Ngk Das Geheimnis Um Lambda De

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Text of Ngk Das Geheimnis Um Lambda De

  • Das Geheimnis um Lambda

    Zweite erweiterte

    Auflage

  • 2Die Lambdasonde unverzicht -barer Assistent des KatalysatorsBei der Verbrennung von Kraft stoffenentstehen neben unschdlichenProdukten wie Wasser, Kohlen dioxidoder Stickstoff auch gefhrlicheSchad stoffe. Sie zu reduzieren, ist dieAufgabe des geregelten Kata lysators,der seit Ende der Achtzigerjahre injedem neuen Pkw mit Ottomotor zufinden ist und mit ihm mindestenseine Lambda sonde. Denn diese garantiert ber haupt erst optimaleBetriebs bedin gungen fr denKatalysator.

    Seit vielen Jahren kmpfen Politik undIndustrie gegen den Schad stoff aus -sto von Fahrzeugen.

    Die Vorgaben des Gesetzgeberswerden immer strenger: So hat das Europische Parlament be -reits neue Grenzwerte fr den Schad -stoff aussto von Pkw beschlos sen.Euro 5 tritt zum 1. Sep tember 2009 inKraft (siehe Abb.1+2). Gleich zeitig hatdie EU der Automobil indus trie bereitsStandards fr Euro 6 (ab 2014) vorge-geben.

    Ohne Katalysator sind diese Grenz -werte nicht mehr einzuhalten. Vonge schtzten 162 Millionen Pkw mitOtto motor, die in Gesamteuropa registriert sind, sind bereits heute 135 Mil lionen mit geregeltem Katalysator ausgestattet.

    Zudem sind immer mehr neue Motor -rder mit Kata lysator aus gerstet.Denn auch fr sie wurden inzwischenGrenzwerte definiert und regelmigeAbgas untersuchungen vor geschrie -ben.

    Katalysator und Lambdasonde:Das Team fr saubere LuftGeregelte Katalysatoren reduzierendie Schadstoffe im Abgas um mehrals 95 Prozent. Weil sie die dreiSchad stoffe HC, CO und NOxunschdlich machen, werden sieauch 3-Wege-Katalysator genannt.

    Ihr Innenleben ist mit den Edel -metallen Platin, Rhodium undPalladium beschichtet. An diesenBeschichtungen finden komplexechemische Reaktionen statt: Kohlen -stoffmonoxid (CO) und Kohlen -wasser stoffe (HC) werden zu Wasser(H2O) und Kohlen stoffdioxid (CO2)oxidiert. Stick oxide (NOx) werden zuStick stoff (N2), Sauer stoff (O2) undKohlen stoffdioxid (CO2) reduziert.

    Die Aufgabe der Lambdasonde auch Sauerstoffsonde genannt istdabei, fr optimale Betriebs bedin -gungen zu sorgen. Denn nur, wennein spezielles Mischungs verhltnisvon Kraftstoff und Luft vorliegt, kannder Katalysator an nhernd alleschdlichen Abgase konvertieren.

    Hierzu verfgen moderne Autos bermindestens zwei Lambda sonden:eine Regelsonde vor dem Katalysatorund eine Diagnose sonde hinter demKatalysator. Sie messen den Rest -sauer stoff im Abgas. Mit Hilfe dieserIn formation kann die Motor steue rungdie Gemisch zusammen setzung einstellen.

    Abb. 2

    Emissionswerte fr Fahrzeuge mit Dieselmotoren

    Emissionswerte fr Neufahrzeugegltig CO HC NOx HC+NOx PMab (g/km) (g/km) (g/km) (g/km)

    Euro I 12/92 2,72 0,97 Euro II 01/97 2,20 0,50 Euro III 01/00 2,30 0,20 0,15 Euro IV 01/05 1,00 0,10 0,08 Euro V 09/09 1,00 0,10 0,06 0,005*Euro VI 09/14 1,00 0,10 0,06 0,005** mit Direkteinspritzung

    Emissionswerte fr Neufahrzeugegltig CO HC NOx HC+NOx PMab (g/km) (g/km) (g/km) (g/km)

    Euro I 01/92 3,16 1,13 0,14Euro II 01/96 1,00 0,15 0,55 0,70 0,08Euro III 01/00 0,64 0,06 0,50 0,56 0,05Euro IV 01/05 0,50 0,05 0,25 0,30 0,025Euro V 09/09 0,50 0,05 0,18 0,23 0,005Euro VI 09/14 0,50 0,09 0,08 0,17 0,005

    Abb. 1

    Emissionswerte fr Fahrzeuge mit Ottomotoren

    Lambda sichert saubere Luft

  • 3speicher abgelegt. Leuchtet dieseSignallampe auf, so ist ein Werkstatt -besuch ratsam.

