Autoreparatur: Die Tücken der Elektronik
Nächstes Jahr wird die elektronische Einspritzung 50 Jahre alt(öffnet im neuen Fenster). Sie war der Auftakt zu einer Entwicklung, die den Anteil elektronischer Systeme und den Grad der Digitalisierung im Auto rasant ansteigen ließ. Die 1993 eingeführte Euro-1-Abgasnorm machte den letzten rein mechanischen Einspritzsystemen und Vergasermotoren ein Ende. Auch Kleinwagen wie der Fiat Panda mussten fortan über mehrere Steuerungsgeräte verfügen.
Heute befinden sich Fahrzeuge aus dieser ersten Elektronik-Ära an der Schwelle zum Klassiker. Deren Besitzer wie auch Eigentümer günstiger Gebrauchter aus den Baujahren 1995 und 2005 haben immer öfter ein Problem: Reparaturen würden nicht selten den Wert ihres Autos übersteigen, und Selbstschrauben ist schwierig geworden. Doch die Bastlerszene hat mittlerweile einige Lösungen gefunden. Wer an seinem Auto bastelt, sollte aber unbedingt die Rechtslage kennen.
"Jetzt helfe ich mir selbst"
Sein Auto selbst zu reparieren, war früher normal. Wer seinen Führerschein vor oder in den 1990ern gemacht hat und ein erschwingliches Auto fahren wollte, kam kaum darum herum, kleinere Reparaturen selbst zu erledigen. Mit "Jetzt helfe ich mir selbst" und "So wird's gemacht" gab es zwei Buchreihen, die typische Wartungsarbeiten und Verschleißreparaturen erklärten. Wenn Englisch kein Problem war, gab es zudem die ausführlichen Bücher des Haynes-Verlags mit hervorragenden Explosions- und Aufschnittzeichnungen.
Alle drei Buchreihen existieren noch heute. Doch wer zwei Bände einer Reihe für ein altes und neues Modell miteinander vergleicht, muss feststellen, dass der Autor heute öfter auf die Fachwerkstatt verweist. Das gilt besonders, wenn Diagnosen der Elektronik anstehen oder Arbeiten den Anschluss an ein Testgerät erfordern.
Hacks im Auto sind riskant
Tatsächlich ist das häufiger der Fall, als oft angenommen wird: Erhält ein Fahrzeug eine neue Starterbatterie, muss die Ladeelektronik davon in Kenntnis gesetzt werden, um deren Kapazität zu erlernen. Benötigt ein Pkw mit elektronischer Parkbremse neue Bremsbeläge an der Hinterachse, ist es in der Regel erforderlich, per Tester den Stellmotor komplett zurückzufahren.
In beiden Fällen gibt es Hacks, die den Tester überflüssig machen: Manch ein Pkw "weiß", dass er sich nun auf einen neuen Bleiakku einstellen muss, wenn einige Stunden lang die Batterie komplett abgeklemmt war und anschließend eine Klemmenspannung von 14 Volt erkannt wird(öffnet im neuen Fenster). Auch bei den Stellmotoren der Parkbremse funktioniert oft der Trick, mit recht stromschwachen Alkaline-Batterien den Motor langsam zurückzufahren. Doch dafür gilt es zu wissen, ob es sich um Schrittmotoren oder normale Gleichspannungsmotoren handelt.
In beiden Fällen ist das Risiko, einen teuren Folgeschaden anzurichten, weit höher als früher bei der analogen Generatorregelung oder der mechanischen Parkbremse.
EU entzerrt den Wettbewerb
Die letztgenannten Beispiele stehen für eine Entwicklung, die seit Beginn der 1990er Jahre nicht nur Hobbyschrauber, sondern vor allem freie Werkstätten systematisch von der Reparatur moderner Pkw und Transporter ausgeschlossen hat. Die Folge war ein sogenannter Vendor-Lock-in-Effekt: Viele Reparaturarbeiten und Ersatzteilverkäufe mussten von Vertragswerkstätten durchgeführt werden. Mangels Konkurrenz konnten diese beinahe beliebig hohe Preise verlangen.
