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1 Lucas Einspritzanlagen für den Rover-V8

Lucas Einspritzanlagen für den Rover-V8

Einleitung

Es gibt, am Beispiel des Range Rovers insgesamt 4 verschiedene ECU-Systeme. Der Range Rover Classic erhielt zunächst die "4CU" und zuletzt die "14CU" bzw. "14CUx". Mit dem P38-RangeRover wurde die "GEMS" eingeführt Kompendium zur GEMS hier, die als wesentlichen Fortschritt eine verteilerlose Zündanlage integriert hatte. Die letzten Baureihen des P38 hatten eine Bosch-Motronic; man erkennt diese Motoren daran, daß sie nicht mehr diesen "Kasten" mittig oben auf dem Motor haben (das "Plenum"-Gehäuse), sondern acht erkennbare, flachliegende Saugrohre. Im Folgenden geht es nur um die Anlage des Range Rover Classic. Die Lucas-Anlagen sind im Grunde baugleich zur Bosch-L-Jetronic. Im Buch von Des Hammill ("How To Power Tune The Rover V8") ist das auch nachzulesen; Lucas hat da unter Lizenz gefertigt. Daher verwundert es vielleicht nicht ganz so sehr, wenn z.B. Sensoren und Düsen mit Standard-Bosch-Steckern bestückt sind. Von Bosch selbst gibt es ein Buch "Ottomotor-Management", in der die Jetronics, aber auch Motronic-Anlagen und Dinge wie Zündkerzen ganz gut beschrieben sind (ISBN 3528038772). Aus diesen beiden Büchern und Internetlinks (an passender Stelle eingefügt) werden die folgenden Informationen entnommen sein - Ziel ist an dieser Stelle, eine Übersicht zu geben und nicht den Anspruch auf das Standardnachschlagewerk zu erheben. Es lohnt sich also, den Links zu folgen, weil dort, besonders für die 4CU sehr tief gehende Daten und Grafiken stecken. Bedeutsam kann das sein, wenn man sich mit Fehlern herumschlagen muß. Die 4CU entstammt immerhin Zeiten, als der Commodore C64 noch nicht verkauft wurde und damals war die Haltbarkeit elektrischer Bausteine noch nicht ganz so gut, wie heute. Es gibt als Zwischenschritt von 4CU zur 14CU/CUx eine Lucas 13CU. Die 13CU und 14CU sind wohl gleich in dem, daß sie beide mit Luftmassenmesser ("Hotwire", s.u.) arbeiten, die 14CU jedoch mit neueren elektr. Bausteinen bestückt und entsprechend kleiner war. Im engl. Wiki (Klick) steht, daß die 13CU und 14CU nur für den 3.5er liefen; das kann aber nicht korrekt sein, weil die erste Serie des 3.9er V8 im Range Rover Classic eine 14CU hatte (so eine ECU hat der Autor dieser Zeilen nämlich im Auto gehabt).

Allgemeines für Lucas-4CU und 14CU und 14-CUx:

Benzinpumpe

Beim RangeRover sitzt eine Benzinpumpe im Tank, bzw. sie ist von oben in den Tank eingelassen, der Pumpenkörper befindet sich am Tankdach und über ein Steigrohr wird angesaugt. An der untersten STelle ist ein Drahtnetz als Grobfilter. Die Benzinpumpe ist darauf ausgelegt, dauerhaft 5bar Druck zu erzeugen. Dieser Druck wird im System aber nie zustandekommen, denn ein "hinter" den Einspritzdüsen liegender Druckregler beschränkt den Druck auf 2,5bar. Die Benzinpumpe stellt durch die "Überqualifikation" in allen Lebenslagen sicher, diesen Druck zu erzeugen - unabhängig von Schwankungen im Bedarf und Stromspannungsvarianzen. Das ist durchaus wichtig, weil so die Einspritzdüsen vorhersehbare Mengen einspritzen können. Die ECU steuert das Relay an, welches den 12V-Arbeitsstrom an die Benzinpumpe liefert. Wird die Spritpumpe ausgeschaltet, darf der Benzindruck (am Benzinfilter gemessen) um 0,7bar pro Minute abfallen.

Benzinfilter

Hinter der Spritpumpe fließt das Benzin als nächstes durch den Benzinfilter. Das Filterelement ist aus Papierstoff. Die mittlere Porenweite liegt im Bereich von 10mikrometer.

Fuel-Rail

Über die Benzinleitung kommt das Benzin dann am Fuel-Rail des Motors an. Das FuelRail ist ein Rohrbogen, geformt wie ein nicht ganz geschlossenes "O". und an beiden langen Seiten sind die Einspritzdüsen befestigt. Auf einer Seite ("Eingang") des Rohres wird der Kraftstoff zu den Düsen gedrückt und, am anderen Ende ("Ausgang"), hinter den Düsen sitzt der Druckregler. Der "Überdruck an Benzin", der von der Pumpe generiert wurde, fließt zurück zum Tank. Weil die Pumpe eben Überschuß leistet, ist dieser Rückstrom ein ständiger. Das sorgt für eine Kühlung des Benzins bzw. Benzin wird im FuelRail nicht lange genug verweilen, um Dampfblasen zu bilden. Üblicherweise (ich schätze auch bei der 4CU) wird die Spritpumpe nach Einschalten der Zündung schon anlaufen, um Druck im FuelRail aufzubauen (und ggf. Gasblasen weiterzutransportieren), damit der Motor gut anspringen mag. (Ob die Pumpe dann wieder abgeschaltet wird, wenn der Motor nach wenigen Sekunden immer noch nicht angelassen wird, weiß ich bei der 4CU nicht. Sinn würde es jedenfalls machen und bei der 14CUx ist es der Fall).

