Lambda-Sonde

Lambdasonde (für Volvo 240)

Die Lambdasonde (λ-Sonde) ist ein Sensor, um im Abgas einer Verbrennung das Verhältnis von Luft zu Kraftstoff bestimmen zu können. Die Messung basiert auf dem Restsauerstoffgehalt im Abgas. 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).

Sie wird hauptsächlich bei Ottomotoren, aber auch bei der Abgasregelung von Brennwertkesseln und Dieselmotoren eingesetzt.

Die Serienfertigung der Lambdasonde begann 1976, als Bosch diese für die USA-Varianten der PKW-Modelle 240/260 von Volvo lieferte^[1].

Funktion Nernstsonde

Eine Seite des keramischen Sensorelements ist dem Abgasstrom ausgesetzt, während die andere Seite an einer Sauerstoffreferenz liegt. In den meisten Fällen wird hierzu die Umgebungsluft verwendet, entweder durch eine Öffnung direkt an der Sonde oder über die Zuleitung. Dies erschwert die sogenannte Referenzluftvergiftung durch Wasser, Öl- oder Kraftstoffdämpfe. Dabei ist der Sauerstoffgehalt der Referenz verringert und die Sondenspannung verkleinert. Bei einer gepumpten Referenz wird die Umgebungsluft nicht mehr benötigt, sondern die Sauerstoffreferenz wird durch einen aufgeprägten Sauerstoffionenstrom aus dem Abgas hergestellt.

Bei Temperaturen über etwa 300 °C wird die yttriumdotierte Zirkoniumdioxid-Keramik der Sonde für negative Sauerstoff-Ionen leitend. Der Konzentrationsunterschied erzeugt eine Ionendiffusion zum Abgas. Die Sauerstoff-Atome können als doppelt negativ geladene Ionen durch die Keramik durchtreten. Die zur Ionisierung der Sauerstoff-Atome erforderlichen Elektronen werden von den elektrisch leitfähigen Elektroden geliefert. Dadurch lässt sich zwischen den innen und außen angebrachten Platin-Elektroden eine elektrische Spannung abnehmen, die Sondenspannung. Diese wird über die Verkabelung an das Motorsteuergerät weitergeleitet. Sie liegt bei λ>1 (mageres Gemisch, zuviel Luft) zwischen 0 und 150 mV, bei λ<1 (fettes Gemisch, zuviel Kraftstoff) zwischen 800 und 1000 mV. Die Spannung wird dabei durch die Nernst-Gleichung beschrieben. In einem sehr schmalen Übergangsbereich um λ=1, dem sogenannten λ-Fenster, ist die Kennlinie extrem steil. Die Spannung ändert sich dort in Abhängigkeit vom Luft-Kraftstoff-Verhältnis fast sprunghaft.

Funktion Widerstandssonde

Wesentlich weniger häufig wird die Widerstandssonde eingesetzt. Das Sensorelement besteht aus einer halbleitenden Titandioxidkeramik. Die Ladungsträger werden durch Sauerstofffehlstellen, die als Donatoren wirken, zur Verfügung gestellt. Bei umgebendem Sauerstoff werden die Fehlstellen besetzt und reduzieren die Zahl der freien Ladungsträger. Die Sauerstoffionen tragen hier nicht wesentlich zur Leitfähigkeit bei, sondern der Sauerstoff reduziert die Zahl der freien Ladungsträger. Bei hoher Sauerstoffkonzentration hat das Sensormaterial einen großen Widerstand. Die elektrische Leitfähigkeit σ im Arbeitsbereich wird beschrieben durch eine Arrhenius-Gleichung mit einer Aktivierungsenergie E_A:

$\sigma=A\cdot e^{-\frac{E_A}{k\cdot T}}\cdot p(O)^{-1/4}$

Das Signal wird durch einen Spannungsteiler mit einem festen Widerstand erzeugt.

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 nach dem Turbolader eingebaut.

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 (λ>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 ist von einem sogenannten Schutzrohr umgeben. Es erleichtert es, das Sensorelement auf der gewünschten Temperatur zu halten und beugt mechanischen Schäden vor. Für den Gaszutritt ist das Schutzrohr mit Löchern versehen.

Regelung

Die Lambdasonde vergleicht permanent den Restsauerstoffgehalt im Abgas mit dem Luftsauerstoffgehalt 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:

1. den Spannungshub (max. 300 mVolt Regelsonde),
2. die Amplitude,
3. die Regelfrequenz
4. Unterbrechung der Heizwicklung
5. Masseverbindung

Bei Fehlfunktion wird vom Steuergerät die MIL-Lampe (Motorkontrollleuchte) angesteuert.

Dieselmotoren und die so genannten mageren Ottomotoren werden nicht oder nur selten im λ-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 „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.

Breitbandsonde

Prinzip Breitbandsonde

Für diese Einsatzzwecke wurde daher die Breitbandlambdasonde entwickelt. Der Aufbau einer solchen Sonde ist deutlich komplizierter. Sie ist in Planartechnik aus mehreren Schichten aufgebaut und hat einen integrierten Heizer. Für das Messprinzip sind drei Teile entscheidend:

• der Diffusionskanal (blau) zwischen Abgas und Messgas der Nernstzelle,
• die Pumpzelle (rosa) zwischen Abgas und Messgas der Nernstzelle,
• die Nernstzelle (grün) zwischen Messgas und Referenzgas (Luft).

