NOx-Sensor
NOx-Sensor: Aufbau, Fehlersuche und Reparturhinweise
Hier finden Sie wertvolle und nützliche Werkstatt-Hinweise zum Thema Aufbau, Funktion und Diagnose der NOx-Sensor.
Der Stickoxidsensor besteht aus einer Sonde und einem Steuergerät, die als Einheit über einen Kabelbaum fest miteinander verbunden sind. Diese Einheit ist im Abgasstrang installiert und dient zur Erkennung von Stickoxiden im Abgasstrom. Stickoxide sind gesundheitsschädlich und entstehen durch hohe Temperaturen, hohen Druck oder Sauerstoffüberschuss während der Verbrennung im Motor. Der NOx-Sensor ist somit eine wichtige Komponente im Abgasmanagementsystem moderner Kraftfahrzeuge mit Verbrennungsmotoren.
Wichtiger Sicherheitshinweis
Die nachfolgenden technischen Informationen und Tipps für die Praxis wurden von HELLA erstellt, um Kfz-Werkstätten in ihrer Arbeit professionell zu unterstützen. Die hier auf dieser Webseite bereitgestellten Informationen sollen nur von einschlägig ausgebildetem Fachpersonal genutzt werden.
INHALTSVERZEICHNIS
NOx-Sensor: Aufbau und Funktion
Der NOx-Sensor wird sowohl in Benzin- als auch in Dieselfahrzeugen ab Euro 5/6 verbaut und ermöglicht die Einhaltung der strengen Emissionswerte. Die Sensordaten werden von den jeweiligen Motormanagementsystemen für die Berechnung der Abgasrückführungsrate, des Luft-Kraftstoff-Gemisches oder der Harnstoff-Einspritzmenge benötigt. Der Sensor wird bei Fahrzeugen mit Benzindirekteinspritzung notwendig da diese aufgrund des Schichtladebetriebes eine größere Menge von Stickoxiden produzieren. Bei diesen Fahrzeugen kommt gleichzeitig ein NOx-Speicherkatalysator zum Einsatz.
In Dieselfahrzeugen verwendet man den Sensor in Zusammenhang mit einem System zur selektiven katalytischen Reduktion (Selective Catalytic Reduction - SCR). Hier wird Harnstoff in den Abgasstrom eingeleitet und reduziert die Stickoxide zu ungefährlichem Stickstoff (N2) und Wasser (H2O). Durch die Erfassung der abgasrelevanten Messdaten ermöglicht der NOx-Sensor eine optimale Dosierung von AdBlue® durch das Motormanagementsystem und sorgt damit für eine effektive Reduzierung der umweltschädlichen Stickoxide. Sobald die benötigte Betriebstemperatur erreicht ist, misst der NOx-Sensor permanent den Stickoxidanteil im Abgas. Die ermittelten Werte werden vom Steuergerät des NOX-Sensors aufbereitet und über den CAN-Datenbus an übergeordnete Steuergeräte, wie zum Beispiel das SCR- oder Motorsteuergerät, weitergeleitet. Anhand dieser empfangenen Informationen können diese Steuergeräte errechnen, wieviel AdBlue® vor dem SCR-Katalysator eingespritzt werden muss, um eine optimale Stickoxidverminderung umzusetzen. Für die benötigte Betriebstemperatur von ca. 300° des Sensors sorgt zusätzlich ein Heizelement, welches direkt in der Sonde integriert ist. Die NOx-Sensoreinheit kann einzeln oder als Systempaar in der Abgasanlage verbaut sein. Das ist abhängig davon welche Systemausführung bei dem jeweiligen Fahrzeug verbaut ist. Kommen zwei Sensoren zum Einsatz, so befindet sich einer vor und der andere nach dem SCR-Katalysator. Der nachgelagerte Sensor hat die Aufgabe, die Wirkung des SCR-Katalysators zu überwachen. Dadurch wird die Systemfunktion sichergestellt und eine präzisere Regelung der Abgasreinigungssysteme erreicht. Diese Anordnung trägt zur Einhaltung der immer strenger werdenden Emissionsgrenzen bei.
Sensor mit Steuergerät
Beispielhafte Darstellung der Positionierung der Sensoren an einem Fahrzeug mit SCR System: 1. NOX-Sensor vor KAT, 2. NOX-Sensor nach KAT, 3. SCR-Katalysator
Beispielhafte Darstellung der Topologie im Fahrzeug: 1. BCM / Bordnetzsteuergerät, 2. ECU / Motorsteuergerät, 3. NOX- Steuergerät, 4. Messsonde
Funktionsprinzip der Sonde: Wissenswertes
Abgas gelangt über die Diffusionsbarriere in die erste Kammer. In dieser sind die erste Pumpzelle sowie eine Messzelle untergebracht. Der Restsauerstoff im Abgas wird mit Hilfe der Messzelle in der ersten Kammer ermittelt. Als Referenz dient eine weitere Messzelle mit Verbindung zur Außenluft. Durch die Differenz des Sauerstoffgehalts im Abgas zur Referenzluft entsteht zwischen beiden Messzellen eine Spannung, diese nutzt das Steuergerät der Sensoreinheit als Messgröße und steuert so den Strom der ersten Pumpzelle. Die Pumpzelle befördert den Restsauerstoff aus der ersten Messkammer. Die verbleibenden Stickoxide (NOx) gelangen durch eine weitere Diffusionsbarriere in Kammer zwei, in der sich eine beschichtete Elektrode befindet. Diese Elektrode hat die Eigenschaft Stickoxide (NOx) in Stickstoff (N²) und Sauerstoff (O²) katalytisch zu spalten.
