Technik: Ride-by-Wire-System Kein Zug mehr, sondern Elektronik

Als erster Hersteller der Welt verzichtet KTM auf den Gaszug an einem Motorrad mit Benzinmotor. An der 690 Duke kommt statt der mechanischen Verbindung zum Öffnen der Drosselklappe erstmals ein echtes „Ride-by-Wire“-System zum Einsatz. PS erklärt Funktionsweise und Vorteile dieses Systems.

Foto: KTM

Der Gaszug stirbt aus! Der Pkw macht es vor, das Motorrad nach. Genau so, wie die Einspritzung, G-Kat oder ABS bereits aus dem Automotive-Bereich im Motorradbau adaptiert wurden, wird auch das Ende des Gaszugs von den Vierrädern zu den Zweirädern hinüber schwappen.
Das sogenannte „Ride-by-Wire“, streng übersetzt „mit dem Kabel fahren“, wird die klassische, mechanische Verbindung zwischen dem Gasdrehgriff am rechten Lenkerende und dem Schieber im Vergaser oder dem Drosselklappenkörper zu Grabe tragen. Sicherlich nicht an allen Motorrädern, aber an allen, die aus PS-Sicht interessant sind.
KTM hat kürzlich mit der neuen 690 Duke einen technologischen Meilenstein gesetzt und das erste Motorrad mit einem echten RBW-System (Ride-by-Wire-System) auf den Markt gebracht. Grund genug für PS, nun hinter die Kulissen der modernen Drosselklappenregelung zu schauen. Zusammen mit dem zuständigen KTM-Ingenieur Daniel Mairhoermann beschreiben wir die Entwicklung des RBWs, erklären dessen Funktionsweise und Vorteile und räumen mit Vorurteilen auf.

Wo kommt‘s her? 
Bis zum Jahr 2000 waren an Motorrädern Vergaser zur Gemischaufbereitung und Motordrosselung üblich. Das System war einfach und bestand aus dem Gasdrehgriff, einem oder an Sportmotorrädern üblicherweise zwei Gaszügen und einem Vergaser. Der Fahrer drehte am Gasgriff, der Öffnerzug wurde aufgerollt und öffnete damit den Schieber im Vergaser. Der Motor bekam mehr Luft, es wurde mehr brennbares Gemisch gebildet und der Motor drehte hoch. Um die Motordrehzahl zu verringern genügte es, den Gasgriff zu schließen oder einfach loszulassen. Eine Feder im Vergaser schloss dann den Schieber sehr schnell, der Motor lief auf Leerlaufdrehzahl weiter. 
Diese klassische Art der Gemischaufbereitung und Laststeuerung kam aber durch immer schärfer werdende Abgasnormen und der dafür benötigten „geregelten Verbrennung“ des Gemischs an ihre Grenzen - die Umstellung auf Einspritzanlagen, sehr schnell mit Doppeldrosselklappen-Systemen, begann.

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Foto: KTM

2006 tauchte mit der neuen Yamaha YZF-R6 erstmals die Begrifflichkeit „Ride-by-Wire“ im Motorradbereich auf. Bei genauer Betrachtung ist die Verbindung des Gasgriffs zum Drosselklappenkörper jedoch immer noch der gute alte Gaszug in Form eines Öffner- und eines Schließerzuges. Diese wirken auf ein Potenziometer im Drosselklappenkörper, das den Fahrerwunsch in ein elektronisches Signal übersetzt. Nach ähnlicher Bauart agiert das EPT-System (Electronic Power Throttle) von KTM, dass 2007 mit der 690er-Ein-zylinder-Generation auf den Markt kam. Herkömmlicher Gaszug bis zum Drosselklappenkörper, dort die Übersetzung des Fahrerwunsches in ein elektronisches Signal, anhand dessen die ECU (Electronic Control Unit) unter Berücksichtigung vieler weiterer Parameter wie Lufttemperatur, Drosselklappenwinkel, Drehzahl etc. die Öffnung der Drosselklappe, die Gemischzusammensetzung und damit die Drehzahl des Motors regelt. Der Gaszug steuerte hier nicht direkt das Öffnen der Drosselklappe. Er konnte aber über einen Anschlag in der Betätigungsmimik im Drosselklappenkörper immer als mechanische Rückfallebene benutzt werden, um die Drosselklappe zu schließen. Somit war trotz des E-Gas die psychologisch wichtige direkte, mechanische Verbindung vom Piloten zur Drosselklappe gegeben. Die Elektronik hätte sich bei einer Fehlfunktion immer dem mechanischen Schließ-Wunsch des Piloten beugen müssen. 


