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Warum nimmt man heutzutage Breitbandlambdasonden statt Sprungsonden?

Themenstarteram 25. Mai 2013 um 0:20

Hallo,

offenbar sind die Neuwagen mit Sprungsonden völlig ausgestorben. Mir erschließt sich der Grund hierfür aber nicht vollständig, denn schließlich kann man auch mit Sprungsonden das Gemisch in engen Grenzen halten und für ein rasches Anspringen sind die Sonden ja schon fast seit Jahrzehnten elektrisch beheizt. Bei Direkteinspritzern mit Magerbetrieb ist eine Breitbandsonde Pflicht, völlig klar, aber warum wird diese bei 0815 - Motoren wie einem saugrohreinspritzenden, turbolosen und stöchiometrisch (und bei höherer Last gerne sehr fett) laufenden Kleinwagenmotor eingesetzt? Soll hier eventuell (durch die mögliche exakte Messung der Gemischzusammensetzung) an anderen Komponenten, wie z.B. Luftmassenmessern, gespart werden?

Beste Antwort im Thema

Nein, das liegt schlicht und ergreifend an den hohen regeltechnischen Anforderungen der geltenden Abgasnormen Euro5 und höher, sowie den strengen OBD-Anforderungen.

Eine reine Sprungsonde arbeitet nur in einem sehr engen Fenster um lamda = 1 +/- 0,02 exakt genug um die Einspritzmengen korrekt bemessen zu können. Außerhalb dieses Toleranzfensters wird die Einspritzmenge über feste vorauskalkulierte Parameter im Steuergerät geregelt, was nicht alle externen Einflüsse und wechselnde Lastanforderungen stetig ausreichend kompensieren kann.

Bei "herkömmlichen" nicht turbogeladenen, indirekt einspritzenden Ottomotoren spielt z.B. der Umstand eine Rolle, dass jene zur Verbesserung des Teillastwirkungsgrades mit hohen Abgasrückführraten betrieben werden. Mit der Zuführung eines Inertgases aus dem Abgasstrom kann beim Ottomotor der geringere Füllungsgrad bei wenig geöffneter Drosselklappe minimiert werden.

Da, wie du sie nennst, 0815-Motoren meist keine feingeregelte Abgasrückführung aufweisen, muss die optimale Einspritzmenge über den Lamdaregelkreis eingesteuert werden. Das geht eben mit Breitbandsonden, die ein stetiges elektrisches Signal über einen weiten Bereich von lambda ca. 0,65 bis über 2 der Motorsteuerung zur Verfügung stellen können.

 

"Gespart" kann mit Hilfe einer Breitbandsonde über den in geringerem Maß erforderlichen Edelmetalleinsatz im Katalysatorbetrieb.

Weitere Vorteile sind Einzelzylinderregelungsfähigkeit, hohe Temperaturfestigkeit, hohe Funktionssicherheit, erhöhte Lebensdauer und schnelle/s Ansprechverhalten Betriebsbereitschaft.

Eine Breitbandsonde ist vom Prinzip her auch eine Sprungsonde, die mit einer sog. Pumpzelle kombiniert wird. Darüber hinaus sind eine Messzelle und ein geregeltes Heizelement integriert.

Die Pumpzelle führt oder liefert elektronisch gesteuert stetig die erforderliche Menge an Sauerstoffionen ab, um die Sprungsonde im engen Fenster um lambda=1 zu halten.

Der erforderliche Pumpstrom ist dabei proportional zur Sauerstoffkonzentration im

mageren Abgas bzw. dem Sauerstoffbedarf im fetten. Die größere Regelstrombandbreite kann nun vom Steuergerät genutzt werden.

 

Der integrierte Heizer regelt die notwendige Betriebstemperatur direkt in der Sonde, was den Einfluss der Abgastemperatur auf die Temperatur der Sondenkeramik und somit auf die temperaturabhängige Sondenfunktionen quasi beseitigt. Dazu verringert sich durch die direkte Sondenheizung die Aufheizzeit des Sensorelements, so dass bereits einige Sekunden nach Motorstart eine exakte Lambda-Regelung möglich ist.

Dass "kleinere" Motoren bei höheren Lasten stark angefettet werden, hat nichts mit der technischen Auslegung der Lambdasonde zu tun, sondern dient in erster Linie zur Kühlung des Verbrennungsraumes.

Der für die Messung der Einhaltung einer Abgasnorm genutzte Lastbereich eines Motors ist überwiegend auf niedrigem Niveau, da eine Abgasmessung zur Zulassungshomologation auch im NEFZ gefahren wird.

 

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Nein, das liegt schlicht und ergreifend an den hohen regeltechnischen Anforderungen der geltenden Abgasnormen Euro5 und höher, sowie den strengen OBD-Anforderungen.

Eine reine Sprungsonde arbeitet nur in einem sehr engen Fenster um lamda = 1 +/- 0,02 exakt genug um die Einspritzmengen korrekt bemessen zu können. Außerhalb dieses Toleranzfensters wird die Einspritzmenge über feste vorauskalkulierte Parameter im Steuergerät geregelt, was nicht alle externen Einflüsse und wechselnde Lastanforderungen stetig ausreichend kompensieren kann.

