmal auch mit bis zu 48 Volt betrieben wird, muss die Elektronik des Hybridsystems mit zirka 400 Volt Spannung fertig werden. Darüberh hinaus, muss dafür gesorgt werden, dass sich das System im Falle eines Unfalls selber abschaltet, um eine Gefahr für den Fahrer und die Rettungskräfte auszuschließen.

Gleichzeitig muss es aber in der Lage sein mit der Niederspannungsseite zu kommunizieren. Schließlich muss auch das Hybridsystem mit dem normalen Verbrennungsmotor zusammen arbeiten. Auch die Regelung von Bremslichtern bei der Rekuperationsbremsung sowie die Traktionskontrolle müssen mit eingeschlossen werden.

Die hierzu nötige Leistungselektronik ist wesentlich größer als ein Motorsteuergerät, welches bequem in eine Tasche passt. Außerdem sind hierfür oft auch zusätzliche Lüfter von Nöten, da diese Bauteile oft sehr heiß werden.