Gradmesser

Unter verschiedenen Betriebsbedingungen treten je nach Baugruppe bei Nutzfahrzeugen unterschiedliche Temperaturen auf. Die Werte erstrecken sich von extrem hohen bis hin zu deutlich niedrigeren Werten. Zahlreiche Sensoren dienen der Überwachung der Temperaturen von Kühlmitteln, Abgasen, des Motoröls, des Kraftstoffs, der Ansaugluft, von AdBlue oder auch der Erfassung der Innen- und Außentemperatur. Die Sensoren müssen stets eine zuverlässige und präzise Temperaturerfassung gewährleisten. So lassen sich nicht nur Überhitzungs- und Frostschäden vermeiden, sondern auch Emissionen reduzieren und den Fahrkomfort erhöhen.

NTC- und PTC-Sensoren

Zur Erfassung der Kühlmitteltemperatur kommt regelfällig ein NTC-Temperatursensor zum Einsatz. Dabei handelt es sich um eine halbleiterbasierte Komponente, deren elektrischer Widerstand mit zunehmender Temperatur abnimmt. Die Bezeichnung NTC (Negative-Temperature-Coefficient) beschreibt genau dieses Verhalten. Jedoch ändern sie ihren elektrischen Widerstand bei steigender oder fallender Temperatur nicht gleichmäßig, sondern folgen einem gekrümmten, nichtlinearen Kennlinienverlauf.

Es gibt aber auch Temperatursensoren, die einen PTC-Widerstand nutzen. PTC steht für ‚Positive Temperature Coefficient‘ und bedeutet, dass auch der elektrische Widerstand mit zunehmender Temperatur ansteigt. Wenngleich PTC-Elemente üblicherweise zur Temperaturbegrenzung beziehungsweise als Heizelemente eingesetzt werden (zum Beispiel bei Glühkerzen und Spiegelheizungen) sind PTC-Elemente auch als Temperatursensoren vorzufinden. Manche Hersteller setzen insbesondere im Abgasstrang auf PTC-Sensoren, da bei bestimmten NTC-Sensoren und den höheren Temperaturen der Halbleiterwiderstand so stark abnimmt, dass auch die Signalspannung entsprechend klein ausfällt. Signalspannungen im Millivolt-Bereich sind für ein Motorsteuergerät deutlich schwieriger zu verarbeiten. Zudem sind sehr kleine Signalspannungen besonders anfällig auf äußere Störeinflüsse. Gleichzeitig besteht aber auch die Gefahr, dass das Motorsteuergerät bei einer sehr niedrigen Signalspannung nicht mehr eindeutig unterscheiden kann, ob nun die Temperatur weiter angestiegen ist oder sogar ein Fehler vorliegt.
Da das Motorsteuergerät keine eigentliche Widerstandsmessung ermöglicht, sondern lediglich die anliegende Spannung auswerten kann, ist unabhängig von der verwendeten Sensorart (NTC oder PTC) ein weiterer Widerstand erforderlich. Dabei handelt es sich um einen im Steuergerät integrierten hochohmigen Festwiderstand, der mit dem eigentlichen Sensorelement in Reihe geschaltet ist und zusammen mit ihm eine temperaturabhängige Auswerteschaltung bildet.

Aufgrund der Reihenschaltung arbeitet der Temperatursensor als sogenannter Spannungsteiler und wird gewöhnlich mit einer Referenzspannung von 5 V versorgt. Es gibt aber auch Hersteller, die eine Referenzspannung von 12 V nutzen.
Damit ein vom Motorsteuergerät auswertbarer Spannungsabfall entsteht, muss ein geringer Messstrom durch den Temperatursensor fließen. Die Größe des Stroms wird durch die Höhe der anliegenden Spannung und die Summe der Teilwiderstände der Reihenschaltung bestimmt. Dieser liegt im unteren Milliampere-Bereich.

PWM-Signale

Unter bestimmten Betriebsbedingungen können die sensorbezogenen Parameter wie Temperatur, Widerstand und Signalspannung so ungünstig zusammentreffen, dass ein größerer Stromfluss die Folge ist. Dieser begünstigt die Eigenerwärmung des Sensors, der als Widerstand in der Schaltung wirkt. Gleichzeitig besteht die Gefahr, dass dadurch die Messgenauigkeit negativ beeinflusst wird. Um diesen Effekt zu vermeiden, sind bei Temperatursensoren auch getaktete Spannungssignale in Form einer Pulsweitenmodulation (PWM) vorzufinden. Die Versorgung über ein PWM-Signal muss dabei nicht permanent anliegen. Das Motorsteuergerät kann auch erst ab einer bestimmten Temperatur auf ein getaktetes Spannungssignal umschalten. Durch die PWM-Umschaltung wird der Sensorstrom begrenzt und damit auch seine Eigenerwärmung.
Wenn der Widerstand sinkt, nimmt auch die am Sensor gemessene Spannung ab. Konkret bedeutet dies, dass bei einer Messung an einem heißen Motor der Widerstand des NTC-Sensors sehr gering ist. Ein im Steuergerät integrierter Analog-Digital-Wandler erfasst die Signalspannung und wandelt diese in einen digitalen vom Steuergerät nutzbaren Wert um.

