Porsche geht von der Kraftstoffzumessung zum vollständigen Motormanagement und zur Direkteinspritzung über

Während die elektronische Kraftstoffeinspritzung (EFI) es Porsche endlich ermöglichte, die Kraftstoffdosierung und -abgabe zu optimieren , arbeitete der andere Faktor in der Verbrennungsgleichung, die Zündung, obwohl ebenfalls digitalisiert, immer noch unabhängig vom Kraftstoffsystem. Da die Emissionsvorschriften verschärft wurden und Kunden mehr Leistung verlangten, integrierte Porsche diese beiden wichtigen, voneinander abhängigen Systeme in ein einziges elektronisches Motormanagementsystem.

Dies war ein Wendepunkt für Porsche. Auf der Grundlage des L-Jetronic-Systems als Basis für die integrierte Kraftstoffdosierung und die elektronische Zündzeitpunktsteuerung entwickelte Bosch die Motronic-Steuergerätereihe – von Porsche als DME-Steuergerät (Digital Motor Electronics) bezeichnet.

In diesem Artikel werfen wir einen Blick auf Porsches Motronic DME sowie auf die Einführung der Direkteinspritzung durch das Unternehmen, die manchmal auch als Benzin-Direkteinspritzung (GDI) bezeichnet wird.

Porsche geht von der Kraftstoffzumessung zum vollständigen Motormanagement über

Porsche setzte die Motronic DME erstmals 1983 im 944 ein, knapp dahinter folgten der 928 und der 3,2-Liter-911. Diese ersten Anwendungen des Systems verfügten noch über eine gleichzeitige Einspritzung (alle Einspritzdüsen spritzen gleichzeitig ein). Da die digitalen Zündverweil- und Zeitsteuerungen idealerweise die genaue Messung der Motordrehzahl und -position erforderten, wurde das System mit einem Paar induktiver Sensoren ausgestattet . Daher erzeugte der Motordrehzahlsensor ein analoges Signal, das durch die Zähne des Anlasserzahnkranzes ausgelöst wurde, wobei der Referenzmarkensensor den oberen Totpunkt für Zylinder Nr. 1 signalisierte.

Das DME-Steuergerät nutzte einen zentralen Mikroprozessor, um die verschiedenen analogen und digitalen Eingangssignale in das digitale Rechtecksignal umzuwandeln, das zur Steuerung der Kraftstoffeinspritzdüsen erforderlich ist. (Die analogen Signale werden mit dem ADC – dem Analog-zu-Digital-Wandler – umgewandelt.) Die Einstellungen für die Impulsbreite (und den Zündzeitpunkt/die Verweildauer) wurden durch eine dreidimensionale Karte gesteuert, die in einem integrierten EPROM-Flash-Chip (löschbarer programmierbarer Nur-Lese-Speicher) gespeichert war.

Auch wenn spätere Versionen des CIS-Einspritzsystems des 911 huckepack mit einem einfachen Rückkopplungs-/Sauerstoffsensorsystem (Lambdasensor) ausgestattet waren, integrierte Porsches Motronic DME einen beheizten Sauerstoffsensor direkt in das System. Dies ermöglichte die Optimierung des Katalysatorbetriebs und begrenzte die Möglichkeit, übermäßig magere oder fette Luft-/Kraftstoffgemische zu korrigieren und den Zündzeitpunkt (Verweilzeitpunkt) anzupassen.

Der 16-Ventil-944S von 1987 verfügte über ein aktualisiertes Motronic-System, das dem Verteilerantrieb einen Hall-Effekt-Sensor und ein Triggerrad hinzufügte, wodurch das DME-Steuergerät bestimmen konnte, welcher Zylinder zu einem bestimmten Zeitpunkt zündete. Dieser Nockenwellenpositionssensor ermöglichte es dem DME, den Zündzeitpunkt einzelner Zylinder als Reaktion auf etwaige Klopfereignisse (die von zwei speziellen Klopfsensoren im Motorblock erkannt wurden) zu verzögern und ermöglichte außerdem eine echte sequentielle Kraftstoffeinspritzung. Durch die zeitliche Abstimmung jedes Einspritzvorgangs direkt vor dem Öffnen jedes Einlassventils konnten die Vorteile der Kraftstoffzerstäubung an der Einspritzdüsenspitze voll ausgeschöpft werden, was zu einem verbesserten Kraftstoffverbrauch und verbesserten Emissionen sowie einem gleichmäßigeren Leerlauf- und Teillastfahrverhalten führte.

Der 928 S4 von 1987 und der 964 von 1989 profitierten ebenfalls von diesem aktualisierten Motronic-System, das auch Fehlercodes für eine begrenzte Anzahl unregelmäßiger Fahrzustände speichern konnte. Zur Unterstützung der Diagnose können diese Fehlercodes mit dem Porsche System Tester (PST)-Scan-Tool gelesen werden.

