Drosselklappen

Aufgabe und Anwendung

Der Drosselklappenstutzen ist im Ansaugtrakt des Verbrennungsmotors untergebracht und regelt die in den Motor eintretende Luftzufuhr.

Anforderungen und Anwendungsbereiche

In einem Verbrennungsmotor ist die Drosselklappe für die Steuerung der Luftzufuhr zuständig.

Je nach Motorkonzept dient dies unterschiedlichen Zwecken.

Systemübersicht und Funktion

Die Drosselklappe hat drei grundlegende Stellungen, die jeweils einem bestimmten Einsatzszenario im Ansaugsystem des Motors entsprechen. Diese Stellungen steuern die Luftzufuhr und sind maßgeblich für die Motorleistung, den Kraftstoffverbrauch sowie die Emissionen. Nachstehend sind die wichtigsten Stellungen aufgeführt:

Übergänge zwischen den Stellungen

• Moderne Drosselklappen, insbesondere elektronische Drosselklappensteuerungssysteme (ETC), wechseln aufgrund von Sensoreingaben (z. B. Position des Gaspedals, Motorlast und Drehzahl) stufenlos zwischen diesen Stellungen.
• Diese Übergänge sind entscheidend für das Fahrverhalten, die Emissionskontrolle und das Ansprechverhalten des Motors.

Jede Stellung spielt eine wichtige Rolle für den Motorlauf und Störungen an der Drosselklappe können zu Leistungseinbußen oder Problemen beim Fahrverhalten führen.

Leerlauf

Die erste Stellung der Drosselklappe: Leerlauf

1. Geschlossene Drosselklappe (Leerlauf)

• Beschreibung:
  • Die Drosselklappe ist fast geschlossen, wodurch nur ein minimaler Luftstrom in den Ansaugkrümmer gelangt.
  • Diese Stellung ist im Leerlauf oder beim Abbremsen des Motors vorherrschend.
• Zweck:
  • Sie sorgt dafür, dass ein kleiner Luftdurchlass bestehen bleibt, um auch im Leerlauf eine stabile Verbrennung zu gewährleisten.
  • Zur Stabilisierung des Motors kann das Ventil zur Steuerung der Leerlaufluft oder die Bypass-Mechanismen der Drosselklappe den Luftstrom anpassen.
• Hauptmerkmale:
  • Hoher Unterdruck (Niederdruck) hinter der Drosselklappe.
  • Minimale, für die Aufrechterhaltung der Leerlaufdrehzahl optimierte Kraftstoffeinspritzung.

Teillast

Die zweite Stellung der Drosselklappe: Teillast

2. Halb geöffnete Drosselklappe (Teillast)

• Beschreibung:
  • Als Reaktion auf die Eingaben des Fahrers (mäßiger Druck auf das Gaspedal) wird die Drosselklappe teilweise geöffnet.
  • Diese Stellung ist bei normalem Fahrbetrieb üblich.
• Zweck:
  • Sie sorgt für eine kontrollierte Luftmenge, um ein Gleichgewicht zwischen Leistung und Effizienz zu erzielen..
  • So wird eine angemessene Kraftstoffeinspritzung zur Deckung des Leistungsbedarfs ermöglicht.
• Hauptmerkmale:
  • Mäßiger Unterdruck im Ansaugkrümmer.
  • Der Luftstrom erhöht sich proportional zur Öffnung der Drosselklappe.

Vollast

Die dritte Stellung der Drosselklappe: Vollast

3. Vollständig geöffnete Drosselklappe

• Beschreibung:
  • Die Drosselklappe ist vollständig geöffnet, wodurch der maximale Luftstrom in den Ansaugkrümmer gelangt.
  • Diese Stellung ist bei starker Beschleunigung oder schneller Fahrweise gegeben.
• Zweck:
  • Die Leistungsabgabe wird maximiert, da der Motor die größtmögliche Luftmenge ansaugt.
  • Dies entspricht einer erhöhten Kraftstoffeinspritzung und maximaler Motorleistung.
• Hauptmerkmale:
  • Der Druck im Ansaugkrümmer nähert sich dem Atmosphärendruck (minimaler Unterdruck).
  • Ein hoher Luftdurchfluss führt zu Höchstleistung des Motors.

Zündzeitpunkt

Der Unterdruck für den Zündzeitpunkt wird in der Regel zwischen der Drosselklappe und dem Motor im Ansaugkrümmer gemessen. Das bedeutet, dass bei geschlossener Drosselklappe, z.B. im Leerlauf oder bei Halbgas, die vom Motor angesaugte Luft nur schwer nachströmen kann und ein hoher Unterdruck entsteht.

