Motorsteuergeräte (ECUs)

Entstehung und Anwendung.

Die Geschichte der elektronischen Motorsteuergeräte, der so genannten ECUs (Electronic Control Unit / Engine Control Unit), ist ein Beispiel für die Entwicklung der Automobiltechnologie, die von der Notwendigkeit angetrieben wurde, die Leistung zu steigern, den Kraftstoffverbrauch zu senken und die Emissionen zu reduzieren. In den 1960er Jahren begannen die ersten Versuche, elektronische Steuersysteme in Autos einzuführen. Zunächst waren es einfache Systeme, die vor allem im Rennsport eingesetzt wurden. Der Durchbruch gelang 1968, als Volkswagen die D-Jetronic einführte, das erste elektronische Kraftstoffeinspritzsystem der Welt, das von Bosch entwickelt wurde. Dabei handelte es sich um ein System, das die Kraftstoffeinspritzung über Luftdruck- und Temperatursensoren steuerte.

In den 1980er Jahren wurden Mikroprozessoren entwickelt, die immer fortschrittlicher und zugänglicher wurden und die Entwicklung anspruchsvollerer Motorsteuerungssysteme ermöglichten. Die Digitaltechnik ermöglichte eine präzisere Steuerung der Verbrennungsvorgänge, was zur Verbesserung der Kraftstoffeffizienz und zur Reduzierung der Abgasemissionen beitrug. In dieser Zeit führte Bosch das Motronic-System ein, das die Kraftstoffeinspritzung und die Zündsteuerung in einer einzigen Einheit zusammenfasst.

In den 1990er Jahren wurden Steuergeräte in den meisten Fahrzeugen zur Standardausstattung, und diese Systeme wurden zunehmend integriert, wobei Funktionen zur Steuerung der Kraftstoffeinspritzung, der Zündung und anderer Aspekte des Motorbetriebs kombiniert wurden. Die Einführung von OBD-Systemen (On-Board-Diagnose) ermöglichte die Überwachung und Diagnose von Motorsystemen und erleichterte damit Wartung und Reparaturen. 

Steuergeräte sind im 21. Jahrhundert extrem anspruchsvoll geworden und integrieren Steuerfunktionen für viele Fahrzeugteilsysteme. Die Einführung strenger Abgasnormen wie Euro 4, Euro 5 und später Euro 6 zwang die Automobilhersteller zum Einsatz noch fortschrittlicherer Motorsteuerungstechnologien, einschließlich Abgasfiltration und selektiver katalytischer Reduktionssysteme. Steuergeräte begannen, eine Schlüsselrolle bei der Steuerung des Elektroantriebs, der Batterien und der Integration von Energierückgewinnungssystemen zu spielen, was mit der wachsenden Beliebtheit von Elektro- und Hybridfahrzeugen unerlässlich wurde.

Heutige autonome Autos verwenden ebenfalls fortschrittliche Steuergeräte, um nicht nur den Motor, sondern auch Fahrerassistenz- und autonome Fahrsysteme zu steuern. Dies zeigt, wie sich die Automobiltechnik weiterentwickelt hat, um den steigenden Anforderungen an Effizienz, Sicherheit und Umweltschutz gerecht zu werden. Elektronische Motorsteuergeräte sind zu einem integralen Bestandteil moderner Fahrzeuge geworden und ermöglichen eine immer ausgefeiltere Steuerung des Motorbetriebs.

Aufbau und Funktionsweise.

Ein elektronisches Motorsteuergerät wird oft auch als Motorcomputer bezeichnet. Das ist auch nicht verwunderlich, denn es ähnelt in Aufbau und Funktion einem Computer. Der Betrieb aller modernen Verbrennungsmotoren wird von einem elektronischen Steuergerät gesteuert. Jede nachfolgende Generation von Motorsteuergeräten hat eine komplexere Architektur und Software, die immer mehr Funktionen übernimmt. Die Software des Steuergeräts setzt eine Motorstrategie um, die auf den Wünschen des Fahrers basiert, und berücksichtigt dabei Dutzende von Momentanparametern und Sensorrückmeldungen sowie eine Reihe von Korrekturwerten, die die Abgasemissionen auf einem angemessenen Niveau halten.

