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Der NOx-Sensor funktioniert nach einem ähnlichen Prinzip wie die Breitband-Lambdasonde und benötigt wie diese eine Sondenheizung, die den Sensor auf Betriebstemperatur (ca. 700 °C) bringt.
Der NOx-Sensor besteht aus zwei hintereinander angeordneten Kammern: In der ersten Kammer wird die Menge des Restsauerstoffs im Abgas ermittelt. Dies geschieht durch Anlegen einer Spannung, die den Sauerstoff aus der Zelle „pumpt“. Je nach Fahrzeugtyp und Position des Sensors kann es daher sein, dass der NOx-Sensor die Funktion einer Lambdasonde mit übernimmt und diese ersetzt.
In der zweiten Kammer wird das NOx in seine Bestandteile Stickstoff und Sauerstoff zerlegt. Die Menge des dabei entstehenden Sauerstoffs wird durch eine weitere Pumpelektrode gemessen. Der dazu aufgewandte „Pumpstrom“ ist proportional zur NOx-Konzentration im Abgas. Er wird vom Steuergerät am NOx-Sensor ausgewertet und per CAN-Bus an das Motorsteuergerät gemeldet.