2-Takt - Vergaserabstimmung mit Breitband-Lambdasonde

Wir schreiben das Jahr 2009, Randy und gravedigger diskutieren nach einem Artikel in der Oldtimer Praxis , den Verbau einer Breitband-Lambdasonde im 2-Takt-Roller. Drei Jahre später ist es soweit und der Technik-Pionier gravedigger teilt seine Erfahrungen über den Verbau eines Lambda Messgerätes zur 2-Takt Vergaserabstimmung mit der Forumsgemeinde. Die bisherige Annahme, dass Lambda-Messungen bei unseren 2-Takt Motoren mit Öl-Gemischschmierung durch die katalytische Reaktion überhaupt nicht funktionieren wird erfolgreich widerlegt. Die Breitbandsonden vertragen auch über einen längeren Zeitraum Restölanteile im Abgas und die Instrumente zeigen zumindest in statischen Lastzuständen einigermaßen verlässliche AFR-Werte an.

Das gefühlsmäßige durchprobieren von Vergaserbedüsungen hat ein Ende und wird nun endlich durch messbare Fakten belegt. Viele, die keinen Prüfstand zur idealen Vergaserabstimmung zur Verfügung haben, geht endlich ein Licht auf, warum Ihr Motor bisher nicht oder nur ungenau abzustimmen war.

Vielen Dank gravedigger!

Abgrenzung:

Die Lambda-Messung beim 2-Takter wird rein zur Bewertung der Vergaser-Bedüsung genutzt und nicht wie beim 4-Takter mit der Funktion die ideale Gemischaufbereitung mit maximaler Reduktion der Schadstoffemissionen zu regeln. Die Lambdasonde dient als Messwerkzeug zur Abstimmung und Luftdruck, -Temperatur und Spülverluste werden ignoriert. Denn selbst wenn die gemessenen Lambdawerte komplett verschoben sind, lässt sich aus der Relation der verschiedenen Werte eine Beurteilung der Vergaserbedüsung herleiten.

Funktionsprinzip Lambda-Messung

TL;DR: Die Lambdasonde misst den Anteil des Restsauerstoffes im Abgas, also wie viele Sauerstoffatome nach der Zündung des Luft-Kraftstoff-Gemisches nicht verbrannt wurden.

Hierdurch lässt sich messen, ob das Gemisch für den Motor im jeweiligen Drehzahl- und Lastzustand zu mager oder zu fett ist und die Bedüsung des Vergasers kann entsprechend angepasst werden.

Das Verbrennungsluftverhältnis (Lambda) setzt die tatsächlich für eine Verbrennung zur Verfügung stehende Luftmasse mL-tats ins Verhältnis zur mindestens notwendigen stöchiometrischen Luftmasse mL-st, die für eine vollständige Verbrennung benötigt wird.

Der Ratio für eine optimale Verbrennung (λ = 1,0) von Sauerstoff zu Kraftstoff bei Reinbenzin (ohne Ethanolzusatz) beträgt 14,7 kg Sauerstoff zu 1 kg Benzin.

Übersicht AFR-Werte weiterer Kraftstoffe

Kraftstoffart	stöchiometrisches Verhältnis (λ = 1,0) Air-Fuel-Ratio	Bemerkungen
Reinbenzin	14,7 : 1	Reines Benzin
Super E5	14,4 : 1	Benzin mit bis zu 5% Ethanolanteil
Super E10	14,1 : 1	Benzin mit bis zu 10% Ethanolanteil
E85	9,7 : 1	Benzin mit 85% Ethanolanteil (wird seit 2015 in DE nicht mehr vertrieben, da durch Wegfall der Steuerbefreiung, der bei Ethanol entsprechende Mehrverbrauch von ~30% nicht mehr wirtschaftlich war und die Nachfrage gegen Null ging)
Ethanol 100%	9,0 : 1	Reines Ethanol (höherer Verbrauch von 30%+ durch geringeren Energiegehalt)

Der Lambda-Wert (λ)

ist immer unabhängig von der Kraftstoffart, denn die Sonde misst nur den Anteil an Restsauerstoff im Abgas.
Beispiel: setzen wir eine ideale Verbrennung voraus, dann liegt bei:

• Reinbenzin: der Wert Lambda = 1 mit einem Massenverhältnis von 14,7 : 1 (AFR)
• E10 Kraftstoff: der Wert Lambda = 1 mit einem Massenverhältnis von 14,1 : 1 (AFR)

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Lambda 0,9 - fett  (Luftmangel)
Lambda 1,0 - rechnerisch ideales Massenverhältnis
Lambda 1,1 - mager (Luftüberschuß)
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Der Air-Fuel-Ratio Wert (AFR)

steht in direkter Abhängigkeit zum verwendeten Kraftstoff.