Was bringt RBW? 
Der große Vorteil des vollelektronischen RBW-Systems gegenüber dem EPT-System liegt darin, dass die ECU und der elektrische Stellmotor der Drosselklappe völlig selbsttätig agieren können. Das birgt vor allem beim Starten des kalten Motors enormes Potenzial. Durch die elektronische Steuerung kann der Kata-lysator nach dem Startvorgang in den ersten Betriebssekunden „geheizt“ werden. Dadurch kommt er schneller auf Betriebstemperatur, und somit beginnt die Abgasentgiftung in der kritischen Startphase schneller. Das Kat-Heizen wird über eine ausgeklügelte Programmierung der Zündung in Kombination mit der Drosselklappenregelung realisiert. 
Weitere Pluspunkte des RBWs sind neben den günstigeren Komponenten die bessere Motorkontrolle während der Fahrt, die Kontrolle des Motorbremsmoments im Schiebebetrieb, also bei einem Bremsvorgang, und die Verwendung von mehreren Fahr-Modi. Über die unterschiedliche Programmierung der in der ECU hinterlegten, vom Fahrer wählbaren Modi, kann die Motorcharakteristik im Hinblick auf Leistungsabgabe, Ansprechverhalten und Motorbremsmoment von mild bis wild justiert werden. 
Die aktuelle 690 Duke kommt so in Modus 1 als handzahmes, verzeihendes Einsteigerbike rüber, verwandelt sich in Modus 2 zu einer superspontan ans Gas springenden Waffe und vereint in Modus 3 das Beste aus den beiden genannten Modi - sie fährt sich sportlich direkt mit einem guten Gefühl für den Motor. 

Wie funktioniert’s? 
Im Gasgriffgehäuse sitzen zwei Potenziometer mit unabhängiger Spannungsversorgung, die getrennt voneinander den Fahrerwunsch an die ECU liefern. Da dies elektronisch geschieht, also ohne mechanischen Widerstand der Gaszüge und der Gegendruckfeder im Vergaser, muss das Gefühl für den Gasgriff über eine Ringfeder erzeugt werden. Alleine die Abstimmung dieser Feder, die für das Gefühl am Gasgriff und dessen Betätigungskraft, also die „Throttle Response“ verantwortlich ist, ist sehr diffizil.

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In der ECU verarbeiten zwei unabhängige Prozessoren, die sich zudem noch gegenseitig überwachen, den Fahrerwunsch. Durch weitere Eingänge an der ECU, wie z.B. Gangerkennungssensor, Kupplungsschalter, Seitenständerschalter, Motordrehzahl, Motortemperatur, Umgebungsdruck und Drosselklappenstellung wird die aktuelle Fahrsituation erfasst. Steht das Motorrad oder fährt es, ist ein Gang eingelegt oder nicht, ist der Motor warm oder kalt, dreht der Fahrer schnell oder langsam am Gasgriff?
Ist das Szenario geklärt, geht es an die Umsetzung des Fahrerwunsches. Passend zu Fahrsituation und Fahrerwunsch wird eine Soll-Drosselklappenstellung anvisiert. Dazu fragt die ECU über die ebenfalls doppelt vorhandenen Drosselklappensensoren den Ist-Stand, also den tatsächlichen Stand der Drosselklappe ab. Weicht dieser von der Soll-Drosselklappenstellung ab, bekommt der Stellmotor der Drosselklappe das Signal, die Stellung entsprechend des Soll-Wertes zu regeln. Die Drosselklappe selbst lässt sich nicht Grad-genau, sondern sogar auf ein zehntel Grad genau regeln. Was notwendig ist, schließlich bedeutet ein halbes Grad mehr Drosselklappenöffnungswinkel im Leerlauf einer 690er-KTM Duke eine um zirka 1000/min höhere Leerlaufdrehzahl!

