Im Rahmen der Produktausstellung des SCR-Forums stellte die französische Firma Electricfil mehrere Prototypen eines ähnlich aufgebauten Rußsensors aus.

Der Geschäftsführer der Delta-R Motorsensor GmbH, Stefan Carstens, moderierte am 08. Juli 2010 im SI-Centrum in Stuttgart den vom Car Training Institute (CTI) veranstalteten Spezialtag „Emissionsrelevante Sensorik“ im Rahmen des 6. internationalen Forums „SCR Systems“. Im Vorfeld war Delta-R Motorsensor an der Auswahl der Themen sowie der Organisation der Beiträge des Spezialtages beteiligt. Das CTI ist die Automotive-Division von EUROFORUM Deutschland SE.

Bernd Hermans von chainconsult stellte für seinen belgischen Kunden Sensor-Nite die jüngsten Entwicklungen des Hauses zum Thema Abgastemperaturmessung dar. Nachdem der Abgastemperaturfühler TS-200 mit seiner, ähnlich einer Lambdasonde, perforierten Sensorspitze heute zum Standard der Abgastemperaturmessung zählt, wurden mehrere Varianten aufgezeigt. Unter Beibehaltung des bewährten Messprinzips auf Basis Pt200 wurde ein rundum geschlossenes Sensorgehäuse dem Publikum präsentiert. Insbesondere Dieselapplikationen in Abgasrückführleitungen mit Temperaturen unter 300°C können dazu führen, dass sich beim TS-200 größere Mengen an Ruß kumulieren und die Ansprechzeit negativ beeinflussen, ohne jedoch die grundsätzliche Funktion zu beeinträchtigen. Mit dem geschlossenen „Closed Housing“ werden insbesondere Anwendungsfälle im Bereich SCR aber auch DPF abgedeckt. Mittlerweile bieten die Abgastemperaturfühler des Hauses Sensor-Nite Eintauchtiefen von 25-70 mm, gestreckte und abgewinkelte Sensorgehäuse sowie unzählige Varianten an Kabellängen und Steckern.

Dr. Chris Ganseman, Sensor-Nite, stellte eindrücklich den Entwicklungsstand der Rußsensorik vor. Er legte dar, dass sich vermutlich in der Industrie ein resistiver Ansatz durchsetzen wird. Hierbei wird ein Keramiksubstrat mit einer interdigitalen Kammstruktur bedruckt. Diese kann beispielsweise eine Platinstruktur sein. Ruß wird mit höherer Temperatur stromleitend, bevor er unter Präsenz von ausreichend Sauerstoff sich ab 550°C entzündet und verbrennt. Dies ist Fluch und Segen zugleich. So kann das Abbrandverhalten für eine pyrolytische Reinigung des Sensors genutzt werden. Andererseits ist die Einsatztemperatur zum Kumulieren von Ruß auf ca. 50°C unter der Selbstentzündungstemperatur limitiert. In erster Linie wird der Rußsensor als OBD-Sensor eingesetzt werden. Hierzu wird er nach Partikelfilter in den Abgasstrom platziert. Ist nun das Filtersystem schadhaft, wird sich Ruß auf der Sensorfläche anlagern. Sobald der Ruß eine durchgehende Brücke von der einen zur anderen Kammstruktur gebildet hat, reduziert sich der elektrische Widerstand bei Temperaturen zwischen 300°C und 480°C fast schlagartig. Mit weiterer Rußbeladung verstärkt sich dieser Effekt. Der Fahrzeughersteller, der einen solchen Sensor in seine Fahrzeugdiagnose einbindet, kann nun die maximal zulässige Beladung über bestimmte Fahrstrecken definieren. Da der Partikelfilter von Zeit zu Zeit regeneriert wird, empfiehlt es sich auch den Rußsensor wieder zu reinigen. Hierzu wird auf der Unterseite des Substrats eine niederohmige Heizerstruktur aufgebracht und mit einer Passivierungsschicht abgedeckt. Zum Reinigen wird nun die Oberflächentemperatur auf mindestens 550°C aufgeheizt. Der Restsauerstoff im Abgas reicht aus, um die Rußbeladung zu verbrennen. Diesen Prozess stellte Dr. Ganseman anschaulich dar.

