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PS-Wissen Technik Teil 17 Elektronische Einspritzung und Motorsteuerung

Immer mehr Sensoren und elektronische Steuerungen greifen ein, wenn das Motorrad droht, in Schieflage zu kommen. PS erklärt, wie und wann die Elektronik dem Fahrer zur Seite steht – und wann nicht.

Blicken wir zurück, so sind es noch keine 15 Jahre her, als zum Beispiel die epochale Yamaha YZF-R1 ohne jegliche elektronischen Fahrhilfen auskommen musste. Das satte Drehmoment, die giftigen Bremsen und eine atemberaubende Beschleunigung unterlagen der manuellen Steuerung durch den Fahrer. Nur mit viel Gefühl in der Gashand, einer feinmotorischen Höchstleistung auf der Bremse und hochsensiblem Popometer war die R1 zu beherrschen und trennte dabei die Spreu vom Weizen. Derbe Grobmotoriker segelten im hohen Bogen, neudeutsch: Highsider, durch die Luft, packten sich beim Bremsen in Schräglage aufs Ohr oder flatterten beim Power-Wheelie hilflos wie eine Fahne im Sturm am Lenker.

Mit der Vernetzung unzähliger Sensoren und Parameter versuchen deshalb die Konstrukteure und Techniker den Fahrzustand moderner Motorräder zu erfassen und mit genialen Steuerungen so zu beeinflussen, dass der Fahrer schneller und/oder sicherer unterwegs ist. Mit der Umstellung von Vergaser-Technik auf Einspritz-Technologie ergab sich zudem die Möglichkeit, die Leistungsentfaltung bei Hochleistungsmotoren zu glätten und nutzbarer zu machen. Mit der sogenannten Doppel-Drosselklappe ging man bereits vor rund zehn Jahren in Richtung Ride-by-Wire-Technologie.

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Der Gaszug hat ausgedient, jetzt wird gekabelt

Der Fahrer betätigte dabei über konventionelle Gaszüge die Primär-Drosselklappen, doch die darüber angeordneten Sekundär-Drosselklappen wurden von einem elektrischen Stellmotor geöffnet. Und der wurde von einem hinterlegten Kennfeld gesteuert, das je nach Last, Drehzahl und Gangstufe die Leistungsabgabe mit leichter Verzögerung freischaltete. So wurde zum Beispiel aus dem nominell 178 PS starken Suzuki GSX-R 1000 K6-Motor ein kraftvoller, aber extrem fein dosierbarer Antrieb mit besten Manieren.

Yamaha preschte vor und überließ bei der rassigen YZF-R6 ab Baujahr 2006 die Gassteuerung einem kleinen Stellmotor, das Zeitalter des „echten“ Ride-by-Wire hatte begonnen. Anfangs noch mit einer mechanischen Absicherung, bei der die Gaszüge die Drosselklappen in jedem Fall mechanisch schließen konnten, verlassen sich die Konstrukteure bei den aktuellen High-tech-Motorrädern ausschließlich auf einen Gasgriff, der die Befehle über Kabel an den Stellmotor weiterleitet. In Verbindung mit der elektronischen Zündung können nicht nur die Motorleistung, sondern auch Abgasverhalten, Lastwechsel und Verbrauchswerte beeinflusst werden. Es folgten die ersten Traktionskontrollen, die maximale Beschleunigung mit geregeltem Schlupf sicherstellten. Stand zunächst die Sicherheit auf nassen Straßen, unberechenbaren Bitumenflecken oder aalglatten Brückenabsätzen aus Stahlplatten im Fokus, kopierten die großen Hersteller bald die Technologie aus dem Rennsport. Mit dem einzigen Ziel, ihre Supersportler beim Beschleunigen in Schräglage für jedermann noch schneller zu machen.