Zudem war die Kalkulation der Ersatzteilpreise oft undurchsichtig: So war es durchaus üblich, zum Start eines neuen Modells Austauschteile für die Standardcrashs der Versicherungswirtschaft sehr günstig anzubieten, um eine niedrige Typklasseneinstufung zu erhalten. Damit wurden Kaufanreize geschaffen, um später die Preise langsam anzuziehen.
GVO beseitigt Barrieren für den Markteintritt
Ende der 1990er suchte die Europäische Union nach Möglichkeiten, dem verzerrten Wettbewerb entgegenzuwirken und so mittelfristig günstigere Preise durch freie Werkstatt- und Händlerwahl zu erreichen. Dafür dienen Gruppenfreistellungsverordnungen (GVO). In ihnen legt die EU-Kommission fest, dass ein wettbewerbswidriges Verhalten unter bestimmten Bedingungen zulässig sein kann, beispielsweise der Vertrieb neuer Pkw ausschließlich über Vertragshändler. Weitaus interessanter ist aber, dass diese Verordnungen präzise auflisten, welches Verhalten verboten ist und welche Markteintrittsbarrieren beseitigt werden müssen.
Nach der in modifizierter Form weiter gültigen GVO 1400/2002(öffnet im neuen Fenster) müssen die Kraftfahrzeughersteller "allen unabhängigen Marktbeteiligten einen uneingeschränkten Zugang zu sämtlichen für die Instandsetzung und Wartung ihrer Kraftfahrzeuge erforderlichen technischen Informationen, Diagnose- und anderen Geräten und Werkzeugen, einschließlich der einschlägigen Software, sowie zur fachlichen Unterweisung, die für die Instandsetzung und Wartung von Kraftfahrzeugen erforderlich ist, ermöglichen".
Es geht also um die "anderen Marktbeteiligten": nicht markengebundene Werkstätten. Hobbyschrauber, Maker, Hacker und Hardwarebastler bleiben zunächst außen vor, denn die GVO schreibt nicht vor, das Know-how kostenlos an jeden abzugeben: Der Hersteller kann den Zugang zu Informationen, die für die Reparatur relevant sind, auf Pkw-Werkstätten oder -Händler einschränken und dafür beispielsweise einen Gewerbenachweis verlangen.
Preise sind Hürden für Hobbyschrauber
Eine weitere Hürde sind die Preise: Kosten von 10 Euro für einige Stunden Zugriff auf Online-Werkstatthandbücher über mehrere Hundert Euro für Handbuchsätze bis hin zu fünfstelligen Beträgen für markenspezifische Testgeräte sind üblich und oft für freie Werkstätten kalkulierbar – für Hobbyschrauber aber selten möglich.
Dennoch hat die leichtere Verfügbarkeit der Reparaturinformationen dazu beigetragen, dass Kenntnisse über Aufbau und Funktion von Bauteilen sowie die Kommunikation komplexer Steuerungen die Selbstschrauberszene erreicht haben.
Diagnoseschnittstelle schafft Transparenz
Mehr Offenheit brachte außerdem die EOBD-Schnittstelle (European On Board Diagnosis), die weitgehend der in den USA 1994 eingeführten OBD-II-Schnittstelle(öffnet im neuen Fenster) entsprach. EOBD war ab 2001 mit der Einführung der Schadstoffnorm Euro3 für Neuwagen verpflichtend, für Diesel ab 2004.
Größter Unterschied zwischen (E)OBD und den herstellerspezifischen Vorgängerlösungen ist der Einsatz von genormten Protokollen. Dies sind auf Hardwareebene entweder K-Line – ein einfaches serielles Protokoll, zwischen 1,2 und 10,4 KBit/s schnell, das lediglich einen UART(öffnet im neuen Fenster) voraussetzt und daher schon vor 15 Jahren mit einfacher Hardware zu realisieren war. Oder CAN Bus (Controller Area Network), das typischerweise mit 250 oder 500 KBit/s deutlich schneller ist, aber spezielle Controller- und Transceiver-Bausteine erfordert. Auf Sitzungs- und Anwendungsebene wird "Keyword Protocol 2000" verwendet. Das Protokoll und Tabellen der "Parameter IDs" sind offengelegt(öffnet im neuen Fenster).
