"Wir bilden heute den gesamten Antriebsstrang in Modellen ab"

Neue Konzepte bei Einspritzung, Aufladung und Abgasreinigung treiben auch die Komplexität der Motorsteuerung ständig voran. all4engineers sprach mit Dr. Rolf Leonhard, Entwicklungsvorstand im Bereich Diesel Systems des Robert Bosch GmbH, über die Entwicklung von Motorsteuerungen vor dem Hintergrund neuer Motorenkonzepte.

Wie entstand die moderne Motorsteuerung für Otto- und Dieselmotor?
1967 führte Bosch die elektronische Benzineinspritzung als Alternative zum Vergaser ein - zunächst vor allem, um mehr Leistung und geringeren Kraftstoffverbrauch zu ermöglichen. Der eigentliche Durchbruch für die Einspritzung und damit auch für die moderne Motorsteuerung kam mit strengeren Emissionsgrenzwerten. Bosch hat dabei 1978 mit der Einführung der Lambdasonde für den Betrieb mit geregelten Katalysatoren einen wesentlichen Beitrag geleistet. Das erste Serienmodell einer digitalen und frei programmierbaren Motorsteuerung, die Bosch Motronic, kam 1979 auf den Markt. Dabei wurden Zündung und Benzineinspritzung in einer zentralen Steuereinheit zusammenfasst.
Beim Dieselmotor kam die erste elektronische Regelung 1986, die ersten Anwendungen in Pkw gab es bei BMW und Peugeot, damals noch mit Vorkammermotoren. Die Direkteinspritzung im Pkw bei Audi 1989 war ein bedeutender Meilenstein. Hier bestand die große Herausforderung darin, dieses verbrauchsoptimale Brennverfahren für den Pkw-Betrieb komfort- und emissionsmäßig zu kultivieren. Dies war nur mit einem komplexen elektronischen System möglich.

Wie haben Neuerungen in der Motorenentwicklung die Entwicklung der Motorsteuerung beeinflusst?
Von der Einspritzregelung kommend wurden immer mehr Komponenten eingebunden: Luftmanagement, Abgasrückführung und Abgasnachbehandlung sind heute wichtige Bestandteile. Das erfordert natürlich auch Änderungen an der Hardware. Ähnlich wie sich die Speicherkapazität in einer Motorsteuerung etwa alle zwei bis drei Jahre verdoppelt, wird auch die Anzahl der Pins ständig größer. Heute sind es 150 und mehr Anschlüsse, vor einigen Jahren haben noch 50 genügt.
Ein anderes Beispiel: Bei Piezo-Einspritzventilen wird mit Steuerspannungen von rund 200 Volt gearbeitet. Das erfordert natürlich ebenfalls eine besondere Hardware, in der Regel können wir aber immer noch die gleiche Plattform nutzen.
Zum Teil waren auch völlig neue technische Konzepte erforderlich. So war bei unserer VP44-Verteilereinspritzpumpe die Motorsteuerung direkt auf der Pumpe angebracht, was ein ziemlich unwirtlicher Einbauraum ist. Hier haben wir erstmals beim Dieselmotor die Mikrohybridtechnik eingesetzt, eine Keramiksubstrattechnologie mit aufgedruckten passiven Bauelementen, die in diesem Fall eine sehr kompakte Lösung ermöglicht und Beschleunigungen von 50 g widersteht.

Wie beeinflussen die allgemeinen Fortschritte der Halbleiter-Technologie die Entwicklung?
Im Grundsatz nutzen wir diese Fortschritte. Die Automobiltechnik ist hier allerdings nicht der Treiber. Das Moore'sche Gesetz, nachdem sich die Anzahl der Transistoren je Chipfläche etwa alle zwei Jahre verdoppelt, gilt prinzipiell auch heute noch. Ein entscheidender Vorteil ist natürlich, dass wir heute auf weniger Fläche deutlich mehr Funktionen unterbringen können.

Wie weit lässt sich die "virtuelle Entwicklung" von Motorsteuerungen treiben?
Dieser Vision nähern wir uns immer mehr an. Wir können heute viele Funktionen modellieren, in der Simulation betrachten und kommen mit einer hohen Trefferquote im Fahrzeug an. Wir bilden heute den gesamten Antriebsstrang in Modellen ab, für jede Komponente ein Modell. Je komplexer die Modelle jedoch sind, desto höher ist der Rechenaufwand. Deswegen setzen wir je nach Entwicklungsziel Modelle verschiedener Granularität ein.
Schwierig ist nach wie vor die Berechnung der Verbrennung, die eine ganz eigene Wissenschaft ist. Wenn man zum Beispiel versucht, eine NOx-Emission zu berechnen, sind selbst heute die meisten Rechner noch wochenlang beschäftigt. Andererseits entwickeln sich natürlich auch die Methoden ständig weiter, ebenso die Rechenkapazitäten.

