Angesichts der kontinuierlichen Verschärfung der weltweiten Emissionsgrenzwerte, hat die Automobilindustrie zügig umweltfreundliche Technologien zur Reduzierung von schädlichen Treibhausgasen eingeführt. Für den Betrieb moderner sauberer Verbrennungsmotoren ist die präzise Regelung des Luft-Brennstoff-Verhältnisses mit dem Ziel eines stöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnisses unerlässlich, um eine hohe Katalysatorwirkung und reduzierte Auspuffemissionen zu bewirken.

Zur Optimierung des Luft-Brennstoff-Gemischs unter instationären Bedingungen setzen Hersteller auf sowohl geschlossene als auch offene Wirkungsabläufe:

• Ein geschlossener Wirkungsablauf (Regelung) bedeutet, dass ein Messsignal proportional zu dem Luft-Brennstoff-Verhältnis durch einen im Abgasstrom positionierten Restsauerstoffgehalt-Sensor, der sogenannten Lambdasonde, erzeugt wird.
• Bei einem offenen Wirkungsablauf (Steuerung) – ohne Signalrückführung – wird die einzuspritzende Brennstoffmenge durch die Signale eines Luftmengenmessers gesteuert.

In beiden Fällen steuern Signale einen digitalen PI-Regler, um die Pulsbreite der Kaftstoffeinspritzung zu regulieren. Diese Verfahren haben jedoch zwei wesentliche Nachteile:

• Wegen der relativ langen Verzögerung, die dem Ansaugen-Verdichten-Arbeiten-Ausstoßen-Kreislauf eines Motors innewohnt, ist die Signalrückführung – oder die Regelung des Luft-Brennstoff-Verhältnisses – nur unter stationären Bedingungen vollständig wirksam.
• Nur ein auf Betriebstemperatur befindlicher Restsauerstoffgehalt-Sensor erzeugt ein zuverlässiges Signal; aus diesem Grund ist eine Regelung des Luft-Brennstoff-Verhältnisses direkt nach dem Anlassen des Motors nicht möglich.

Daher ist unter instationären und Kaltstartbedingungen der Steuerungsanteil der Beeinflussung des Luft-Brennstoff-Verhältnisses besonders wichtig.

Zur Optimierung des Luft-Brennstoff-Gemischs unter allen Bedingungen sind moderne Motoren häufig mit einem Saugrohrdrucksensor zur Messung des Luftdrucks im Ansaugkrümmer/Saugrohr ausgestattet. 

Der MAP-Sensor weiß genau, was der Motor braucht

Der MAP-Sensor misst kontinuierlich den Luftdruck und sendet diese Informationen an das Motorsteuergerät, welches die Daten in eine Tabelle einfügt, die dazu dient, die Einspritz-Pulsbreite (Taktung) und den Zündzeitpunkt zu steuern. Diese Druckmesswerte werden als Ausgangssignalspannung an das Steuergerät geleitet.

Während der Entwicklungsphase ist es sehr wichtig, dass die im Ansaugkrümmer gemessenen Druckwerte genau sind. Serienmäßig hergestellte MAP-Sensoren eignen sich zwar hervorragend für die Signalzuführung an das Motorsteuergerät, weisen aber oftmals größere Toleranzen auf, als sie in der Entwicklung als vertretbar angesehen werden. Daher werden hochwertige Drucktransmitter, wie sie STS herstellt, während der Entwicklungsphase häufig parallel zu den serienmäßig gefertigten MAP-Sensoren benutzt. Die von diesen Sensoren gewonnenen Messwerte werden verwendet, um alle Abweichungen oder Fehler zu erfassen, die bei der Aufzeichnung des Saugrohrdrucks bei verschiedenen Drosselklappestellungen auftreten.

Der Prozess ist sehr komplex und erfordert, dass die Ausgangsspannung bei Hunderten unterschiedlicher Drosselklappestellungen gemessen wird, damit das Motorsteuergerät alle notwendigen Informationen zum Betrieb des Motors erhält. 

Mithilfe des MAP-Sensors das Motorsteuergerät „schulen“

Während der Entwicklungsphase wird mit einem kalibrierten MAP-Sensor der Saugrohrdruck wie folgt gemessen: Die Drosselklappe wird in kleinen Schritten geöffnet und die bei jeder Klappenstellung auftretende Ausgangsspannung aufgezeichnet.

Im Leerlauf, bei teilweise geöffneter Drosselklappe, beträgt der in einem Saugmotor gemessene Druck circa 1/3 des atmosphärischen Drucks oder 0,338 bar. Da die Ausgangsspannung des MAP-Sensors proportional zur Druckerhöhung ist, beträgt die Ausgangsspannung im Leerlauf circa 5 V/3 = 1,67 V, wobei der Sensor einen Messbereich von 5 V hat.

