Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses
Die meisten modernen Motoren verwenden eine Art von Kraftstoffeinspritzung, um den Zylindern Kraftstoff zuzuführen. Die ECU bestimmt die einzuspritzende Kraftstoffmenge anhand einer Reihe von Sensormesswerten. Sauerstoffsensoren teilen dem Steuergerät mit, ob der Motor im Vergleich zu idealen Bedingungen fett (zu viel Kraftstoff oder zu wenig Sauerstoff) oder mager (zu viel Sauerstoff oder zu wenig Kraftstoff) läuft (bekannt als stöchiometrisch). Der Drosselklappenstellungssensor teilt der ECU mit, wie weit die Drosselklappe geöffnet ist, wenn das Gaspedal betätigt wird. Der Luftmassensensor misst die Luftmenge, die durch die Drosselklappe in den Motor strömt. Der Motorkühlmitteltemperatursensor misst, ob der Motor warm oder kalt ist. Ist der Motor noch kühl, wird zusätzlicher Kraftstoff eingespritzt.
Die Gemischregelung von Vergasern mit Computern ist nach einem ähnlichen Prinzip aufgebaut, jedoch ist ein Gemischregelmagnet oder Schrittmotor in der Schwimmerschale des Vergasers eingebaut.
Regelung der Leerlaufdrehzahl
Bei den meisten Motorsystemen ist die Leerlaufdrehzahlregelung in das Steuergerät eingebaut. Die Motordrehzahl wird durch den Kurbelwellenpositionssensor überwacht, der eine primäre Rolle bei den Motorsteuerungsfunktionen für Kraftstoffeinspritzung, Funkenereignisse und Ventilsteuerung spielt. Die Leerlaufdrehzahl wird durch einen programmierbaren Drosselklappenanschlag oder einen Schrittmotor zur Steuerung des Leerlaufluft-Bypasses geregelt. Frühe vergaserbasierte Systeme verwendeten einen programmierbaren Drosselklappenanschlag mit einem bidirektionalen Gleichstrommotor. Frühe Systeme mit Drosselklappeneinspritzung (TBI) verwendeten einen Schrittmotor für die Leerlaufluftsteuerung. Eine wirksame Leerlaufdrehzahlregelung muss die Motorlast im Leerlauf antizipieren.
Ein Vollgasregelsystem kann zur Regelung der Leerlaufdrehzahl, zur Bereitstellung von Tempomatfunktionen und zur Begrenzung der Höchstgeschwindigkeit verwendet werden. Außerdem überwacht es den Steuergeräteteil auf Zuverlässigkeit.
Steuerung der variablen Ventilsteuerung
Einige Motoren haben eine variable Ventilsteuerung. Bei einem solchen Motor steuert die ECU den Zeitpunkt im Motorzyklus, zu dem die Ventile geöffnet werden. In der Regel werden die Ventile bei höherer Drehzahl früher geöffnet als bei niedriger Drehzahl. Dies kann den Luftstrom in den Zylinder erhöhen, was die Leistung und den Kraftstoffverbrauch steigert.
Elektronische Ventilsteuerung
Es wurden experimentelle Motoren hergestellt und getestet, die keine Nockenwelle haben, aber eine vollelektronische Steuerung der Einlass- und Auslassventilöffnung, des Ventilschließens und des Bereichs der Ventilöffnung. Solche Motoren können ohne Anlasser für bestimmte Mehrzylindermotoren, die mit elektronischer Zündung und Kraftstoffeinspritzung mit präziser Zeitsteuerung ausgestattet sind, gestartet und betrieben werden. Ein solcher Motor mit statischem Start würde die Effizienz- und Schadstoffreduzierungsverbesserungen eines milden Hybrid-Elektroantriebs bieten, jedoch ohne die Kosten und die Komplexität eines überdimensionierten Anlassers.
Der erste Serienmotor dieser Art wurde vom italienischen Automobilhersteller Fiat erfunden (2002) und eingeführt (2009) im Alfa Romeo MiTo. Deren Multiair-Motoren nutzen eine elektronische Ventilsteuerung, die das Drehmoment und die Leistung drastisch verbessert und gleichzeitig den Kraftstoffverbrauch um bis zu 15 % reduziert. Grundsätzlich werden die Ventile durch Hydraulikpumpen geöffnet, die von der ECU gesteuert werden. Die Ventile können sich je nach Motorlast mehrmals pro Ansaugtakt öffnen. Die ECU entscheidet dann, wie viel Kraftstoff eingespritzt werden soll, um die Verbrennung zu optimieren.
Bei gleichmäßiger Last öffnet sich das Ventil, Kraftstoff wird eingespritzt und das Ventil schließt sich. Bei einer plötzlichen Erhöhung der Drosselklappe öffnet sich das Ventil im gleichen Ansaugtakt und es wird eine größere Menge Kraftstoff eingespritzt. Dies ermöglicht eine sofortige Beschleunigung. Für den nächsten Hub berechnet die ECU die Motorlast bei der neuen, höheren Drehzahl und entscheidet, wie das Ventil geöffnet werden soll: früh oder spät, weit oder halb geöffnet. So werden immer die optimale Öffnung und der optimale Zeitpunkt erreicht und die Verbrennung erfolgt so präzise wie möglich. Das ist natürlich mit einer normalen Nockenwelle nicht möglich, die das Ventil über die gesamte Ansaugzeit und immer auf vollen Hub öffnet.
Der Wegfall von Nocken, Stößeln, Kipphebeln und Steuersatz reduziert nicht nur Gewicht und Volumen, sondern auch die Reibung. Ein beträchtlicher Teil der Leistung, die ein Motor tatsächlich erzeugt, wird allein für den Antrieb des Ventiltriebs verbraucht, der all diese Ventilfedern tausende Male pro Minute zusammenpresst.
Wenn die elektronische Ventilsteuerung erst einmal ausgereift ist, wird sie noch mehr Vorteile bringen. Die Zylinderabschaltung könnte zum Beispiel viel sparsamer werden, wenn das Einlassventil bei jedem Abwärtshub und das Auslassventil bei jedem Aufwärtshub des deaktivierten Zylinders oder „toten Lochs“ geöffnet werden könnte. Ein weiterer, noch bedeutenderer Fortschritt wird die Abschaffung der herkömmlichen Drosselklappe sein. Wenn ein Auto mit Teildrossel gefahren wird, verursacht diese Unterbrechung des Luftstroms einen übermäßigen Unterdruck, wodurch der Motor als Vakuumpumpe wertvolle Energie verbraucht. BMW hat versucht, dieses Problem beim V-10-Motor des M5 zu umgehen, indem für jeden Zylinder eine eigene Drosselklappe vor den Einlassventilen angebracht wurde. Mit elektronischer Ventilsteuerung wird es möglich sein, die Motordrehzahl durch Regulierung des Ventilhubs zu steuern. Bei Teilgas, wenn weniger Luft und Gas benötigt werden, wäre der Ventilhub nicht so groß. Vollgas wird erreicht, wenn das Gaspedal durchgedrückt wird und ein elektronisches Signal an die ECU gesendet wird, die wiederum den Hub der einzelnen Ventile reguliert und sie ganz öffnet.