Numerische und experimentelle Untersuchungen zum Impuls-, Wärme- und Stofftransport in Lambdasonden bei motorischen Betriebsbedingungen

Ziel des Gesamtprojekts, zu dem diese Arbeit einen Teil beiträgt, ist die Vorhersage des Betriebsverhaltens von Abgassensoren mit Hilfe von numerischen Methoden. In der vorliegenden Arbeit wird der Stofftransport in Lambdasonden unter motorischen Betriebsbedingungen untersucht. Hierzu wird ein numerisches Modell zur Berechnung des Stofftransports erstellt. Dieses wird anhand gezielter Experimente, welche unter Anwendung der Methoden der Ähnlichkeitstheorie und der statistischen Versuchsplanung aufgebaut und durchgeführt wurden, validiert. Mit diesem Modell werden exemplarisch zwei Lambdasondensignale berechnet. In den einleitenden Abschnitten werden zunächst die Schadstoffbildung bei ottomotorischer Verbrennung und die Abgasreinigung mittels Drei-Wege-Katalysator und Lambdaregelung beschrieben. Weiterhin werden das Prinzip der Lambdaregelung und der Aufbau und die Funktionsweise einer modernen Lambdasonde erläutert. Diese besteht im Wesentlichen aus einem elektrisch beheizten Sensorelement aus Keramik, welches zum Schutz vor mechanischer Beschädigung, Auskühlung durch kaltes Abgas sowie Tropfen- und Partikelschlag durch metallische Schutzrohre vom direkten Kontakt mit der Abgasströmung abgeschirmt wird. Über Öffnungen in den Schutzrohren kann ein Teil des Abgasstroms bis zum Sensorelement gelangen. Dort findet anhand elektrochemischer Reaktionen die Messung des Rest- Sauerstoffgehalts im Abgas des Verbrennungsmotors statt. Dieses Signal wird zur Regelung der Gemischaufbereitung verwendet, um in jedem Betriebszustand des Motors eine optimale Verbrennung und Nachbehandlung der Abgase sicherzustellen. Basierend auf diesen Grundlagen werden die Einflussgrößen auf die Signalentstehung von Lambdasonden vorgestellt.