Lambdasonden

Auto und Umwelt

Bei der Verbrennung von Kraftstoffen entstehen neben harmlosen Produkten wie Wasser, Kohlen- dioxid oder Stickstoff auch gefährliche Schad-stoffe – etwa Kohlenmonoxid, Stickoxide und Kohlenwasserstoffe.

Seit vielen Jahren kämpfen Politik und Industrie gegen diesen Schadstoffausstoß. So verfügt jedes Neufahrzeug mit Ottomotor bereits seit Ende der Achtzigerjahre über einen geregelten Katalysator, der den Schadstoffausstoß reduziert.

Dass er dieser Aufgabe nachkommen kann, wird unter anderem durch die Lambdasonde sicher- gestellt. Denn sie garantiert dem Katalysator optimale Betriebsbedingungen.

Abgaszusammensetzung

Schadstoffe stellen nur einen sehr geringen Teil der gesamten Emissionen eines modernen Mo- tors dar. Lediglich 1,1 Prozent beim Ottomotor und 0,2 Prozent beim Dieselmotor. Der Großteil des Abgases besteht aus Stickstoff, Wasser und Kohlendioxid.

Dennoch ist es ist es wichtig, dass auch die ver-gleichsweise kleine Menge an Schadstoffen unschädlich gemacht wird.

Euro-Normen

Die Euro-Normen sind Vorgaben des Gesetzgebers. Sie definieren verbindliche Grenzwerte, die Neufahrzeuge bei der Markteinführung einhalten müssen.

1992 trat mit Euro 1 die erste Euro-Norm in Kraft. Mit der Zeit wurden die Vorgaben immer strenger. Seit September 2009 ist Euro 5 in Kraft, Euro 6 wird 2014 wirksam. Die in den Euro-Normen festgelegten Grenzwerte sind ohne Katalysator nicht mehr einzuhalten.

So sind die Euro- Normen der wesentliche Grund, warum von den rund 162 Millionen Pkw mit Ottomotor*, die in Gesamteuropa registriert sind, bereits heute 135 Millionen mit geregeltem Katalysator ausgestattet sind.

Position der Lambdasonden

Grundsätzlich gilt:

Damit der Katalysator optimal arbeitet, muss das Luft-Kraftstoff-Verhältnis im Brennraum exakt ab- gestimmt sein. Hierbei spielen Lambdasonden eine wesentliche Rolle. Moderne Fahrzeuge verfügen über mindestens zwei Lambdasonden.

Eine Regelsonde vor dem Katalysator und – seit der Einführung der On-Board-Diagnose (OBD) – eine Diagnosesonde hinter dem Katalysator.

Der Lambda-Regelkreis

Die Regelsonde misst den Restsauerstoff im noch unbehandelten Abgas. Dabei entsteht ein Sondensignal, das die Motorsteuerung (auch „ECU“ = „Engine Control Unit“) benutzt, um über den Gemischbildner die Gemischzusammensetzung zu verändern.

Die Diagnosesonde misst den Restsauerstoff im behandelten Abgas. Anhand ihres Signals kann die Motorsteuerung abgasrelevante Fehlfunktionen erkennen und dem Fahrer melden.

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Luft-Kraftstoff-Gemisch

Das ideale Verhältnis von Luft und Kraftstoff liegt bei einem Ottomotor vor, wenn 14,7 kg Luft auf 1 kg Kraftstoff kommen. Es wird auch als „stöchiometrisches Gemisch“ bezeichnet.

Hierbei entspricht die bei der Verbrennung zugeführte Luftmenge exakt dem theoretischen Luftbedarf. Dieser ideale Gemischzustand wird auch mit dem griechischen Buchstaben Lambda (λ) bezeichnet.

Nur wenn dieses Verhältnis vorliegt, ist eine vollständige Verbrennung gewährleistet und der Katalysator kann die schädlichen Abgase nahezu komplett in umweltverträgliche Gase umwandeln.

Heute werden daher nahezu alle benzin-betriebenen Ottomotoren mit diesem Gemisch betrieben. Bei anderen Kraftstoffarten ändert sich das Luft-Kraftstoff-Verhältnis.

Luftzahl

Natürlich gibt es auch Betriebszustände jenseits von Lambda = 1. Die sogenannte Luftzahl gibt Auskunft über das jeweilige Mischungsverhältnis.

Ist beispielsweise mehr Kraftstoff im Gemisch enthalten, spricht man von einem fetten Gemisch – der Motor fährt mit Luftmangel. Die Luftzahl liegt bei Lambda kleiner als 1.

Kommt dagegen vergleichsweise wenig Kraftstoff auf relativ viel Luft, spricht man von einem mageren Gemisch. Im Brennraum herrscht ein Luftüberschuss. Die entsprechende Luftzahl liegt bei Lambda größer als 1.

