Gaspedal

Themen:

Allgemeines
Drosselventil für ein Monopoint-Einspritzsystem
Drosselventil an einem Mehrpunkteinspritzsystem
Leerlaufkontrolle
Drosselklappensteuerung für größere Motoren
Drosselklappensensor
Elektronisches Gaspedal (Throttle by Wire)

Gesamt:
Jeder Benzinmotor verfügt über eine Drosselklappe. Die Drosselklappe kann die in den Zylinder einströmende Luftmenge regulieren. Dieselmotoren verfügen ebenfalls über eine Drosselklappe, diese ist jedoch bei laufendem Motor immer vollständig geöffnet. Dies liegt daran, dass ein Dieselmotor mit einem Luftüberschuss betrieben wird. Die Drosselklappe dient bei Dieselmotoren nur dazu, den Motor sanft abzustellen; Wenn das Ventil schließt, wird die Luftzufuhr unterbrochen. Der Motor schaltet sich dann sofort ab. Die Kraftstoffzufuhr wird daher gestoppt. Bei einem Dieselmotor wird diese anstelle der Drosselklappe auch Drosselklappe genannt. Tatsächlich ist eine Drosselklappe beim Benziner auch eine Drosselklappe: Die Luft wird unter allen Bedingungen außer Volllast gedrosselt.

In den nächsten Kapiteln zu den Monopoint- und Multipoint-Einspritzsystemen geht es natürlich um Benzinmotoren.

Drosselklappe mit Monopoint-Einspritzsystem:
Für Motoren mit Einfacheinspritzung (Monopoint-Einspritzsystem) Ein Injektor ist vor der Drosselklappe montiert. Dieser Injektor sprüht den Kraftstoff direkt auf die Drosselklappe. Diese Technologie ist alt und wird bei Neuwagen nicht mehr eingesetzt. Dies liegt daran, dass dieses System eine Reihe von Nachteilen aufweist. Da der Injektor auf die Drosselklappe spritzt, vermischt er sich dort mit der Luft. Der Ansaugkrümmer ist auf 4 oder mehr Zylinder aufgeteilt. Die Kraftstoffmenge wird nicht immer in allen Zylindern exakt gleich sein. Beispielsweise erhält Zylinder 1 den meisten Kraftstoff in der Luft, während Zylinder 4 deutlich weniger erhält. Das System ist daher nicht oder kaum verstellbar. Der Einsatz von Monopoint ist daher nicht geeignet, den aktuellen Umweltanforderungen gerecht zu werden.
Heutzutage werden mehrere Einspritzventile verwendet, die pro Zylinder genau die gleiche Menge Kraftstoff einspritzen. Die Menge lässt sich dann sogar pro Zylinder regulieren. So nennen wir es Mehrpunkteinspritzsystem.

Drosselklappe mit Multipoint-Einspritzsystem:
Bei Motoren mit Mehrfacheinspritzung (Multipoint-Einspritzsystem) sind die Injektoren für die indirekte Einspritzung im Ansaugrohr nach der Drosselklappe montiert. Die Einspritzdüsen sprühen auf die Einlassventile des Motors. Bei der Direkteinspritzung spritzen die Injektoren direkt in den Brennraum. Sowohl die Motoren mit indirekter als auch direkter Einspritzung verfügen über ein Drosselklappengehäuse, das wie unten gezeigt montiert ist. Ausnahmen sind Motoren mit Valvetronic (BMW) und Multi-Air (Fiat). Das Drosselklappengehäuse wird zwischen dem Ansaugkrümmer und dem Rohr mit dem Luftmassenmesser montiert. Die Steuerung kann elektrisch über ein elektronisches Gaspedal (Drive by Wire) oder per Gaszug (Bowdenzug) erfolgen.

Die heute verwendeten Motormanagementsysteme verwenden eine Drosselklappenstellungssteuerung. Ein Verstellmotor an der Drosselklappe sorgt dafür, dass die Position der Drosselklappe verändert werden kann. Dies kann für den Tempomat oder für die Leerlaufregelung sein. Potentiometer Messen Sie die Position der Drosselklappe. Das Motorsteuergerät (die ECU) erhält die Werte von den Potentiometern und kann dann die Stellmotoren ansteuern, um die Drosselklappe stärker zu öffnen oder zu schließen.