Die entstandenen Stickstoffanteile (N²) diffundieren durch eine poröse Schicht nach außen. Die Sauerstoffanteile (O²) werden durch die zweite Pumpzelle an die Außenluft gefördert. Das Steuergerät der Sensoreinheit erfasst den Pumpstrom der zweiten Pumpzelle und sendet die aufbereitete Information über den Datenbus an das Motorsteuergerät. Dort wird dieses Sensorsignal verarbeitet und kann so die NOx Reduktion überwachen und steuern.
Grafik Sensorelement /Prinzipdarstellung
- Messkammer 1
- Messkammer 2
- Beschichtete Elektrode
Integriertes Heizelement im NOx-Sensor: Wissenswertes
Das integrierte Heizelement ermöglicht es, dass eine konstante und optimale Betriebstemperatur im Sensor aufrechterhalten wird. Damit kann der Sensor unabhängig von Umgebungstemperatur und Motortemperatur auf die vordefinierte Betriebstemperatur geheizt werden. Dies führt dazu, dass auch bei niedrigen Temperaturen eine optimale Reaktionsfähigkeit des NOx-Sensors gewährleistet ist. Die Temperaturregelung des Heizelements erfolgt in der Regel durch die Motorsteuerung. Das Motorsteuergerät passt die Heizleistung den Umgebungsbedingungen an. Dadurch wird nicht nur die Genauigkeit der Stickoxidmessung verbessert, sondern auch die Lebensdauer des Sensors positiv beeinflusst.
Ausfallursachen und Symptome: Hinweise
Aufgrund der Einbauposition in der Abgasanlage und der dort vorliegenden Umgebungsbedingungen ist die Funktionsdauer des Sensors nicht unbegrenzt.
Für eine fehlerhafte Funktion oder einen Ausfall können folgende Gründe verantwortlich sein
- Sensorfunktion verliert an Effizienz
- Verschleiß durch Alterung. Die NOx- Sensoreinheit kann wie auch eine Lambdasonde altern
- Durch Einsatzbedingung wie Abgaszusammensetzung, Temperaturen und Vibrationen
- Sensorkopf verrußt
- Kurzstreckenbetrieb, fehlerhafte Gemischzusammensetzung oder hohem Ölverbrauch
- Umwelteinflüsse
- Feuchtigkeit, Wasser oder Streusalz
- Mechanische Beschädigungen
- Fehlerhafte Montage, Unfall oder Marderbiss
- Fehlerhafte Spannungsversorgung
- Kabelunterbrechungen
- Äußere oder innere Kurzschlüsse
- SCR-System fehlerhaft
- Defekte Komponenten - falsche Dosierung von AdBlue® kann zu Ablagerungen führen. Diese können den Sensor beschädigen und zum Ausfall führen
Folgende Symptome können bei einem Ausfall des NOx-Sensors auftreten.
- Aufleuchten der Motorkontrollleuchte
- Warnhinweis SCR- System im Display des Kombiinstruments
- Abspeichern eines Fehlercodes im Steuergerät
- Fehlfunktion bzw. Notlauf des SCR-Systems
- Erhöhter Kraftstoffverbrauch oder schlechte Motorleistung
Fehlersuche beim NOx-Sensor: Praxis-Tipps
Die Funktion des NOX-Sensors wird durch das jeweilige übergeordnete Systemsteuergerät und damit über die OnBoard-Diagnose (OBD) überwacht. Bauteilbezogene Mängel wie eine fehlerhafte Betriebsbereitschaft, elektrische Kurzschlüsse oder Kabelunterbrechungen werden direkt erkannt und im Fehlerspeicher protokolliert. Daher sollte zuerst der Fehlerspeicher der Abgasrelevanten Systeme mit einem geeigneten Diagnosegerät ausgelesen werden. Die Daten der Steuergerätekommunikation sind die Basis für die eigentliche Fehlersuche und eine erfolgreiche Reparatur. Bevor jedoch direkt mit einer erweiterten Steuergerätediagnose begonnen wird, sollte der komplette Abgasstrang einer Sichtkontrolle unterzogen werden. Äußere Beschädigungen machen sich in der Regel schon durch ein verändertes Geräuschverhalten bemerkbar und können durch Risse oder Durchrostungen an Rohren, Verbindungen oder Schalldämpfern verursacht werden. Auch die verbauten Schalldämpfer und Katalysatoren sollten durch Rütteln oder Klopfen an dem jeweiligen Bauteil auf Defekte zum Beispiel lose Teile im Inneren geprüft werden. Verkabelungen oder elektrische Steckverbindung können hier aufgrund von Umwelteinflüssen wie Schmutz, Wasser oder Streusalz beschädigt worden sein. Im Rahmen der Fehlersuche sollten deshalb auch die elektrische Steckverbindung am Steuergerät mit einbezogen werden. Sind keine Beschädigungen zu erkennen, sollte falls erforderlich, mittels eines geeigneten Messgeräts die Spannungsversorgung sowie die Datenbuskommunikation nach Herstellervorgabe geprüft werden.