Bei "herkömmlichen" nicht turbogeladenen, indirekt einspritzenden Ottomotoren spielt z.B. der Umstand eine Rolle, dass jene zur Verbesserung des Teillastwirkungsgrades mit hohen Abgasrückführraten betrieben werden. Mit der Zuführung eines Inertgases aus dem Abgasstrom kann beim Ottomotor der geringere Füllungsgrad bei wenig geöffneter Drosselklappe minimiert werden.

Da, wie du sie nennst, 0815-Motoren meist keine feingeregelte Abgasrückführung aufweisen, muss die optimale Einspritzmenge über den Lamdaregelkreis eingesteuert werden. Das geht eben mit Breitbandsonden, die ein stetiges elektrisches Signal über einen weiten Bereich von lambda ca. 0,65 bis über 2 der Motorsteuerung zur Verfügung stellen können.

 

"Gespart" kann mit Hilfe einer Breitbandsonde über den in geringerem Maß erforderlichen Edelmetalleinsatz im Katalysatorbetrieb.

Weitere Vorteile sind Einzelzylinderregelungsfähigkeit, hohe Temperaturfestigkeit, hohe Funktionssicherheit, erhöhte Lebensdauer und schnelle/s Ansprechverhalten Betriebsbereitschaft.

Eine Breitbandsonde ist vom Prinzip her auch eine Sprungsonde, die mit einer sog. Pumpzelle kombiniert wird. Darüber hinaus sind eine Messzelle und ein geregeltes Heizelement integriert.

Die Pumpzelle führt oder liefert elektronisch gesteuert stetig die erforderliche Menge an Sauerstoffionen ab, um die Sprungsonde im engen Fenster um lambda=1 zu halten.

Der erforderliche Pumpstrom ist dabei proportional zur Sauerstoffkonzentration im

mageren Abgas bzw. dem Sauerstoffbedarf im fetten. Die größere Regelstrombandbreite kann nun vom Steuergerät genutzt werden.

 

Der integrierte Heizer regelt die notwendige Betriebstemperatur direkt in der Sonde, was den Einfluss der Abgastemperatur auf die Temperatur der Sondenkeramik und somit auf die temperaturabhängige Sondenfunktionen quasi beseitigt. Dazu verringert sich durch die direkte Sondenheizung die Aufheizzeit des Sensorelements, so dass bereits einige Sekunden nach Motorstart eine exakte Lambda-Regelung möglich ist.

Dass "kleinere" Motoren bei höheren Lasten stark angefettet werden, hat nichts mit der technischen Auslegung der Lambdasonde zu tun, sondern dient in erster Linie zur Kühlung des Verbrennungsraumes.

Der für die Messung der Einhaltung einer Abgasnorm genutzte Lastbereich eines Motors ist überwiegend auf niedrigem Niveau, da eine Abgasmessung zur Zulassungshomologation auch im NEFZ gefahren wird.

 

Sehr gut beschrieben! 

Ich wollte auch schon schreiben das die Sonden ja breitere Bereiche echt abdecken können,  nicht nur mit eingepflegten Daten in Speichern.

Aber warum, hätte ich nicht gewusst.

Themenstarteram 26. Mai 2013 um 0:09

Zitat:

Original geschrieben von flatfour

Sehr gut beschrieben! 

Ich wollte auch schon schreiben das die Sonden ja breitere Bereiche echt abdecken können,  nicht nur mit eingepflegten Daten in Speichern.

Ebenfalls ein dickes "Danke" an den ersten Schreiber. Bleibt aber eine Frage: Wozu braucht ein stöchiometrisch laufender Motor eine Sonde, welche Bereiche abdeckt, die nie genutzt werden?

Weil der eben nicht immer bei Lambda=1 läuft.

Im kaltstart läuft er Fett(wichitg für Abgaseinstufung, hier ist ne Breitband sinnvoll, weil schneller auf Temp und damit früher geregelt laufne kann).

Bei der Beschleunigung läuft er fett, bei Vollast und in einem gewissenbereich davor läuft er auch fett. Wenn man Sprit sparen will, muss man die anfettung so moderat amchen wie nötig, dazu kann man das Lambasignal herranziehen.

Zitat:

Original geschrieben von Provaider

Weil der eben nicht immer bei Lambda=1 läuft.

Im kaltstart läuft er Fett(wichitg für Abgaseinstufung, hier ist ne Breitband sinnvoll, weil schneller auf Temp und damit früher geregelt laufne kann).

Bei der Beschleunigung läuft er fett, bei Vollast und in einem gewissenbereich davor läuft er auch fett. Wenn man Sprit sparen will, muss man die anfettung so moderat amchen wie nötig, dazu kann man das Lambasignal herranziehen.

Nicht nur das. Zunächst ist es ja so, dass der Katalysatorwirkungsgard bei lambda=1 am höchsten ist.

