Franz Gretzmeier Wilfried Staudt Siegfried Blüml Kraftfah rzeugelektri k Kraftfah rzeugelektron ik Lehr- und Arbeitsbuch zur Kraftfahrzeugsystemtechnik Die Autoren: Dipl.-Ing. (FH) Wilfried Staudt ist Oberstudiendirektor und Leiter der Friedrich-Ebert-Schule in Wiesbaden. Dipl.-Ing. (FH) Franz Gretzmeier ist Studiendirektor und Fachleiter Kraftfahrzeugtechnik an der Gewerbeschule Breisach. Dipl.-Ing. (FH) Siegfried Blüml ist Oberstudiendirektor und Leiter der Berufsbildenden Schule Technik in Koblenz. Franz Gretzmeier Wilfried Staudt Siegfried Blüml I<raftfa h rzeugelektri k I<raftfahrzeugelektron ik Lehr- und Arbeitsbuch zur Kraftfahrzeugsystemtechnik Herausgegeben von Wilfried Staudt mit über 1200 Bildern Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH Die Deutsche Bibliothek - CIP-Einheitsaufnahme Kraftfahrzeugelektrik - Kraftfahrzeugelektronik: Lehr-und Arbeitsbuch zur Kraftfahrzeugsyslemtechnik I Franz Gretzmeier; Wilfried Staudt; Siegfried BIOml. Hrsg. von Wilfried Staudt. - Braunschweig; Wiesbaden: Vieweg, 1996 ISBN 3-528-04915-4 NE: Gretzmeier, Franz; Staudt, Wilfried; BIOml, Siegfried Autoren des Buches: Franz Gretzmeier Technologie Grundlagen Elektrotechnik Grundlagen der Kfz-Elektrik Kfz-ElektriklElektronik ZOndsysteme Einspritzsysteme Elektrische Standardanlagen (S. 168-186) Sicherheits-und Komfortanlagen Technische Mathematik Kfz-ElektriklElektronik Grundlagen der Elektrotechnik Winkel und Zeiten bei ZOndanlagen Elektrische Standardanlagen Arbeitsplanung Kfz-ElektriklElektronik Grundlagen der Elektrotechnik ZOndsysteme Einspritzsysteme - Uberpriifung der Systembereiche Elektrische Standardanlagen (S. 295-306) Sicherheits-und Komfortanlagen MeBtechnik der Kfz-ElektriklElektronik Wilfried Staudt Technologie Kraftfahrzeugmechanik Kurzfassung aus "Kraftfahrzeugtechnik, Technologie" Wi/fried Staudt: Motor, KraftObertragung Dieter Moos: Fahrwerk Technische Mathematik Kraftfahrzeugmechanik Kurzfassung aus "Kraftfahrzeugtechnik, Technische Mathematik Motor, KraftObertragung, Bremsen Arbeitsplanung Kraftfahrzeugmechanik Systeme der Kfz-Mechanik Siegfried Bluml Technologie Kfz-ElektriklElektronik Elektrische Standardanlagen (5. 156-167) Technische Mathematik Kfz-ElektriklElektronik Elektrische Standardanlagen (5. 240-241) Arbeitsplanung Kfz-ElektriklElektronik Elektrische Standardanlagen (S. 287-294) Aile Rechte vorbehalten © Springer Fachmedien Wiesbaden 1996 UrsprOnglich erschienen beiFriedr. Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft 1996 Das Werk einschlieBlich aller Teile ist urheberrechtlich geschOtzt. Jede Verwertung auBerhalb der eng en Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung des Verlages unzullissig und strafbar. Das gilt insbesondere fOr Vervielfliltigungen, Obersetzungen, Mikroverfilmungen und Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Satz: Satzstudio Dietmar Pachlhofer, Pinswang/6sterreich Bilder: Publishing Service Helga Schulz, Dreieich; Matthias Zimmermann, Staufen; Vieweg, Wiesbaden Druck und buchbinderische Verarbeitung: Lengericher Handelsdruckerei, Lengerich Gedruckt auf sliurefreiem Papier ISBN 978-3-663-01983-1 ISBN 978-3-663-01982-4 (eBook) DOI 10.1007/978-3-663-01982-4 v Vorwort Der Trend zum