Breitbandsonde und Lambda-Controller mit Anzeige im CUMPAN Display

In diesem Beitrag stellen wir einige Möglichkeiten vor, wie das Luft-Kraftstoffgemisch (Lambda bzw. AFR) am Motor gemessen und angezeigt werden kann. Notwendig dazu ist eine Breitbandsonde, ein Lambda-Controller und ein Anzeigegerät. Der CUMPAN Cockpitassistenten kann neben seiner Eigenschaft eine große Anzahl von Messwerten kombiniert auszugeben, auch als ein solches Anzeigegerät für die Lambda- bzw. AFR-Werte genutzt werden.

Grundlagen

Das Luft-Kraftstoffgemisch ist für jeden Verbrennungsmotor entscheidend, um einen guten und gesunden Motorlauf zu gewährleisten, die Leistungsentfaltung optimal zu nutzen und nicht zuletzt für die Abgasemissionen.

Zur vollständigen Verbrennung eines Kraftstoffes ist eine Mindestsauerstoffmenge erforderlich. Man spricht von einer stöchiometrischen (vollständigen) Verbrennung wenn alle Brennstoffmoleküle vollständig mit dem Luftsauerstoff reagieren können, ohne dass Sauerstoff fehlt oder unverbrannter Brennstoff übrig bleibt. Oft weicht die zugeführte Luftmenge von dem stöchiometrischen Luftbedarf ab. Die für jede Verbrennung wichtige Kennzahl zur Charakterisierung dieser Abweichung ist das Luftverhältnis Lambda (λ).

Lambda = Luftmenge / Luftmenge stöchiometrisch

λ = L/Lst.

Im englischen Sprachraum ist es üblich das AFR (Air-Fuel-Ratio) anzugeben. Dieses definiert sich, wie der Name sagt, aus dem Verhältnis der Luft- und Kraftstoffmenge. Für Benzinkraftstoffe liegt das stöchiometrische Gemisch (λ = 1) bei 14,7 : 1. Für 1 kg Kraftstoff werden exakt 14,7 kg Luftsauerstoff zur vollständigen Umsetzung benötigt. 

Der Zusammenhang zwischen Lambda und AFR ist: λ = AFR / AFR stöchiometrisch (Beispiel: λ=1=14,7/14,7).

Da die Zusammensetzung gängiger Kraftstoffe schwankt und viele moderne Fahrzeuge mit unterschiedlichen Kraftstoffen umgehen können, ist es sinnvoller, von λ-Werten statt von AFR zu sprechen.

Bei einem Luftverhälnis λ > 1 spricht man von einem mageren und λ < 1 von einem fetten Gemisch. Ein zündfähiges Gemisch bei Benzin Kraftstoffen liegt zwischen 0,7 < λ < 1,3.

Der Arbeitspunkt für einen Dreiwegekatalysator liegt bei λ = 1 (Oxidations und Reduktionsprozesse laufen parallel ab).

Der Punkt für die maximale Motorleistung eines Benzin-Saugmotors wird bei Kraftstoffüberschuss und λ = 0,88 erreicht.

Breitbandsonde

Die Breitbandsonde wird in der Regel nicht von Fahrzeugherstellern an Serienmotoren verbaut. Optimiert auf die Abgasnachbehandlung  (λ = 1), wird die kostengünstigere Sprungsonde verbaut. 

Die bekanntesten Breitbandsonden sind vom Hersteller BOSCH und tragen die Bezeichnungen „LSU 4.2“ „LSU 4.9“ „LSU ADV“ „LSU 5.x“. Die Sonden sind in der Regel nicht untereinander austauschbar. Am häufigsten verwendet wird die etablierte „LSU 4.9“ und alle im weiteren Verlauf genannten Größen beziehen sich auf diese Sonde. 

Breitbandsonden haben, wie der Name sagt, einen breiteren Messbereich von λ 0,65 – λ unendlich und dabei eine sehr hohe Messgenauigkeit: Bei λ = 0,8 von +/- 1%,  bei λ = 1 von +/-0,7%, bei λ = 1,7 von +/- 5%.

Die Breitbandsonde hat eine integrierte Sondenheizung, um möglichst schnell die benötigte Arbeitstemperatur zu erreichen. Die Lebensdauer der Sonde beträgt ca. 100.000km.

Die Sprungsonde (auch als binäre Sonde bezeichnet) verwendet ein technisch anderes Prinzip: Der Messwert springt bei Lambda = 1. Dieses Verhalten eignet sich sehr gut für eine Abgasregelung auf λ = 1. Werte darüber oder darunter können mit dieser Sonde nicht sinnvoll erfasst oder gar als Regelgröße verwendet werden. Es ist also nicht möglich mit einer Sprungsonde auf die maximale Leistung (λ = 0,88) zu regeln.

Lambda-Controller

Das Signal der Breitbandsonde muss von einer speziellen Auswerteschaltung (LSU-IC) verarbeitet werden. Das Signal wird in eine auswertbare Form (0-5V) gebracht. Dies geschieht im Lambda-Controller. 

Am Markt sind eine Vielzahl unterschiedlicher Geräte erhältlich. Grundsätzlich können alle Geräte mit linearer Kennlinie und einem analogen 0-5V Ausgang verwendet werden. Der CUMPAN bietet die Möglichkeit, eine Zwei-Punkt-Kalibrierung nach dem Datenblatt des Controller-Herstellers durchzuführen. Erfolgreich verwendet wurden z.B. Geräte von den Herstellern „ProSport“ und „14point7“.

Eine spezielle und besonders vielseitige Lösung für einige KTM Modelle, bietet der Hersteller „MCE Performance“ mit dem Produkt „Fuel Guard“:

Der MCE Fuel Guard ist eine Erweiterung zu unseren ECU Programmierungen für die KTM/Husqvarna/GasGas Motorräder. Der Fuel Guard besteht aus einer Bosch LSU 4.9 Breitbandsonde sowie der Regeleinheit, welche es in Kombination mit unserer ECU Programmierung ermöglicht einen „Full Closed Loop“ auf unseren Wunsch Lambdawert zu erstellen. Das bedeutet dass das Steuergerät nicht mehr nur statisch auf Basis der Kennfelder die Einspritzmenge errechnet, sondern mittels Breitbandlambdasonde unseren Wunsch Lambdawert selbstständig anfährt. Die ECU trimmt die Spritmenge permanent und voll automatisch nach um zu jedem Zeitpunkt die optimale Leistung und Fahrbarkeit zu erzielen.“

Zusätzlich gibt der Fuel Guard das Lambda-Signal an den CUMPAN aus, damit die Lambdawerte – die Grundlage der Regelung – live, während der Fahrt angezeigt werden können. Eine Fehlfunktion oder ein Defekt am Fahrzeug können somit frühzeitig erkannt werden. 

Anzeigegerät

Damit eine genaue Beurteilung des Motorlaufs (schlecht genutzte Leistungsbereiche, Fehler in der Gemischaufbereitung) möglich ist, wird eine Anzeige des Lambdawerts benötigt.

Zu diesem Zweck können externe Anzeigeinstrumente verwendet werden, die das analoge 0-5V Signal des Lambda-Controllers in den dazu passenden Lambdawert übersetzen und anzeigen.

Der CUMPAN Cockpitassistent bietet genau diese Möglichkeit und integriert die Lambda-Anzeige zu einer sinnvollen, frei konfigurierbaren Gesamtansicht verschiedener Motordaten, wie z.B. Drehzahl, Öl- und Kühlwassertemperatur, Öldruck oder einer Ganganzeige.

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