Kleines Bauteil mit großer Wirkung
Die Bosch Lambda-Sonde
Als Erfinder der Lambda-Sonde gehört Bosch zu den Pionieren der Abgasbehandlung im Auto. Die unscheinbare Sonde wurde schnell zum unverzichtbaren Bestandteil in Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor. Seit ihrem Serienstart 1976 leistet sie einen wesentlichen Beitrag zur effizienteren und schadstoffarmen Verbrennung und Einhaltung von Abgas-Vorschriften.
Nicht nur Flower-Power prägte die Sommer der späten 1960er Jahre in Kalifornien, sondern auch dicke Luft in den Städten. Eine neue Art von Smog führte zu Atembeschwerden und Kopfschmerzen. Nach seiner Ursache musste nicht lange gesucht werden: Stickoxide und Kohlenwasserstoffe, die unter dem Einfluss von Sonnenlicht zu gesundheitsschädlichem Ozon reagieren. Mit der zunehmenden Zahl an Autos war auch der Ausstoß von Abgasen stark gestiegen. So kündigte die US-amerikanische Umweltbehörde 1970 eine wesentliche Verschärfung der Abgasgrenzwerte an – und Bosch begann mit der Entwicklung einer neuen technischen Lösung.
Katalysator und Lambda-Sonde
Man hatte bei Bosch schnell erkannt, dass allein durch Maßnahmen am Motor die neuen Grenzwerte nicht erfüllt werden konnten. Am effektivsten ließ sich die Emissionsreduktion durch den Einsatz eines Dreiwege-Katalysators erreichen. Was macht ein Katalysator? Bei der unvollständigen Verbrennung des Kraftstoffs im Motor entstehen die Schadstoffe Kohlenmonoxid, Stickoxide und Kohlenwasserstoffe. Der Dreiwege-Katalysator wandelt diese Schadstoffe in die unschädlichen Stoffe Kohlendioxid, Wasser und Stickstoff um.
Er kann das aber nur optimal tun, wenn das Verhältnis von Luft und Kraftstoff in allen Betriebszuständen des Motors auf dem Idealwert Lambda =1 liegt. Dieser Wert wird erreicht bei 14,66 Kilogramm Luft auf 1 Kilogramm Kraftstoff.
Die ersten Versuche zeigten, dass der ideale Lambdawert = 1 ohne eine Gemischregelung nicht eingehalten werden konnte. Voraussetzung für die Gemischregelung war das kontinuierliche Messen des Lambdawerts während des Motorbetriebs. Dafür benötigte man einen Sensor. Da es einen solchen nicht gab, startete Bosch ein breit angelegtes Forschungsprojekt. Die Lambda-Sonde sollte die Aufgabe übernehmen, den Sauerstoffgehalt des Abgases zu messen und den Wert in Form eines elektrischen Signals an das Steuergerät der Einspritzanlage weiterzuleiten. Mit dieser Information konnte dann die Menge des Kraftstoffs für das bestmögliche Gemisch geregelt werden.
Beginn der Entwicklung
Das Messen des Sauerstoffgehalts in Gasen mittels einer „elektrochemischen Zelle“ wurde in der Bosch-Forschungsabteilung seit etwa 1963 angewendet, zunächst für die Sauerstoffmessung im Trockenofen bei der Batteriefertigung. Bei der Arbeit mit dem keramischen Material waren die langjährigen Erfahrungen aus der Zündkerzenfertigung hilfreich. Das Erfüllen der Belastungsbedingungen – Abgastemperaturen bis zu 1 000 Grad Celsius, Erschütterungen, viel Schmutz und Wasser von außen – erforderten unzählige Entwicklungsschritte bei der Werkstoff-Auswahl, dem Aufbau und der Erprobung der neuen Lambda-Sonde.
Der Weg zur Serienreife
Im Herbst 1971 konnten erste Exemplare aus eigener Produktion getestet werden. Das Ergebnis war entmutigend. Gerade zwei Stunden hielten die Labormuster den Belastungen stand. Schuld waren verschiedene thermische Probleme. 1975 erreichte man schließlich 250 Stunden Standzeit, entsprechend einer Fahrleistung von 20.000 Kilometern.
Kunde für den ersten Serieneinsatz war der schwedische Hersteller Volvo, der 1976 seine 240er/260er Reihe für den US-Markt mit Bosch Lambda-Sonden ausrüstete. Die Wirkung war enorm: Angesichts der geringen Schadstoffwerte, die auch zukünftigen strengeren Gesetzen standhalten würden, vereinbarte der US-Hersteller Ford mit Bosch 1977 einen Liefervertrag über drei Millionen Stück pro Jahr.
Neuerungen und Break Even
Bis 1982 wurde eine neue Variante zur Marktreife entwickelt, die einen entscheidenden Vorteil bot. Sie enthielt in ihrem Inneren ein kleines elektrisches Keramik-Heizelement. Damit war die Lambda-Sonde in der Lage, bereits 30 Sekunden nach Start des kalten Motors zuverlässig zu arbeiten. Durch die Beheizung waren weitere konstruktive Verbesserungen realisierbar, sodass sich die Standzeit in der Folge auf rund 160 000 Kilometer erhöhte.
Dank dieser Neuerungen konnte Bosch seine Marktposition ausbauen. 1986 lief die 10-millionste Lambda-Sonde vom Band und der „Break-even-Point“ war erreicht: Die Investitionen aus den vergangenen 15 Jahren seit den ersten Versuchsmustern machten sich bezahlt.
Schneller, kompakter, vielseitiger
1996 stellte Bosch eine weiterentwickelte planare Lambda-Sonde vor. Die herkömmlichen Lambda-Sonden waren sogenannte Sprungsonden, deren Kennlinie bei Lambda = 1 einen Sprung aufwiesen. Die neue Breitbandsonde verfügte mit einer stetigen Kennlinie über einen erheblich erweiterten Messbereich. Um Verbrauch und Emissionen weiter zu reduzieren, konnten beispielsweise im Teillastbetrieb sehr magere Gemische mit hohem Luftüberschuss und einem Lambdawert größer als 1 eingesetzt werden. Die Breitbandsonde lieferte dafür zuverlässig die Messwerte an die Motorsteuerung. Da der Katalysator Sauerstoff zwischenspeicherte, konnte dieser im optimalen Bereich weiterarbeiten. Damit ergaben sich Anwendungsmöglichkeiten für weiterentwickelte Benzinmotoren, aber auch für sparsame Diesel-Einspritzsysteme.
Die Messzelle der planaren Breitbandsonde wurde in Schichttechnik mit Zirkoniumoxid-Keramikfolien und integrierter Heizung aufgebaut, wodurch die Lambda-Sonde kürzer und schneller betriebsbereit war. Die folgenden Generationen der Sprung- und Planarsonden setzten den Trend fort: sie wurden kompakter und robuster, maßen genauer und sprachen nach dem Kaltstart schneller an.
Nur scheinbar unscheinbar
So unscheinbar sie wirken mag – seit der ersten Serie 1976 leistet die Lambda-Sonde von Bosch einen entscheidenden Beitrag, um Emissionen zu reduzieren. Insgesamt mehr als 1,7 Milliarden Exemplare wurden in 50 Jahren gefertigt. Ob für Zweiräder, Pkw und Nutzfahrzeuge, in Benzin-, Diesel- und Gasmotoren, in Gasheizthermen oder sogar in manchen Backöfen – auf die Bosch Lambda-Sonde ist Verlass.
Autorin: Bettina Simon
