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EngineSens Motorsensor GmbH

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Tel. +49 (0)6204/986 08 23

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Sensing the future

Aus unserem Produktprogramm:

Temperaturfühler, Differenzdrucksensoren für Partikelfilter, Luftmassenmesser, Stickoxidsensoren sowie Beratung und Seminare zu Themen der Abgassensorik und Abgasnachbehandlung.

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EngineSens Motorsensor GmbH vertreibt und fertigt im hessischen Viernheim Temperatursensoren und Abgassensoren. Der nachfolgende Artikel beschreibt das Premiumprodukt DTS-V III, welches in unserem Hause hergestellt wird. Das Erzeugnis selbst kann auf eine lange Tradition zurückblicken, da ein Vorläufer von ABB Automation Products GmbH bis 2009 für Automobilserien hergestellt wurde. Aufgrund von Rentabilitätsüberprüfungen wurde die Fertigung eingestellt. Unser Haus kämpft nicht mit dem Overhead eines weltumspannenden Konzerns und führt zunächst die Version mit 0-5 V DC Signalausgang weiter. Das Produkt wurde einer grundlegenden Überarbeitung unterzogen und gegenüber dem ursprünglichen Muster wurde die Ansprechzeit bei gleicher mechanischer Festigkeit entscheidend verbessert, Dadurch, dass der Stecker nicht mehr im Gehäuse integriert ist, hat der Anwender mehr Freiheiten eigene Kabelbäume zu integrieren. Die Kabeleinführungen in das Elektronikgehäuse wurden grundlegend überarbeitet. Last but not least konnte der Temperaturbereich der Elektronik auf 130°C erweitert werden. Eine weitere Verbesserung der Messpräzision bei hohen Motorraumtemperaturen und die Gewährleistung der RoHS-Konformität waren die nächsten Evolutionsschritte. Dies ist gegenwärtig das absolute Spitzenprodukt, welches keine Probleme mit Mikrorissbildung an der Thermoleitung kennt und über Fahrzeuglebensdauer keine Probleme macht. Die Stützhülsenkonstruktion in Verbindung mit Mantelmaterial aus Inconel ™ hat sich im Praxiseinsatz sehr bewährt. Es ist das einzige Produkt, welches wir für Dauertemperaturen über 950°C im Abgastrakt empfehlen. Die Präzision von +/-10°C bei 1050°C ist unerreicht. Fahrzeugtunern möchten wir an dieser Stelle vom Einsatz von Typ K-Thermoelementen aus dem Elektronikfachversand abraten. Auch wenn dieses Element millionenfach aufgrund seines günstigen Preises in Motorenprüfständen im Einsatz ist, ist es dennoch einer Drift bei Temperaturschocks über 700°C ausgesetzt. Zumeist sind die vom Versandhandel angebotenen Thermoelemente sehr dünn und lediglich aus Edelstahl. Eine abgerissene Messspitze, die dann den Turbolader zerstört, relativiert den niedrigen Preis wieder.  Bei unseren Artikel-Nummern 30150 und 30200 sind 5-10 Tage Lieferzeit einzukalkulieren. Individuelle Adaptionen sind im Allgemeinen möglich.

Nachfolgender Text erschien in Heft 9 im Jahre 2003 in der Motorentechnischen Zeitschrift MTZ. Diese Beschreibung von ABB zeigt die Besonderheiten des Konzepts auf und wurde von unserem Hause behutsam dem heutigen Stand angepasst. Neben der Funktionsweise werden Applikationen im Bereich hochaufgeladener Ottomotoren beispielhaft dargestellt.

Abgastemperaturfühler auf Basis von Thermoelementen

Die Messung der Abgastemperatur in großserienmäßig hergestellten Fahrzeugen erfolgt zumeist mit Widerstandsthermometern. So werden nahezu alle Dieselfahrzeuge mit serienmäßigem Partikelfilter und Benzindirekteinspritzer mit Schichtladung mit solchen Temperaturfühlern ausgestattet. Dennoch bietet die Temperaturerfassung mittels Thermopaar handfeste Vorteile, die über den Anwendungsbereich der zuvor genannten Applikationen hinausgehen. Jedem Prüfstandsingenieur sind die Vorzüge von Thermoelementen, wie weiter Einsatztemperaturbereich, leichte Handhabbarkeit, höchste Messpräzision, geringe Ansprechzeit und eine gewisse Formfreiheit in Fleisch und Blut übergegangen. Daher lag es auf der Hand einen Abgastemperaturfühler auf Basis von Thermoelementen zu entwickeln.

