Für eine
vollständige und einwandfreie Verbrennung ist ein Mischungsverhältnis
von ca. 14,7 kg Luft und 1 Kilogramm Kraftstoff nötig. Die Luftmenge
entspricht etwa 11 Kubikmeter!
Das Verhältnis der tatsächlich
benötigten Luftmenge zum theoretischen Luftbedarf wird als Luftzahl oder Lambdawert
bezeichnet.
Lambda
(griechischer Buchstabe
λ)
λ
=
1 heißt also, dass die zugeführte Luftmenge dem theoretischen
Luftbedarf entspricht.
Im normalen Betrieb des Fahrzeugs schwanken diese Werte
natürlich. Der Motor hat seine beste Leistung bei Luftmangel (λ
ca. 0,9 = fettes Gemisch) und den niedrigsten Verbrauch bei
Luftüberschuss (λ
ca. 1,1 = mageres Gemisch).
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Das Verhalten der Schadstoffe CO,
HC und NOx im Zusammenhang mit der Luftzahl
also der Gemischzusammensetzung
das CO mit Sauerstoff O2
zu Kohlendioxyd CO2 umgewandelt (Oxydation),
das HC mit dem Sauerstoff zu CO2
und H2O umgewandelt (Oxydation),
die Stickstoffoxyde NOx
zu Stickstoff N2 und O2umgewandelt
(Reduktion).
Die beste Reduzierung aller 3
Schadstoffe kann der Katalysator aber nur dann erzielen, wenn sich das
Gemisch im Bereich von Lambda 1 (Lambdafenster
0,98-1,01) befindet.
Die optimale Abgaszusammensetzung kann nur
durch eine elektronische Motorsteuerung (Motormanagement) erreicht werden.
Die Konvertierungsrate, also der
Anteil der umgewandelten Schadstoffe , beträgt bei modernen Katalysatoren
90-95% und mehr.
Die Konvertierungsrate
Ein Katalysator ist ein Stoff, der eine chemische
Reaktion hervorruft und/oder beschleunigt, ohne selbst daran teilzunehmen.
Das
Motormanagement benötigt zur Regelung der Gemischzusammensetzung und
somit zur Abgaszusammensetzung einen Messwertgeber, der die Abgase messen
kann bzw. erkennen kann, ob das Gemisch zu fett oder zu mager ist.
Diese Aufgabe übernimmt nun die
Lambdasonde.
Sie
misst ständig den Sauerstoffanteil im Abgas, der nach der Verbrennung
überbleibt = Restsauerstoff.
Die
Lambdasonde ermittelt die Abgaskonzentration also durch eine vergleichende
Sauerstoffmessung:
Der
Sauerstoffgehalt der Außenluft (ca. 20,8%) wird mit dem Restsauerstoff
im Abgas verglichen. Der Sauerstoff der Außenluft bildet somit
den Referenzwert, der konstant bleibt. Befindet sich zum Beispiel ein
Restsauerstoffgehalt von 2% (mager) im Abgas so entsteht aufgrund der
Differenz ein Spannungssignal von ca. 0,1 V. Sind weniger als 2%
Restsauerstoff vorhanden (fett) so macht sich das durch eine erhöhte
Differenz zum Außenluftsauerstoff und einer Sondenspannung von ca. 0,9%
bemerkbar. Diese Unterschiede werden über ein Spannungssignal an
das Steuergerät weitergegeben. Das Steuergerät korrigiert dann Zündung
und Einspritzung entsprechend.
Konvertierungsrate Quelle: NGK
Aufbau und Funktion der
Lambdasonde
Auf beiden
Seiten der Elektroden wird der Sauerstoffgehalt der Luft gemessen.
Schwankt die Differenz, so entsteht an den Elektroden eine elektrische
Spannung, die sich im Minivoltbereich bewegt.
Wie geht das?
Die Lambdasonde besteht im Wesentlichen aus einem
Spezialkeramik-Körper, dessen Oberflächen mit gasdurchlässigen
Platinelektroden versehen sind. Der Festelektrolyt ist in einem
Stahlgehäuse eingebracht. Der äußere Teil des Keramikkörpers befindet
sich im Abgasstrom, der innere Teil steht mit der Außenluft in
Verbindung. Die Wirkung der Sonde beruht auf zweierlei physikalischen
Faktoren:
Zum einen ist das keramische Material porös
und lässt so eine Diffusion des Luftsauerstoffs zu,
zum anderen wird die Keramik bei Temperaturen von ca.
300° leitend.
Diese herkömmliche Lambdasonde arbeitet im
Prinzip wie ein Galvanisches Element, nur
dass sie keinen flüssigen sondern einen festen
Elektrolyten, nämlich Zirkondioxyd (ZrO2),
besitzt. Dieser
Keramikelektrolyt lässt ab 300°C Sauerstoffionen durch,
sperrt jedoch gegen Durchlass für Elektronen.
Die Sauerstoffionen (O2-)wandern von innen
(Außenluft) nach außen (Abgas), weil im Abgas eine geringere Konzentration
(geringerer Partialdruck) von Sauerstoff besteht (Ausgleichsbestreben! -
Gesetz von Dalton). Die vorher abgestreiften Elektronen (die ja nicht
durch den Elektrolyten hindurch können), werden von einer elektrisch
leitenden Schicht (Nr.5 im Bild) aufgefangen. So bildet sich auf der
Innenseite der Sonde ein Elektronenüberschuss und auf der Außenseite
(Nr.3 im Bild), wo die Sauerstoffionen ankommen, ein Elektronenmangel,
also insgesamt eine elektrische Spannung. Diese wird über Leitungen (im
Bild Nr. 2) zur Auswertung zum Steuergerät (im Bild ein Messgerät)
geleitet.
Arbeitsprinzip der Zirkonia Lambdasonde
Die Ionenwanderung verursacht einen sprunghaften Anstieg
der Sondenspannung.
Um
die Sonde nach dem Motorstart schnell auf Betriebstemperatur (250°C) zu bringen,
werden beheizte Sonden eingesetzt. Diese weisen nicht nur einen, sondern
drei bzw. vier elektrische Anschlüsse auf.
Lambdasonde mit 1
Kabel (EGO): Kabelfarbe schwarz = Signal für das Steuergerät, Masse
über Gehäuse
Lambdasonde mit 2
Kabeln (ISO-EGO) Signal (schwarz) + Masse isoliert (grau); bei NGK
Lambdasonde mit 3
Kabeln (HEGO): Kabelfarbe schwarz = Signal für das Steuergerät, 2 x Weiß =
Spannungsversorgung für Sondenheizung, Masse über Gehäuse
Lambdasonde mit 4
Kabeln (ISO-HEGO): Kabelfarbe schwarz = Signal für das Steuergerät, 2 x Weiß =
Spannungsversorgung für Sondenheizung, Grau = Masse
Durch die getrennte Masse für Sondensignal und
Heizelement werden Störungen vermieden (keine Übergangswiderstände).
Moderne Sonden werden innerhalb von
10 s auf Arbeitstemperatur aufgeheizt.
Passende Abkürzungen:
EGO = Exhaust Gas Oxygen =
unbeheizte Abgassonde
HEGO = Heated Exhaust Gas Oxygen =
beheizte Abgassonde
ISO = isolated = isolierte Masse
(nicht über Gehäuse)