High-Tech-Auto hat zu einem hohen komponenten. Zum Verständnis der Funktionszu Anteil an computer- und mikro-elektronisch gesteu sammenhänge des Gesamtsystems Kfz wurde zu erten Anlagen im Kfz geführt und fordert bei der Dia sätzlich eine Kurzfassung der Kfz-Mechanik aufge gnose, dem Service und der Reparatur vom qualifi nommen. zierten Gesellen ein ausgeprägtes Systemwissen und Systemverständnis. Das Buch deckt alle Lernziele und Lerninhalte der Fachbildung des Rahmenlehrplanes der Kultusmini Das vorliegende Buch enthält neben den elektro sterkonferenz zum Ausbildungsberuf des Kfz-Elek technischen Grundlagen alle wesentlichen elektri trikers ab. Es hält sich an die von der Ausbildungs schen und elektronischen Systeme eines Kraftfahr ordnung vorgegebene Struktur. zeuges einschließlich der entsprechenden System- Technologie Technische Mathematik Arbeitsplanung • Grundlagen Elektrotechnik • Grundlagen Elektrotechnik • Grundlagen Elektrotechnik • Kraftfahrzeugmechanik • Kraftfahrzeugmechanik • Kraftfahrzeugmechanik • Kfz-Elektrik/Elektronik • Kfz-Elektrik/Elektronik • Kfz-Elektrik/Elektronik Das Buch wendet sich aber auch an den in der Pra ben, die unter technologischen, mathematischen xis tätigen Kfz-Mechaniker und Kfz-Elektriker, der und informationstechnischen Gesichtspunkten und unter einem ständigen Weiterbildungsdruck steht Aspekten der Meßtechnik und Instandhaltung zu und durch das vorliegende Buch wertvolle Informa analysieren sind. tionen zu den unterschiedlichen elektrisch/elektroni schen Systemen und den Systemkomponenten, Durch die Vielzahl von Meßwerten und Betriebsda einschließlich der Betriebsdaten, erhält. Darüber ten stellt das Buch wertvolle erfahrungs- und ar hinaus eignet sich das Buch zum Einsatz in Fach beitsbezogene Informationen zur Verfügung und er und Meisterschulen. reicht damit eine enge Verzahnung von Theorie und Praxis. Der Sachinhalt ist in einer strukturierten Form dar gestellt. Das umfangreiche Bildmaterial und ein kla Herausgeber, Autoren und Verlag danken allen Fir rer Text unterstützen den Leser beim Erarbeiten der men, die bei der Beschaffung von Bildmaterial be Informationen. hilflich waren und allen Autohäusern und Werkstät ten, die uns fabrikatsspezifische Informationen und Jedes Großkapitel der Technologie wird durch Wie Erfahrungen zur Verfügung gestellt haben. derholungsfragen abgeschlossen. In der Techni schen Mathematik dienen über 160 Aufgaben der Wiesbaden, im Februar 1996 Übung, der Vertiefung und dem unmittelbaren Ver ständnis der technologischen Zusammenhänge. Die Wilfried Staudt Arbeitsplanung umfaßt hauptsächlich Projektaufga- Herausgeber VI Vorwort Ergänzende Lehrbücher Das Lehrbuch »KraftfahrzeugelektrikiKraftfahrzeug Besonders interessant für den Kfz-Mechaniker-Aus elektronik« wird ergänzt durch das Lehrsystem zubildenden ist das Lehr- und Arbeitsbuch »Kraft »Kraftfahrzeugtechnik« von Wilfried Staudt, dessen fahrzeugtechnik - Arbeitsplanung«. In ihm werden 3 Bände aufeinander abgestimmt sind und eine me 17 Projektaufgaben aus allen Gebieten der Metali thodische Einheit bilden. Jeder Band ist jedoch so und Kraftfahrzeugtechnik unter technologischen, aufgebaut, daß er auch einzeln einsetzbar ist. mathematischen und informationstechnischen Ge sichtspunkten und Aspekten der Instandsetzung ausführlich gelöst. KRAF.TFAHRZEUG VII In haltsverzeich n is Technologie Grundlagen Elektrotechnik 1 Grundlagen der Kfz-Elektrik 1.1 Zusammenhänge im elektrischen Stromkreis ... .. ............. .... ... . 