Die Abweichung des AFR bei den jeweils getankten Kraftstoffen kann bei den angebotenen Lambda Messgeräten jedoch vernachlässigt werden. Die Instrumente messen über die Lambda-Sonde immer den Restsauerstoff, als Lambda-Wert! Die mögliche Anzeige als AFR-Wert wird nur intern auf Basis von Reinbenzin umgerechnet und angezeigt. Die AFR-Werte auf dem Display passen also von der Relation her.

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AFR 12,0 - fett  (Luftmangel)
AFR 14,7 - bei Reinbenzin ideales Massenverhältnis
AFR 15,0 - mager (Luftüberschuß)
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Lambda/AFR Richtwerte für 2-Takt-Motoren

Bei 2-Takt-Motoren erfolgt anders als beim 4-Takt-Motor die Schmierung des Kolbens und der Pleuel- und Kurbelwellenlager über den dem Benzin zugeführten Anteil von Öl (1:20 – 1:50 je nach Modell). Weiterhin trägt das Gemisch wesentlich zur Motorkühlung bei, um ein Überhitzen und damit verbundenen möglichen Kolbenklemmer zu verhindern. Unsere luftgekühlten 2-Takt-Motoren benötigen also fettere Lambda-Werte als ein 4-Takt-Motor mit Öl- und Wasserkühlung, um einen störungsfreien Dauerbetrieb sicherzustellen.

Tabelle für 2-Takt Lamdba-Werte

Quelle: Werte von Forenmitgliedern und eigene Messwerte
Hinweis: die Werte sind konservativ, also leicht fetter gewählt.

Leerlauf:

Der Motor wird nicht belastet und läuft untertourig, hier kann auf einen Wert von bis zu Lambda 0,95 reduziert werden aber Vorsicht, nicht zu weit (Schubbetrieb nach Vollgasfahrt).

Teillast:

Bei moderater Beschleunigung und im mittleren Drehzahlbereich sollte das Gemisch bereits weiter angefettet werden auf Lambda 0,94 – 0,87. Vorsicht Falle: in diesem Bereich reagiert ein 2-Takter so richtig giftig und spritzig auf den Gashahn und die Versuchung ist groß, den Vergaser in dieser Bedüsung für alle Bereiche zu belassen. Das wäre allerdings im Lastbetrieb bei hohen Drehzahlen nicht von Dauer und der Kolbenklemmer ist nicht weit…

Vollgas:

Gashahn auf WOT große Beschleunigung und Betrieb im oberen Drehzahlbereich. Kraft kommt von Kraftstoff und hier mag der 2-Takter gerne Lambda-Werte von 0,87 bis 0,83. Ab Lambda 0,82 kommt es zur Überfettung des Gemisches und der Motor dreht nicht mehr voll aus.

Vorgehen - Abstimmung mit Lambda-Sonde

Wichtiger Hinweis:

Die Messung der Lambda-Werte beim 2-Takt Motor geben Aufschlüsse über die Gemisch-Aufbereitung in verschiedenen Lastbereichen mit denen der Vergaser besser abgestimmt werden kann.
Diese Messungen sind aber konstruktionsbedingt nicht zu 100% genau!

Beim 4-Takt-Motor ist der Brennraum während des Zündvorganges durch die Ventile geschlossen und die genaue Dosierung der Kraftstoffmenge kann über die Einspritzdüsen entsprechend gesteuert werden.

