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Lambdasonde

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Definition: ein Sensor für die Messung des Sauerstoffgehalts in einem Abgas

Englisch: lambda sensor, oxygen sensor

Kategorie: Fahrzeuge

Autor: Dr. Rüdiger Paschotta

Wie man zitiert; zusätzliche Literatur vorschlagen

Ursprüngliche Erstellung: 30.09.2014; letzte Änderung: 21.02.2016

Eine Lambdasonde (oder Lambda-Sonde, λ-Sonde) ist ein Sensor für die Messung des Sauerstoffgehalts in einem Abgas. Der Restsauerstoffgehalt wird oft als ein Maß für das Verbrennungsluftverhältnis (den λ-Wert) verwendet:

Eine für Fahrzeuge mit Benzinmotor gängige Form der Lambdasonde ist die sogenannte Nernstsonde, eine elektrochemische Vorrichtung. Deren Ausgangsspannung hängt gerade im Bereich von λ nahe 1 sehr stark vom genauen Sauerstoffgehalt ab. (Daher kommt auch die Bezeichnung Sprungsonde oder binäre Sonde.) Sie ist deswegen besonders gut geeignet für den Einsatz in einem Ottomotor mit Drei-Wege-Katalysator (siehe unten). Für Magermotoren mit Benzin-Direkteinspritzung sind sogenannte Breitband-Lambdasonden (lineare Sonden) besser geeignet, die λ-Werte in einem weiteren Bereich messen können.

Weniger häufig kommen Widerstandssprungsonden zum Einsatz.

Anwendung in Ottomotoren mit Drei-Wege-Katalysator

Die meisten Ottomotoren für Fahrzeuge werden heutzutage mit einem Drei-Wege-Katalysator ausgerüstet. Dieser kann nur dann eine optimale Abgasqualität gewährleisten, wenn das Verbrennungsluftverhältnis recht nahe bei 1 liegt:

Deswegen ist nur ein geringer Restsauerstoffgehalt im Abgas erwünscht: genug, um die Oxidation von Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffen Katalysator zu ermöglichen, aber nicht zu viel, um Stickoxide abbauen zu können.

In aller Regel wird eine Lambdasonde im Abgasstrang (zwischen Abgaskrümmer und Katalysator) eingesetzt, um das Verbrennungsluftverhältnis zu überwachen. In den meisten Fällen wird die Kraftstoffeinspritzung mithilfe einer elektronischen Regelung, die das Signal der Lambdasonde nutzt, automatisch eingestellt. Bei Lastwechseln erfolgt zwar zunächst eine Korrektur gemäß einem Kennfeld, z. B. mit Hilfe eines Luftmassensensors im Ansaugtrakt. Später wird aber das verzögert eintreffende Signal von der Lambdasonde für die Feineinstellung verwendet. Bei schnellen Lastwechseln ist es leider schwierig, diese Regelung perfekt funktionieren zu lassen.

Häufig enthält die Abgasreinigungsanlage nicht eine, sondern zwei Lambdasonden.

Eine zweite Lambdasonde, die hinter dem Katalysator eingebaut wird, kann zu dessen Überwachung (durch die On-Board-Diagnostik) und zur Verbesserung der Genauigkeit der Lambdaregelung verwendet werden. Im Katalysator wird nämlich ein Teil des restlichen Sauerstoffs bei der Oxidation von Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffen verbraucht. Eine entsprechend verringerte Sauerstoffkonzentration bei der zweiten Sonde ist also ein Zeichen für das Funktionieren dieser Oxidationsreaktionen.

Bei modernen Fahrzeugen wird eine ausgefeilte Lambdaregelung eingesetzt, um eine optimale Funktion des Katalysators zu erzielen.

Optimal funktioniert der Katalysator übrigens, wenn der Lambda-Wert nicht exakt konstant gehalten wird, sondern ein wenig (mit einer Amplitude von z. B. 3 %) um 1 herum schwankt. Dies wird mit einer sogenannten Zwangsanregung erreicht. Im einfachsten Fall arbeitet diese mit einer binären Lambdasonde und einer Elektronik, die den Motor so steuert, dass das Signal der Lambdasonde ständig zwischen den beiden möglichen Zuständen wechselt. Bei modernen Fahrzeugen wird allerdings in der Regel eine wesentlich ausgefeiltere Art von Lambdaregelung mithilfe einer linearen Lambdasonde verwendet, bei der mehrere Aspekte berücksichtigt werden. Beispielsweise wird hier auf der Basis des Nachsonden-Signals (d. h. des Signals einer zusätzlichen Lambdasonde hinter dem Katalysator) eine Kennlinienverschiebung vorgenommen, um langfristig den idealen Lambda-Wert hinter dem Katalysator genau einzuhalten.