1.1.1 Elektrischer Stromkreis ............................. ....... . 1 1.1.2 Grundgrößen Spannung - Stromstärke - Widerstand .. . ...... .... ... . 2 1.1.3 Zusammenhänge zwischen den elektrischen Grundgrößen ...... ... ... . 4 1.2 Schaltungsarten der Verbraucher ..... . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. .. .. .. .. . 5 1.2.1 Reihenschaltung .. ... ....... ..... .. ...................... . 5 1.2.2 Parallelschaltung ... ....... ... . ........... ... ....... ... .. . 6 1.2.3 Gemischte Schaltung .. ..... ........ ... .. ... ..... ........ . . 6 1.3 Elektrische Schutzmaßnahmen ...... ... ... ... ..... .... ...... . .... . 7 1.3.1 Gefahren ........ .... ..... ... . ... ...................... . 7 1.3.2 Schutzmaßnahmen .. .. ..... . . .. .... .. .. ............ .. .... . 7 1.4 Elektronische Bauelemente .... ... ..... .. .. .. . .. ..... . ... . .. ..... . 8 1.4.1 Halbleiter - Silizium kristalle .... .... ... ........ .............. . 8 1.4.2 N-Halbleiter - P-Halbleiter 8 1.4.3 Dioden 9 1.4.4 Transistor .............. .. . .. ... . .. . ............ .. ..... . 10 1.4.5 Thyristor . .......... ... ... ...... ...... ... ........ . . .. . . . 11 1.4.6 Optoelektronik ...... .......... .... .. .... . ... ...... . .. ... . 12 1.4.7 Integrierte Schaltung .. .............. ...... ..... ...... ... ... . 13 1.4.8 Hybridtechnik .... .. ........ .. .. . .. ... . .................. . 13 1.5 Kondensator ............ ... .............. .... .... ... ......... . 14 1.5.1 Wirkungsweise und Kenngrößen ...... .. ..... .. . .............. . 14 1.5.2 Kondensator im Gleichstromkreis .. .......... .. ..... .... . ..... . 14 1.5.3 Kondensator im Wechselstromkreis ........... ............ .... . . 15 1.6 Magnetismus .. . ................. .. ...... ..... .. ............. . 15 1.6.1 Magnetfeld ..................... ... .... ... ............. . 15 1.6.2 Elektromagnet ..... . ............................... ... . . 16 1.6.3 Begriffe des Elektromagnetismus ...... ... .... .. ..... .... . ... . . 16 1.7 Spannungserzeugung in Spulen ....... .... ... ... .... ...... . ...... . 17 1.7.1 Induktionsgesetz ............. .. . .. ...................... . 17 1.7.2 Spule im Wechselstromkreis .. . . ... .. .. ...................... . 18 1.7.3 Spule im Gleichstromkreis .......... . . .. .... ....... ......... . 19 1.8 Strukturen elektronischer Steuer-und Regelsysteme .............. .. ... . 20 1.8.1 Logische Verknüpfungen ........ .. ......... . ............... . 20 1.8.2 Strukturen elektronischer Kfz-Systeme .......................... . 21 1. 8.3 Stromversorgungsschaltungen .... . .. ... ....... .... ..... . .... . 22 1.8.4 Betriebsdatenerfassung - Sensortechnik ... ...... . .. .. .. ... ... . . . 23 1.8.5 Datenverarbeitung im Fahrzeug .... .. ......... .... ...... .. ... . 30 1.8.6 Befehlsausgabe - Aktortechnik ... ..... . . .... ..... ..... .. ..... . 