NOx-Sensor – Was er ist und wofür du ihn brauchst

Ohne NOx-Sensor geht in manchen Autos nichts mehr. Denn nur mit seiner Hilfe schaffen es einige Motoren, die Grenzwerte für den Schadstoffausstoß einzuhalten und gleichzeitig den Kraftstoffverbrauch zu reduzieren.

Begriffserklärung NOx: NOx ist ein Sammelbegriff für sämtliche Stickstoffoxide, also Moleküle mit mindestens einem Stickstoffatom (N) und einem Sauerstoffatom (O). Dazu zählen unter anderem Stickstoffmonoxid (NO) und Stickstoffdioxid (NO₂). Stickstoffoxide sind für Menschen hochgiftig und können bei erhöhter Konzentration in der Luft die Lunge stark beschädigen.

Autohersteller stehen seit Jahren vor der Herausforderung, immer effizientere und verbrauchsärmere Motoren zu bauen. Eine Lösung sind sogenannte Magermixmotoren mit NOx-Sensor und -Katalysator (z.B. FSI-Motoren von VW und Audi). Bei dieser Art von Motor wird der Kraftstoffanteil im Luft-Kraftstoff-Gemisch verringert und der Sauerstoffanteil erhöht. Dadurch wird der Lambda-Wert auf über 1 erhöht, wodurch der Kraftstoffverbrauch deutlich sinkt.

Das Problem: Nur bei einem Lambda-Wert von 1 kann der herkömmliche Katalysator optimal arbeiten und Stickstoffoxide in Stickstoff und Sauerstoff umwandeln. Mit der erhöhten Stickstoffoxid-Konzentration im Abgas hätten Magermixmotoren keine Chance, die Bestimmungen für den maximalen Schadstoffausstoß einzuhalten.

Dafür gibt es NOx-Sensor und -Katalysator

Damit die Stickstoffoxide trotzdem umgewandelt werden können, besitzen diese Motoren einen zusätzlichen NOx-Katalysator samt NOx-Sensor. Damit schaffen es Magermixmotoren, die gesetzlichen Grenzwerte einzuhalten und gleichzeitig ihren Kraftstoffverbrauch zu senken.

Aufgrund immer strengerer Grenzwerte für den Schadstoffausstoß bei Neuwagen gibt es NOx-Katalysatoren und -Sensoren aber nicht nur in Magermixmotoren. Viele moderne Dieselmotoren haben statt eines NOx-Katalysators einen sogenannten SCR-Katalysator (SCR = Selektive katalytische Reduktion), der im Zusammenspiel mit in den Abgasstrom eingespritzten Harnstoff (AdBlue) funktioniert. Teilweise werden NOx-Katalysator und SCR-Katalysator sogar in Kombination verbaut.

So funktioniert die Abgasreinigung mit NOx-Katalysator

NOx-Sensor und Katalysator sitzen bei einem Ottomotor hinter dem “normalen” Katalysator, bei einem Dieselmotor hinter dem Oxidationskatalysator und dem Partikelfilter. Sensor und Katalysator arbeiten in einem Zyklus:

1. Der NOx-Katalysator nimmt Stickstoffoxide aus dem Abgas auf und speichert sie. Der NOx-Sensor misst die Stickstoff-Konzentration hinter dem Katalysator.
2. Wenn der NOx-Katalysator keine weiteren Stickstoffoxide mehr aufnehmen kann, registriert der Sensor eine erhöhte Stickstoffkonzentration. Die meldet er an das Motorsteuergerät.
3. Das Motorsteuergerät fettet das Luft-Kraftstoff-Gemisch kurzzeitig (etwa 2 Sekunden) an. Dadurch werden die im NOx-Katalysator gespeicherten Stickstoffoxide freigesetzt und in Stickstoff und Sauerstoff umgewandelt (wie im “normalen” Katalysator).
4. Der Zyklus beginnt von vorn.

Wie lang dieser Zyklus dauert, ist von Motor zu Motor und je nach Fahrsituation unterschiedlich. Die Freisetzung der Stickstoffoxide passiert meistens in relativ hohen Drehzahlbereichen.

