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Lambdasonde
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z.B. 4006633210898

z.B. Bremsbelag

z.B. Audi A3 8L1

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Lambdasonde
Lambdasonde

Die Lambdasonde (λ-Sonde) ist ein Sensor, der in einem Verbrennungsabgas den jeweiligen Restsauerstoffgehalt misst, um daraus das Verhältnis von Verbrennungsluft zu Kraftstoff für die weitere Verbrennung so regeln zu können, dass weder ein Kraftstoff- noch ein Luftüberschuss auftritt. Sie ist der Hauptsensor im Regelkreis der Lambdaregelung zur katalytischen Abgasreinigung (umgangssprachlich: geregelter Katalysator). Es werden zwei Messprinzipien verwendet: Spannung eines Festkörperelektrolyten (Nernstsonde) und Widerstandsänderung einer Keramik (Widerstandssonde).

Allgemeine Informationen zu Lambdasonden

Verwendung in Motoren

Die Sonde wird bei Ottomotoren in der Regel in den Abgaskrümmer oder das Sammelrohr kurz dahinter eingeschraubt. In Fahrzeugen mit hohen gesetzlichen Anforderungen an die Abgasreinigung und die Eigendiagnose kommen mehrere Sonden zum Einsatz (siehe Monitorsonde), bei V-Motoren in der Regel eine Sonde pro Zylinderbank, bis zu einer Sonde pro Zylinder für eine selektive Zylinderregelung.

Bei modernen Ottomotoren mit Turboaufladung wird die Lambdasonde gegenwärtig nur hinter der Turbine eingebaut.

Lambdasonde
Lambdasonde

Funktion

Das korrekte Lambdaverhältnis ist ein wichtiger Parameter zur Steuerung der Verbrennung und zur Ermöglichung der Abgasreinigung durch den Drei-Wege-Katalysator. Im Fahrzeugbereich hat sich die Lambdasonde aufgrund der gesetzlichen Einschränkung der Abgasemissionen zuerst in den USA und nachfolgend auch in Europa durchgesetzt. Im klassischen Ottomotor wird dazu eine sogenannte Sprungsonde (Nernstsonde) bzw. λ=1-Sonde zur Lambdamessung verwendet. Der Name "Sprungsonde" leitet sich dabei vom Verhalten des Sondensignals beim Übergang zwischen einem fetten Gemisch (λ<1) und einem mageren Gemisch (?>1) ab. Das Signal der Lambdasonde macht bei diesen Übergängen einen charakteristischen Sprung.

Aufbau

Die ersten Lambdasonden wurden als Fingersonden gebaut. Das eigentliche Sensorelement ist dabei wie ein Hütchen geformt, mit dem Abgas außen und der Referenzluft im Inneren. Zunehmend werden die Sensoren in Planartechnik aus mehreren Schichten aufgebaut, bei denen auch die Sondenheizung bereits integriert ist. Das keramische Element (z. B. aus Zirkoniumdioxid ZrO2) ist von einem sogenannten Schutzrohr umgeben. Es erleichtert, dass das Sensorelement auf der gewünschten Temperatur gehalten wird und beugt mechanischen Schäden vor. Für den Gaszutritt ist das Schutzrohr mit Löchern versehen.

Lambdasonde
Lambdasonde

Regelung

Die Lambdasonde vergleicht permanent den Restsauerstoffgehalt im Abgas mit dem Luft-Sauerstoff-Gehalt und leitet diesen Wert als analoges elektrisches Signal an ein Steuergerät, das zusammen mit anderen Kenngrößen daraus ein Steuersignal zur Gemischbildung erzeugt, was im Ottomotor im Allgemeinen in der Anpassung der Einspritzmenge mündet (Lambdaregelung). Bei OBD-Fahrzeugen muss die Funktion der Regel-Lambdasonde und Monitorsonde vom Steuergerät überwacht werden. Die Überwachung erfolgt sporadisch. Das Steuergerät überwacht:

