Aufbau und Einsatz für effektives Motor-Management Kfz-Sensoren auf Potentiometerbasis

Als Grundlage verschiedener Sensortypen für elektronische Steuerungssysteme dienen Potentiometer, die ursprünglich zur Lautstärkeregelung in Radios und Fernsehgeräten verwendet wurden. Damit diese Bauteile im Auto zum Einsatz kommen können, mussten Lebensdauer und Betriebstemperaturbereich angepasst werden.

Aufbau und Einsatz für effektives Motor-Management

Als Grundlage verschiedener Sensortypen für elektronische Steuerungssysteme dienen Potentiometer, die ursprünglich zur Lautstärkeregelung in Radios und Fernsehgeräten verwendet wurden. Damit diese Bauteile im Auto zum Einsatz kommen können, mussten Lebensdauer und Betriebstemperaturbereich angepasst werden.

Das Automobil wurde 1885 in Deutschland erfunden und 1913 mit Beginn der Massenfertigung des T-Modells von Ford für ein breites Publikum verfügbar. In den folgenden Jahrzehnten stieg die Zahl der Autobesitzer und damit auch die Umweltverschmutzung durch Autoabgase rapide an. Mit dem wachsenden ökologischen Bewusstsein wurde 1972 die elektronische Benzineinspritzung entwickelt, um die Umweltbelastung durch Autoabgase einzudämmen. Die elektronische Benzineinspritzung steuert mit Hilfe einer Motorsteuereinheit (ECU = Engine Control Unit), eine Art zentraler Computer im Auto, die optimale Versorgung des Motors mit Benzin und gewährleistet dessen vollständige Verbrennung, was die Konzentration von gesundheitsgefährdenden Substanzen in den Abgasen erheblich reduziert.

Bild 1 zeigt den schematischen Aufbau einer elektronischen Benzineinspritzung. Betätigt der Fahrer das Gaspedal, öffnet sich die Drosselklappe, und der Luftstrom nimmt zu. Der angeschlossene Drosselklappen-Positionssensor erkennt den Öffnungsgrad der Drosselklappe und setzt die Daten in ein elektronisches Signal um, das an die ECU weitergeleitet wird (Bild 2). Da das Durchdrücken des Gaspedals äquivalent zum Öffnungswinkel der Drosselklappe ist, interpretiert die ECU dies als Indikator für den Beschleunigungswunsch des Fahrers. Gleichzeitig erkennt sie das Volumen des Luftstroms in den Motor, die Motortemperatur, die Umdrehungszahl und die Geschwindigkeit des Autos. Mit Hilfe dieser Daten berechnet die ECU den minimal erforderlichen Benzinbedarf und gibt die Daten an die Benzinpumpe weiter. Diese spritzt das optimale Luft- und Benzingemisch in die Zylinder des Motors.

Struktur eines Potentiometers

Den meisten Leuten sind Potentiometer in ihrer Funktion als Lautstärkeregler bekannt. Ein Potentiometer ist ein analoges Bauelement, das eine kontinuierliche Abstimmung ermöglicht. Durch das Drehen des Bedienknopfes bewegt sich ein Metallschleifer über die Oberfläche eines Widerstandselements. Dadurch ändert sich der Widerstandswert abhängig von der Lage des Schleiferkontakts auf dem Widerstandselement. Entsprechend der Position des Schleifers ändert sich auch die Strommenge, die durch das Bauteil fließt. Drosselklappensensoren verfügen über exakt die gleiche Struktur wie Potentiometer. Der Unterschied zum Potentiometer liegt jedoch in der Präzision der Ausgangsspannung und der Funktionsweise.

Wird ein Potentiometer als Sensor verwendet, erfasst es die Ausgangsspannung und rechnet zurück, um die mechanische Position des überwachten Geräts zu bestimmen (Bild 3). Dabei ist eine hohe Präzision erforderlich, deren Ausgangskurve idealerweise einer geraden Linie entspricht. Beim Einsatz als Drosselklappen-Positionssensor wird eine Präzision von ±2 % benötigt. Um diesen Präzisionsgrad zu erreichen, darf die Position des Schleifers nicht mehr als ±0,2 mm vom Ideal abeichen. Deshalb müssen die Teile, aus denen der Sensor besteht, mit extrem engen Toleranzen von (0,1 mm bis 0,05 mm) gefertigt werden.

Spezielle Spezifikationen für Kfz-Einsatz

Zusätzlich zu den engen Toleranzen sind bei Kfz-Sensoren zwei weitere Spezifikationen sehr wichtig: ein großer Betriebstemperaturbereich und eine lange Lebensdauer. Für Potentiometer in Audiogeräten, die in Häusern, im Innenraum eines Autos oder ähnlichem zum Einsatz kommen, ist ein Betriebstemperaturbereich von –10 °C bis +85 °C für gewöhnlich ausreichend. Im Gegensatz dazu werden Kfz-Sensoren im Motorraum oder anderen ungastlichen Orten untergebracht. Um hier einen problemlosen Betrieb zu ermöglichen, wird ein Temperaturbereich von -40 °C bis zu +125 °C gefordert.

Die Betriebslebensdauer eines typischen Potentiometers beträgt ungefähr 15 000 Betätigungen. Stellt beispielsweise ein Anwender die Lautstärke eines Geräts zehnmal am Tag ein, macht das 3650 Betätigungen im Jahr bzw. 14 600 Betätigungen in vier Jahren. Dies ist mehr als adäquat für einen durchschnittlichen Einsatz. Von einem Automobil wird jedoch erwartet, dass es mehr als zehn Jahre läuft, was bei Drosselklappen-Positionssensoren eine Betriebslebensdauer von einer Million bis zu zehn Millionen Betätigungen erfordert. Setzt man zehn Millionen Betätigungen voraus, müssen 2700 Betätigungen pro Tag über einen Zeitraum von zehn Jahren fehlerfrei durchgeführt werden.

Der Schlüssel für eine lange Betriebslebensdauer und hohe Hitzebeständigkeit liegt im Widerstandselement. Typische Fehlerfälle in Bild 4 zeigen, worauf es hier ankommt. Wird ein Sensor in einer Umgebung mit hohen Temperaturen installiert, nimmt die Haltekraft des Bindeharzes des Widerstandselements ab, das Widerstandselement gibt nach, und durch die wiederholten Bewegungen des Schleifers nutzt sich die Oberfläche allmählich ab. Schreitet die Abnutzung des Widerstandselementes weiter voran, krümmt sich die Ausgangsspannungskurve (Bild 5) und die Abweichung von der Ideallinie (gestrichelt) tritt deutlich hervor.

Die Präzision der Messung nimmt ab, woraus beträchtliche Fehler resultieren. Gleichzeitig verschmutzen Ablagerungen durch die Abnutzung des Widerstandelements den Schleifer. Dies führt zur Verschlechterung des elektronischen Kontakts und zu elektronischem Rauschen, was wiederum eine weitere Abnahme der Messpräzision bewirkt. Das hat zur Folge, dass die an die ECU übermittelten Daten nicht ausreichend präzise sind. Im Grunde destabilisiert sich das Bindeharz in Umgebungen mit strengen Temperaturen, besonders unter Bedingungen mit großer Hitze, und der Schleifkontakt reibt das Widerstandselement ab. Was folglich gebraucht wird, ist ein Widerstandselement, das bei unterschiedlichen Temperaturen, insbesondere hohen Temperaturen, beständig und deshalb resistent gegen Abnutzung durch den Schleifkontakt ist.