Eine Lambdasonde als passiver Messfühler. Empfehlenswert ist es zuerst die Beiträge „„Lambdasonde Prinzip“, „Lambdasonden Typen“ zu lesen.
Ziel
Die Lambdasonde soll das Steuergerät ständig durch ein Spannungssignal über die Zusammensetzung des Abgases informieren.
Mit ihr ist der eigentliche falsche Begriff "geregelter Kat" entstanden, denn nur der Verbrennungsprozess im Motor und somit das Abgas, nicht aber der Kat ist in die Regelung einbezogen. Einen Kat kann man nicht regeln. Auch die Sonde regelt nicht sondern ist nur ein passiver Messwertgeber damit die Motorelektronik regeln kann. Erstmals wurde die Lambdasonde 1976 von Bosch vorgestellt.
Um eine optimale Umwandlung der Abgase im Katalysator im klassischen Ottomotor (L=1 Motor) zu gewährleisten, muss das Verhältnis von Treibstoff (Benzin) und Luft (das Verbrennungsluftverhältnis) bei allen Betriebszuständen des Ottomotors so eingestellt sein, dass eine vollständige Verbrennung stattfindet (stöchiometrisches Verbrennungsluftverhältnis). Das Verhältnis dazu beträgt je nach Qualität (Oktanzahl) des Treibstoffs ungefähr 14,7 kg Luft pro 1 kg Benzin (~ ca. 7%). Diese Luftmenge entspricht etwa 11 Kubikmeter bei Normaldruck!
Das Verhältnis der tatsächlich benötigten Luftmenge zum theoretischen Luftbedarf wird als Luftzahl oder Lambdawert bezeichnet.
L= 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 etwas Luftmangel (L<1 ca. 0,9 = fettes Gemisch) und den niedrigsten Verbrauch bei Luftüberschuss (L>1 ca. 1,1 = mageres Gemisch).
Das Motormanagement benötigt zur Regelung der Gemisch- und somit zur Abgaszusammensetzung einen Messwertgeber, der die Abgase messen bzw. erkennen kann, ob das Gemisch zu fett oder zu mager ist.
Regelsonde
Die Lambdasonde vergleicht permanent den Restsauerstoffgehalt im Abgas mit einer Referenz (z.B. dem Sauerstoffgehalt der Umgebungsluft) und leitet einen daraus resultierenden Wert als analoges elektrisches Signal an ein Steuergerät.
Im klassischen Ottomotor wird dazu eine so genannte Sprungsonde bzw. L=1-Sonde zur Lambdamessung verwendet. Der Name 'Sprungsonde' leitet sich dabei vom Verhalten des Sondensignals beim Übergang von einem fetten Gemisch (L<1) zu einem mageren Gemisch (L>1) ab (das gleiche gilt auch für den Wechsel von Mager nach Fett). Das Signal dieser im Allgemeinen als Lambdasonde bezeichneten Sprungsonde macht bei diesen Übergängen einen charakteristischen Sprung.
Bei den (üblichen) Sprungsonden gibt es nur die Informationen „zu fett“ oder „zu mager“, nicht aber „passt“. Wenn der Wert also dauernd springt erkennt die Motronik daran Lambda =1.
In neueren Motorkonzepten werden z.T. Breitbandsonden verwendet die bei Lambda 1 nicht springen sondern über einen weiten Bereich eine nahezu lineare Information liefen. Sie eignen sich auch für Motoren und Turbinen die weit im mageren Bereich, also mit deutlichem Luftüberschuss betrieben werden.
Regelung
Das Steuergerät erzeugt daraus, zusammen mit anderen Kenngrößen, ein Steuersignal zur Gemischbildung, was beim Ottomotor meist in der Anpassung der Einspritzmenge/zeit mündet (Lambdaregelung).
Während die Lambdaregelung im Ottomotor einen direkten Eingriff auf die eingespritzte Kraftstoffmenge erlaubt, ist solch ein Eingriff beim Dieselmotor aus Sicherheitsgründen verboten. Die Lambdaregelung beim Dieselmotor erfolgt stattdessen über das Luftsystem, durch Regulierung der Abgasrückführrate. Erweiterte Zusatzfunktionen wie z.B. eine Rauchbegrenzung beim Diesel sind auf diesem Weg ebenfalls möglich.
