MESSEN & TESTEN
Lambda-Sonden-Tester
Kontrolleur für die richtige Mischung
Was nutzt das beste
KAT-System, wenn
seine Bestandteile
nicht richtig funktio-
nieren. Neben dem
eigentlichen Katalysa-
tor, der nur eine
beschränkte Lebens-
dauer besitzt, kann
auch der Sensor
selbst Ursache von
Fehl- oder Nichtfunk-
tionen sein. Aber mit
einer einfachen Schal-
tung läßt sich der
Sonde auf den Zahn
fühlen.
Die beste Lösung, die Abgasemissio- (Stickoxide) und CO (Kohlenmonoxid)
nen von Kraftfahrzeugen drastisch zu an. Wird das Luft/Kraftstoffgemisch auf
reduzieren, ist der 3-Wege-Katalysator etwa 14:1 gehalten, kann der Katalysa-
mit Lambdaregelung. Diese Technolo- tor die giftigen Gase größtenteils
gie nutzt den Zusammenhang zwi- umwandeln. NOx wird reduziert zu N2
schen der Zusammensetzung des (Stickstoff), HC und CO werden oxy-
Luft/Sprit-Gemischs, das dem Motor diert zu H2O (Wasser) und CO2 (Koh-
zugeführt wird, und den Abgasen, die lendioxid). Diese Stoffe kommen in die-
der Motor ausstößt. Der sogenannte ser Form in der Natur vor und sind
geregelte Katalysator (G-Kat) besteht zumindest primär ungiftig, allerdings
aus mehreren Komponenten. gelangen mehr Treibhausgase (CO2)
Der eigentliche Katalysator, der im Aus- in die Atmosphäre.
puffsystem eingebaut ist, behandelt die
Abgase katalytisch, das heißt, er filtert
nicht etwa die Abgase, sondern bewirkt H EI SSER S ENSOR
eine Nachverbrennung (Oxidation) Die Lambda-Sonde (Bild 1), das Kern-
und eine Zersetzung von chemischen stück der Katalysatorregelung, analy-
Verbindungen, bei der Sauerstoff abge- siert im Abgasstrom die Zusammenset-
spaltet wird (Reduktion), ohne sich zung der Abgase. Daraus ermittelt die
selbst zu verbrauchen. Der G- Kat wan- Regelelektronik das optimale
Das Lambda-Scope ist eine Projekt-Arbeit
delt die giftigen Abgase in ungiftige Mischungsverhältnis von Kraftstoff
der Klasse TEV12 der Fachschule für Technik,
Fachbereich Elektrotechnik, chemische Verbindungen um. und Luft für das angesaugte Gemisch.
an der Ludwig-Geissler-Schule zu Hanau.
Bei der Verbrennung von fossilen Das Verhältnis aus der der Verbren-
Wir danken den Schülern und ihrem
Brennstoffen fallen die giftigen Abgase nung zugeführten Luftmenge und der
Lehrer Studienrat Reinhardt Weber!
HC (unverbrannter Kraftstoff), NOx dabei verbrauchten wird Lambda
25
1
Bild 1. Planare Breit-
genannt. Das optimale Elektroden eine elektri- tet darauf hin, daß das Gemisch zu fett
band-Lambda-Sonde
Verhältnis von 14:1 ent- von Bosch.
sche Spannung, die ist (zu wenig Sauerstoff). Dies ist aber
spricht einem Lambda- proportional zum nur bei kaltem Motor oder unter
Wert von 1. Lambda-Wert ist. Umständen unter Voll-Last (manche
Eine Lambda-Sonde besteht im Einspritzanlagen reichern das Gemisch
wesentlichen aus einem becherförmi- dann an) erlaubt. Ansonsten sollte man
gen Körper aus Zirkondioxid-Keramik N I CHT ZU MAGER, die Einspritzanlage oder aber den Tem-
(ZrO2), der auf der abgasseitigen Ober- NI CHT ZU FETT peraturfühler der Regelung überprü-
fläche mit gasdurchlässigem Platin und Beim idealen Mischungsverhältnis 14:1 fen.
einer verschleißfesten porösen Kera- alterniert die Spannung um 0,5 V (die Bei einem zu magerem Gemisch dage-
mik beschichtet ist. Die Innenseite hat Frequenz ist abhängig von der Zeit- gen fällt die Spannung unter 0,5 V.
