Mehrdimensionale Magnetfeldmessung Hall-Sensoren in Ventilen und Aktuatoren

Ein geringerer Kraftstoffverbrauch und CO2/NOX-Ausstoß bei gleicher Leistung sind die Hauptziele beim Einsatz von mehr Sensoren im Bereich des Motors. Die meisten Sensoren basieren auf dem Hall-Effekt. Gegenüber Linear-Hall-Effekt-Sensoren bieten Direktwinkelsensoren für viele Anwendungen Vorteile.

Im letzten Jahrzehnt konnten viele Anwendungen im Automobil-Antriebsstrang dank der automatisierten Steuerung erheblich verbessert werden, zum Beispiel durch den vermehrten Einsatz von Turboladern mit variabler Turbinengeometrie und AGR-Ventilen. Dabei liefern hochgenaue Sensoren Informationen über die Position von diversen Stell­antrieben im Bereich des Motors. In der Vergangenheit kamen eindimensionale Linear-Hall-Effekt-Sensoren zum Einsatz. Mittlerweile geht der Trend hin zu Direktwinkelsensoren, die temperaturstabile, mehrdimensionale Winkelmessung mit einfachen Magnetkreisen erlauben.

Abgasrückführung (AGR)

Ein Einsatzgebiet sind Ventile in Anwendungen zur Abgasrückführung (AGR). Spätestens mit der Einführung der Euro-V-Norm werden alle Verbrennungsmotoren mit einem AGR-Ventil ausgestattet. Dieses Ventil wird zur Minderung von Stickoxiden (NOX) verwendet, die bei der Verbrennung von Kraftstoff in Ottomotoren und Dieselmotoren entstehen. Alleine durch Maßnahmen der Abgasnachbehandlung mittels NOX-Speicherkatalysatoren beziehungsweise durch selektive katalytische Reduktion lässt sich der Stickoxidausstoß nicht unter den gesetzlichen Emissionsgrenzwert senken. Dies gilt besonders für Dieselmotoren seit Einführung der EURO-VI-Norm im September 2014. Hier ist die Abgasrückführung eine der wichtigsten Maßnahmen. Beim Otto-Motor wird die Abgasrückführung eher zur Senkung der Ladungswechselverluste eingesetzt und reduziert den Kraftstoffverbrauch im Teillastbereich.

Generell führen die hohen Verbrennungstemperaturen im Motor zur Bildung von Stickoxiden. Je höher die Temperaturen, desto höher der Anteil von Stickoxiden im Abgas. Durch das Zuführen eines inerten Gases (zum Beispiel Abgas) in kleinen Mengen zurück in den Brennraum werden Temperaturspitzen vermieden und somit die NOX-Emission abgesenkt. Allerdings darf die Menge des Abgases nicht zu hoch sein, da sonst die Entstehung von Rußpartikeln begünstigt wird. Die optimale Abgasmenge ist von der Last und der Motordrehzahl abhängig. Die Rückführung wird über ein externes AGR-Ventil geregelt. Hier kommt ein Hall-Effekt-Sensor (zum Beispiel mit 2D/3D-Magnetfeld-Erfassung) ins Spiel. Für eine genaue und effiziente Regelung benötigt das Motorsteuergerät Informationen über die tatsächliche Stellung des AGR-Ventils. Normalerweise beruht das Funktionsprinzip der AGR-Ventile auf der linearen Verschiebung einer Ventilstange (Bild 1). Typischerweise müssen hier Wege im Bereich von 10 mm gemessen werden. Eine entsprechende Wegstrecke lässt sich mit hoher Genauigkeit und bei extremen Umgebungstemperaturen bis zu 160 °C mit einem 2D-Sensor genauestens messen: entweder direkt per linearer Wegmessung mit einem kleinen Stabmagneten oder durch Umsetzung in eine Rotationsbewegung mittels eines einfachen Scheibenmagneten. Beide Aufbauten sind, verglichen mit einem einfachen, eindimensional messenden Linear-Hall-Effekt-Sensor, robust gegenüber mechanischen Toleranzen.