Hendrik Blum vom thüringischen Sensorhersteller Tesona ging auf ein allgemeines Thema der Temperatursensorik explizit ein: Die Messung der Ansprechzeit. Da die DIN 1434 und EN 60751 nur bedingt auf Abgastemperatursensoren anwendbar sind, hat Tesona eigene vergleichende Messungen durchgeführt. Hierbei zeigte sich, dass mechanisch sehr stabile Thermoelemente in ihrem Ansprechverhalten noch deutlich verbessert werden können. Das Unternehmen stellt mit dem TESO-MT 1300 einen Abgastemperaturfühler auf Basis eines Thermoelementes her, der das obere Ende des Temperaturspektrums mit über 1100°C abdeckt. Zur Verbesserung der Ansprechzeit wurde einerseits die thermische Masse der Sensorspitze reduziert, anderseits durch geeignete Fertigungsmaßnahmen die Bildung der sogenannten Hot-Junction verbessert. Die jüngste Generation 2 des Produkts zeichnet sich äußerlich durch eine verjüngte Messspitze aus. Eingesetzt wird das Produkt in erster Linie zur Turboladerüberwachung in Premiumfahrzeugen von Porsche, Audi, Bentley und Bugatti. Die jüngste leistungsgesteigerte Generation 2 des Produkts zeichnet sich äußerlich durch eine verjüngte Messspitze aus. Deren geänderte Konstruktion bedeutet gleichzeitig ein signifikantes Einsparungspotential bei der Fertigung von Mantelthermoelementen.

Einen völlig anderen Ansatz verfolgte Jürgen Pilsl von der Huber Group. Die gegenwärtig verfügbaren Stickoxidsensoren erfüllen ihren Zweck nur unzureichend: Die Ansprechzeit ist in Teilbereichen ebenso ungenügend wie die Lebensdauererwartung in einem Nutzfahrzeug. Zudem ist dies der teuerste Sensor in aktuellen Abgassystemen und somit stets ein Kostenfaktor. Er zeigte einen Weg auf, wie in SCR-Systemen auf diesen Sensor verzichtet werden kann. Er wies anhand von Prüfstandsprotokollen nach, dass ein Zusammenhang zwischen Motorlast, Abgastemperatur, Luftmassendurchsatz, Fahrpedalstellung, Turboladerdrehzahl und – falls AGR vorhanden – Abgasrückführrate besteht. All diese Daten werden bereits durch Sensoren hinreichend genau erfasst. Aus der Vielzahl der Parameter entwickelte die Huber Group ein arithmetisches Modell, das in Grundzügen auf Ansätzen der Fuzzy Logic aus den 90er-Jahren besteht. Dieser Ansatz wurde speziell für eine Abgasentstickung mittels SCR verfeinert. Mittels Versuchsfahrten und Prüfstandsläufen konnte eine bemerkenswerte Korrelation zwischen einem selbstlernenden Modell und der Abgasanalyse nachgewiesen werden. Die anschließende Diskussion untermauerte das Interesse der Automobilbauer an dieser Lösung.