Das Messgas der Nernstzelle wird neben dem Abgas durch einen Diffusionskanal durch einen Pumpstrom beeinflusst. Der Pumpstrom wird durch einen äußeren Regler so eingestellt, dass der Sauerstoffstrom durch den elektrischen Strom der Pumpzelle den Sauerstoffstrom durch den Diffusionskanal genau ausgleicht, so dass das Gemisch bei λ=1 bleibt. Der Pumpstrom pumpt bei fettem Gemisch Sauerstoffionen in das Messgas der Nernstzelle hinein, bei magerem Gemisch hinaus. 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 NOx-Sonde ist bei Fahrzeugen mit NOx Speicherkatalysatoren eingebaut. Vom Aufbau und der Funktionsweise entspricht sie der Breitbandlambdasonde.

Sondenheizung

Da bei kaltem Motor die Temperatur noch weit unter 300 °C liegt, arbeitet die Sonde und damit die Regelung bei Kaltstart nicht oder nur sehr träge. Deshalb sind fast alle neueren Sonden mit einem elektrischen Heizelement ausgestattet, das die Sonde bereits kurz nach dem Kaltstarten auf die erforderliche Temperatur bringt. Dadurch ist es möglich, bereits in der Warmlaufphase des Motors einen emissionsoptimierten Betrieb zu gewährleisten. Die optimale Arbeitstemperatur liegt bei λ=1-Sonden zwischen 550 und 700 °C. Breitbandtypen werden 100 bis 200 Grad heißer betrieben.

Elektrischer Anschluss

Um Störungen und Fehlfunktionen in der empfindlichen Steuerung durch Spannungsschwankungen zu vermeiden, wird heute nicht mehr die gemeinsame Fahrzeugmasse als Minusleitung für Heizung und Sondenspannung verwendet, sondern separate Sensor-Anschlusskabel für Signal und Masse, die direkt zum elektronischen Steuergerät führen.

Monitorsonde

Bei neueren Ottomotoren wird eine zweite Lambda-Sonde, die sogenannte Monitorsonde, dazu verwendet, die Funktion des Katalysators zu überwachen. Die Monitorsonde befindet sich hinter dem Katalysator. Das Motorsteuergerät kann jetzt die Werte der Sonde vor dem Kat mit den Werten der Monitorsonde vergleichen. Bei einem voll funktionstüchtigen Kat erfolgt eine verzögerte Reaktion der Monitorsonde gegenüber dem Signal der ersten Sonde. Hat der Kat aber altersbedingt seine Sauerstoffspeicherfähigkeit verloren, verkürzt sich der Signalabstand zwischen der Sonde vor dem Kat und der Monitorsonde dahinter. Das Steuergerät kann jetzt eine entsprechende Meldung im Fehlerspeicher ablegen und den Fahrer mittels einer Warnleuchte über eine Fehlfunktion informieren.

Die Monitorsonde kann neben der Katalysatordiagnose auch zur Verbesserung der Genauigkeit der ersten Lambdaregelung und zur Plausibilisierung der ersten Sonde im Rahmen der Eigendiagnose verwendet werden.

Verwendung in der Hausheiztechnik

Bei der Verwendung von Brennwertkesseln kann eine Lambdasonde den Sauerstoffgehalt des Abgases messen und so am Kessel ein optimales Gemisch regeln, um so ein Überangebot an Zuluft zu verhindern, welches dem Heizungssystem Energie rauben würde. Je größer die Entfernung zwischen Flamme und Sonde gewählt wird, desto schwieriger wird die Regelung wegen der dann auftretenden Totzeit. Deshalb ist es wichtig, die Sonde möglichst im Brennraum zu montieren. Mit einer geeigneten Regelung erreicht man im Dauerbetrieb unabhängig von äußeren Einflüssen λ = 1,03. Da der Spannungsanstieg in der Nähe von λ = 1 stark nichtlinear ist und zu Regelschwingungen führen kann, muss man sich auf Spannungswerte unter 0,1 V beschränken.

Literatur

• Hans Jörg Leyhausen: Die Meisterprüfung im Kfz-Handwerk Teil 1. 12 Auflage, Vogel Buchverlag, Würzburg, 1991, ISBN 3-8023-0857-3
• Richard van Basshuysen, Fred Schäfer: Handbuch Verbrennungsmotor Grundlagen, Komponenten, Systeme, Perspektiven. 3. Auflage, Friedrich Vieweg & Sohn Verlag/GWV Fachverlage GmbH, Wiesbaden, 2005, ISBN 3-528-23933-6
• Kurt-Jürgen Berger, Michael Braunheim, Eckhard Brennecke: Technologie Kraftfahrzeugtechnik. 1. Auflage, Verlag Gehlen, Bad Homburg vor der Höhe, 2000, ISBN 3-441-92250-6
• Karl-Heinz Dietsche, Thomas Jäger, Robert Bosch GmbH: Kraftfahrtechnisches Taschenbuch. 25. Auflage, Friedr. Vieweg & Sohn Verlag, Wiesbaden, 2003, ISBN 3528238763

Siehe auch

• Themenliste Fahrzeugtechnik
• Clark-Elektrode

Einzelnachweise

1. ↑ Robert Bosch GmbH: 30 Jahre Lambda-Sonde von Bosch. Presse-Information 5205, Februar 2006.

Weblinks

• Widerstandsonde (PDF)
• Lambdasonde Aufbau