Doppelmembran-Zündverteiler - Übersicht

• Funktion:
  • Kombiniert die Fliehkraftverstellung sowie die Früh- und Späteinstellung des Zündzeitpunktes.
• Vorteil:
  • Eine späte Zündung im Leerlauf reduziert die Emissionen aufgrund vollständigerer Verbrennung.
  • Optimierung für Leerlauf, Teillast und Volllast.

1. Leerlauf (keine Last):

Hoher Unterdruck → späte Verstellung.

2. Teillast (bis zu 1/4 Drosselklappenöffnung):

Frühzeitige Verstellung infolge von hohem Unterdruck im Vergaser.

3. Volllast:

Beide Membranen in Ruhestellung → nur Zentrifugalverstellung aktiv.

Luftdruck vor und hinter der Drosselklappe (Wechselwirkung zwischen MAF und MAP)

Das Zusammenspiel des Luftdrucks vor und hinter der Drosselklappe ist von zentraler Bedeutung für die Steuerung der Luftzufuhr zum Motor. Zwei wichtige Sensoren, der Luftmassenstromsensor (MAF) und der Krümmer-Absolutdrucksensor (MAP) zeichnen hier die entscheidenden Daten auf:

Druckunterschiede und typische Werte:

• Leerlauf:
  • Vor der Drosselklappe: Atmosphärendruck (~1013 mbar)
  • Hinter der Drosselklappe: starker Unterdruck (~300-400 mbar)
• Teillast:
  • Vor der Drosselklappe: Atmosphärischer Druck
  • Hinter der Drosselklappe: Mäßiger Unterdruck (~600-800 mbar)
• Volllast:
  • Vor der Drosselklappe: Atmosphärischer Druck
  • Hinter der Drosselklappe: Nahezu atmosphärischer Druck (~950-1000 mbar)

Bremskraftverstärker

Die Drosselklappe spielt eine wichtige Rolle für den Bremskraftverstärker, da sie den Unterdruck im Ansaugtrakt des Motors nutzt.

Bei teilweise geschlossener Drosselklappe entsteht im Ansaugtrakt ein für die Funktion des Bremskraftverstärkers notwendiger Unterdruck. Dieser Unterdruck dient dazu, die Bremskraft zu erhöhen und den Bremsvorgang für den Fahrer zu erleichtern.

Unterdruck-Bremskraftverstärker

• Verwendung:
  • Die meisten Fahrzeugbremssysteme sind hiermit ausgestattet.
• Funktionalität:
  • Nutzt den Unterdruck, um die Bremskraft zu erhöhen.
  • Unterdruckquelle:
    • Ottomotor: Ansaugtrakt im Ansaugkrümmer.
    • Dieselmotor: Unterdruckpumpe (0,5-0,9 bar).

Mechanische Drosselklappe - Aufbau und Funktion

Die Drosselklappe hat eine mechanische Verbindung zum Gaspedal und wird über einen Seilzug betätigt. 

• Die Stellung der Drosselklappe wird über ein elektronisches Signal an das Steuergerät übertragen.

Die Beschleunigung wird mit dem über einen Bowdenzug mit der Drosselklappe verbundenen Gaspedal gesteuert.

• Der Bowdenzug dient zur Steuerung der Klappe im Drosselventil und sorgt dafür, dass das erforderliche Durchflussvolumen gewährleistet ist.

Halbelektronische Drosselklappe - Aufbau und Funktion

Bei einer elektromotorischen Drosselklappe wird die Einstellung der Drosselklappe weiterhin mechanisch über den Bowdenzug vorgenommen.

• Die Stellung der Drosselklappe wird über ein elektronisches Signal an das Steuergerät übertragen.
• Sobald alle Parameter der verschiedenen Sensoren im Steuergerät synchronisiert sind, erfolgt die Feineinstellung über einen Stellmotor an der Drosselklappe!

Bei einer elektromotorischen Drosselklappe wird die Einstellung der Drosselklappe weiterhin mechanisch über den Bowdenzug vorgenommen.

• Die Stellung der Drosselklappe wird über ein elektronisches Signal an das Steuergerät übertragen.
• Sobald alle Parameter der verschiedenen Sensoren im Steuergerät synchronisiert sind, erfolgt die Feineinstellung über einen Stellmotor an der Drosselklappe!