In der Praxis kann der Messbereich eines serienmäßig hergestellten MAP-Sensors jedoch variieren und liegt in der Regel unter 5 V. Die Ursache hierfür sind Schwankungen bei der Produktion, was dazu führt, dass der Messbereich im Normalfall nur bis etwa 4.6 V reicht. Aufgrund dieser Abweichungen variieren die Sensormesswerte während des normalen Betriebs zwischen etwa 1,5 V und 4,5 V, mit Ausnahme des durch den Motorbremsbetrieb erzeugten Unterdrucks, bei dem die Ausgangsspannung unter 1 V absinken kann.

Da der Luftdruck erhebliche Auswirkungen auf das Kraftstoffgemisch hat, ist es außerdem erforderlich, dass das Motorsteuergerät den barometrischen Druck kennt. Zu diesem Zweck wird der Umgebungsdruck in der Regel kurz vor dem Anlassen und/oder kurz nach dem Ausschalten des Motors erfasst.

Diese Messwerte dienen als Ausgangswerte für die Korrektur des Saugrohrdrucks bei unterschiedlichen Wetter- und Höhenbedingungen. In der Praxis geschieht dies mittels der Signale „Zündung eingeschaltet“ und „Motor ausgeschaltet“. Daraus ergeben sich für den Sensor zwei Einsatzbereiche: Bei laufendem Motor steuert er diesen, während er bei ausgeschaltetem Motor die barometrische Messung durchführt.

Motoraufladung erhöht den Druck auf MAP-Sensoren

Wenn ein klassischer Saugmotor durch den Einbau eines Turboladers oder Kompressors umgerüstet wird, muss der Saugrohrdruckbereich erweitert werden, um die veränderten Bereiche für Ladedruck und Unterdruck zu berücksichtigen. Um den gesamten Druckbereich abzudecken, muss ein MAP-Sensor verwendet werden, dessen Messbereich mindestens 1,5 bar abdeckt oder aber zu den jeweiligen Motordaten passt.

Um bei einem Ladedruck von mehr als 1,5 bar den Gesamtmessbereich ausnutzen zu können, ist es wichtig, dass bei ansteigendem Druck ein abnehmender Offset (Nullpunktverschiebung) zum Messwert addiert wird. Dies ist von praktischer Bedeutung, da es in einem von einem MAP-Sensor gesteuerten Motormanagementsystem bei Überschreitung des nominalen oberen Messbereichs schnell dazu kommen kann, dass die Kraftstoffzufuhr unterbrochen oder ein Fehler im Steuergerät auftritt. Aus diesem Grund wird bei der Verwendung eines MAP-Sensors mit einem Messbereich von 2 bar ein abnehmender Offset-Wert zugeordnet, um Druckmesswerte oberhalb des nominalen Messbereichs auslesen zu können.

Die Beschaffung von MAP-Sensoren, die diesen breit gefächerten Anforderungen gerecht werden, kann sich mitunter schwierig gestalten. Da der MAP-Sensor aber bei der effektiven Steuerung des Verbrennungsprozesses eine so entscheidende Rolle spielt, ist es wichtig, einen präzise kalibrierten hochwertigen MAP-Sensor zu verwenden, um den Saugrohrdruck in der Entwicklungsphase genau messen und aufzeichnen zu können.

Auf den Herstellern lastet großer Druck: Sie sollen Emissionen weiter reduzieren und gleichzeitig die Leistung verbessern. Deshalb wird die Nachfrage nach Sensoren mit einer höheren Messgenauigkeit durch in der Entwicklung tätige Ingenieure nicht abreißen.

So wie ein Arzt den Blutdruck eines Patienten misst, um dessen Gesundheitszustand zu bestimmen, misst ein Entwicklungsingenieur den Kurbelgehäusedruck eines Motors, um auf dem Prüfstand Einblick in dessen Zustand zu gewinnen. Eine Erhöhung des Drucks liefert nicht nur einen ersten Hinweis auf Verschleiß, sondern die Druckmessung ist entscheidend bei der Entwicklung von modernen Kurbelgehäuseentlüftungssystemen (Positive Crankcase Ventilation = PCV), die den Abgasvorschriften entsprechen müssen.

Es ist wichtig festzuhalten, dass die Messung des Kurbelgehäusedrucks keine direkte Messung der Blow-by-Gasmenge ist, die mit einer Gasdurchflussrate in Standardkubikmeter pro Sekunde angegeben wird. 

Messung des Kurbelgehäusedrucks, um die Abnutzung von Zylinderlaufbuchse, Kolben und Kolbenring zu überprüfen 

Prototypen sind kostspielig, was daran liegt, dass sie in der Regel das Ergebnis eines aufwändigen Konstruktionsprozesses darstellen: Das Letzte, was ein Ingenieur erleben möchte ist, den Versuchsaufbau buchstäblich in Rauch aufgehen zu sehen. Um das Risiko zu minimieren, sind Prüfstände heutzutage mit einer Vielzahl von Sensoren zur Überwachung unter anderem des Öldrucks und der Umgebungstemperatur, der Abgastemperatur und insbesondere des Kurbelgehäusedrucks ausgestattet. 