Beim 2-Takter gibt es keine Einspritzdüsen und es existieren keine Ventile! Die vom Vergaser zugeführte Kraftstoffmenge kann nicht in allen Bereichen für alle Lastzustände exakt gesteuert werden und auch die Zylinderfüllung ist nicht immer konstant/optimal. Der Gasfluss unterliegt hier Ansaug- und Abgasresonanzen, das System wird kontinuierlich duchspült. Zusätzlich ignorieren wir bei der Messung Luftdruck und –Temperatur. Bei Lastwechseln, schnellen Schieberänderungen und gerade im Vor-Resobereich kommt es zu Spülverlusten(Frischgas gelangt unverbrannt in den Auspuff), welche das Messergebnis verfälschen oder sogar ganz paradoxe Sprünge beim Lambda-Wert anzeigen.

Daher sollte die Bewertung der Gemischaufbereitung idealerweise bei konstanten Schieberöffnungen und Drehzahlen erfolgen.

Messfahrten

Nachdem die Lambdasonde und das Anzeigegerät verbaut sind, werden auf dem Gasgriff einzelne Schieberstellungen des Vergasers angezeichnet

Gasgriff/Schieberöffnung

0

1/8

1/4

1/2

3/4

1

Zur besseren Kontrolle den Luftfilter vom Vergaser abbauen und die Stellungen vom Gasgriff mit der Schieberstellung vergleichen.

Für die Messfahrten den Motor zuerst richtig warm fahren!

Jetzt ermitteln wir den Lambda-Wert im Standgas, Motor im Stand mehrere Sekunden laufen lassen und den Messwert notieren.

Anschließend werden die einzelnen angezeichneten Gasgriff-Stellungen abgefahren.
Mit der 1/8 Stellung beginnen, hierbei den Gasgriff für mehrere Sekunden in dieser Stellung halten und warten bis sich eine konstante Drehzahl eingestellt hat. Die Anzeige wird sich nun in einem Bereich einpendeln und man kann die Lambda Werte ablesen/notieren, danach weiter zur nächsten Stellung und das ganze wiederholen.

Ablesen von Werten der Anzeige beim durchbeschleunigen/ständigen drehen am Gasgriff führen oft zu verwirrenden Ergebnissen, da sich die Lambda-Werte hier sprunghaft ändern können. Außerdem kann je nach verwendetem Gerät eine Verzögerung der Anzeige der Messwerte verwirren.

Nachdem die Messbereiche abgefahren sind, den Vergaser je nach Ergebnis in den jeweiligen Bereichen fetter oder magerer Abstimmen und erneut testen.

Final empfiehlt sich eine Messfahrt, bei der man den Gasgriff ultralangsam von geschlossen bis voll offen durchfährt. Es besteht die Möglichkeit einen eventuellen Magerfleck, der so in den statischen Gasstellung nicht sichtbar war zu lokalisieren und die Bedüsung entsprechend nachzujustieren.

Geräte

Eine Auswahl von Lambda Messgeräten.

Die Abtastraten der jeweiligen Geräte liegen zwischen 20 - 90 Millisekunden. Wenn man überlegt, dass bei einer Drehzahl von 6000 Upm eine Kurbelwellenumdrehung mit Zündvorgang nur 10 ms dauert ist dieser Wert nicht unerheblich für die Messung. Beim Durchbeschleunigen zeigt das Gerät also Werte aus der Vergangenheit an und kann zu Fehlinterpretationen führen. Durch die Messung bei konstanter Schieberstellung und eingependelter Drehzahl wird diese Latenz jedoch kompensiert und kann vernachlässigt werden. Zudem sind in den wenigsten Fällen Datenlogger mit zusätzlichen Werten für Drehzahl und Schieberstellung verbaut und keiner hat beim betätigen des Gasgriffes die Präzision eines Schrittmotors, die Messungen unterliegen also generell einer gewissen Tolleranz.

