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Die Lambda-Sonde ist ein Teil der Abgasanlage und sorgt dafür, dass die Abgase im Katalysator möglichst effektiv gereinigt werden. Sie misst den Restsauerstoffgehalt des Abgases, den sogenannten Lambda-Wert, und leitet die Information an das Motorsteuergerät weiter. Das Steuergerät berechnet daraus das Verhältnis von Verbrennungsluft zu Kraftstoff für die weitere Verbrennung so, dass der Katalysator einwandfrei arbeiten kann. Nur wenn im Abgas ein bestimmter Anteil an Sauerstoff vorhanden ist, funktionieren die chemischen Prozesse im Katalysator optimal und entfernen so viele Giftstoffe wie möglich aus den Abgasen. Wenn eine Lambda-Sonde die Abgasentgiftung reguliert, spricht man von einem geregelten Katalysator. Zu Beginn der Entwicklung in den Achtziger Jahren gab es auch Systeme ohne Lambda-Sonde, diese wurden als ungeregelte Katalysatoren bezeichnet.
Die Lambda-Sonde ist in eine Öffnung im Abgasrohr hineingeschraubt und ragt in den Abgasstrom herein. Sie befindet sich vor dem Katalysator und ist über ein Kabel mit dem Motorsteuergerät beziehungsweise der Steuerung für die Einspritzanlage verbunden. Wenn der Motor über einen Turbolader verfügt, so sitzt die Sonde meist hinter dem Lader. Einige moderne Triebwerke haben auch nach dem Katalysator eine zweite Lambda-Sonde, die auch dort den Sauerstoffgehalt im Abgas misst. Dies dient als Kontrolle der ersten Sonde, im Gegensatz zu dieser werden hier jedoch nur sporadisch die Messwerte abgefragt und an die entsprechenden Steuergeräte weitergeleitet. Bei Motoren mit mehreren Zylinderbänken, etwa W-Motoren oder V-Motoren, sind oftmals mehrere Abgasstränge vorhanden, in diesen Fällen hat auch jeder Abgasstrang eine eigene Lambda-Sonde. Auch Varianten, bei denen an jedem Zylinder eine eigene Abgassonde im entsprechenden Rohr des Krümmers sitzt, sind bei neueren Fahrzeugen zu finden.
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Die Lambda-Sonde ist ein wichtiger Bestandteil zur Entgiftung der Abgase. Sie regelt die Einspritzung und den Verbrennungsprozess so, dass der Katalysator möglichst effektiv arbeiten kann und die Schadstoffe durch chemische Reaktionen umwandelt. Es sind zwei verschiedene Arten von Lambda-Sonden möglich. Die sogenannte Nernst-Sonde misst den Sauerstoffgehalt mit einer Membran, auf deren einer Seite das Abgas entlang strömt und auf der anderen normale Luft ist. Diese Variante ist jedoch relativ selten, wesentliche öfter ist eine Widerstandssonde zu finden. Dabei ragt ein Metallstab in den Abgasstrom hinein, der die Ionen des Abgasstromes bindet. Je höher der Sauerstoffgehalt des Abgases ist, desto mehr Ionen setzten sich an der Lambda-Sonde fest und erhöhen die Leitfähigkeit. Dabei wird dann der Strom gemessen, der durch die Sonde strömt und das Ergebnis an die Steuergeräte weitergegeben. Damit der Messstab nicht beschädigt wird, ist er meistens mit einem Gehäuse aus Keramik geschützt.
Die Lambda-Sonde muss eine bestimmte Temperatur erreicht haben, um zuverlässige Messergebnisse liefern zu können. Da die Abgase kurz nach dem Abgaskrümmer beziehungsweise dem Turbolader Temperaturen von mehreren hundert Grad haben, wird die Sonde im normalen Betrieb sehr heiß. Damit jedoch auch kurz nach dem Start der Katalysator richtig arbeitet, haben die meisten modernen Autos beheizbare Lambda-Sonden, die mit Heizdrähten beim Start vorgewärmt werden. Wenn die Lambda-Sonde defekt ist, liefert sie entweder gar keine Messwerte mehr oder falsche Daten. Erkennt das Steuergerät die falschen Werte, leuchtet im Cockpit die Kontrollleuchte auf , die auf Motorprobleme hinweist. Werden die falschen Werte nicht erkannt, entsteht meisten jedoch schwarzer Qualm und der Motor läuft wegen des unpassenden Gemisches deutlich hörbar unrund und hat weniger Leistung.
Zunächst waren Lambda-Sonden nur an Fahrzeugen mit Benzinmotor vorhanden, in den letzten Jahren sind sie jedoch auch bei Diesel-Triebwerken verbreitet. Hier werden allerdings andere Sonden benötigt, denn Dieselmotoren laufen prinzipiell mit einem magereren Gemisch als herkömmliche Benziner. Der Lambda-Wert liegt hier also generell unter dem „normalen“ Wert von 1, deswegen müssen die Lambda-Sonden hier angepasst werden. Dies gilt auch für Benziner, die auf ein mageres Gemisch ausgelegt sind.