Lambdasonde defekt: Symptome, Ursachen und Kosten

 

Lambdasonden verschleißen unter anderem aufgrund von Verschmutzung. Defekte Sonden können zu deutlichen Symptomen wie Leistungsverlust führen.

Bild: Thomas Ruddies

Seit Ende der 70er-Jahre wird die Lambdasonde vermehrt in Ottomotoren eingesetzt. Erst die Verwendung des Abgassensors (in Verbindung mit unverbleitem Benzin) ermöglichte nämlich den Einsatz des geregelten Katalysators. Mit Hilfe der Lambdasonde errechnet die Motorelektronik den Sauerstoffanteil im Abgas. Der Gemischregler kann so über die Einspritzdauer der Einspritzventile das Kraftstoff-Luft-Verhältnis zur Verbrennung optimal einstellen. Der Sauerstoffanteil im Abgas sollte möglichst bei null liegen, da Sauerstoff die Reduktion giftiger Stickoxide zu Stickstoff im Katalysator verhindert. Inzwischen gibt es keinen Ottomotor, der ohne die Sonde auskommt. Seit Beginn der 2000er Jahre erhielt die Lambdasonde auch bei Dieselmotoren Einzug und hilft auch dort die gesetzlichen Emissionswerte einzuhalten. Dieselmotoren mit Lambdasonde(n) sind außerdem besser gegen Defekte geschützt, da sich schädliche Verbrennungen im Schubbetrieb des Fahrzeugs erkennen und abstellen lassen. Auch NOX-Speicher-Katalysatoren überwacht die Lambda-Sonde: Sie liefert Daten zur Steuerung des Katalysators, der in Intervallen regeneriert werden muss, um seine Speicherwirkung beizubehalten.

Der Lambdawert (λ) steht für das Verhältnis zwischen Kraftstoff und Luft. Ein Lambdawert von eins (λ=1) gilt als anzustrebender Referenzwert, auch als stöchiometrisches Verhältnis bezeichnet. Denn bei diesem Verhältnis ist genau die Menge an Sauerstoff vorhanden, die benötigt wird, um sämtlichen Kraftstoff zu verbrennen. Bei Superbenzin (95 Oktan) sind es pro Kilogramm Kraftstoff 14,7 Kilogramm Luft. Ist im Abgas ein höherer Sauerstoffgehalt, handelt es sich um ein mageres Gemisch (λ>1). Bei einem Kraftstoffüberschuss spricht man von einem fetten Gemisch (λ<1).

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Das Steuergerät zielt darauf ab, das Kraftstoff-Luftgemisch im idealen Verhältnis zu halten. Dieses befindet sich bei Ottomotoren im sogenannten "Lambda-Fenster" (λ = 0,97 bis 1,03). Hierdurch erreicht der Katalysator die maximale Reinigungsleistung. Das höchst mögliche Drehmoment erreicht der Motor hingegen bei einem Lambdawert von 0,85 (fettes Gemisch). Daher liegt der Lambdawert zum Beispiel in Phasen der Beschleunigung außerhalb des Lambda-Fensters. Dieselmotoren arbeiten mit einem magereren Gemisch von λ=1,3 bis λ=6. Einen direkten Eingriff auf die einzuspritzende Kraftstoffmenge hat die Lambdasonde beim Dieselmotor übrigens nicht. Stattdessen wirkt die Lambdasonde beim Diesel auf das AGR-Ventil, welches über die Abgasrückführungsrate das Kraftstoffgemisch reguliert.

Lambdasonden lassen sich in zwei Gruppen unterteilen. Zum einen in die Gruppe der sogenannten Sprungsonden. Die modernere Variante wird als sogenannte Breitbandsonde bezeichnet.

