Seminarvortrag zum Modul Sensoren an der Fernuniversität Hagen Die Lambdasonde Ein chemischer Sensor zur Sauerstoffmessung im Abgas eines Otto-Motors Vortrag von: Michael Gillert, Matr.-Nr.: 7967799
Vorwort Die heutigen, strengen Abgasnormen für Kraftfahrzeuge setzen eine sehr genaue Zusammensetzung des Verbrennungsmediums voraus. Die Regelung dieser Zusammensetzung muss zudem in sehr engen Grenzen erfolgen. Um diese Vorgaben zu erfüllen, ist es erforderlich, einen Sensor in den Abgasstrom zu implementieren, der aus Abgasbestandteilen eine Spannung erzeugt und dem Motorsteuergerät bereitstellt. Dieser Vortrag stellt dazu die Spannungssprungsonde und die Breitbandlambdasonde vor. Die früher verwendete Widerstandssprungsonde ist, aufgrund der inzwischen nur noch geringfügigen Verbreitung in Kraftfahrzeugen, nicht Bestandteil dieses Vortrages. 2
Gliederung 1 Einleitung 2 Spannungssprungsonde 3 Sondenspannung 4 Breitbandlambdasonde 5 Katalysatorüberwachung mit 2 Spannungssprung- Lambdasonden 6 Ausblick 7 Quellennachweis 3
1 Einleitung 1.1 Abgasgrenzwerte für Fahrzeugklasse M 1 (PKW) nach Euro-Normen 2,50 2,00 1,50 1,00 CO [g/km] HC [g/km] NOx [g/km] 0,50 0,00 Euro III Euro IV Euro V 4
1.2 Katalysatoraufbau und funktion - Oxidation: 2 CO + O 2 CO2 - Reduktion: 2 NO + 2 CO 2 N 2 + 2 CO 2 - Oxidation: 2 C 2 H 6 + 7 O 2 4 CO 2 + 6 H 2 O Bildquelle: Gscheidle 5
1.3 Stöchiometrisches Verhältnis - Ein hoher Wirkungsgrad des Katalysators ist nur bei einem bestimmten Mischungsverhältnis von Luft und Kraftstoff gegeben. - Nur in diesem Bereich ist die gewünschte Umwandlung der Abgasbestandteile möglich. - Das ideale Mischungsverhältnis, hinsichtlich der Abgasqualität, beträgt bei einem Ottomotor: 14,7 kg Luft zur Verbrennung von 1 kg Otto-Kraftstoff (stöchiometrisches Verhältnis) - Die Regelung des Mischungsverhältnisses ist somit die zentrale Funktion für die Einhaltung der Abgasnormen. 6
7 1.4 Der Lambda-Wert - Der Lambdawert gibt das Luftverhältnis der Verbrennung an. λ = - Das für die Katalysatorwirkung ideale Verhältnis liegt bei λ = 1 Bildquelle: Lohninger [ ] [ ] k g L u f t m a s s e b e n ö t i g t e h t h e o r e t i s c k g L u f t m a s s e z u g e f ü h r t e
1.5 Der Lambda-Regelkreis Bildquelle: Gscheidle 8
2 Spannungssprungsonde Kennzeichen: - potentiometrische Zelle - Festkörperelektrolyt - Leitfähigkeit für Sauerstoffionen - schnelle Ansprechzeit (wenn Anspringtemperatur erreicht ist) - kalibrierfrei - Referenzgas ist erforderlich - stofferkennendes Element: Keramikkörper aus dotiertem Zirkoniumoxid 9
2.1 Aufbau der Spannungssprungsonde als Fingersonde Bildquelle: Gscheidle 10
2.2 Aufbau der Spannungssprungsonde als Planarsonde Bildquelle: Bosch GmbH 11
2.3 Funktionsweise der Spannungssprungsonde Bildquelle: Pape Der Festkörperelektrolyt wird ab ca. 350 C für Saue rstoffionen leitend. Die Temperatur wird durch die heißen Abgase erreicht. Um die Temperatur nach dem Motorstart schnell zu erreichen, wird eine Beheizung mit einem PTC-Element vorgenommen. 12
2.4 Kristallaufbau von Zirkonoxid und Dotierung Bildquelle: Pape (oben), TU Darmstadt (unten) Durch die Dotierung mit Y 2 O 3 entstehen Sauerstofflücken im Gitter. Diese sind die Ladungsträger für die Ionenleitung. Diffusion von Leerstellen Zwischengitterdiffusion 13
2.5 Messprinzip der Lambdasonde Bildquelle: TU Darmstadt 14
15 3 Sondenspannung - Sauerstoff ist im gasförmigen Zustand elektrisch neutral. - Der Festkörper der Sonde ist jedoch nur durchlässig für Sauerstoffionen. - Somit muss der Sauerstoff an der Referenzelektrode negativ aufgeladen werden, an der Messelektrode wieder entladen werden. - Dabei entsteht eine partialdruckabhängige Spannung nach der NERNSTschen Gleichung: = M e s s s R e f e r e l n s P P F RT U 4 U s = Sondenspannung [V] R = Gaskonstante T = Temperatur des Festkörpers [K] F = Faraday-Konstante P = Partialdruck [mbar] ] C m o l 1 0 [ 9. 6 4 8 1 4 ] m o l J K [ 8. 3 1 4 1 1