Druckregler

Über den Benzindruckregler ist noch zu sagen, daß er durch eine Membran in zwei Kammern geteilt wird. Eine Feder drückt die Membran gegen den Benzindruck, überschreitet letzterer die eingestellte Kraft der Feder, wird der Rückstromkanal freigegeben und Überdruck des FuelRails zurück in den Tank geleitet. Zu beachten ist, daß die Kammer, in der die Feder arbeitet mit dem Saugrohr verbunden ist. Liegt dort ein Unterdruck an (Leerlauf), wird die Kraft der Feder vermindert. Ist der Saugrohrdruck hoch (Vollast), kann die Feder unbeeinträchtigt arbeiten - das heißt, jetzt wird der Benzindruck etwas höher liegen. Andersrum - beim Leerlauf mit geringem Saugrohrdruck (entspr. hohem Unterdruck) wird der Benzindruck geringer, weil der Rückstrom früher öffnet. Sinn ist auszugleichen, daß eine Düse leichter in einen Unterdruck spritzen kann und so tendenziell mehr einspritzt, als bei hohem Saugrohrdruck. Durch die Saugrohrdruckabhängigkeit des Druckreglers wird dafür gesorgt, daß die Einspritzmenge saurohrdruckunabhängig wird.

Einspritzdüsen

Mit dem FuelRail sind, über ein kurzes Stück Schlauch, 8 Einspritzdüsen verbunden. Die Düsen spritzen schräg in den Luftstrom, kurz vor das Einlaßventil ein - jeweils eine pro Zylinder. Das ist recht vorteilhaft, weil - im Gegensatz zu Vergasermodellen - jeder Zylinder zuverlässiger dasgleiche Gemisch erhält und die direkte Zufüllung fördert den Drehmomentverlauf. Die Düsenspitzen sind bei der 4CU mit einem Gummi-O-Ring gegen das Saugrohr abgedichtet; bei der Bosch-Jetronic erfolgt die Fixierung offenbar durch Gummiformteile, um Wärmeübertragung und Gasbasenbildung und Vibrationsbelastung zu minimieren (Beim Rover hier sind es m.W Metallplatten, die jeweils zwei Düsen festklemmen). Bei der 14CU/14CUX sind die Düsen in passende Hülsen am FuelRail geschoben und dichten dort mit einem Gummiring, kleine "U"-förmige Metallklammern helfen, sie darin zu fixieren. Die Einspritzdüsen sind bei der 4CU sogenannte "Low Impedance"-Düsen, bei der 14CU/14CUx "High Impedance". Das bezieht sich auf den elektrischen Widerstand der Magnetventilwicklung im Düsenkörper und hat eine Bedeutung primär nur für die Bauteile im Inneren der ECU, die darauf ausgerichtet sein müssen - denn Low-Impedanzdüsen können nicht mit ganzen 12V betrieben werden. High-Impedance heißt, daß man über die beiden Kontaktpins der Düse einen Widerstand von rund 15Ohm (Varianz von 11-16) und bei Low-Impedance um 3Ohm (<1 bis 5) misst. Um eine ausgebaute High-Impedanz-Düse zu testen kann man ihre beiden Kontaktpins kurz mit 12V Batteriepolen verbinden. Man hört dann ein deutliches "Tick"-Geräusch, wenn der Elektromagnet in der Düse die Nadel abhebt. Die Leerlaufgeräusche übertonen das ansonsten gut vernehmbare Geräusch, aber es hilft bereits, ein Rohr als "Stethoskop"/Hörrohr auf eine Düse zu setzen. Die Düse längere Zeit manuell unter Strom zu setzen ist evtl. nicht gut für sie, im Betrieb ist eine Düse immer "gepulst". Also kein Einspritzvorgang für eine Zylinderbeschickung dauert so lange, daß die Düse bis zur nächsten Aktion nicht eine Weile geschlossen wäre. Das ist auch wichtig, denn es bedeutet, daß die maximale Einspritzmenge nicht ausgeschöpft wird. Leistungssteigerungen weit über die Serienauslegung hinaus können dazu führen, daß der Kraftstoffbedarf dazu führt, daß die Düse bei Vollast tatsächlich permanent geöffnet ist. Ein Problem bestünde hier, wenn der Motor für sicheren Vollastbetrieb (cave: Abmagerung. S."Risse im Block") nun noch mehr Sprit benötigte - aber mehr als permanent geöffnet sein kann die Düse dann nicht mehr. In diesem Fall müsste man sich bei der reichhaltigen Auswahl an Bosch-Einspritzdüsen bedienen und welche mit größerer Durchflußmenge bestellen (s.link) (was das Steuergerät dazu natürlich verarbeiten können müsste). Die Düse für einen 3.5er hat 180ml/min Durchfluß 3.9er hat einen Durchfluß von etwa 190ml/min (bezogen auf Benzin und 20°); vereinzelt schwanken die Angaben dazu im Internet (bis 210ml/min für 3.9er Düsen), denkbar daß Rover verschiedene Düsen verwendete - oder es wurden verschiedene Meßmedien oder Meßdrücke verwendet. Im Allgemeinen liegen die Flußraten der Land/Range-Rover Düsen offenbar aber verdächtig eng beieinander. Mit den Flußraten liegen diese Düsen relativ niedrig, sind also "kleine" Düsen. Vorteilhaft ist das, weil die Mengen im Leerlauf dann dank längerer Pulsdauer besser bemessen werden können; mit dem Nachteil, daß die Düse bei Vollast länger auf sein muß - eben alles Auslegungssache. Sollte der Durchfluß nicht ausreichen, bestünde die Möglichkeit, den Benzindruck mittels anderem Druckregler zu erhöhen. Das Maximum wird hier bei 3,0bar liegen. Wenn eine Düse angesteuert wird, wird die Düsennadel um 0,1mm abgehoben - das reicht, um genug Benzin durchzulassen. Anzugs- und Abfallszeit liegen bei 1,0-1,5ms (in dieser Zeit ist also noch nicht voller Durchfluß da, bzw. findet immer noch welcher statt. Das ist etwas was in der Programmierung vom Steuergerät beachtet werden muß). Im Buch von DesHammil wird von zwei verschiedenen Typen an Düsen gesprochen, solche mit Düsennadel (von denen bisher stets hier die Rede war) und "disc-type" Düsen. Die Unterscheidung ist für den Betrieb nicht so belangvoll. Genaueres findet sich hier.