Sprungsonden
Bei den Sprungsonden, auch als "binäre" Lambdasonden bezeichnet, springt das Sondensignal zwischen zwei Werten hin und her. Bei den Lambdasonden gibt es zwei verschiedene Arten von Sprungsonden: Die Zirkondioxid- und die Titandioxidsonden. Beide Typen sind fingerförmig und innen hohl. Bei Zirkondioxid-Sonden befindet sich die Außenseite der Sonde im Abgasstrom, die Innenseite hat Kontakt zur Umgebungsluft (Referenzgas). Dazwischen liegt ein Festkörperelektrolyt auf Zirkondioxid-Basis, der ab 300 Grad die Fähigkeit besitzt, Sauerstoffionen zu leiten. Die Sauerstoffionen wandern dann von der Außenluft durch das Zirkondioxid in Richtung Abgas, um die unterschiedlichen Sauerstoffkonzentrationen zwischen Außenluft und Abgas auszugleichen. Auf den Platinelektroden, die das Zirkondioxid umgeben, entsteht dabei eine elektrische Spannung - das Ausgangssignal, welches an das Steuergerät weitergegeben wird. Ist das Gemisch mager (hoher Sauerstoffanteil im Abgas, geringer Sauerstoffionenfluss zum Abgas), liegt eine Spannung von unter 0,2 Volt an. Wird das Gemisch fett (hoher Kraftstoffanteil im Abgas, hoher Sauerstoffionenfluss zum Abgas) liegt die Spannung bei über 0,8 Volt. Im Bereich des idealen Lambdawertes von eins, liegt die Spannung dazwischen, etwa bei 0,45 Volt. Somit kann die Zirkondioxid-Lambdasonde lediglich ermitteln, ob das Gemisch zu fett ist, zu mager, oder im idealen Bereich liegt.

Das gilt auch für die Titandioxid-Sonde. Doch hier gibt es im Vergleich zur Zirkondioxid-Sonde zwei wesentliche Unterschiede: Der Festkörperelektrolyt besteht, wie der Name bereits verrät, aus Titandioxid. Dazu ändert sich hier der elektrische Widerstand proportional zum Sauerstoffanteil im Abgas. Innerhalb des Lambda-Fensters von λ = 0,98 (fett) und λ =1,02 (mager), reduziert sich die Leitfähigkeit sprunghaft. So wird die Information, in welchem Betriebszustand sich der Motor befindet, durch den jeweils gemessenen Widerstand bereitgestellt. Im Gegensatz zur Zirkondioxid-Sonde generiert die Titandioxid-Sonde also selbst keine Spannung. Und es ist keine Umgebungsluft als Referenzgas notwendig, um den Sauerstoffgehalt des Abgases zu ermitteln. Das macht die Titandioxidsonde kompakter. Allerdings muss die Sonde zur schnellen Erreichung der Betriebstemperatur von 700 Grad beheizt werden. Heute wird dieser Sondentyp nicht mehr in der Serienfertigung eingesetzt.

Breitbandsonde
Breitbandsonden bestimmen die Gemischzusammensetzung wesentlich differenzierter als Sprungsonden. Damit werden sie den Anforderungen von modernen Otto- und Dieselmotoren gerecht, bei denen eine genaue Regelung des Kraftstoff-Luft-Verhältnisses auch außerhalb des Lambda-Fensters erforderlich ist. So werden Benzindirekteinspritzer zwecks Verbrauchsreduktion im Teillastbereich bewusst mager betrieben (λ>1). Und bei Dieseln erfordert der regelmäßig anstehende Regenerationsprozess des NO_x-Speicherkats ein fettes Gemisch (λ<1). Breitbandsonden können schon Lambdawerte ab 0,6 ermitteln (sehr fett), der Messbereich darüber reicht bis Unendlich.

Der Aufbau einer solchen Sonde ist komplexer. Sie besteht aus zwei Zellen, einer Mess- und einer Pumpzelle. In der Messzelle wird der Sauerstoffgehalt des Abgases ermittelt. Weicht dieser von seinem Referenzwert ab, werden über die Pumpzelle Sauerstoffionen in die Messzelle gepumpt. Der dafür benötigte Pumpstrom ist die Messgröße, die den exakten Lambda-Wert des Gemisches ermittelt.

