Seminarvortrag zum Modul „Sensoren“ an der Fernuniversität Hagen

Die Lambdasonde

Ein chemischer Sensor zur Sauerstoffmessung im Abgas eines Otto-Motors

Vortrag von: Michael Gillert, Matr.-Nr.: 7967799

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VorwortDie heutigen, strengen Abgasnormen für Kraftfahrzeuge setzen eine sehr genaue Zusammensetzung des Verbrennungsmediums voraus.

Die Regelung dieser Zusammensetzung muss zudem in sehr engenGrenzen erfolgen.

Um diese Vorgaben zu erfüllen, ist es erforderlich, einen Sensor in denAbgasstrom zu implementieren, der aus Abgasbestandteilen eine Spannungerzeugt und dem Motorsteuergerät bereitstellt.

Dieser Vortrag stellt dazu die Spannungssprungsonde und die Breitband-lambdasonde vor.

Die früher verwendete Widerstandssprungsonde ist, aufgrund der inzwischennur noch geringfügigen Verbreitung in Kraftfahrzeugen, nicht Bestandteildieses Vortrages.

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Gliederung

1 Einleitung

2 Spannungssprungsonde

3 Sondenspannung

4 Breitbandlambdasonde

5 Katalysatorüberwachung mit 2 Spannungssprung-Lambdasonden

6 Ausblick

7 Quellennachweis

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1 Einleitung

1.1 Abgasgrenzwerte für Fahrzeugklasse M 1 (PKW)nach Euro-Normen

0,00

0,50

1,00

1,50

2,00

2,50

Euro III Euro IV Euro V

CO [g/km]HC [g/km]NOx [g/km]

5

1.2 Katalysatoraufbau und –funktion

- Oxidation: 2 CO + O2 CO2- Reduktion: 2 NO + 2 CO2 N2 + 2 CO2

- Oxidation: 2 C2H6 + 7 O2 4 CO2 + 6 H2O

Bildquelle: Gscheidle

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1.3 Stöchiometrisches Verhältnis

- Ein hoher Wirkungsgrad des Katalysators ist nur bei einem be-stimmten Mischungsverhältnis von Luft und Kraftstoff gegeben.

- Nur in diesem Bereich ist die gewünschte Umwandlung der Abgasbe-standteile möglich.

- Das ideale Mischungsverhältnis, hinsichtlich der Abgasqualität, beträgt bei einem Ottomotor:

14,7 kg Luft zur Verbrennung von 1 kg Otto-Kraftstoff(stöchiometrisches Verhältnis)

- Die Regelung des Mischungsverhältnisses ist somit die zentrale Funktion für die Einhaltung der Abgasnormen.

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1.4 Der Lambda-Wert

- Der Lambdawert gibt das Luftverhältnis der Verbrennung an.

λ =

- Das für die Katalysatorwirkung ideale Verhältnis liegt bei λ = 1

Bildquelle: Lohninger

[ ][ ]kg

Luftmasse

benötigte

htheoretisc

kg

Luftmasse

zugeführte

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1.5 Der Lambda-Regelkreis

Bildquelle: Gscheidle

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2 Spannungssprungsonde

Kennzeichen:

- potentiometrische Zelle- Festkörperelektrolyt- Leitfähigkeit für Sauerstoffionen- schnelle Ansprechzeit (wenn „Anspringtemperatur“ erreicht

ist)- kalibrierfrei- Referenzgas ist erforderlich- stofferkennendes Element: Keramikkörper aus dotiertem

Zirkoniumoxid

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2.1 Aufbau der Spannungssprungsonde als Fingersonde

Bildquelle: Gscheidle

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2.2 Aufbau der Spannungssprungsonde als Planarsonde

Bildquelle: Bosch GmbH

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2.3 Funktionsweise der Spannungssprungsonde

Bildquelle: Pape

Der Festkörperelektrolyt wird ab ca. 350°C für Saue rstoffionenleitend. Die Temperatur wird durch die heißen Abgase erreicht.

Um die Temperatur nach dem Motorstart schnell zu erreichen, wirdeine Beheizung mit einem PTC-Element vorgenommen.

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2.4 Kristallaufbau von Zirkonoxid und Dotierung

Bildquelle: Pape (oben), TU Darmstadt (unten)

Durch die Dotierung mit Y2O3 entstehen Sauerstofflücken im Gitter. Diese sind die Ladungsträger für die Ionenleitung.

Diffusion von Leerstellen Zwischengitterdiffusion

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2.5 Messprinzip der Lambdasonde

Bildquelle: TU Darmstadt

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3 Sondenspannung

- Sauerstoff ist im gasförmigen Zustand elektrisch neutral.- Der Festkörper der Sonde ist jedoch nur durchlässig für Sauerstoff-

ionen.- Somit muss der Sauerstoff an der Referenzelektrode negativ

aufgeladen werden, an der Messelektrode wieder entladen werden.- Dabei entsteht eine partialdruckabhängige Spannung nach der

NERNSTschen Gleichung:

=

Messgas

sReferenzga

ln

sP

P

FRTU4

Us= Sondenspannung [V]

R = Gaskonstante

T = Temperatur des Festkörpers [K]

F = Faraday-Konstante

P = Partialdruck [mbar]

]Cmol

10

[9.6485

14 −•

]mol

JK [

8.314

11 −−

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3.1 Spannungskennlinie in Abhängigkeit des λ-Wertes

Da im Bereich von λ=1 im Abgas eine sprunghafte Änderung des Rest-sauerstoffgehaltes erfolgt, tritt an dieser Stelle der charakteristische Spannungsverlauf dieser Sondenart auf.