Luftfilter

Die Frischluft wird natürlich erst vom Luftfilter gereinigt, hinter dem dann auch gleich der Luftmengenmesser (3.5er) oder später als Weiterentwicklung der Luftmassenmesser (3.9er) liegt. Ein Luftfilter hat in Serienprodukten meist einen Papiereinsatz. Der STaubgehalt der Luft wird im Mittel auf 1mg/Kubikmeter Luft geschätzt. Bei ungünstigen Bedingungen (staubige Straße, Baustelle, OffRoad) kann der Staubgehalt auf 40mg pro Kubikmeter und mehr steigen. Auf eintausend Straßenkilometer kämen theoretisch 50g Staug in der Ansaugluft zusammen. Luftfilter aus Papier klingen billig und sind es sicher auch, haben aber deswegen nicht nur Nachteile. Es gibt als Alternative z.B. Filterelemente von K&N, das sind vom Prinzip Baumwollgewebe in einem stützenden Drahtgeflecht, die mit Öl getränkt sind. Er ist kein "Einweg"-Filter, sondern wird irgendwann gereinigt und mit neuem Öl getränkt. Lagert sich Staub an, saugt er sich mit Öl voll und vergrößert die Filteroberfläche. Die Standzeit des Filters wird als ein Mehrfaches gegenüber Papierfiltern angegeben. Nicht ganz klar ist, ob die Filterwirkung mit den Papierfiltern mithalten kann. Es scheint so, als ließe ein K&N noch kleinere Partikel mit durchschlüpfen. Was wiederum die Frage aufwürfe, ob das überhaupt schlimm ist bzw. ob so kleine Partikel nicht einfach mit dem Abgas wieder ausgestoßen sind. [wer dazu fundiertes Info hat, bitte hier eintragen]. Ungünstig scheinen die K&N-Filter zu sein, wenn das Fahrzeug in der "Sahara" bewegt wird. Die großen Staubmengen verkleben am Filter und die Reinigung ist unangenehm. Einfacher ist dann, Papierfilter auszuklopfen.

Luftmengenmesser

Der Luftmengenmesser gibt der "L-Jetronic" ("L" = Luft) ihren Namen und arbeitet über eine im Luftstrom liegende, federbelastete Klappe. Hier ein Bild des Gehäuses: Luftmengenmesser. Die angesaugte Luft prallt gegen diese Klappe und lenkt sie mehr oder weniger weit aus. Diese Auslenkung mißt ein Potentiometer. Wegen dieser Klappe wird dieses System im Englischen auch "Flapper" genannt. Das Potentiometer wird mit maximal 4,5Volt vom Steuergerät beschickt, und bei Leerlauf liegt ein geringer Widerstand über dem Potentiometer an (so daß man über ihm eine hohe Spannung mißt) während bei Vollgas ein hoher Widerstand anliegt (und man nur eine geringe Spannung mißt). Bei Leerlaufstellung wird man eine Spannung von 3,5V messen und bei voll geöffneter Klappe 1,6V. Der Luftmengenmesser ist mit drei Kabeln zur ECU verbunden: ein grünes (Masse), ein rotes (Spannungssignal zur ECU) und ein gelbes (4,5Volt Spannungszufuhr). Es gibt eine Gemischschraube, mit der Luft in einem "Bypass" an der Klappe vorbeigeleitet wird. Damit stellt man das Leerlaufgemisch ein. Ein Problem ist, daß der Mengenmesser mit der Zeit einer Alterung unterliegt und bspl. die Feder oder Schwergängigkeit der beweglichen Teile falsche Signale verursachen können. Man kann den Luftmengenmesser justieren. Dazu müsste man mit Kabeln ein Voltmeter mit ihm verbinden und bei Vollast die Spannung messen. Bei denkbar kältester Ansaugluft sind 1,63Volt anzustreben. Details zur Funktion und Aufbau. Hier findet man unter "Airflowmeter - adjusting" eine Anleitung, wie man da was einstellt. Im Falle der abrupten Beschleunigung kann ein Problem auftauchen - die Drosselklappe wird dabei schlagartig aufgerissen und das Gemisch magert kurzzeitig ab (das Auto "stuckert", weil Luft schneller in den Brennraum gelangt, als das "schwerere" Benzin. Durch die Position der Düsen direkt vor die Ventile ist dieser Effekt gering, aber vorhanden. Passiert nun also diese rasche Drosselklappenöffnung, wird sowohl die Luft, die die Brennräume verlangen als auch die Luft die das Saugrohrgehäuse ("Plenum Chamber") füllt durch den Luftmengenmesser. Die Klappe schwingt dabei kurzzeitig stärker aus, als für die Brennräume sinnvoll und dadurch wird das Gemisch passager angereichter, was das "Stuckern" nicht auftreten läßt. Während des Warmlaufes reicht das nicht, und offenbar zählt die Geschwindigkeit der Stauklappenbewegung in die Berechnung mit ein.

Die Luftmengenmessung ist generell eine feine Sache. Das Signal des Luftmengenmessers eilt der Zylinderfüllung etwas voraus, denn bis dorthin ist es ja noch ein Stück, so daß das Gemisch bei Lastwechseln stets passend geregelt werden kann. Zudem werden motorseitige Änderungen wie Verschleiß, Brennraumablagerungen und Ventilsteuerungsveränderungen berücksichtig - so der "Original-Ton" von Bosch. Nun gibt es aber ein Problem: Die Luftdichte kann verschieden sein. Einerseits durch die Temperatur. Dieses Problem ist recht einfach in den Griff zu kriegen - im Luftmassenmesser sitzt eingangs ein Temperatursensor. Daneben aber kann die Luftdichte auch Höhenbedingt schwanken; in den Alpen kann die Luft auch 20° warm sein und dennoch ist die Dichte anders, als an in Nordfriesland. Das kann erst mit einem Luftmassenmesser beherrscht werden. Während also der Luftmengenmesser eher das Volumen mißt, kann der Luftmassenmesser besser die tatsächliche Menge an Sauerstoffatomen bemessen (bei höherer Dichte enthält dieselbe Menge Luft natürlich auch mehr Sauerstoff).