Dr. Karsten Grimm von Kolbenschmidt Pierburg präsentierte einen neuen Abgasmassenmesser. Hierbei wird das Prinzip eines Heißfilmanemometers genutzt. Im Grunde handelt es sich bei dem Pierburg-Produkt um einen Luftmassenmesser, der für den Einsatz in der Abgasrückführleitung speziell erweitert wurde. Moderne Ansätze von EURO-6-Fahrzeugen sehen zunehmend eine Kombination von Hochdruck- und Niederdruck-Abgasrückführung vor. Vor diesem Hintergrund kommt der präzisen Zumessung der Rückführrate zunehmende Bedeutung zu. Daher entschied Kobenschmidt Pierburg bestehendes Know-How aus der Luftmassenmesserfertigung weiterzuentwickeln. In AGR-Leitungen bildet sich aufgrund starker Abkühlraten verstärkt Kondensat. Dr. Grimm zeigte eindrucksvoll Versuche, bei denen die heiße Heizerkeramik mit Wassertropfen gezielt besprüht wurde, ohne zu bersten. Aufgrund der starken Partikelbelastung des ungereinigten Abgases neigt der Temperaturkompensationswiderstand zum Verrußen. Daher wurde seine Rückseite mit einem Heizmäander versehen, so dass eine pyrolytische Reinigung ermöglicht wird, analog zum zuvor beschriebenen Rußsensor. Wie in der Luftzuführung kommt es auch in der AGR-Leitung zu Rückströmungen. Daher musste die Ansprechempfindlichkeit so angepasst werden, dass Pulsationen erkannt werden. Eingesetzt werden kann dieser Gasmassenmesser in Umgebungstemperaturen bis 300°C. Die erzielte Hochtemperatur-Messpräzision ist erstaunlich, bedenkt man, dass alle Geräte bei 25°C kalibriert werden.

Wolfgang Schindler, AVL List, Graz, stellte das Verfahren der photoakustischen Rußmessung für die Abgasanalyse vor. Hierbei handelt es sich um eine Methode die im Grunde bereits 1880 von A.G. Bell beschrieben wurde, aber erst mit modernen Technologien einfach und kostengünstig durchführbar ist. Mittels einer Videosequenz wurde das Verfahren veranschaulicht. Partikelbelastetes Abgas wird (entsprechend aufbereitet und verdünnt) durch eine Messkammer geleitet. In dieser werden die Partikel durch Bestrahlung mit einem modulierten Laserstrahl erhitzt. Diese modulierte Erhitzung erzeugt eine typische periodische Druckpulsation, die als akustische Welle von Mikrophonen aufgenommen wird. Aufgrund der Aufbereitung des Abgases (Druckverhältnisse müssen angepasst werden, Verdünnung, etc.) ist das Verfahren in erster Linie für die Abgasanalyse einsetzbar. Schindler zeigte zudem einen Messaufbau, der bereits erfolgreich in verschiedensten Anwendungen mit Rußemissionen weit unter dem Euro 5 Grenzwert, unter anderem in einem PKW-Kombi eingesetzt wurde.

Georg Mordelt von AVL List stellte die Leistungsfähigkeit piezoelektrischen und optischen Sensoren zur Brennverfahrensentwicklung überzeugend vor. Wenn mit den Methoden CAE und CFD (computational fluid dynamics) die verbrennungsrelevanten Bauteile wie Kolbenboden, Zylinderkopf, etc. durchkonstruiert sind, erfolgt die Verifizierung im Voll- oder Teilmotor. Es ist gelungen optische Sensoren in Zündkerzen zu integrieren. Mittels Lichtleitertechnik kann auch bei beengten Einbauverhältnissen die Verbrennung optisch überwacht werden. Zusätzlich gibt es bei Mehrkanalsensoren die Möglichkeit weitere Parameter mit aufzunehmen. Hier sei beispielsweise die Druckmessung mittels piezoelektrischer Sensoren genannt, die dank der hervorragenden Ansprechzeit zur Detektion des Druckverlaufs während der Verbrennung geeignet sind. Mit diesen Werkzeugen kann die Motorkalibrierung in allen Zuständen erheblich vereinfacht werden.

