Ulrich Alkemade

Das steigende Bedürfnis der Autofahrer nach Sicherheit und Komfort sowie ein zunehmendes Umweltbewusstsein führen zu immer komplexerer Technik im Automobil. Die Vielfalt von Funktionen lässt sich nur noch mit leistungsfähigen Mikrorechnern koordinieren und steuern. Diese verarbeiten ständig aktuelle Informationen aller Sensoren wie Drehzahl, Winkel, Vibration, Luftgüte, Geschwindigkeit, Beschleunigung Druck, Temperatur, Medienzustand und Abgaszusammensetzung.
Bosch hat Sensoren für annähernd alle Messgrößen im Fahrzeug entwickelt. Auf die Lambdasonden soll in diesem Beitrag näher eingegangen werden.

Das ständig steigende Verkehrsaufkommen und die damit gestiegenen Umweltbelastungen, insbesondere durch den innerstädtischen Verkehr, wurden in der Vergangenheit zunehmend zu einem Problem. Die Abgasemissionen der Kraftfahrzeuge mussten deshalb begrenzt werden.
Mittlerweile haben alle Industriestaaten Abgasgesetze eingeführt, die zulässige Grenzwerte für Otto- und Dieselmotoren sowie die Prüfmethoden festlegen. In Abb. 1 ist die Entwicklung der EU Grenzwerte für Diesel- und Ottomotorenabgase grafisch dargestellt. Jeder zugelassene Fahrzeugtyp muss diesen gesetzlichen Bestimmungen genügen.

Abbildung 1: Abgasgesetzgebung für PKW in der Europäischen Union

Für die Einhaltung der heute gültigen niedrigen Emissionsgrenzwerte der Schadstoffe Kohlenmonoxid (CO), Stickoxide (NO_X) und Kohlenwasserstoffen (HC) in Europa, Japan und USA hat sich die Nachbehandlung des Abgases mit Hilfe von geregelten Katalysatoren durchgesetzt.
Die Sauerstoff messende Lambdasonde und die Lambda Regelung erreichen mit dem Dreiwegekatalysator eine effektive Abgasreinigung. Bosch produziert seit 1976 Lambda-Sensoren und hat für vielfältige Einsatzbedingungen ein breites Sondenprogramm entwickelt. Die neueste Generation der Breitbandsensoren ist seit 1998 im Serieneinsatz. Mit ihrer schnellen Betriebsbereitschaft bietet sie die Möglichkeit vor allem in der kritischen Warmlaufphase die Schadstoffemissionen weiter abzusenken.

Für die vollständige Verbrennung von Kraftstoff ergibt sich ein Luftbedarf von ca. 14,7 kg Luft je kg Kraftstoff. Zur Charakterisierung der Gemischzusammensetzung wurde die Luftzahl Lambda (l) definiert. Sie ist das Verhältnis des aktuellen Luft Kraftstoff Verhältnisses zum stöchiometrischen Luft Kraftstoff Verhältnis. Bei stöchiometrischer Verbrennung ist der Lambdawert = 1.

Die Lambdasonde (Abb. 2) arbeitet nach dem Prinzip der galvanischen Sauerstoff - Konzentrationszelle mit Festelektrolyt, dessen Keramik aus Zirkonoxid und Yttriumoxid besteht. Als nahezu reiner Sauerstoffionenleiter trennt dieses Mischoxid das Abgas und die Umgebungsluft. An den Platin Elektroden entsteht eine elektrische Spannung, sie ist entsprechend der Nernst Gleichung abhängig von der Differenz der Sauerstoffkonzentration im Abgas und der Umgebungsluft.
Ein Rückschluss auf den Lambda-Wert des Abgases über die Messung der Sauerstoffkonzentration ist nur möglich, wenn die katalytisch aktiven Elektroden ein thermodynamisches Gasgleichgewicht einstellen. In diesem Fall zeigt die Kennlinie dieser Sonde bei l = 1 einen Potenzialsprung.