Verbindung mit der Umgebungsluft. konstante des Regelkreises). Beträgt Auch dafür gibt eine erlaubte Situa-
Die Wirkung der Sonde beruht darauf, die Ausgangsspannung dagegen tion, nämlich eine aktive Schubab-
daß das keramische Material bei einer genau und ohne zu schwanken 0,5 V, schaltung (kein Gas geben bei höherer
Temperatur über 600° C Sauerstoffio- ist dies ein Zeichen Drehzahl). Ansonsten
nen leitet. Deshalb muß die Sonde dafür, daß der Regel- betreffen die mögli-
Bild 2. Der Lambda-Son-
noch durch ein internes Heizelement kreis defekt oder die chen Fehlerquellen
den-Tester besteht aus
auf Betriebstemperatur gebracht wer- Lambda-Sonde inak- einem einfachen Span- vor allem die (zu
den. Ist der O2-Gehalt des Abgases auf tiv oder kalt ist. nungsmesser und einer geringe) Benzinzu-
der Innen- und Außenseite der Kera- Eine dauerhaft zu umschaltbaren Referenz- fuhr.
mik verschieden hoch, entsteht an den hohe Spannung deu- spannungsquelle.
12V 5V
2
R6
D10
R3
D9
D15 D16
3
D8
9 10
MODE L10
R2
LAM
5 11
D7
L9
1k SIG
12
IC1
L8
D12 D14
6 13
D6
L7
RHI
R7
14
L6
Re2
15
D5
CTR D13 L5
LM3914
16
L4
7 17
D4
L3
REFOUT
4x
R4
8 18
REFADJ L2
1N4148
4 1
D3
RLO L1
Re1
2
D2
D11
R5 R1
C5
D1
S1
1n
Re1, Re2 = V23100-V4312-C000
IC2
12V
D17
5V
78L05
1N4148
C3 C4
C1 C2
12V
10µ 10n 10n 10µ
63V 63V
990057 - 11
Elektor 9/99
26
4k7
8k2
2k74
330
&!
1k5
6k81
Bild 3. Auf der Platine
H3
bilden die LEDs eine
3
Regelkurve.
D17
R3 R4 R5
zeugs angeschlossen bleiben. Aller-
dings sollte man berücksichtigen, daß
dabei unter Umständen Garantiebe-
stimmungen verletzt werden.
In den beiden anderen Schalterstel-
IC1
lungen arbeitet das Gerät im Testmo-
R2
dus: Die Regelschleife ist aufgetrennt,
H2
R7
so daß der Einspritzsteuerung ein zu
hoher (Schalter in Stellung Test-Hi)
oder zu niedriger (Test-Lo) Sensorwert
vorgegaukelt wird. Die Gaukelspan-
nung stammt vom Spannungsteiler
(R3...R5), der von Re2 umgeschaltet
wird. Die beiden LEDs D15 und D16
zeigen die gewählte Testspannung an
(D15 bei niedriger und D16 bei hoher
Testspannung). Die Einspritzsteuerung
versucht darauf hin, das Gemisch zu
optimieren und bei niedriger Test-
spannung anzureichern, bei hoher
Testspannung abzumagern.
Die Spannungsstabilisierung ist kon-
ventionell mit einem 78L05 aufgebaut.
D17 verhindert, daß die Elektronik bei
verpolter Betriebsspannung Schaden
nimmt. Am Ausgang steht eine stabile
und geglättete Gleichspannung von +5
sorgungsspannungsanschlüssen zwei V zur Verfügung. Die Relais werden
Stückliste
Kontakte zur Außenwelt, nämlich für allerdings direkt mit +12 V betrieben.
den Sensor LAM und den Eingang der
Widerstände:
R1 = 6k81
Regelelektronik CTR. Der Sensor ist an
R2 = 1 k
dem Signaleingang des bekannten R EGELKURVE
R3 = 8k2
LED-Reihen-Treibers LM3914 ange- I M D I SPLAY
R4 = 1k5
schlossen. R2 und C5 fungieren als Auf der Platine des Lambda-Sonden-
R5 = 330 &!
