Gasklep

Onderwerpen:

Algemeen
Gasklep bij een monopoint injectiesysteem
Gasklep bij een multipoint injectiesysteem
Stationairregeling
Gasklep regeling bij grotere motoren
Gaskleppositiesensor
Elektronisch gaspedaal (throttle by wire)

Algemeen:
Elke benzinemotor heeft een gasklep. Met de gasklep kan de hoeveelheid lucht worden geregeld die de cilinder binnen komt. Dieselmotoren hebben ook een gasklep, maar die staat altijd volledig open bij draaiende motor. Dat komt omdat een dieselmotor op een luchtoverschot werkt. De gasklep bij de dieselmotoren dient er alleen maar voor om de motor rustig af te laten slaan; als de klep sluit wordt de luchttoevoer afgesloten. De motor slaat dan direct af. De brandstoftoevoer wordt dan ook stopgezet. Bij een dieselmotor wordt dit ook wel de smoorklep genoemd i.p.v. de gasklep. Feitelijk is een gasklep bij een benzinemotor ook een smoorklep: de lucht wordt gesmoord bij alle omstandigheden behalve vollast.

De volgende hoofdstukken over de monopoint- en multipoint injectiesystemen gaan uiteraard over benzinemotoren.

Gasklep bij een monopoint injectiesysteem:
Bij de motoren met enkelvoudige inspuiting (monopoint injectiesysteem) is er één injector voor de gasklep gemonteerd. Deze injector spuit de brandstof rechtstreeks op de gasklep. Deze techniek is al oud en wordt tegenwoordig niet meer op de nieuwe auto’s toegepast. Dat komt door dat dit systeem een aantal nadelen heeft. Doordat de injector op de gasklep inspuit, vermengt het zich daar met de lucht. Het inlaatspruitstuk is verdeeld over 4 of meerdere cilinders. De brandstofhoeveelheid zal niet altijd in alle cilinders exact gelijk zijn. Cilinder 1 krijgt bijvoorbeeld de meeste brandstof in de lucht aangevoerd, terwijl cilinder 4 een stuk minder krijgt. Het systeem is daardoor niet, of nauwelijks regelbaar. Het toepassen van monopoint is daarom ongeschikt om aan de huidige milieueisen te voldoen.
Tegenwoordig worden er meerdere injectoren gebruikt die per cilinder exact dezelfde hoeveelheid brandstof inspuiten. De hoeveelheid is dan zelfs per cilinder te regelen. Dit noemen we het multipoint injectiesysteem.

Gasklep bij een multipoint injectiesysteem:
Bij de motoren met meervoudige inspuiting (multipoint injectiesysteem) zijn de injectoren bij indirecte injectie in het inlaatspruitstuk ná de gasklep gemonteerd. De injectoren spuiten op de inlaatkleppen van de motor. Bij directe injectie spuiten de injectoren rechtstreeks in de verbrandingsruimte in. Bij zowel de indirect als direct ingespoten motoren is er een gasklephuis gemonteerd zoals hieronder staat afgebeeld. Uitzonderingen zijn motoren met Valvetronic (BMW) en Multi-air (Fiat). Het gasklephuis zit gemonteerd tussen het inlaatspruitstuk en de buis met de luchtmassameter. Deze kan elektrisch worden aangestuurd met behulp van een elektronisch gaspedaal (drive by wire) of met een gaskabel (bowdenkabel).

De motormanagementsystemen die tegenwoordig gebruikt worden, maken gebruik van een gaskleppositieregeling. Een stelmotor op de gasklep zorgt er voor dat de stand van de gasklep veranderd kan worden. Dit kan voor de cruise control of voor de stationair regeling zijn. Potentiometers meten de stand van de gasklep. Het motorregelapparaat (de ECU) ontvangt de waardes van de potentiometers en kan dan de stelmotoren aansturen om de gasklep meer te openen, of te sluiten.