Elektronische Drosselklappe - Aufbau und Funktion

Im Falle elektronischer Drosselventile gibt es keine mechanische Verbindung zum Gaspedal. Stattdessen wird die Antriebsanforderung von einem elektronischen Gaspedal erfasst.

• Das Motorsteuerungssystem vergleicht dieses Signal fortlaufend mit den von den Motorsensoren gelieferten Daten, um die optimale Stellung der Drosselklappe zu berechnen.
• Die elektronische Drosselklappe wird dabei ausnahmslos von einem Stellmotor gesteuert, der von der Motorsteuerung über ein Steuersignal aktiviert wird.

Im Falle elektronischer Drosselventile gibt es keine mechanische Verbindung zum Gaspedal. Stattdessen wird die Antriebsanforderung von einem elektronischen Gaspedal erfasst.

• Das Motorsteuerungssystem vergleicht dieses Signal fortlaufend mit den von den Motorsensoren gelieferten Daten, um die optimale Stellung der Drosselklappe zu berechnen.
• Die elektronische Drosselklappe wird dabei ausnahmslos von einem Stellmotor gesteuert, der von der Motorsteuerung über ein Steuersignal aktiviert wird.

Luftsteuerventile (Dieselmotoren) - Aufbau und Funktion

Bei Dieselmotoren spricht man bei Drosselklappen von Luftsteuerventilen, die mit oder ohne integrierte Steuerelektronik lieferbar sind.

• Sie drosseln die Ansaugluft mithilfe eines Elektromotors, um so eine präzise Steuerung der Abgasrückführung zu ermöglichen und störende Vibrationen beim Ausschalten des Motors zu vermeiden.

Einbauhinweise für Drosselklappenstutzen

1. Die Einbauposition der Drosselklappe im Fahrzeugschein nachschlagen (verschiedene Fahrzeughersteller verwenden unterschiedliche Einbaupositionen und Drosselklappenausführungen)
2. Der Motor sollte kalt sein
3. Die Motorhaube öffnen
4. An der Drosselklappe befindliche Befestigungselemente ausbauen
5. Stecker herausziehen / Bowdenzug aushängen
6. Drosselklappe abschrauben
7. Warnhinweis! Darauf achten, dass nichts in das offene Ansaugsystem gelangt
8. Neue Drosselklappe wieder anschrauben (Dichtung erneuern!)
9. Stecker herausziehen / Bowdenzug einhängen
10. An der Drosselklappe befindliche Befestigungselemente erneut einbauen
11. Motorhaube schließen
12. Wenn möglich, die Drosselklappe mit dem Diagnosegerät neu einstellen!

Funktionsstörungen

Anzeichen für eine verrußte/verschmutzte (1) oder defekte (2) Drosselklappe:

1. Der Motor springt nicht an oder läuft ungleichmäßig..
2. Verminderte Motorleistung.
3. Probleme im Leerlauf (z. B. Drehzahlschwankungen oder unruhiger Leerlauf, verzögerte Drehzahlreduzierung).
4. Die Warnleuchte „Motorstörung“ (Motorkontrollleuchte) leuchtet auf.
5. Probleme mit dem Ansprechverhalten der Drosselklappe.
6. Erhöhter Kraftstoffverbrauch.

Mechanische Ursachen

• Ablagerungen und Verschmutzungen
  • Insbesondere bei Fahrzeugen mit Abgasrückführungs- (AGR) oder Ölnebelsystemen können sich Öl, Schmutz oder Ruß auf der Drosselklappe ablagern.
  • Resultat: Die Klappe arbeitet nicht mehr leichtgängig, was zu Leerlaufproblemen oder unpräzisem Ansprechverhalten der Drosselklappe führt.
• Verschleiß
  • Mechanische Bauteile wie die Achse oder der Drosselklappenhebel können mit der Zeit verschleißen.
  • Resultat: Ungenaue Steuerung oder Blockierung.
• Blockierung
  • Die Klappenbewegung kann durch Fremdkörper oder Defekte im Ansaugkrümmer blockiert werden.
  • Resultat: Motorstörung und Leistungsverlust.

