Abgasstrang: Temperaturmessung im Partikelfilter

Temperatursensoren im Diesel erprobt, künftig auch in Ottomotoren im Einsatz

Thema dieses Blogs soll das Thema „Temperatursensoren im Abgasstrang“ sein, denn neben dem bewährten Einsatz in Dieselpartikelfiltern besteht nun auch der kurzfristige Bedarf für den Einsatz in sogenannten OPF (Otto-Partikelfilter) in Ottomotoren.

AB Elektronik Sachsen GmbH Hochtemperatursensor Doppelbaugruppe

Dieselfahrzeuge: Temperatursensoren erfüllen wichtige Funktionen im kontrollierten Verbrennungsprozess

Bereits in den frühen 90er Jahren des letzten Jahrhunderts haben die Gesetzgeber weltweit damit begonnen, die von Kraftfahrzeugen ausgestoßenen Schadstoffe immer weiter zu begrenzen. Bisher stand ganz klar der Dieselmotor im Fokus. Diese Bemühungen haben trotz aller negativen Schlagzeilen dafür gesorgt, dass heutige Dieselfahrzeuge erheblich sauberer sind als noch vor 10 oder 15 Jahren.

Seit Einführung der EURO V im Jahre 2008 sind Diesel-Partikelfilter im Einsatz, Sie werden unter anderem durch robuste Temperatursensoren gesteuert, welche direkt im Abgasrohr platziert sind. Sie steuern die im laufenden Betrieb notwendige Regeneration der Filter, die kontrolliert freigebrannt werden. Diese Vorgänge werden, unbemerkt vom Fahrer, bei ca. 500 °C gestartet. Durch die Exothermie beim Verbrennen des angesammelten Rußes werden Temperaturen im Bereich zwischen 700 und 800 °C erreicht. Dabei spielt neben der Drucküberwachung, auf die ich in einem späteren Beitrag eingehen werde, vor allem die Temperaturerfassung eine wesentliche Rolle.

 

Seit 2005: Projektstart für Temperatursensoren im Abgasstrang

AB Elektronik Sachsen GmbH startete mit dem Erwerb einer Lizenz für einen extrem robusten Temperatursensor-Aufbau bereits im Jahr 2005. Zeitgleich erfolgte auch der Projektstart für die ersten Großseriendesigns in Abgasanwendungen.

Kern dieses Temperatursensors ist ein passives Widerstandsmesselement, das mit veränderten Widerstandswerten auf unterschiedliche Temperaturen reagiert. Als Widerstandsmaterial kommt dabei Platin zum Einsatz. Gekennzeichnet ist dieses Element durch den Nennwiderstand von 200 Ohm bei 0 °C (PT-200).

AB Elektronik Sachsen GmbH Hochtemperatursensor Dieselpartikelfilter

AB Elektronik Sachsen GmbH Hochtemperatursensor mit Elektronik

 

 

 

 

Der wichtigste Vorteil unseres PT-Hochtemperatursensors ist dessen robuster Aufbau. Das Messelement wird in ein monolithisch geschlossenes Rohr aus einem Spezial-Edelstahl mittels einer besonderen Keramikpulvermischung eingebettet. Die blasenfreie Füllung der Sensorspitze gewährleistet, dass motorische Schwingungen keine Gefahr für die Sensor-Lebensdauer darstellen.

Darüber hinaus kann der Sensor von 0 bis 120° gebogen werden. Speziell entwickelte Dichtelemente gewährleisten eine hohe Langlebigkeit auch unter härtesten Umweltbedingungen am und im Abgasrohr.

Erfahrung in PT-Hochtemperatur-Design ist heute Basis für den neuen 1200 °C-Sensor mit Thermoelementen Typ N

Die hier über die vergangenen Jahre gewonnenen Erfahrungen konnten wir nutzen, um eine neue Generation eines Hochtemperatursensors zu entwickeln. Ziel dieser Neuentwicklung war es, eine Sensortechnologie fahrzeugtauglich zu machen, die Temperaturen bis 1200 °C erfassen kann, wie sie bei Ottomotoren in bestimmten Bereichen auftreten können.