Luftmassenmesser

Der Luftmassenmesser wird auch "Hitzdraht"-Luftmassenmesser genannt (es gibt auch einen "Hitzfilm"-Luftmassenmesser, aber nicht in diesem Kontext). Hier ein Bild des Gehäuses: Luftmassenmesser. Kernbaustück des Luftmassenmessers ist ein 70mikrometer dünner Platindraht, der elektrisch beheizt wird. Und auch hier ist ein Temperatursensor für die Ansaugluft vorhanden. Weil der Draht, wie gesagt, erhitzt wird, sprechen die Engländer gern von "Hotwire" (= heißer Draht) und weil der Hotwire als wesentlichen prinzipiellen Unterschied die Lucas 14CU/CUx von der 4CU abhebt, wird der Ausdruck Hotwire oft als Synonym mit der gesamten Bauanlage des neueren Einspritzsystems vestanden ("Flapper" wäre entsprechend das Synonmy für die 4CU-Anlage). Das "H" für Hitzdraht gibt einer L-Jetronic dann auch den Namen LH-Jectronic. Der Hitzdraht und Lufttemperatursensor sind Bestandteile einer Brückenschaltung und funktionieren als temperaturabhängige Widerstände, die dem Steuergerät ein Spannungssignal wiedergeben; der Hitzdraht wird durch einen Strom stets auf derselben Temperatur gehalten, wobei der Draht durch den Luftstrom mehr oder weniger gekühlt wird. Der Heizstrom, der jeweils nötig ist, um die Drahttemperatur zu halten läßt auf den Luftmassenstrom rückschließen. Konkretere Einzelheiten finden sich hier und hier.

Drosselklappenpoti

Nachdem die Luft nun bemessen wurde, muß sie - wie bei fast allen Ottomotoren - die Drosselklappe passieren. Die Drosselklappe ist in das Plenumgehäuse integriert. In unserem Fall ist mit der Drosselklappenwelle ein Potentiometer verbunden, das der ECU die Stellung der Drosselklappe mitteilen kann. Bei der 4CU-Anlage muß das Drosselklappenpotentiometer kalibriert werden, dazu ist es durch Langlöcher an seinem Gehäuse möglich, es etwas zu verdrehen. Das Potis hat drei Kabel, auch hier sind sie grün (Masse), rot (Signal zur ECU) und gelb (4,5Volt Speisespannung). Mißt man mit einem Voltmeter über das grüne und das gelbe Kabel, muß man bei Leerlaufstellung 0,3-0,32Volt messen. Bei der 14CU/CUx ist diese Kalibrierung nicht mehr nötig und auch nicht möglich, weil das Poti hier keine Langlöcher mehr hat. Das Drosselklappensignal kann (oder wird) zur Schubabschaltung verwendet werden. Das heißt, daß, nimmt man während der Fahrt plötzlich den Fuß von Gas oder bei Bergabfahrt wirkt die "Motorbremse" muß kein Benzin eingspritzt werden. Die Düsen können für diesen Moment also komplett geschlossen gehalten werden.

