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Strom und Spannung im 107er, 1. Teil
Zum Fahren braucht der 107er Kraftstoff in Form von Super. Darus macht die Verbrennungsmaschine unter der Haube einiges. Warmwasser zum Heizen, elektrische Energie für den Komfort, |
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Strom und Spannung im 107er, 1. Teil
ein bißchen Kraft für den Fahrspaß und zum Fortkommen von A nach B. In dieser Reihe geht es um die elektrische Energie für die Komforterzeugung. Doch lest selbst. |
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Strom und Spannung im 107er
Immer wieder kommt der Elektrikteufel zum Vorschein und verdirbt uns unseren Fahrspaß. Nur wo kommt die elektrische Energie her und wie verteilt sie sich im Fahrzeug. Diese Fragen soll die nun folgende Reihe klären.
1. Wie es sein soll
1.1 Teil Elektrische Energieerzeugung und die Warneinrichtungen dazu 1.2 Teil Komfort, die elektrischen Fensterheber, die elektrische Spiegelverstellung, die Sitzheizung und die Heckscheibenheizung, die Klimaanlage, Radio 1.3 Teil Licht, Frontscheinwerfer und Heckleuchten, Blinker und Warnblinkanlage, Innenbeleuchtung 1.4 Teil Motorelektrik mit Motorsteuerung 1.5 Teil ABS
2. Das wirkliche Leben
2.1 Fehlersuche Elektrik Komfort 2.2 Fehlersuche Licht 2.3 Fehlersuche Elektrik Motor
1.1 Teil Energieerzeugung
1.1.1 Definitionen
Grundsätzlich unterschieden wird zwischen Elektrik und Elektronik, aktiven und passiven elektrischen Bauelementen.
- Passive elektrische Elemente sind alle elektrischen Bauteile, die keine Halbleiter wie IC´s, Transistoren, Dioden, etc. enthalten. Dazu gehören Widerstände, Relais, Leuchtmittel.
- Aktive elektrische Bauelemente sind Transistoren, IC´s, Dioden, Fühler.
Elektrik beschreibt elektrische Schaltungen, die nur aus passiven elektrischen Elementen aufgebaut sind.
Elektronik beschreibt elektrische Schaltungen, die aus aktiven elektrischen Elementen und passiven elektrischen Elementen aufgebaut sind.
Im 107er haben wir beides. Die Schaltung der elektrischen Fensterheber besteht aus passiven Bauelementen. Zum einen die Kabel zwischen den Komponenten, den Schaltern in der Mittelkonsole und den Fensterhebermotoren, zum anderen die Motorsteuerung der katalysatorbestückten Fahrzeuge hat im Regelkreis schon elektronische Komponenten.
Grundsätzliches Schaubild des Stromkreises (Spannung kann nicht kreisen, Spannung liegt an!)
1.1.2 Wo kommt die elektrische Energie denn her?
Zu Anfängen der Elektrik bemühte man in den Autos noch Gleichstromlichtmaschinen. Sie bestanden aus 2 Magnethalbschalen (Dauermagnete) außen am Gehäuse und den Rotor mit Kupferwicklungen.
Durch Drehen des Stators durch die magnetischen Felder, mittels Keilriemen vom Motor, wurde eine elektrische Spannung erzeugt.
1 Blechhülle
7 Äußere Magnethalbschale
2 Rotor
Eine Gleichstromlichtmaschine funktioniert deshalb immer ohne externe Beschaltung und ermöglicht immer eine Energiebereitstellung, wenn die beiden Dauermagneten aufmagnetisiert sind.
Exkurs:
Hier ist auch ein Schwachpunkt dieser Art der Energieerzeugung zu sehen. Durch das Gerüttel und Geschüttel während der Fahrt entmagnetisieren sich die Dauermagnete und die Lichtmaschine verliert an Leistung. Um den Leistungsverlust auszugleichen, wurden die Lichtmaschinen ausgebaut, zerlegt, die Dauermagnete aufmagnetisiert und alles wieder zusammengebaut.
Das Ergebnis war eine pulsierende Gleichspannung erst von 6 später von 12 Volt.
Für die geringe Verbraucheranzahl der Vor- und Nachkriegsmodelle bis ca. 1955 konnten diese Lichtmaschinen ausreichend Strom bereitstellen. Mittels Selengleichrichtern, später Siliziumgleichrichtern und der Batterie als Kondensator, erreichte man eine gleichmäßige Spannung von 6 oder 12 Volt im Fahrzeug. Im 107er kamen ausschließlich 12 Volt Bordspannungsnetze zum Einsatz.
Mit den Wünschen nach mehr Komfort stieg auch der Stromverbrauch im Kfz. Klimaanlage, elektrische Fensterheber, Sitzheizung, elektrisch beheizbare Heckscheibe, elektrisch ausfahrbare Antennen um nur einige Luxusansprüche aufzuzählen.