Abbildung 2: Lambdasonden nach dem Nernst Prinzip (Sprungsonden)

Die Magersonde nach dem Grenzstromprinzip erlaubt die Messung beliebiger Werte oberhalb l = 1. Bei Anlegen einer äußeren Spannung an zwei auf einer Zirkondioxid Keramik aufgebrachten Elektroden werden Sauerstoffionen von der Kathode zu Anode gepumpt. Da eine Diffusionsbarriere das Nachfließen von Sauerstoffmolekülen aus dem Abgas zur Kathode behindert, wird oberhalb eines Schwellwertes der Pumpspannung eine Stromsättigung erreicht. Der sich einstellende Grenzstrom ist näherungsweise proportional zur Sauerstoffkonzentration im Abgas. Dieses Sondenprinzip lässt sich besonders bei Magermotorkonzepten wie dem Dieselmotor anwenden.
Die Breitbandsonde (Abb. 3) ist eine Kombination aus einer Magersonde nach dem Grenzstromprinzip und der Lambdasonde nach dem Nernst Prinzip. Als Zweizellen Sensor liefert sie in Verbindung mit einer Regelelektronik in einem weiten Lambda Bereich ein eindeutiges, linear ansteigendes Signal.
Die Pumpzelle und die Konzentrationszelle sind aus Zirkondioxid und Yttriumoxid mit je zwei porösen Platinelektroden beschichtet und so angeordnet, dass ein Messspalt von 10 bis 50 µm Höhe entsteht. Dieser Messspalt ist über eine Gaseinlassöffnung im Festelektrolyt mit dem Abgas verbunden, er ist gleichzeitig die Diffusionsbarriere, die den Grenzstrom bestimmt. Eine elektronische Schaltung regelt die an der Pumpzelle anliegenden Spannung so, dass die Zusammensetzung des Gases im Messspalt konstant bei l =1 liegt. Dies entspricht einer Spannung an der Konzentrationszelle von 450 mV. Bei magerem Abgas pumpt die Zelle den Sauerstoff vom Messspalt nach Außen, bei fettem Abgas wird dagegen der Sauerstoff aus dem Abgas der Umgebung durch Zersetzung von CO₂ und H₂O in den Messspalt gepumpt. Der Pumpstrom ist dabei proportional der Sauerstoffkonzentration bzw. dem Sauerstoffbedarf.
Ein integrierter Heizer sorgt für die Betriebstemperatur von mindestens 600°C, um die Abhängigkeit der Kennlinie von der Temperatur zu minimieren.

Abbildung 3: Planare Breitbandsonde in Multilayertechnik

Als leistungsfähigstes Konzept für die Abgasnachbehandlung von Ottomotoren hat sich der Dreiwegekatalysator mit Lambdaregelung erwiesen. Er ist in der Lage alle drei limitierten Schadstoffkomponenten in ausreichendem Maße abzubauen, wenn der Motor mit einem stöchiometrischen Kraftstoff Luft Gemisch betrieben wird. Das Fenster für einen optimalen Abbau der drei Komponenten ist sehr eng.
Das Konzept der Regelung des Dreiwege Katalysators auf l = 1 erreicht die höchste Effektivität der Schadstoffminderung. Der Ottomotor muss hier in einem sehr engen Bereich von l = 1 ± 0,005 betrieben werden. Diese Genauigkeit ist nur durch eine präzise Regelung des Kraftstoff Luft Gemisches mit einer Lambda Sonde vor dem Katalysator zu erreichen. Mit einer zweiten Sonde hinter dem Katalysator lässt sich die Präzision noch weiter steigern.

Mit der Breitband Lambda Sonde kann die Sauerstoffkonzentration im Abgas in einem großen Bereich bestimmt und damit auf das Luft Kraftstoff Verhältnis im Brennraum geschlossen werden.
Mit diesen Eigenschaften kommt die Breitbandsonde nicht nur bei Motormanagement-systemen mit Zweipunktregelung, sondern auch bei Regelkonzepten mit mageren Luft Kraftstoff Gemischen zum Einsatz. Im Abgasstrang des Dieselmotors wird die Lambdasonde nicht zur Regelung von Katalysatoren, sondern zur Minderung der Rohemissionen des Motors über die Regelung von Einspritzmengen oder Abgasrückführungsraten eingesetzt.