Lambdasonden

Im Zuge der Ansprüche an die Abgasqualität und -reinigung gab es sowohl 4CU, also auch 14CU/CUx Anlagen mit Lambdasonden und Katalysatoren im Auspuff. Die Lambdasonden sind "Sprungsonden", im englischen auch "Narrow-Band"-Sonden genannt. Der deutsche Name ist dabei m.E. sehr viel aussagefähiger. Tatsächlich liefert diese Sonde primär kein stabiles Signal, wie man erwartet - sondern es springt hin- und her. Für die Katalysatoren ist es ja wichtig, daß das Gemisch stöchimetrisch, also auf ein Luft-/Benzingemisch von 14,7:1 geregelt wird. Nun kann die Sonde für diesen Punkt kein Signal liefern, sondern nur sagen ob das Gemisch fetter oder magerer ist. Sobald das Gemisch auch nur ein wenig fetter ist, springt Spannung des Sondensignales auf nahezu 1,0Volt. Sobald es magerer ist, fällt die Spannung auf nahezu 0Volt. Beim stöchimetrischen Gemisch läge die Spannung bei etwa 0,54V, doch wird sie eben nie stabil anliegen. Aber auch hiermit kann das Steuergerät arbeiten, d.h. es wird das Gemisch immer komplementär zum Sondensignal gegenregeln und wenn das gut gelingen kann dann mit jeweils nur geringen Gemischabweichungen um den Zielwert. Das englische Wort "NarrowBand" suggeriert, daß die Sonde bloß über einen kleinen Gemischbereich ein Meßsignal ausspuckt. Und das hat in einem engl. Forum auch schon zu Mißverständnissen geführt, weil später "Breitbandsonden" ("Wide Band") entwickelt wurden, die über einen Gemischbereich von AFR 10:1 bis 17:1 ein wunderbares lineares Signal anbieten - was nicht nur mitteilt, ob das Gemisch fetter oder magerer ist, sondern auch gleich um wieviel. Eine gute Grafik über die Sondensignale gibt es hier. Narrowband scheint das Gedankenbild zu erzeugen, daß auch ein lineares Signal geliefert wird, das halt nur einen schmaleren Bereich offenlegt. Das aber ist falsch. DesHammill spricht von zwei verschiedenen Typen der Sprungsonden: "Zirconia"-Typen für die 4CU und "Titania"-Typen für die 14CU/CUx. Wesentlicher Unterschied scheint die Sondenheizung zu sein. Durch sie wird die Sonde direkt beim/vor dem Motorstart schon augeheizt und ist so schneller bei Betriebstemperatur, als würde sie erst vom Abgas erwärmt - das bedeutet, daß sie bereits nach 20-30Sekunden sinnvolle Signale liefert. Weiter schreibt DesHammill, daß die ECU die Spritmenge während der Lambdaregelung in 5% Abstufungen regelt. Sagt die Sonde, das Gemisch wäre zu fett, wird also zunächst man um 5% weniger eingespritzt. Reicht das nicht, dann um weitere 5%. Das geschehe in einem Rahmen von +- 22%. Bosch schreibt von Regelschritten typischerweise im Bereich von 3%. Die Beschränkung auf einen Rahmen von 22% ist in jedem Fall sinnvoll, denn eine defekte Sonde könnte, sonst unbeschränkt, den Betrieb und Motor ernsthaft gefährden. Rover hat für jede der beiden Zylinderbänke je eine Lambdasonde verbaut. Dementsprechend werden die beiden Bänke auch individuell geregelt. Logisch, daß dann auch die 4Einspritzdüsen einer Bank "zusammenhängen" - also parallel verkabelt sind und für das Steuergerät wirken "wie eine Düse". Es ist dabei nicht zu vermeiden, daß die Düsen mal mehr, mal weniger günstig einspritzen - bezogen auf die Öffnung des Einlaßventils; weil ja die Ventile für die 4 Zylinder einer Bank unterschiedlich gesteuert werden. Und so kann mal an einem offenen Ventil vorbei, und mal gegen ein geschlossenes gespritzt werden, und irgendwas dazwischen. Das ist überhaupt nicht schlimm, weil bei langen Einspritzdauern die Einspritzzeit sowieso länger dauern kann, als die Ventilöffnungszeit. Der Leerlauf ist die Bedingung, in der es sich am meisten bemerkbar macht. Zu ändern wäre es nur mit einer "Sequentiellen" Einspritzung, bei der jede Düse in etwa wie eine Zündkerze zylindertaktgerecht zu spritzen beginnen. Die gegenwärtigen, höhergradigen Euro-Abgasvorschriften wären mit dem alten Prinzip nicht zu leisten. Eine Lambdasonde verträgt dauerhaft nur Temperaturen bis 850°C, kurzzeitig bis 930°C. Das wird durch die Eibauposition in angemessener Entfernung zum Auslaßventil bedacht. Zu weit weg darf es aber auch nicht sein, weil eine Lambdasonde optimal bei 600°C arbeitet. Dann bietet sie minimale Ansprechzeiten von <50ms, während diese Zeit bei unter 350°C im Sekundenbereich liegt (erst ab dieser Temperatur wird das Keramikmaterial der Lambdasonde (als Zweipunktsonde nach dem Nernst-Prinzip) für Sauerstoff leitfähig). Eine beheizte Sonde ist nicht davon abhängig, durch das Abgas zuverlässig über 350°C gehalten zu werden (was beim Leerlauf möglicherweise "knapp" werden kann) und kann somit weiter distal im Abgasstrom liegen - was die Sonde den thermischen Belastungen bei Vollast weniger direkt aussetzt. Das Prinzip, daß im ersten Schritt nach den Daten aller Sensoren eine sinnvolle, gewisse Menge Benzin zugeteilt wird, DANN gemessen wird zu welchem Ergebnis es führte (mittels Lambdasonde) und DANN zum nächsten Schritt entsprechend eine sinnvoll andere Menge Benzin zugeteilt wird, nennt man "Closed-Loop"-Regelschleife. Das ist bei den Katalysatorautos der Fall. Die andere Regelung, "Open-Loop" genannt, arbeitet ohne ein Feedback. Die Sensordaten legen dem Steuergerät nahe, welche Menge Benzin eingespritzt werden soll (dazu guckt es im Kennfeld nach) und das Ergebnis ist dann quasi egal - es hat jedenfalls keinen Einfluß auf den nächsten Einspritzvorgang.

Etwas läßt sich noch zu den Sonden ergänzen. Die einfachen Sprungsonden, also wie im RangeClassic verbaut, werden direkt mit dem Steuergerät verkabelt. Breitbandsonden brauchen ein eigenes, kleines Steuergerät - den "Controller". Der Controller liefert dann das Lambdasignal an die ECU; dabei allerdings kann man die Controller meistens programmieren, d.h. sie eichen (die Sondenkalibration geschieht anhand von den 21% Atmosphären-Sauerstoff) und meistens die Ausgangsspannungsbreite bestimmen. Daneben kann der Controller problemlos eine Sprungsonde simulieren. Entweder hat er gleich zwei Kabel, je eins für Breitband- und eins für Sprungsondensignal. Jedenfalls ist das bei fast allen "generischen" Breitbandcontrollern der Fall. Das bietet die Möglichkeit, daß man in einen Rover mit Lucas-ECU eine Breitbandsonde verbaut und das Sprungsondensignal zur ECU leitet und das Breitbandsignal nutzt, um sich entweder nur eine Anzeige (des Breitbandsignales) zu ermöglichen oder um später ohne extra Umbauaufwand auf ein anderes Steuergerät zu wechseln. Übliche Breitbandcontroller stammen von 14point7, TechEdge oder Innovate. Die ersten beiden scheinen Vorteile in der Langzeit-Zuverlässigkeit zu haben. Der letzte ist offenbar der verbreitetste. Die Breitbandsonden selbst stammen meist von Bosch (zumindest, was die o.g. Controller angeht; dies alles vor dem Megasquirt-Hintergrund). Meistens handelt es sich um die LSU 4.2

Kühlwassertemperatursensor

Ein ganz wichtiger Sensor ist der Kühlwassertemperatursensor. Welche Temperatur der Motor hat muß das Steuergerät wissen, um die Start-/Kaltlauf- und Warmlaufanreicherungen korrekt zu addieren. Bei der 4CU wird während des Warmfahrens die Zusatzmenge in 3 Stufen reduziert: bei 32°, 50° und schlußendlich bei 80°. Ab dieser Kühlwassertemperatur wird also kein Benzin mehr im Sinne der Warmlaufanreicherung mehr hinzugerechnet; der Kühlwasserthermostat sollte also das Kühlwasser oberhalb dieses Wertes halten. Diese Abstufungen sind relativ grob, und die 14CU/CUx müsste das in sehr viel feineren Stufen möglich machen.