Elektrische Ursachen

• Defekte Drosselklappensensoren
  • Die Drosselklappe arbeitet mit Sensoren (TPS - Throttle Position Sensors = Drosselklappensensoren), mit denen die Position und der Öffnungswinkel überwacht werden. Ein Defekt führt zu Fehlinterpretationen des Steuergerätes.
  • Resultat: Störungen in der Gasannahme
• Defekte am Stellantrieb
  • Der Elektromotor, der das Öffnen und Schließen der Drosselklappe steuert, kann aufgrund von Überhitzung oder Verschleiß ausfallen.
  • Resultat: Mangelhafte Steuerbarkeit der Klappe.
• Probleme mit Kabeln und Anschlüssen
  • Korrodierte, lose oder gerissene Kabel zwischen der Drosselklappe und dem Steuergerät können zu Signalverlusten führen.
  • Resultat: Unterbrochene Kommunikation und Fehlercodes

Probleme mit der Software

• Fehlende Kalibrierung
  • Nach einem Austausch der Batterie oder einer Reparatur muss die Drosselklappe oft neu eingestellt werden. Andernfalls arbeitet sie ungenau.
  • Resultat: Unruhiger Leerlauf oder schlechte Gasannahme.
• Fehler im Motorsteuergerät (MSG)
  • Ein Softwarefehler im Motorsteuergerät kann dazu führen, dass die Drosselklappe nicht richtig gesteuert wird
  • Resultat: Ungleichmäßige Leistung oder kompletter Ausfall.

Fehlersuche

Eine defekte Drosselklappe kann verschiedene mechanische, elektrische oder softwarebedingte Ursachen haben. Nachstehend sind die empfohlenen Maßnahmen aufgeführt:

1. Fehlercode auslesen: Zur Ermittlung des genauen Fehlercodes kann ein OBD-II-Diagnosegerät verwendet werden.
2. Drosselklappe reinigen: Ablagerungen können mechanische Probleme verursachen.
3. Anschlüsse prüfen: Kabel und Steckeranschlüsse auf Korrosion oder Beschädigung prüfen.
4. Programmierung der Software: Nach einer Reparatur kann es erforderlich sein, die Drosselklappe neu zu kalibrieren.
5. Vertragswerkstatt: Wenn die Ursache nicht gefunden werden kann, empfiehlt sich ein Werkstattbesuch.

Signal

Das Drosselklappen-Signal ist entscheidend für die präzise Steuerung der Luftzufuhr zum Motor. Es wird von in der Drosselklappe integrierten Sensoren und Stellgliedern erzeugt und überwacht.

Das sogenannte Drosselklappen-Potentiometer ist ein wichtiger Bestandteil der Einspritzung in modernen Fahrzeugen. Es misst die Stellung der Drosselklappe, die den Luftstrom in den Motor regelt. Das Potentiometer sendet ein elektrisches Signal an das Motorsteuergerät, welches anhand dieser Information das Luft-Kraftstoff-Gemisch optimal steuert. Dadurch wird eine effiziente Verbrennung und eine bessere Motorleistung gewährleistet. Ein defektes Potentiometer kann zu Problemen wie Leistungsabfall oder unruhigem Motorlauf führen.

Signalfunktion:

Ein Drosselklappen-Potentiometer mit einem gegenläufigen Signal liefert zwei Spannungen:

• Primärsignal: Die Spannung steigt proportional zur Öffnung der Drosselklappe.
• Sekundärsignal: Die Spannung sinkt proportional zur Öffnung der Drosselklappe (in entgegengesetzter Richtung).

Normalwerte für das Signal:

• Stellung der Drosselklappe
  • Geschlossen: ca. 0,5 Volt (5-10 % der maximalen Öffnung).
  • Leerlaufposition: ca. 10-15 %.
  • Vollständig geöffnet: 4,5 Volt (90-100 % der maximalen Öffnung).
• Abweichungen:
  • Eine Abweichung zwischen Sensor A und Sensor B führt zu Fehlercodes (z. B. P2135).

Signaldiagramm

Das Signal-Diagramm zeigt ein Drosselklappen-Potentiometer mit einem gegenläufigen Signal:

• Primärsignal (blau): Die Spannung steigt proportional zur Öffnung der Drosselklappe (z.B. von 0,5 V im Leerlauf auf 4,5 V bei Vollgas)
• Sekundärsignal (‚gestricheltes Rot‘): Die Spannung fällt zur gleichen Zeit im gleichen Verhältnis ab (von 4,5 V im Leerlauf auf 0,5 V bei Vollgas).

Die konstante Summe beider Signale (5 V) ermöglicht eine zuverlässige Plausibilitätsprüfung zur Ermittlung von Fehlern oder Abweichungen.

Sensor A (linear) (blau)

Sensor B (invertiert) (rot)