Beispielhafte Darstellung der Steuergeräte-Diagnose: Anleitung
Je nach Fahrzeug und System kann nicht nur der Fehlerspeicher ausgelesen werden, sondern auch zusätzliche Funktionen wie Parameter oder Schaltpläne ausgewählt und angezeigt werden. Die nachfolgenden Informationen wurden beispielhaft an einem BMW 520D G31 durchgeführt.
Fehlerspeicher Motorsteuerung auslesen
In dieser Funktion können die in der Motorsteuerung abgelegten Fehlercodes ausgelesen und gelöscht werden.
In unserem Fallbeispiel wurde ein Fehler zu dem NOx-Sensor nach dem SCR-Katalysator im Fehlerspeicher abgelegt.
- Fehlercode 2FB 800 „OBD CAN Botschaft fehlt“
- Fehler vorhanden
- Fehlerlampe nicht eingeschaltet
Parameter auslesen
Parameter NOx-Sensor nach Katalysator fehlerhaft
Parameter NOx- Sensoren in Funktion
In dieser Funktion können aktuelle Messwerte wie Motordrehzahl, NOx Wert vor und nach SCR-Katalysator, sowie die Temperatur des SCR-Katalysators dargestellt werden.
Anhand dieser Parameterabfrage kann im Betrieb geprüft werden, ob die Abgassensorik sowie das SCR-System ordnungsgemäß funktionieren.
Wie in unserem Beispiel zu erkennen ist, wird kein Wert für den fehlerhaften NOx-Sensor nach SCR-Katalysator angezeigt.
Grundeinstellung
Nach dem Einbau des NOx-Sensors mit Steuergerät muss bei diesem Fahrzeug eine Anpassung an das Fahrzeug erfolgen.
In dieser Funktion können die Lernwerte zurückgesetzt und der neue Sensor in das übergeordnete Steuergerät angelernt werden.
Schaltpläne
Darstellung der Positionierung der Sensoren im Schaltplan: 1. NOX-Sensor vor KAT, 2. NOX-Sensor nach KAT, 3. Motorsteuergerät, 4. Bordnetzsteuergerät
Systemspezifische Schaltpläne können zur Fehlersuche aus den Fahrzeuginformationen herangezogen werden. Hier kann zum Beispiel die PIN-Belegung am NOX-Sensor abgelesen und für die weitere Fehlersuche herangezogen werden.
Wartungs- und Reparaturhinweise: Werkstatt-Tipps
- Die Montage sollte nur von geschultem Fachpersonal durchgeführt werden.
- Im Rahmen der Fehlersuche sollte nach der Steuergerätediagnose zuerst eine Sichtprüfung der Komponenten und Peripherie im Motorraum bzw. an der Abgasanlage durchgeführt werden.
- Der NOx-Sensor sollte ersetzt werden, wenn die Verkabelung oder das Sensorgehäuse beschädigt ist.
- Der Sensor sollte im Reparaturfall immer als komplette Einheit getauscht werden.
- Auf den richtigen Sensor und die Einbauposition achten! Die Position vor und nach dem Katalysator nicht verwechseln.
- Das Gewinde des NOx Sensors darf nicht zusätzlich mit Heißschraubenpaste bestrichen werden.
- NOx-Sensoren müssen mit dem vorgegebenen Anzugsdrehmoment festgezogen werden! Wir empfehlen für HELLA- Abgastemperatursensoren ein Anzugsdrehmoment von 50 Nm.
- Vor der Montage ist sicherzustellen, dass das Produkt dem Verwendungszweck entspricht und die erforderlichen Maße, Anschlüsse und Eigenschaften aufweist.
- Nach dem Einbau des NOx- Sensors mit Steuergerät kann zusätzlich eine Anpassung mit einem geeigneten Diagnosegerät an das Fahrzeug erforderlich sein!
- Bitte beachten Sie in diesem Zusammenhang die jeweiligen Aus- und Einbauhinweise des Fahrzeugherstellers!
- HELLA übernimmt keinerlei Haftung für Schäden, welche durch die unsachgemäße Handhabung oder einen fehlerhaften Einbau des Produkts verursacht wurden!
Hinweis!
Die unterschiedlichen Diagnosemöglichkeiten wurden beispielhaft anhand des Diagnosegerätes mega macs X dargestellt. Die jeweilige Prüftiefe und Funktionsvielfalt kann je nach Fahrzeughersteller unterschiedlich ausgelegt sein und ist abhängig von der jeweiligen Systemkonfiguration des Steuergerätes. Schematische Darstellungen, Bilder und Beschreibungen dienen zur Erklärung und Darstellung des Dokumententextes und können nicht als Grundlage zur fahrzeugspezifischen Reparatur verwendet werden.