Die andere Herausforderung, die Porsche bewältigen wollte, war die genaue und zuverlässige Messung des Luftstroms in den Motor. Während sich die mechanischen Luftmengenmesser als recht zuverlässig erwiesen , waren sie anfällig für den Verschleiß der elektrischen Wischerschienen, und ein starker Rückstoß durch den Einlass konnte das Gerät physisch beschädigen, indem er dazu führte, dass die beweglichen Flügel schleiften oder stecken blieben.

Noch wichtiger war, dass der Luftmengenmesser selbst eine Einschränkung des Luftstroms darstellte, was mit zunehmendem Hubraum des Porsche-Motors zum Problem wurde. Entgegen der landläufigen Meinung wurde diese Einschränkung jedoch nicht durch den Flügel selbst verursacht (Bosch-Testdaten zeigen einen Druckabfall von nur 0,017 psi über ihn), sondern durch den relativ kleinen rechteckigen Schlitz, der zur Messung des Luftstroms erforderlich ist.

Darüber hinaus war der Luftstrom in den Motor, der sowohl mit Geschwindigkeitsdichte- als auch mit Flügelrad-Luftstromsystemen gemessen wurde, traditionell eine indirekte Schätzung der Luftmasse. Das ideale (stöchiometrische) Luft/Kraftstoff-Verhältnis eines Benzinmotors zur Verbrennung des gesamten Kraftstoffs – das etwa 14,7 Teile Luft auf 1,0 Teil Kraftstoff beträgt – basiert effektiver auf der Masse der beteiligten Elemente.

Daher verwendete Porsche beim 928 mit 32 Ventilen erstmals einen Hitzdraht-Luftmassenmesser ( MAF ), um den Flügelrad-Luftmassenmesser früherer Systeme zu ersetzen (der 968 von 1992 verfügte über einen MAF- Sensor, aber der 911 erhielt dieses Update erst bei der Einführung). der Baureihe 993 im Jahr 1994). Der MAF- Sensor verwendet elektrisch beheizte Drähte, die in einem Rohr montiert sind und so kalibriert sind, dass es den Luftstromeigenschaften des Motors entspricht.

Das DME- Steuergerät überwachte den Strom, der zur Aufrechterhaltung einer konstanten Drahttemperatur erforderlich ist. Eine Erhöhung der durch den Sensor strömenden Luftmasse kühlte die Drähte ab, sodass das DME den Strom erhöhen musste, um die voreingestellte Drahttemperatur aufrechtzuerhalten. Das so erzeugte MAF- Signal wurde verwendet, um die tatsächliche Masse der in den Motor strömenden Luft genau zu messen, was die Genauigkeit des Motorlastsignals und damit die Genauigkeit der eingespritzten Kraftstoffmenge erheblich verbesserte.

Für das Modelljahr 1996 verfügten die in die USA fahrenden 993 über staatlich vorgeschriebene On-Board-Diagnosefunktionen (OBD-II) der zweiten Generation . Während frühere ( OBD -I)-Systeme nur grundlegende Fehlfunktionen wie einen völlig funktionsunfähigen Sauerstoffsensor oder eine Unterbrechung oder einen Kurzschluss in der Verkabelung eines Sensors erkennen konnten, überwachte OBD -II den Zustand der verschiedenen Bord-Emissionskontrollsysteme.

Ein zusätzlicher Sauerstoffsensor hinter jedem Katalysator überwachte den Zustand des Katalysators, und katalysatorschädigende Motoraussetzer konnten durch die Überwachung jeder plötzlichen Verzögerung der Kurbelwelle erkannt werden (und der fehlerhafte Zylinder konnte durch Überwachung der Korrelation zwischen den Nockenwellen- und Kurbelwellenpositionssensoren identifiziert werden). . Die Funktion des Sekundärlufteinspritzsystems wurde ebenfalls überwacht, zusammen mit der des Verdunstungs-/Kraftstoffdampf-Rückgewinnungssystems (weshalb ein lockerer Tankdeckel bei Fahrzeugen mit OBD -II-Funktion dazu führen kann, dass die Kontrollleuchte „Motor prüfen“ aufleuchtet).

Der 986 Boxster und die 996/997-Generation 911 verfügten über eine Weiterentwicklung des Bosch Motronic-Systems mit der variablen Nockenwellensteuerung VarioCam (die erstmals im Porsche 968 mit Frontmotor von 1992 eingeführt wurde), was für eine genaue Messung ein ausgefeilteres Hall-Effekt-Sensordesign erforderte die Nockenwellenposition.

Beim 996 Carrera 4 von 1999 und allen Motoren des Jahres 2000 wurde eine elektronische Drosselklappensteuerung (Drive-by-Wire) eingeführt, die die Integration der Drehmomentreduzierungsfunktion des Porsche Stability Management ( PSM ) ermöglichte.