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Semiaktives Fahrwerk erhöht die Druckstufendämpfung

Letzter Stand der Dinge: Durch die Erfassung der Schräglage der Maschine lässt sich ein Schlupf am Hinterrad generieren, mit dem sich das Motorrad leicht querstehend im Drift aus der Kurve beschleunigen lässt. Ein akrobatischer Balanceakt, der bis vor wenigen Jahren einem Dutzend hochtalentierter Burschen vorbehalten war. Und wie geht das? Mit den in Echtzeit erfassten Daten, die aus einem Bündel von Parametern errechnet werden. Zum einen wird die Raddrehzahl über die Zahnscheiben vorn und hinten erfasst. Da sich diese jedoch je nach Schräglage verändert (Änderung des Raddurchmessers), muss auch der tatsächliche Abrollumfang, das heißt die Form und Kontur des Reifens hinterlegt sein. Über einen 3-Achs-Gyro, praktisch eine elektronische Wasserwaage, erkennt das System die tatsächliche Schräglage der Maschine und gibt gerade so viel Schlupf frei, um das Motorrad ausreichend stabil, aber vehement zu beschleunigen.

Bei der rasanten Kurvenfahrt, in der der Fahrer in Schräglage Gas gibt, presst die dynamische Achslast den Hinterreifen entsprechend stark auf den Asphalt. Dieser höhere Anpressdruck lässt sich aus der Beschleunigung beziehungsweise Verzögerung beim Bremsen und der Fahrzeugmasse/Gewichtsverteilung erfassen, wenn die dafür entsprechenden Sensoren zur Erkennung des Federwegs vorhanden sind. Was bei den neuen, semiaktiven Fahrwerken zur Standardausrüstung gehört, womit diese auch die Motorsteuerung/Traktionskontrolle unterstützen können. Um das Motorrad unter dieser Belastung stabiler zu machen, greift jetzt auch noch das semiaktive Fahrwerk ein und erhöht die Druckstufendämpfung. Mit der Folge, dass das Heck nur wenig eintaucht und damit die Lenkgeometrie in Richtung Handlichkeit erhalten bleibt. Ein entscheidender Punkt, wenn der Fahrer mit voller Brause aus der Kurve donnert und dabei auf der kürzesten Spur bleiben möchte.

Am Scheitelpunkt der Kurve regelt das e-Gas die Beschleunigung

Jetzt kommt unsere Motorsteuerung ins Spiel. Erkennt der Rechner, dass das Hinterrad zu stark durchdreht, reduziert die Motorsteuerung in Sekundenbruchteilen die Zugkraft am Hinterrad und damit den Schlupf. Bei Geradeausfahrt sind es dennoch bis zu zehn Prozent, in großen Schräglagen wird der Schlupf auf rund vier Prozent gedrosselt. Natürlich stehen dem Fahrer unterschiedliche Fahr-Modi zur Verfügung. Die aggressivste Abstimmung mit viel Schlupf wird im Rennstrecken-Modus aktiviert, die sanfteste Version steht im Regen-Modus zur Verfügung, in dem meist auch die Maximalleistung und das Drehmoment deutlich heruntergefahren werden.

Diese Leistungsreduzierungen werden durch folgende Maßnahmen eingeleitet. Stufe eins (sehr sanft): Die Frühzündung wird zurückgenommen. Stufe zwei (sanft): Die Drosselklappen schließen oder werden nur verzögert geöffnet. Stufe drei (stark): Die Zündung/Einspritzung wird an einem oder mehreren Zylindern abgeschaltet. Um einen weichen Übergang zu schaffen, wird meist eine Kombination der drei Möglichkeiten gewählt.

ABS meist schon mit der Motorsteuerung verknüpft

Allerdings greift die Änderung der Frühzündung und ein Schließen der Drosselklappen relativ verzögert ein. Bei einem plötzlichen Rutscher muss deshalb mit der blitzartigen Zündabschaltung dagegengehalten werden. Ganz problematisch wird es, wenn das Hinterrad auf einem extrem rutschigen Untergrund bereits so stark durchdreht, dass die Schwungmasse des Rades nicht mehr schnell genug eingebremst werden kann und Ross und Reiter ohne Seitenführung massiv sturzgefährdet sind. In diesem Fall hören wir die Zukunftsmusik schon läuten, die davon kündet, dass man auch daran denkt, die Raddrehzahl über die Bremsen zu steuern, wie das selbst bei kostengünstigen Kleinwagen mit dem ESP-Schleuderschutz gang und gäbe ist. Zumal das ABS meist schon mit der Motorsteuerung verknüpft ist und es nur eine Frage der Software ist, über einen gezielten Bremsdruck die Raddrehzahl anzupassen. 

