De lambdasonde, en waar het voor dient

Heb je je ooit wel eens afgevraagd wat een lambdasonde is, wat het doet in je auto en hoe de sonde werkt? In het volgende artikel leggen we de functie en structuur van de lambdasonde uit.

• Taak en basisprincipe van de lambdasonde.
• Waarom noemen we de sensor eigenlijk lambdasonde?
• Wat is de juiste lambdawaarde?
• De lambdasonde en de katalysator zorgen voor schone lucht.
• Verschillen in de constructies van lambdasondes.
• Oorzaken en symptomen van een defecte lambdasonde.
• Verder rijden met een defecte lambdasonde, of direct wisselen?

De lambdasonde in een notendop

Een lambdasonde is een sensor die het zuurstofgehalte in de uitlaatgasstroom van een auto meet. Het motorregelsysteem reguleert de menging van brandstof met lucht aan de hand van de gemeten lambdawaarde. Indien de lambdawaarden in het juiste bereik liggen (het lambdavenster) kan een driewegkatalysator de uitstoot van schadelijke stikstofoxiden, koolwaterstoffen en koolmonoxide met meer dan 90 procent verminderen. We leggen je in detail uit hoe dit in zijn werk gaat.

Functie en werkingsprincipe van de lambdasonde

De lambdasonde meet de hoeveelheid zuurstof die achterblijft in het uitlaatgas na de verbranding en stuurt een analoog elektrisch signaal naar de motorbesturingseenheid. Daar wordt deze informatie samengevoegd met andere parameters waarmee het mengsel gemeten wordt, om vervolgens gebruikt te worden om de hoeveelheid geïnjecteerde brandstof te reguleren. Omdat de lambdasonde indirect de relatie tussen lucht en brandstof regelt, wordt de sonde ook wel een besturingssensorelement genoemd. In moderne voertuigen wordt het sonde-element ondersteund door een aanvullende controlesonde of diagnosesonde achter de katalysator.

Een lambdasonde is een kleine sensor die het zuurstofgehalte van het uitlaatgas meet. Afbeelding: Martin Olson – Creative Commons Licentie.

Waarom noemen we de sensor eigenlijk lambdasonde?

De lambdasonde dankt zijn naam aan het meten van de verbrandingsluchtverhouding λ (lambda). De verbrandingstheorie houdt zich bezig met het beschrijven van de massaverhouding tussen lucht en brandstof in een bepaald verbrandingsproces. Uit de waarde λ kan bijvoorbeeld informatie over het verbrandingsproces, de temperatuur, de vervuilingsgraad en het rendement afgeleid worden. In de uitlaattechnologie van auto’s staat een lambdawaarde van λ=1 voor een toestand waarin er precies zoveel lucht beschikbaar is als nodig is voor de volledige verbranding van de brandstof. Dit wordt een stoichiometrisch mengsel genoemd. Deze verhouding is natuurlijk afhankelijk van het type brandstof dat gebruikt wordt. Terwijl er bijvoorbeeld negen delen lucht nodig zijn voor de verbranding van één deel ethanol, zijn er ongeveer 14,7 delen lucht nodig voor één deel benzine. Benzine heeft dus meer lucht nodig dan ethanol om volledig te verbranden.

Wat is de juiste lambdawaarde?

Hier kan geen algemeen antwoord op gegeven worden. De lambdawaarde wordt beïnvloed door drie verschillende doelvariabelen van een motor: prestatie, verbruik en milieubelasting Het is handig om eerst een paar termen preciezer te beschrijven om dit te begrijpen. Als de lambdawaarde onder de 1 daalt, spreken we van een rijk mengsel, omdat niet alle brandstof wordt verbrand. Als er te veel lucht is, resulteert dit in een lambdawaarde die groter is dan 1. Nu wordt het mengsel arm genoemd, omdat er meer lucht beschikbaar is dan nodig is voor de verbranding. Het lambdavenster (lambdawaarde valt tussen 0,97 en 1,03) beschrijft het ideale gebied voor de katalysator, hierbinnen worden de beste reinigingsprestaties bereikt. Over de verschillende lambdawaardes kunnen we het volgende stellen:

• λ=0,85 – maximale prestaties, hoog verbruik, schadelijk voor het milieu.
• λ=1,00 – evenwichtige verhouding tussen verbruik en prestaties, milieuvriendelijk.
• λ=1,10 – laag brandstofverbruik, prestatieverlies en problemen met de katalysator.

De lambdawaarde heeft invloed op de prestaties en het verbruik van een motor. Afbeelding: Stefan-XP – Creative Commons Licentie.