Die Hauptaufgaben der ECU sind:

1. Verarbeitung von Sensorsignalen: Empfängt Daten von Sensoren, wie z. B. Temperatur-, Druck-, Luftstrom- und Kurbelwellenstellungssensoren, und verarbeitet sie zu Informationen, die für das Motormanagement nützlich sind.
2. Steuerung der Kraftstoffeinspritzung: Optimiert die Kraftstoffmenge und den Einspritzzeitpunkt in die Brennräume, um eine effiziente und saubere Verbrennung zu gewährleisten.
3. Zündmanagement (bei Benzinmotoren): Steuert den Zündzeitpunkt des Kraftstoff-Luft-Gemischs, um die Effizienz zu maximieren und die Abgasemissionen zu minimieren.
4. Kontrolle der Abgasemissionen: Steuert Abgasrückführungssysteme (EGR), Katalysatoren und Dieselpartikelfilter (DPF) zur Reduzierung der Emissionen.
5. Diagnose und Schutz: Überwacht den Zustand des Motors und seiner Komponenten, stellt Fehler fest, zeichnet Fehlercodes auf und leitet bei Bedarf Schutzmaßnahmen ein.
6. Kommunikation und Datenaustausch mit anderen Steuergeräten im Fahrzeug (ABS/ESP, Automatikgetriebe, Komfort- und Sicherheitsmodule usw.).

Die zentrale Komponente der ECU ist der Prozessor oder Mikrocontroller. Dies ist ein integrierter Schaltkreis, der die Programme ausführt, die den Betrieb des Motors steuern. Der Prozessor empfängt Signale von verschiedenen Sensoren, verarbeitet sie nach vorprogrammierten Algorithmen und sendet die entsprechenden Steuersignale an die Aktoren des Motors, z. B. Einspritzdüsen, Zündspulen, AGR-Ventil, Kraftstoffdruck- und Ladedruckregler usw. 

Steuergeräte-Firmware ist eine Reihe von Programmen und Algorithmen, die den Motorbetrieb steuern. Die Firmware wird in der Regel vom Fahrzeughersteller oder Steuergerätelieferanten entwickelt und ist entscheidend für den optimalen Motorbetrieb, die Kraftstoffeffizienz und die Einhaltung der Emissionsnormen.

Eine der Funktionen des Motorsteuergeräts ist die Motorstartverriegelung, die so genannte Wegfahrsperre. Dieses System soll verhindern, dass Unbefugte den Motor anlassen und so das Fahrzeug wirksam vor Diebstahl schützen.

Das Steuergerät verfügt über verschiedene Arten von Speicher:

1. ROM (Nur-Lese-Speicher): Enthält den festen Softwarecode (Firmware) des Controllers.
2. RAM (Speicher mit wahlfreiem Zugriff): Dient zur vorübergehenden Speicherung von Daten während des Steuergerätebetriebs.
3. EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory, elektrisch löschbarer programmierbarer Festspeicher) oder Flash-Speicher: Ermöglicht die Speicherung von Daten, die geändert werden können, wie z. B. Kraftstoffeinspritzungskennfelder oder Diagnoseeinstellungen.

Das Steuergerät verfügt über zahlreiche Ein- und Ausgänge, die die Kommunikation mit Sensoren und Motoraktuatoren ermöglichen:

1. Analoge Eingänge: Beispiele sind Temperatursensoren, Luftdruck im Ansaugtrakt, Drosselklappenstellung.
2. Digitale Eingänge: Signale von Kurbelwellenstellungssensoren, Nockenwelle, Fahrzeuggeschwindigkeitssignale.
3. Digitale Ausgänge: Steuerung von Kraftstoffeinspritzdüsen, Zündspulen, Abgasrückführungsventilen (AGR).

Die ECU kommuniziert mit anderen Steuergeräten im Fahrzeug über verschiedene Kommunikationsprotokolle, wie z. B.:

1. CAN (Controller Area Network): Ein beliebtes Kommunikationsprotokoll in Fahrzeugen, das den Datenaustausch zwischen verschiedenen Steuermodulen ermöglicht.
2. LIN (Local Interconnect Network): Dient der Kommunikation mit weniger kritischen Systemen, wie z. B. Komfortsystemen.
3. FlexRay und MOST (Media Oriented Systems Transport): Wird in fortgeschritteneren Kommunikationssystemen verwendet.