Wirkungsgrad des Katalysators

Liegt ein stöchiometrisches Gemisch (λ=1) vor, kann der geregelte Katalysator die Schadstoffe Kohlenstoffmonoxid (CO) und Stickoxide (NOx) um mehr als 95 Prozent reduzieren.

Wird der Motor fett betrieben (λ kleiner als 1), sinkt die Konvertierungsrate – vor allem der Ausstoß von Kohlenmonoxid und den Kohlenwasserstoffen steigt stark an.

Wird der Motor mager betrieben (λ größer als 1), steigt dagegen die Umweltbelastung durch Stickoxide in beträchtlichem Maße.

Lambdasondentypen

Man unterscheidet drei verschiedene Typen von Lambdasonden. Die Zirkondioxid- und die Titandioxid - Lambdasonde werden auch als Spannungssprung-, Sprung- oder „binäre“ Lambdasonden bezeichnet, weil das Sondensignal hier zwischen zwei Werten hin und her pendelt.

Die dritte Gruppe sind sogenannte Breitband-Lambdasonden. Sie werden auch als „lineare“ Lambdasonden bezeichnet, weil sie einen fließenden Übergang zwischen unterschied- lichen Gemischzuständen messen und darstellen können.

Zirkondioxid-Lambdasonde (Spannungssprungsonde)

Die Zirkondioxid-Lambdasonde ist der am häufigsten eingesetzte Typ.

Diese Sonden kommen je nach Fahrzeug als Regel- und als Diagnosesonde zum Einsatz.

Arbeitsweise der Zirkondioxid-Sonde

Das Zirkondioxid-Sondenelement ist fingerförmig und hohl. Die Innenseite hat Kontakt zur Umgebungsluft. Die Außenseite liegt im Abgasstrom. Beide Seiten sind mit einer dünnen, porösen Platinschicht überzogen, die als Elektrode fungiert.

Erreicht die Lambdasonde Betriebstemperatur fließen Sauerstoff-Ionen aufgrund der unterschiedlichen Sauerstoff-Konzentration. Von der Außenluft bewegen sich Sauerstoff-Ionen in Richtung Abgas, um diese auszugleichen.

Durch die entstehende Potenzialdifferenz liegt eine elektrische Spannung (U) an den Platinelektroden an. Ist das Gemisch mager, beträgt das Sondensignal etwa 0,1 Volt. Ist das Gemisch fett, liegt es bei 0,9 Volt. Bei Lambda = 1 findet ein charakteristischer Spannungssprung von 0,45 Volt statt.

Zirkondioxid-Lambdasonde: Kabelzuordnungen

Zirkondioxid-Lambdasonden verfügen über bis zu vier Leitungen. Unbeheizte Sonden mit Massekontakt über das Gewinde kommen mit einer schwarzen Signalleitung aus. Unbeheizte Sonden mit eigenem Massekontakt zur Fahrzeugelektrik verfügen über ein zusätzliches, graues Massekabel.

Beheizte Sonden haben entweder drei oder vier Kabel. Auch hier trägt Schwarz stets das Sondensignal. Zwei weiße Kabel sind für die Stromversorgung des Heizers verantwortlich. Erfolgt die Masseverbindung nicht über das Gewinde, liegt zusätzlich eine graue Masseleitung zur Fahrzeugelektrik vor.

Titandioxid-Lambdasonde (Widerstandssprungsonde)

Im Unterschied zu Zirkondioxid-Lambdasonden produzieren Titandioxid-Lambdasonden keine Spannung. Stattdessen ändert sich ihr Widerstand mit der Restsauerstoffkonzentration im Abgas.

Titandioxid-Lambdasonden verfügen stets über einen integrierten Heizer und kommen ohne Referenzluft aus. Sie sind daher meist kompakter als Zirkondioxid-Typen.

Arbeitsweise der Titandioxid-Sonde

Ein Titandioxid-Element ändert seinen elektrischen Widerstand proportional zum partialen Sauerstoffdruck im Gasgemisch.

Bei hohem Sauerstoffanteil (λ größer als 1) ist das Titandioxid weniger leitfähig, bei niedrigem Sauerstoffanteil (λ kleiner als 1) ist es leitfähiger. Wird nun eine Spannung an das Element angelegt, ändert sich die Ausgangsspannung entsprechend der Sauerstoffkonzentration im Abgas.

Die Betriebstemperatur dieser Lambdasonden liegt bei 700 °C. Ein weiterer Vorteil dieses Sondentyps: Die Titandioxid-Sonde benötigt keine Außenluft als Referenz und fällt daher kleiner aus.