Baut sich beim vollen Beschleunigen der Grip am Hinterrad wieder auf, wird die Leistung hochgefahren. In dieser Phase kann der Pilot Vollgas geben ohne zu stürzen, denn jetzt unterliegt die Motorsteuerung einzig und allein der Traktionskontrolle, die nur die maximal verwertbare Leistung freigibt. Ab einer bestimmten Schräglage lässt der Rechner dann wieder die maximale Motorleistung zu. Vorausgesetzt, unsere elektronische Wasserwaage erkennt keine Wheelie-Neigung. Denn sobald das Vorderrad über einen bestimmten Winkelgrad abhebt, schließen sich die Drosselklappen, wird die Zündung zurückgenommen oder zylinderselektiv abgeschaltet. Womit sich auch die Beschleunigung Richtung physikalisches Limit bewegt, ohne dass der Fahrer sich um die richtige Balance zwischen Wheelie und Vortrieb kümmern muss.      

PS Technik Serie

Mehr Fahrkomfort durch pfiffig gesteuerte Drosselklappen und Zündkurven

Geht es hurtig über die Zielgerade, freut man sich bei vielen Supersportlern über den sogenannten Schaltautomaten, neudeutsch auch Quickshifter. Subjektiv ohne die geringste Verzögerung schlüpfen die Gänge in ihre Position, wobei der Fahrer weder das Gas schließen noch die Kupplung ziehen muss. Der Trick dabei: Die Zugkraft des Motors wird beim Betätigen des Schalthebels für einen kurzen Moment über die Abschaltung der Zündung unterbrochen. Diese rund 50 bis 100 Millisekunden genügen, damit das Gangrad entlastet wird und sich blitzschnell in die nächsthöhere Stufe einfädelt – wenn der Vorgang nicht durch die sogenannte „Klaue-auf-Klaue“ Getriebeposition verzögert wird.

Dabei stehen die Mitnehmerklauen der Zahnräder nicht auf Lücke, sondern stoßen an, ohne einzurasten. Rudi Tellert, ausgewiesener Spezialist und Hersteller von präzisen Quickshiftern, hat für diese Phase bei seinen CTS-Schaltautomaten vorgebeugt und schickt einen Zwischenzündfunken an den Motor, der eine kurze Drehzahländerung bewirkt, die die Zahnräder verdreht und zum Einrasten bringt.

BMW bei den Schaltautomaten noch einen Schritt weiter

BMW geht bei den Schaltautomaten noch einen Schritt weiter und macht auch das Herunterschalten ohne Kupplung möglich, indem der Sensor am Schalthebel dem Motor einen leichten Zwischengasstoß verpasst, der den Antriebsstrang entlastet und so die Schaltklauen geschmeidig in ihre richtige Position finden lässt.

Mit der elektronischen Steuerung der Drosselklappen wird auch zunehmend die Anti-Hopping-Kupplung überfällig. Dazu gedacht, das Schleppmoment des Motors beim Anbremsen zu reduzieren, übernimmt diesen Part bei vielen Sport-/Rennbikes die Motorsteuerung. Je nach Drehzahl und Gangstufe öffnen die Drosselklappen so weit, dass das Bremsmoment des Motors reduziert und lästiges Hinterradstempeln gänzlich unterbunden wird. Ob man den Trend zu immer mehr elektronischer Steuerung und unzähligen Sensoren und Bordcomputern gut findet oder nicht, die Entwicklung wird sich zumindest bei einem Großteil der Motorräder in Windeseile fortsetzen und am Standard der Automobil-Branche orientieren. Straßenoberflächen-Scanner, Abstandskontrollen oder Schräglagenwarner – da kommt was auf uns zu.

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