In der Masterarbeit (lambdageregelte Einspritzanlage) haben wir auch eine Breutbandsonde eingesetzt, da die Abstimmung mit einer Sprungsonde extrem lästig ist:
-Kernelement der Spannungssprungsonden ist eine Zirkoniumzelle (Nernstzelle), welche bei fettem Gemisch <Lambda 1,0 eine Spannung von ca. 0,9V abgibt und bei magerem Gemisch lambda >1,0 eine Spannung nahe 0V. Diese Zelle wird bei normalen Sprungsonden direkt ausgewertet. ist die Spannung hoch, wird das gemisch abgemagert, ist sie niedrig, wird angefettet.
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Anhand des Diagramms ist erkennbar, dass der Zusammenhgang zwischen Lambdawert und Spannung stark nichtlinear ist. Dennoch ist jedem Lambdawert eine spezifische Spannung zugeordnet. Billige Lambdameter haben diese Kennlinie als Tabelle in einem Mikrocontroller abgelegt und zeigen so am Display je nach Spannung irgendwelche Lambdawerte an. Leider ist dieses einfache Messprinzip nicht anwendbar, da die Sondenspannungin der Praxis nicht der Kennlinie entspricht. Größte Abwechungen ergeben sich u.A. aus folgenden Einflussfaktoren:
-Herstelltoleranzen der Sonde: abgesehen vom Sprung bei Lambda 1 und einem groben Mindestwert für die Spannung bei Lambda 0,9 ist die Kennlinie für einzelne Sonden aus laufender Produktion immer anders.
-Die Temperatur der Sonde wirkt sich wesentlich auf die Kennlinie aus.
-Alterung, Vergiftung...
Da der für einige Anwednungen wie z.B. Heizungsanlagen Lambdawerte ungleich 1 genauer gemessen werden sollten, wurde von Bosch die Pseudo-Breitbandsonde LSM11 entwickelt. Zwischen Lambda 1 und Lambda 1,5 (mit größerem Fehler bis Lambda 2) ist dort die Kennlinie genau spezifiziert im Datenblatt angegeben. Bei halbwegs passender Heizspannung und korrektem Einbau stimmt auch die Temperatur und das Messergebnis ist recht brauchbar. Nachteile:
-Für typische Einsatzbereiche im Motorsport ist der Messbereich nicht geeignet, da dort die Motoren unter Lambda 1 gefahren werden.
-Preis der Sonde: ca. 200 EUR.
Allerdings ist dies eine hervorragende und robuste Sonde für Standard-PKW. Im Ford Scorpio ist der Leerlauf damit z.B. WEITAUS stabiler als mit den klassischen Billigsonden und sie überlebt es auch, wenn sie wegen defekter Kopfdichtung mal Kühlwasser abbekommt.
Für Einsatz im PKW wurden später echte Breitbandsonden entwickelt. Zuerst in extrem teurer Ausführung von Honda/NTK (L1H1, heute 220 EUR, früher mehrfach so teuer), später auch die heute noch aktuelle Bosch LSU4.2. Die LSU4.2 arbeitet grib skizzioert so:
-Die Nernstzelle misst den Lambdawert in einer Kammer. Genau ist diese Messung bei Lambda 1
-Die Kammer ist über Diffusion mit dem Sbgasstrom verbunden
-Eine Pumpenzelle pumpt Sauerstoff in die Kammer hinein oder von dort heraus. Die Pumpleistung ist direkt proportional zum Pumpenstrom.
-Ein Regler stellt den Pumpenstrom so ein, dass in der Kammer genau Lambda 1 herrscht.
-Der Pumpenstrom wird als Spannung über einen im Stecker der Sonde eingebauten Kalibrierwiderstand gemessen. Somit sind Herstelltoleranzen der Sonde werkseeitig ausgeglichen, ohne dass man als Benutzer das Lambdameter mit Prüfgas kalibrieren oder justieren müsste.
-Der Innenwiderstand der Nernstzelle kann als Maß für die Soindentemperatur genommen werden, somit ist es möglich, die Heizung temperaturgeregelt zu betreiben und diese Fehlerquelle auszugleichen. Außerdem erkennt man, wann die Sonde heiß genug, also betriebsbereit ist.
Der sich in dieswer Konfiguration einstellende Pumpenstrom ist genau ein Maß für den Lambdawert im Abgas. Im Datenblatt der LSU4.2 ist die Tabelle zur Umrechnung des Stroms in den Lambdawert abgebildet. Diese Tabelle wird im Mikrocontroller abgelegt und zur Anzeige des Lambdawerts genutzt. Da der Schwerpunkt auf der Einspritzanlage lag und das Projekt ohnehin sehr augfwendig war, haben wir die Lambdasoinde mit einem fertigen IC (Bosch CJ125) angesteuert. Der Regler für den Pumpenstrom ist bereits darin integriert, nur die Heizungsregelung muss man separat im Mikrocontroller machen. Nervig ist, dass dieses IC keine Analog/Digital-Wandler enthält. Somit muss man dieses einerseits digital ansteuern, um z.B. die Konfiguration anzupassen und Fehler auszulesen, andererseits jedoch auch analog die Daten wie Pumpenstrom oder Widerstand des Nernstzelle auslesen.
Als wir die Einsprizung gebaut haben, war das Datenblatt noch voller Fehler. Bits waren invertiert, Betriebszustände nicht klar definiert usw. Und die öffentlich im Internet verfügbare Produktinfo war auch recht oberflächlich und teilweise fehlerhaft. Dennoch war es innerhalb einiger Tage möglich, das IC korrekt in Funktion zu nehmen.
Generell empfehle ich nur Lambdameter basierend auf LSU4.2. Diese Sonde ist heute billig verfügbar (um 70 EUR), sie misst sehr genau und recht schnell und sie ist werkskalibriert. Den passenden Anschlusstecker nimmt man von VW (die Sonde war in einem Passsat Turbo mit 1,8 20V verbaut, man kann Stecker und vergoldete PINs als Ersatzteil bei VW bestellen).
Kondenswasser ist nach wie vor schädlich für Lambdasonden in heißem Zustand. Tritt das wasser am Schutzrohr vorbei zum heißen Keramikelement, entstehen dort Spannungsrisse. daher ist es nicht empfohlen, Lambdasonden liegend oder über Kopf einzubauen oder in noch kalten Endschalldämpfern den Lambdawert zu messen.