Wozu braucht man einen Sauerstoff- und Lambdawert?
Warum ist der Sauerstoff- bzw. Lambdawert überhaupt so wichtig?
Sauerstoffwert:
Den Sauerstoffgehalt kann man mit der Lambdasonde in fast allen beliebigen Gasen messen:
- Abgase von Verbrennungsvorgängen (stationäre Feuerungen beliebiger Brennstoffe, Motoren aus BHKWs)
- In Schutzgasen wie z.B. Argon oder Stickstoff, z.B. zur Qualitätskontrolle
- In Wasserdampfatmosphären zur Bestimmung des Dampfgehalts
Die Lambdasonde ist spezialisiert auf Anwendungen in heißen Gasen, da sie vom Messprinzip und Aufbau genau dafür ausgelegt ist. Die Breitband-Lambdasonde wurde ursprünglich für die Verwendung in der Regelung von Verbrennungsmotoren konzipiert.
Die Sonde ist aber keinesfalls auf diesen Anwendungszweck limitiert. So lange sich kein flüssiges Wasser an der Messstelle bilden kann, ist die Sonde für alle Temperaturen geeignet.
Lambdawert:
Der Lambdawert ist eine Größe, die vor allem bei Verbrennungsmotoren verwendet wird.
Ein moderner Motor mit 3-Wege-Katalysator wird normalerweise mit einem Lambdawert von 1 bzw. einem "Air-to-Fuel Ratio" (AFR) von 14,7 betrieben. Es kommt also ein Teil (Otto-) Kraftstoff auf 14,7 Teile Luft (Massenverhältnis: 14,7 Gramm Luft kommen auf 1 Gramm Kraftstoff). Das muss so sein, damit der Katalysator richtig arbeiten kann und am Ende so wenig schädliche Abgase (CO, NOx und unverbrannter Kraftstoff) wie möglich in die Umwelt gelangen.
Der optimale Lambdawert für maximale Leistung liegt aber nicht bei 1 sondern bei 0,9. Am effizientesten läuft ein Motor mit Lambda = 1,1.
Bei Verbrennungsmotoren in BHKWs wird oftmals ein Luftüberschuss eingestellt um diese mit dem höchsten möglichen Wirkungsgrad betreiben zu können.
Aufbau der Sprung-Lambdasonde
Grundlagen der Sprung-Lambdasonde
Obwohl sich hier fast alles um die Breitband-Lambdasonde dreht, braucht man das Grundlagenverständnis der Sprung-Lambdasonde, um die Breitband-Lambdasonde verstehen zu können.
Die Sprung-Lambdasonden bestehen aus einem keramischen Sensorelement, welches mit Platin-Elektroden bedruckt wurde. Bei fast allen modernen Sprung-Lambdasonden ist auch ein Heizelement verbaut um den Sensor schnell auf die Betriebstemperatur von 700 - 800°C zu bringen.
Die keramischen Sensorelemente sind entweder fingerförmig oder planar ausgeführt:
Die ersten Lambdasonden wurden fast ausschließlich als fingerförmige Sensoren ausgeführt. Das Sensorelement ist hohl, so dass dort ein Heizelement eingeführt werden kann.
Vorteil des planaren Sensorelements ist das in der Keramik eingebettete Heizelement kombiniert mit geringerer thermischer Masse. Damit kann der Sensor schneller auf Betriebstemperatur gebracht werden.
Weitere Vorteile sind geringerer Materialbedarf (Platin) und schnellere Montage. Die Platinschichten werden per Siebdruck auf die Keramik aufgebracht und danach gebrannt.
Sprung-Lambdasonden geben eine Spannung aus, die Nernst-Spannung. Diese Spannung ist abhängig vom Sauerstoffpartialdruckgefälle zwischen dem Referenzgas (Umgebungsluft bzw. Sauerstoff) und dem Messgas (Abgas).
