Dezember 2004
Die künftigen Abgas-Grenzwerte für Diesel-Fahrzeuge erfordern eine drastische Reduktion von Partikeln
und Stickoxid. Dies zwingt unter anderem zu einer Optimierung der Verbrennung. Die Beru AG hat dazu
einen Brennraumdruck-Sensor entwickelt, der in die Glühkerze integriert ist.
Autos mit verbrauchsgünstigem Diesel-Motor setzen sich immer stärker durch. So liegt in Westeuropa
das Niveau der Pkw-Neuzulassungen mit dieser Antriebsart derzeit nach Angaben des VDA (Verband der
Automobilindustrie) bei rund 47 Prozent. Zunehmend gewinnt der Selbstzünder auch in Asien und
Nordamerika Freunde.
Allerdings liegen die künftigen Abgas-Grenzwerte für Diesel-Motoren in den wichtigsten Fahrzeugmärkten
bei nur noch zehn bis 20 Prozent der aktuellen Werte. Aus heutiger Sicht lässt sich abschätzen, dass die
angestrebte Partikelreduktion wohl mit Abgas-filtersystemen erreichbar ist, die Stickoxyd-Vorgaben (NOx)
jedoch eine Verringerung der Rohemission erfordern. Deshalb wird weltweit sehr intensiv an verschiedenen,
neuartigen Brennverfahren wie HCCI (Homogeneous Charge Compression Ignition), HCLI
(Homogeneous Charge Late Injection), HPLI (Highly Premixed Late Injection), DCCS
(Dilution Controlled Combustion System) geforscht, die sich alle durch sehr niedrige NOx-Emissionen auszeichnen.
Allen genannten Verfahren ist eines gemeinsam: Die Zündung erfolgt in Abhängigkeit des aktuellen
Gemischzustands. Das bedingt freilich exakte Informationen aus dem Brennraum zur Regelung. Die dazu
nötigen Messwerte kann ein Sensor ermitteln. Aus konstruktiver Sicht sind jedoch - besonders bei modernen
Vier-Ventilköpfen mit ihren beschränkten Platzverhältnissen - zusätzliche Bohrungen im Zylinderkopf unerwünscht.
Für die Beru AG als Spezialist für Diesel-Kaltstarttechnik und weltweit größtem Glühkerzen-Hersteller
waren die skizzierten Rahmenbedingungen natürlich eine besondere Herausforderung, sich dieses Themas
anzunehmen. Nahe liegend war dabei auch der Gedanke, die Glühkerze selbst, die ja aufgrund ihrer Hauptfunktion
bereits eine gemischoptimierte Position im Brennraum einnimmt, als Sensorträger zu verwenden.
Nach genauer Analyse der Situation wurde deshalb als Entwicklungsziel ein System definiert, das folgende
Anforderungen erfüllen soll:
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Miniaturisierung des Sensors wegen der engen Platzverhältnisse im Zylinderkopf,
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keine Beeinträchtigung der Funktion des Glühelements,
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Unempfindlichkeit des Sensors auf Störsignale,
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ein robustes und genaues Messverfahren,
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ein modulares Systems, um den Sensor für unterschiedliche Glühkerzen verwendbar zu machen,
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einfache Montage (im Idealfall wie bei einer Glühkerze).
Vier aus Sicht des Beru Entwicklungsteams grundsätzlich geeignete Messverfahren wurden in die näheren
Voruntersuchungen einbezogen: Ionenstrom-Messung, optische, piezo-elektrische und piezo-resistive Druckmessung.
Nach Abwägung aller Vor- und Nachteile versprach die Weiterführung der piezo-resistiven Variante am meisten Erfolg.
Als besondere Schwerpunkte für die Entwicklung einer solchen Drucksensor-Glühkerze (Pressure Sensor Glow Plug,
PSG) wurden dabei vom Beru Projektteam definiert: erstens eine hohe Integration des Sensorelementes und der
Elektronik in die Glühkerze, zweitens die Temperatur-Entkoppelung von Brennraum und Sensorelement durch einen
beweglichen Heizstab als Druckübertrager, drittens die Entwicklung eines automatisier-baren Fertigungsverfahrens
und viertens die Entwicklung eines geeigneten, möglichst kleinen Stecksystems mit integriertem Hochstromanschluss.
Inzwischen kann die grundsätzliche Entwicklung einer solchen PSG als weitgehend abgeschlossen gelten.
Das von Beru jetzt vorgestellte Konzept einer PSG entsteht in Koope-ration mit den Firmen Texas Instruments (TI),
für Konzeption und Umsetzung des in die Glühkerze integrierten Sensorbauteils, und Hirschmann Austria, für die
Entwicklung eines entsprechenden Steckersystems.
Die Druckmessung basiert dabei auf einer von TI entwickelten Technik, die es ermöglicht, hermetisch dichte,
genaue und fehlersichere Sensoren kostengünstig herzustellen. Verwendet werden dazu mikromechanische
Dehnmessstreifen. So gebaute Sensoren sind den rauen Bedingungen des Motorraums gewachsen. Ein wesentlicher
Punkt im Konzept der Beru PSG ist angesichts der extremen Temperaturen, Vibrationen und Druckverhältnisse im
Zylinderkopf der mechanische Aufbau der Glühkerze selbst. Als Basis dafür dient ein besonders robuster
Heizstab aus dem Beru Sofortstartsystems ISS (Instant Start System), der nur in der Spitze glüht. Allerdings
wird der Heizstab nicht wie üblich im Glühkerzen-Körper verpresst, sondern ist als bewegliches Teil elastisch
gelagert. Er überträgt den Druck auf die Messmembrane. Dadurch befindet sich der eigentliche Drucksensor
entfernt vom Brennraum in einem Bereich mit günstigeren Umgebungsbedingungen.
Für die Weiterverarbeitung der Signale konzipierte TI eine entsprechende Elektronik. Sie ist speziell auf
diesen Einsatzzweck abgestimmt und verbindet eine hohe Bandbreite mit geringem Rauschen und einer
Temperatur-Kompensation. Die komplette Elektronik ist im oberen Teil der PSG untergebracht und steckerprogrammierbar.
Beru Chefentwickler Dipl.-Ing. Hans Houben kommentiert die unter-nehmerischen Perspektiven, die sich für
die Beru AG mit der PSG ergeben, so: »Das innovative Konzept einer Glühkerze mit Brennraum-Drucksensorfunktion
kann eine Schlüsselstellung bei der weiteren Reduktion der Diesel-Emissionen einnehmen.«
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