Techniek: Hoe werkt een lambda-sonde?

Dát je een lambdasonde op je motor hebt, heeft vooral met de werking van de katalysator te maken. Zoals je hebt kunnen lezen is een moderne driewegkatalysator afhankelijk van de samenstelling van het benzine-luchtmengsel: die moet beurtelings iets te arm en iets te rijk staan. De lambda-sonde meet de samenstelling en geeft de uitslag hiervan door. De sonde is dus een onmisbare schakel tussen motormanagement én katalysator. Zonder lambda-sonde zou een driewegkatalysator dus nauwelijks werken, en daardoor zou een moderne motorfiets dus nooit de europese keuringsnormen halen. Conclusie: best een belangrijk ding, die lambda-sonde. Maar hoe werkt ‘ie nou?

In Jip en Janneke-taal
Heel kort door de bocht kunnen we de lambda-sensor zien als een buisje dat in de uitlaatbocht wordt gemonteerd, waarin de uitlaatgassen van één of meerdere cilinders stromen. Als de sensor geen zuurstof detecteert, geeft die een hoge elektrische spanning af. Als er veel zuurstof wordt gemeten, wordt er een laag elektrisch signaal afgegeven. Er loopt dus geen high-tech digitale gegevensttroom van de lambda-sonde naar het computermanagement, maar een relatief simpel elektrisch signaal dat slechts in sterkte varieert.

Meer in de details
De dichte kant van het buisje wordt in de uitlaatpijp geplaatst, zodat het gas er goed langs kan stromen. De open kant van de buis is verbonden met de buitenlucht, waarin altijd ongeveer 21 procent zuurstof zit. Dat is veel meer dan in het uitlaatgas, zeker als de motor met een rijk mengsel draait. In het uitlaatgas zit dan nog maximaal 0,3 procent zuurstof.

Sprongsensor
Handig is het dat de natuur altijd streeft naar evenwicht. Ook in dit geval probeert de natuur het zuurstofgebrek aan de buitenkant van de sensor op te vullen met zuurstof uit de buitenlucht. Daarvoor moet de zuurstof echter door de wand van het buisje heen trekken. Dat kan, want het buisje is gemaakt van zirkoniumdioxide (ZRO2.). Als de temperatuur van dit materiaal hoger dan 350 graden Celsius wordt, kunnen zuurstofatomen door de structuur van het materiaal heen dringen. Hele zuurstofmoleculen (O2) niet, want die bestaan uit twee zuurstofatomen en die zijn samen te groot. Ze moeten zich dus opsplitsen in afzonderlijke atomen. Dat doen ze alleen als ze er allebei twee negatief geladen elektronen voor terugkrijgen. Die bietsen ze aan de oppervlakte van het buisje, dat aan beide zijden is bekleed met elektrisch geleidend platina. De platinalaag aan de buitenluchtzijde van het buisje krijgt daardoor een tekort aan elektronen. Door het gebrek aan deze negatief geladen elektronen wordt deze platinalaag positief. 

Als de zuurstofionen door de zirkoniumlaag heen bij het uitlaatgas zijn aanbeland, moeten ze zich weer samenvoegen tot één O2-molecuul. De gebietste elektronen geven ze daarvoor weer af aan de oppervlakte, aan de platina bekleding. De platinalaag aan de uitlaatgaskant krijgt dus een overschot aan negatieve elektronen, waardoor die negatief wordt. Zo ontstaat bij een rijk mengsel door de diffusie van zuurstofdeeltjes een aardig spanningsverschil tussen de binnenste en de buitenste platinalaag. Die spanning kan oplopen tot bijna 1000 millivolt.

Bij een arm mengsel is er veel meer zuurstof in het uitlaatgas aanwezig. Het concentratieverschil met de buitenlucht is dan veel kleiner, waardoor de zuurstof ook lang niet zo graag door de zirkoniumwand heen wil. Bij een arm mengsel geeft zo’n sensor dan ook maar 100 millivolt. De motormanagementcomputer heeft daarmee een prachtige maat voor de mengselverhouding. 

Bescherming en koude start
Dankzij de lambdasonde weet het motormanagement welk mengsel het de motor moet aanbieden, om de katalysator optimaal te laten werken. Het is dus ook logisch dat deze sensor vóór de katalysator is geplaatst. Om de sensor te beschermen tegen verbrandingsresten is het zirkoniumhart van de sensor vaak nog voorzien van een poreuze keramische beschermlaag. Daaromheen zit vaak een metalen beschermhuls om mechanische beschadiging te voorkomen. Ook zijn moderne lambdasensoren voorzien van een verwarmingssysteem, om te zorgen dat ze na de koude start sneller actief zijn.  

Breedbandsensor
Vanwege het streven naar een laag brandstofverbruik draaien sommige motoren continu met een arm mengsel, waardoor een zirkoniumsensor niet in de buurt van zijn omslagpunt komt. Dat wordt opgelost door een luchtpompje op de meetcel te plaatsen. Dat pompje kan lucht (zuurstof) van en naar de uitlaatzijde pompen en probeert op die manier het uitlaatgasmengsel dusdanig te beïnvloeden dat dit precies op het sprongpunt van de zirkoniumsensor zit. Oftewel, het probeert de sensorspanning op exact 450 volt te houden. Bij een rijk mengsel moet het daarvoor lucht naar de sensor toe pompen, bij een arm mengsel moet het lucht wegpompen. Het stroomverbruik van het pompje geeft aan hoe hard het moet werken om de spanning constant te houden en is daarmee een maat voor de mengselverhouding. 

Meer techniek vind je hier.

Tekst: Peter Aansorgh

Gerelateerd

REAGEER OP DIT ARTIKEL