Luft-Kraftstoffgemisch mit Breitbandsonde und CUMPAN erfassen
Das Luft-Kraftstoffgemisch – als Lambda- bzw. AFR-Wert – lässt sich am Motor messen und anzeigen. Notwendig sind dafür drei Komponenten: eine Breitbandsonde, ein Lambda-Controller und ein Anzeigegerät. Der CUMPAN Cockpitassistent gibt eine Vielzahl von Messwerten kombiniert aus und kann dabei auch als Anzeigegerät für die Lambda- bzw. AFR-Werte dienen.
Grundlagen
Das Luft-Kraftstoffgemisch ist für jeden Verbrennungsmotor entscheidend – für einen guten und gesunden Motorlauf, für die optimale Leistungsentfaltung und nicht zuletzt für die Abgasemissionen.
Zur vollständigen Verbrennung eines Kraftstoffs ist eine Mindestsauerstoffmenge erforderlich. Man spricht von einer stöchiometrischen (vollständigen) Verbrennung, wenn alle Brennstoffmoleküle restlos mit dem Luftsauerstoff reagieren, ohne dass Sauerstoff fehlt oder unverbrannter Brennstoff übrig bleibt. Oft weicht die zugeführte Luftmenge vom stöchiometrischen Luftbedarf ab. Die für jede Verbrennung wichtige Kennzahl zur Charakterisierung dieser Abweichung ist das Luftverhältnis Lambda (λ).
Lambda = Luftmenge / stöchiometrische Luftmenge → λ = L / Lst.
Im englischen Sprachraum ist die Angabe als AFR (Air-Fuel-Ratio) üblich. Sie definiert sich, wie der Name sagt, aus dem Verhältnis von Luft- und Kraftstoffmenge. Für Benzinkraftstoffe liegt das stöchiometrische Gemisch (λ = 1) bei 14,7 : 1 – für 1 kg Kraftstoff werden exakt 14,7 kg Luft zur vollständigen Umsetzung benötigt. Der Zusammenhang lautet: λ = AFR / AFRstöch. (Beispiel: Beim stöchiometrischen Gemisch ist AFR = 14,7, also λ = 14,7 / 14,7 = 1).
Da die Zusammensetzung gängiger Kraftstoffe schwankt und viele moderne Fahrzeuge unterschiedliche Kraftstoffe verarbeiten können, ist es sinnvoller, von λ-Werten statt von AFR zu sprechen.
Bei einem Luftverhältnis λ > 1 spricht man von einem mageren, bei λ < 1 von einem fetten Gemisch. Ein zündfähiges Gemisch liegt bei Benzinkraftstoffen zwischen 0,7 < λ < 1,3. Der Arbeitspunkt für einen Dreiwegekatalysator liegt bei λ = 1, da hier Oxidations- und Reduktionsprozesse parallel ablaufen. Die maximale Motorleistung eines Benzin-Saugmotors wird dagegen bei Kraftstoffüberschuss und λ = 0,88 erreicht.
Breitbandsonde
Die Breitbandsonde wird von Fahrzeugherstellern in der Regel nicht an Serienmotoren verbaut. Diese sind auf die Abgasnachbehandlung bei λ = 1 optimiert; dort kommt die kostengünstigere Sprungsonde zum Einsatz.
Die bekanntesten Breitbandsonden stammen von Bosch und tragen die Bezeichnungen „LSU 4.2", „LSU 4.9", „LSU ADV" und „LSU 5.x". Die Sonden sind untereinander in der Regel nicht austauschbar. Am häufigsten verwendet wird die etablierte „LSU 4.9" – alle im Folgenden genannten Werte beziehen sich auf diese Sonde.
Breitbandsonden haben, wie der Name sagt, einen breiten Messbereich von λ 0,65 bis zu reiner Luft (λ → ∞), und das bei hoher Messgenauigkeit: bei λ = 0,8 von ± 1 %, bei λ = 1 von ± 0,7 %, bei λ = 1,7 von ± 5 %. Eine integrierte Sondenheizung bringt die Sonde schnell auf Arbeitstemperatur. Die Lebensdauer beträgt ca. 100.000 km.
Die Sprungsonde (auch binäre Sonde genannt) arbeitet nach einem anderen Prinzip: Ihr Messwert springt bei λ = 1. Das eignet sich sehr gut für eine Abgasregelung auf λ = 1, Werte darüber oder darunter lassen sich damit jedoch nicht sinnvoll erfassen oder als Regelgröße nutzen. Auf die maximale Leistung (λ = 0,88) kann mit einer Sprungsonde also nicht geregelt werden.
Lambda-Controller
Das Signal der Breitbandsonde muss von einer speziellen Auswerteschaltung (LSU-IC) verarbeitet und in eine nutzbare Form (0–5 V) gebracht werden. Diese Aufgabe übernimmt der Lambda-Controller.
Am Markt ist eine Vielzahl unterschiedlicher Geräte erhältlich. Grundsätzlich lassen sich alle Controller mit linearer Kennlinie und analogem 0–5-V-Ausgang verwenden. Der CUMPAN bietet dafür eine Zwei-Punkt-Kalibrierung nach dem Datenblatt des jeweiligen Controller-Herstellers. Bewährt haben sich z. B. Geräte von „ProSport" und „14Point7".
Als aufeinander abgestimmtes Komplettset führen wir im Shop das Lambda- und AFR-Controller-Set Spartan 3 mit Bosch LSU 4.9: ein werkseitig kalibrierter 14Point7 Spartan 3 Lite v2, die etablierte Bosch LSU 4.9 Breitbandsonde und die passende Edelstahl-Einschweißmuffe. Der Controller gibt sein Signal über einen linearen 0–5-V-Analogausgang aus und lässt sich damit direkt an den CUMPAN anbinden – eine Free-Air-Kalibrierung der Sonde ist nicht erforderlich.
Eine 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, sodass sich die Lambdawerte – die Grundlage der Regelung – live während der Fahrt anzeigen lassen. Eine Fehlfunktion oder ein Defekt am Fahrzeug kann so frühzeitig erkannt werden.
Anzeigegerät
Für eine belastbare Beurteilung des Motorlaufs – schlecht genutzte Leistungsbereiche, Fehler in der Gemischaufbereitung – wird eine Anzeige des Lambdawerts benötigt. Dazu übersetzen externe Anzeigeinstrumente das analoge 0–5-V-Signal des Lambda-Controllers in den passenden Lambdawert und stellen ihn dar.
Der CUMPAN Cockpitassistent bietet genau diese Möglichkeit und integriert die Lambda-Anzeige in eine frei konfigurierbare Gesamtansicht verschiedener Motordaten wie Drehzahl, Öl- und Kühlwassertemperatur, Öldruck oder Ganganzeige.
Angebunden wird das Signal über einen der analogen 0–5-V-Eingänge. Im Menü unter [INPUT] / [LAMBDA] [AFR] hinterlegt man eine Zwei-Punkt-Kalibrierung: 0,0 V als unteren und 5,0 V als oberen Kalibrierwert. Die zugehörigen Werte stammen aus dem Datenblatt des verwendeten Lambda-/AFR-Controllers; für die gängigsten Controller sind sie bereits voreingestellt. Die Details sind im CUMPAN Benutzerhandbuch im Abschnitt LAMBDA/AFR beschrieben.
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