So misst der Sensor den NOx-Gehalt im Abgas

Der NOx-Sensor funktioniert ähnlich wie eine Lambdasonde. Er misst die Konzentration von Stickstoff und Sauerstoff im Abgasstrom. Im Zusammenspiel mit einem speziellen NOx-Katalysator sorgt er dafür, dass die Stickstoffoxide im Abgas in ungefährliche Gase umgewandelt werden. Für diesen Prozess ist es wichtig, dass der NOx-Sensor einwandfrei funktioniert und Daten ans Steuergerät liefert.

Ein NOx-Sensor besteht aus zwei Kammern, in denen folgendes passiert:

1. In die erste Kammer strömen Sauerstoff und Stickstoffoxide (NOx) aus den Abgasen.
2. Der Sauerstoff aus der Kammer “herausgepumpt”. Dafür wird ein Elektrolyt an der Kammerwand unter Spannung gesetzt.
3. Das NOx tritt in die zweite Kammer des Sensors und wird von einer Elektrode in Stickstoff und Sauerstoff aufgespalten.
4. Der Stickstoff tritt durch eine Diffusionsbarriere aus der zweiten Kammer aus. Der Sauerstoff bleibt zurück.
5. Der Sauerstoff wird, wie in der ersten Kammer, über einen unter Spannung stehenden Elektrolyten herausgepumpt.

→ Je mehr Sauerstoff sich im Abgas befindet, desto mehr Spannung wird für das Abpumpen des Sauerstoffs aus der ersten Kammer gebraucht.

→ Je mehr NOx sich im Abgas befindet, desto mehr Spannung wird für das Abpumpen des Sauerstoffs aus der zweiten Kammer gebraucht.

Mithilfe dieses Prozesses kann der Sensor also den Sauerstoff- und NOx-Gehalt im Abgas bestimmen. Diese Werte leitet er an das Steuergerät weiter.

Unterschiede bei Otto- und Dieselmotoren

Bei einem Ottomotor oder Dieselmotor mit NOx-Katalysator ist der NOx-Sensor für die Abgasreinigung unverzichtbar. Nur wenn er dem Steuergerät rechtzeitig meldet, dass der NOx-Katalysator keine Stickstoffoxide mehr aufnimmt, kann das Gemisch angefettet und damit die Schadstoffe aufgespalten werden.

Bei einem Dieselmotor mit SCR-Katalysator funktioniert die Aufspaltung von NOx permanent durch die Zugabe von AdBlue. Der NOx-Sensor überprüft also lediglich die Funktion des Katalysators und ist nicht aktiv in der Abgasreinigung beteiligt. Wenn er eine erhöhte Stickstoff-Konzentration im Abgas erkennt, schickt er also eine Fehlermeldung an das Motorsteuergerät.

Probleme bei einem kaputten NOx-Sensor

Wenn der NOx-Sensor ausfällt, sendet er keine oder nur noch unzureichende Informationen an das Motorsteuergerät. Das kann das je nach Motor und Fahrzeug unterschiedliche Folgen haben. Auch hier ist es wichtig, wie die Abgasreinigung genau funktioniert:

Bei einem Dieselmotor mit SCR-Katalysator schaltet der Motor sofort in einen Notlaufmodus, in dem die Motorkontrollleuchte anspringt und meistens auch die Leistung reduziert wird. Grund: Der Motor kann nicht mehr sicherstellen, dass das NOx durch den SCR-Katalysator zuverlässig herausgefiltert wird. Das gleiche passiert auch bei einem defekten SCR-Katalysator oder bei einem leeren AdBlue-Tank.

Bei einem Ottomotor mit NOx-Katalysator weiß das Steuergerät nicht mehr, ob der Reinigungszyklus von Sensor und Katalysator ordnungsgemäß funktioniert. Deswegen fettet es das Luft-Kraftstoff-Gemisch stark an, indem es mehr Benzin einspritzt. Denn durch das fettere Gemisch kann der “herkömmliche” Katalysator die Stickstoffoxide besser aus den Abgasen filtern. Dadurch wird der Verbrauch erhöht, der Ausstoß von NOx bleibt aber in etwa gleich. Ob die Motorkontrollleuchte anspringt und der Motor ins Notprogramm fährt, hängt vom jeweiligen Fahrzeug ab. Unter Umständen kann ein defekter NOx-Sensor also eine Weile lang unbemerkt bleiben.