Drehzahlsignal

Jede ECU muß ein Drehzahlsignal haben. Schließlich muss der Zylinder bei jedem Ansaugtakt sein Zumaß an Benzin bekommen und dazu muß die ECU wissen wie schnell die Motortaktzyklen aufeinander folgen - eben, wie schnell der Motor dreht. Hierfür führt ein Kabel von der Zündspule zur ECU.

Weitere, individuelle Komponenten zur Anpassung an Betriebszustände:

Hier gibt es zwischen der 4CU und 14CU/CUx nun doch einige Unterschiede. Daher werden die beiden Konzepte nun getrennt weiter beschrieben:

Lucas-4CU:

Rover führte mit der 4CU die Benzineinspritzung 1985 beim RangeRover ein. Zu diesem Zeitpunkt hatte der Range ausschließlich den 3,5Liter V8. Zuerst war die Einspritzung den "Vogue"-Modellen vorbehalten, bis sie 11/1986 schließlich alle Varianten des Range bekamen. Die Leistung des Motors stieg vom Vergasermodell mit 125bhp auf 165bhp (bhp = brake horse power) bei jeweils 4000U/min. Das Drehmoment stieg von 185lb/ft auf 206lb/ft. In anderen Fahrzeugen des Rover- bzw. BritishLeyland-Automobilkonzerns wurde diese Einspritzanlage schon früher verwendet; erstmals rund um 1974 - aber eben noch nicht in einem LandRover. Beim Rover-SD1-PKW (1982-1987), Triumph TR8 (1980-81, zuerst für d. US-Markt). Für den Jaguar gab es ähnliche Anlagen als "6CU", "16CU" und weitere Übersicht hier. Eine gute, englische Beschreibung des Systems und Schritt-für-Schritt Anweisungen zur Fehlereingrenzung haben wir hier. Auch die hier ist da lesenswert. Hier ist eine Übersichtsgrafik der Lucas-L-Jetronic-anlage.

Kaltstartventil

Im Prinzip ist auch das Kaltstartventil ein Einspritz-magnetventil. Es wird dabei gern auch als "9.Düse" bezeichnet. Wird der Magnet unter Strom gesetzt, hebt der Magnetanker ab und gibt den Benzinfluß frei. Die Ausformung der Düsenspitze gibt dem fein zerstäubten Sprühnebel einen Drall. Diese Düse ist nicht gepulst, sondern sprüht permanent in das Saugrohrgehäuse - muß also alle Zylinder irgendwie beschicken. Die Einspritzdauer wird durch einen Thermoschalter gesteuert. Zusätzlich zur 9.Düse, die nur für die erste Zeit nach dem Anlassen dient (Nachstartanreicherung, "AfterStartEnrichment") werden während der Warmlauflaufphase auch die Einspritzmengen der Düsen länger sein (Warmlaufanreicherung, "WarmUpEnrichment"). Es ist darüberhinaus so, daß das Ventil während des Anlaßvorganges kurz geöffnet wird, aber ab Drehzahlen von 120U/min gleich wieder geschlossen wird, selbst wenn die Temperatur es nicht erzwänge (lt. DesHammill).

ThermoTimeSwitch

Der Thermozeitschalter ("Thermo time switch") ist ein einfacher Bimetallstreifen, der beim Kaltstart mit unter STrom gesetzt wird. Er erwärmt sich dabei und öffnet bei entsprechender Temperatur seinen Stromkreis. Bei -20° dauert es etwa 7-8Sekunden, bis das geschieht. Ist er durch Motorwärme schon vorgewärmt (Warmstart), passiert das schneller. Er wird daher auch bei einem zu langdauerndem Startversuch binnen der o.g. Zeit abschalten, oder bei einem wiederholten Startversuch evtl. gar nicht erst "an"schalten - damit der Motor nicht "absäuft".

Zusatzluftschieber

Der Zusatzluftschieber: Bei einem Kaltstart ist der Motor schwergängiger, z.B. weil das Öl noch kalt ist und Reibungswiderstände noch größer sind. Es ist daher nicht nur nötig, mehr Benzin zuzuführen (um Kondensationsverluste und solche durch unvollständige Verbrennung zu kompensieren) sondern es braucht auch etwas mehr Luft. Die Drehzahl wird dadurch angehoben und der Motorlauf runder. Dem Fahrer ist es nicht zuzumuten, dafür das Gaspedal zu benutzen, daher gibt es besagten Zusatzluftschieber. Dabei handelt es sich um eine Lochblende, durch die die benötigte Luft strömen kann. Es wird dabei Luft an der Drosselklappe vorbeigeleitet. Die Lochblende wird, dem Bedarf gemäß, bewegt um mehr oder weniger Lochquerschnitt freizugeben. Die Bewegung von ihr steuert auch hier ein Bimetall, das ebenfalls elektrisch beheizt wird. Genau wie beim Thermozeitschalter wird auch er durch die Motortemperatur mehr oder weniger vorgewärmt.