3.1 Spannungskennlinie in Abhängigkeit des λ-wertes Da im Bereich von λ=1 im Abgas eine sprunghafte Änderung des Restsauerstoffgehaltes erfolgt, tritt an dieser Stelle der charakteristische Spannungsverlauf dieser Sondenart auf. Bildquelle: Gscheidle 16
3.2 Spannungsverlauf mit angeschlossener Regelelektronik bei Leerlaufdrehzahl eines Ottomotors 17
3.3 Spannungsverlauf mit angeschlossener Regelelektronik bei 2000 1/min 18
4 Breitbandlambdasonde Für Otto-Motoren, die gewollte Betriebszustände mit sehr magerem oder fettem Gemisch haben, bzw. Dieselmotoren, ist der Messbereich von Spannungssprungsonden nicht ausreichend. Zum Einsatz kommen hierbei sogenannte Breitbandlambdasonden. Kennzeichen: - einsetzbar im Bereich λ = 0,7 - (Luft mit 20,8 % Sauerstoff) - Zweizellensonde 1 Messzelle aus dotiertem Zirkoniumoxid wie bei Spannungssprungsonde. 1 Pumpzelle zum Transport von Sauerstoffionen (Platinelektroden) - Kalibrierung notwendig - amperiometrische Zelle - Referenz nicht erforderlich wie bei Spannungssprungsonde 19
4.1 Aufbau der Breitbandlambdasonde Bildquelle: Bosch GmbH 20
4.2 Funktionsweise der Breitbandlambdasonde Bildquelle: Bosch GmbH Abgas gelangt in den Diffusionsspalt. Über die Sensorzelle wird ein Vergleich zwischen dem Gas im Diffusionsspalt und dem Gas im Referenzluftkanal, bezüglich des Sauerstoffgehaltes, herangezogen. Durch Anlegen einer Pumpspannung an die Platinelektroden der Pumpzelle, kann Sauerstoff aus dem Spalt oder in den Spalt hinein gepumpt werden, so dass die Zusammensetzung 21 des Gases im Spalt konstant bei λ = 1 liegt.
4.3 Pumpstrom einer Breitbandlambdasonde in Abhängigkeit vom Lambdawert des Abgases Bildquelle: Gscheidle Der Pumpstrom ist proportional der Sauerstoffkonzentration im Abgas. Somit stellt der Strom ein Maß für die Luftzahl λ dar. Ein Pumpstrom fließt nur bei Abweichungen vom idealen Lambdawert. Bei magerem Abgas pumpt die Pumpzelle den Sauerstoff nach außen, der Pumpstrom ist positiv. Bei fettem Abgas wird der Sauerstoff aus dem Abgas der Umgebung in den Diffusionsspalt hineingepumpt, der Pumpstrom ist deshalb negativ. 22
5 Katalysatorüberwachung mit 2 Spannungssprung-Lambdasonden - Katalysatorfunktion einwandfrei - Fähigkeit zur Sauerstoffspeicherung ist gegeben - Aufgrund der Sauerstoffarmut kein Regelverhalten der Sonde nach Kat - Katalysator defekt, viel O 2 nach Kat - Monitorsonde zeigt Regelverhalten Bildquelle: Beru AG 23
6 Ausblick Die Lambdasonde ist innerhalb der Sensorik von Gemischbildnern und Abgasregelsystemen ein fester und wichtiger Bestandteil. Durch sie ist es möglich, die vom Gesetzgeber geforderte Abgasqualität und Katalysatorüberwachung zu erreichen und einzuhalten. Die Lambdasonde wird somit weiterhin ein unverzichtbarer Bestandteil innerhalb der Abgasregelung eines Verbrennungsmotors sein. Derzeitige Entwicklungen basieren auf dem in diesem Vortrag aufgezeigten Grundprinzipien. Es wird jedoch angestrebt, zukünftig eine noch bessere Diagnosefähigkeit und eine schnellere Ansprechzeit der Sonde zu erreichen. 24
7 Quellennachweis BERU AG: Alles über Lambdasonden. Ludwigsburg Technische Information Nr. 03 GSCHEIDLE, ROLF: Fachkunde Kraftfahrzeugtechnik. Haan-Gruiten: Europa, 2009 PAPE, MICHAEL R.: Die λ-sonde als Meßgerät für das chemische Potential. Karlsruhe, Universität, Fakultät Physik, Staatsexamenarbeit, 1999 ROBERT BOSCH GMBH: Abgassensoren im Powertrain. Stuttgart Firmenschrift ROBERT BOSCH GMBH: Sauerstoff-Lambda-Sonde LSU4.9. Stuttgart Firmenschrift TECHNISCHE UNIVERSITÄT DARMSTADT: Charakterisierung einer Lambda-Sonde. Darmstadt, Skript zum Praktikum Materialwissenschaften, Version 2.1 Internet-Quellen: LOHNINGER, Hans: Lambda-Sonde, 2008. URL: http://www.vias.org/mikroelektronik/sensor_lamdasonde. html UNIVERSITÄT JENA: Seminar Analytische Chemie 1, 2009. - URL: http://www.uni-jena.de/unijenamedia /Downloads/faculties/chgeo/inst_iaac/Analytisches+Semi nar/seminar+no+8+eca_web_2009.pdf (22.06.2010) 25