In Prüfständen verwendete Kurbelgehäusedruck-Sensoren sind vor allem interessant, weil sie nicht nur in der Lage sind, relativ geringe Druckabweichungen zu messen, sondern auch weil sie über einen weiten Temperaturbereich stabil bleiben und dem Eintauchen in heißes Öl standhalten: Dies ist besonders wichtig, da der Sensor oft in der Ölwanne oder an dem Öleinfüllrohr montiert ist, wo er in direkten Kontakt mit heißem Motoröl kommt. 

Das System Kolben/Kolbenringe/Zylinder (Kolbengruppe) unterliegt extremen Belastungen wie z.B. hohen Reibungs- und Beschleunigungskräften; zudem entstehen bei der Verbrennung extreme Temperaturen und Druckverhältnisse. 

Unter diesen Bedingungen wird immer ein gewisser Spülstrom zurück in das Kurbelgehäuse gelenkt, aber mit zunehmendem Verschleiß der Komponenten wird auch der Druck im Inneren des Motors steigen. Dies ist das Grundprinzip der Kurbelgehäusedruck-Messung, die als erstes Anzeichen für Motorverschleiß beim Betrieb im Leistungsprüfstand oder anderen Prüfständen auftritt. 

Diese Erhöhung des Drucks im Kurbelgehäuse eines Kompressionszündungsmotors (Dieselmotors) kann katastrophale Folgen haben, weil infolgedessen oftmals der Ölrücklauf aus dem Kompressor einschränkt wird: Dadurch wird die Labyrinthdichtung undicht, was wiederum zu einem vollständigen Verlust der Schmierung der Lager führt. Trotz der Bedeutung der Zustandsüberwachung der Kolbengruppe, ist die Optimierung von Kurbelgehäuseentlüftungssystemen durch eine genaue Messung des Innendrucks unerlässlich, um die Einhaltung von Emissionsvorschriften zu gewährleisten. 

Die Entwicklung des PCV-Ventils für eine sauberere Umwelt. 

In den frühen 1960er Jahren ermittelte General Motors Kurbelgehäuse- oder auch Blow-by-Gase als eine der Ursachen von Kohlenwasserstoff-Emissionen.

Sie entwickelten das PCV-Ventil, also ein Druckregelventil für das Kurbelgehäuseentlüftungssystem, um diese Emissionen zu reduzieren. So entstand das erste regelungstechnische Bauteil zur Emissionskontrolle, das in einem Fahrzeug verbaut wurde. 

Im Idealfall sollte der Kurbelgehäusedruck knapp über dem atmosphärischen Druck liegen, so dass ausreichend Druck vorhanden ist, um Staub und Feuchtigkeit aus dem Kurbelgehäuse auszuleiten, aber nicht so viel Druck, dass Öl durch Dichtungen hindurch gedrückt wird; oder bei einem Kompressormotor zu verhindern, dass Öl in die Ölwanne zurück fließt. 

Die erste Aufgabe beim Entwurf eines effektiven PCV-Ventils ist die Bestimmung des tatsächlichen Kurbelgehäusedrucks mithilfe eines hochwertigen Drucksensors, der speziell entwickelt wurde, um kleinste Druckunterschiede messen zu können, und gleichzeitig präzise wiederholbare Messergebnisse in einem großen Temperaturbereich zu liefern. 

Anhand der bei Leistungs- und Dauerhaltbarkeitstests gesammelten Daten sind Ingenieure in der Lage, die geeigneten Parameter für das PCV-Ventil zu bestimmen: 

• Eine adäquate Querschnittsfläche, um für einen ausreichenden Gasdurchfluss im Kurbelgehäuse zu sorgen
• Korrekte Betriebsdruckparameter, um einen unbehinderten Ölrücklauf bei Turbomotoren zu gewährleisten, bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung eines positiven Innendrucks. 

Zu guter Letzt wird der Prototyp eines Ventils auf einem wiederum mit Kurbelgehäusedruck-Sensoren ausgestatteten Prüfstand getestet, um dessen Leistungsfähig- und Dauerhaltbarkeit sowie die Einhaltung von Emissionsgrenzwerten zu bestätigen. 

Dieser Entwicklungsprozess kann sich über Wochen erstrecken und einen erheblichen Teil der Entwicklungskosten ausmachen; das Letzte, was ein Hersteller erleben möchte, ist der Ausfall eines zentralen Sensors, da dies eine teilweise oder sogar vollständige Wiederholungsprüfung erforderlich machen würde. Aus diesem Grund verwenden OEMs während der Entwicklungsphase ausschließlich qualitativ hochwertige Drucktransmitter, wie die von STS produzierten Drucktransmitter und Druckmessumformer.