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Abgas

Technik  

Lambdasonden - Aufbau und Funktion (1)

Aufbau und Funktion von Lambdasonden Katalysator und Lambda

Teil 1 Einführung Teil 2 Lambdaregelung Teil 3 Fehlersuche Teil 4 Sondendefekte Teil 5 Andere Sondentypen

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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Schadstoffdiagramm
Das Verhalten  der Schadstoffe CO, HC und NOx
im Zusammenhang mit der Luftzahl also der Gemischzusammensetzung

Durch einen 3-Wege-Katalysator

wird nun

  • 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.
Konvertierungsrate
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.


 
Messprinzip Lambdasonde
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. 350° leitend.
Lambdasonden Chemie
Sonden Chemie (TU Darmstadt)

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 350°C Sauerstoffionen durch, sperrt jedoch den Durchlass für Elektronen.

Sauerstoff ist im gasförmigen Zustand elektrisch neutral. Der Festkörper der Sonde ist jedoch nur durchlässig für Sauerstoffionen. Somit muss der Sauerstoff an der Referenzelektrode negativ aufgeladen werden, an der Messelektrode wieder entladen werden.

Durch die aufgenommenen Elektronen bildet sich auf der Innenseite der Sonde ein Elektronenüberschuss und auf der Außenseite ein Elektronenmangel, also insgesamt eine elektrische Spannung. Diese wird über Leitungen zur Auswertung zum Steuergerät (im Bild ein Messgerät) geleitet.

Es findet im Grunde zunächst eine Reduktion und dann wieder eine Oxidation statt:

Durch die Reduktion wird ein Elektronendefizit erzeugt (dem Sauerstoff ist es erst durch die Aufnahme der Elektronen möglich die Keramikstruktur (Elektrolyt) zu passieren).

Auf der anderen Seite werden die Sauerstoffionen dann oxidiert und geben die Elektronen ab. Die durch die Oxidation freiwerdenden Elektronen erzeugen den Elektronenüberschuss.

Arbeitsprinzip der Zirkonia Lambdasonde 

Arbeitsprinzip der Zirkonia Lambdasonde

 

Die Ionenwanderung verursacht einen sprunghaften Anstieg der Sondenspannung.

Dieser Spannungssprung wird zur Lambdaregelung benutzt.

Übrigens bezeichnet man solche Sonden deshalb auch als Spannungssprungsonden.


 (Quelle: Felder)
Bei Lambdasonden gibt es verschiedene Funktionsweisen:
  • Titanoxidsonden verändern den Widerstand
  • Zirkoniumsonden verändern die Spannung.

Da bisher zumeist Letztere eingesetzt wurden, werden diese in diesem Teil beschrieben. Erstere werden von mir im (Teil 5) erklärt .

Nach dem Aussehen teilt man Lambdasonden auch in

  • Fingersonden  und  in
  • Planarsonden ein

Auch darüber mehr in Teil 5- Andere Sondenarten

 

Zirkondioxyd-Lambdasonde Quelle: NGK

 λ <  1 = fettes Gemisch

U-Lambda ca. 0,9 V

 
Sondenspannung in Abhängigkeit vom Gemisch
 λ >  1 = mageres Gemisch

U-Lambda ca. 0,1 V

   

Sondenheizung und Verkabelung

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)
  • OZA = Zirkonium-Sonden
  • OTA = Titanoxyd-Sonden

siehe auch Sensoren | Katalysator |

Lambdaregelkreis Teil 2 | Fehlersuche Lambdaregelung Teil 3 | Sondendefekte Teil 4 | Andere Sondentypen Teil 5 |

Die Infos und Bilder stammen zum großen Teil von Beru, NGK und von Helmut Felder sowie H. Dörfler, TU Damrstadt,

Bei NGK gibt es jetzt auch einen E-Learningbereich.


Autor: Johannes Wiesinger

bearbeitet: 14.01.2014
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