Das Funktionsprinzip aller Thermoelemente: Der Seebeck-Effekt

Die Temperaturmessung mit Thermoelementen ist seit weit über 150 Jahren bekannt und beruht auf dem sogenannten „Seebeck-Effekt“. Dieser besagt, dass zwischen den Enden eines metallischen Leiters eine elektrische Spannung entsteht, wenn an diesen unterschiedliche Temperaturen herrschen. Der Temperaturverlauf dazwischen ist unerheblich.

Seebeck-Effekt

Zwischen beiden unterschiedlich warmen Enden eines Metalldrahtes stellt sich eine Potential-Differenz ein, die Thermospannung. Diese steigt kontinuierlich mit steigender Temperaturdifferenz an. Je nach verwendetem Metall kann die erzeugte Thermospannung stärker oder geringer ausfallen. Die Höhe dieser Spannung wird von Materialkonstanten bestimmt:

 Uth = c(T2 – T1)   Thermospannung einiger Materialien:

  • Konstantan  c = –3,40 mV/100 °C
  • Nickel  c = –1,90 mV/100 °C
  • Eisen  c = +1,88 mV/100 °C

Doch grau ist alle Theorie: Es ist kaum möglich mit einem Multimeter die Spannung zwischen den dem heißen und kalten Ende eines Leiters abzugreifen. Das Signal wird mittels eines andersartigen hitzefesten elektrischen Leiters aus der „heißen“ Zone herausgeführt.

Zwischen beiden Enden kann eine Potentialdifferenz abgegriffen werden: Ein Thermopaar ist entstanden. Industriell gefertigte Thermopaare gibt es in vielen Metall-Kombinationen. Der Messbereich und die geforderte Genauigkeit sind Kriterien für die korrekte Auswahl.

Für präzise Vergleichbarkeit: Die Kaltstellenkompensation

Ein Thermopaar kann stets nur Temperaturdifferenzen messen. In der Praxis interessieren jedoch fast ausschließlich absolute Temperaturwerte. Aus diesem Grunde werden Messgeräte mit einer Kaltstellenkompensation ausgestattet. Diese besteht zumeist aus einem

Thermopaare

Widerstandstemperaturfühler, der an der Abgriffstelle der Thermospannung die absolute Temperatur ermittelt. Damit ist die Temperatur an der „kalten“ Messstelle ebenso bekannt wie die Temperaturdifferenz zu der „heißen“ Messstelle. Aus beiden Parametern errechnet sich die Temperatur des Messpunktes.

Thermoelemente im Abgas: Der DTS-V III

EngineSens baut einen Abgastemperaturfühler auf Basis von Thermoelementen mit integrierter Auswerteelektronik. Der Hersteller gibt im Messbereich von -40 °C bis 1.100 °C eine Genauigkeit von ± 10 K an. Dies ist die höchste Messpräzision, die ein Abgastemperaturfühler derzeit bei 120°C Umgebungstemperatur erzielt. Zum Vergleich: Temperaturfühler auf Basis von NTC (Negative Temperature Coefficient) haben in dem Bereich über 900 °C einen so geringen Signalhub, dass ein sinnvoller Einsatz nicht möglich ist. Platintemperatursensoren sind in dem Bereich über 1050°C ebenfalls nicht mehr sinnvoll einsetzbar. Diese Unzulänglichkeiten zu umgehen war erklärtes Entwicklungsziel.

Das Lastenheft des Abgastemperaturfühlers DTS-V ist klar umrissen:

  • höchster Einsatztemperaturbereich von –40°C bis zu 1.100 °C.
  • höchste Resistenz gegenüber Temperaturschockwechsel
  • sehr günstiges Alterungsverhalten. Keine nachweisbare Signaldrift oder Hysterese; keine Vergiftungserscheinungen.
  • kurze Ansprechzeit
  • Einsatz im Motorraum auch unter Heißtestbedingungen und Rennsporteinsatz
  • Höchste Vibrationsbeständigkeit der Auswerteelektronik für Rennsporteinsätze

Aufgrund dieser Vorgaben wurde dem Entwicklungsteam schnell deutlich, dass diese Eigenschaften nur mit hochwertigen Thermoelementen zu erfüllen sind.