Für den optimalen Betrieb des Motors sind je nach Lastzustand, Temperatur der Ansaugluft und Motortemperatur, Verdichtung, Zündwinkel hinsichtlich der Schadstoffemissionen andere Lambdaverhältnisse als 1 optimal.

Um den spezifischen Verbrauch von 0815-Ottomotoren moderner Art zu senken, wird so oft es möglich ist, das Gemisch in Richtung lambda >1 gelegt.

Eine Sprungsonde gerät vor allem dann an ihre Grenzen der Feinregulierung, wenn sich die Gemischzusammensetzung von fett nach mager ändert.

Die Lambdaspannung zeigt nämlich bei lambda = 1 einen abrupten Spannungsabfall um ca. 0,6 V. Deswegen die Bezeichnung "Sprungsonde".

Eine Breitbandsonde kompensiert diese Lücke, da sie eine über den gesamten relevanten Lamdabereich ein stetiges Spannungssignal ohne "Zacke", welches proportional zum Sauerstoffgehalt des Abgases ist, an das Steuergerät senden kann.

Für die hohen Anforderung der höheren Abgasnormen, insbesondere hinsichtlich der NOx-Emissionen, ist es erforderlich den Bereich lambda >1 fein abgestuft abdecken zu können, da die zunächst steigende NOx-Emission über die Anpassung der Zündwinkel "eingefangen" werden kann.

Das ist jetzt nur ein Beispiel einer Vielzahl von möglichen Betriebszuständen und Einflussparameter, die es zu berücksichtigen gilt.

Fragt sich, ob so ein Analogsensor dafür nach ein paar Jahren Betriebszeit noch die nötige Genauigkeit hat und nicht einfach "nach dem Mond" geht wie die anderen, siehe LMM, MAP, NTC etc.

Hängt von der Jahresfahrleistung ab. Die handelsüblichen Breitbandsonden für Ottomotoren sind für eine Lebensdauer von etwa 250 tkm ausgelegt.

Unter normalen Umständen reicht das dicke für die Lebensdauer eines PKW.

Hallo,

danke erst mal für diesen interessanten Fred.

Gibt es zu der Lebenesdauer oder feststellen der Funktionsfähigkeit verschiedener Sonden eigentlich ein Forum.

Das wär vieleicht mal was für den neugierigen Schrauber.

Ich denke so mancher schwer zu lokalisierender Fehler geht auf einen oder mehrere ausgelutschte sensoren zurück.

Vielecht sollte man so eine art FAQ einrichten wo Fehlerbilder,Erfahrungen und Diagnosemethoden für verschiedene Sensore und Fahrzeuge eingerichtet werden...

wär doch was oder ?

 

Gruss Hennes

Themenstarteram 27. Mai 2013 um 0:24

Zitat:

Original geschrieben von seditec

Um den spezifischen Verbrauch von 0815-Ottomotoren moderner Art zu senken, wird so oft es möglich ist, das Gemisch in Richtung lambda >1 gelegt.

Das stimmt aber jetzt garantiert nicht, denn schon aus Gründen der Abgasreinigung (Lambdafenster) wird bei allen aktuellen saugrohreinspritzenden Ottomotoren bei Teillast und Leerlauf Lambda 1 gefahren, nur bei Volllast und im Kaltlauf unter 1, also fetter, jedoch nie darüber (magerer). Magermotoren gibt es zwar ab und zu (Mitsubishi GDI und die ersten VW FSI zum Beispiel), aber die werden schon wieder vom Markt verdrängt, u.a. wegen der nötigen aufwendigen Abgasreinigung.

Wieso, wenn man das NOx anderweitig (Kühlung) in den Griff kriegt... nur was hinten raus kommt zählt. ;)

Themenstarteram 27. Mai 2013 um 19:37

Zitat:

Original geschrieben von Kung Fu

Wieso, wenn man das NOx anderweitig (Kühlung) in den Griff kriegt... nur was hinten raus kommt zählt. ;)

Praktisch alle aktuelle Ottomotoren laufen mit Lambda 1, also weder mager noch fett. Das ist einfach so. Wenn man einen teuren Speicherkat (für die Stickoxide) vermeiden will, geht das gar nicht anders. Nur bei Lambda 1 erreicht man ein gleichzeitiges Minimum von NOx, CO und HC, siehe Anhang (Lambdafenster).

Lambdafenster

Ja, nur wenn die NOx gar nicht erst ins Abgas reinkommen, braucht der Kat sie nicht konvertieren. Darum geht es wohl beim modernen Motormanagement.

Themenstarteram 28. Mai 2013 um 17:19

Zitat:

Original geschrieben von Kung Fu

Ja, nur wenn die NOx gar nicht erst ins Abgas reinkommen, braucht der Kat sie nicht konvertieren. Darum geht es wohl beim modernen Motormanagement.

NOx entstehen automatisch bei magerem Gemisch (und bei hohen Drücken). Komisch nur, dass sich "seditec" nicht mehr dazu äußert.

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