Stationairregeling:
Om te accelereren wordt het gaspedaal ingedrukt. De gasklep opent, zodat er een grotere hoeveelheid lucht kan worden aangezogen. Bij decelereren of stationair draaien wordt het gaspedaal niet bediend; hier is de gasklep gesloten. Om toch een luchtdoorlaat te krijgen, wordt een stationairregeling toegepast. Het stationaire toerental wordt door het motormanagementsysteem zo laag mogelijk gehouden. Hoe lager het stationaire toerental hoe lager het brandstofverbruik en de motorslijtage. Het stationaire toerental mag niet te laag worden; dit veroorzaakt een onregelmatig draaiende motor en bestaat de kans dat deze afslaat. Het gewenste stationaire toerental is niet altijd gelijk. De temperatuur van de aangezogen lucht, ingeschakelde airconditioning, de stand van het koppelingspedaal of automaatbak keuzehendel hebben invloed op de stationairregeling. De stabilisatie van de toerentalregeling kan op verschillende manieren worden bereikt:

vullingsgraadregeling. In combinatie met het aanpassen van het ontstekingstijdstip wordt het meest toegepast.
mengselsamenstelling veranderen. Dit heeft een negatieve invloed op de uitlaatgasemissies en het regelbereik is beperkt.
ontstekingstijdstip aanpassen. Ook dit heeft een negatieve invloed op de emissies, maar maakt wel een extreem snelle regeling mogelijk.
kleptiming aanpassen. Dit geeft een extra regelmogelijkheid bovenop een al aanwezige vullingsgraadregeling.

Bij vullingsgraadregeling wordt gebruik gemaakt van een by-pass klep die een luchtomloop mogelijk maakt buiten de gasklep om, of verstelling van de gasklep.

By-pass klep:
Een bypass klep opent of sluit de luchttoevoer buiten de gasklep om zodat het stationaire toerental wordt gestabiliseerd. In de onderstaande afbeelding is links een deels geopende gasklep te zien. Aan de rechterzijde maakt een geopende by-pass klep het mogelijk dat er lucht in het by-pass kanaal door de motor kan worden aangezogen. Wanneer de gasklep verder opent, zal de by-pass klep sluiten. De by-pass is immers alleen nodig wanneer de gasklep is gesloten. Het motormanagementsysteem bepaalt hoever de bypass klep moet worden geopend. De gaskleppositiesensor, die de openingshoek van de gasklep aangeeft, geeft samen met de luchttemperatuursensor de benodigde informatie.

De by-pass die vaak wordt toegepast is een pulsbreedte gemoduleerd veerbelaste magneetklep. Het motormanagementsysteem voorziet de magneetspoel van een PWM-signaal. Door het variëren van de duty-cycle kan de klep worden geopend, gesloten, of in elke stand daar tussenin worden gezet. De by-pass klep kan ook zijn uitgevoerd met een stappenmotor.

Pulsbreedte gemoduleerd bypass magneetklep:
De afbeelding toont twee aanzichten van een PWM-gestuurde by-pass klep. Aan drie pinnen in de stekkeraansluiting te zien gaat dit veelal om een uitvoering met twee spoelen; één om de klep te openen en één om te sluiten.
Het onderstaande schema toont de aanstuurwijze van de twee spoelen. Wanneer het “EFI Main Relay” (relais voor de motormanagementcomputer) is ingeschakeld, wordt de microprocessor voorzien van spanning. In de ECU worden twee transistoren aangestuurd.

De manier van het schakelen maakt het mogelijk dat de onderste transistor het PWM-signaal van de bovenste inverteert. De PWM-signalen worden gespiegeld. Dit is de zien bij ISC1 en ISC2 (de uitgangen van de ECU). De ECU varieert de duty cycle voor elke spoel. Het verschil in sterkte tussen de twee magnetische velden bepaalt de positie van de klep. De frequentie bedraagt tussen de 100 en 250Hz.

De duty cyle aansturing kan met de oscilloscoop worden gemeten. In de onderstaande afbeelding is de klep half geopend (duty cucle 50%). Op ISC1 en ISC2 zijn de positieve en negatieve puls gelijk aan elkaar.