31 VIII Inhaltsverzeichnis I Technologie Kraftfahrzeugmechanik I 2 Motor 35 2.1 Otto-Viertaktmotor ..... .. .... .. .... .. . ...... .. ..... ...... .. .... 35 2.1.1 Viertaktverfahren .. . .... ... ... ... .. .... ..... .. ........ ... . 35 2.1.2 Funktionsgruppen und Funktionselemente des Motors .............. .. 41 2.1.2.1 Zylinderkopf .... ... ... ..... ..... ..... ...... .... .. 42 2.1.2.2 Zylinderkurbelgehäuse . ... ...... .. ... ....... ... ... .. 43 2.1.2.3 Kolben .. ... ... .... ... ..... ........ ..... ... ... .. 44 2.1.2.4 Kolbenringe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4. 4 . . . . . . . .. 2.1.2.5 Kolbenbolzen .... .... .. ....... .............. ..... 45 2.1.2.6 Pleuelstange ... ............... .... .... .. .... ... .. 45 2.1.2.7 Kurbelwelle ... .. ... ... .. ...... . .. .. ......... ..... 46 2.1.2.8 Pleuellager und Kurbelwellenlager .... ..... .. .... .. ..... 46 2.1.3 Motorsteuerung ... ..... . ... ... ... ...... .. ... .... .. .. . .. .. 47 2.1.3.1 Steuerdiagramm ................. . ... ... ... ...... . 47 2.1.3.2 Benennung der Motoren nach Lage der Nockenwelle .. .... .. . 48 2.1.4 Gemischbildung beim Ottomotor ... ... .. ..... .. .... ... .. .. ..... 49 2.1.4.1 Mischungsverhältnis . ... ... .. .... ... ........ ...... .. 49 2.1.4.2 Kraftstoffe ........ ..... .. .. .... ...... .. .. ....... 50 2.1.4.3 Kraftstoffsystem .... .... .. . .. ....... .......... .... . 52 2.1.4.4 Luftfilter .. .... .... ... .. ... .............. .. . ..... 52 2.1.4.5 Ansaugluftvorwärmung ..... .. ....... ..... ... .... ... 52 2.1.4.6 Gemischbildung durch Vergaser ....... . . . . . . . . . . ... . . .5 3 2.1.4.7 Gemischbildung durch Benzineinspritzung .. ... .... ... .... . 55 2.1.5 Abgasentgiftungsanlage ...... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . .5 6 . . . . . 2.1.6 Motorschmierung ....... ..... .... .. ....... ..... ..... ...... 58 2.1.6.1 Motoröl. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. .. . 5.8 . . . . . . . . 2.1.6.2 Druckumlaufschmierung .. .. .... .... ... .... .... ..... . 60 2.1.7 Motorkühlung ... .... .... .. .. ... .... ..... .... ....... .... . . 62 2.1.7.1 Pumpenumlaufkühlung .. ... .......... ... ... ... ..... . 62 2.1.7.2 Lüfter ... ....... ... .. .. ........ .. ...... ... .... . . 63 2.2 Zweitaktmotor .... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ... . . 6. 4 . . . . . . . . . 2.2.1 Zweitaktverfahren .... ... ... .. ... ... ... .... ... .... .. ...... . 64 2.2.2 Spülverfahren .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.5 . . . . . . . . . . 2.2.3 Vergleich Viertaktmotor - Zweitaktmotor . . . . . . . . . . . . . . . . . ... . 6.5 . . . 2.3 Dieselmotor ... ........ .. .... ... ... .... .. ..... .. .... ... ....... 66 2.3.1 Arbeitsweise des Dieselmotors ..... ...... .. ...... .. .. ... .. .. .. 66 2.3.2 Gemischbildung beim Dieselmotor .. ........ . . . . . . . . . . . . .. .. .6 7. . 2.3.2.1 Direkte Einspritzung ..... .... .. .. ... ... ... .. ... .. .. . 67 2.3.2.2 Indirekte Einspritzung .. ... .... ..... . ... .. ... ... .. ... 67 2.3.3 Dieseleinspritzanlage .... ........ .. ... ... .. . . . . . . . . . . . . . .6 8 .. 2.3.3.1 Reiheneinspritzpumpe . .. .. .. .. .. .... .. . . . . . . . . ... . . 69 2.3.3.2 Verteilereinspritzpumpe ....... . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.2 . . . . 2.3.3.3 Düsenhalter und Einpritzdüsen .. . . . . . . . . . . . . . . ... . .7 4. . . 2.3.3.4 Diesel-Vorglühanlage ..... ... .. ..... .... .... ........ 75 2.3.4 Abgastechnik beim Dieselmotor .... .. .. ... ........ . .. .... .. ... 75 2.3.5 Vergleich Ottomotor - Dieselmotor .. ... ....... .. ..... ..... ..... 76 2.4 Ladermotor 77 Inhaltsverzeichnis IX 3 Kraftübertragung 80 3.1 Reibungskupplung 80 3.2 Schaltgetriebe .................................... . . . . . . . . . . .. 81 3.2.1 Anpassung Motor - Fahrbetrieb durch Getriebe ..................... 81 3.2.2 Schaltgetriebe mit Synchronisiereinrichtung ....................... 82 3.2.3 Automatisches Getriebe ..................................... 83 3.2.3.1 Drehmomentwandler ............................... 83 3.2.3.2 Planetengetriebe .................................. 85 3.2.3.3 Hydraulische Steuerung ............................. 86 3.3 Wellen und Gelenke ............................................ 88 3.3.1 Gelenkwellen ............................................ 88 3.3.2 Angetriebene Achswellen .................................... 89 3.4 Achsantrieb .................................................. 90 3.4.1 Achsgetriebe ............................................ 90 3.4.2 Kegelradausgleichsgetriebe .................................. 90 3.4.3 Ausgleichssperren ........................................ 91 4 Fahrwerk 92 4.1 Lenkung ..................................................... 92 4.1.1 Lenktrapez ........................................... .. 92 4.1.2 Lenkgetriebe ............................................ 92 4.1.3 Hilfskraftlenkung .......................................... 93 4.2 Federung 93 4.3 Schwingungsdämpfung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 94 4.3.1 Stoßdämpfer ............................................ 94 4.3.2 Stoßdämpfer im Verbundbau ................................. 94 4.4 Radaufhängung ............................................... 95 4.4.1 Einzelradaufhängung ...................................... 95 4.4.2 Stellung der Vorderräder .................................... 95 4.5 Hydraulische Bremse ........................................... 96 4.5.1 Grundprinzip ............................................ 96 4.5.2 Bremssysteme ........................................... 96 4.5.3 Tandem-Hauptzylinder ..................................... 96 4.5.4 Tandemhauptzylinder mit Zentralventil .......................... 98 4.5.5 Radbremsen ............................................ 99 4.5.6 Unterdruck-Bremskraftverstärker ............................... 100 4.5.7 Bremskraftverteilung ....................................... 100 4.5.8 Bremskreisaufteilung nach DIN 74000 ........................... 101 4.5.9 Bremsleitungen, Bremsschläuche .............................. 101 4.5.10 Bremsflüssigkeit .......................................... 101 4.5.11 Gesetzliche Bestimmungen .................................. 101 x Inhaltsverzeichnis Technologie Kfz-Elektrik I Elektronik 5 Zündsysteme 103 5.1 Herkömmliche Zündanlage .... .. ..... ... . ... .... . . . .... . .... .. .. . 103 5.1.1 Übersicht ..... .. .... .... ... .. ........ . .. .... ...... ... . . . 