Viel Hardware für die OBD-Schnittstelle
Eine Folge der Normung ist, dass mittlerweile eine breite Auswahl von Hardware für die (E)OBD-Schnittstelle verfügbar ist. Sie reicht von Shields für Arduino(öffnet im neuen Fenster) bis hin zu kompletten Diagnosegeräten zur Anzeige von Fehlercodes – alles zu zweistelligen Euro-Preisen.
Günstige Diagnosehardware und standardisierte Protokolle ermöglichen die schnelle Identifikation von Defekten, entweder per Selbstdiagnose-Fehlercode oder nach Plausibilitätsprüfung aus anderen Sensordaten während einer Live-Messung. Im Detail werden wir die Programmierung des Arduino zur (E)OBD-Analyse und die Kommunikation von PC und Steuergerät über ELM327-Adapter(öffnet im neuen Fenster) in einem separaten Artikel behandeln.
Verfügbarkeit von Ersatzteilen
Doch die schönste Diagnose hilft nichts, wenn ein als defekt identifiziertes Teil nicht oder nicht zu vertretbaren Preisen verfügbar ist. Bei vielen Alltagsfahrzeugen an der Schwelle zum Klassiker wird der Preis für ein Zünd-Einspritz-Steuerungsgerät den Zeitwert deutlich überschreiten. Und für hierzulande seltene Anlagen von Denso (Japan), Lucas (Großbritannien) oder Pierburg (Deutschland) sind Ersatzteile weder für Geld noch für gute Worte zu bekommen.
In Einzelfällen hilft der Gang zum Autoverwerter: Bei Fahrzeugen mit Euro-1-Abgasnorm (in der Regel Erstzulassung vor 1997) durfte eine Typzulassung auf andere Modelle mit identischer Motor- und Getriebe-Kombination übertragen werden. Insbesondere bei Massenfahrzeugen von VW, Opel, Ford oder Peugeot-Citroen sorgte dies für sehr hohe Gleichteilequoten: also viele identische Bauteile, die in verschiedenen Baureihen eines Herstellers eingesetzt wurden.
Das Resultat ist eine gute Verfügbarkeit auch von Elektronikteilen auf dem Gebrauchtmarkt. Bei danach gebauten Fahrzeugen kommen immerhin oft über viele Konzernbaureihen identische Steuergeräte zum Einsatz, die sich mit der fahrzeugspezifischen Software versehen lassen.
Seltene Systeme nachbauen
Doch manchmal handelt es sich um ein seltenes System, oder es ist am Teilemarkt nichts aufzutreiben. Dann helfen oft nur Reverse Engineering und die dabei erlangten Kenntnisse, um eine Steuerung auf Basis gängiger Microcontroller, häufig AVR, ARM Cortex M oder Freescale HC12, nachzubauen. Der Aufwand für derartige Nachbauten schwankt extrem: Bei zwischen 1976 und 1996 gebauten Fahrzeugen mit Bosch-KU- oder KE-Jetronic oder einem "elektronischen Vergaser" von Pierburg ist er sehr gering(öffnet im neuen Fenster). Bei allen handelt es sich dem Wesen nach um mechanische Systeme, die auch im Fall einer defekten Elektronik in einem fetten Modus laufen, der also zu viel Kraftstoff benötigt, damit aber für den Motor sicher ist.
Solche Systeme verwenden in der Regel den Lamdba-Wert (Restsauerstoff im Abgas), zwei Temperatursensoren (Ansaugluft, Kühlmittel) und die Drosselklappenstellung (bei "Vollgas" muss das Gemisch zur Innenkühlung überfettet werden) zur Korrektur der eingespritzten Kraftstoffmenge. Mit Lambda als wichtigste Regelgröße und Microcontroller-Kenntnissen lässt sich die Steuerung der KU-Jetronic in wenigen Stunden so nachbauen, dass die Grenzwerte der Abgasuntersuchung bei warmem Motor eingehalten werden.
