Technik: Einspritzelektronik Was summt denn da?

Wenn Fünfjährige Motorräder imitieren, dann klingt das wie "Bobbobb-Bobbobb", "Brrrrummmm-brrrummmm" und "Miiiieouuuung". Aber drehen Sie mal den Zündschlüssel an einem modernen Bike und lauschen: Das hört sich eher an wie ein Weltraum-Insekt. Oder ein Computer direkt nach dem Anschalten.

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Was summt denn da?

Die Assoziation mit dem PC liegt nahe: Viele aktuelle Motorräder vertrauen auf eine Elektronik, in deren Zentrum – wie bei dem Kasten zuhause unter dem Schreibtisch – eine CPU ("Central Processing Unit" = Zentrale Recheneineit) den Takt vorgibt – allerdings etwa fünfzig bis einhundert Mal langsamer als beim handelsüblichen Computer. Die CPU ist das Herz der ECU ("Engine Control Unit" = Motorsteuereinheit), auch bekannt unter ihrem Künstler­namen "Black Box", die das Betriebssystem, die Software und die Daten für alle elektronischen Vorgänge am und im Motorrad enthält. Am Beispiel der KTM 1190 RC8 hat PS einmal in Superzeitlupe aufgeschlüsselt, was die Black Box und die von ihr beaufsichtigten Komponenten in den ersten 2000 Millisekunden nach dem Zündschlüsseldreh veranstalten.
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Die ersten 800 Millisekunden

0,000 Zündschlüssel drehen
0,040 Die ECU sperrt als Erstes einmal den E-Starter, damit das Motorrad nicht angelassen werden kann, bevor alle Komponenten ihre Einsatzbereitschaft der ECU gemeldet haben.

0,042 Die Elektronik versorgt 9 Sensoren mit 5 Volt Arbeitsspannung. Insgesamt sind an dem Motorrad 14 Sensoren im Einsatz, 5 davon – zum Beispiel der
Seitenständer- und der Kupplungssensor – brauchen aber keine separate Spannungsversorgung, sondern gehen direkt auf Masse.

0,043 Die Kraftstoffpumpe nimmt die Arbeit auf und setzt die Kraftstoffleitungen unter Druck: 3,5 bar.

0,045 Die ECU initialisiert 25 ihrer 34 Ausgänge, das heißt, diese erhalten einen definierten Schaltzustand. Dieser Schritt ist wichtig, sonst könnte eine Komponente zum Beispiel den Zustand annehmen, den sie innehatte, als sie ausgeschaltet wurde – und da waren wahrscheinlich ganz andere Umgebungsbedingungen und Anforderungen aktuell.

0,046 Der Schrittmotor für die Leerlaufkontrolle startet die Initialisierung der Primärdrosselklappen. Zwar werden beiden Primärdrosselklappen direkt über einen Bowdenzug vom Gasgriff aus geöffnet und geschlossen, aber eine elektronisch betätigte Nocke regelt den Leerlauf-Anschlag der Drosselklappen. So realisiert der Einspritzmotor der RC8 die Funktion, die beim Vergasermotor dem Choke zukommt. Minimal später be­ginnt die Initialisierung der Sekundärdrosselklappen. Bemerkung am Rande: Die Primärdrosselklappe ist – vielleicht etwas verwirrend bezeichnet – jene, die von der einströmenden Luft als zweite passiert wird, also näher an den Einlassventilen sitzt.

0,048 Folgende Sensoren melden ab jetzt im Tausendstelsekundentakt (d. h. mit einer Frequenz von 1000 Hertz) ihre Messwerte der ECU: Drucksensoren in den Saugrohren, Drosselklappen-Potenziometer, Kurbelwellensensor und Schräglagensensor (unterbricht nach einem Sturz die Stromversorgung). Letzterer sitzt in der Lampenmaske und funktioniert wie ein Pendel – was im Fahrbetrieb nicht stört, weil dann die Fliehkräfte in den Kurven das Pendel vom kritischen Bereich fern­halten. Erst wenn diese Fliehkräfte fehlen und das Motorrad trotzdem eine große Schräglage einnimmt, geht der Motor aus. Wer eine RC8 zur Hand hat, kann sie ja mal bei laufendem Motor im Stand vorsichtig auf die Seite legen.

0,049 Mit 100 Hertz gehen ab jetzt folgende Messwerte an die ECU: Temperatur der Ansaugluft, Umgebungsdruck, Sauerstoffgehalt im Abgas (wichtig für die optimale Gemischbildung und bestmögliche Funktion des Katalysators), Gang, Kupplungs- und Seitenständerposition (wenn der Ständer bei eingelegtem Gang und eingerückter Kupplung ausgeklappt ist, unterbricht die ECU die Zündung) und zu guter Letzt die Batteriespannung. Die muss das System kennen, weil sie unter anderem die Ladedauer der Zündspulen mitbestimmt.

