Der Fiero besitzt ja bekanntlich ab Werk keinen Klopfsensor, auch wenn das Steuergerät vom 1985 V6 dafür vorbereitet war. Nach meinen Recherchen zum '7730 Steuergerät habe ich einiges Wissenswertes zusammengetragen, das ich an dieser Stelle vorstellen möchte.

Etwas Theorie

Zunächst vielleicht etwas Theorie. Wenn der Motor "Klopft", bedeutet das, daß das Benzin-Luft-Gemisch zu früh zündet. Der Motor wird in der Aufwärtsbewegung gebremst, und über einen längeren Zeitraum kann das zu schweren Motorschäden führen. Das zu frühe Zünden kann verschiedene Ursachen haben, das Steuergerät kann aber nur den Zündzeitpunkt gut beeinflussen. Ziel ist, das Gemisch zu genau dem Zeitpunkt zu entzünden, dass die Energie der Explosion optimal genutzt werden kann. Zündet es zu spät, bewegt sich der Kolben schon wieder nach unten, und die Leistung geht verloren. Zündet es zu früh, tritt das angesprochene Klopfen auf. Wenn der Motor klopft, wird der Zündzeitpunkt vom Steuergerät wieder in den unkritischen Bereich verschoben, um dann langsam wieder in Richtung Klopfen zu wandern. So versucht das Steuergerät das Maximum an Leistung herauszuholen.

Die Auswertung

Das Klopfen äußert sich in einem charakteristischen Frequenzspektrum, das am Motorblock von einem Klopfsensor aufgenommen wird. Im Grunde ist das nichts als ein Mikrofon, das Frequenzen aus einem bestimmten Bereich aufnimmt. Dieses Signal muss dann ausgewertet werden, ob es sich um "normale Motorengeräusche" handelt oder eben um Klopfen. Dazu werden verschiedene Frequenzen herausgefiltert und die Stärke klassifiziert. Wird eine bestimmte Schwelle überschritten, wurde Klopfen detektiert, sonst nicht.

Die Kunst besteht darin, diese Filter und Schwellen richtig einzustellen, damit es keine Falschdetektionen in die eine oder andere Richtung gibt.

Die frühe Methode

Bis Ende der 80er Jahre hat GM ein sogenanntes ESC-Modul verwendet. Dieses Modul ist ganz simpel gestrickt: Es bekommt Masse und Batteriespannung, hat einen Eingang für den Klopfsensor, und einen Ausgang für das Steuergerät, der aktiv wird, wenn Klopfen erkannt wurde. Er ist sehr weit verbreitet und leicht zu finden, aber muss genau zu dem Motor passen, für den er entwickelt wurde. Ein ESC-Modul von einem 5.7l V8 wird mit einem 2.8l V6 nicht zufriedenstellend funktionieren.

Die 90er

Im Anschluß daran hat GM die Elektronik vom Motorraum ins Steuergerät integriert. Die ECMs der frühen 90er Jahre enthielten ein "Memcal", das den Speicherchip und damit die Anpassung des ECM an den Motor enthielt. Und dazu gehörte auch die Klopfsensorelektronik, die auf dem Memcal enthalten ist.

Ab Mitte der 90er ist der Flash-Speicher auf die Hauptplatine gewandert, und nur noch die Klopfelektronik war austauschbar. Und ab der Jahrtausendwende gibt es auch das nicht mehr, nun wird die Auswertung in der Software mit digitaler Signalverarbeitung erledigt.