Gerät	Sonde	Latenz	Messgenauigkeit
AEM X-Series Breitband UEGO AFR	LSU 4.9	~ 20 ms	+/- 0,1 AFR
Zeitronix ZT-3	LSU 4.9	~ 43 ms	-?-
Zeitronix ZT-2	LSU 4.9	-?-	+/- 0,75 AFR
Innovate MTX-L PLUS	LSU 4.9	~ 89 ms	+/- 0,1 AFR
Innovate LC-2	LSU 4.9	~ 85 ms	-?-
14point7 – Spartan Wideband O2 Controller + Gauge	LSU 4.9	-?-	-?-
PLX Devices SM-AFR - DM-6 52mm (discontinued)	LSU 4.9	~ 36 ms	+/- 1,0 AFR
Koso Mini Wideband Air/Fuel Ratio Meter (BA004068)	LSU 4.2	-?-	-?-
SIP A/F Ratio Lambdasonde (nur in Verbindung mit SIP Tacho als Gauge)	LSU 4.2	-?-	-?-

Wer Wert auf höchst präzise und dauerhaft korrekte Messungen legt, sollte auf Geräte zurückgreifen, die mit dem BOSCH CJ125 Controller und LSU 4.9 λ-Sonde arbeiten, im Roller aber evtl. overkill bzw. nicht relevant.

Lambdasonde einbauen

Für den nachträglichen Einbau einer Lambdasonde wird eine entsprechende Einschweißmuffe (M18x1,5) benötigt, diese gibt es bei vielen KFZ-Teilehändlern oder z.B. bei eBay in verschiedenen Ausführungen.

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Hinweis:

• Blindstopfen in M18x1,5 gleich mitbestellen, falls die Sonde nicht dauerhaft verbaut bleiben soll. Sonst wird es ziemlich laut mit Loch im Auspuff.

Wer keine Möglichkeit zum Schweißen hat, dem bieten - der großen Akzeptanz sei Dank – die Shops mittlerweile Auspuffanlagen mit fertig eingeschweißter Muffe an.

Die Sonde sollte vom Auslass/Krümmer mindestens 20cm entfernt eingebaut werden.
Der horizontale Winkel sollte 10° oder mehr nach oben betragen, so dass sich keine unverbrannten Kraftstoffreste oder Kondenswasser in der Sonde ablagern können.

Bei der Platzierung der Muffe die Sondenlänge von 10+ cm berücksichtigen! Idealerweise bei noch verbautem Auspuff schauen, dass die Sonde nach Einbau auch genügend Platz zu anderen Karosserieteilen und dem Auspuff hat.

Die Einbaupostion der Sonde hat Einfluß auf die Lebensdauer (Restöl, Ruß) der Sonde. Darauf achten, dass der Auspuff im Bereich Auslass/Krümmer bis zur Sonde auch dicht ist, um eine Verfälschung der Messwerte durch Nebenluft zu vermeiden.

2-Takt Adapterhülsen

Hier handelt es sich um eine schlichte Gewinde-Verlängerung, um die Sonde aus dem direkten Abgasstrom zu nehmen. Laut z.B. Koso soll diese Verlängerung verbaut werden, jedoch wird die Hülse nicht zwingend benötigt . Die Messungen funktionieren auch ohne Hülse mit der Sonde im direkten Abgasstrom.
Die LSU 4,2 und 4,9 scheint der volle Abgaswind bei den Messungen nicht zu beeinträchtigen und man gewinnt 2-3cm Einbauhöhe.

Platzierung der Sonde im Auspuff

Box-Auspuffanlagen:

hier hat sich die Stelle vom Abgasrohr kurz vor der Box bewährt, siehe Bilder.

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Resonanz-Auspuffanlagen:

Die Schweißmuffe bei Reso-Anlagen idealerweise im Belly platzieren.

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Stromversorgung / Strombedarf

Die Anzeige, sowie die Lambdasonde und hier insbesondere die Heizung der Sonde benötigt eine entsprechende 12 Volt DC-Stromversorgung (Batterie).
Sollte durch Unterspannung(Batterie leer) die Temperatur des Keramikelementes unter 750°C fallen, ist keine zuverlässige Messung mehr möglich. Günstige Geräte zeigen dann unplausible Lambda-Werte an, bessere Geräte brechen die Messung ab und zeigen einen entsprechenden Hinweis auf dem Display. Da beim 2-Takter bei Schieber-/Drehzahländerungen auch kühlendes Frischgas in den Auspuff gelangt, steuert die Regelung die Heizung hier stark nach um das Keramikelement auf Temperatur zu halten.