Der K-Effekt

Die meisten Prüfstandsspezialisten nutzen für Hochtemperaturmessungen Thermoelemente vom Typ „K“. Dieser Typ besteht aus einem Schenkel NiCr und einem Reinnickel-Schenkel. Im hohen Temperaturbereich ab ca. 600 °C ist der NiCr-Schenkel für eine teilweise undefinierte Veränderung der Thermospannung verantwortlich. Um diese vielen Nutzern unbekannten Vorgänge zu verstehen, muss man das Fertigungsverfahren hochwertiger Thermodrähte betrachten. Erstarrt eine Schmelze aus einer NiCr-Legierung mit geringer Abkühlrate, dann stellt sich ein kubisch flächenzentriertes Atomgitter ein. (siehe Abb. rechts) Diese Kristallstruktur entsteht bei dieser Legierung stets bei Temperaturen oberhalb von 600 °C. Die homogene Gitterstruktur sorgt für eine gut reproduzierbare Thermospannung. Wird nun mit einer Abkühlgeschwindigkeit von weniger als 100 °C/h dieser NiCr-Thermodraht abgekühlt, dann erfolgt eine Umgitterung in einen kurzbereichsorientierten Zustand (U-Zustand). Hier wird die bisherige Anordnung von Cr-Atomen an den Eckpunkten und Ni-Atomen im Flächenzentrum teilweise gestört. Auch dieser Zustand führt zu reproduzierbaren Thermospannungen. Undefiniert wird die Struktur erst, wenn aufgrund höherer Abkühlraten beliebige Mischgitter zwischen beiden Zuständen auftreten. Da dieser Effekt überwiegend bei Thermoelementen des Typs „K“ beobachtet wird, wird das Phänomen nach diesem Typ bezeichnet.

Atommodell

Die moderne Materialtechnik: Stabilisierung mit Silizium

Bei einem Abgastemperaturfühler ist stets mit höchsten Abkühl- und Aufheizraten zu rechnen. Der K-Effekt war also bereits in der Konzeptphase des DTS-V zu berücksichtigen. EngineSens wendet ein Verfahren an, mit dem dieser Effekt vollständig aufgehoben werden kann, ohne dabei die positiven Eigenschaften dieses Thermopaartyps zu verletzen. Hierzu werden beide Schenkel mit einem geringen Anteil an Silizium legiert. Dadurch werden die Einflüsse des „U-Zustandes“ nahezu vollständig aufgehoben. Messtechnisch ist der „K-Effekt“ nicht mehr nachweisbar. Das Abgasthermometer DTS-V wird in logischer Konsequenz mit einem Schenkel NiCrSi und einem Partner aus NiSi als Typ „N“ aufgebaut.

Spitze im Schnitt

Fühlt jede Temperatur: der Sensor

Eingebettet ist das Thermopaar in ein Schutzrohr aus hochtemperaturstabilen Spezialstahl Inconel® 600 bzw. 601 und ist auch unter extremer Temperaturbeanspruchung resistent gegen Korrosion durch Temperaturwechsel. Damit übersteht der DTS-V auch härteste Tests, die manchem Pt-Fühler zu undefinierter Drift verhelfen. Das Thermoelement wird in eine Masse aus hochreinem Magnesiumoxidpulver eingebaut. In verschiedenen Fertigungsschritten wird akribisch darauf geachtet, jegliche Spuren von Restfeuchte auszutreiben, da sich das Material stark hygroskopisch verhält. Der Sensor wird aus langen Mantelleitungen gefertigt, die nachdem diese mit Thermoleitungen versehen und ausgepulvert wurden, etliche Ziehprozesse und Wärmebehandlungen bis 1.400°C durchlaufen haben, auf Länge geschnitten werden. Die Messstelle wird erzeugt, indem die zwei

Thermoleitungen mit einer Schweißperle verbunden werden. Die „heiße“ Seite wird mit Mantelmaterial abgedichtet, die kalte Seite mit einem speziellen Epoxydharz, welches kurzzeitig Temperaturen bis 250 °C ausgesetzt werden darf. Mit diesem Aufbau werden auch bei hohen Temperaturen gute elektrische Isolationswerte erzielt.

In der Abgasanlage wird der Sensor lageunabhängig befestigt mittels einer aufgedrückten Stützhülse mit angedrehter Dichtfläche, die die Einschweißmuffe im Abgasrohr verschließt. Die Länge der Stützhülse definiert die Eintauchtiefe. Diese ist in gewissem Rahmen für die jeweilige Applikation variabel. Für den notwendigen Anpressdruck auf die Dichtstelle sorgt eine Verschraubung.

Das verbindende Element: die Thermoleitung

Die „heiße“ Messstelle und die vergleichsweise „kalte“ Auswerteelektronik wird mit einer von einem Metallgeflecht ummantelten Leitung unlösbar miteinander verbunden. Diese Verbindung übersteht extreme Temperaturschwankungen im Motorraum und ist gleichzeitig vibrationsbeständig.