103 5.1.2 Zündspule ..... ...... . .... .. .. ....... .... ... ... . ....... . 103 5.1.3 Hochspannungserzeugung .... ... ........ .... ..... ... .... . . . . 103 5.1.4 Steuerung des Primärstromes .. . .... ........ .... .. ... .. . .. . . . 104 5.1.5 Aufgabe des Zündkondensators ..... ...... .. ... . .. .... . ...... . 104 5.1.6 Hochspannungsverteilung ..... .. . .. .. . . ..... .... ... ... . .... . 104 5.1.7 Mechanische Zündwinkelanpassung ... . .. .. ...... .... .. ... .... . 104 5.2 Einfache elektronische Zündsysteme 106 5.3 Systeme mit elektronischer Zündwinkelanpassung .. ..... ... .. .......... 107 5.3.1 Zündkennfeld ............ . ... .. . ..... .. .... .... .... . ... . . 107 5.3.2 Informationen für die elektronische Zündwinkelanpassung ... .... ... ... 107 5.3.3 Varianten bei der Erfassung von Kurbelwellenposition und Motordrehzahl 107 5.3.4 Möglichkeiten der Erfassung der Motorlast .... .. . .... ... ... .. .... . 107 5.3.5 Erfassung der Motortemperatur und der Lufttemperatur .. ... .... .. .... 108 5.3.6 Erfassung der DrosselklappensteIlung . ... ... ... ... .. .. . .... ... . . 108 5.3.7 Oktanzahl-Variantencodierung .... . . . ... . ... .. ... .. . ... .. ... . 108 5.3.8 Klopfregelung . . .. ... .... .... ... . ...... .... .. .. ...... ... .. 108 5.4 Zündsysteme mit ruhender Hochspannungsverteilung 109 5.5 Wärmereduzierung in Zündspulen .. .... .. .. ... ... ... ..... .. ... ... .. 110 5.5.1 Zündanlagen mit Vorwiderstand ..... ... ... ....... ... .. ... ..... 110 5.5.2 Schließzeitanpassung - Schließwinkelanpassung .... .... .......... . 111 5.5.3 Ruhestromabschaltung ... . . .. ... ... ... ...... .. ... . ... .. .... 112 5.6 Oszillogramme der Zündsysteme .. .. .. . .. ........... .... .... ... .... 113 5.6.1 Anschlüsse eines Zündungsoszilloskops ..... ........ . ... .. ..... . 113 5.6.2 Grundform des Spannungsverlaufs in den Oszillogrammbildern .... . ..... 113 5.7 Zündkerzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. .. .1 1. 4. . . . . . . . . . . 6 Einspritzsysteme ... .. .... .. ... .. ... .. .. ... ... .. .... ... .. ... .. . 117 6.1 Kraftstoffbereitstellung - Übersicht 117 6.2 Komponenten der Kraftstoffbereitstellung ... .... .. ... .... .. . . . . . . . . . . 118 6.2.1 Elektrokraftstoffpumpe .... ... .. ... .... . .. . . .. ...... . .. . ... . . 118 6.2.2 Kraftstoffdruckspeicher . . . .... . ... ...... .. ... .. ... . .. . ..... . 118 6.2.3 Kraftstoffilter .. .... .. .... .. ... ... .. ... . . . .. . . . . . . . . . . .1 1.9 . . 6.2.4 Schwingungsdämpfer .... .. . .. .. ..... . . .. . .. ... . . ... . . .. . . . 119 6.2.5 Fördereinheit .. .. ..... . . ... . ... ............. . . . . ... ..... . 119 6.2.6 Systemdruckregler ... . ... .. . . .... ... ........ .. ... . .. . ... . . 120 6.2.7 Einspritzventile . ... .. .... .. .. ... . ..... .... .. . . . ... . . . . .. .. 120 6.3 Begriffe und Zusammenhänge 121 6.4 Anforderungen an die Gemischzusammensetzung 121 6.5 K-Jetronic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1. 2. 2 . . . . . . . . . . . . . 6.5.1 Übersicht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1 .2 2 . . . . . . . . . . . . 6.5.2 Arbeitsweise der Systembereiche .... .... ... ... . ...... .. . ... .. . 123