Sektion G: Physik

Lambda-Sonde

G01N 27/409

Um die Einhaltung der vom Gesetzgeber festgelegten Emissionsgrenzwerte für die Umweltschadstoffe Kohlenmonoxid, Stickoxid und Kohlenwasserstoff gewährleisten zu können, ist heutzutage bei Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor eine katalytische Nachbehandlung der Abgase notwendig. Dies geschieht im Falle von Otto-Motoren ganz überwiegend mit Hilfe eines Drei-Wege-Katalysators, welcher diese Schadstoffe parallel zueinander oxidiert bzw. reduziert. Voraussetzung hierfür ist jedoch die Einregelung des dem Motor zugeführten Gemisches auf ein konstantes, stöchiometrisches Luft-Kraftstoff-Verhältnis, das für eine vollständige Verbrennung des Kraftstoffs erforderlich ist. Hierzu finden sogenannte Lambda- oder λ-Sonden Verwendung, wobei λ für das Verhältnis des tatsächlichen Luft-Kraftstoff-Verhältnisses zum stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis steht. Diese Sensoren messen einen Restsauerstoffgehalt im Abgas und arbeiten für den Fall λ=1 meist nach dem Prinzip einer galvanischen Sauerstoff-Konzentrationszelle mit einem Festkörperelektrolyt auf der Basis einer mit Yttrium dotierten Zirkondioxid-Keramik (Nernst-Sonde).

Die Figur 1 aus DE 29 13 633 C2 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer frühen Lambda-Sonde, welche die Form eines einseitig geschlossenen Rohres 1 aus Zirkondioxid besitzt, von dem die äußere Oberfläche dem zu messenden Abgas und die innere Oberfläche einem Vergleichsgas, in der Regel Luft, ausgesetzt werden. Auf den jeweiligen Rohroberflächen befinden sich Platin-Rhodium-Schichtsysteme als Außen- 12 bzw. Innenelektrode 13. Die Zirkondioxid-Keramik des Rohres 1 erweist sich oberhalb einer Temperatur von ca. 300 °C als Ionenleiter für Sauerstoff-Ionen. Somit wandern Sauerstoff-Ionen aufgrund eines Sauerstoff-Konzentrationsgefälles zwischen Abgasseite und Vergleichsgasseite durch das Rohr hindurch zur Abgasseite. Dies führt zu einer elektrischen Spannung zwischen den Elektroden, die über ein Anschlussteil 3, 11 als charakteristische Sondenspannung abgenommen werden kann und einen Rückschluss auf den λ-Wert des Abgases erlaubt.
Mit Hilfe eines Gewindes und eines Dichtrings 10 am Gehäuse 4 kann die Sonde unmittelbar in eine dafür in der Abgasleitung eines Verbrennungsmotors vorgesehene Bohrung eingeschraubt werden.

Figur 1: Frühe Lambda-Sonde nach DE 29 13 633 C2.

Eine Lambda-Sonde in einer aktuellen Ausführungsform zeigt die Figur 2 aus DE 195 32 090 C2. Um eine benzinfeste Abdichtung des Sensorelements 27 zu gewährleisten und weiterhin dem Auftreten von Leckströmen in dem metallischen Gehäuse 12 entgegenzuwirken, wird in diesem Fall eine spezielle Anordnung von Dichtkörpern verwendet. Zwischen einem messgasseitigen 21 und einem anschlussseitigen Keramikformteil 23 befindet sich eine Dichtungsanordnung 35, bestehend aus einem ersten 36 und einem zweiten Dichtelement 38 aus Steatit (Talk) und einem Dichtelement 37 aus elektrisch isolierendem Bornitrid. In den Durchbrüchen 22, 24 befindet sich ein plattenförmiges Sensorelement 27 mit einem messgasseitigen Endabschnitt 28.

Figur 2: Lambda-Sonde nach DE 195 32 090 C2.

Ein Beispiel für solch ein plattenförmiges Messelement, welches sich neben einer einfachen und kostengünstigen Herstellbarkeit durch eine kurze Ansprechzeit aufgrund seiner geringen Wärmekapazität und seiner kleinen Gasräume auszeichnet, zeigt die Figur 3 aus DE 29 28 496 C2. Der Festkörperelektrolyt 11 aus Zirkondioxid, der gleichzeitig den Träger 14 des Sensors 10 bildet, befindet sich zwischen der schichtförmigen Mess- 12 und Bezugselektrode 13. Auf dem Träger 14 ist eine elektrisch isolierende, mit einem fensterartigen Durchbruch 24 versehene Aluminiumoxidschicht 23 aufgebracht, auf welcher sich wiederum ein Heizelement 26 befindet, um den Sensor ggf. auf Betriebstemperatur zu bringen. Ein System von Kanälen 20 auf einer Deckplatte 17 erlaubt den Zutritt von Luftsauerstoff zur Bezugselektrode 13.

Figur 3: Aufbau eines plattenförmigen Sensorelements aus DE 29 28 496 C2.

Für eine Recherche relevante IPC-Gruppen
IPC	Technischer Aspekt
G01N 27/409	Konzentrationsmesszellen für Sauerstoff
G01N 27/416	Untersuchen elektrochemischer Größen; Elektrolyse; Messsysteme
F02D 41/14	Steuerung oder Regelung der Zufuhr eines brennbaren Gemisches oder seiner Bestandteile zu einer Brennkraftmaschine durch Einführung von Korrekturgrößen in geschlossenen Regelschleifen

Zitierte Patentdokumente
Patentnummer	Jahr	Titel
DE 195 32 090 C2	1997	Dichtung für ein Sensorelement eines Gassensors
DE 29 28 496 C2	1987	Elektrochemischer Meßfühler für die Bestimmung des Sauerstoffgehalts in Gasen
DE 29 13 633 C2	1986	Elektrochemischer Meßfühler für die Bestimmung des Sauerstoffgehalts in Gasen

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