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Der große Vorteil des RBW-Systems liegt also exakt darin, dass sich die ECU auch über den Fahrerwunsch hinwegsetzen kann. Nur ein Beispiel: Man bummelt im vierten Gang mit 55 km/h durch ein Dorf. Die Duke schnurrt weich vor sich hin. Am Ortsende wird dann einfach Vollgas gegeben, und das Motorrad beschleunigt weich, aber nachhaltig. Dieses Manöver hätte bei einem vergaserbefeuerten Motor oder bei einer Einspritzung mit direkter Drosselklappenverbindung via Gaszug entweder ein plötzliches Absterben des Motors zur Folge gehabt oder das Motorrad wäre böse auf der Kette hackend vorwärts gehoppelt.
Nicht so die RBW-Duke.
Hier erkennt die ECU einen Fahrerwunsch, der unsinnig ist. 100 Prozent Drosselklappenöffnung im hohen Gang bei niedriger Last - der Tod eines jeden Singles. Die ECU reagiert deshalb folgendermaßen: Fahrerwunsch, also die maximale Beschleunigung, erfasst, Abgleich mit dem Ist-Wert der Drosselklappenstellung und vieler anderer Parameter, Vorgabe eines sinnvollen Soll-Wertes für den Stellmotor im Drosselklappenkörper.
Der Stellmotor der Drosselklappe öffnet diese bis zum vorgesehenen Öffnungswinkel, der beispielsweise bei 60 Prozent liegt. Die Duke beschleunigt maximal. Der Fahrer bekommt gar nicht mit, dass sein Wunsch, bei niedriger Drehzahl die Drosselklappe 100 Prozent zu öffnen, ignoriert wurde, weil die Duke bei 60 Prozent Öffnungswinkel eben maximal beschleunigt.

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Kann’s versagen?
„Sicher kann am RBW-System etwas kaputt gehen. Aber es wird nie zu einer unkontrollierten oder unerwünschten Beschleunigung kommen. Wir sind sicherer als alle anderen Systeme - inklusive Gaszug und Vergaser“, so KTM-Entwickler Daniel Mairhoermann.
Am RBW-System sind alle sicherheitsrelevanten Teile redundant aufgebaut. Es verfügt über zwei unabhängige, sich gegenseitig überwachende Prozessoren in der ECU. Das heißt, die Prozessoren stellen sich gegenseitig Rechenaufgaben und müssen sich das richtige Ergebnis gegenseitig liefern.

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Wie bereits erwähnt, sind Fahrerwunscherfassung und Drosselklappensensoren ebenfalls doppelt ausgelegt. Fahrerwunsch und Drosselklappenstellung werden unabhängig von den beiden Prozessoren in der ECU berechnet und miteinander abgeglichen. Durch den Abgleich der Signale können Fehler sofort erkannt werden und das System kann in den Notlauf gebracht oder im Notfall unmittelbar durch Zündungsunterbrechung abgestellt werden. Selbst bei mechanischen Defekten im Drosselklappenkörper wird es nie zu einer unkontrollierten Beschleunigung kommen. Sollte die Drosselklappe einmal stecken, wird dies ebenfalls erkannt und der Motor über Zündunterbrechung gestoppt.

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Die Drosselklappe selbst arbeitet über den Stellmotor gegen eine Schließfeder. Wird der Stellmotor stromlos, schließt die Feder sofort die Drosselklappe. Auch die Feder wird mit jedem Startvorgang überprüft. Sollte sie brechen, würde der Motor im Notlauf fahrbereit bleiben und der Fahrer könnte langsam in eine Werkstatt fahren.
Aufgrund der großen Vorteile des Ride-by-Wire-Systems vor allem im Bereich der Fahrbarkeit und Abgasemissionen, geht Ingenieur Mairhoermann davon aus, dass sich RBW in den kommenden fünf Jahren bei modernen Bikes mit Hochleistungsmotoren durchsetzt. Ducati steht mit der 1199 Panigale in den Startlöchern, Triumph mit der Explorer. Nur eines darf nie passieren: eine -Vernetzung des Ride-by-Wire-Systems mit einem GPS-Modul. Dann könnte, mal rein hypothetisch, der Gesetzgeber die Geschwindigkeit eines Motorrads ortsgebunden regeln lassen - Fahrerwunsch hin oder her. Eine schreckliche Vorstellung, aber die Büchse der Pandora ist bereits geöffnet...

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