Monitorsonde
Bei neueren Ottomotoren wird eine zweite Lambdasonde, die sogenannte Monitorsonde, dazu verwendet, die Funktion des Katalysators zu überwachen. Die Monitorsonde befindet sich hinter dem Katalysator. Das Motorsteuergerät kann somit die Abgaswerte vor und nach dem Katalysator vergleichen. Bei einem voll funktionstüchtigen Katalysator wird ein gewisser Anteil des Restsauerstoffgehalts der Abgase dazu verwendet, das Atemgift Kohlenstoffmonoxid (CO) sowie unverbrannte Kohlenwasserstoffe (HC) zu Kohlenstoffdioxid (CO2) und Wasser (H2O) umzuwandeln. Die Monitorsonde sollte also bei einem voll funktionstüchtigen Kat immer einen geringeren Sauerstoffgehalt als die Regelsonde messen. Hat der Katalysator altersbedingt seine katalytische Fähigkeit verloren, registriert die Monitorsonde dieselben Fett-Mager-Zyklen wie die Vorkatsonde, je nach Beschädigungsgrad des Kats mit stark verminderten Spannungspegeln. Das Steuergerät erkennt dies und kann jetzt eine entsprechende Meldung im Fehlerspeicher ablegen und den Fahrer mittels einer Warnmeldung über eine Fehlfunktion des Katalysators 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.
Eine Monitorsonde ist i.d.R. eine Breitbandsonde.
Bei OBD-Fahrzeugen muss die Funktion der Regel-Lambdasonde und Monitorsonde vom Steuergerät überwacht werden.
Die Überwachung erfolgt sporadisch. Das Steuergerät überwacht den Spannungshub; die Amplitude; die Regelfrequenz; Unterbrechung der Heizwicklung; und die Masseverbindung.
Bei Fehlfunktion wird vom Steuergerät die MIL-Lampe (Motorkontrollleuchte) angesteuert.
Mechanischer Aufbau
Der mechanische Aufbau ist bei allen Sondentypen ähnlich.
Die eigentliche Sonde/der Sensor wird von einem nichtleitenden Keramikelement gehalten. Dieses ist von einem metallischen Gehäuse mit Einschraubgewinde und Sechskant umschlossen. Bei allen modernen Varianten ist ein Heizelement integriert.
Die Ansprechzeit wird auch als „Light-off-time“ bezeichnet. Moderne Sonden liefern innerhalb von wenigen Sekunden ein Signal.
Das keramische Sondenelement ist von einem Schutzrohr umgeben. Es erleichtert, dass das Sensorelement auf der gewünschten Temperatur gehalten wird, schützt es vor Festkörpern im Abgas und vor Wasserschlag. Im Abgasrohr auftretendes Wasser kann zu Thermobrüchen der heißen Keramikelemente führen. Für den Gaszutritt ist das Schutzrohr mit Löchern versehen.
Natürlich ist die gesamte Sonde nach „aussen“ abgedichtet damit kein Abgas entweichen kann und die Anschlüsse der Kabel sind wasserdicht ausgeführt.
Dargestellt ist eine beheizte Fingersonde. Die Ausführung mit nur 3 Anschlüssen ist veraltet, sieht aber nicht wesentlich anders aus als eine mit 4…6 Anschlüssen.
Die neueren Planarsonden haben anstelle des hohlen „Fingers“ ein stäbchenförmiges Element.
Technischer Aufbau
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 alle neueren Sonden mit einem elektrischen Heizelement ausgestattet, das die Sonde innerhalb weniger Sekunden nach dem Starten auf die erforderliche Temperatur bringt. Dadurch ist es möglich, bereits in der Warmlaufphase des Motors einen emissionsoptimierten Betrieb zu gewährleisten.
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 Anschlusskabel, die direkt zum elektronischen Steuergerät führen.
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