25

Die beste Lösung, die Abgasemissio-
nen von Kraftfahrzeugen drastisch zu
reduzieren, ist der 3-Wege-Katalysator
mit Lambdaregelung. Diese Technolo-
gie nutzt den Zusammenhang zwi-
schen der Zusammensetzung des
Luft/Sprit-Gemischs, das dem Motor
zugeführt wird, und den Abgasen, die
der Motor ausstößt. Der sogenannte
geregelte Katalysator (G-Kat) besteht
aus mehreren Komponenten.
Der eigentliche Katalysator, der im Aus-
puffsystem eingebaut ist, behandelt die
Abgase katalytisch, das heißt, er filtert
nicht etwa die Abgase, sondern bewirkt
eine Nachverbrennung (Oxidation)
und eine Zersetzung von chemischen
Verbindungen, bei der Sauerstoff abge-
spaltet wird (Reduktion), ohne sich
selbst zu verbrauchen. Der G- Kat wan-
delt die giftigen Abgase in ungiftige
chemische Verbindungen um.
Bei der Verbrennung von fossilen
Brennstoffen fallen die giftigen Abgase
HC (unverbrannter Kraftstoff), NO

x

(Stickoxide) und CO (Kohlenmonoxid)
an. Wird das Luft/Kraftstoffgemisch auf
etwa 14:1 gehalten, kann der Katalysa-
tor die giftigen Gase größtenteils
umwandeln. NO

x

wird reduziert zu N

2

(Stickstoff), HC und CO werden oxy-
diert zu H

2

O (Wasser) und CO

2

(Koh-

lendioxid). Diese Stoffe kommen in die-
ser Form in der Natur vor und sind
zumindest primär ungiftig, allerdings
gelangen mehr “Treibhausgase” (CO

2

)

in die Atmosphäre.

H

E I S S E R

S

E N S O R

Die Lambda-Sonde (Bild 1), das Kern-
stück der Katalysatorregelung, analy-
siert im Abgasstrom die Zusammenset-
zung der Abgase. Daraus ermittelt die
Regelelektronik das optimale
Mischungsverhältnis von Kraftstoff
und Luft für das angesaugte Gemisch.
Das Verhältnis aus der der Verbren-
nung zugeführten Luftmenge und der
dabei verbrauchten wird Lambda

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.

Das Lambda-Scope ist eine Projekt-Arbeit

der Klasse TEV12 der Fachschule für Technik,

Fachbereich Elektrotechnik,

an der Ludwig-Geissler-Schule zu Hanau.

Wir danken den Schülern und ihrem

Lehrer Studienrat Reinhardt Weber!

Lambda-Sonden-Tester

Kontrolleur für die richtige Mischung

MESSEN & TESTEN

26

Elektor

9/99

genannt. Das optimale
Verhältnis von 14:1 ent-
spricht einem Lambda-
Wert von 1.
Eine Lambda-Sonde besteht im
wesentlichen aus einem becherförmi-
gen Körper aus Zirkondioxid-Keramik
(ZrO

2

), der auf der abgasseitigen Ober-

fläche mit gasdurchlässigem Platin und
einer verschleißfesten porösen Kera-
mik beschichtet ist. Die Innenseite hat
Verbindung mit der Umgebungsluft.
Die Wirkung der Sonde beruht darauf,
daß das keramische Material bei einer
Temperatur über 600° C Sauerstoffio-
nen leitet. Deshalb muß die Sonde
noch durch ein internes Heizelement
auf Betriebstemperatur gebracht wer-
den. Ist der O

2

-Gehalt des Abgases auf

der Innen- und Außenseite der Kera-
mik verschieden hoch, entsteht an den

Elektroden eine elektri-
sche Spannung, die
proportional zum
Lambda-Wert ist.

N

I C H T Z U M A G E R

,

N I C H T Z U F E T T
Beim idealen Mischungsverhältnis 14:1
alterniert die Spannung um 0,5 V (die
Frequenz ist abhängig von der Zeit-
konstante des Regelkreises). Beträgt
die Ausgangsspannung dagegen
genau und ohne zu schwanken 0,5 V,
ist dies ein Zeichen
dafür, daß der Regel-
kreis defekt oder die
Lambda-Sonde inak-
tiv oder kalt ist.
Eine dauerhaft zu
hohe Spannung deu-

tet darauf hin, daß das Gemisch zu fett
ist (zu wenig Sauerstoff). Dies ist aber
nur bei kaltem Motor oder unter
Umständen unter Voll-Last (manche
Einspritzanlagen reichern das Gemisch
dann an) erlaubt. Ansonsten sollte man
die Einspritzanlage oder aber den Tem-
peraturfühler der Regelung überprü-
fen.
Bei einem zu magerem Gemisch dage-
gen fällt die Spannung unter 0,5 V.
Auch dafür gibt eine “erlaubte” Situa-
tion, nämlich eine aktive Schubab-
schaltung (kein Gas geben bei höherer

Drehzahl). Ansonsten
betreffen die mögli-
chen Fehlerquellen
vor allem die (zu
geringe) Benzinzu-
fuhr.

1

Bild 1. Planare Breit-
band-Lambda-Sonde
von Bosch.

R7

2k74

R1

6k81

REFOUT

REFADJ

LM3914

IC1

MODE

SIG

RHI

RLO

L10

17

16

15

14

13

12

11

10

L9

L8

L7

L6

L5

L4

L3

L1

18

L2

9

5

8

4

6

7

3

2

1

D6

D5

D4

D3

D2

D1

D10

D9

D8

D7

R5

330

Ω

R4

1k5

R3

8k2

R6

4k7

R2

1k

C5

1n

LAM

CTR

D16

D15

Re2

D14

S1

Re1

D13

D12

D11

12V

5V

Re1, Re2 = V23100-V4312-C000

1N4148

4x

78L05

IC2

C2

10n

C1

10n

C4

10µ

63V

C3

10µ

63V

D17

1N4148

12V

12V

5V

990057 - 11

2

Bild 2. Der Lambda-Son-
den-Tester besteht aus
einem einfachen Span-
nungsmesser und einer
umschaltbaren Referenz-
spannungsquelle.