Bildquelle: Gscheidle

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3.2 Spannungsverlauf mit angeschlossener Regel-elektronik bei Leerlaufdrehzahl eines Ottomotors

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3.3 Spannungsverlauf mit angeschlossener Regel-elektronik bei 2000 1/min

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4 Breitbandlambdasonde

Für Otto-Motoren, die gewollte Betriebszustände mit sehr magerem oder fettemGemisch haben, bzw. Dieselmotoren, ist der Messbereich von Spannungs-sprungsonden nicht ausreichend. Zum Einsatz kommen hierbei sogenannte Breitbandlambdasonden.

Kennzeichen:

- einsetzbar im Bereich λ = 0,7 - ∞ (Luft mit 20,8 % Sauerstoff)- Zweizellensonde

1 Messzelle aus dotiertem Zirkoniumoxid wie bei Spannungs-sprungsonde.

1 Pumpzelle zum Transport von Sauerstoffionen (Platinelektroden)- Kalibrierung notwendig- amperiometrische Zelle- Referenz nicht erforderlich wie bei Spannungssprungsonde

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4.1 Aufbau der Breitbandlambdasonde

Bildquelle: Bosch GmbH

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4.2 Funktionsweise der Breitbandlambdasonde

Abgas gelangt in den Diffusionsspalt. Über die Sensorzelle wird ein Vergleich zwischen dem Gas im Diffusionsspalt und dem Gas im Referenzluftkanal, be-züglich des Sauerstoffgehaltes, herangezogen. Durch Anlegen einer Pump-spannung an die Platinelektroden der Pumpzelle, kann Sauerstoff aus dem Spalt oder in den Spalt hinein gepumpt werden, so dass die Zusammensetzung des Gases im Spalt konstant bei λ = 1 liegt.

Bildquelle: Bosch GmbH

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4.3 Pumpstrom einer Breitbandlambdasonde inAbhängigkeit vom Lambdawert des Abgases

Der Pumpstrom ist proportional der Sauerstoffkonzentration im Abgas. Somit stellt der Strom ein Maß für die Luftzahl λ dar. Ein Pumpstrom fließt nur bei Abweichungen vom idealen Lambdawert. Bei „magerem“ Abgas pumpt die Pumpzelle den Sauerstoff nach außen, der Pumpstrom ist positiv. Bei „fettem“ Abgas wird der Sauerstoff aus dem Abgas der Umgebung in den Diffusionsspalt hineingepumpt, derPumpstrom ist deshalb negativ.

Bildquelle: Gscheidle

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5 Katalysatorüberwachung mit 2 Spannungs-sprung-Lambdasonden

Bildquelle: Beru AG

- Katalysatorfunktion einwandfrei

- Fähigkeit zur Sauerstoffspeicher-

ung ist gegeben

- Aufgrund der Sauerstoffarmut kein

Regelverhalten der Sonde nach Kat

- Katalysator defekt , viel O2

nach Kat

- Monitorsonde zeigt Regel-

verhalten

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6 AusblickDie Lambdasonde ist innerhalb der Sensorik von Gemischbildnern undAbgasregelsystemen ein fester und wichtiger Bestandteil.

Durch sie ist es möglich, die vom Gesetzgeber geforderte Abgasqualitätund Katalysatorüberwachung zu erreichen und einzuhalten.

Die Lambdasonde wird somit weiterhin ein unverzichtbarer Bestandteilinnerhalb der Abgasregelung eines Verbrennungsmotors sein.

Derzeitige Entwicklungen basieren auf dem in diesem Vortrag aufgezeigtenGrundprinzipien. Es wird jedoch angestrebt, zukünftig eine noch bessereDiagnosefähigkeit und eine schnellere Ansprechzeit der Sonde zu erreichen.

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7 QuellennachweisBERU AG: Alles über Lambdasonden. Ludwigsburg – Technische Information Nr. 03 GSCHEIDLE, ROLF: Fachkunde Kraftfahrzeugtechnik. Haan-Gruiten: Europa, 2009 PAPE, MICHAEL R.: Die λ-Sonde als Meßgerät für das chemische Potential. Karlsruhe, Universität, Fakultät Physik, Staatsexamenarbeit, 1999 ROBERT BOSCH GMBH: Abgassensoren im Powertrain. Stuttgart – Firmenschrift ROBERT BOSCH GMBH: Sauerstoff-Lambda-Sonde LSU4.9. Stuttgart – Firmenschrift TECHNISCHE UNIVERSITÄT DARMSTADT : Charakterisierung einer Lambda-Sonde. Darmstadt, Skript zum Praktikum Materialwissenschaften, Version 2.1 Internet-Quellen: LOHNINGER, Hans: Lambda-Sonde, 2008. – URL: http://www.vias.org/mikroelektronik/sensor_lamdasonde.html UNIVERSITÄT JENA: Seminar Analytische Chemie 1, 2009. - URL: http://www.uni-jena.de/unijenamedia /Downloads/faculties/chgeo/inst_iaac/Analytisches+Seminar/Seminar+No+8+ECA_web_2009.pdf (22.06.2010)