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Startseite Ratgeber Autoteile, Zubehör Fahrzeugteile-Lexikon: Lambdasonde

 

markt.de-Fahrzeugteile-Lexikon

Lambdasonde

Glossar

Bezug zum Kraftfahrzeug

Gemischaufbereitung, Verbrennung, Stöchometrisches Verhältnis
Maschine, Motor
Einspritzanlage, Vergaser, Motorenbenzin, Diesel

 

Allgemeine Beschreibung

Eine Lambdasonde ist ein Geber in einer Verbrennungsmaschine, um den im Abgas befindlichen Sauerstoffgehalt zu messen. Über den Restsauerstoffgehalt einer Verbrennung lassen sich wichtige Rückschlüsse bezüglich der Verbrennungsparameter ziehen. Mit Hilfe der ermittelten Messwerte in Verbindung mit der richtig gewählten Gemischaufbereitungsanlage lassen sich bereits erhebliche Verbesserungen in Bezug auf Verbrauch und Emissionen erzielen.


Notwendig wurde die lambdasondengestützte Gemischregelung im Zuge der Einführung von Fahrzeugen mit Katalysator. Motoren mit einer durch einen Katalysator nachbehandelten Abgas bedingen nicht zwingend eine Lambdasonde, allerdings bekommt das Motorsteuergerät in diesem Fall keine Rückmeldung über die Qualität der Verbrennung und kann diese lediglich steuern. Um die Gemischbildung regeln zu können, d.h. also die Einstellungen seitens der Einspritzanlage auch kontrollieren zu können, ist eine Art von Messsystem notwendig. Daher kommt der umgangssprachliche Ausdruck „geregelter Katalysator“. In Wahrheit wird aber die Gemischbildung geregelt; der verwendete Katalysator kann der gleiche sein wie bei ungeregelten Systemen, da die chemischen Prozesse dieselben sind.

 

Lambdasonden unterscheiden sich im Wesentlichen durch zwei gängige Funktionsprinzipien:

  • Spannungsmessung eines Festelektrolyten
  • Widerstandsmessung in einer Keramik

Die Sonden, denen eine Widerstandsmessung zugrunde liegt werden allerdings im heutigen Automobilbau eher selten verwendet. Zunächst kommt ein Motor mit einer Lambdasonde aus. Diese ist in jedem Fall vor dem Katalysator verbaut. Im Laufe der Zeit und der mehr und mehr strenger gewordenen Abgasnormen ist die Lambdasonde immer weiter in Richtung Abgaskrümmer „gewandert“, ebenso der Katalysator, der in mordernen Fahrzeugen meistenteils im Hosenrohr integriert ist. Diese Maßnahmen fördern auf der einen Seite eine wesentlich schnellere Aufheizung und somit Betriebsbereitschaft des Systems, andererseits wird durch die räumliche Nähe zum eigentlichen Verbrennungsprozess der zeitliche Verzug minimiert.


In beispielsweise V- oder Boxermotoren sind in der Regel je eine Sonde pro Zylinderbank verbaut. Auch sind Konstruktionen bekannt, bei denen pro Zylinder je eine Sonde für eine selektive Zylinderregelung zuständig ist. Ebenfalls im Zuge der strenger werdenden Abgasnormen haben sich sogenannte Monitorsonden etabliert, die das durch den bzw. die Katalysatoren nachbehandelte Abgas nochmals gegenprüfen, um Aufschlüsse über die Effektivität des Katalysators zu liefern.

 

Funktionsbeschreibung

  • Lambdasonde mit einem Festelektrolyt

    • Aufbau

      Aufgebaut ist eine Festelektrolytsonde in mehreren Schichten. Die zentrale Schicht bildet der Festelektrolyt, für den in der Regel Zirkoniumdioxid als Membran genutzt wird. Diese Membran kann, je nach Ausführung, mit einer zusätzlichen Heizung ausgestattet sein. Auf der einen Seite wird das Abgas vorbeigeleitet und auf der anderen Seite befindet sich Umgebungsluft als Referenz. An den äußeren Enden der Membran, also an den Berührungspunkten der beiden Gase, sind Platinelektroden angebracht, über die ein Wert gemessen werden kann.
    • Funktion

      Dieser mit einer Zirkoniumoxid-Membran realisierte Aufbau ist eine sogenannte Nernst-Sonde. Das Zirkoniumoxid hat die Eigenschaft Sauerstoffionen elektrolytisch transportieren zu können. Allerdings findet dieser Prozess erst ab einer Temperatur von ca. 650°C statt; daher muss die Lambdasonde, bevor Messwerte nutzbar sind, eine Mindesttemperatur erreicht haben. Durch die oben beschriebene nahe Einbaulage und die Heizung kann der Zeitverzug bis zum Aktivwerden der Sonde erheblich verkürzt werden. Durch den Transport der Sauerstoffionen entsteht eine Spannung zwischen den beiden Membranseiten. Diese Spannung ist ein verwertbares Maß für den Konzentrationsunterschied der beiden vorbeigeführten Gase.

      Der nutzbare Vorgang ist eine Ionendiffusion des Sauerstoffs, da die Sauerstoffionen bestrebt sind, den Konzentrationsunterschied auszugleichen. Das Abgas hat eine sehr niedrige Sauerstoffkonzentration wogegen die Referenzluft eine sehr Hohe hat. Somit wandern die Sauerstoffionen von der Referenzluft in Richtung Abgas. Sind die Sauerstoffatome doppelt negativ geladen können sie durch die Platinelektroden hindurchdiffundieren wobei die erforderlichen Elektronen zur Ionisierung von den leitfähigen Elektroden geliefert werden. Durch diese Begebenheit lässt sich an den Platinelektroden eine Spannung messen.

      Das Motorsteuergerät kann nun die zwischen den Platinelektroden anliegende Spannung auswerten, wobei die Spannung sinkt, wenn das Gemisch magerer, und steigt wenn das Gemisch fetter wird. Im Bereich von λ=1 liegt die Spannung zwischen 200mV und 800mV, darunter und darüber jeweils in dem beschriebenen Bereich. Der Bereich von λ=1 ist der Kurvenverlauf sehr steil und kann fast als sprunghaft angesehen werden.
  • Lambdasonden mit einer Keramik

    • Aufbau

      Das Sensorelement ist aus einer halbleitenden Titandioxidkeramik aufgebaut, die sogenannte Sauerstofffehlstellen aufweist. Vorzustellen muss man sich diese Fehlstellen als eine Art Löcher im Material, die von dem sich im Abgas befindlichen Sauerstoff befüllen lassen.
    • Funktion

      Wird die Sonde von dem Abgas umspült können die Sauerstofffehlstellen vom Sauerstoff im Abgas befüllt werden. Die Ladungsträger in der Keramik werden durch den Sauerstoff reduziert und verursachen einen größeren elektrischen Widerstand. Umgekehrt sinkt der elektrische Widerstand wieder, wenn weniger Sauerstoffatome die Fehlstellen besetzen und somit keine Ladungsträger an sich binden. Das Motorsteuergerät kann den sich ändernden Widerstand messen und auswerten.

 

 
 
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