0,050 Ab jetzt fordert die ECU mit 10 Hertz über die zentrale digitale Datenleitung, den CAN-Bus, die Kühlmitteltemperaturen der beiden ­Zylinder vom Dashboard an. Die Tempe­raturen der beiden Zylinder werden einzeln ­gemessen und ihre Kühlung über je ein eigenes Thermostat gesteuert, weil der hintere normalerweise wärmer läuft als der vordere – 5 Grad Celsius Differenz sind normal, im extremen Renn­betrieb können es auch einmal 10 sein. Nur weil diese Werte digital, also in Form ­einer 0/1-Reihe vorliegen, können sie überhaupt über den CAN-Bus transportiert werden. Die meisten anderen Sensoren an der KTM arbeiten analog und übermitteln demzufolge ihre Werte auf dem klassischen Weg – digitale Sensoren sind derzeit noch teuer und schwer. Die Gewichtsersparnis, die eine digitale Datenleitung an und für sich mit sich bringt, wäre dann schnell wieder dahin.

0,053 Jetzt kommt die Diebstahlsicherung ins Spiel: Steckt tatsächlich ein registrierter Schlüssel im Zündschloss? 6 Tausendstel­sekunden lang schicken ECU und Wegfahrsperre aus Zufallszahlen berechnete Werte hin und her. Nur wenn dabei mehrfach identische Ergebnisse herauskommen, arbeitet die Elektronik überhaupt weiter. Wenn nicht, also wenn jemand versucht, das Motorrad kurzzuschließen, regt sie sich erst wieder, nachdem die Zündung aus- und erneut eingeschaltet worden ist.

0,800 Aus Kühlmitteltemperatur, Ansauglufttemperatur, Umgebungsdruck, Drosselklappenöffnung und Batteriespannung bestimmt die ECU die Start-Einspritzdauer. Die Einspritzdüsen kennen nur zwei Zustände: offen und geschlossen. Für den Übergang vom einen zum anderen brauchen sie bei optimaler Batteriespannung ungefähr 0,5 Tausendstelsekunden. Die ein­gespritzte Kraftstoffmenge ergibt sich also – konstanten Druck in der Zuleitung vorausgesetzt – unmittelbar und linear aus der Einspritzdauer.

0,801 Der Schrittmotor öffnet die Drossel­klappen auf Leerlaufposition.
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Zeitlupe: ab 1000 bis 2000 Millisekunden

1,502 Wenn jetzt alle Sensoren ihr Okay ­geben – Motorrad steht aufrecht, Getriebe ist im Leerlauf oder der Seitenständer eingeklappt, registrierter Schlüssel steckt – gibt die ECU den E-Starter frei.

1,600 Der Fahrer drückt den Startknopf, der Anlasser versetzt die Kurbelwelle in Rotation.
1,601 Der Kurbelwellensensor meldet der ECU die Drehbewegung. Anhand unterschiedlicher Zahnabstände am Geberzahnkranz (siehe Seite 49, Grafik rechts unten) kann die ECU erkennen, in welcher Position sich die Kurbelwelle befindet. Zyklus­erkennung beginnt.

1,650 Die ECU empfängt ein langes Zahn-Sig­nal; ab diesem Moment ist die Kurbelwellenposition genau bekannt.

1,655 Der Kolben im hinteren Zylinder ist am unteren Totpunkt (UT).

1,670 Beide Einspritzdüsen spritzen für 5 Tausendstelsekunden Kraftstoff in die beiden Saugrohre, also jeweils zwischen die primäre Drosselklappe und die Einlassventile. Es trägt zu einer guten Gemischbildung bei, wenn die Einspritzdüsen irgendwo dagegen spritzen, und nicht in einen möglichst reflexionsfreien Raum.

1,765 Der Kolben im hinteren Zylinder ist am oberen Totpunkt (OT). Die Kurbelwelle dreht sich jetzt etwa mit 300/min.

1,770 Die Zündspule des vorderen Zylinders wird geladen. Weil die Batteriespannung gemessen wird, kann die Black Box berechnen, wie lange die Spule für einen Ladevorgang braucht.

1,773 Die Zündspule am vorderen Zylinder wird ausgeschaltet, damit gibt sie ihre Ladung schlagartig an die Zündkerze weiter. Diese erzeugt einen etwa 750 °C heißen Zündfunken; der Kolben im vorderen Zylinder steht jetzt etwa 8 Grad vor OT.

1,774 Der Zündfunke entzündet das eingespritzte Gemisch.