    Weitere Lambdasonden-AnwendungenNeben dem Ottomotor gewinnenLambda sonden auch im Diesel -

    segment an Bedeutung. So sindmoderne Dieselfahrzeuge auf spezielle Breit band-Lambdasondenangewiesen, um die weiter verschrf-ten Abgasgrenzwerte zu erfllen. Solche Lambda sonden sind auer-dem in Benzin-Direktein spritzernzu finden.

    OBD-berwachungUm die Einhaltung der Abgas emis -sionen ber die Lebensdauer desFahrzeuges zu gewhrleisten, wurdeein Prfsystem Vorschrift, die OBD(On-Board-Diagnose). Abgas rele -vante Fehler werden ber eine in denArmaturen integrierte Signallampeoptisch angezeigt und im Fehler -

    CO28%

    O29%

    Schadstoffe 0,2%

    H2O 9%

    Stickoxide NOxKohlenmonoxid COKohlenwasserstoffe HCPartikel PMSchwefeldioxid SO2

    Kohlenmonoxid COKohlenwasserstoffe HCStickoxide NOxPartikel PM

    N272,1%

    CO212,3%

    Schadstoffe 1,1%

    H2O 13,8%

    O2 und Edelgase 0,7%

    Abb. 4

    Abgaszusammensetzung bei DieselmotorenAbb. 3

    Abgaszusammensetzung bei Ottomotoren

    N273,8%

  • 4

    Glasseidenschlauch

    Die Mischung machts

    Erhhte Emissionen entstehendann, wenn das Luft-/Kraft stoff -gemisch nicht exakt eingestelltist.

    Das ideale Verhltnis von Kraft stoffund Luft liegt bei einem Ottomotor vor,wenn 14,7 kg Luft auf 1 kg Kraft stoffkommen. Es wird auch als stchio -metrisches Gemisch bezeich net.Nahezu alle Ottomotoren werdenheute mit diesem idealen Gemischbetrieben. Die Lambdasonde spieltdabei eine entscheidende Rolle.

    Nur wenn dieses Verhltnis vorliegt,ist eine vollstndige Ver brennunggewhrleistet und der Kata ly satorkann die schdlichen Abgase Kohlen -was serstoff (HC), Kohlen stoff -

    monoxid (CO) und die Stickoxide(NOx) nahezu komplett in umwelt -vertrgliche Gase umwandeln. Dieserideale Ge misch zustand wird mit demgriechischen Buch staben Lambda (als = 1) bezeichnet.

    Doch wie kommt er zustande? Fr die Zusammensetzung desGemischs ist die Motorsteuerung(auch ECU = Engine Control Unit)verantwortlich. Sie kontrolliert denGemisch bildner, der demVerbrennungs prozess ein genaudosiertes Luft-/Kraftstoff gemischzufhrt.

    Hierzu muss die Motorsteuerungaller dings wissen, ob der Motor gerade mit einem fetten Gemisch

    (Luft mangel, 1) fhrt.

    Diese entscheidende Infor ma tionliefert die Lambda sonde: Je nach Anteil des Restsauerstoffs imAbgas produziert sie ein unterschied-liches Sonden signal. Die Motor -steuerung interpretiert dieses Signalund regelt den Gemisch bildner.

    Erfolgsmodell LambdaregelungAuf diesem Grundprinzip aufbauendhat sich die Lambdasonden technikstetig weiterentwickelt. Sie gewhr -leistet bis heute einen geringenSchad stoffaussto und sorgt freinen effektiven Verbrauch und einelange Lebensdauer des Katalysators.