Das Steuergerät wird von der Fahrzeugbatterie mit Strom versorgt, und seine Schaltkreise müssen eine stabile Spannung für alle internen Komponenten liefern. Die ECU-Stromversorgung ist auch gegen Überspannungen und andere elektrische Störungen geschützt. 

Die ECU ist mit Diagnosefunktionen ausgestattet, die den Motorbetrieb überwachen und Fehler erkennen und melden können. Wenn ein Problem erkannt wird, kann die ECU den Fehlercode speichern und gegebenenfalls in den Notfallmodus wechseln, um Motorschäden zu vermeiden. Die ECU verfügt außerdem über Schutzmechanismen gegen Überspannung, Überhitzung und andere ungünstige Betriebsbedingungen.

Regenerationsprozess.

Unabhängig vom Umfang des Kundenwunsches beginnt unsere Arbeit mit der Reinigung und der äußeren Prüfung des Controllers. Falls erforderlich, wird das Steuergerät gereinigt, gefolgt von einer visuellen Inspektion, um sichtbare Fehler wie mechanische Beschädigungen, Undichtigkeiten, Anzeichen von Feuchtigkeit, lockere Stifte und dergleichen festzustellen. Anschließend wird die Kommunikationsfähigkeit mit dem Steuergerät überprüft, um eine Softwareanalyse durchzuführen und die Schaltkreise zu kontrollieren. Bei einigen Steuergeräten erfordert der Anschluss von Diagnosewerkzeugen und Programmiergeräten das Öffnen des Steuergeräts und den direkten Zugriff auf die auf der Leiterplatte montierten Komponenten. Nach dem Öffnen des Steuergeräts kann der Zustand der elektronischen Bauteile und ihrer Verbindungen überprüft werden, wobei sogenannte kalte Lötstellen identifiziert und korrigiert werden können.)

Die überwiegende Mehrheit der Reparaturen beschränkt sich jedoch auf Arbeiten an der Steuerungssoftware. Unser Angebot in diesem Bereich umfasst u.a.:

1. Controller-Diagnose und Software-Analyse,
2. Wiederherstellung von Treiberdaten,
3. Lesen des Pincodes (Sicherheitscode),
4. Zurücksetzen (Reinigen) der Wegfahrsperre,
5. Abmelden des Controllers,
6. Synchronisierung der Wegfahrsperre,
7. Änderung der VIN-Nummer,
8. Klonen des Controllers,
9. Aktualisierung der Controller-Software,
10. Programmierung eines neuen oder gebrauchten Steuergeräts,
11. Hochladen der Werkstreibercharge (sog. Virgin),
12. Deaktivierung des Abgasrückführungssystems,
13. Dauerhafte Deaktivierung des Start-Stopp-Systems,
14. Ausschalten der Vortex-Klappen,
15. Und vieles mehr...

Ursachen und Arten von Schäden

Die häufigsten Symptome eines Motorsteuerungsausfalls sind:

1. Der Motor lässt sich nicht starten oder wird kurz nach dem Starten abgewürgt.
2. Der korrekte Betrieb des Motors hängt von der Umgebungstemperatur und/oder der Luftfeuchtigkeit ab.
3. Ungleichmäßiger Motorbetrieb.
4. Keine Reaktion auf das Gaspedal.
5. Mangelnde Kommunikation.
6. Aktuelle Werte können nicht gelesen werden.
7. Fehlercodes können nicht gelesen werden.
8. Prüfsummenfehler.
9. CAN BUS-Fehler.
10. Dauerhafte Fehler, die nicht gelöscht werden können.

Die häufigsten Fehler im elektronischen Motorsteuergerät (ECU) sind:

1. Korrosion des Innenraums und der Kontakte - Feuchtigkeit und Wasser.
2. Mechanische Schäden - Vibrationen, plötzliche Überlastung.
3. Defekte an elektronischen Bauteilen und Anschlüssen - übermäßige Hitze, Feuchtigkeit, natürliche Alterung der Bauteile, instabile Stromversorgung (plötzlicher Stromstoß oder Spannungsabfall).