Diese Spannung wird zwischen der äußeren Platinelektrode (dem Messgas ausgesetzt) und der inneren Elektrode (Referenzgas, Luft bzw. Sauerstoff) gemessen:
Die Kennlinie der Sprung-Lambdasonden ist im Übergang von Sauerstoff-Überschuss (oxidierende Atmosphäre an der äußeren Elektrode) zu Sauerstoff-Mangel (oxidierbare Atmosphäre an der äußeren Elektrode) sehr steil, sie steigt Sprunghaft an. Von dieser Kurvenform hat die Sprung-Sonde ihren Namen.
Die Kennlinie weißt in den Zonen außerhalb von λ = 1 nur eine sehr geringe Steigung auf. Diese Steigung ist im Bereich von λ < 1 größer als im Bereich λ > 1.
Die Kennlinie wird generell sehr stark von der Temperatur des Sensorelements beeinflusst. Im Bereich λ < 1 ist außerdem der Einfluss der chemischen Zusammensetzung des Messgases sehr stark.
Die Ausgangsspannung der Sonde beträgt bei 2% Sauerstoff nur etwa 30 - 50mV, bei 21% Sauerstoff etwa -10mV.
Um die Genauigkeit der Sprung-Lambdasonden zu verbessern, verwenden die neuesten Sprung-Lambdasonden zwei Techniken aus der Welt der Breitband-Lambdasonden:
- Messung des Innenwiderstands zur Temperaturbestimmung des Sensorelements
- Verwendung einer gepumpten Referenz um Umwelteinflüsse zu reduzieren
Aufbau der Breitband-Lambdasonde
Grundlagen der Breitband-Lambdasonde
Die Breitband-Lambdasonde hat viele Gemeinsamkeiten mit der Sprung-Lambdasonde:
- Rein äußerlich ist das Gehäuse schon sehr ähnlich
- Das Material (die verwendete Keramik) ist das gleiche und das Funktionsprinzip zumindest teilweise
- Beide Sondentypen werden meist beheizt und die Temperatur über den Innenwiderstand geregelt
Im Gegensatz zur Sprungsonde werden jedoch zwei "Zellen" verwendet. Die Pump-Zelle und die Nernst-Zelle.
Wahl der richtigen Lambdasonde
Die verschiedenen Typen und deren Unterschiede
Lambdasonden gibt es von verschiedenen Herstellern in verschiedenen Varianten, die größten Hersteller sind dabei Bosch, NTK/NGK und Denso.
Wir konzentrieren uns hier auf die verschiedenen Typen, die von Bosch angeboten werden:
- Bosch LSU 4.2
- Bosch LSU 4.9
- Bosch LSU 5.1
- Bosch LSU 5.2
- Bosch LSU 6
Alternativen zur Bosch LSM 11
Die verschiedenen Typen und deren Unterschiede
Die Lambdasonde Bosch LSM11 ist eigentlich eine Sprung-Lambdasonde. Diese Lambdasonde wurde jedoch so entwickelt, dass sie im sauerstoffreichen Gas auch ein lineares Ausgangssignal liefert.
Das Ausgangssignal weißt dabei jedoch (wie alle Sprungsonden) einen sehr geringen Hub auf. Dieser reicht von etwa -10mV bei Umgebungsluft bis 40mV bei 2% Sauerstoff.
Weiterhin ist dieses Signal stark Temperatur- und Alterungsabhängig.
Die Bosch LSM 11 Sonde wurde im Jahr 2022 abgekündigt und wird nicht mehr produziert. Lagerbestände sind praktisch nicht mehr vorhanden.
Um ältere Steuerungen weiter betreiben zu können, haben sich zwei Alternativsonden herauskristallisiert:
- NGK/NTK OZA685
- Bosch LSF 4.2
Beide Sonden weißen Abweichungen zur Bosch LSM 11 auf, sind aber im Normalfall kompatibel.
Details finden Sie im Technischen Bericht: Link
Bei der Sonde vom Typ "Bosch LSF 4.2" handelt es sich um eine Sonde mit einem sogenannten planaren Sondenelement, die Sonde vom Typ "NGK OZA 685" ist mit einem fingerförmigen Element versehen.
Die ursprüngliche Sonde LSM11 besaß ein fingerförmiges Sensorelement.
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