Sauerstoffsensoren und Katalysatoreffizienz

Apr 18, 2023

Unabhängig davon, ob es sich um einen herkömmlichen Sauerstoffsensor oder einen Luft-/Kraftstoff-Verhältnissensor handelt, misst er den Unterschied im Sauerstoffgehalt zwischen der Außenluft und den Abgasen. Durch die Kenntnis der Sauerstoffmenge in den Abgasen kann das Motormanagement die in den Motor eingespritzte Kraftstoffmenge steuern, um die bestmögliche Leistung, Effizienz und Emissionen zu erzielen.

Befindet sich zu viel Sauerstoff im Abgasstrom, läuft der Motor zu mager. Wird im Abgasstrom zu wenig Sauerstoff gemessen, läuft der Motor zu fett. Dies ist ein sehr grundlegender Überblick über Sauerstoffsensoren und Kraftstoffanpassungen, aber die Erkenntnis ist, dass die im Zylinder verbrannte Kraftstoffmenge die Sauerstoffmenge in den Abgasen bestimmt.

Dies ist kein perfekter Prozess. Das Motormanagementmodul ist ständig auf der Suche nach der besten Öffnungszeit der Einspritzdüsen. Die Sauerstoffkonzentration schwankt ständig zwischen fett und mager. Je empfindlicher der Sauerstoffsensor und die präzisen Einspritzdüsen sind, desto geringer sind die Schwankungen zwischen fett und mager. Neuere Luft-/Kraftstoffverhältnis- oder Breitbandsensoren können ein breites Spektrum an Kraftstoffbedingungen erkennen. Außerdem erwärmen sich diese Sensortypen schneller auf Betriebstemperatur.

Mithilfe der Informationen des Sauerstoffsensors oder des Luft-/Kraftstoff-Verhältnissensors kann das Motormanagementsystem die Öffnungszeiten der Kraftstoffeinspritzdüsen kürzen. Zwar gibt es für die bestmögliche Verbrennung die perfekte Lambda-Zahl von 14,7 Teilen Luft zu einem Teil Kraftstoff, viele Motoren werden jedoch außerhalb dieser Bereiche betrieben. Doch an den Grenzen von Lambda können sich Sauerstoff und Kraftstoff mit Stickstoff, Wasserstoff und Kohlenstoff zu Verbindungen verbinden, die nicht gut für die Umwelt sind.

Sauerstoffsensoren überwachen auch den Betrieb der Katalysatoren. Durch die Steuerung des Kraftstofftrimms kann die Temperatur der Katalysatorbetten gesteuert werden. Der Katalysator beginnt bei 400 bis 600 Grad Fahrenheit zu funktionieren. Die normale Betriebstemperatur kann bis zu 1.200 bis 1.600 Grad betragen. Durch die Steuerung der Temperaturen ist es möglich, die Reaktionen im Konverter zu steuern.

Die Reaktionen im Inneren des Katalysators werden von einem Sauerstoffsensor am Auslass überwacht, der als Downstream-Sensor bezeichnet wird. Das Motormanagementmodul vergleicht die beiden Sensoren, um festzustellen, ob der Sauerstoffgehalt durch den Katalysator reduziert wird.

Der Katalysatoreffizienzmonitor überprüft, ob der Katalysator mit einem ausreichend hohen Wirkungsgrad arbeitet, um die Abgasemissionen innerhalb der vorgegebenen Werte zu halten. Das PCM vergleicht die Signale der vor- und nachgeschalteten Sauerstoffsensoren, um den Zustand des Konverters zu bestimmen. Diese „Tests“ werden Bereitschaftsmonitore genannt.

Der Wirkungsgrad des Konverters wird vom Fahrzeughersteller berechnet. Der Wirkungsgrad des Wandlers hängt von der Kraftstoffanpassung des Motors ab. Die Kraftstoffanpassung wird von den Sauerstoffsensoren überwacht und vom PCM ständig angepasst. Dies trägt dazu bei, den Konverter für einen möglichst effizienten Betrieb auf der richtigen Temperatur zu halten. Der Konverter speichert unter anderem eine bestimmte Menge Sauerstoff darin. Wenn ein Motor zu fett läuft, kann er keinen Sauerstoff speichern. Wenn es zu mager läuft, kann der Sauerstoffgehalt verhindern, dass der Konverter seinen optimalen Wärmebereich erreicht.

Der Wirkungsgrad des Konverters kann mit einem Diagnose-Tester überprüft und der Wechsel des Sauerstoffs zwischen fett und mager beobachtet werden. Zur Überwachung der Umschaltung können auch Labor-Oszilloskope eingesetzt werden. Sobald die Effizienz unter ein bestimmtes Niveau sinkt und andere Kriterien erfüllt sind, wird ein Effizienzcode festgelegt.

Die meisten Konverter haben im Neuzustand einen Wirkungsgrad von etwa 99 Prozent und erreichen schnell einen Wirkungsgrad von etwa 95 Prozent. Solange der Wirkungsgrad nicht um mehr als ein paar Prozentpunkte sinkt, kann der Konverter die Abgase hervorragend reinigen. Fällt der Wirkungsgrad jedoch unter 92 Prozent, schaltet sich in der Regel die MIL-Lampe ein.

