Von Martin Olsson (username ‘mnemo’ on en/sv wikipedia and commons, martin@minimum.se). – Eigenes Werk, CC BY-SA 3.0, Link
Die Lambdasonde ist der Hauptsensor im Regelkreis der Lambdaregelung zur katalytischen Abgasreinigung (umgangssprachlich: geregelter Katalysator). Ziel ist es dabei, die Abgabe von Schadstoffen wie Stickoxiden, Kohlenwasserstoffen und Ruß zu minimieren.
Lambdasonden werden hauptsächlich bei Ottomotoren, aber auch bei der Abgasregelung von Hackschnitzelheizungen, Biomasseheizungen, Pelletheizungen, Gasthermen und Dieselmotoren eingesetzt.
Funktion der Nernstsonde / Spannungssprungsonde
Die Nernstsonde (benannt nach Walther Nernst) nutzt Zirkoniumdioxid (Zirkonium(IV)-oxid) als Membran. Dabei nutzt man die Eigenschaft von Zirkoniumdioxid, bei Temperaturen ab ca. 300 °C Sauerstoffionen elektrolytisch transportieren zu können, wodurch eine Spannung zwischen den außenliegenden Elektroden entsteht[5]. Durch diese Eigenschaft bestimmen Zirkonium-basierte Sauerstoffsensoren den Unterschied des Sauerstoffpartialdrucks (~ O2-Konzentrationsunterschied) zweier verschiedener Gase. Bei der Lambdasonde wird eine Seite der Membran dem Abgasstrom ausgesetzt, während die andere Seite an einer Sauerstoffreferenz liegt. Bei der Lambdasonde wird als Referenz die Umgebungsluft verwendet. Diese wird entweder durch eine Öffnung direkt an der Sonde oder über eine separate Zuleitung herangeführt, wodurch eine mögliche Referenzluftvergiftung durch CO2, CO, Wasser, Öl- oder Kraftstoffdämpfe erschwert wird. Bei einer Referenzluftvergiftung ist der Sauerstoffgehalt der Referenz verringert, wodurch die Sondenspannung kleiner wird. Bei Sensoren mit einer gepumpten Referenz (Zirkoniumdioxid-Sensoren mit metallisch versiegelter Referenz/MSRS) wird kein separates Referenzgas wie Umgebungsluft benötigt, die Sauerstoffreferenz wird hier eigenständig im Sensor hergestellt, hierzu wird die Membran als Pumpe genutzt und eine praktisch sauerstofffreie Referenz im versiegelten Bereich erzeugt.
In einigen Varianten der Lambdasonde kommt Zirkonium auch als YSZ-Keramik (Yttria-stabilized Zirconia) zum Einsatz, wodurch unter anderem die Betriebstemperatur merklich reduziert wird. Schon bei Temperaturen ab etwa 300 °C wird die Yttrium-dotierte Zirkoniumdioxid-Membran der Sonde für negative Sauerstoffionen durchgängig. Bei allen Nernstsonden kommt es durch den Konzentrationsunterschied (oder Partialdruckunterschied) zu einer Ionendiffusion des Sauerstoffs, folglich wandern O2−-Ionen von der hohen Konzentration (Luft) zur niedrigen Konzentration (Abgas). Die Sauerstoffatome können als doppelt negativ geladene Ionen also durch die Membran aus Zirkonium-Keramik hindurchdiffundieren. Die zur Ionisierung der Sauerstoffatome erforderlichen Elektronen werden von den elektrisch leitfähigen Elektroden geliefert. Dadurch lässt sich zwischen den innen und außen angebrachten Platinelektroden eine elektrische Spannung abnehmen, die Sondenspannung. Diese wird über Kabel an das Motorsteuergerät weitergeleitet. Sie liegt bei λ=1 zwischen 200 und 800 mV (optimal bei etwa 450 mV), im Bereich bei λ>1 (mageres Gemisch, zu viel Luft) unter 200 mV, bei λ<1 (fettes Gemisch, zu viel Kraftstoff) über 800 mV. Die Spannung wird dabei durch die Nernst-Gleichung beschrieben. In einem sehr schmalen Übergangsbereich um λ=1, zwischen 200 und 800 mV, dem sogenannten λ-Fenster, ist die Kennlinie extrem steil und nichtlinear. Die Spannung ändert sich dort in Abhängigkeit vom Luft-Kraftstoff-Verhältnis fast sprunghaft, was einerseits eine am Arbeitspunkt exakte, andererseits jedoch keine stetige Regelung des Gasgemisches ermöglicht. Deshalb wird diese oft durch einen einfachen Zweipunktregler realisiert.
Von Michael Handrich – Eigenes Werk, CC BY-SA 3.0, Link