Auch bei Dieseln mit elektronisch gesteuerter Verteilereinspritzpumpe – beispielsweise frühe Volkswagen TDI, MB W201 – lässt sich die Steuerung komplett selbst implementieren: Juho Pesonen zeigt dies anhand seines auf Fünfzylinder TDI umgerüsteten VW Transporter T3 Synchro. Als Microcontroller dient hier ein 8-Bit-AVR, konkret der Atmega 2560 im Arduino Mega(öffnet im neuen Fenster).
Umrüsten auf offene Systeme
Bei komplexeren Systemen kann es sinnvoll sein, auf ein offenes modulares System umzurüsten: Megasquirt(öffnet im neuen Fenster) ist ein seit 1996 von den Ingenieuren Bruce Bowling und Al Grippo ursprünglich als Hobbyprojekt entwickeltes Zünd-Einspritz-System, das bei Sensoren (Totpunkt-Geber, Temperatur, Luftmasse) und Aktoren (primär Einspritzventile) auf Standardkomponenten großer Hersteller setzt und so in vielen Fällen die teilweise Weiterverwendung vorhandener Komponenten gestattet.
Die Quellcodes von Megasquirt sind offen, allerdings gestatten Bowling und Grippo die Verwendung der Software nur auf ihrer Hardware. Immerhin: Private Nutzer erhalten kostenlosen Zugriff auf Schaltpläne, so dass sie die Steuerungsplatine selbst bauen können.
Was bringt die Zukunft?
Einen ersten Vorgeschmack auf die intensive Vernetzung moderner Pkw zeigte bereits die Mercedes-Benz S-Klasse W140, die vor 25 Jahren vorgestellt wurde. Es wurde damals befürchtet, dass sie in 25 Jahren – also heute – unreparierbar sein würde. Das ist glücklicherweise nicht eingetreten, auch wenn die Diagnose von Elektronikproblemen beim W140 schon mal einen CAN-Sniffer erfordern kann, wo beim Vorgänger W126 das Multimeter ausreichte.
Pkw mit Verbrennungsmotoren sind am Gipfel der Komplexität mit zahllosen Sensoren und Aktoren angekommen: Bereits Ottomotoren verfügen(öffnet im neuen Fenster) über kombinierte Saugrohr- und Direkteinspritzung, variable Nockenwellen oder gleich per Solenoid betätigte Ventile, Abgasrückführung, Zylinderabschaltung und einen Stickoxid-Speicherkat, der gelegentliche Regenerationen erfordert. Beim Diesel kommt vielerorts noch die Harnstoff-Einspritzung zur Stickoxid-Minderung hinzu.
Aktuelle Fahrzeuge dürften demnach auf dem Weg zum Klassiker um 2040 eine viel größere Herausforderung darstellen. Allerdings interessiert sich seit einigen Jahren auch die Hackerszene für Automobile, Sicherheitslücken in vernetzten Systemen und die Funktionsweise von Motorsteuerungen. Eindrucksvolle Ergebnisse dieser Forschung sind der Jeep-Hack oder die Analyse von Volkswagens Schummelsoftware durch Felix Domke.
Es ist anzunehmen, dass solche Ergebnisse auch zu einem besseren Verständnis des komplexen Zusammenspiels der Systeme moderner Autos beitragen, denn mit jedem Hack wird die Kommunikation verschiedener Komponenten besser dokumentiert. In der Praxis dürften sich Hersteller aber kaum die Blöße geben, Hacker dazu zu nötigen, in einer möglicherweise schmutzigen Vergangenheit aus Sicherheitslücken und absichtlichen Manipulationen zu stochern.
GVO kann auch auf Software in Steuerungsgeräten ausgelegt werden
Wirkungsvoller dürfte allerdings sein, dass die Gruppenfreistellungsverordnung 1400/2002 auch auf Software in Steuerungssystemen ausgelegt werden kann. Somit kann sie als Hebel gegen Hersteller genutzt werden, die sich weigern, für eine Reparatur relevante Informationen herauszugeben.