Tiefpaß und eliminieren Störspitzen Testers in Bild 3 sind die LEDs in Form
R6 = 4k7
auf der Signalleitung. Die Referenz- der Regelkurve angeordnet. Leuchten
R7 = 2k74
spannung des LM3914 ist durch R1 die LEDs nur im markierten Bereich in
Kondensatoren: und R7 so gewählt, daß die LEDs das der Displaymitte, so scheint der G-Kat
C1,C2 = 10 n
Spannungsfenster von 0 V (D1) bis 1 V ordnungsgemäß zu funktionieren.
C3,C4 = 10 µ/63 V stehend
(D10) in 0,1-V-Schritten abdecken, Leuchtet eine der LEDs D9, D10 oder
C5 = 1 n
wobei D5 den Idealwert von 0,5 V D1, so ist das Gemisch zu fett respek-
repräsentiert. Der Mode-Pin ist offen, tive zu mager.
Halbleiter:
so daß das Display deshalb im Punkt- Die LEDs für den Testmodus sind so
D1...D10 = LED 3 mm rot, high eff.
Modus arbeitet, also nur jeweils eine neben der Regelkurve angebracht, daß
D11...D14,D17 = 1N4148
D15 = LED 3 mm gelb, high eff. LED leuchtet. der Einspritzcontroller das Gemisch zu
D16 = LED 3 mm grün, high eff.
Das im Fahrzeug schon bestehende jenem Lamda-Wert korrigieren muß,
IC1 = LM3914
Kabel zwischen Regelelektronik und der neben der entsprechenden LED
IC2 = 78L05
Sensor muß natürlich entfernt werden, liegt.
bevor man den Tester in Betrieb neh- Die Bestückung der Platine und der
Außerdem:
men kann. Eventuell läßt sich dieses Einbau in ein Gehäuse ist kaum ein
S1 = Wechselschalter 1Å"um mit
Kabel an der passenden Stelle auftren- Problem. IC1 und die beiden Reed-
Mittelstellung für Platinenmontage,
nen und am Tester befestigen. Relais sollten direkt und ohne Fassun-
gewinkelt
Re1...Re2 = 12-V-Reedrelais 1Å"um gen verlötet werden. Die LED sollte
(Siemens V23100-V4312-C000)
man erst fixieren verlöten, wenn sie an
M ONI TOR UND T EST den Bohrungen des Gehäuses ausge-
Mit dem Schalter S1 lassen sich ver- richtet sind.
schiedene Betriebsmodi wählen. In der Bei den Kabelverbindungen sollte man
gezeichneten Mittelstellung stellt Re1 aber besondere Sorgfalt walten lassen.
S CHALTUNG
eine Verbindung zwischen CTR und Die Sensorspannung sollte man an
MI T LED- ZEI LE
LAM her. Damit ist die Regelschleife einer Steckverbindung so nah wie
Alles, was der Elektroniker benötigt, geschlossen, der Tester arbeitet im möglich am Sensor abgreifen und über
um die Funktion der Lambda-Sonde Monitor-Modus, beobachtet also ledig- ein abgeschirmtes (!) Kabel zum Test-
zu überprüfen, ist also ein einfaches lich die Ausgangsspannung der Sonde gerät leiten. Die Verbindung zum Ein-
Voltmeter mit ein wenig Drum- und zeigt den aktuellen Wert im Dis- spritzcontroller verläuft ebenfalls über
herum , das wir in Bild 2 sehen. Das play dar. Das Testgerät kann auch ein abgeschirmtes Kabel.
kleine Testgerät besitzt neben den Ver- während des Normalbetriebs des Fahr- (990057)rg
Elektor 9/99
27
IC2
H1
D15
C1
D14
D11
D13
D12
RE2
RE1
C2
C3
D10
C4
D9
CTR
LAM
+
990057-1
D8
D7
D6
0
D5
R6
D4
D3
D2
C5
S1
D16
R1
D1
H4
(C) ELEKTOR
990057-1
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