Titandioxid-Sonde: Kabelzuordnungen

Titandioxid-Lambdasonden der Marke NTK verfügen stets über vier Kabel. Bei allen Typen ist Signal (-) schwarz, Signal (+) gelb und der Anschluss für das Heizelement (-) weiß.

Lediglich in der Farbe der Leitung für das Heizelement (+) gibt es zwei unterschiedliche Belegungen: Bei Lambdasonden des Typs 1 ist dieses Kabel rot, bei Typ 2 grau.

Breitband-Lambdasonde

Mit der Anforderung der Verbrauchs und Emissionsreduzierung kam auch die Notwendigkeit auf, Motoren außerhalb des stöchiometrischen Betriebspunktes geregelt zu betreiben. Vor allem die Anfettung des Gemisches während des Kaltstarts, aber auch die Anfettung im Volllastbereich sind Kernpunkte der Betrachtung.

Neuere Motorenkonzepte sehen aber auch einen Magerbetrieb über weite Betriebsbereiche vor, der entsprechend geregelt sein muss. Zu diesem Zweck wurden sogenannte Breitbandsonden entwickelt, die ein dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis proportionales und damit viel genaueres Ausgangssignal abgeben. Solche Sonden kommen auch in modernen Dieselmotoren zum Einsatz, die häufig mit Luftüberschuss arbeiten.

Arbeitsweise der Breitband-Lambdasonde

Breitbandsonden besitzen zwei Zellen: eine Messzelle und eine Pumpzelle. In der Messzelle wird der Sauerstoffgehalt des Abgasstromes mit einem Sollwert von 450 mV verglichen.

Weicht dieser Wert ab, werden mit Hilfe eines Pumpstroms so viele Sauerstoffionen in die Messkammer hinein oder aus ihr herausgepumpt, bis sich zwischen der Elektrode der Referenzluftseite und der Elektrode der Messkammer ein Spannungswert von 450 mV einstellt.

Dieser Pumpstrom ist die Messgröße, welche den genauen Lambdawert des Gemisches fast linear beschreibt. Bei stöchiometrischem Gemisch ist er gleich Null, da der Sauerstoff-Partialdruck der Messkammer dem oben genannten Sollwert entspricht.

Signale einer Breitband-Lambdasonde

Liegt ein stöchiometrisches Gemisch vor (Lambda = 1) fließt kein Strom bei Ip. Bei fettem Gemisch fließt negativer Strom bei Ip.

In die Detektionskammer wird Sauerstoff gepumpt. Bei magerem Gemisch fließt positiver Strom bei Ip aus der Detektionskammer. Sauerstoff wird aus der Kammer hinausgepumpt.

Breitband-Lambdasonde: Kabelzuordnungen

NTK Breitband-Lambdasonden verfügen über fünf Kabelverbindungen.

Das Heizelement wird über gelb und blau mit Strom versorgt. Das Signal des Pumpstroms (Ip+) fließt durch das weiße Kabel, das der Messzelle (Vs+) über das graue Kabel. Das schwarze Kabel stellt die Masseverbindung für Pump- und Messzelle dar.

Spezialsonden

Für moderne Anwendungen sind oft spezielle Sondentypen notwendig. So stellen etwa Benzin-Direkteinspritzer, der Motorsport oder der Zweiradbereich ganz besondere Anforderungen an die Abgastechnik.

NOx-Sonden

Um Ottomotoren sparsamer und umweltfreundlicher zu machen, setzen die Automobilhersteller zunehmend auf Benzin-Direkteinspritzer, die unter Teillast mager betrieben werden.

Das beschert einen 12 - 20 % niedrigeren Verbrauch – erfordert aber auch einen NOx-Sensor.

Zum Betreib einer NOx-Sonde ist eine Betriebselektronik notwendig die direkt mit der Sonde verbunden ist.

Arbeitsweise der NOx-Sonde

Im mageren Schichtladebetrieb liegt der Betriebspunkt des Motors nicht mehr bei Lambda = 1 und somit außerhalb des optimalen Konvertierungsfenster des Katalysators. Stickoxide können von ihm nicht mehr optimal konvertiert werden und steigen deutlich an.

Aus diesem Grund wird ein zusätzlicher NOx-Speicher-Katalysator eingesetzt, der die Stickoxide zwischenlagert.

Ist seine Speicherfähigkeit erschöpft, wird dies vom NOx-Sensor erkannt. Er weist die Motorsteuerung an, für rund zwei Sekunden auf fetten Betrieb (λ kleiner als 1) umzuschalten. Die Stickoxide werden reduziert und in harmlosen Stickstoff umgewandelt.