1,780 Der Kolben im vorderen Zylinder ist am Zünd-OT, Ein- und Auslassventile des vorderen Zylinders sind geschlossen.

1,786 Maximaler Verbrennungsdruck im vorderen Zylinder. Im ersten Arbeitstakt nach dem Anlassen herrschen hier etwa 550 °C; bei betriebswarmem Motor bis zu 1300 °C. Bis die Flammfront aus der Zylindermitte an der 51 Millimeter entfernten Zylinderwand ankommt, kühlt sie auf etwa 120 °C ab. Hier liegt die Kehrseite kurzhubiger Motoren, wie sie auf der Jagd nach Drehzahlen gebaut werden: Die Verbrennung wird insbesondere im unteren Teillastbereich, also beispielsweise im Schiebebetrieb immer inhomogener und schwerer zu kontrollieren; das verschlechtert das Ansprechverhalten. Um dem entgegenzusteuern, wird das Gemisch auch ohne Last um ungefähr 15 Prozent angefettet – was sich in höherem Verbrauch und in Schwierigkeiten bei der Homologation äußert.

Noch eine Schlussfolgerung daraus: Wer mit seinem Motorrad auf die Rennstrecke geht, wo Abgas-Grenzwerte keine Rolle spielen und das Ansprechverhalten bei niedrigen Drehzahlen kein zentrales Problem ist, findet eine Menge Optimierungspotenzial in der Abstimmung der Einspritzelektronik.

1,787 Ab jetzt wird bei jedem Geber-Zahn, der sich am Kurbelwellensensor vorbeidreht, die Motordrehzahl neu berechnet: Wenn sich beispielsweise 24 Zähne gleichmäßig auf dem Umfang verteilen und zwischen zwei Zahn-Sig­nalen 0,002 Sekunden vergehen, heißt das, die Kurbelwelle rotiert pro Minute 60/(24*0,002)-mal, also mit 1250/min.

1,819 Die Auslassnockenwelle des vorderen Zy­linders beginnt, dessen Auslassventile zu öffnen


1,821 Die Zykluserkennung ist abgeschlossen, die Bordelektronik weiß jetzt genau, in welchem Takt sich welcher Zylinder befindet. Ab dem nächsten Zyklus werden alle 720° Kurbelwinkel zylinderselektiv eingespritzt. (Nicht mehr in beide Zylinder gleichzeitig, wie zu Sekunde 1,670, als der Elektronik nur die Kurbelwellenposition bekannt war.)


1,827 Die Einspritzdauer wird aus dem Mapping mit der Drehzahl und der Gasgriffstellung als Eingabegrößen abgelesen: Das Mapping („Kennfeld“) ist im Prinzip eine recht übersichtliche Tabelle, in der ungefähr 20 Drehzahlwerten und ebenso vielen Gasgriffwinkeln eine Einspritzdauer zugeordnet ist. Allerdings verteilen sich diese jeweils 20 Werte nicht gleichmäßig: Bei niedrigen Drehzahlen und kleinen Gasgriffwinkeln liegen sie eng beieinander, weil ein Motor in diesen Bereichen viel aufwendiger abzustimmen ist. In höheren Drehzahlen und bei weiter geöffnetem Gasgriff werden die Abstände der Eingabewerte, für die eine Einspritzdauer hinterlegt ist, größer. Wenn die aktuelle Drehzahl und/oder die aktuelle Drosselklappenposition nicht genau in der Tabelle vorhanden sind, interpoliert die ECU die Einspritzdauer. Das bedeutet, sie errechnet aus den benachbarten Werten, die in der Tabelle stehen, die erforderliche Einspritzdauer. Anhand der Temperaturen von Kühlmittel und Ansaugluft, anhand des Saugrohrdrucks sowie anhand der Batteriespannung wird die Einspritzdauer noch einmal korrigiert: Je niedriger beispielsweise die Batteriespannung, desto länger brauchen die Einspritzdüsen, um vom geschlossenen in den geöffneten Zustand (und umgekehrt) zu wechseln.


1,830 Der Einspritzimpuls an der vorderen Einspritzdüse beginnt. Dauer: 0,010 Sekunden.


1,853 Die Zündspule des hinteren Zylinders liefert den Zündfunken.


1,857 Die Zündkerze des hinteren Zylinders entzündet das eingespritzte Gemisch.

1,860 Kolben im hinteren Zylinder ist am OT.

1,866 Maximaler Verbrennungsdruck im hinteren Zylinder.