Lucas 14CU/CUx:

Der Range Rover bekam zum Modelljahr 1989 die "Hotwire" Anlage. Eine schöne ÜBersicht der Komponenten gibt es hier und fast alles sonst wissenswerte hier. Eine Schritt-für-Schritt Anleitung zur Fehlereingrenzung gibt es hier oder hier. Mit dem Produktionsstop des RangeRover Classiv 1995 endete auch die Verwendung der 14CUx bei LandRover. Wie schon beschrieben, ist der Hauptfortschritt hier der Luftmassenmesser mit seiner höheren Präzision und Langzeitstabilität/Zuverlässigkeit. Das Steuergerät ist auch weiterentwickelt. Ein paar Daten zu den elektr. Bauteilen liest man hier. Jetzt wurden schon Mikrochips eingesetzt und damit ist einerseits eine OBD-1-Fähigkeit gegeben (essentiell für die US-Märkte) und es ist Speicherplatz mehrere verschiedene Kennfelder. Bei der 14CU-Anlage, die nur für ein Jahr verbaut wurde (Fahrgestellnummern mit "...FA...") ist es nicht möglich, später zwischen Kennfeldern zu wählen, diese Option bietet erst die 14CUx-ECU. Am Kabelbaum kann man dazu einen Widerstand (f. 5Watt) einstöpseln, der der ECU vorschreibt, welches Kennfeld es nutzen soll. So konnte das Werk die Autos ganz einfach für katalysatorlose Märkte, oder solche mit verschiedenen gesetzlichen Anforderungen ausrüsten. Es gibt einen weißen Widerstand (3900 Ohm) für Europa+USA mit Katalysator, einen gelben (910 Ohm) für SaudiArabien ohne Kat, einen grünen (470 Ohm) für Europa+USA ohne Kat und einen roten (180 Ohm)für Australien und Rest-Of-World. Das "x" im Namen der 14CUx-Steuergerätes steht für "extended" und meint vielleicht daß es um die Anschlußmöglichkeit eines kleinen Diagnosedisplays erweitert wurde, oder eben um die Möglichkeit des Tune-Widerstandes. Zunächst kam diese ECU mit dem 3.9l V8 (anzunehmen, daß übergangsweise ein paar 3.5l V8 schon damit ausgerüstet wurden; für den Discovery-1 gab es das eindeutig in den frühen 90ern) und als später (um das Mehrgewicht des LSE-Modelles zu kompensieren) der 4.2l V8 mit etwas mehr als 300ml Mehrhubraum kam, konnte er mit ein und demselben Steuergerät fahren. Im Teilekatalog hat die ECU für den 3.9er und 4.2er dieselbe Teilenummer. Möglich macht das der Luftmassenmesser, der den Luftbedarf über ein ausreichend weites Spektrum bemessen kann.

Kraftstofftemperatursensor

Als neuer Sensor ist ein Kraftstofftemperatursensor vorn am FuelRail angebracht. Er hat keinen direkten Kontakt zum Benzin, kann also ohne Auslaufen von Benzin gewechselt werden - ohne daß das nötig wäre. Die Bedeutung des Sensors ist nicht ganz klar. Bosch erwähnt ihn nicht. Und auch in Foren wird mehr spekuliert. Man kann sich zwar vorstellen, daß wärmeres Benzin eine geringere Dichte hat und man kompensatorisch eine minimale Menge mehr davon einspritzen müsste, oder daß das FuelRail sich nach Abstellen des warmen Motors besonders erwärmt hat. Wie bedeutungsvoll das ist, kann ich nicht sagen.

Geschwindigkeitssensor

Ebenso ist ein Geschwindigkeitssensor neu. Im englischen auch "Road Speed Transducer" genannt. Man finden ihn am linken Chassislängsholm, etwas vor dem Verteilergetriebe. Ein kurzes Stück Tachowelle verbindet ihn mit dem Verteilergetriebe und bei RangeRovern mit mechanischem Tacho gibt es eine weitere Tachowelle vom Geschwindigkeitssensor bis zum Tacho. Hat der Wagen einen elektronischen Tacho, ist der entspr. Tachowellenanschluß mit einer Blindmutter verschlossen. Dafür ist dann das Signal vom Sensor nicht nur zur ECU, sondern auch zum Tacho weitergeleitet. Der Sensor wird mit 12V Systemspannung beaufschlagt und gibt jede Umdrehung eines Rades 6x ein Spannungssignal weiter (bzw. die Spannung sinkt 6x). Für eine Umdrehung der Tachowelle soll das 8x geschehen. Die ECU unterscheidet daran, ob der Wagen steht oder fährt. Das hat Einfluß auf die Leerlaufdrehzahl (über die Zusatzluftmenge, die im Stand wohl reduziert wird, damit die Drehzahl auf niedrigerem Level liegt) aber auch eine Geschwindigkeitslimitierung des Fahrzeugs wird dadurch gesteuert. Das war vermutlich nötig, um die Reifen nicht durch zu hohes Tempo zu überlasten.

Stepper Motor

Während bei der 4CU für zusätzlichen Luftbedarf (im wesentlichen für Leerlaufbedingungen) der Zusatzluftschieber existiert, hat die 14CU/CUx einen Schrittmotor ("Stepper Motor"). Der "Stepper" funktioniert gleich dem Motor der Druckwalze z.B. eines Tintenstrahldruckers - er bewegt sich in präzisen, fest voreingestellten Schritten, in unserem Fall in beide Richtungen. Dabei wird eine kegelige Spitze mehr oder weniger weit aus dem StepperMotorgehäuse herausgefahren und in einen komplementären Sitz hinten rechts am Plenumgehäuse gefahren, oder eben aus diesem Sitz heraus - was dann mehr Luft durchläßt. Während des Warmlaufs kann so die Zusatzluft in etlichen, feinen Schritten reguliert werden, bis er bei warmen Motor geschlossen ist. Aber während der Zusatzluftschieber der 4CU nur von "offen" zu "geschlossen" agieren kann, läßt sich der Stepper auch wieder zurückfahren, also bei warmen Motor kann er dazu gebracht werden, wieder etwas mehr Luft in die Saugrohre gelangen zu lassen (das hat i.w. dengleichen Effekt, als hätte man das Gaspedal ein bißchen getreten - die Drehzahl steigt. Hier aber eben ohne Fahrerzutun). Das veranlaßt die ECU auch, wenn die Klimaanlage oder Windschutzscheibenheizung eingeschaltet wird (durch die Verbraucher (Klimakompressor oder Lichtmaschine) steigt die Last für den Motor und ohne Weiteres würde sonst die Drehzahl abfallen). Die Öffnung des Steppers erfolgt dabei um einen vordefinierten, festen Wert.