Diese „Regenerationsphase“ wiederholt sich im Magerbetrieb etwa alle 60 Sekunden.

Kabelbelegung der NOx-Sonde

Hier sehen Sie die Kabelbelegung einer NTK NOx-Sonde.

Lambdasonden für Motorräder

Seit 1999 gibt es Grenzwerte auch für Motorräder. In immer mehr Motorrädern kommt daher ab Werk auch ein geregelter Katalysator zum Einsatz.

Eine Spezialentwicklung von NGK SPARK PLUG stellt vor diesem Hintergrund die OZAS-S3 Lambdasonde dar. Ihr Titandioxid-Sondenelement kann besonders hohen Temperaturen widerstehen.

So kann die Sonde nah am Motor installiert werden und erreicht auch ohne Heizer schnell die erforderliche Betriebstemperatur.

Der Vorteil: Die Sonde ist besonders klein. Zudem wird das Kabel ähnlich wie bei einer Zündkerze auf die Sonde „aufgesteckt“.

Lambdasonden für den Motorsport

Im Motorsport kommen Breitbandsonden zum Einsatz, da die Gemischzusammensetzung hier besonders genau kontrolliert und eingestellt werden muss. Solche Sonden müssen zudem besonders belastungsfähig konstruiert sein, denn der Rennbetrieb stellt harte Anforderungen an die Lambdasonden.

So herrschen etwa extreme Abgastemperaturen. Außerdem sind die Sonden hohen Vibrationen und Drücken ausgesetzt, die weder die Sonde beschädigen, noch das Messergebnis verfälschen dürfen.

Einbau einer Lambdasonde

Zur Montage der Lambdasonde wird ein offener Ringschlüssel verwendet. Schlageinwirkung sollte unbedingt vermieden werden, um das keramische Sondenelement nicht zu beschädigen. Auch muss eine Beschädigung, ein Verdrehen oder Stauchen der Kabel ausgeschlossen werden.

Einbaufertige Lambdasonden in Erstausrüsterqualität bieten wesentliche Vorteile: Sie verfügen über genau die richtigen Kabellängen und Abmessungen. Außerdem sind beispielsweise Lambdasonden von NTK bereits mit silikonfreier Heißschraubpaste beschichtet, diese muss nicht mehr extra aufgetragen werden.

Verschleiß und Austausch

Mit zunehmender Alterung reagieren Lambdasonden träger und der Spannungssprung fällt schwächer aus.

Das bedeutet: Die Motorsteuerung erhält das Signal nicht rechtzeitig oder das Signal ist für sie unbrauchbar. Ist dies der Fall, schaltet die Motorsteuerung auf „Notlauf“ und fettet das Gemisch vorsorglich an. So wird Leistung garantiert, Bauteile werden vor Überhitzung geschützt.

Die Kehrseite: Der Spritverbrauch steigt beträchtlich, mehr schädliche Abgase gelangen in die Umwelt. Oft bleibt ein solcher Defekt bis zur nächsten Abgasuntersuchung unbemerkt, doch der Motor verbrennt mit jedem Kilometer Geld und belastet die Umwelt mehr, als nötig wäre.

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Lambdasonde testen

Am genauesten ist der Test mit dem Oszilloskop. Es zeigt die minimale und maximale Spannung, die Ansprechzeit und die Periodendauer an. Beim Test sind in jedem Fall die Herstellerangaben zu beachten.

Testprozedur:

• Motor bei 2.000 Umdrehungen auf Betriebstemperatur bringen
• Oszilloskop an Signalleitung anschließen, ohne die Sonde von der Motorsteuerung zu trennen
• Messbereich auf 1 – 5 Volt, Zeit auf 5 – 10 Sekunden einstellen (Herstellerangaben beachten)
• Ggf. automatische Signalerkennung aktivieren.

Eine funktionstüchtige Sonde pendelt mit einer Frequenz von 0,5 – 4 Hz mindestens zwischen 0,1 und 0,9 Volt.

Diagnosetipps

Eine Sichtprüfung gibt oft bereits ersten Aufschluss über eine mögliche Fehlfunktion. Prüfpunkte für die Werkstatt sind etwa:

Heizwiderstand:

Liegt er über 30 Ω, ist die Sonde defekt.

Kabel:

Sind sie gebrochen oder der Stecker? Ist die Kabelabdichtung intakt? Ist Feuchtigkeit in den Stecker eingedrungen? Sind die Steckerkontakte in Ordnung? Ist die Kabelverlegung nicht zu stramm?

Sonde:

Weist die Sonde sichtbare Beschädigung auf?

Für jedes Fahrzeug gibt es spezielle Sonden – daher darf der Austausch nur gegen baugleiche Sonden erfolgen.