Leistung

Startphase:	~ 25 Watt (12V / 2,1A)	Dauer ca. 20 Sek.*
im Betrieb:	~ 11 - 25 Watt (12V / 0,94A - 2,1A)

* Aufheizphase der LSU 4.2 Sonde bei Start ca. 20 Sekunden 

Nach der Startphase geht die Heizung theoretisch in den steady state, da aber die Abgastemperatur beim 2-Takter im Schnitt immer unter 780° C bzw. 800°C liegt ist die Heizung wie aus den unteren Tabellen ersichtlich dauerhaft in Betrieb und benötigt eine Leistung von ca. 20 Watt.

Die folgenden Tabellen geben eine Übersicht der geregelten Heizleistung nach Temperatur:

Heater Power Modulation LSU 4.2
Lambda sensor temperature (lamt)	550°	600°	650°	700°	710°	720°	730°	740°	750°	760°	780°
Lambda heating PWM for LSU 4.2 (LAMHEATPWM42)	60%	80%	99%	99%	99%	99%	90%	80%	50%	30%	0%

Heater Power Modulation LSU 4.9
Lambda sensor temperature (lamt)	550°	600°	650°	700°	725°	750°	760°	770°	780°	790°	800°
Lambda heating PWM for LSU 4.9 (LAMHEATPWM49)	60%	80%	99%	99%	99%	99%	90%	80%	50%	30%	0%

Quelle: BOSCH Motorsport - Lambdatronic LT4

Temporärer Betrieb:

Sofern die Lambdasonde nur für die Zeit zur Einstellung des Vergasers verbaut werden soll, bietet sich eine externe Stromversorgung per 12V Motorradbatterie, Powerbank mit 12Volt Power Delivery(PD) oder ein LiPo-Akku aus dem Modellbau an. Als grober Richtwert: ein 2Ah Akku reicht hier für eine Betriebsdauer von ca. 1 Stunde.

Dauerbetrieb:

Für den Dauerbetrieb im Roller sollte eine Batterie fest verbaut werden. Hier gilt es darauf zu achten, dass die benötigte Leistung von ~ 20 Watt auch dauerhaft von der Lichtmaschine entsprechend bereitgestellt/nachgeladen werden kann, sonst ist irgendwann die Batterie leer.
Wichtig: diese 20 Watt werden als Gleichstrom benötigt. Die Ducati GGB+CM und Kokusan IDM oder BGM Standard-Regler, die AC-Lichtstrom priorisieren und nur nebenbei mit einer Halbwelle laden, leisten nur maximal 12-15 Watt bei höheren Drehzahlen und sind nicht geeignet für den Dauerbetrieb einer Lambdasonde, eine leere Batterie ist auf Grund der negativen Energiebilanz vorprogrammiert. Ein Umbau auf DC-Vollwellenregelung schafft Abhilfe für das Problem.

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  Koso LSU 4.2 Start: 2300mA
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  Koso LSU 4.2 Betrieb: 930mA
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  PLX LSU 4.9 Start: 940mA
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  PLX LSU 4.9 Betrieb: 960mA

Breitband Lambda-Sonden (λ-Sonde)

Wideband-Lambdasonde	Bosch LSU 4.2	Bosch LSU 4.9	Bosch ADV
Messmethode	Reference Air Messung basiert auf einer Referenz zwischen einer eingebauten Lufttasche in Relation zum Restsauerstoff im Abgas	Reference Pumping-Current benötigt keine Referenzlufttasche mehr	Reference Pumping-Current benötigt keine Referenzlufttasche mehr
Startzeit	~20 Sek.	~10Sek	≤ 5 Sek.
ideale Betriebstemperatur	780° C	800° C	800° C
Heizleistung (steady state)	10 Watt	7,5 Watt	8,7 Watt
Heizleistung (Betrieb)	25 Watt	20 Watt	22 Watt
Eigenschaften	Über die Zeit unpräzisere Messung. Die Sonde altert bzw. die Referenzlufttasche verunreinigt und muss bei Dauerbetrieb evtl. öfter getauscht werden. (kleiner 10 Jahre)	Besser für den Dauerbetrieb geeignet, es existiert hier keine Referenzlufttasche mehr die über die Zeit degradiert. Präzisere, schnellere Messung kaum Alterung der Sonde (10+ Jahre)	wie LSU 4.9 mit erweitertertem Messbereich, kürzere Ansprechzeiten (< 30mS) schneller = teurer
Kallibrierung	Kalibrierung von Zeit zu Zeit notwendig	Keine Kalibrierung notwendig	Keine Kalibrierung notwendig
Gewinde	M18x1.5	M18x1.5	M18x1.5
Schlüsselweite	SW 22	SW 22	SW 22
BOSCH OEM-Nr.	0258 007 ###	0258 017 ###	0258 027 ###

