Lambdaregelung

Die Lambdaregelung stellt im Abgas eines Verbrennungsmotors oder eines Brenners einen gewünschten Lambdawert ein.

Grundlagen

Der Einfluss von λ auf Leistung und Spritverbrauch (Qualitativ)

Als Lambda (λ) bezeichnet man dabei das Verhältnis Luft zu Brennstoff im Vergleich zu einem stöchiometrischen Gemisch. Beim stöchiometrischen Kraftstoffverhältnis ist genau die Luftmenge vorhanden, die theoretisch benötigt wird, um den Kraftstoff vollständig zu verbrennen. Dies wird als λ=1 bezeichnet. Bei Benzin beträgt das Massenverhältnis dabei 14.7:1, bei Ethanol 9:1.

Ist mehr Kraftstoff vorhanden, spricht man von fettem Gemisch (λ<1), bei Luftüberschuss von magerem Gemisch (λ>1).

Als Lambda-Fenster (Lambda = 0,97 - 1,03) bezeichnet man den idealen Bereich, bei dem ein Katalysator die maximale Reinigungsleistung erreicht. Diese Werte müssen auch bei der Abgasuntersuchung eingehalten werden.

Die Lambdaregelung erfasst den tatsächlichen Lambdawert über eine Lambdasonde und verändert die Kraftstoff- oder Luftmenge so, dass der Sollwert eingestellt wird. Dies ist nötig, weil oft ohne Sensor die erforderliche Genauigkeit nicht erreicht werden kann.

Die Einhaltung eines bestimmten Lambdawertes hat großen Einfluss auf die Qualität der Verbrennung und die Möglichkeit einer katalytischen Abgasreinigung.

Für einen abgasarmen Betrieb mit Drei-Wege-Katalysatoren ist ein Lambdawert von möglichst genau 1 nötig.

Der Kraftstoffverbrauch erreicht in der Regel sein Minimum bei einem Wert von λ=1,1.

Für ein maximales Motormoment, wenn auch mit erhöhtem Kraftstoffverbrauch (wegen Luftmangel unvollständige Verbrennung), ist ein Wert von ca. λ=0,9 optimal.

Bei hoher Motorleistung wird durch einen fetten Motorbetrieb und dadurch kälterem Abgas einer Überhitzung und Zerstörung von Abgaskomponenten wie z. B. Krümmer, Turbolader, Katalysator vorgebeugt.

Je nachdem, ob als Lambdasonde eine Sprungsonde oder Breitbandsonde verwendet wird, unterscheidet sich das verwendete Regelverfahren.

Zweipunkt-Lambdaregelung

Funktionsschema. 1.Luftmassenmesser, 2.Vorkatalysator (Dreiwegekatalysator), 3.Hauptkatalysator, 4.Kraftstoffeinspritzventile, 5.Lambdasonde vor Kat (Zweipunkt-Lambdasonde oder Breitbandsonde), 6.Lambdasonde nach dem Katalysator (Zweipunkt-Lambdasonde, Nur bei Bedarf), 7.Kraftstoffzuführung, 8.Luftzuführung, 9.Abgasabführung

Bei einer Sprungsonde ist nur eine Regelung auf λ=1 möglich:

Bei magerem Motorgemisch und einer daher kleinen Sondenspannung (ca. 100 mV) wird die Kraftstoffmenge vergrößert, bis λ=1 unterschritten wird und die Sondenspannung ansteigt (ca. 800 mV).

Bei diesem fetten Motorgemisch wird die Kraftstoffmenge wieder verkleinert, bis λ=1 überschritten wird und die Sondenspannung wieder abfällt. Anschließend beginnt der Regelzyklus wieder von vorne.

Es stellt sich so ein periodischer Wechsel von fettem und magerem Gemisch, hoher und niedriger Sondenspannung ein. Durch die Pufferfähigkeit des Katalysators reicht die Einhaltung des Sollwerts λ=1 im zeitlichen Mittels aus, um eine hohe Konvertierung der schädlichen Abgaskomponenten sicherzustellen.

Stetige Lambdaregelung

Bei einer Breitbandsonde ist nicht nur bekannt, auf welcher Seite des gewünschten Wertes sich das aktuelle Gemisch befindet, sondern auch wie groß die Abweichung ist.

Die Korrektur kann dann z. B. mit einem PI-Regler erfolgen.

Dieselmotor

Während die Lambdaregelung im Ottomotor einen direkten Eingriff auf die eingespritzte Kraftstoffmenge erlaubt, ist solch ein Eingriff beim Dieselmotor nicht üblich. Der Grund dafür ist, dass die Änderung der Kraftstoffmenge im Magerbetrieb zu einer größeren Veränderung des Motormoments führt. Die Lambdaregelung beim Dieselmotor erfolgt stattdessen über das Luftsystem durch Regulierung der Abgasrückführrate. Erweiterte Zusatzfunktionen wie z. B. eine Rauchbegrenzung beim Diesel sind auf diesem Weg ebenfalls möglich.

Literatur

  • Jürgen Kasedorf: Kfz-Motorentest Ottomotoren. 7. überarbeitete Auflage, Vogel Buchverlag, 1997, ISBN 3-8023-0461-6
  • Kurt-Jürgen Berger, Michael Braunheim, Eckhard Brennecke: Technologie Kraftfahrzeugtechnik. 1. Auflage, Verlag Gehlen, Bad Homburg vor der Höhe, 2000, ISBN 3-441-92250-6
  • Peter A. Wellers, Hermann Strobel, Erich Auch-Schwelk: Fachkunde Fahrzeugtechnik. 5. Auflage, Holland+Josenhans Verlag, Stuttgart, 1997, ISBN 3-7782-3520-6

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