Beim 3,6-Liter-996 Carrera von 2002 und allen Boxsters von 2003 wurde außerdem ein „rückgabefreies“ Kraftstoffsystem eingeführt. Durch dieses System entfällt die Kraftstoffrücklaufleitung vom Motorraum zum Tank, und nur die vom Motor benötigte Kraftstoffmenge wird den Kraftstoffverteilern zugeführt. Dadurch wurde das Problem gelöst, dass erhitzter Kraftstoff in den Kraftstofftank zurückfließt und dadurch die Kraftstoffverdunstungsemissionen erhöht werden.

Während die Motronic DME den Kraftstoff hervorragend dosierte und ihn sowie den Funken genau zum richtigen Zeitpunkt für eine optimierte Verbrennung lieferte, könnte der Verbrennungsprozess noch weiter verbessert werden, wenn der Kraftstoff direkt in den Brennraum eingespritzt würde.

Direkte Kraftstoffeinspritzung – das letzte Kapitel auf dem Weg von Porsche zur Optimierung der Verbrennung

Bei einem herkömmlichen Kraftstoffeinspritzmotor wird Kraftstoff in den Ansaugkrümmer eingespritzt, wo er sich mit der Luft vermischt. Dieses Luft-Kraftstoff-Gemisch wird dann beim Öffnen der Einlassventile in den Brennraum geleitet.

Porsche nutzt dieses Grundprinzip der Kraftstoffversorgung seit der Einführung der mechanischen Kraftstoffeinspritzung beim 911 in den 1960er-Jahren . Doch beginnend mit dem Cayenne im Jahr 2007 überarbeitete Porsche seine gesamte Motorenpalette mit der hochmodernen Direkteinspritzung (DFI).

DFI spritzt, wie der Name schon sagt, den Kraftstoff direkt in den Brennraum ein, sodass reine Luft durch den Ansaugkrümmer geleitet wird. Diese Änderung war besonders relevant für die zweite Generation des 997, wo das Update die erste große Überarbeitung der Kraftstoffeinspritztechnologie des Sportwagens seit 40 Jahren darstellte.

Durch die direkte Einspritzung des Kraftstoffs in den Zylinder mit Drücken von bis zu 2000 psi (ca. 137 Bar) werden eine bessere Verdampfung und eine gleichmäßigere Verteilung des Luft-Kraftstoff-Gemisches erreicht. DFI ermöglicht außerdem, dass der Kraftstoff näher an der Zündquelle (den Zündkerzen) eingespritzt wird, wodurch eine gleichmäßigere Flammenfront entsteht. Dies ermöglicht ein magereres Gemisch, als es sonst möglich wäre, was zu einer Verbesserung des Kraftstoffverbrauchs und der Emissionen führt.

DFI verbessert auch die Kühlung der Brennkammer und ermöglicht so die Verwendung größerer Verdichtungsverhältnisse, was wiederum zu einer höheren Effizienz und Leistung führt.

Darüber hinaus wurden die Kegelwinkel der Einspritzdüsen der Mehrlocheinspritzdüsen des 9A1-Motors (Porsche-Motormodellcode für die DFI-Flachsechszylinder, die in den Modellen 997.2 und 991 – einschließlich Turbos und späteren GT3s zu sehen sind) speziell berechnet, um Drehmoment, Leistungsabgabe und Leistung zu optimieren. Kraftstoffverbrauch und Emissionen.

Durch die direkte Einspritzung des Kraftstoffs in die Brennkammer kann das DFI-System außerdem mehrere Einspritzimpulse während einer einzelnen Verbrennungsphase aktivieren. Beim 9A1-Motor nutzt Porsche bei Kaltstarts und hoher Motorlast bis zu drei Impulse, ersterer zur Beschleunigung der Katalysatoraufheizung, letzterer zur Drehmomentoptimierung.

Das Motormanagementsystem kann den Einspritzzeitpunkt für jeden Zylinder des Boxers individuell regeln, außerdem lässt sich die Einspritzmenge für jede Bank steuern.

Um sicherzustellen, dass der Kraftstoff so effizient wie möglich verbrannt wird, werden die Abgase durch Lambda-Sensoren (Sauerstoffsensoren) im Abgassystem überwacht, die eine Rückmeldung an die Steuereinheit geben, sodass genaue „geschlossene“ Anpassungen vorgenommen werden können Mischung in Echtzeit.

Über einen Zeitraum von mehr als sechzig Jahren hat Porsche in seinen legendären benzinbetriebenen Verbrennungsmotoren kontinuierlich modernste Technologien eingesetzt, um eine saubere und effektive Verbrennung des Kraftstoffs sicherzustellen . Man kann mit Sicherheit sagen, dass die aktuellen Motormanagementsysteme von Porsche mit digitaler Motorelektronik und Direkteinspritzung hinsichtlich Leistungsentfaltung, Fahrverhalten und Abgasemissionen nach wie vor die Besten ihrer Klasse sind.

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