Purge-Valve

Die Emissionsvorschriften verlangten ab irgendeinem Baujahr, daß die Benzindämpfe des Tanks nicht mehr über dessen Entlüftung einfach in die Atmosphäre entweichen. Hierzu ist auf dem rechten Innenkotflügel ein Aktivkohlekanister montiert, in den die Dämpfe über eine Leitung hindurchgezwungen werden. An diesem Kanister ist ein Ventil, das "Purge Valve", das höchstwahrscheinlich in bestimmten Zeitzyklen und/oder bestimmten Betriebszuständen für eine bestimmte Zeit geöffnet wird. Sodann saugt der Motor über einen Schlauch Luft durch den Kanister mit ein. Dabei werden dann an der Aktivkohle gebundenes Benzin "weggesaugt" und mit verbrannt. Die Gemischsteuerung hat dabei theoretisch ein Problem, weil die ECU ja nicht wissen kann, wie viel Benzin gespeichert gewesen ist und dann plötzlich der Verbrennung zugeführt wird. Aber das ist eher ein "Nachkommastellenproblem".

Check-Engine-Light

Bei Fehlern läßt die ECU eine Warnleuchte im Armaturenbrett aufleuchten (bei 14CU eine rote "Efi"-Leuchte und bei der 14CUx eine gelbe "!"-Leuchte). Beim Einschalten der Zündung leuchtet die Lampe kurz auf (Funktionstest). Man kann eine dauerhaft leuchtende Lampe durch kurzzeitiges Abklemmen der Batterie erlöschen lassen, weil man dadurch den Fehlerspeicher der ECU löscht. Leuchtet die Lampe dann erneut, ist ein Fehler aber anzunehmen. Fehler, die die ECU dazu veranlassen sind:

- Luftmassenmesser - Lambdasonden - Drosselklappenpoti - Wassertemperatursensor

In den USA hatten frühe Modelle (4CU) auch ein "Check-Engine" Warnlicht - mißverständlicherweise. Das sollte nämlich nur an Wartungsintervalle erinnern und war betriebsstundegetriggert (oder so ähnlich).

Automatigetriebe-Gangwahlgeber

Zu guter Letzt existiert bekommt die ECU noch ein Signal ("Transmission Gear Switch Signal") vom Automatikgetriebe, ob "Neutral" oder "Park" eingelegt ist, und es gibt einen "CrashSensor" ("Inertia Switch"), der im Fall eines massiven Aufpralles, also Unfalls, die STromzufuhr zur Spritpumpe unterbricht. Normalerweise spricht diese Sicherung nicht im Betrieb oder selbst bei rauher Geländenutzung an. Falls doch, ist ein Knopf vorhanden, mit dem er wieder entriegelt werden kann (beim RangeClassic unter dem Beifahrersitz).

Idle-Bypass-Adjustment

Leerlaufjustierung: In der Serienfertigung kommen Toleranzen in der Montage und bei den EFi-Bauteilen vor, die dazu führen (können), daß die vom Band kommenden Motoren unterschiedlich laufen. Vorstellbar sind ja geringe Differenzen in der Justierung und Montage der Drosselklappe. Bemerkbar macht sich das dann speziell beim Leerlauf, weil da so ein hoher Unterdruck sich Luft "herbeisaugt", wo er sie nur herkriegen kann und allgemein nur wenig Luft die Zylinder füllt. Heißt - die Motoren hätten alle eine gewisse Schwankung der Leerlaufdrehzahl. Um das zu nivellieren gibt es eine kleine Madenschraube am Plenumgehäuse, über die ein Bypass-luftstrom an der Drosselklappe fest eingestellt werden kann. Die Madenschraube ist nach der Werkseinstellung mit einer flachen Metallkappe/-stopfen auf dem kurzen, aus dem Plenum hervorstehendem Gehäusestummel verblendet. Einstellungen hier zu machen, ist erst sinnvoll, wenn der Steppermotor voll geschlossen ist - er wäre neben der Drosselklappe die einzige andere Variable im Lufteinstrom. Bei der Einstellung der Madenschraube, wobei die Einstellung ja eine "Grundeinstellung" ist, würden aber Variablen nur stören (Das Werkstatthandbuch sieht für die Einstellarbeit vor, den Schlauch der von der Drosselklappe hinter dem Motor zum Steppermotorgehäuse verläuft in beide Richtungen zum Justieren bds. passager blind zu verschließen).

Fehler-Display

IIRC waren es die Anforderungen an OBD-1 in den USA, die verlangten, daß der Benutzer die Möglichkeit hatte, Fehlercodes des Steuergerätes in menschenlesbarer Form zu erhalten, dies mittels eines Zusatzgerätes/Displays. Nur die 14CUx hat dazu einen Anschluß. Im europäischen Raum wurde die 14CUx nicht mit dem Display ausgeliefert, in den USA m.W. eben durchaus. Schafft man es, so ein Display zu besorgen, kann man es auch mit einer "europäischen" ECU betreiben. Die Anzeige ist zweistellung. Auf einer der die 14CUx beschreibenden Internetseite sind die Fehlercodes und Bestellnummern gelistet (Klick und hinunterscrollen).

Links

Literatur

Bosch: Ottomotor-Management. Vieweg 1998, ISBN 3528038772.
Des Hammill: How to Power Tune Rover V8 Engines for Road and Track. Veloce Publishing Ltd 2005, ISBN 1903706173.

Rover-V8/Lucas-ECU