Der Klopfsensor

Der Klopfsensor selber ist bekanntlich nur ein Mikrofon, und damit das ECM erkennen kann, ob der Stecker abgezogen oder kurzgeschlossen ist, befindet sich im Klopfsensor ein Widerstand nach Masse. Im ECM ist der gleiche Widerstand noch einmal zur Betriebsspannung des Steuergeräts (i.d.R. 5 Volt). Da die beiden Widerstände gleich groß sind, stellt sich auf der Klopfsensorleitung damit eine Spannung von ca. 2,5 Volt ein, und wenn der Klopfsensor seine Wechselspannung von ca. 1-2 V erzeugt, schwankt damit die Spannung von 1,5-3,5 Volt. Das Steuergerät mißt nun diese Spannung und stellt sicher, dass sie sich im richtigen Bereich befindet. Das ist noch keine Klopfauswertung, sondern nur, ob der Sensor angeschlossen ist. Denn ist die Leitung offen (schlechte Masse!) oder der Sensor abgesteckt, geht der Wert auf 5 Volt, ist die Leitung kurzgeschlossen, geht der Wert auf 0 Volt. Nur das prüfen die frühen ECMs und setzen dann Fehlercode 41 (ESC). Komischerweise heißt der Klopfsensor bei GM "Electronic Spark Control". Nun ja.

Offensichtlich ist der Widerstandswert nicht egal er liegt bei der Klopfelektronik im Memcal bei ca. 4k (genau 3,9k). Das ist der Standardwert, aber es gibt auch Motoren mit 2 Klopfsensoren, die parallel geschaltet wurden. Hier hat der Widerstand deshalb den doppelten Wert! In späteren ECMs mit digitaler Signalverarbeitung und auch bei der Auswertung mit separatem ESC-Modul war ein Wert von 100k üblich. Wird hier der falsche Wert verwendet, wird dies vom ECM erkannt und ein Fehlercode gesetzt.

Der Breitband-Klopfsensor ist aber auch auf eine Frequenz voreingestellt. Diese Frequenz hängt vom Kolbendurchmesser ab. GM verwendet lediglich 3 Frequenzen: 5,2 kHz, 6 kHz und 7 kHz mit jeweils einer Bandbreite von 1 kHz um diesen Mittelwert. Wird hier das falsche "Mikrofon" gewählt, ist die Klopfelektronik sozusagen auf einem Ohr taub, d.h. die relevanten Frequenzen werden stark gedämpft. Die Zuordnung zum Zylinderdurchmesser zur Grundfrequenz ist wie folgt:

  1. 7 kHz: 75mm
  2. 6 kHz: 94mm
  3. 5,2 kHz 110mm

Der Fiero 2.8 hat einen Zylinderdurchmesser von 89mm, der 3.4 hat auch nur 92mm, so daß hier für den V6 nur ein 6 kHz Sensor in Frage kommt. Auch für den 3.8 ist dieser Sensor geeignet. Umgekehrt heißt das für eine 7730-Umrüstung, daß der Klopfsensor von einem GM V6 passt, wenn er 3,9k zwischen Ausgang und Gehäuse hat, und sich in den Fiero-Block einschrauben läßt.

Memcal-Elektronik

Das zweite und letzte Element ist wie gesagt die Auswerteelektronik. Sie ist fest im Memcal verbaut und eigentlich der einzige Grund, warum ein Memcal für die 7730 Umrüstung noch gebraucht wird (da die Umrüstplatine einen eigenen Speicher mitbringt).

Die Elektronik ist auch immer ziemlich identisch, aber auf verschiedene Frequenzen, Verstärkungen und Schwellwerte eingestellt. Glücklicherweise hat GM auch hier nicht eine beliebige Anzahl verbaut, der Motor sollte dem eigenen Motor nur möglichst "nahe" kommen. GM hat für den 2.8/3.1 komischerweise mal 6 und mal 7 kHz als Filterfrequenz gewählt, ab 3.4l aber immer 6 kHz, ansonsten ist die erste Stufe für alle Elektroniken gleich (mit Ausnahme weniger V8 Elektroniken). Einzig die Verstärkung und Offset der 2. Stufe schwankt je nach V6-Applikation zwischen 1.5 und 2 bzw. 60-90.

Die Klopfsensor-Elektroniken der V6 Motoren sollten also ziemlich austauschbar sein. Mit der folgenden Tabelle ist es möglich, sich die Daten der passenden Klopfsensor-Elektronik herauszusuchen, für den 3.4 Liter V6 aus dem 93-95er Firebird ist demnach der 3.1 (CI = Fast Iron) am ähnlichsten:

ECS knock