1,870 Wieder wird mit aktueller Drehzahl und Gasgriffstellung als Eingabegrößen eine Einspritzdauer aus dem Mapping abgelesen, interpoliert und mit den Sensordaten korrigiert. Die Kurbelwelle hat jetzt ihre ersten zwei Umdrehungen hinter sich, rotiert mit etwa 1000/min und wird nach zwei weiteren Umdrehungen ihre Leerlaufdrehzahl von 1550/min („Bobbobb-Bobbobb“) erreichen. Bei Betriebstemperatur öffnet jede Einspritzdüse im Leerlauf 775-mal pro Minute für etwa 0,002 Sekunden. Bei Volllast (10 500/min, Gashahn auf Anschlag, „Miiiieouuuung“) spritzt jede Düse 5250-mal pro Minute für bis zu 0,0096 Sekunden Kraftstoff ein. Der Verbrauch liegt dann bei über 16 l/100 km. Mit anderen Worten: Die Einspritzdüsen sind bei Volllast 50,4 Sekunden pro Minute, 84 % ihrer Arbeitszeit geöffnet. Das Gemisch bleibt aber so lange im Einlasstrakt, bis die Einlassventile öffnen.
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Martin Forster im Interview

? Wie viel Anteil hat die Elektronik daran, wenn man Leistung aus einem Motor kitzeln will?
! Die Spitzenleistung macht bei der Abstimmung des Mappings vergleichweise wenig Arbeit; was da möglich ist, bestimmt viel mehr die konstruktive Auslegung des Motors. Deutlich länger sitzen wir daran, ein sanftes Ansprechen und saubere Entfaltung in niedrigen und mittleren Drehzahlen, vor allem bei geringen Lasten hinzubekommen – das ist umso schwieriger, je mehr ein Motor auf hohe Drehzahlen und Spitzenleistung getrimmt ist. Dafür kann auch mal ein halbes Jahr ins Land gehen.

? Werden Motorräder immer elektronischer, oder gibt's irgendwann eine Grenze?
! Eine Grenze ist sicher erreicht, wenn größere mechanische Bauteile elektrisch bewegt werden sollen. Für Ventile, die über Relais betätigt werden, – die Idee gab es natürlich schon – bräuchte man zum Beispiel eine unsagbar starke Lichtmaschine. Und ich glaube nicht, dass eine top-funktionierende Traktionskontrolle beim Motorrad in näherer Zukunft in Serie kommt. Dafür sind viele Messwerte nötig, die sich mit vertretbarem finanziellen Aufwand nicht vernünftig messen lassen. Was derzeit auf dem Markt ist, sollte "Anfahrhilfe" heißen, denn es funktioniert nur beim Geradeausfahren; und das System der Ducati 1098R muss der Fahrer jedes Mal auf die Gegebenheiten einstellen.

? Gibt's Dinge, die dich an deinem Job nerven?
! Solange es darum geht, Ideen zu haben und sie zu testen, nervt überhaupt nichts. Selbst wenn wir einen ganzen Tag im Regen herumfahren, um ein Mapping zu optimieren, und am Ende kein vernünftiges Ergebnis haben, mach ich das grundsätzlich gern. Nur wenn der Papierkram überhand nimmt, hören mich die Kollegen fluchen. Ach ja, mich ärgert auch, dass die Elektronik oft an allem schuld sein soll – dabei kennt ein Computer keine Fertigungstoleranzen: 3 Millisekunden sind immer 3 Millisekunden, nie 2,998 und nie 3,002. Wenn ein Motor beispielsweise im Schiebebetrieb ruckelt, ist das viel eher ein konstruktives Problem und eines der Abgasgesetze – wir Elektroniker können recht wenig dafür.

? Wie sieht es überhaupt mit gesetzlichen Abgas- und Geräuschbestimmungen aus?
! Gäb es die nicht, wäre mein Job leichter, und die Tuner hätten auch fast nichts mehr zu tun. Auf der anderen Seite müssen wir Techniker uns der Realität stellen und die Herausforderung annehmen.

? Könntest du einem Zweitaktfan die Einspritzung der RC8 so umprogrammieren, dass sie sich so spitz anfühlt wie ein Zweitakt-Renner?
! Ich weiß zwar nicht, warum man das wollen sollte, aber das wäre nicht besonders schwer.

? Wenn jetzt ein PS-Leser denkt: "So einen Job wie der Forster würd ich auch gern machen" – was rätst du ihm?
! Das Allerwichtigste ist, dass er sich für ­Motorräder begeistert und eine gründliche Ahnung davon hat, was in einem Motor passiert, wie alles miteinander zusammenhängt. Selbst Motorrad zu fahren ist ein absolutes Muss; viel wichtiger zum Beispiel, als programmieren zu können. Den Hauptteil der Arbeit nimmt die Abstimmung ein; die Elektronik mit Zahlen zu füttern, ist nicht so kompliziert.

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