Temperaturbereiche

Während NTC-Sensoren für einen definierten Temperaturbereich von etwa −40 °C bis 150 °C ausgelegt sind, kommen PTC-Sensoren im Bereich von -200 °C bis 1.100 °C zum Einsatz. Im Einzelfall sind die Werte aber in den Herstellerdokumentationen zu überprüfen.
Um den Warmlauf des Verbrennungsmotors in der Kaltstartphase gezielter und effizienter zu regeln, sind je nach Hersteller auch mehrere motorbezogene Temperatursensoren möglich. Deren Sollwerte sind im Motorsteuergerät als Kennfelder hinterlegt.
In der Regel wird ein fehlerhafter Temperatursensor vom Motorsteuergerät erkannt und dem Fahrer über eine Fehlermeldung in der Instrumententafel kommuniziert. Das Motorsteuergerät regelt den weiteren Motorlauf entsprechend einer Notlaufstrategie und nutzt hierfür messtechnische Ersatzwerte oder berechnete Referenzwerte. Das bedeutet, sofern vorhanden, dass Temperaturwerte anderer Kühlmitteltemperatursensoren herangezogen werden oder, dass das Motorsteuergerät einen Referenzwert aus verschiedenen Informationen wie Motorlaufzeit, Ansaugluft-, Öl- und Umgebungstemperatur errechnet.
In den meisten Fällen werden bei einem unplausiblen Temperaturwert oder bei Überschreitung einer bestimmten Temperaturschwelle aus Sicherheitsgründen die Lüfter-, und Kühlmittelpumpendrehzahl angepasst. Falls dies nicht ausreicht, sind je nach Hersteller zusätzliche Schutzmaßnahmen möglich, die zur Reduzierung des Maximalmoments beitragen, um einen Motorschaden zu verhindern.
Überprüfung von fehlerhaften Temperatursensoren
Grundsätzlich muss bei einem Verdacht auf einen fehlerhaften Temperatursensor der Fehlerspeicher ausgelesen werden. Dabei sollte auch die Analyse der einzelnen Parameter nicht außer Acht gelassen werden. Idealerweise lässt sich so bereits frühzeitig eine erste Einschätzung über die mögliche Fehlerursache treffen und Aufschluss über weitere Prüfschritte gewinnen.

Für die Fehlersuche ist der Einsatz einer Pinbox (Break-Out-Box) mit Y-Kabel empfehlenswert. Sie ermöglicht einfache Messungen. Da die zahlreichen unterschiedlichen Steuergerätestecker und die passenden Adapter jedoch mit hohen Kosten verbunden sind, kommt dieses Verfahren nur sehr selten in den Werkstätten vor. Demnach erfolgen die Messungen üblicherweise direkt an den Steckverbindungen.
Dabei ist jedoch dringend darauf zu achten, dass bei der Fehlersuche keine weitere Störung durch Beschädigungen an den Steckkontakten in die Schaltung eingebracht wird. Aus diesem Grund ist es wichtig, geeignete Messspitzen zu verwenden, die einen sicheren und beschädigungsfreien Abgriff von der Rückseite der Verbindungsstecker ermöglichen.

NTC-Sensoren lassen sich auch mit einer einfachen Widerstandsmessung überprüfen. Dazu muss man die Steckverbindung zwischen Sensor und Steuergerät trennen. Anschließend ist der gemessene Widerstandswert mit den im Datenblatt angegebenen Sollwerten zu vergleichen. Allerdings muss der tatsächliche Temperaturwert des Sensors bekannt sein. Dieser lässt sich zum Beispiel mithilfe einer Wärmepistole bestimmen. Steht diese nicht zur Verfügung, lässt sich die Temperatur alternativ auch über die Kühlflüssigkeit am Ausgleichsbehälter mit einem geeigneten Temperaturfühler messen und als Vergleichswert nutzen.
Verallgemeinernd gilt für viele NTC-Sensoren als Richtwert ein Widerstand von etwa 2–3 kΩ bei 20 °C. Bei einem Messwert null oder unendlich, ist ein Austausch des Sensors erforderlich.

Entspricht der Widerstandswert den Herstellervorgaben, muss man die Signalspannung des Sensors gegen Sensormasse mithilfe eines Multimeters prüfen. Ist eines der beiden Bezugspotenziale (Sensorsignal oder Sensormasse) nicht vorhanden oder nicht plausibel, kann eine Referenzmessung gegen Batterieplus oder Batterieminus zur Fehlereingrenzung beitragen.
NTC-Sensoren können in bestimmten Temperaturbereichen kurzzeitige unplausible Widerstands- beziehungsweise Spannungsabfälle zeigen, die vom Motorsteuergerät zwar erkannt werden, mit einem Multimeter jedoch nicht erfassbar sind, da sie die Messwerte nicht in Echtzeit darstellen. Gleiches gilt auch bei sporadischen Signalstörungen durch Wackelkontakte im Kabelstrang, beispielsweise infolge beschädigter Leitungen oder Steckverbindungen.
Daher kann es sinnvoll sein, einen Temperatursensor mithilfe eines Oszilloskops zu überprüfen und den Widerstands- beziehungsweise den Signalverlauf während der Warmlaufphase zu beobachten. Die Signalspannung sollte bis zum Erreichen der Betriebstemperatur einen kontinuierlich fallenden Verlauf aufweisen.

Den Beitrag finden Sie auch in der Print-Ausgabe 1-2026 der Krafthand-Truck.