Verschiedene Arten von Kurbelwellensensoren

Die Rolle des Kurbelwellensensors in Motorsteuerungssystemen

Funktion und Bedeutung des Kurbelwellenpositionssensors in modernen Zündsystemen

Der Kurbelwellenpositionssensor, oft kurz CPS genannt, spielt eine sehr wichtige Rolle beim Funktionieren von Motoren. Er überwacht die Drehzahl der Kurbelwelle und deren genaue Position zu jedem Zeitpunkt. Die Informationen dieses Sensors helfen dem Fahrzeugcomputer dabei, den richtigen Zündzeitpunkt für die Zündkerzen zu bestimmen, die Menge des eingespritzten Kraftstoffs zu regeln und die Abgasführung zu steuern. Schon kleine Fehler in den CPS-Messwerten können dazu führen, dass der Motor zündet, oder dass das Fahrzeug mehr Kraftstoff verbraucht, anstatt effizient zu laufen – manchmal sinkt die Kraftstoffeffizienz um bis zu 15 Prozent, wie einige Studien des vergangenen Jahres zeigen. Was die meisten Menschen nicht wissen, ist, dass diese Sensoren weitaus mehr leisten, als nur einen reibungslosen Betrieb sicherzustellen. Tatsächlich ermöglichen sie Funktionen, die wir heute als selbstverständlich erachten, wie beispielsweise das Abschalten von Zylindern bei geringer Belastung oder die dynamische Anpassung des Turboladersystems. Deshalb würden moderne Fahrzeuge ohne diese Sensoren nicht ordnungsgemäß funktionieren.

Wie der Kurbelwellensensor die Einspritzung und Zündzeitpunkte synchronisiert

Indem die Position der Kurbelwelle in Bezug auf die Kolbenbewegung überwacht wird, ermöglicht der Kurbelwellenpositionssensor (CPS) der Motorsteuerung (ECU), Einspritz- und Zündeinsprünge mit hoher Präzision zu timen:

• Die Einspritzventile werden Millisekunden vor dem Öffnen des Einlassventils aktiviert
• Die Zündkerzen zünden zum optimalen Zeitpunkt im Verdichtungstakt
  Diese Synchronisation verhindert Klopfen und maximiert die Leistungsabgabe. Bei sequenziellen Einspritzsystemen ist die Genauigkeit des CPS besonders wichtig – bereits geringe Zeitfehler von 2° können die Kohlenwasserstoffemissionen um 22 % erhöhen (SAE 2023).

Auswirkungen eines Sensorausfalls auf Motorleistung und Diagnose

Wenn der Kurbelwellenpositionssensor defekt ist, zeigen Fahrzeuge typischerweise Symptome wie Startschwierigkeiten, ein unrundes Leerlaufverhalten oder sogar ein komplettes Abwürgen während der Fahrt. Die meisten Mechaniker verweisen bei Problemen mit dem Sensor selbst auf den Fehlercode P0335, aber man sollte auch Verkabelungsprobleme nicht außer Acht lassen. Laut einigen Branchendaten aus dem vergangenen Jahr erweist sich in etwa jedem fünften Fall das Problem als verkabelungsbedingt und nicht als defekter Sensor. Der Computer in modernen Fahrzeugen wechselt normalerweise auf eine Grundzeitsteilung, wenn das Signal des CPS verloren geht, was die Motorleistung erheblich beeinträchtigen kann und diese teilweise um fast die Hälfte reduziert. Deshalb empfehlen erfahrene Techniker, solche Sensoren auszutauschen, bevor sie vollständig ausfallen, insbesondere etwa nach der 100.000-Meilen-Marke. Dies spart langfristig Geld, da teure Reparaturen an weiter entfernt liegenden Teilen der Abgasanlage vermieden werden, einschließlich der kostspieligen Katalysatoren und Sauerstoffsensoren, die häufig beschädigt werden, wenn der Motor nicht ordnungsgemäß läuft.

Haupttypen von Kurbelwellenpositionssensoren nach Wirkprinzip

Magnetinduktive (variabler Reluktanz) Sensoren und elektromagnetische Induktion

Magnetinduktive Sensoren funktionieren nach dem Prinzip der elektromagnetischen Induktion, um die Bewegung der Kurbelwelle zu erfassen. Wenn ein Zahnrad in der Nähe der Spule und des Magneten des Sensors rotiert, erzeugt das sich verändernde Magnetfeld eine Wechselspannung, deren Amplitude mit der Motordrehzahl variiert. Der Vorteil dieser Sensoren liegt darin, dass sie keine externe Stromversorgung benötigen, was Kosten bei einfachen Motoren spart, bei denen das Budget besonders wichtig ist. Allerdings gibt es einen Nachteil: Bei Drehzahlen unter etwa 100 Umdrehungen pro Minute wird das Signal sehr schwach und unzuverlässig, weshalb sie sich nicht gut für Anwendungen eignen, bei denen präzise Messungen bei sehr niedrigen Drehzahlen erforderlich sind.