Durch eine elektrische Sondenheizung wird eine moderne Lambdasonde in kürzester Zeit nach dem Start einsatzbereit.

Da die Lambdasonde nur bei einer ausreichend hohen Arbeitstemperatur (mehrere hundert °C) funktioniert, wird sie heutzutage meist mit einer elektrischen Sondenheizung ausgestattet, die in der Warmlaufphase nach dem Kaltstart für kurze Zeit eingesetzt wird. Allerdings wird der Katalysator ohnehin erst wirksam, wenn auch dieser die nötige Betriebstemperatur erreicht hat. Dies kann im Prinzip beschleunigt werden, indem auch der Katalysator elektrisch beheizt wird. Dies wäre allerdings relativ aufwendig; deshalb ist es üblicher, stattdessen die Abgastemperatur durch Eingriffe der Motorsteuerung zu erhöhen. Eine weitere Möglichkeit ist es, den Motor in der Warmlaufphase mit fettem Gemisch zu betreiben und zusätzlich Sekundärluft dem Abgas zuzufügen, sodass der Katalysator durch verstärkte Oxidationsprozesse erhitzt wird.

Auch vor der Katalysator anspringt, verhindert eine beheizte Lambdasonde zumindest, dass die Motorregelung eine Zeit lang im “Blindflug” arbeiten muss und den Motor beispielsweise mit unnötig überfettetem Gemisch betreibt.

Normalerweise hat ein Motor nur eine einzige Lambdasonde; Abweichungen zwischen verschiedenen Zylindern lassen sich damit nicht erkennen oder korrigieren.

Abweichungen der Abgaszusammensetzung zwischen den verschiedenen Zylindern eines Motors können mit einer Lambdasonde nicht erkannt oder korrigiert werden. Dafür bräuchte es eine Sonde pro Zylinder und eine Regelung, welche die Gemischzusammensetzung für jeden Zylinder separat steuert. Da der Aufwand hierfür sehr hoch wäre, wird hierauf normalerweise verzichtet. Man versucht stattdessen, die Abweichungen zwischen den Zylindern durch genaue Fabrikation aller Komponenten möglichst gering zu halten. Selbst dann sind gewisse Abweichungen beispielsweise durch Verschmutzungen oder Defekte möglich.

Anwendung in anderen Motoren

Dieselmotoren und Benzin-Magermotoren arbeiten mit λ-Werten deutlich oberhalb von 1. Auch hier kann das Verbrennungsluftverhältnis mit einer geeigneten Lambdasonde überwacht werden. Ebenfalls ist die Überwachung der Funktion eines Stickoxid-Speicherkatalysators damit möglich.

Anwendung in Heizungsanlagen

Auch in Heizungsanlagen ist das Verbrennungsluftverhältnis von Interesse. Deswegen wird auch hier heute oft eine Lambdasonde eingesetzt. Deren Signal wird in der Regel zur Bestimmung der notwendigen Drehzahl eines Gebläses genutzt, mit dem die Verbrennungsluft zugeführt wird. Diese Lambda-Regelung ermöglicht beispielsweise bei Gasheizungen, selbst bei variablen Gasqualitäten stets die richtige Luftmenge zu verwenden. Somit ist also eine vollständige Verbrennung mit minimalen Kohlenmonoxid-Emissionen möglich, ohne über einen großen Luftüberschuss erhöhte Abgasverluste in Kauf nehmen zu müssen. Auch die Alterung von Komponenten des Brenners oder Einflüsse eines variablen Schornsteinzugs können damit ausgeglichen werden, um im Falle ernster Störungen (beispielsweise Ausfall des Gebläses) kann die Gaszufuhr sofort gestoppt werden. Eine ähnliche Anwendung ist möglich in Holzheizungen.

Siehe auch: Abgas, Verbrennungsluftverhältnis
sowie andere Artikel in der Kategorie Fahrzeuge

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