De lambdasonde en de katalysator zorgen voor schone lucht

Aangezien bij de verbranding van brandstoffen ook stoffen ontstaan die schadelijk zijn voor het milieu en deels giftig zijn, zijn in Nederland sinds 1990 driewegkatalysatoren verplicht voor sommige benzinewagens, en sinds 1993 voor alle nieuwe benzinewagens. Ze verminderen het aandeel aan koolwaterstoffen, stikstofoxiden en koolmonoxide in uitlaatgassen met meer dan 95%. Door complexe chemische reacties die plaatsvinden aan de edelmetaalplaten van platina, palladium en rhodium, zet de voertuigkatalysator deze uitlaatgassen om in onschadelijk water, kooldioxide, stikstof en zuurstof. De lambdasonde heeft als taak optimale omstandigheden te garanderen, want alleen bij de juiste mengverhouding (de katalysator opereert binnen het lambdavenster) kunnen deze chemische processen een groot deel van de verontreinigende stoffen omzetten in andere stoffen.

Verschillen in de constructies van lambdasondes

1. Spanningssprong-sonde – zirkoniumdioxide-lambdasonde

Spanningssprong-sondes worden ook wel Nernst-sondes genoemd, vernoemd naar de Duitse scheikundige Walther Nernst. Deze sondes werken met een zirkoniumdioxide-membraan. Dit materiaal geleidt zuurstofionen via elektrolyse bij hoge temperaturen (minstens 300 graden Celsius voor YSZ-keramiek, maar soms tot wel 600-700 graden Celsius). Sensoren aan de binnenkant van de sonde kunnen nu het verschil in de zuurstofconcentratie tussen het uitlaatgas en de referentielucht meten. Als referentielucht wordt normaal gesproken de omgevingslucht gebruikt. Afhankelijk van het ontwerp van de sonde kan deze ook afzonderlijk wordt toegevoerd om verontreiniging en onjuiste meetresultaten door CO2, CO, water, olie of brandstofdampen te voorkomen. Er zijn ook sondes die geen aanvullende lucht nodig hebben en in plaats daarvan een zuurstofvrij referentiepunt in de sensor creëren. De zogenaamde sondespanning ligt, bij het optimale lambdabereik=1, tussen 200 mV en 800 mV (optimaal is ongeveer 450 mV). Als de lambdawaarde stijgt met een arm mengsel (te veel lucht), daalt de spanning. In een rijk mengsel met een lambdawaarde onder één, stijgt de spanning tot boven de 800 mV. Als de lambdawaarde rond de één ligt, verloopt de spanningscurve niet lineair maar schokt deze abrupt heen en weer afhankelijk van het lucht-brandstofmengsel. Dit maakt het weliswaar niet mogelijk om het brandstofmengsel exact te regelen, maar een continue regeling is wel mogelijk. Bij deze zogenaamde tweepunts-lambdaregulering wordt de brandstofhoeveelheid verhoogt zodra de spanning onder de 100 mV daalt, totdat de spanning van de sonde tot ongeveer 800 mV stijgt. Gemiddeld wordt de ideale spanningswaarde van 450 mV dus bereikt door periodieke te variëren tussen een rijk en een arm mengsel.

2. Weerstandssprong-sonde – titaniumdioxide-lambdasonde

Lambdasondes met halfgeleidend titaandioxide-keramiek zijn ook sprongsondes, hoewel ze veel minder vaak voorkomen dan Nernst-sondes. De elektrische weerstand van titaandioxide verandert evenredig met het zuurstofgehalte in het uitlaatgas. Hoge O2-concentraties leiden tot een hoge weerstand in het sensormateriaal. Naarmate het mengsel rijker wordt, neemt de geleiding toe. Als er overgegaan wordt van een rijk naar een arm mengsel treedt ook hier een karakteristieke spanningssprong op. Weerstandssondes hebben geen referentielucht nodig en werken bij een bedrijfstemperatuur van ongeveer 700 graden Celsius.

3. Breedband-lambdasonde

Bij sprongsondes treedt er oscillatie op rond de ingestelde waarde van lambda=1. Daarom werden de breedband-lambdasondes ontwikkeld. Ze zorgen er niet enkel voor dat het stoichiometrische punt van lambda=1 ongeveer aangehouden wordt, maar meten ook de exacte waarde. Directe benzine-injectoren kunnen deze informatie bijvoorbeeld gebruiken om het brandstofmengsel te optimaliseren voor andere doeleinden of parameters. Zo kan bij een lage belasting bijvoorbeeld op eenvoudige wijze een lambdawaarde van boven de één nagestreefd worden om brandstof te besparen. Breedband-lambdasondes zijn veel complexer dan sprongsondes en bestaan uit meerdere lagen (pompcel, diffusiekanaal, Nernstcel) en een geïntegreerde verwarming. Het is belangrijk om de sonde te verwarmen omdat lambdasondes heel langzaam werken bij temperaturen onder de 300 graden Celsius, bijvoorbeeld bij een koude voertuigstart. Afhankelijk van het model ligt de optimale bedrijfstemperatuur tussen de 550 en 700 graden Celsius, terwijl de temperatuur bij breedband-lambdasondes zelfs wel 100 tot 200 graden warmer ligt. Breedband-lambdasondes zijn ook verkrijgbaar met een eigen controller. Deze reguleert de sensor en geeft het signaal door aan het motor-controlesysteem. Dit heeft als voordeel dat verschillende signaaluitgangen meestal individueel geprogrammeerd kunnen worden. Breedband-lambdasondes kunnen bijvoorbeeld vaak het spanningssignaal van een sprongsonde simuleren en tegelijkertijd de echte lambdawaarde elders doorgeven. Deze waarden kunnen relevant zijn voor ‘getunede’ auto’s.