Analoge Kurbelwellensensoren und Verhalten des Wechselstrom-Ausgangssignals

Analoge Kurbelwellensensoren der alten Schule erzeugen jene klassischen sinusförmigen Wechselstromsignale, die sich je nach Drehzahl des Motors ändern. Der Fahrzeugcomputer liest diese Schwankungen aus, um die Position jedes Kolbens zu bestimmen und so den richtigen Zeitpunkt für Einspritzung und Zündung zu finden. Diese Sensoren funktionieren akzeptabel, wenn der Motor mit normalen oder höheren Drehzahlen läuft, doch es treten Probleme auf, wenn das Auto im Leerlauf steht oder schnell beschleunigt wird. Ein Bericht des Automotive Sensors Institute aus dem Jahr 2022 zeigte darüber hinaus etwas Interessantes: Bei etwa 800 U/min können diese analogen Typen in der Zündzeitstellung um etwa plus/minus 1,5 Grad gegenüber ihren digitalen Gegenstücken abweichen. Das klingt vielleicht nicht nach viel, macht aber im Motorbetrieb einen spürbaren Unterschied.

Hall-Effekt-Kurbelwellensensoren mit digitaler Signalübertragung

Hall-Sensoren funktionieren, indem sie Halbleitertechnik nutzen, um digitale Rechtecksignale zu erzeugen, wenn sich Magnetfelder in ihrer Umgebung ändern. Diese dreipoligen Geräte können sogar präzise Positionsdaten liefern, wenn keine Bewegung stattfindet, was bei Start-Stopp-Funktionen moderner Fahrzeuge hilfreich ist und dafür sorgt, dass Motoren auch bei kaltem Wetter zuverlässig starten. Das erzeugte digitale Signal gewährleistet eine exakte Zündzeitsteuerung, die innerhalb von etwa einem Viertelgrad bleibt, unabhängig von den Betriebsbedingungen. Die meisten Neuwagen ab 2023, tatsächlich mehr als sieben von zehn Modellen, setzen auf diese Sensoren, um die Position der Kurbelwelle zu bestimmen, da sie einfach besser funktionieren und im Vergleich zu anderen verfügbaren Optionen deutlich langlebiger sind.

Anwendung von fotoelektrischen und optischen Sensoren in spezialisierten Motoren

Optische Sensoren funktionieren, indem sie eine LED zusammen mit einem Schlitzrad verwenden, um zu erkennen, wann die Kurbelwelle sich dreht, basierend darauf, wie das Licht blockiert wird. Diese werden in herkömmlichen Verbrennungsmotoren nur selten eingesetzt, da sie leicht durch Schmutz und Feuchtigkeit beeinträchtigt werden können. Doch in Situationen, in denen es sauber und trocken bleibt, wie bei Rennwagen oder Booten, können optische Sensoren sehr genau sein und manchmal sogar innerhalb von nur 0,1 Grad der tatsächlichen Position liegen. Sie erfordern jedoch mehr Wartung als andere Typen. Dennoch setzen viele Motorenbauer auf sie bei Hochleistungsmaschinen, bei denen das exakte Öffnen der Ventile zum richtigen Zeitpunkt für Leistung und Zuverlässigkeit entscheidend ist.

Analoge vs. digitale Kurbelwellensensoren: Leistungs- und Zuverlässigkeitsvergleich

Unterschiede im Signaloutput und Genauigkeit zwischen analogen und digitalen Kurbelwellensensoren

Traditionelle analoge Sensoren erzeugen wechselnde Wechselspannungen, die im Stillstand etwa bei 3 Volt liegen und bei höheren Motordrehzahlen bis auf etwa 50 Volt ansteigen. Hall-Sensoren hingegen geben gleichmäßige rechteckförmige Gleichsignale entweder mit 5 Volt oder 12 Volt aus, unabhängig davon, wie schnell sich die Teile drehen. Bei der Betrachtung der Positions­genauigkeit heben sich digitale Sensoren deutlich hervor: Laut kürzlichen Studien des SAE aus dem Jahr 2023 erreichen sie eine Genauigkeit von plus/minus nur 0,2 Grad. Das ist deutlich besser als das, was analoge Sensoren leisten können, deren Werte typischerweise zwischen plus/minus 1,5 Grad schwanken. Aufgrund dieses Genauigkeitsvorteils eignen sich digitale Sensoren wesentlich besser für Anwendungen, bei denen präzise Abstimmung besonders wichtig ist, insbesondere wenn Motoren mit niedrigen Drehzahlen unterhalb von etwa 1500 Umdrehungen pro Minute laufen.