Pulsbreedte gemoduleerd veerbelaste bypass magneetklep:
Naast de stelmotor met twee spoelen wordt deze ook vaak uitgevoerd met één spoel. In dat geval zijn er vaak twee pinnen in de stekkeraansluiting aanwezig: voor de PWM-aansturing en een massadraad. Een veer zorgt ervoor dat de klep in rust wordt gesloten; hiermee wordt de tweede spoel overbodig.

Bypass uitgevoerd met stappenmotor:
Naast de PWM-gestuurde bypas kleppen, zijn er ook kleppen die door middel van een stappenmotor worden versteld. De ECU verzorgt de aansturing van de spoelen. Klik hier om naar de pagina over de stappenmotor te gaan.

Gasklephuis met stelmotor:
Moderne motormanagementsystemen maken gebruik van een gaskleppositieregeling om het stationaire toerental te stabiliseren. Er hoeft dan geen aparte bypass klep meer te worden toegepast. Alle componenten voor de gaskleppositieregeling bevinden zich in de behuizing. Twee potentiometers registreren de stand van de gasklep voor de gehele hoekverdraaiing (midden in de afbeelding). Samen met de stationair schakelaar, die het stationair draaien registreert (links), worden de signalen naar de ECU gestuurd. Door middel van een PWM-signaal wordt de gelijkstroom- of DC-motor in de gasklep aangestuurd om de positie van de gasklep te regelen. Ook hier bestaat de mogelijkheid dat een stappenmotor zorgt voor het verdraaien van de gasklep.

De binnenzijde van de gasklepbehuizing is aangepast zodat de luchtspleet lineair wordt vergroot met de hoekverdraaiing van de gasklep. Dit luistert zeer nauwkeurig. Het is daarom van belang dat de gaskleppositie na het vervangen of reinigen van de gasklep met diagnoseapparatuur in de basisafstellingen wordt gezet.

Gasklepregeling bij grotere motoren:
Bij grote motoren, zoals de V12 motor van BMW (in de afbeelding hieronder te zien) is de luchttoevoer door één gasklep te gering. Bij volle belasting heeft de motor zoveel lucht nodig, dat de diameter van een enkele gasklep te klein zou zijn. Er zijn daarom twee gasklephuizen gemonteerd. Voor elke cilinderrij één. Er zitten bij deze uitvoering twee luchtfiltbehuizingen, twee luchtmassameters en twee aanzuigbuizen.

Gaskleppositiesensor:
In een gasklephuis bevindt zich een gaskleppositiesensor die de stand van de gasklep doorgeeft aan de ECU van het motormanagementsysteem. De stand van de gasklep is bepalend voor de hoeveelheid aangezogen lucht, dus ook voor de hoeveelheid in te spuiten brandstof. Aan de hand van de gasklepstand kan de ECU de stationairregeling aanpassen aan de bedrijfsomstandigheden: bij o.a. een koude motor of met ingeschakelde airco dient het stationaire toerental iets te worden verhoogd, dus de gasklep moet iets verder openen. Zie daarvoor de paragraaf: stationairregeling.

In het volgende schema zien we een ECU en een potentiometer welke met drie draden met elkaar zijn verbonden. De potentiometer heeft een mechanische verbinding met de gasklep. Een verdraaiing van de gasklep zal een verschuiving van de loper tot gevolg hebben.

Op pin 3 krijgt de potentiometer een voedingsspanning van 5 volt;
De potentiometer is op pin 1 verbonden met de massa;
Het signaal van de potentiometer wordt via pin 2 naar de ECU gestuurd: aan deze draad zit de loper (het pijltje) bevestigd.

De positie van de loper op de koolstofbaan van de potentiometer is bepalend voor de uitgangsspanning. Wanneer de loper uiterst naar links is gepositioneerd, is de uitgangsspanning hoog: de stroom hoeft maar een korte weg over de weerstand af te leggen, waardoor er minder spanning wordt opgenomen. Hoe verder de loper naar rechts beweegt, hoe lager de signaalspanning zal zijn. Op de pagina: potentiometer wordt dieper ingegaan op de werking.