So wurden die Gleichstromlichtmaschinen zu Drehstromlichtmaschinen weiterentwickelt.
Aus den vormagnetisierten Halbschalen außen an der Lichtmaschine, wurden mindestens 3 besser 6 oder mehr Statoren, also Eisenschuhe mit Kupferwicklung. Der Rotor im Inneren der Lichtmaschine wurde dem geänderten Außenaufbau angepaßt. Einzige Voraussetzung zum Funktionieren gegenüber der Gleichstromlichtmaschine ist eine externe Energiequelle, mit denen die Statoren mit elektrischer Spannung versorgt werden um ein Magnetfeld aufzubauen. Diese externe Energiequelle ist die Batterie.
Ihre 12 Volt erzeugen in den Statoren ein Magnetfeld, durch das der Rotor wandert und damit die elektrische Energie für das Bordnetz bereitstellt. Alleine die Leistungsfähigkeit der Batterie bestimmt über den Stromfluß im Fahrzeug in der Startphase.
Ist die Batterie defekt, weil z.B. eine Zelle kein Wasser-Säuregemisch enthält, wird auch nicht die Spannung von 12 Volt (genau 14,4 Volt; 6 * 2,4 Volt) erreicht und somit werden auch manche elektrische Verbraucher, wie z.B. das ABS oder die Motorsteuerung, nicht in Funktion treten, da diese über eine interne Spannungsüberwachung verfügen und bei Unterspannung die Geräte nicht einschalten.
Um genügend Spannung zur Verfügung zu haben liefern die modernen Drehstromgeneratoren 42 VSS-Spannung innerhalb der Lichtmaschine. Über einen Gleichrichter mit integriertem Spannungsregler, direkt an der Lichtmaschine, wird diese Spannung auf verträgliche 13 - 14 Volt pulsierende Gleichspannung heruntergeregelt. Diese stehen dann am Ausgang der Lichtmaschine für das Fahrzeug zur Verfügung.
Die WIS-CD weißt darauf hin, daß die Säuredichte dabei zwischen 1,19 kg/dm3 bis 1,24 kg/dm3 sein soll. Unter Vollast (alle elektrischen Verbraucher sind an) darf die Spannung nicht unter 12,7 Volt abfallen. Bei einer Motordrehzahl von ca. 3.300 U/min erreicht so der Generator einen beim M110.990 Ladestrom von 65 A. Weitere Prüfmethoden finden sich in der WIS-CD unter Kapitel 15 - 600 (Reparaturanleitungen -> Elektrik).
Um eine geglättete Gleichspannung im Bordnetz zu haben, wird die Batterie herangezogen. Ihre Möglichkeit Strom zu speichern wird dabei benutzt um das auf und ab der Spannungskurven auszugleichen. Eine Batterie mit größerer Kapazität, angegeben in Ah, kann dies logischerweise besser erledigen, als eine Batterie mit kleinerer Kapazität.
Das Prinzipschaubild sieht dann wie folgt aus:
1.1.3 Strom und Spannung im 107er
Strom und Spannung im 107er werden uns in den nächsten Artikeln intensiv beschäftigen.
Zur "Einarbeitung" in die Praxis für den Interessierten wird hier der "gemeinsame Rückleiter" die "Masse" vorgestellt. Im Allgemeinen findet sich im Schaltplan ein waagrechter Unterstrich oder das "Erde"-Symbol (bei Gleichstrom nicht ganz korrekt aber leicht erkenntlich).
So ein Auto ist alles andere als ein guter elektrischer Leiter. Bei einer Länge von ca. 4,40 Meter (SL) und einer Breite von ca. 1,8 Meter, das Ganze noch in Stahl und nicht im besser leitenden Kupfer kamen die Konstrukteure auf die Idee im Fahrzeug "Massepunkte" zu verteilen.
Anordnung Massepunkte
Damit werden lange Masseleitungen zur Batterie vermieden und alle zusammengehörenden Bauteile, wie z.B. im Armaturenbrett (A-Säule rechts) haben denselben Bezugspunkt (Fußpunkt). Es könnte sonst passieren, daß aufgrund unterschiedlicher Masse-Widerstände die Helligkeit der Radiobeleuchtung eine andere ist, wie die des Armaturenbrettes.
Auch werden so Ausgleichsströme zwischen verschiedenen Verbrauchern vermieden, die elektrische Geräte zum Nichtfunktionieren veranlassen könnten.
Außerdem ist ein Massepunkt bei der Fehlersuche sehr vorteilhaft, doch dazu mehr in einem anderen Artikel.
Es gibt insgesamt 9 Massepunkte im Fahrzeug.