Leerlaufregelung:
Zum Beschleunigen wird das Gaspedal betätigt. Die Drosselklappe öffnet sich, sodass eine größere Luftmenge angesaugt werden kann. Beim Abbremsen oder im Leerlauf wird das Gaspedal nicht betätigt; hier ist die Drosselklappe geschlossen. Um Luftdurchlass zu erhalten, wird eine Leerlaufregelung eingesetzt. Die Leerlaufdrehzahl wird durch das Motormanagement so niedrig wie möglich gehalten. Je niedriger die Leerlaufdrehzahl, desto geringer sind der Kraftstoffverbrauch und der Motorverschleiß. Die Leerlaufdrehzahl darf nicht zu niedrig sein; Dadurch läuft der Motor unregelmäßig und es besteht die Gefahr, dass er abgewürgt wird. Die gewünschte Leerlaufdrehzahl ist nicht immer gleich. Die Temperatur der Ansaugluft, die eingeschaltete Klimaanlage, die Stellung des Kupplungspedals oder des Automatikgetriebe-Wählhebels beeinflussen die Leerlaufregelung. Die Stabilisierung der Geschwindigkeitsregelung kann auf verschiedene Weise erreicht werden:

Füllstandskontrolle. Es wird am häufigsten in Kombination mit der Einstellung des Zündzeitpunkts verwendet.
Gemischzusammensetzung ändern. Dies wirkt sich negativ auf die Abgasemissionen aus und der Regelbereich ist begrenzt.
Zündzeitpunkt anpassen. Dies wirkt sich ebenfalls negativ auf die Emissionen aus, ermöglicht aber eine äußerst schnelle Regelung.
Ventilsteuerzeiten einstellen. Dies bietet eine zusätzliche Kontrollmöglichkeit zusätzlich zu einer bestehenden Füllstandskontrolle.

Die Füllstandskontrolle erfolgt über ein Bypass-Ventil, das eine Luftzirkulation außerhalb des Gasventils oder eine Einstellung des Gasventils ermöglicht.

Bypassventil:
Ein Bypassventil öffnet oder schließt die Luftzufuhr außerhalb der Drosselklappe, sodass die Leerlaufdrehzahl stabilisiert wird. Das Bild unten zeigt links eine teilweise geöffnete Drosselklappe. Auf der rechten Seite ermöglicht ein geöffnetes Bypassventil das Ansaugen von Luft durch den Motor in den Bypasskanal. Wenn die Drosselklappe weiter öffnet, schließt sich das Bypassventil. Schließlich ist der Bypass nur bei geschlossenem Gasventil notwendig. Das Motormanagementsystem bestimmt, wie weit das Bypassventil geöffnet werden soll. Der Drosselklappensensor, der den Öffnungswinkel der Drosselklappe anzeigt, liefert zusammen mit dem Lufttemperatursensor die notwendigen Informationen.

Der häufig verwendete Bypass ist ein pulsweitenmoduliertes federbelastetes Magnetventil. Das Motormanagementsystem versorgt die Magnetspule mit einem PWM-Signal. Durch Variation des Arbeitszyklus kann das Ventil geöffnet, geschlossen oder in jede beliebige Position dazwischen gebracht werden. Das Bypassventil kann auch mit einem Schrittmotor ausgestattet werden.

Pulsweitenmoduliertes Bypass-Magnetventil:
Die Abbildung zeigt zwei Ansichten eines PWM-gesteuerten Bypassventils. Den drei Pins der Steckverbindung nach zu urteilen handelt es sich häufig um eine Variante mit zwei Spulen; einer zum Öffnen des Ventils und einer zum Schließen.
Das folgende Diagramm zeigt die Steuerungsmethode der beiden Spulen. Beim Einschalten des „EFI Main Relay“ (Relais für den Motormanagementrechner) wird der Mikroprozessor mit Strom versorgt. Im Steuergerät werden zwei Transistoren angesteuert.

Die Schaltmethode ermöglicht es dem unteren Transistor, das PWM-Signal des oberen zu invertieren. Die PWM-Signale werden gespiegelt. Dies sehen Sie an ISC1 und ISC2 (den Ausgängen des Steuergeräts). Das Steuergerät variiert den Arbeitszyklus für jede Spule. Der Stärkeunterschied zwischen den beiden Magnetfeldern bestimmt die Position des Ventils. Die Frequenz liegt zwischen 100 und 250 Hz.

De Arbeitszyklussteuerung kann mit dem Oszilloskop gemessen werden. Im Bild unten ist das Ventil halb geöffnet (Einschaltdauer 50 %). Bei ISC1 und ISC2 sind die positiven und negativen Impulse gleich.