Eine guter Artikel, der im Detail die Unterschiede der Sonden: "Reference Air" (LSU 4.2) und "Reference Pumping-Current" (LSU 4.9) erklärt ist auf ecotrons.com zu finden

Austausch LSU 4.2 nach 5 Jahren

Die Breitband Lambdasonde LSU 4.2 misst den Restsauerstoff im Abgas in Relation zur Umgebungsluft durch eine Sauerstoff-Pumpzelle und eine Nernst-Konzentrationszelle. Diese bestehen aus einer Yttrium-Zirkoniumoxid (YZrO2) Keramikschicht an deren Enden Platinkontakte angeordnet sind. Durch den Vergleich von Messzelle zu Referenzzelle kann auf das Luft-Kraftstoff-Verhältnis im Brennraum geschlossen werden.

Nach dem Start der Sonde wird durch eine integrierte Heizung das Keramikelement auf ~800°C erhitzt. Ab dieser Temperatur wird das Zirkoniumoxid leitfähig für Ionen(nicht Elektronen!). Sobald es jetzt zu Unterschieden in der Sauerstoffkonzentration an den beiden Enden(Abgas <-> Frischluft) kommt, diffundieren Sauerstoff-Ionen durch die Keramik. Durch diese Ionenverschiebung entsteht an den Enden eine Spannung, die über die Platin-Elektroden abgegriffen und im Instrument entsprechend ausgewertet und angezeigt wird.

Die LSU 4.2 Sonde nutzt also eine zweite Luftkammer, die über die Kabelverbindung und den Stecker mit Umgebungsluft als Messreferenz versorgt wird. Dies birgt das Problem, dass die Referenzluftzelle mit der Zeit verunreinigt und sich die Messwerte nach unten verschieben. Die Sonde unterliegt also einer von den Umgebungsbedingungen abhängigen Alterung und muss irgendwann getauscht werden.

Gallerie

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@GSF gravedigger (30.06.2012) :
nachdem mir auf der rückfahrt von belgien die angie abgeraucht ist hab ich mir einen jl1 geholt und gleich eine muffe mit m18x1.5 gewinde eingeschweisst, damit ich eine lambdasonde verbauen kann. auch musste der fastflow noch gegen einen mit anschluss nach hinten getauscht werden, weil ich bei vollgas aussetzer auf der bahn mit 750 grad abgastemperatur hatte. die leitung war an der lüfterradabdeckung eingeknickt und das sieb verstopft. voriges WE hab ich eine innovate MTX ans bordnetz mit varitronic verbaut ,aber es muss mir dabei die anzeige geschossen haben. also eine neue lm-2 anzeige in litauen bestellt, die dann am nächsten tag per TNT angekommen ist. passte auch gleich an den ram-mount halter fürs navi:

Siehe auch

• Knödler Technologie: Wozu braucht man einen Sauerstoff- und Lambdawert?
• BOSCH Motorsport - Lambdasonden
• BOSCH Breitband-Lambdasonde
• BOSCH LSU 4.9 Breitbandsonde Datasheet
• Video: Lambda Sonde λ / Festelektrolyt Abgassensor / Nernst Prinzip Sensoren
• ecotrons.com: Bosch LSU 4.9 is superior to LSU 4.2 sensors

Forentopics:

• Lambretta-Vergaserabstimmung mit Breitband(lambda)sonde
• Vergaser einstellen mit Lambda-Sonde

Weitere Referenzen

@GelbStich 19:15, 07. Apr. 2024 (UTC)