Aufbau und Funktion von Lambdasonden Katalysator und Lambda
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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 |
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).
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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.
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Die Konvertierungsrate |
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Ein
Katalysator ist ein Stoff, der eine chemische
Reaktion hervorruft und/oder beschleunigt, ohne selbst daran teilzunehmen.
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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.
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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.
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Konvertierungsrate Quelle: NGK
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Aufbau und Funktion der Lambdasonde
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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.
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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.
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Arbeitsprinzip der Zirkonia Lambdasonde
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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) |
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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
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Zirkondioxyd-Lambdasonde Quelle: NGK
| λ
< 1 = fettes Gemisch
U-Lambda ca. 0,9 V
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Sondenspannung in Abhängigkeit vom
Gemisch |
λ
> 1 = mageres Gemisch
U-Lambda ca. 0,1 V
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Sondenheizung und Verkabelung
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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
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Weiterführede Links:uch
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,
Autor: Johannes Wiesinger
bearbeitet:
09.10.2023
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