AB Elektronik Sachsen GmbH Hochtemperatursensor Design

 

 

 

 

Unsere Sensoren binden Thermoelemente vom Typ N so ein, dass diese ein Auto-Leben lang Messsignale an die Steuerelektronik senden. Thermoelemente nutzen den physikalischen Effekt der so genannten Thermoelektrizität. Ein Paar metallischer Leiter aus unterschiedlichem Material wird an einem Ende verbunden. Aufgrund des Temperaturgefälles zwischen der Messstelle (Heißseite) und der Steckerseite (Kaltseite) wird eine elektrische Spannung erzeugt (siehe Wikipedia). Diese elektrische Spannung ist proportional zur Temperaturänderung an der Heißseite und kann somit als Sensorsignal verarbeitet werden. Zur Signalaufbereitung ist eine Elektronik-Einheit notwendig, welche im Steckergehäuse integriert ist.

Spezielle Verarbeitungsschritte des Fühlers bringen den entscheidenden Vorteil

Die Auslegung unseres Hochtemperaturfühlers für Ottomotoren basiert auf Thermoelementen, die sich bereits seit vielen Jahren in der Industrieelektronik bewährt haben und die durch spezielle Design-Anpassungen für die Erfordernisse im Automobil optimiert wurden. Wir verwenden ausschließlich Schweiß- oder Lötverbindungen, um Signalunterbrechungen zu vermeiden. Schutzgehäuse an der Sensorspitze sind ausschließlich aus hochtemperaturfestem Edelstahl in Tiefziehtechnologie ausgeführt. Die Befestigung der Sensoren am Abgasrohr erfolgt in enger Abstimmung mit dem Anwender mittels Überwurfmutter oder Hohlschraube in unterschiedlichen Abmessungen. Die verwendeten Kabelabschirmungen gewährleisten eine hohe Temperaturfestigkeit in der Nähe von Abgasrohren.

Das elektrische Signal wird, wie bereits erwähnt, elektronisch aufbereitet. Anwender können zwischen verschiedenen digitalen Schnittstellen wählen. Bisher haben wir PWM, SENT und CAN (nach SAE J1939) realisiert. Die Elektronikeinheit hat genau wie der gesamte Sensor die Schutzklasse IP6K9K (mit Gegenstecker).

Dieser Sensor ist für Temperaturmessungen im Bereich -40 bis 1200 °C geeignet. Mit diesen Eigenschaften kann der Sensor an jeder Stelle im Abgasrohr eingesetzt werden. Hersteller von Hochleistungsfahrzeugen schwören auf die Verwendung des Sensors im Abgaskrümmer (vor Turbolader), um vor überhöhten Temperaturen zu warnen, die für den Turbolader gefährlich werden können.

Ottomotoren: Doppelbaugruppe Temperatursensoren für Anforderungen der Euro 6c

Durch die Einführung einer weiteren Stufe der neuesten Abgasnormen (Euro 6c) ab September 2018 müssen erstmalig auch Ottomotoren mit Direkteinspritzung mit Partikelfiltern ausgestattet werden. Hier gibt es verschiedene Regenerierungskonzepte, u.a. mit Freibrennverfahren, ähnlich der Dieselpartikelfilter. Betriebsbedingt können hierbei höhere Temperaturen als im Diesel entstehen.

In der Verwendung als Doppelbaugruppe erfüllt das neue Sensorkonzept exakt die Anforderungen dieser Anwendung. Die Kombination von zwei robusten Fühlern mit einer Auswertungselektronik bietet neben der bewährt hohen Robustheit bei schnellen Ansprechzeiten auch die Möglichkeit, die Sensoren bis auf +/- 1 °C aufeinander abzugleichen. Den Anwender erwartet ein bewährtes Sensordesign mit erweiterter Funktionalität zu wirtschaftlichen Kosten durch die Ausführung als Doppelbaugruppe.

AB Elektronik Sachsen GmbH Hochtemperatursensor optimiertes Design

 

 

 

 

 

Mit den besten Grüßen

Frank Rothe

Hier finden Sie eine komplette Übersicht unseres Produktportfolios für den Abgasstrang

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