Drosselklappe (Motor)
Um bei Ottomotoren die geforderte Abgabeleistung zu regulieren, wird die zugeführte Luft- und Treibstoffmenge reguliert. Die Luftmenge wird dazu durch eine Drosselklappe im Saugrohr gesteuert.
Hintergrund
Motoren erzeugen während des Ansaugtakts (1. Takt) durch die sich im Zylinder hinabbewegenden Kolben einen Unterdruck. Durch dieseen wird Umgebungsluft angesaugt.
Benzin-Ottomotoren brauchen ein zündfähiges Kraftstoff-Luft-Verhältnis, um überhaupt zu funktionieren (vgl. Lambdaregelung). Um die Motordrehzahl und die Leistung zu variieren, kann nicht einfach weniger Kraftstoff zugegeben werden, sondern die gesamte Gemischmenge muss angepasst werden. Deshalb wird die Frischluftmenge durch die Drosselklappe eingestellt und davon abhängig eine bestimmte Kraftstoffmenge zugegeben.
Einspritzanlagen oder Vergaser versetzen die angesaugte Luft mit der Menge an Kraftstoff, die das Gemisch brennbar werden lassen. Dabei entsteht jedoch kein gasförmiges Gemisch, sondern eine Mischung aus Frischluft mit möglichst fein zerstäubtem Kraftstoff.
Weil das Brennstoff-Luft-Gemisch in der Menge reguliert wird, spricht man von einer quantitativen Gemischregulierung.
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Aufbau
Die Drosselklappe befindet sich im Ansaugtrakt zwischen Luftfilter und dem sich fächerförmig verzweigenden Ansaugkrümmer des Motors. Ausnahmen sind u.a. Rennsportmotoren und Motoren in sportlichen Serienfahrzeugen (z. B. BMW M3), bei denen sich an jedem Zylinder eine Drosselklappe befindet.
Bei Vergasermotoren befindet sie sich im Vergaser, bei Einspritzmotoren im Drosselklappengehäuse. Es gibt Zentraleinspritzungen, bei denen die Einspritzdüse vor der Drosselklappe sitzt, bei Multipoint-Einspritzungen befindet sich meist pro Zylinder je eine Düse im Ansaugkrümmer, also nach der Drosselklappe.
Die Drosselklappe ist meist nur ein kreisrundes Blech, das senkrecht auf einer Achse drehbar gelagert in einem zylindrischen Rohr angeordnet ist und im geschlossenen Zustand das Rohr verschließt. Möglich, aber wenig verbreitet sind von der Kreisform abweichende Drosselklappen. Des Weiteren gibt es auch Anordnungen mit mehreren Drosselklappen. Diese versorgen dabei jedoch nicht einen Zylinder, sondern (wie bei einer Klappe) nach wie vor zuerst den Ansaugtrakt, von dem die Luft auf die einzelnen Zylinder verteilt wird. Wenn ein Motor mit soviel Einheiten bestückt ist, dass die Anzahl der Drosselklappen identisch mit der der Zylinder ist, werden die Einheiten direkt mit den Ansaugkanälen des Motors verbunden und nicht über ein Sammelrohr geleitet. Fast alle Sportmotoren waren und sind so konstruiert. Ein solches System kann auch als Registerbetätigung realisiert werden, um einen komfortableren Motorlauf zu erreichen.
Durch Betätigen des Gaspedals wird die Drosselklappe geöffnet. Dabei erfolgt die Öffnung der Klappe nicht zwingend in direkter Abhängigkeit zur Pedalstellung. Vor allem durch die elektronische Übertragung der Gaspedalstellung an die Drosselklappe kann über ein Steuergerät aktiv in die Öffnung der Klappe eingegriffen werden. Dabei werden sowohl die Geschwindigkeit der Öffnung als auch die Stellung der Klappe in Abhängigkeit von der Pedalstellung beeinflusst. Ziel hierbei ist es, die Fahrbarkeit bei leistungsstarken Motoren zu verbessern oder den Fahrkomfort für die Insassen zu erhöhen.
Da die Drosselklappe im Leerlauf den Rohrquerschnitt ganz verschließt, würde der Motor mangels Luft zur Verbrennung absterben. Im Laufe der Jahre kamen verschiedenste Systeme zum Einsatz, um die nötige Luftmenge für den Leerlauf im Motor bereitzustellen. Die einfachste Methode war dabei ein mechanischer Anschlag, der die Klappe ein Stück offen lässt. Ähnlich funktionieren Leerlaufstellschrauben. Diese verschließen eine zusätzliche Bohrung, die Luft neben der Drosselklappe vorbeiführt. Je nach Position der Schraube lässt sich dabei der Leerlauf des Motors einstellen. Diese Systeme erforderten aber eine zusätzliche Einrichtung zur Leerlauferhöhung bei einem Kaltstart. Dies wurde z. B. durch einen Zusatzluftschieber bei der Bosch K-Jetronic erreicht. Mit dem Aufkommen vollelektronischer Einspritzanlagen wurde die Luftmenge für den Leerlauf durch einen Stellmotor (sog. Leerlaufregler oder Leerlaufregelventil) bereitgestellt, der aktiv und jederzeit die Leerlaufdrehzahl anheben und absenken kann. Moderne Fahrzeuge mit elektronischen Drosselklappen kommen oft ohne zusätzlichen Leerlaufregler aus, die Drosselklappe wird dabei vom Steuergerät auch aktiv für die Leerlaufregulierung angesteuert.