Die Auswerteelektronik: High-Tech Signalwandler

Ein Messsignal kann nur so präzise sein, wie die Summe aller Fehler in der Messkette. Um diese Einflussmöglichkeiten von vornherein zu reduzieren, kann man die systembedingten Vorteile von Thermoelementen mit einem hochwertigen Signalwandler weiter ausbauen. Die eingebaute Kaltstellenkompensation basiert auf einem hochwertigen Messelement. Die Thermospannung wird in ein analoges 0,36 V bis 4,89 V Spannungssignal (DC) umgewandelt.  Die Elektronik wird im Motorraum verbaut und übersteht die dort auftretenden Belastungen wie Hitze bis 130 °C, Feuchte, Vibrationen klaglos. Die elektronischen Bauelemente werden auf einer Leiterplatte mittels bleifreiem Lot positioniert. Geschützt wird das Innenleben durch ein Kunststoffgehäuse aus PA-66 mit hohem Glasfaseranteil. Die Spannungsversorgung erfolgt mit Batteriespannung von 12 Volt DC über Klemme 15 (Zündung ein). Zur Erfüllung aller EMV-Anforderungen wurde die Elektronik mit wirksamen Filtern versehen und die Bauteile geschickt angeordnet.

Wenn´s dem Turbolader zu heiß wird

Bei Motorenentwicklern ist Downsizing ein vieldiskutiertes Thema. Insbesondere bei kleineren Hubräumen ist die Beatmung mittels Turbolader ein bewährtes Werkzeug dem Triebwerk zusätzliches Drehmoment und Leistung zu entlocken. Hierbei wird bei Ottoabgasen die Turbine mit heißen Gasströmen von über 1.000 °C beaufschlagt. Das geht an die Grenze der Materialbelastbarkeit. Daher ist die maximale Abgastemperatur ein Auslegungskriterium für turbobeatmete Ottomotoren. Aus Gründen des Bauteileschutzes dürfen Abgastemperaturen über 1.000°C keinesfalls über einen längeren Zeitraum überschritten werden. Im Normalfalle wird in einem deutlichen Sicherheitsabstand vor der kritischen Temperaturgrenze das Verbrennungsgemisch angefettet. Diese Regelung auf ca. λ=0,94 senkt die Temperatur um mehr als 150 K, schont den

Lader und Abgaskrümmer; führt aber zu einer drastischen Verschlechterung der Treibstoffeffizienz und Abgasqualität durch das Verschieben der Abgaszusammensetzung zu einer ungünstigen Konvertierungsrate des Dreiwegekatalysators. Nur eine Regelung über die Abgastemperatur kann diese Nachteile deutlich reduzieren. Somit kann der „Sicherheitsabstand“ zum notwendigen Anfetten verringert werden. Gesetzt den Fall, ein Fahrzeug folgt auf einspuriger Landstraße über einen längerem Zeitraum einem Lastkraftwagen, ohne Möglichkeit diesen zu überholen. Zwangsläufig wird das Fahrzeug im Teillastbereich bewegt, die Bauteiltemperaturen befinden sich auf niedrigem Niveau. Später ergibt sich die Möglichkeit zum Überholvorgang, dem Motor wird jetzt maximale Leistung abverlangt. Bei herkömmlich geregelten Motoren wird bei höheren Drehzahlen sofort das Gemisch angefettet, obwohl die Bauteiltemperaturen sich noch nicht so schnell erhitzt haben, dass diese Maßnahme notwendig ist. Hier wird ein großer Spielraum verschenkt. Bei einem Fahrzeug mit Abgastemperaturregelung wird erst dann das Gemisch angefettet, wenn die Temperatur in kritische Zonen erhöht wird. Serienanwendungen liegen bei einer Abregeltemperatur von 900 °C. Daraus ergibt sich eine deutliche Treibstoffeinsparung einerseits, aber auch eine Entlastung für die Umwelt, da der Katalysator länger unter optimalen Bedingungen betrieben werden kann.

Eingesetzt wird diese Regelung seit geraumer Zeit bei Audi im mittlerweile ersetzten  2,7 l Biturbo und RS 6, S4, RS 4. Dieses hochwertige Temperaturregelsystem ist überwiegend in Fahrzeugen der automobilen Oberklasse anzutreffen. Hier sind der Bentley Arnage ebenso zu nennen wie der Bugatti Veyron. Ein ähnliches System verwendet Porsche.

Zusammenfassung und Ausblick

Der Abgastemperatursensor DTS-V von EngineSens ist ein Premiumprodukt, das insbesondere dann Vorteile ausspielen kann, wenn eine sehr präzise Signalauflösung, geringe Ansprechzeit, Resistenz gegenüber Vibrationen, Partikel und Hochtemperatureinflüssen gefordert sind. Das Produkt zeigt über die gesamte Lebensdauer keine Hysterese oder Signaldrift. Neben der zuvor beschriebenen, bekannten Applikation ergeben sich aufgrund der Signalstabilität auch Applikationsmöglichkeiten im Bereich der Bauteilüberwachung von Stationärmotoren und mobilen Anlagen.

Wir danken den Herren Anton Konken, Ingo Kleeberg, Reiner Laurinat und Dirk Reußwig von ABB Automation Products für die jahrelange erfolgreiche Zusammenarbeit.