Bei Fehlfunktion wird vom Steuergerät die MIL-Lampe (Motorkontrollleuchte) angesteuert. Dieselmotoren und die so genannten mageren Ottomotoren werden nicht oder nur selten im ?-Bereich eins betrieben. Insbesondere der Dieselmotor ist ein klassisches Magerkonzept, der stets mit einem Luftüberschuss (λ>1) fährt (schwarzrauchende Dieselmotoren sind meist wartungsbedürftig, defekt, oder in den Einspritzmengen manipuliert durch sog. "Chip-Tuning"). Für die Regelung des Dieselmotors und der mageren Ottomotoren kann die λ = 1-Sonde nicht verwendet werden, da ihr Signalverhalten im Fetten bzw. im Mageren (mit vertretbarem Aufwand) nicht auswertbar ist.

Breitbandlambdasonde

Eine Variante der einfachen Lambdasonde auf Zirkoniumbasis ist die Breitbandlambdasonde, die, obwohl sie bereits 1994 von der Robert Bosch GmbH vorgestellt wurde, bis heute nur in wenigen Fahrzeugen, beispielsweise in Benzin-Direkteinspritzern, eingesetzt wird. Einfache Lambdasonden haben ihre Grenzen, wenn man z. B. die Gemischzusammensetzung im Ottomotor von fett nach mager ändert und dabei die Lambdaspannung misst, so zeigt sich, dass es bei ? = 1 einen abrupten Spannungsabfall von ca. 0,8 V auf ungefähr 0,2 V gibt. Daher eignen sich derartige Sonden nur für die Messung der Gemischzusammensetzung im Wertebereich um λ = 1 und können auch nur dort (im Lambdafenster des Sensors ? Bereich 0,98 und 1,02) zur genauen Dosierung der Einspritzmenge herangezogen werden. Beispielsweise bei Benzin-Direkteinspritzern reicht dieser Messbereich nicht aus, da diese in den folgenden drei Betriebsarten gefahren werden:

Für diese Einsatzzwecke wurde daher die Breitbandlambdasonde entwickelt. Sie ist für Lambdawerte von 0,8 und höher geeignet. Der Aufbau einer solchen Sonde ist deutlich komplexer. Sie ist in Planartechnik aus mehreren Schichten aufgebaut und hat eine integrierte Heizung. Für das Messprinzip sind drei Teile entscheidend:

Der Sauerstoffgehalt des Messgases im Messspalt wird einerseits über das Abgas, das durch einen Diffusionskanal einwirkt, bestimmt und andererseits durch den Stromfluss der Pumpzelle beeinflusst. Durch den Pumpstrom wird je nach Polarität Sauerstoff von der Abgasseite der Zirkoniummembran in den Messspalt gepumpt, bzw. aus diesem herausbefördert. Dabei wird der Pumpstrom durch einen äußeren Regler so geregelt, dass der Lambdawert im Messgas den Sauerstoffstrom durch den Diffusionskanal genau ausgleicht und das Messgas im Messspalt konstant bei λ = 1 hält. Ein Lambdawert von 1 ist immer dann gegeben, wenn die Spannung an der Nernstzelle 0,45 V beträgt. Der Pumpstrom pumpt bei fettem Gemisch Sauerstoffionen in das Messgas im Messspalt hinein, bei magerem Gemisch heraus. Über das Vorzeichen und die Größe dieses Stromes kann das Abgaslambda bestimmt werden. Die Regelung des Stromes erfolgt durch einen eigenen Steuerchip im Motorsteuergerät. Die Breitbandlambdasonde wird auch als NOx-Sonde bei Fahrzeugen mit NOx-Speicherkatalysatoren verwendet. Vom Aufbau und der Funktionsweise entspricht sie der Breitbandlambdasonde, sie ist jedoch in andere Steuerkreise integriert.

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