Sofern vorhanden, wird die aktuelle Stellung der Drosselklappe über ein Drosselklappen-Potentiometer, das direkt an der Drosselklappen-Achse befestigt ist, an das Motorsteuergerät geleitet. Dieses berechnet daraus zusammen mit einigen anderen Werten die richtige Kraftstoff-Einspritzmenge. Eine Sonderstellung dabei nimmt z. B. die Bosch KE-Jetronic ein. Diese arbeitet – je nach Einsatzzweck – nur mit einem Vollastschalter oder auch mit einem Leerlaufschalter, der ein Signal zur Beeinflussung des Motorkennfeldes an das Steuergerät überträgt.
Antriebe
Bei „klassischen“ Motoren wird die Drosselklappe direkt durch das Gaspedal betätigt, z. B. über einen Seilzug oder Gestänge, bei modernen elektronisch gesteuerten Motoren geschieht das über einen elektrischen Antrieb (Gleichstrommotor mit Getriebe, selten Direktantrieb ohne Getriebe oder Schrittmotoren). Hier spricht man von E-Gas (elektronisches Gaspedal) oder auch Drive-by-Wire.
Ausführungen
Bei Vergasern oder Motoren mit nachgerüsteten Gasanlagen nach dem Venturi-Prinzip befindet sich die Drosselklappe an einer Stelle des Ansaugtrichters hinter dem Venturi-Rohr, wo er in einen zylindrischen Querschnitt übergeht. Bei Einspritzanlagen befindet sie sich im Drosselklappengehäuse.
Hochleistungs- und Rennmotoren verwenden eine Drosselklappe pro Zylinder, während Motoren mit geringerer Literleistung mit insgesamt einer Drosselklappe auskommen.
Valvetronic
Der von BMW entwickelte vollvariable Ventiltrieb Valvetronic steuert die Gemischmenge über den Hub der Einlassventile. So lassen sich die Drosselverluste der Drosselklappe vermeiden und höhere Wirkungsgrade erzielen. Die geringeren Drosselverluste lassen sich durch die bessere Gemischaufbereitung und den damit möglichen höheren inneren AGR-Raten erzielen, durch die ein geringerer Unterdruck im Zylinder erzeugt wird.
Dieselmotoren
Konventionelle Dieselmotoren verfügen prinzipbedingt, wegen der andersartigen Gemischaufbereitung, über keine Drosselklappe. Um trotzdem einen Unterdruck-Bremskraftverstärker einsetzen zu können, muss eine Vakuumpumpe eingesetzt werden.
Moderne Dieselmotoren verfügen wieder über eine Drosselklappe, diese dient jedoch lediglich dazu, das Schütteln beim Ausschalten des Motors zu reduzieren. Bei Betrieb ist die Klappe immer ganz geöffnet. Diese „Drosselklappe“ wird als Saugrohrklappe bezeichnet.
Bei Dieselmotoren, die zur Reduzierung der Stickoxid-Anteile im Abgas eine hohe Abgasrückführungsrate fahren, gibt es ebenfalls eine Drosselklappe. Diese wird im Teillastbetrieb teilweise geschlossen, um die Frischluftzufuhr zu reduzieren und somit einen höheren Abgasanteil im Zylinderraum zu ermöglichen.
Bei Dieselmotoren (u. a. VW, BMW) mit Rußpartikelfiltern wird eine Drosselklappe verbaut, die zur aktiven Regenerierung des Partikelfilters benutzt wird. Sie wird nur während der Regenerationsphasen des Partikelfilters genutzt.
Eine Besonderheit stellten Vorkammer-Dieselmotoren von Daimler-PKWs dar, diese verfügten über eine Drosselklappe, um die vakuumpneumatisch wirkende Dieseleinspritzpumpe drehzahlabhängig zu regulieren und den Bremskraftverstärker oder die pneumatische Zentralverriegelung mit Vakuum zu versorgen.
Literatur
- Richard van Basshuysen, Fred Schäfer: Handbuch Verbrennungsmotor Grundlagen, Komponenten, Systeme, Perspektiven. 3. Auflage, Friedrich Vieweg & Sohn Verlag/GWV Fachverlage GmbH, Wiesbaden, 2005, ISBN 3-528-23933-6
- Max Bohner, Richard Fischer, Rolf Gscheidle: Fachkunde Kraftfahrzeugtechnik. 27.Auflage, Verlag Europa-Lehrmittel, Haan-Gruiten, 2001, ISBN 3-8085-2067-1