    Schutzrohr

    Gewinde M 18 x 1,5

    Dichtring

    Sechskant 22,0 mm

    Abb. 1

    Mischungsverhltnis Abb. 2

    Luftzahl

    14,7 kg Luft

    1 kg Kraftstoff

    Fettes Gemisch(Luftmangel)

    0,9

    StchiometrischesGemisch

    1,0

    Mageres Gemisch(Luftberschuss)

    1,1

  • 5

    100

    50

    00,9 fett

    NOx

    CO

    HC

    1,0 stchiometrisch

    1,1 mager

    Schon in den Achtzigerjahrengehrte NGK mit Lambdasondender Marke NTK zu den Pionierenauf diesem Gebiet. Dass die Ab gas reinigung seitherimmer effizienter und besser wurde,liegt nicht zuletzt an innovativsterTech nik und unablssiger For schung.So erlaubt heute etwa der Einsatz

    hocheffektiver, keramischer Heizer inder Lambdasonde eine extremschnelle Betriebs bereit schaft.

    Auch die keramischen Bauteile wurdenkontinuierlich verbessert, immer mitdem Ziel, eine noch bessere Messungzu gewhrleisten um so einen spr -baren Beitrag zum Ein halten der

    strengen Euro-Normen zu leisten.Zudem wurden weitere Sondentypenfr spezielle Anwen dungen entwickelt,etwa Lambda sonden, deren elektri-scher Wider stand sich mit derGemisch zu sammen setzung ndertoder Breitbandsonden.

    Stecker

    Sonden-Masse (graues Kabel)

    Sonden-Signal (schwarzes Kabel)

    Damit der Katalysator optimal arbeitet, muss das Ver hlt -nis von Kraftstoff und Luft exakt abgestimmt sein. Dafrsorgt die Lambdasonde. Sie ermittelt kontinuierlich denRestsauerstoffgehalt im Abgas. ber ein Aus gangs signalregelt sie die Motor steuerung, die da durch das Luft-/Kraft stoff gemisch exakt einstellt.

    Abb. 3

    Lambda-Fenster Abb. 4

    Funktionsweise

    Konvertierungsrate des Katalysators (%)

    Motor-Steuerung

    Diagnosesonde

    Regel-sonde

    Abgas

    3-Wege-Katalysator

    Heizer (weie Kabel)

  • 6Abgas

    Abgasrohr

    uere Platinelektrode (Kontakt mit Abgas)

    Sondenelement

    Gehuse

    Referenzluft

    Innere Platinelektrode (Kontakt mit Referenzluft)

    ffnungen im Schutzrohr

    Schutzrohr

    Referenzluft

    Zirkon-Element

    Porse Keramikschicht

    Abgas

    O2-

    O2-

    O2-

    e-

    e-

    U

    Die Spannung (U) ist proportional zum Sauerstoffgehalt.

    O2 O2 O2 O2

    O2 O2 O2

    O2 O2 O2O2

    O2O2

    Heizeranschluss (weies Kabel)

    Sonden-Masse (graues Kabel)

    Sonden-Signal (schwarzes Kabel)

    Heizer

    Metallkrper mit Sechskant

    Schutzrohr

    Dichtung

    Keramikhalter

    Dichtring

    Zirkonelement

    Aufbau des SondenelementsZirkondioxid (ZrO2, auch Zirkonium -dioxid oder Zirkonoxid) ist ein kerami-scher Werkstoff mit besonderenEigen schaften: Ab einer Temperaturvon 300C ist er durchlssig fr Sauer -stoff-Ionen. Das Sonden element derZirkon di oxid-Lambda sonde ist fingerfrmig und innen hohl. DerHohlraum im Innern hat Kontakt zurAuen- bzw. Refe renz luft, whrenddie Auenseite von einem Schutz -rohr umgeben im heien Abgas -

    strom liegt. Beide Seiten sind miteiner dnnen, porsen Platin schichtberzogen, die als Elektrode fungiert.

    Wie das Sondensignal entstehtErreicht die Lambdasonde ihreBetriebs temperatur, beginnt eineIonen-Wanderung: Von der Auen luft hier herrscht eine Sauerstoff kon -zentration von etwa 20,8 Pro zent bewegen sich Sauerstoff-Ionen inRichtung Abgas (siehe Abb. 1). Hierliegt eine deutlich geringere Sauer -

    Die Zirkondioxid-Lambdasonde ist der am hufigsten verwendeteSondentyp. Sie wird auch alsSprungsonde bezeichnet, weilbeim bergang von einen mageren in einen fetten Betriebs -zu stand ein charakteristischerSpannungssprung von rund0,8 Volt zu