Lambda-Sonde

Das Prinzip der Lambda-Sonde beruht auf einer elekrochemischen Zelle mit einem Feststoff-Elektrolyten aus Zirkonoxid, das mit ca. 5% Yttriumoxid dotiert wird. In diesem Feststoffelektrolyten wird die Beweglichkeit von Sauerstoffionen ab etwa 400°C so groß, dass Stromleitung möglich wird. Das zudotierte Yttriumoxid dient einerseits dazu, die Leitfähigkeit für Sauerstoffionen zu erhöhen (durch Bildung von Sauerstoffleerstellen im Kristallgitter), und andererseits ermöglicht der Zusatz von Yttriumoxid erst die Ausbildung einer stabilen Phase. Reines Zirkonoxid würde beim Abkühlen nach dem Sintern bei ca. 1170°C von der tetragonalen in die monokline Form übergehen. Die damit einhergehende Volumenausdehnung (ca. 4%) würde das gesinterte Bauteil zerstören.

Die Betriebstemperatur der Lambdasonde liegt bei ca. 650°C und wird durch die Motorabgase gewährleistet. Die Abbildung links zeigt den grundsätzlichen Aufbau einer Lambdasonde. Die Sonde ist wie ein hohler Finger aufgebaut, der in den Abgasstrom hineinragt. Das Innere des Fingers ist mit der Umgebungsluft verbunden, weist also einen konstanten Sauerstoffgehalt auf. Sowohl die Innen- als auch die Aussenseite sind mit einer mikroporösen Platinelektrode überzogen, mit denen die Spannung der elektrochemischen Zelle gemessen werden kann. Die von der Lambdasonde erzeugte Spannung ergibt sich aus der Nernst'schen Gleichung und ist proportional zum Sauerstoffpartialdruck im Abgas:

Für eine gute und konstante Regelung der Abgaszusammensetzung ist es von großem Vorteil, dass die Kennlinie der Lambdasonde im Regelbereich (schattierter Bereich in der Abbildung unten) sehr steil ist, wodurch sich die Gemischzusammensetzung sehr genau einstellen lässt. Wie man aus dem Diagramm sieht, ist die genaue Einstellung der Abgaszusammensetzung von großer Wichtigkeit für die optimale Funktion des Abgaskatalysators, da nur in einem sehr schmalen Bereich von λ=0.99 bis 1.01 die katalytische Oxidation von Kohlenmonoxid (CO), Kohlenwasserstoffen (HC) und Stickoxiden (NOx) vollständig gewährleistet ist.