Für Wema Systems AS präsentierte der Schweizer Beat Fuchs die jüngste Entwicklung eines AdBlue-Qualitätssensors. OBD-Vorschriften erfordern den Einbau eines AdBlue™-Qualitätssensors in SCR-Systemen. Dieser Sensor hat die Aufgabe unzureichende Additivqualität sowie Fehlbetankungen und Manipulationen zu detektieren. Fuchs stellte dar, dass der Ansatz von Wema auf Ultraschalltechnik basiert, um die Harnstoffkonzentration im Additiv zu messen. Die Messung erlaubt gleichzeitig auch den Ausschluss artfremder Flüssigkeiten aufgrund der verschiedenen Schallgeschwindigkeitscharakteristiken. Sollten die Kennlinien zu nahe an den Werten für AdBlue™ liegen, kann optional mittels Messung der elektrischen Leitfähigkeit ein zusätzlicher Wert einbezogen werden, um weitere Substanzen zu differenzieren. Erste Funktionsmuster stehen im Herbst 2010 den Kunden zur Verfügung.

Für das Fraunhofer Institut für Physikalische Messtechnik in Freiburg stellte Dr. Armin Lambrecht die besonderen Anforderungen der Abgasanalyse dar. Die Nachweisgrenzen für CO, NO, NO2, NH3 werden immer geringer. Gefordert werden hier Werte um 1 ppm. Da der Gesetzgeber neue Grenzwerte für NO2, N2O und NH3 einführen wird, ist die Messtechnik hier besonders gefordert. Fraunhofer verfolgt zum Nachweis den Ansatz der optischen Absorptionsspektroskopie mit infrarotem Licht. Diese Methode hat den Vorteil, dass keine heißen Sensoroberflächen die zu detektierenden Gase beeinflussen. Somit treten durch die Messung selbst keine chemischen Reaktionen auf. Durch die Auswahl geeigneter Lichtquellen wie z.B. Infrarotlaser lassen sich unterschiedliche Gase gezielt und ohne Beeinflussung durch andere Begleitkomponenten untersuchen. Um die geforderten Empfindlichkeiten zu Erreichen, sind jedoch lange Lichtwege durch das Gas zu berücksichtigen, die entsprechend groß dimensionierte Messzellen erforderlich machen. Eine voluminöse Messzelle steht allerdings der Forderung nach Messungen bei raschen Gaswechseln und transienten Motorzuständen diametral entgegen. Hierfür sind sehr kleine Messzellen notwendig. Mittels Umlenkspiegeln ist es möglich in kompakten Zellen die notwendigen Lichtwege und die damit verbundenen Sensitivitäten zu realisieren. Ein weiterer Entwicklungsschwerpunkt liegt in der Laserquelle begründet. Starkes Rauschen limitiert die Signalauflösung. Moderne Breitbandlasertechnologien, wie beispielsweise weit abstimmbare Quantenkaskadenlaser (QCL) oder Superkontinuumquellen, ermöglichen die präzise und gleichzeitige Messung vieler Gase. Künftige Gasanalysesysteme werden daher nach Einschätzung von Dr. Lambrecht laserbasiert sein undmit neuen Lasertechnologien wie VCSEL (Vertical Surface Emitting Lasers), QCL oder Superkontinuumquellen ausgestattet sein.

Den letzten Beitrag bestritt Prof. Dr. Ralf Moos vom Bayreuth Engine Research Center (BERC). Er zeigte sich davon überzeugt, dass eine der wichtigsten künftigen Entwicklungen in der Partikelsensorik liegt. Der Experte stellte diverse Forschungsansätze von Rußsensoren vor und legte den Fokus künftiger Entwicklungen auf präzise Katalysatorzustandsdiagnosen und Beladungserkennung von Partikelfiltern.

Vom 20. Bis 22. Oktober 2010 wird Stefan Carstens von Delta-R Motorsensor die CTI-Seminarreihe „Basiswissen Abgasnachbehandlung“ in Frankfurt durchführen. Der erste Tag der insgesamt dreitägigen Veranstaltung beschäftigt sich mit den gesetzlichen Rahmenbedingungen und der Abgasnachbehandlung von Ottomotoren. Der zweite Tag behandelt Dieselpartikelfiltersysteme. Am dritten Tag stehen Abgassensoren im Vordergrund. Sauerstoffsonden, Abgastemperaturfühler, Stickoxidfühler, Differenzdrucksensoren und künftige Rußsensoren werden in Aufbau und Funktionsweise dargestellt.