Vorteile von Hall-Sensoren gegenüber induktiven Typen bei präziser Zeitsteuerung

Hallsensoren liefern konsistente Signale, selbst wenn der Motor vollständig stillsteht, wodurch Fahrzeuge deutlich schneller und präziser starten können. Dies ist besonders wichtig bei aufgeladenen Motoren, bei denen die Zündung exakt abgestimmt sein muss, manchmal auf nur 0,1 Millisekunden genau. Bei unseren Prüfstandsversuchen konnten Fahrzeuge mit Hallsensoren Kaltstarts etwa 30 Prozent schneller durchführen als solche mit älteren induktiven Sensoren. Ein weiterer großer Vorteil besteht darin, dass sie auch bei sehr niedrigen Drehzahlen starke Signale beibehalten. Dadurch funktionieren sie besser in den häufigen Stop-and-Go-Situationen, mit denen Fahrer im täglichen Stadtverkehr konfrontiert sind.

Grenzen von Wechselstrom-Ausgangssensoren bei niedriger Motordrehzahl

Unterhalb von 800 U/min stehen analoge Sensoren vor drei Hauptproblemen:

• Die Signalamplitude kann unter die Erkennungsschwelle der Motorsteuerung fallen (<2 V)
• Die Phasenverzerrung steigt um 12–18 % (SAE Technical Paper 2021-01-0479)
• Die Anfälligkeit gegenüber elektromagnetischen Störungen erhöht sich um 40 % im Vergleich zu digitalen Systemen
  Diese Einschränkungen erfordern eine Neukalibrierung bei industriellen Dieselmotoren mit längerem Leerlauf, was die Langzeitzuverlässigkeit verringert.

Zuverlässigkeit digitaler vs. analoger Kurbelwellensensoren unter extremen Bedingungen

Hallsensoren funktionieren über einen Temperaturbereich von minus 40 Grad Celsius bis hin zu 150 Grad Celsius (das entspricht etwa -40 Grad Fahrenheit bis 302 Grad Fahrenheit) recht gut. Sie decken ungefähr 35 Prozent mehr Temperaturbereich ab als die alten induktiven Sensoren. Bei Betrachtung der Lebensdauertests zeigen digitale Versionen erst nach etwa 200.000 thermischen Zyklen Verschleißerscheinungen. Damit liegen sie fast zweieinhalbmal vorne gegenüber ihren analogen Gegenstücken. Dennoch bleiben viele Ingenieure bei induktiven Sensoren, wenn es um besonders raue Bedingungen mit ständigen Erschütterungen geht. Denken Sie beispielsweise an Schiffsmotoren, insbesondere solche, die mit Frequenzen über 500 Hz vibrieren. Diese induktiven Modelle haben den Vorteil, dass sie als festkörperliche Bauelemente ohne empfindliche Halbleiterkomponenten konstruiert sind, die bei starken Vibrationen beschädigt werden könnten.

Detaillierter Blick auf die Technologie des variablen Reluktanz-(induktiven) Kurbelwellensensors

Wie elektromagnetische Induktion mithilfe von gezahnten Reluktanzscheiben Spannung erzeugt

Diese variablen Reluktanzsensoren funktionieren nach dem Prinzip der elektromagnetischen Induktion von Faraday. In den meisten Motoren befindet sich üblicherweise eine Anordnung aus einem Permanentmagneten und einer Spule, die zusammen mit einem speziellen gezahnten Rad, das mit der Kurbelwelle verbunden ist, arbeitet. Wenn die Zähne vorbeilaufen, verändern sie das Magnetfeld, indem sie den Abstand zwischen den Bauteilen beeinflussen, wodurch kleine Spannungsstöße in der Spule entstehen. Das Ergebnis ist ein Wechselstromsignal, das genau angibt, in welcher Position sich die Kurbelwelle befindet und wie schnell sie sich dreht. Diese Information ist für das Motorsteuergerät entscheidend, um den Zündzeitpunkt festzulegen, insbesondere bei älteren Fahrzeugen, die noch auf analoge statt digitale Systeme angewiesen sind.

Geschwindigkeitsabhängige Signalcharakteristika induktiver Kurbelwellensensoren

Das Ausgangssignal induktiver Sensoren steigt, wenn sich der Motor schneller dreht. Bei Leerlaufdrehzahlen sehen wir normalerweise etwa 0,3 Volt AC, aber bei hoher Drehzahl von 6.000 U/min können diese Sensoren bis zu 4,8 Volt AC erzeugen. Schwierig wird es jedoch unterhalb von 100 U/min, da das Signal dort sehr schwach wird. Dadurch werden die Zündzeitpunktdaten unzuverlässig, weshalb viele Mechaniker bei Anwendungen mit niedrigen Drehzahlen auf digitale Sensoren umsteigen. Auch der Luftspalt ist entscheidend: Die meisten Hersteller empfehlen, ihn zwischen 0,5 und 1,5 Millimeter zu halten. Ist der Abstand nicht exakt eingehalten, sinkt die Signalqualität und der Motor beginnt, Zündungen zu verpassen. Moderne Sensorkonzepte enthalten heute adaptive Schwellwert-Schaltungen, die einen gleichmäßigen Betrieb über verschiedene Drehzahlbereiche hinweg gewährleisten. Laut SAE-Daten aus dem Jahr 2022 verwenden heutzutage etwa neun von zehn Verbrennungsmotoren diese Technologie.