Met een multimeter kan men de voedingsspanning t.o.v. de massa meten. Dit moet een gestabiliseerde spanning zijn van 5,0 volt. De signaalspanning kan men beter met een oscilloscoop meten: in het AM-signaal kunnen storingen voorkomen die met een multimetermeting niet zichtbaar zijn. De onderstaande twee tekeningen weergeven een correct signaal (vloeiende lijnen) en een signaal met storing, waar het signaal binnen een heel kort tijdsbestek een merkaardige spanningsdaling vertoont.

In Engelstalig, maar soms ook in Nederlandstalige literatuur zien we vaak dat men de afkorting “TPS” gebruikt. Dit staat voor: “Throttle Position Sensor”, wat een vertaling is van het Nederlandse “Gaskleppositiesensor”.

Elektronisch gaspedaal (throttle by wire):
Tegenwoordig zijn de gaskleppen elektronisch aangestuurd: we vinden geen (mechanische) kabel meer tussen het gaspedaal en de gasklep. De stand van het gaspedaal wordt door twee positiesensoren geregistreerd en naar de ECU van het motormanagementsysteem gestuurd. De ECU controleert de signalen plausibel zijn door ze met elkaar te vergelijken en stuurt de gasklepactuator (stelmotor) aan om de klep een vooraf bepaalde positie in te laten nemen. Dit noemen we “throttle by wire”, in het Nederlands: gasklepbediening via bedrading.

De gaspedaalpositiesensoren zitten in de behuizing of aan de bovenkant van het gaspedaal gemonteerd. De signalen van deze sensoren moeten uiterst nauwkeurig en betrouwbaar zijn: we willen dat onder geen enkele omstandigheid een storing in het signaal leidt tot onbedoeld gasgeven, of dat de motor inhoudt. Om de betrouwbaarheid te garanderen passen fabrikanten twee positiesensoren toe:

Fabrikanten kunnen ervoor kiezen om de signalen van beide sensoren op verschillende spanningshoogtes door te sturen. Wanneer de signaalspanning van sensor 1 van 1,2 naar 1,6 volt stijgt, zal de signaalspanning van sensor 2 eveneens 400 mV stijgen, maar dan vanaf 2,2 naar 2,6 volt;
Een andere mogelijkheid is om twee identieke signalen aan elkaar te spiegelen: Het onderstaande scoopbeeld weergeeft deze strategie. Wanneer het gaspedaal wordt bediend stijgt het signaal op kanaal A (blauw) van 800 mV naar 2,9 volt en daalt het signaal op kanaal B (rood) van 4,3 naar 2,2 volt. Het signaalverloop van de Amplitude (AM-signaal) is exact hetzelfde, maar wel in spiegelbeeld.

Op het moment dat één van de twee signalen een storing heeft: het signaal valt even weg naar massa of vertoont ruis, dan wordt er een verschil in beide signalen gezien. De ECU kan dan besluiten om in noodloop te gaan: de gaspedaalstand is niet meer betrouwbaar. In de noodloop is er een beperkt vermogen beschikbaar, waarmee men met gereduceerde snelheid een veilig plek langs de weg, of eventueel nog naar de garage kan rijden.

De gasklep wordt door middel van een DC-elektromotor geopend en gesloten. De gasklepstelmotor wordt door middel van een H-brug aangestuurd. De stelmotor is, net als het gaspedaal, voorzien van twee potentiometers. De onderstaande twee afbeeldingen tonen de gasklepstelmotor (3) met twee mogelijkheden van de dubbele potentiometers:

Potentiometers met lopers omhoog gericht: beide signalen verlopen gelijk aan elkaar, maar op een andere spanningshoogte;
Potentiometers met de lopers tegengesteld aan elkaar: signalen zijn in spiegelbeeld. Wordt bij het openen van de gasklep het ene signaal hoog, dan daalt het andere signaal.

Op de pagina H-brug worden de aanstuurmethodes van de elektromotor beschreven. Op de pagina Potentiometer wordt uitgebreid ingegaan op de werking en het meten van de positiesensor.

Gerelateerde pagina’s: