Sauerstoffsensoren und Tuning

Apr 27, 2023

Der Sauerstoff- oder Lambdasensor ist eine der wichtigsten und am meisten missverstandenen Komponenten eines modernen Kraftstoffeinspritzsystems. Ein grundlegendes Verständnis der Funktionsweise des Sensors und der Interpretation seiner Ausgabe ist entscheidend für die erfolgreiche Abstimmung eines Hochleistungs- oder Rennmotors. Fügen Sie noch einen Leistungszusatz hinzu, und die Bedeutung des O2-Sensors wird noch größer. Für unsere Zwecke befassen wir uns nicht übermäßig mit den chemischen und elektrischen Eigenschaften des Sensors – diese Informationen sind weithin verfügbar, wenn Sie tiefer eintauchen möchten – sondern wir konzentrieren uns auf praktische Informationen, die uns helfen, unser ultimatives Ziel zu erreichen: Um möglichst sicher möglichst viel Leistung aus dem Motor zu holen.

Es gibt zwei Haupttypen von O2-Sensoren, denen Sie begegnen können. Der Schmalband-O2-Sensor ist typischerweise in Serienfahrzeugen zu finden und kann zur genauen Bestimmung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses (AFR) im Bereich von 14,3:1 bis 15,1:1 bei Benzin verwendet werden. Beachten Sie, dass ich „Bestimmen“ und nicht „Messen“ des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses sage. Dies ist eine wichtige Unterscheidung, die wir gleich diskutieren werden. Wenn Sie Motoren tunen, insbesondere Rennmotoren, arbeiten Sie mit weitaus größerer Wahrscheinlichkeit mit der anderen Art von Lambdasonde – der Breitband-Lambdasonde. Mit einer schnelleren Reaktionszeit, der Möglichkeit, den Sauerstoffgehalt des Abgases direkt zu messen, und einem nutzbaren Luft-Kraftstoff-Bereich von etwa 10,2:1–15,5:1 (bei Benzin) liefert der Breitband-Lambdasensor wichtige Informationen, die möglich sind können verwendet werden, um sicher enorme Mengen an Leistung aus Ihrem Motor zu extrahieren.

Bevor wir uns mit der Verwendung des Breitband-Sauerstoffsensors befassen, ist es wichtig zu verstehen, was er tatsächlich misst. Das erste, was einem wahrscheinlich in den Sinn kommt, wenn es um Sauerstoffsensoren geht, ist AFR. In Wirklichkeit hat der Sauerstoffsensor keine Ahnung, wie viel Kraftstoff oder Luft dem Motor zugeführt wird. Es misst vielmehr den Sauerstoffgehalt des Abgases. Dies allein reicht nicht aus, um die AFR zu bestimmen. Indem wir den stöchiometrischen Wert des Kraftstoffs kennen, mit dem der Motor laufen soll, definiert als der AFR, bei dem eine vollständige Verbrennung stattfindet, können wir den AFR berechnen, mit dem der Motor läuft.

Was aber, wenn wir den Kraftstofftyp ändern oder Lachgas hinzufügen? Unterschiedliche Kraftstoffarten erfordern unterschiedliche Luft-Kraftstoff-Verhältnisse, um eine vollständige Verbrennung zu erreichen. Das Einspritzen von Lachgas erfordert die Zugabe von Kraftstoff, um den zusätzlichen Sauerstoff aufzunehmen, der vom Spray mitgeführt wird. Zu diesem Zeitpunkt handelt es sich nicht mehr um ein Luft-Kraftstoff-Gemisch, sondern um ein Luft-Kraftstoff-Lachgas-Gemisch. Diese Dinge werden den tatsächlich erforderlichen AFR, der in den Motor eingespeist wird, dramatisch verändern. Für den Sauerstoffsensor sieht die vollständige Verbrennung jedoch immer noch genauso aus, unabhängig davon, was wir in den Motor einfüllen.

Diese vom Breitband-Sauerstoffsensor bereitgestellten Daten werden vor der Berücksichtigung der Kraftstoffart als „Lambda“ bezeichnet. Ein Lambdawert von „1“ bedeutet eine vollständige Verbrennung. Dies entspricht etwa 14,6:1 bei Pumpgas. Werte größer als 1 weisen auf einen mageren Zustand hin, während eine Zahl kleiner als 1 auf einen fetten Zustand hinweist. Die Optimierung mithilfe von Lambda-Werten ist sehr hilfreich, wenn Sie mit unterschiedlichen Arten von Kraftstoffen und Leistungsadditiven arbeiten, da die Lambda-Werte für die beste Leistung im Wesentlichen gleich sind, unabhängig davon, was Sie dem Motor zuführen.

Die meisten Tuner werden als Sicherheitsmarge unter Boost oder Lachgas ein fetteres Ziel-Lambda fahren. Meiner Erfahrung nach erreiche ich jedoch fast immer einen Lambda-Wert von 0,9 oder leicht darunter, wenn ich fett beginne und schrittweise magerer abstimme, bis die optimale Leistung erreicht ist .

Da wir die Bedeutung der vom Sauerstoffsensor gelieferten Daten kennen, müssen wir verstehen, wie man ihn richtig installiert und wie man feststellt, wann er ausgetauscht werden muss. Die Platzierung des Sauerstoffsensors hängt von Ihrem Setup ab. Faktoren wie die Anzahl der verwendeten Sensoren oder das Vorhandensein oder Fehlen eines Turboladers müssen berücksichtigt werden. Befolgen Sie unbedingt die Anweisungen des von Ihnen verwendeten Datenloggers oder Steuergeräts bezüglich Winkel und Position der Sauerstoffsensoren. Dies ist besonders wichtig bei der Abstimmung mit der Vielzahl von EFI-Systemen mit geschlossenem Regelkreis, die heute auf dem Markt erhältlich sind. Es stehen viele verschiedene Optionen zur Auswahl, aber unabhängig vom verwendeten System greife ich bei der Abstimmung mit Breitband-Sauerstoffsensoren auf bestimmte Strategien zurück.

Stellen Sie zunächst sicher, dass der Sensor in einwandfreiem Zustand ist. Wenn Sie sich nicht sicher sind, verwenden Sie brandneue Sensoren. Anzeichen für fehlerhafte Sensoren sind verzögerte Reaktionszeiten und ein verringerter Messbereich. Probleme dieser Art können ohne Erfahrung schwer zu erkennen sein. Im Zweifelsfall ist es daher am besten, sie auszutauschen. Was die Lebensdauer anbelangt, nutze ich normalerweise 40 bis 60 Stunden für eine Lambdasonde, wenn ich bleihaltiges Rennkraftstoff verwende. Diese Zahl sinkt dramatisch, wenn übermäßige EGTs auftreten. Ein defekter Sauerstoffsensor kann in einem EFI-System mit geschlossenem Kreislauf sehr schnell zu Betriebsproblemen oder Schlimmerem führen. Dies gilt insbesondere dann, wenn das System mit einem breiten AFR-Korrekturbereich konfiguriert ist.

Moderne EFI-Systeme überzeugen durch ihre Closed-Loop-Fähigkeiten. Das Steuergerät ist in der Lage, schnell auf die Daten der Sauerstoffsensoren zu reagieren und den Motor sehr effektiv auf dem gewünschten Lambda-Wert laufen zu lassen. Das ist beim Tuning äußerst hilfreich – kann aber auch zu Problemen führen, wenn man sich zu stark darauf verlässt. Denken Sie daran, dass das Steuergerät auf fehlerhafte Sauerstoffsensordaten reagieren wird. Es kann nicht festgestellt werden, ob das Abgasrohr einen Riss aufweist oder ob der Sensor abgenutzt oder beschädigt ist. Geben Sie einige schlechte Daten in ein geschlossenes System ein, das einen Motor mit einem Ladedruck von weniger als 30 psi betreibt, und es kann passieren, dass schlimme Dinge passieren. Um das Eintreten einer solchen Katastrophe zu verhindern, versuche ich, mich so wenig wie möglich auf einen geschlossenen Regelkreis zu verlassen.

Meine Tuning-Strategie besteht im Allgemeinen darin, zunächst manuell eine Basiskarte zu entwickeln, bevor der Motor überhaupt gestartet wird. Dann werde ich mit den Closed-Loop-Einstellungen, die eine Korrektur von +/- 20 % ermöglichen, einige Datenprotokolle durchführen und die Karte verfeinern. Ich werde diesen Vorgang wiederholen, bis die Basiskarte innerhalb von +/-2 % korrekt ist, und dann gehe ich mit der Closed-Loop-Einstellung auf +/-5 % zur Strecke. Dadurch kann das geschlossene System eine Feinabstimmung für unterschiedliche Umgebungsbedingungen vornehmen und gleichzeitig verhindern, dass es dramatische Änderungen durchführt, die aus schlechten Sauerstoffsensordaten resultieren.

Während ich an der Strecke bin, verfeinere ich die Basiskarte weiter. Auch nach der Inbetriebnahme entwickelt sich die Basiskarte ständig weiter, sodass sie mit so wenig Regelkreiskorrektur wie möglich betrieben werden kann und sich gleichzeitig an sich ändernde Anforderungen anpasst, während der Motor seine Lebensdauer durchläuft. Es ist wichtig zu beachten, dass extreme Höhenunterschiede oder alles andere, was den Treibstoffbedarf um mehr als 5 % verändert, mehrere Durchgänge zur Wiederherstellung erfordern und daher vor dem ersten Durchgang manuell behoben werden sollten. Mit anderen Worten: Wenn Ihr letztes Rennen auf Meereshöhe stattfand und Ihr nächstes in den Rocky Mountains stattfindet, sollten Sie den Kraftstoffverbrauch anpassen, bevor Sie auf die Strecke gehen.

Sauerstoffsensoren und die sie nutzenden EFI-Systeme mit geschlossenem Regelkreis sind fantastische Werkzeuge, die Leistungsniveaus freisetzen können, die noch vor wenigen Jahren unerreicht waren. Wie alle Werkzeuge sind sie jedoch nur so gut wie die Person, die sie bedient. Um sie einzusetzen, muss man verstehen, was die Sauerstoffsensoren messen, wie das Steuergerät diese Daten verwendet, wie die Daten kompromittiert werden können und welche Folgen es hat, wenn dem Steuergerät zu viel Spielraum für die Reaktion auf diese fehlerhaften Daten eingeräumt wird.

Ich habe mehr als ein Lied von anderen Werkstätten gesehen, das überhaupt nicht im offenen Regelkreis lief. Wenn die Sauerstoffsensoren nicht angeschlossen waren, lief der Motor nicht einmal im Leerlauf. Dies ist eine extreme Überverlässlichkeit auf die Closed-Loop-Fähigkeiten der Steuergeräte. Wenn das System so konfiguriert ist, führt jeder Ausfall des Sauerstoffsensors zu extrem schlechter Leistung und möglicherweise zu Motorschäden. Wenn die Basiskarte korrekt ist, sollte der Motor im offenen Regelkreis genauso gut laufen wie im geschlossenen Regelkreis. Die Korrektur im geschlossenen Regelkreis sollte nur für Feineinstellungen zur Anpassung an Dinge wie Änderungen der Umgebungsbedingungen oder sehr geringfügige Schwankungen der Kraftstoffqualität verwendet werden.

Während des Abstimmungsprozesses können jedoch Breitband-O2-Sensoren und eine Regelung mit geschlossenem Regelkreis genutzt werden, um schnell eine verfeinerte Basiskarte zu entwickeln, die für den Wettbewerb bereit ist. Auf diese Weise können wir das Beste aus dieser Technologie herausholen und gleichzeitig einige der potenziellen Fallstricke vermeiden, die sie mit sich bringen kann.EB