Neuere Fahrzeuge müssen eine noch strengere Anforderung an emissionsarme Fahrzeuge (LEV) erfüllen. Jetzt gibt es noch weniger Spielraum. Ein Rückgang der Konvertereffizienz um nur 3 Prozent kann dazu führen, dass die Emissionen die Bundesgrenzwerte überschreiten. Der LEV-Standard erlaubt nur 0,225 Gramm Kohlenwasserstoffe pro Meile.

Einige OEMs haben aktualisierte Kalibrierungen für die Katalysatormonitore. Die neue Kalibrierung kann dann erneut in das PCM geflasht werden. Wenn das Fahrzeug bereits über einen beschädigten Konverter verfügt, bringt das erneute Flashen überhaupt nichts. Wenn sich der Konverter jedoch in der Nähe des Schwellenwerts befindet, kann das erneute Blinken die Lebensdauer des Konverters verlängern und verhindern, dass das Licht für weitere 10.000 oder sogar bis zu 80.000 Meilen aufleuchtet.

Eine Überwachung ist ein Abschnitt oder Segment eines Vorgangs, den das Fahrzeug normalerweise ausführt oder der durchgeführt werden muss, um einen bestimmten Aspekt oder Zustand des Fahrzeugs zu überprüfen. Es gibt zwei grundlegende Arten von Bereitschaftsmonitoren: kontinuierliche und nicht kontinuierliche. Kontinuierliche Überwachungen werden bei laufendem Motor ständig getestet und ausgewertet. Bei den nichtkontinuierlichen Monitoren müssen bestimmte Bedingungen erfüllt sein, bevor ein Test abgeschlossen werden kann.

Einige Vorgänge können entweder kontinuierlich, nicht kontinuierlich oder beides sein und können während beider Arten von Monitoren überprüft werden: beispielsweise eine Fehlzündung oder Probleme mit dem Kraftstoffsystem. Auch die nichtkontinuierlichen Überwachungen unterscheiden sich zwischen Gas- und Dieselmotoren.

Ein neueres Fahrzeug kann seinen Emissionsüberwachungsstatus während seines aktuellen Fahrzyklus melden. Diese Monitore beginnen immer dann von vorne, wenn der Überwachungszyklus die Kriterien für die Durchführung eines Bereitschaftstests erfüllt. Ältere Autos unterstützen diese Funktion möglicherweise nicht. Da es sich bei den Monitoren um eine Selbsttestroutine handelt, die der Fahrer nicht einleiten muss, ist die beste Möglichkeit, sie auf die Durchführung eines Selbsttests vorzubereiten, das Fahren des Fahrzeugs. Dennoch wird alleiniges Fahren nicht alle erforderlichen Bedingungen erfüllen. Es gibt einige Anforderungen, die von Hersteller zu Hersteller unterschiedlich sind.

Ein Fahrzeug muss einen „Fahrzyklus“ absolvieren. Der Fahrzyklus besteht darin, das Auto seine On-Board-Diagnose durchführen zu lassen. Dadurch können die Bereitschaftsmonitore ihre voreingestellte Diagnoseroutine durchlaufen.

Die genauen Anforderungen des Fahrzeugs, an dem Sie arbeiten, finden Sie in den Herstellerangaben für einen Fahrzyklus. Der folgende generische Fahrzyklus funktioniert jedoch normalerweise bei den meisten Fahrzeugen.

Planen Sie im Voraus eine Route, die es Ihnen ermöglicht, das Fahrzeug auf Autobahngeschwindigkeit zu bringen und das Fahrzeug an einer langen Küste abzubremsen. Stellen Sie sicher, dass der Kraftstofftank mindestens 51 % beträgt und die Außentemperatur nicht unter dem Gefrierpunkt oder über 110 Grad liegt.

Die meisten Fahrzyklen beginnen mit einem Kaltstart, was bedeutet, dass die Kühlmittel- und Lufttemperatur weniger als 10 Grad voneinander entfernt sind (dieser Zustand kann erreicht werden, indem man das Auto über Nacht stehen lässt). Vor dem Kaltstart muss sich der Zündschlüssel in der Stellung OFF befinden. Andernfalls wird die Diagnose des beheizten Sauerstoffsensors möglicherweise nicht ausgeführt. Starten Sie den Motor und lassen Sie ihn etwa 2 bis 5 Minuten lang im Leerlauf laufen, während die Klimaanlage und der Heckscheibenentfroster (falls vorhanden) eingeschaltet sind.

Bedenken Sie, dass die nicht kontinuierlichen Überwachungen ein Problem möglicherweise erst dann erkennen, wenn das Fahrzeug mehrere Male gefahren wurde und die Bedingungen für die Erkennung des Fehlers stimmen. Daher ist es bei der Behebung eines Problems mit der Katalysatoreffizienz sehr wichtig, einen Diagnose-Tester zu verwenden, der Ihnen sagen kann, ob alle Überwachungsbereitschaften ausgeführt wurden oder nicht.

Wenn ein oder mehrere Monitore nicht bereit sind, muss das Fahrzeug unter den richtigen Bedingungen gefahren werden, um den Monitor einzustellen. Dann und nur dann erhalten Sie eine genaue Diagnose.