Viele Autofahrer lernen sie erst kennen, wenn sie Fehlermeldungen produziert: die Lambdasonde. Während der Fahrt prüft das kleine und unscheinbare Bauteil fortlaufend die Zusammensetzung des Abgases. Die Messwerte helfen dem Motorsteuergerät, die eingespritzte Kraftstoffmenge zu korrigieren. Ohne diese Rückmeldung könnte der Motor zwar laufen, der Katalysator aber nicht zuverlässig arbeiten.
Der Name der Sonde leitet sich vom griechischen Buchstaben Lambda ab. In der Motorentechnik beschreibt der Lambdawert das Verhältnis zwischen der tatsächlich zugeführten und der für eine vollständige Verbrennung theoretisch benötigten Luftmenge. Bei Lambda 1 liegt das sogenannte stöchiometrische Gemisch vor: Im Ottomotor sind dann ungefähr 14,7 Kilogramm Luft für ein Kilogramm Benzin vorhanden. Ein Wert unter 1 bedeutet ein „fettes“ Gemisch mit Kraftstoffüberschuss, ein Wert über 1 ein „mageres“ Gemisch mit Luftüberschuss.
Für einen Drei-Wege-Katalysator ist der Bereich um Lambda 1 besonders wichtig. Nur dort kann er gleichzeitig Kohlenmonoxid und unverbrannte Kohlenwasserstoffe oxidieren sowie Stickoxide reduzieren. Das Motorsteuergerät lässt das Gemisch deshalb kontrolliert zwischen leicht fett und leicht mager pendeln. Der Katalysator speichert dabei vorübergehend Sauerstoff und gleicht die Schwankungen aus. Bei korrekt geregelten Lambda-1-Motoren lassen sich so Kohlenmonoxid, Kohlenwasserstoffe und Stickoxide wirksam vermindern.
Technik verstehen - Vom Elektroantrieb zum Scheinwerfer
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Technisch arbeitet die klassische Spannungssprungsonde mit einer beheizten Keramik aus Zirkoniumoxid. Bei hoher Temperatur kann dieses Material Sauerstoffionen leiten. Weil auf der Abgasseite eine andere Sauerstoffkonzentration herrscht als auf der Referenzseite, entsteht eine elektrische Spannung. Sie verändert sich nahe Lambda 1 sehr stark. Das Steuergerät erkennt daran vor allem, ob das Gemisch gerade fett oder mager ist. Einen weit vom Idealwert entfernten Lambdawert kann eine solche Sonde dagegen nicht besonders genau bestimmen.
Moderne Breitbandsonden messen über einen wesentlich größeren Bereich. Neben einer Messzelle besitzen sie eine Pumpzelle, die Sauerstoffionen gezielt hinein- oder heraustransportiert. Aus dem dafür benötigten Pumpstrom berechnet die Elektronik den Lambdawert. Damit lässt sich die Verbrennung auch bei starkem Luftüberschuss präzise überwachen, etwa bei Dieselmotoren oder mager betriebenen Benzinmotoren. Integrierte Heizungen bringen die Sensorkeramik nach dem Motorstart rasch auf Arbeitstemperatur, denn gerade während der Kaltstartphase entstehen vergleichsweise hohe Emissionen.
In heutigen Abgasanlagen arbeiten meist mehrere Sonden zusammen. Die Regelsonde sitzt vor dem Katalysator und liefert die Daten für die Gemischkorrektur. Eine zweite Sonde dahinter beobachtet, ob der Katalysator Sauerstoff noch wie vorgesehen speichert und Schadstoffe umwandelt. Ähneln sich die Signale beider Sensoren zu stark, kann das auf eine nachlassende Abgasreinigung hindeuten. Das Fahrzeug legt dann häufig einen Fehler im Diagnosesystem ab und schaltet die Motorkontrollleuchte ein.
Eine gealterte oder verschmutzte Lambdasonde muss nicht sofort vollständig ausfallen. Oft reagiert sie zunächst nur langsamer oder liefert verzerrte Werte. Mögliche Folgen sind ein höherer Kraftstoffverbrauch, unruhiger Motorlauf, schlechtere Abgaswerte und eine unnötige Belastung des Katalysators. Öl, Kühlmittel, Kraftstoffzusätze oder Silikonverbindungen können das Sensorelement schädigen.
Zur Serienreife gelangte die Lambdasonde 1976. Ausgangspunkt waren unter anderem Erfahrungen mit keramischen Sauerstoffsensoren, die der Stuttgarter Zulieferer Bosch bereits seit den 1960er-Jahren für industrielle Anwendungen untersuchte. Mit der Verbreitung des geregelten Drei-Wege-Katalysators wurde der Sensor zu einem Grundbaustein der Abgasreinigung. Solange Kraftstoffe in Motoren oder Heizsystemen verbrannt werden, bleibt die Messung des Restsauerstoffs wichtig.
