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Temperatursensoren für den Abgasstrang Hochtemperatursensoren mit neuen Werkstoffen und neuem Design

Temperatursensoren für den Abgasstrang müssen bis zu 1.000 Grad Celsius widerstehen, kompakt, kostengünstig und langlebig sein. Schott bietet Sensorherstellern eine neue Glaskeramik-Technologie für besonders kompakte Sensoren.

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Heatan™ Sensordurchführungen widerstehen extremer Hitze von mehr als 1000°C und ermöglichen kleinere und einfachere Hochtemperatur-Sensordesigns.
Heatan™ Sensordurchführungen widerstehen extremer Hitze von mehr als 1000°C und ermöglichen kleinere und einfachere Hochtemperatur-Sensordesigns.
(Bild: SCHOTT AG )

Der Schadstoffausstoß von Verbrennungsmotoren wird immer weiter reduziert. So wünschen es die Autokäufer, und die Gesetzgebung legt das Tempo dieser Entwicklung fest: Auf Euro 6 wird Euro 7 folgen, weil der Abgasausstoß von Neufahrzeugen bis 2030 nochmals deutlich reduziert werden soll. Deshalb wird es auch neue Verfahren der Abgasnachbehandlung geben, die auf aktuelle Motordaten angewiesen sind.

Hohe Anforderungen an die motornahe Sensorik

Das wiederum bedeutet: Das Motormanagement wird zusätzliche Aufgaben übernehmen und ist dabei auf den „Input“ von motornahen Hochtemperatur-Sensoren im Abgasstrang angewiesen. Deren Anzahl wird daher weiter steigen.

An diese Sensoren werden sehr hohe Anforderungen gestellt. Da der im Abgassystem verfügbare Bauraum limitiert ist, fordern die Autohersteller und ihre Zulieferer kleine, robuste Sensoren, die einfach und kostengünstig zu integrieren sind. Eine hohe Temperaturbeständigkeit wird ebenso gefordert wie Korrosionsfestigkeit. Denn die Überwachung von Parametern wie Temperatur, Konzentration von Stickoxiden und Anteil an Rußpartikeln findet bei größter Hitze und in korrosivem Umfeld statt.

1.000°C Umgebungstemperatur und mehrere tausend Temperaturwechselzyklen

Konkret bedeutet das: Die Sensoren, die Messwerte für das Motormanagement und die Abgasnachbehandlung erfassen, müssen Temperaturen von über 1.000 Grad Celsius und mehreren tausend Temperaturwechselzyklen standhalten. Gleichzeitig müssen sie chemischen Einflüssen wie Benzin- oder Dieselkraftstoffen samt entsprechenden Abgasen widerstehen, und ihre Lebensdauer darf auch durch die Harnstofflösung AdBlue nicht beeinträchtigt werden.

Um diese Beständigkeit zu erreichen, setzen bisherige Sensorlösungen in diesem kritischen Einsatzbereich auf eine Konstruktion aus vielen Einzelkomponenten. Eine zentrale Komponente ist dabei die versiegelte Sensor-Durchführung. Ihre Aufgabe besteht darin, Strom und Messdaten störungsfrei durchzuleiten und zugleich die temperaturempfindlichen Elemente der Sensorik zu schützen.

Bei der Herstellung der Durchführungskomponenten kommen bisher keramische Pulver oder gesinterte Keramikelemente zum Einsatz – zur elektrischen Isolierung und zum Schutz vor Hitze und Korrosion. Sie werden von Metallringen oder -federn in Position gehalten. Die einzelnen Komponenten in solchen Sensordurchführungen benötigen Platz. Deshalb beansprucht der Sensor relativ viel Bauraum, was die Integration in das Abgassystem erschwert. Zudem erfordert die Herstellung eines solchen Multi-Komponenten-Systems viele Fertigungsschritte.

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Kompakt und einfach: Sensor-Designs mit einteiliger Durchführung

Hier bestand also Optimierungspotenzial. Dieses Potenzial hat Schott erkannt und eine Lösung entwickelt, die den aktuellen und auch künftigen Anforderungen besser gerecht wird: die Heatan-Sensordurchführungen.

Grundlage der neuen Sensordurchführung ist die bewährte Technologie der hermetischen Glas-Metall-Versiegelung, die seit Jahrzehnten in zahlreichen Automotive-Anwendungen eingesetzt wird, etwa für Airbagzünder-Durchführungen, bei denen die stromführenden Metallkontakte gasdicht in Glas eingeschmolzen werden.

Einzigartige Werkstoffkombination: Metall und Glaskeramik

In Hochtemperatur-Anwendungen lässt sich nun statt Glas hochtemperaturbeständige Glaskeramik einsetzen – mit einem ähnlichen Prinzip, das seit langem auch für Ceran Glaskeramik-Kochflächen eingesetzt wird. Dabei wird das Material erhitzt und geht eine direkte Verbindung mit den Metallkomponenten ein. Eine separate Fixierung des Isolationsmaterials kann somit entfallen.

Bei der Fertigung der Heatan-Sensordurchführungen folgt auf diese Schmelz- und Glasphase in einem definierten Temperaturprozess die Keramisierungsphase. Sie schafft die geforderte mechanische Materialstabilität bei extremen Temperaturen.

Durch die Kombination dieser beiden Aspekte sind Glaskeramik-Abdichtungen verglichen mit konventionellen Durchführungen robuster und haltbarer, und sie bestehen nur noch aus drei Teilen: Gehäuse, Metallleiter (oder Sensorelement) und Glaskeramik-Versiegelung. Diese Bauteile werden als einbaufertige Einzelkomponenten geliefert, die nur noch durch Aufsatz und Verkabelung zu ergänzen sind.

„Fit and forget“ bei günstigen Kosten

Die geringere Anzahl an Einzelteilen und Produktionsschritten reduziert die Kosten für Einkauf und Fertigung von Sensoren mit Heatan-Durchführungen. Die Sensorhersteller profitieren daher von einer einfachen und wirtschaftlichen (Ersatz-)Lösung nach dem Prinzip „Fit & Forget“.

Hinzu kommt, dass Heatan im Vergleich zu herkömmlichen Durchführungen für Hochtemperatursensoren ein äußerst einfaches und kompaktes Sensordesign ermöglicht. Die Durchführungen sind individualisierbar, schnell und leicht zu integrieren. Sie lassen sich mit einem Außengewinde ausstatten, um die Komponente mit anderen Teilen oder Geräten zu verschrauben, etwa Abgasrohre von Verbrennungsmotoren.

Die Gewindedurchmesser liegen vorzugsweise zwischen M14 und M4. Angesichts dieser minimierten Größe kann der Autohersteller oder der Zulieferer des Abgassystems die Zahl der Sensorkomponenten pro Abgassystem erhöhen oder Sensoren auch in Engstellen platzieren.

Fazit: Robustes Design für lange Lebensdauer

Die so gefertigten Sensorkomponenten bieten eine zuverlässige Versiegelung bei Betriebstemperaturen über 300 Grad Celsius und Spitzenwerten von über 1.000 Grad Celsius und bei extremer Beanspruchung durch aggressive Chemikalien und Abgase. Sie widerstehen Temperaturwechselzyklen entsprechend einer Gesamtstrecke von – je nach Design – bis zu 300.000 Kilometern. Diese neu entwickelte Technologie ist einsatzbereit und großserientauglich. Hersteller, die sie bei Neuentwicklungen einsetzen, sind gut vorbereitet.

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