Diese haben folgende Bedeutung:
W1 Hauptmasse (Fußraum rechts/Querträger rechts)
W2 Masse vorne rechts bei Leuchteneinheit
W3 Masse Radlauf vorne links bei Zündspule
W6 Masse Kofferraum Radlauf links (bei Schlußleuchte)
W7 Masse Kofferraum Radlauf rechts (bei Trennwand)
W9 Masse vorne links bei Leuchteneinheit
W10 Masse Batterie (unter dem Schlauch gerade noch zu erkennen!)
W11 Masse Motor elektrische Leitung angeschraubt
W14 Masse Halter Hydraulikeinheit
1.1.4 Fehlersuche
Die Ladekontrolleuchte brennt. Warum?
Die Ladekontrolleuchte ist mit ihrem einen Anschluß an die Batterie angeschlossen. Der andere Anschluß hängt an der Lichtmaschine. Tritt zwischen diesen beiden Punkten eine Spannungsdifferenz auf, so fließt ein Strom und die Kontrolleuchte fängt zu leuchten an.
Wird die Motordrehzahl auf ca. 3000 U/min erhöht, muß die Ladekontrolleuchte ausgehen.
Ursache:
1. Der Spannungsregler ist abgenutzt. Hier ist der gesamte Spannungsregler zu tauschen.
2. Der Spannungsregler besitzt einen Fußpunkt, um zu wissen, wo sein 0 Volt-Spannungspunkt (Fußpunkt) ist. Der Aluminiumstreifen am Spannungsregler bei der Lichtmaschine kann bei den älteren Fahrzeugen korrodieren. Dann hat der Spannungsregler keinen Fußpunkt mehr und regelt irgendwohin. Auch hier kann die Ladekontrolleute zu leuchten anfangen. Also Spannungsregler ausbauen und Alustreifen blank schmirgeln.
3. Eine Zelle der Batterie ist zusammengebrochen. Batterie abklemmen (Massekabel reicht schon) und mit einem Multimeter die Gleichspannung der Batterie messen. Liegt die Spannung bei leerer Batterie unter 11,8 Volt ist die Batterie defekt und muß getauscht werden. Ist hier alles in Ordnung, Batterie wieder anschließen und weiter suchen.
1.1.5 Tip:
Die 107er sind mit einer großen Batterie von mindestens 66Ah ausgerüstet. Dies ist für die Fahrzeuge ausreichend.
Wer sich manche Kleinwagen ansieht und welche Batterien eingebaut werden kann über die dort sitzenden Nichttechniker (Controller) nur den Kopf schütteln. Batterien unter 50Ah gehören grundsätzlich verboten, da Ihre geringe Kapazität schon nach ein oder zwei kalten Winternächten nicht mehr ausreicht, die kalte Maschine und das zähe Motoröl in Bewegung zu versetzen.
Grundsätzlich habe ich nach dem ersten Ausfall der Batterie die vom Platz her größtmögliche Batterie eingebaut. Die Batterien hielten länger, da diese nicht immer an ihrer Belastungsgrenze arbeiten mußten und das Fahrzeug sprang zuverlässiger an. Auch seltsame Elektrikmucken, die im Bereich der Unterspannung beim Start zu suchen waren, entfielen.
1.5 Ausblick
In den heutigen modernen Fahrzeugen sind Lichtmaschinen mit Freilauf eingebaut. Sinn und Zweck der Übung ist folgender: Geht der Fahrer vom Gas, wird bei den bestehenden Konstruktionen, wie bei unserem 107er, über die feste Verbindung zwischen Motor und Lichtmaschine durch den Keilriemen, die Lichtmaschine ebenfalls mit abgebremst.
Um den Schwung den der Rotor hat, trotzdem noch zur Energieerzeugung nutzen zu können, tritt hier der Freilauf in Aktion. Er kuppelt die Lichtmaschine vom Antrieb ab und die Rotordrehzahl fällt langsamer ab, als die Motordrehzahl durch die Gaswegnahme. Gibt der Fahrer wieder Gas und die Drehzahl des Motors übersteigt die Drehzahl an der Lichtmaschine kuppelt der Rotor automatisch wieder ein und erzeugt den Strom für das Bordnetz.
Es gab einige Jahre (ab ca. 2000) die Option, als Zubehör eine verstärkte Lichtmaschine und eine verstärkte Batterie mitzubestellen.
Ich stelle hiermit die Frage in den Raum: "Soll ein Mercedes ein Qualitätsprodukt oder eine Low-Cost-Lösung sein?"
Bis jetzt glänzte der Stern durch technischen Fortschritt und sinnvolle Innovationen. Allein, die Option einer verstärkten Stromerzeugungsausführung zu bestellen, halte ich für ein Armutszeugnis. Solche Sachen gehören, meiner Meinung nach, in die Fahrzeuge anderer Konzerne und der Konzern mit dem Stern liefert die Qualität, für die Mercedes-Benz bekannt ist.
Viele Grüße, Euer Thomas
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