Moderne Breitbandsonde von NTK: Breitbandsonden decken viel größere Messbereiche als Sprungsonden ab.

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Grundsätzlich ist bei Defekten der Lambdasonde zwischen der Regelsonde, die vor dem Katalysator liegt, und der Diagnosesonde, die nach dem Katalysator verbaut ist, zu unterscheiden. Letztere überwacht lediglich die Funktion des Katalysators und zeigt bei einem Defekt keine direkten Symptome. Die Lambdasonde vor dem Katalysator hingegen nimmt unmittelbar Einfluss auf die Motorsteuerung. Ist diese Lambdasonde defekt, liefert sie keine korrekten Messwerte mehr an das Steuergerät. Die Folge ist daher entweder zu viel oder zu wenig Sauerstoff im Abgas (zu fett oder zu mager). Allerdings können diese Symptome auch auf andere Fehlerquellen im Motor hinweisen. Bei einigen Motoren schaltet sich bei einer defekten oder stark verschmutzten Lambdasonde ein Notlaufprogramm ein. Dieses soll den Motor und gleichzeitig die Umwelt schützen. In den meisten Fällen leuchtet dann die Motorkontrollleuchte auf, eine entsprechende Meldung wird dann im Fehlerspeicher der On-Board-Diagnose hinterlegt.

• reduzierte Motorleistung
• schlechter Durchzug beim Beschleunigen
• Motorruckeln, Verbrennungsaussetzer
• hoher Kraftstoffverbrauch
• hohe Abgasemissionen
• Auspuffqualm
• Aufleuchten der Motorkontrollleuchte

Der Tausch einer Lambdasonde lässt sich auch in Eigenregie durchführen. Wichtig ist die Verwendung einer Hochtemperaturpaste.

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Der Lambdasonde ist ein Verschleißteil. Mit zunehmender Laufleistung kann es vorkommen, dass immer ungenauere Werte an die Motorsteuerung gesendet werden. Bei einem merklich erhöhten Kraftstoffverbrauch und einer hohen Laufleistung sollte eine defekte oder zumindest verschmutzte Lambdasonde in Betracht gezogen werden. Allerdings kann es auch früher zu einem Defekt der Lambdasonde kommen. So können häufige Kurzstreckenfahrten zu einer beschleunigten chemischen Alterung der Elektroden führen. Unter Umständen ist eine defekte Lambdasonde auch ein Indikator für einen gravierenderen Schaden am Motor, zum Beispiel wenn die Sonde durch verbranntes Motoröl beschädigt wurde. Ebenso zeigen unterbrochene Kabelverbindungen oder schlechte Masseverbindungen einen Defekt an. Auch bei einem zu hohem Anzugdrehmoment können mechanische Schäden auftreten. Eine Zusetzung durch Ölkohlerückstände, beispielsweise bei defekten Kolbenringen, kann die Funktion ebenfalls stark beeinträchtigen. Auch eine Falschluftansaugung aufgrund beschädigter Dichtungen kann zu einem Ausfall der Sonde führen. Entnimmt die Lambdasonde den Referenzsauerstoff aus der Umgebungsluft, sollte auf saubere Steckverbindungen geachtet werden. Die Luftkammern in der Sonde beziehen die Umgebungsluft nämlich über die Litzen der Anschlusskabel. Bei der Reinigung der Stecker darf daher kein Kontaktspray verwendet werden, weil dies zu einer dauerhaften Vergiftung der Referenzluft führen kann, wodurch die Funktion der Lambdasonde außer Kraft gesetzt würde.