Der erste offizielle Schritt in diese Richtung ist der in der Abgasverordnung 715/2007 geregelte diskriminierungsfreie Zugang zu Firmware-Images zur Neuprogrammierung von Steuergeräten(öffnet im neuen Fenster). Von dort ist es nur ein kleiner Schritt dazu, Fahrzeughersteller zu zwingen, Firmware-Images, Quelldaten von Kennfeldern oder die Spezifikation von Steuerungsgeräten bereitzustellen, so dass Dritte Emulationen nicht mehr gefertigter Steuerungsgeräte entwickeln können.
Die rechtliche Seite
Wer in die Steuerungselektronik seines Fahrzeuges eingreift, kann mit einer ganzen Reihe von Gesetzen und Verordnungen in Konflikt kommen, etwa mit dem Urheberrecht, der Straßenverkehrszulassungsordnung und dem Pflichtversicherungsgesetz. Probleme mit dem Urheberrecht bestehen allerdings eher theoretisch, wenn ein Reverse Engineering oder die Dekompilierung von Objektcode einer Motorsteuerung stattfindet.
Denn solange keine kompletten Dumps von Firmware-Images verbreitet werden und die Vorgehensweise zur Analyse nur qualitativ beschrieben wird, droht wenig Gefahr seitens der Hersteller von Fahrzeug und Steuergerät. Erst recht, wenn es sich um Liebhaberfahrzeuge handelt, bei denen Hersteller insolvent sind oder nach Eigentümerwechseln von Zulieferern schlicht weder Ersatzteile noch Dokumentation vorhanden sind.
Reverse Engineering kann ausdrücklich erlaubt sein
Existiert keine andere Möglichkeit, das System lauffähig zu erhalten, sieht das EU-Recht ausdrücklich den Einsatz von Reverse Engineering vor. Wer eine ECU (Engine Control Unit) als Blackbox betrachtet und im Betrieb Sensorwerte und Signale an Aktoren mitloggt, um ein Kennfeld rekonstruieren zu können, befindet sich immer auf der sicheren Seite.
Urheberrechtsexzesse wie in den USA, wo das Urheberrechtsgesetz Digital Millenium Copyright Act (DMCA) dazu verwendet wird, Fahrzeugeigentümer von der Reparatur auszuschließen(öffnet im neuen Fenster), sind in der EU schon dank GVO 1400/2002 sehr unwahrscheinlich.
Relevanter sind die Folgen von Modifikationen an der Motorsteuerung für die Betriebszulassung eines Fahrzeugs. Prinzipiell erfordert jede Änderung eine Einzelabnahme durch den TÜV (alte Bundesländer) oder die Dekra (neue Bundesländer). Sonst droht der Entzug der Betriebserlaubnis, da das Fahrzeug nicht mehr dem Zustand der Typzulassung entspricht, und in der Folge der Verlust des Versicherungsschutzes.
Immer mit den Prüfstellen sprechen
Daher sollte jede Modifikation vorher mit den zuständigen Prüfstellen abgesprochen werden. TÜV und Dekra unterhalten hierfür eigene Büros, die sich auf Oldtimer und Liebhaberfahrzeuge an der Schwelle zum Klassiker spezialisiert haben. Grundsätzlich ist die Modifikation der Motorsteuerung von Fahrzeugen aus der Vor-Euro-1-Ära relativ einfach zu begutachten und muss lediglich durch eine Abgasuntersuchung bestätigt werden, wenn Drosselklappenquerschnitte (Luftbegrenzung) und maximale Einspritzmengen gleich bleiben.
Neuere Fahrzeuge brauchen in der Regel ein Abgasgutachten und ein Lärmgutachten. Das kann mehrere Tausend Euro kosten. Das mag für einzelne Fahrzeugeigentümer eine immense Hürde sein, allerdings relativiert sich der Betrag, wenn Oldtimer-Clubs für die Nachfertigung von Karosserie- und Technikteilen zusammenlegen. Was heute für diese Clubs das Nachpressen von Kotflügeln ist, entspricht vielleicht in zehn Jahren dem Clean-Room-Nachbau von ECUs im Originalgehäuse nebst Implementierung von Diagnosesoftware und Erlangung der Abgasgutachten.
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