Oorzaken en symptomen van een defecte lambdasonde

Zoals elk onderdeel in een auto kan ook een lambdasonde kapot gaan. Vaak zijn te hoge temperaturen de oorzaak van het defect. Ook chemische en mechanische belasting, zoals bijvoorbeeld voertuigtrillingen, kunnen schade veroorzaken. Een defecte lambdasonde is voor de bestuurder in eerste instantie nauwelijks waarneembaar, terwijl het brandstofverbruik duidelijk hoger uitvalt (ongeveer 15%!) en de auto veel meer milieuvervuiling veroorzaakt omdat de katalysator niet meer optimaal kan werken. Daarnaast kan het defect opgemerkt worden omdat er rook uit de uitlaatpijp komt of omdat het geïntegreerde storingsdiagnosesysteem in het voertuig een melding geeft. Omdat de uitlaatgassen niet meer worden gemeten, zal het motorregelsysteem overstappen naar een noodmodus en het brandstof-luchtmengsel verrijken. Tijdens een algemene (periodieke) keuring of een uitlaatgasinspectie wordt een defecte lambdasonde altijd als een autodefect aangemerkt.

Verder rijden met een defecte lambdasonde, of direct wisselen?

Omdat de motor zelf in principe kan blijven functioneren met een defecte lambdasonde, kan een automobilist gewoon doorrijden. De motor slijt dan wel sneller. Het is echter absoluut niet aan te raden om een defecte lambdasonde eenvoudigweg te negeren. Misschien zit er maar één kabeltje los of is de sonde verstopt en moet deze worden gereinigd. Een lambdasonde laten vervangen in een garage is relatief goedkoop. De kosten bedragen tussen de 40 en 200 euro. Deze investering loont zich al snel omdat er veel brandstof uitgespaard wordt.

Onderwerp gerelateerde artikelen

Werking Katalysator: De katalysator bevindt zich voor in het uitlaatsysteem, vlak na de motor, onder de auto. Deze verwijderd de schadelijke en giftige gassen uit de uitlaatgassen. De katalysator bestaat eigenlijk uit twee soorten katalysatoren. De reductie - katalysator en de oxidatiekatalysator. Voor we beginnen met het uitleggen van de werking moet je weten dat in de Lees hier meer over werking katalysator.

Kabelboom auto: De kabelboom ligt verspreid door de auto, maar met name onder het dashboard van de auto. Vanuit het dashboard loopt de kabelboom naar de motorruimte en tot aan de achterlichten van de auto. De kabelboom ligt dan over de vloer weggewerkt onder de vloerbekleding. Bij met name moderne auto’s is dit het netwerk naar alle ECU opties Lees hier meer over de kabelboom van de auto.

Lambdasonde: ook wel lambda genoemd is een sensor die in de uitlaatpijp gemonteerd is. Deze meet het zuurstofgehalte in je uitlaatgassen. De lambdasonde is een variabele weerstand. Deze meet dan ook het zuurstofgehalte in de uitlaatgassen. Bij moderne auto's ziet men vaak twee in plaats van een lambdasonde in het uitlaatsysteem. De computer Lees hier meer over werking lambdasonde.

Auto en sensoren: Bij sensoren gaat het voornamelijk om de input die ook als signaalgever, voeler of opnemer aangeduid worden. De verwerking van deze elektrische signalen gebeurt in een centrale microcomputer regeleenheid (ECU) die door middel van geprogrammeerde mathematisch formules en kenvelden de beslissingen neemt en de actuatoren Lees hier meer over auto en sensoren.

Kosten reparatie en onderhoud auto: De kosten van bijvoorbeeld het vervangen van een distributieriem, waterpomp, remblokken, remschijven of een koppakking zal per auto verschillen. De reden daarbij is dat het aantal werkuren per type auto zal verschillen. Dit heeft met name te maken hoe toegankelijk het te vervangen onderdeel is en hoeveel er Lees hier meer over kosten reparatie en onderhoud auto.

Stationair toerental afstellen: Een te laag of te hoog toerental bij de motor van de auto is voor heel veel bestuurder herkenbaar. Vooral een te laag toerental kan als erg vervelend worden ervaren. Met name bij het afremmen heeft de motor dan de neiging om af te slaan. Bij een goedlopende op bedrijfstemperatuur zijnde motor moet men denken aan een stationair Lees hier meer over afstellen stationair toerental.

Storingscode auto uitlezen: Door de elektronica is de auto van tegenwoordig een stuk comfortabeler maar vooral ook ingewikkelder geworden wanneer er zich problemen voordoen is het bijna niet meer te doen de storing met een multimeter en de bijbehorende elektrische schema's op te lossen. Daarom is het steeds vaker nodig maar vooral ook handig en wat te denken van Lees hier meer over uitlezen auto.