Zur Diagnose eines Defektes der Lambdasonde ist das Auslesen des Fehlerspeichers die erste Option. Allerdings sollten keine voreiligen Schlüsse gezogen werden, wenn die Lambdasonde im Fehlerspeicher auftaucht. Beklagt das Diagnosegerät zum Beispiel "Lambdasonde Signal fehlerhaft", kann es ebenso gut sein, dass die On-Board-Diagnose mit der Interpretation der Werte überfordert ist. Etwa wenn der Motor nach dem Luftmassenmesser Falschluft ansaugt, zum Beispiel über eine undichte Ansaugbrücke. Das dann viel zu magere Gemisch ergibt für die Motorelektronik keinen Sinn, die falsche Schuldzuweisung in Richtung der Lambdasonde ist die Folge. Gleiches gilt (mit umgekehrten Vorzeichen), wenn eine Einspritzdüse defekt ist. Schließt das Ventil nicht mehr korrekt, gelangt mehr Kraftstoff als gefordert in den Brennraum, das Gemisch wird zu fett. In diesem Fall, oder wenn das Auslesen des Fehlerspeichers kein Ergebnis bringt, die Symptome aber auf einen Defekt der Lambdasonde hindeuten, sollte die Werkstatt weitere Messungen durchführen – zum Beispiel mit Hilfe eines Multimeters, eines Oszilloskopen oder mit einem Lambdasonden-Tester.

Auch durch die Beschau der Sonden kann der Mechaniker gegebenenfalls erkennen, worin der Defekt liegt. Ähnlich den Zündkerzen, weisen Lambdasonden bestimmte Abnutzungsprofile auf, welche unterschiedliche Defektursachen anzeigen. Ein stark verrußtes Schutzrohr weißt zum Beispiel auf ein zu fettes Gemisch hin. Die Sonde muss in diesem Fall getauscht, die Ursache für das zu fette Gemisch abgestellt werden. Helle Ablagerungen auf dem Schutzrohr deuten darauf hin, dass der Motor Öl verbrennt. Im schlimmsten Fall handelt es sich um defekte Kolbenringe, oder aber der Turbolader wird nicht mehr korrekt abgedichtet. Auch eine unsachgemäße Montage kann die Lambdasonde derart beschädigen, dass eine einwandfreie Arbeitsweise nicht mehr gewährleistet ist. So kann beispielsweise ein Laie die vorgeschriebene Nutzung von Spezialwerkzeug oder vorgegebene Anzugsdrehmomente ignorieren und so zu einem Defekt des Neuteils beitragen.

Erfreulicherweise ist die Lambdasonde meist sehr leicht zugänglich, weshalb relativ geringe Arbeitskosten anfallen. Allerdings kann die Analyse Zeit in Anspruch nehmen. Bei einem guten Zugang zur Lambdasonde dauert der Tausch meist weniger als 30 Minuten. Vor Beginn der Arbeiten muss aber die Auspuffanlage etwas abgekühlt sein. Es empfiehlt sich die Lambdasonde im warmen Zustand herauszudrehen. Die neue sollte im kalten Zustand eingedreht werden. Wer die Arbeit selber durchführen möchte, sollte beim Ausbau Hitzeresistente Handschuhe tragen. Vor dem Einbau wird außerdem eine Hochtemperaturpaste auf das Gewinde aufgetragen. Die Paste beugt dem Festbrennen und Festfressen vor, erleichtert damit das künftige Lösen und macht die Sonde somit auch wiederverwendbar. Ist das Auto älter, kann es nämlich vorkommen, dass die Lambdasonde regelrecht in den Auspuff eingebrannt und das Gewinde beschädigt ist. Dann ist der Tausch aufwendiger, denn unter Umständen muss auch der entsprechende Abschnitt der Abgasanlage getauscht werden.

Die Preise für eine neue Lambdasonde, (sowohl Regel- wie auch Diagnosesonden) bewegen sich etwa zwischen 30 bis 170 Euro. Dazu kommen die Kosten für die Schadensdiagnose und die Arbeitszeit. Meist dauert der gesamte Wechsel zwischen 30 Minuten und zwei Stunden. Dafür werden dem Kunden zusätzlich zwischen 40 und 250 Euro Arbeitskosten berechnet.