27

Elektor

9/99

S

C H A L T U N G

M I T

L E D - Z

E I L E

Alles, was der Elektroniker benötigt,
um die Funktion der Lambda-Sonde
zu überprüfen, ist also ein einfaches
Voltmeter mit ein wenig “Drum-
herum”, das wir in Bild 2 sehen. Das
kleine Testgerät besitzt neben den Ver-

sorgungsspannungsanschlüssen zwei
Kontakte zur Außenwelt, nämlich für
den Sensor LAM und den Eingang der
Regelelektronik CTR. Der Sensor ist an
dem Signaleingang des bekannten
LED-Reihen-Treibers LM3914 ange-
schlossen. R2 und C5 fungieren als
Tiefpaß und eliminieren Störspitzen
auf der Signalleitung. Die Referenz-
spannung des LM3914 ist durch R1
und R7 so gewählt, daß die LEDs das
Spannungsfenster von 0 V (D1) bis 1 V
(D10) in 0,1-V-Schritten abdecken,
wobei D5 den “Idealwert” von 0,5 V
repräsentiert. Der Mode-Pin ist offen,
so daß das Display deshalb im Punkt-
Modus arbeitet, also nur jeweils eine
LED leuchtet.
Das im Fahrzeug schon bestehende
Kabel zwischen Regelelektronik und
Sensor muß natürlich entfernt werden,
bevor man den Tester in Betrieb neh-
men kann. Eventuell läßt sich dieses
Kabel an der passenden Stelle auftren-
nen und am Tester befestigen.

M

O N I T O R U N D

T

E S T

Mit dem Schalter S1 lassen sich ver-
schiedene Betriebsmodi wählen. In der
gezeichneten Mittelstellung stellt Re1
eine Verbindung zwischen CTR und
LAM her. Damit ist die Regelschleife
geschlossen, der Tester arbeitet im
Monitor-Modus, beobachtet also ledig-
lich die Ausgangsspannung der Sonde
und zeigt den aktuellen Wert im Dis-
play dar. Das Testgerät kann auch
während des Normalbetriebs des Fahr-

zeugs angeschlossen bleiben. Aller-
dings sollte man berücksichtigen, daß
dabei unter Umständen Garantiebe-
stimmungen verletzt werden.
In den beiden anderen Schalterstel-
lungen arbeitet das Gerät im Testmo-
dus: Die Regelschleife ist aufgetrennt,
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
V zur Verfügung. Die Relais werden
allerdings direkt mit +12 V betrieben.

R

E G E L K U R V E

I M

D

I S P L A Y

Auf der Platine des Lambda-Sonden-
Testers in Bild 3 sind die LEDs in Form
der Regelkurve angeordnet. Leuchten
die LEDs nur im markierten Bereich in
der Displaymitte, so scheint der G-Kat
ordnungsgemäß zu funktionieren.
Leuchtet eine der LEDs D9, D10 oder
D1, so ist das Gemisch zu fett respek-
tive zu mager.
Die LEDs für den Testmodus sind so
neben der Regelkurve angebracht, daß
der Einspritzcontroller das Gemisch zu
jenem Lamda-Wert korrigieren muß,
der neben der entsprechenden LED
liegt.
Die Bestückung der Platine und der
Einbau in ein Gehäuse ist kaum ein
Problem. IC1 und die beiden Reed-
Relais sollten direkt und ohne Fassun-
gen verlötet werden. Die LED sollte
man erst fixieren verlöten, wenn sie an
den Bohrungen des Gehäuses ausge-
richtet sind.
Bei den Kabelverbindungen sollte man
aber besondere Sorgfalt walten lassen.
Die Sensorspannung sollte man an
einer Steckverbindung so nah wie
möglich am Sensor abgreifen und über
ein abgeschirmtes (!) Kabel zum Test-
gerät leiten. Die Verbindung zum Ein-
spritzcontroller verläuft ebenfalls über
ein abgeschirmtes Kabel.

(990057)rg

(C) ELEKTOR

990057-1

C1

C2

C3

C4

C5

D1

D2

D3

D4

D5

D6

D7

D8

D9

D10

D11

D12

D13

D14

D15

D16

D17

H1

H2

H3

H4

IC1

IC2

R1

R2

R3

R4

R5

R6

R7

RE1

RE2

S1

LAM

CTR

+

990057-1

0

(C) ELEKTOR

990057-1

Stückliste

Widerstände:
R1 = 6k81
R2 = 1 k
R3 = 8k2
R4 = 1k5
R5 = 330

Ω

R6 = 4k7
R7 = 2k74

Kondensatoren:
C1,C2 = 10 n
C3,C4 = 10

µ/63 V stehend

C5 = 1 n

Halbleiter:
D1...D10 = LED 3 mm rot, high eff.
D11...D14,D17 = 1N4148
D15 = LED 3 mm gelb, high eff.
D16 = LED 3 mm grün, high eff.
IC1 = LM3914
IC2 = 78L05

Außerdem:
S1 = Wechselschalter 1

⋅um mit

Mittelstellung für Platinenmontage,
gewinkelt

Re1...Re2 = 12-V-Reedrelais 1

⋅um

(Siemens V23100-V4312-C000)

3

Bild 3. Auf der Platine
bilden die LEDs eine
Regelkurve.