Pulsweitenmoduliertes federbelastetes Bypass-Magnetventil:
Neben dem Aktor mit zwei Spulen ist er häufig auch mit einer Spule ausgestattet. In diesem Fall befinden sich in der Steckverbindung häufig zwei Pins: für die PWM-Ansteuerung und ein Erdungskabel. Eine Feder sorgt dafür, dass das Ventil im Ruhezustand geschlossen ist; Dadurch wird die zweite Spule überflüssig.

Bypass mit Schrittmotor ausgestattet:
Neben den PWM-gesteuerten Bypassventilen gibt es auch Ventile, die mittels Schrittmotor verstellt werden. Die ECU steuert die Spulen. Klicken Sie hier, um zur Schrittmotor-Seite zu gelangen.

Drosselklappengehäuse mit Stellantrieb:
Moderne Motormanagementsysteme nutzen eine Drosselklappenstellungsregelung zur Stabilisierung der Leerlaufdrehzahl. Ein separates Bypassventil muss nicht mehr verwendet werden. Alle Komponenten für die Drosselklappenstellungsregelung sind im Gehäuse untergebracht. Zwei Potentiometer Registrieren Sie die Position der Drosselklappe für die gesamte Winkeldrehung (Bildmitte). Zusammen mit dem Leerlaufschalter, der den Leerlauf registriert (links), werden die Signale an das Steuergerät gesendet. Der Gleich- oder Gleichstrommotor in der Drosselklappe wird mittels eines PWM-Signals angesteuert, um die Position der Drosselklappe zu steuern. Auch hier ist es möglich, dass ein Schrittmotor die Drosselklappe dreht.

Die Innenseite des Drosselklappengehäuses wurde so modifiziert, dass der Luftspalt linear mit der Winkelbewegung der Drosselklappe zunimmt. Das klingt sehr präzise. Deshalb ist es wichtig, dass nach dem Austausch oder der Reinigung der Drosselklappe die Drosselklappenstellung mit Diagnosegeräten auf die Grundeinstellungen eingestellt wird.

Drosselklappensteuerung für größere Motoren:
Bei großen Motoren, wie dem V12-Motor von BMW (siehe Abbildung unten), ist die Luftzufuhr durch eine Drosselklappe zu gering. Bei Volllast benötigt der Motor so viel Luft, dass der Durchmesser einer einzelnen Drosselklappe zu klein wäre. Daher wurden zwei Drosselklappen verbaut. Eine für jede Zylinderreihe. Diese Version verfügt über zwei Luftfiltergehäuse, zwei Luftmassenmesser und zwei Ansaugrohre.

Drosselklappensensor:
Im Inneren eines Drosselklappengehäuses befindet sich eine Drosselklappensensor welches die Stellung der Drosselklappe an die ECU des Motormanagementsystems übermittelt. Die Stellung der Drosselklappe bestimmt die angesaugte Luftmenge und damit auch die einzuspritzende Kraftstoffmenge. Anhand der Drosselklappenstellung kann das Steuergerät die Leerlaufdrehzahlregelung an die Betriebsbedingungen anpassen: Bei kaltem Motor oder eingeschalteter Klimaanlage muss die Leerlaufdrehzahl leicht erhöht werden, die Drosselklappe muss also etwas weiter öffnen. Siehe Abschnitt: Leerlaufregelung.

Im folgenden Diagramm sehen wir ein Steuergerät und ein Potentiometer, die über drei Drähte miteinander verbunden sind. Das Potentiometer hat eine mechanische Verbindung zur Drosselklappe. Durch Drehen der Drosselklappe wird der Läufer verschoben.

An Pin 3 erhält das Potentiometer eine Versorgungsspannung von 5 Volt;
Das Potentiometer ist an Pin 1 mit Masse verbunden;
Das Signal vom Potentiometer wird über Pin 2 an die ECU gesendet: An diesem Kabel ist der Schleifer (der Pfeil) befestigt.

Die Position des Läufers auf der Carbonbahn des Potentiometer bestimmt die Ausgangsspannung. Wenn der Läufer weit links positioniert ist, ist die Ausgangsspannung hoch: Der Strom muss nur eine kurze Strecke über den Widerstand zurücklegen, sodass weniger Spannung absorbiert wird. Je weiter sich der Läufer nach rechts bewegt, desto geringer wird die Signalspannung. Auf der Seite: Potentiometer Die Operation wird ausführlicher besprochen.

