Mouser German Blog

(Quelle: Ensuper/shutterstock.com)

Weltweit steigende Temperaturen und eine wachsende Bevölkerung haben die Länder dazu veranlasst, Richtlinien für Kraftstoffverbrauch und Emissionsstandards auf der ganzen Welt zu erstellen. Laut der Umweltschutzbehörde der Vereinigten Staaten macht der Verkehr mit 29 Prozent den größten Anteil der Treibhausgasemissionen aus, wobei leichte Nutzfahrzeuge 59 Prozent dazu beitragen. Die aktuellen CAFE-Standards (Corporate Average Fuel Economy, gewichteter Flottenverbrauch nach Hersteller) verlangen, dass alle leichten Nutzfahrzeuge und Personenkraftwagen eines Herstellers bis 2025 eine durchschnittliche Reichweite von 23Kilometern/Liter erreichen. Dabei handelt es sich um einen Durchschnittswert für die gesamte Fahrzeugflotte des Unternehmens, der nicht verlangt, dass jedes leichte Nutzfahrzeug dieses Niveau an Kraftstoffeffizienz erreicht.

Dieses Ziel wurde ausgegeben, um die Industrie zu Fortschritten in der Automobilentwicklung und zur Reduzierung der Treibhausgasemissionen zu drängen. Es sorgte bei den OEMs für gewaltige Entwicklungsschübe in zwei Bereichen: Einige investieren stark in Elektrofahrzeuge, während andere sich auf die Verbesserung von Verbrennungsmotoren mit Abwärmerückgewinnung oder anderen inkrementellen Motorverbesserungen konzentrieren. Der Hype um Elektrofahrzeuge und autonome Fahrzeuge hat den Einstieg neuer Hersteller ermöglicht. Die Vergrößerung der Marktanteile von Elektrofahrzeugen und autonomen Fahrzeugen steht allerdings noch vor großen Herausforderungen. Daraus ergibt sich eine Chance für moderne Technologien im Bereich der Verbrennungsmotoren.

Die Fahrzeughersteller setzen inzwischen MEMS-Sensoren (Mikro-Elektro-Mechanische Systeme) ein, um den Kraftstoffverbrauch von Verbrennungsmotoren schrittweise zu verbessern. Dieser Blog zeigt, wie Ingenieure MEMS-Sensoren zur Reduzierung von Kraftstoffverbrauch und Emissionen einsetzen.

Kraftstoffverbrauch und Emissionen

Ingenieure entwickeln MEMS-Sensoren, um den Kraftstoffverbrauch zu reduzieren. Diese Sensoren wurden für die automatische Start-/Stoppfunktion verwendet, mit der die Verbrennungsreaktion bei stehendem Fahrzeug gestoppt wird. Diese Funktion hat jedoch nur zu kleinen Verbesserungen von etwa 10 Prozent im Stadtverkehr geführt. Dieses Ergebnis bedeutet, dass die Umgebung, in der das Fahrzeug betrieben wird, starken Einfluss auf den Erfolg hat.

Der wichtigste Vorteil, den MEMS-Sensoren für die Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs bieten, ist die automatische Einstellung des Kraftstoff-Luft-Gemisches. Diese Anwendung sorgt für eine hohe Nachfrage nach MEMS-Sensoren im Automotivebereich für Verbrennungsmotoren. Ein MEMS-Sensor ermittelt den Luftstrom zum Motor und passt das Kraftstoff-Luft-Gemisch passiv an, um das stöchiometrische Kraftstoffverhältnis für eine vollständige Verbrennung zu erreichen. Das bedeutet ein Kraftstoff-Luft-Massenverhältnis von etwa 1 kg Kraftstoff zu 14 kg Verbrennungsluft. Schädliche Emissionen sind umgekehrt proportional zum Verbrennungsgrad des Kraftstoffs: je effizienter die Verbrennung, desto weniger unerwünschte Emissionen stößt das Fahrzeug aus.

Ein weiterer Anwendungsbereich von MEMS-Sensoren in Verbrennungsmotoren ist die Steuerung von Stickstoffoxid (NOx). Dabei handelt es sich um ein unerwünschtes Produkt einer unvollständigen Verbrennung. MEMS-Sensoren können zur NOx-Steuerung eingesetzt werden, indem sie den Verbrennungsdruck überwachen und regeln (Abbildung 1). Verbrennungsdruck und -temperatur stehen dabei in direktem Zusammenhang. Wenn der Drucksensor einen Wert misst, der dazu führen würde, dass die Brennraumtemperatur den Wert der NOx-Bildung (1371 °C) übersteigt, sendet er ein Signal an den Motor, um den Druck zu reduzieren. Durch die Regelung von Kraftstoff und Luft wird die Brennraumtemperatur wieder auf das gewünschte Niveau gesenkt. NOx bildet sich typischerweise in mageren Kraftstoffgemischen, da bei der Reaktion viel Luft zur vollständigen Verbrennung der Kohlenstoffketten vorhanden ist. Dieser Zustand verhindert den Verbrauch von Wärmeenergie durch die Verbrennungswärme, so dass die überschüssige Luft die Kammer erwärmen kann.

Abbildung 1: NOx ist eine chemische Verbindung aus Sauerstoff und Stickstoff, die durch eine Reaktion bei der Verbrennung bei hohen Temperaturen entsteht, hauptsächlich bei der Verbrennung von Brennstoffen wie Öl, Diesel, Gas und organischen Stoffen (Quelle: kvsan/shutterstock.com)

Schlussfolgerung

Ingenieure setzen MEMS-Sensoren schon seit längerem zur Überwachung und Anzeige von Motorzuständen ein. Sie erweitern diesen Anwendungsbereich jedoch, um den Kraftstoffverbrauch sowie Emissionen zu reduzieren. Auch wenn Elektrofahrzeuge auf dem Markt eine hohe Nachfrage haben, bringt das Bestreben, die traditionelle Verbrennungstechnologie kontinuierlich zu verbessern, in naher Zukunft MEMS-Innovationen weiter voran.