Wie wirken sich neue Konzepte bei Diesel- und Ottomotor auf die Motorsteuerung aus?
Im Dieselbereich werden die Abgasnachbehandlung und noch ausgefeiltere Einspritzsysteme weiter hohe Anforderungen stellen. So muss beispielsweise das Umschalten zwischen unterschiedlichen Betriebsmodi für den Fahrer unmerklich geschehen.
Wir wissen heute auch, dass das Luftsystem - insbesondere beim Diesel - eine entscheidende Bedeutung für die Emissionen hat. Beim Ottomotor sehe ich den zunehmenden Trend zur Direkteinspritzung in Verbindung mit der Aufladung. Die Motorsteuerung kann dabei für hohe Synergien aus der Kombination dieser Motorkonzepte sorgen. Ein Beispiel ist die Nutzung des Scavenging-Effekts in dem neuen Motor, den BMW und PSA gemeinsam mit Bosch-Einspritztechnik entwickelt haben. Dieses Verfahren ermöglicht durch gute Restgasausspülung eine höhere Verdichtung und bietet damit einen besseren Wirkungsgrad und vor allem ein sehr hohes Drehmoment im unteren Drehzahlbereich.
Ein weiterer Trend, der die Motorsteuerung stark tangiert, sind Flexfuel-Systeme, bei denen beliebige Mischungen von Alkohol und Benzin beherrscht werden müssen. In Brasilien gibt es sogar die Kombination von drei Kraftstoffen in einem Fahrzeug, also Benzin, Alkohol und Erdgas, wofür Bosch die passende Einspritztechnik entwickelt.

Eine Technik, die bisher nicht den Durchbruch geschafft hat, ist die Brennraumdruckindizierung. Rechnen Sie hier mit einem Serieneinsatz?
Wenn wir den Zylinderinnendruck messen, können wir eine Reihe von Aussagen daraus ableiten: Wie ist die Verbrennungslage? Gibt es Aussetzer oder anderes? Wir sind nicht sicher, ob dies auf breiter Basis in Serie kommt, aber es wird Anwendungen geben. In den USA haben wir zum Beispiel noch sehr unterschiedliche Dieselqualitäten, so dass diese Technik zu einem robusteren System beitragen würde. All das erfordert wiederum neue Regelalgorithmen für die Motorsteuerung.

Was sind die Treiber der nächsten Jahre?
Zunächst einmal werden die Emissions- und Verbrauchsanforderungen weiter steigen. Dazu kommen immer größere Anforderungen an Leistung und Antriebskomfort.
Wichtige Treiber sind auch Überwachungssysteme wie die On-Board-Diagnose, die heute bereits fast die Hälfte des Funktionsumfangs eines Steuergeräts ausmachen.
Eine erfreuliche Entwicklung ist, dass der Dieselmotor in den USA durch neue Konzepte in der Abgasnachbehandlung wieder Chancen hat, an die vor einigen Jahren noch keiner geglaubt hätte.
Wir haben aber auch die umgekehrte Herausforderung, wenn ich an die so genannten Emerging Markets denke. Sie liegen zwar in ihren Emissionsforderungen fünf bis zehn Jahre zurück liegen, wollen aber genauso moderne Technik. Dafür brauchen wir Steuergeräte, die einfacher realisiert sind und trotzdem die Anforderungen der jeweiligen Märkte erfüllen. Es gibt zum Beispiel den Ansatz, Teile der Sensorik wegfallen zu lassen und die Funktionalität modellgestützt abzubilden. Das ist zwar etwas ungenauer, reicht aber aus - Euro 3 oder 4 lassen sich mit einem geringeren Systemumfang realisieren als Euro 5 oder 6. Wir entwickeln für diese Märkte eigene Steuergeräte, die deutlich kleiner und kostengünstiger sind.
Ein weiterer Trend ist das Software-Sharing: Die Software kommt dabei aus verschiedenen Quellen. Die Autosar-Initiative der Automobilindustrie, zu deren Gründung Bosch maßgeblich beigetragen hat, soll dies durch die Definition von Schnittstellen gerade auch zwischen den verschiedenen Systemen im Kraftfahrzeug unterstützen. Aber Plug-and-Play wird es meines Erachtens nicht geben, man braucht immer jemanden, der die Software integriert und für zuverlässige Funktion im System sorgt. Das ist eine Herausforderung, für die auch neue Regelungen der Verantwortlichkeiten notwendig sind.

Herr Dr. Leonhard, vielen Dank für das Gespräch

Autor(en): Gernot Goppelt

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