Mit einem Multimeter können Sie die Versorgungsspannung gegenüber Masse messen. Dabei muss es sich um eine stabilisierte Spannung von 5,0 Volt handeln. Besser ist es, die Signalspannung mit einem Oszilloskop zu messen: Es können Störungen im AM-Signal auftreten, die mit einer Multimetermessung nicht sichtbar sind. Die beiden folgenden Zeichnungen zeigen ein korrektes Signal (glatte Linien) und ein Signal mit Störungen, bei dem das Signal innerhalb sehr kurzer Zeit einen eigenartigen Spannungsabfall aufweist.

In der englischen, manchmal aber auch in der niederländischen Literatur wird häufig die Abkürzung „TPS“ verwendet. Dies steht für: „Throttle Position Sensor“, was eine Übersetzung des niederländischen „Throttle Position Sensor“ ist.

Elektronisches Gaspedal (Throttle by Wire):
Heutzutage werden die Drosselklappen elektronisch gesteuert: Wir finden kein (mechanisches) Kabel mehr zwischen dem Gaspedal und der Drosselklappe. Die Stellung des Gaspedals wird von zwei Positionssensoren erfasst und an die ECU des Motormanagementsystems übermittelt. Das Steuergerät prüft die Signale durch einen Vergleich untereinander auf Plausibilität und steuert den Drosselklappensteller (Verstellmotor) so an, dass die Klappe eine vorgegebene Position einnimmt. Wir nennen das „Throttle by Wire“, auf Niederländisch: Drosselklappensteuerung über Verkabelung.

Die Gaspedalstellungssensoren sind im Gehäuse oder oben am Gaspedal montiert. Die Signale dieser Sensoren müssen äußerst genau und zuverlässig sein: Wir möchten auf keinen Fall, dass Störungen des Signals zu unbeabsichtigter Beschleunigung oder zum Abwürgen des Motors führen. Um die Zuverlässigkeit zu gewährleisten, montieren die Hersteller zwei Positionssensoren hinzufügen:

Hersteller haben die Möglichkeit, die Signale beider Sensoren mit unterschiedlichen Spannungspegeln zu übertragen. Wenn die Signalspannung von Sensor 1 von 1,2 auf 1,6 Volt ansteigt, erhöht sich auch die Signalspannung von Sensor 2 um 400 mV, jedoch von 2,2 auf 2,6 Volt;
Eine weitere Möglichkeit besteht darin, zwei identische Signale zu spiegeln: Das Scope-Bild unten zeigt diese Strategie. Bei Betätigung des Fahrpedals steigt das Signal auf Kanal A (blau) von 800 mV auf 2,9 Volt und das Signal auf Kanal B (rot) sinkt von 4,3 auf 2,2 Volt. Der Signalverlauf der Amplitude (AM-Signal) ist genau gleich, aber spiegelbildlich.

Wenn eines der beiden Signale eine Fehlfunktion aufweist: Das Signal fällt kurzzeitig auf Masse ab oder weist Rauschen auf, ist ein Unterschied in beiden Signalen erkennbar. Das Steuergerät entscheidet dann möglicherweise, in den Notmodus zu wechseln: Die Gaspedalstellung ist nicht mehr zuverlässig. Im Notbetrieb steht nur begrenzte Leistung zur Verfügung, sodass man mit reduzierter Geschwindigkeit zu einem sicheren Ort entlang der Straße oder möglicherweise zur Garage fahren kann.

Der Gashebel wird von a gesteuert Gleichstrom-Elektromotor geöffnet und geschlossen. Der Drosselklappen-Einstellmotor wird von a gesteuert H-Brücke kontrolliert. Der Aktuator ist wie das Gaspedal mit zwei Potentiometern ausgestattet. Die beiden Bilder unten zeigen den Drosselklappenmotor (3) mit zwei Optionen der Doppelpotentiometer:

Potentiometer mit Schleifern nach oben: beide Signale sind identisch, aber auf unterschiedlichem Spannungsniveau;
Potentiometer mit gegenüberliegenden Läufern: Signale sind Spiegelbilder. Wenn beim Öffnen der Drosselklappe ein Signal hoch wird, nimmt das andere Signal ab.

Auf der seite H-Brücke Die Steuerungsmethoden des Elektromotors werden beschrieben. Auf der Seite Potentiometer Die Funktionsweise und Messung des Positionssensors wird ausführlich besprochen.

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