Aufgabe
Die Zweipunkt-Lambdasonde soll, im Gegensatz zur Breitbandsonde, als passiver Messfühler das Steuergerät ständig durch ein Spannungssignal über die Abweichung von der idealen Gemischzusammensetzung informieren.
Nach ihr ist der eigentliche falsche Begriff "geregelter Kat" entstanden, denn nur der Verbrennungsprozess im Motor aber nicht der im Kat ist in die Regelung einbezogen. Erstmals wurde die Lambdasonde 1976 von Bosch vorgestellt.

Prinzip
Um eine optimale Konvertierung der Abgase im Katalysator im klassischen Ottomotor (λ=1 Motor) zu gewährleisten, muss das Verhältnis von Treibstoff (Benzin) und Luft (das Verbrennungsluftverhältnis) bei allen Betriebszuständen des Ottomotors so eingestellt sein, dass eine vollständige Verbrennung stattfindet. Das Verhältnis dazu beträgt je nach Qualität (Oktanzahl) des Treibstoffs ungefähr 14,7 kg Luft: 1 kg Benzin. Die Luftmenge entspricht etwa 11 Kubikmeter!
Das Verhältnis der tatsächlich benötigten Luftmenge zum theoretischen Luftbedarf wird als Luftzahl oder Lambdawert bezeichnet.
λ = 1 heißt also, dass die zugeführte Luftmenge dem theoretischen Luftbedarf entspricht.
Im normalen Betrieb des Fahrzeugs schwanken diese Werte natürlich. Der Motor hat seine beste Leistung bei Luftmangel (λ <1 ca. 0,9 = fettes Gemisch) und den niedrigsten Verbrauch bei Luftüberschuss (λ>1 ca. 1,1 = mageres Gemisch).

Das Motormanagement benötigt zur Regelung der Gemischzusammensetzung und somit zur Abgaszusammensetzung einen Messwertgeber, der die Abgase messen kann bzw. erkennen kann, ob das Gemisch zu fett oder zu mager ist.
Im klassischen Ottomotor wird dazu eine so genannte Sprungsonde bzw. λ=1-Sonde zur Lambdamessung verwendet. Der Name 'Sprungsonde' leitet sich dabei vom Verhalten des Sondensignals beim Übergang von einem fetten Gemisch (λ<1) zu einem mageren Gemisch (λ>1) ab (das gleiche gilt auch für den Wechsel von Mager nach Fett). Das Signal dieser im allgemeinen als Lambdasonde bezeichneten Sprungsonde macht bei diesen Übergängen einen charakteristischen Sprung
Sie misst ständig den Sauerstoffanteil im Abgas, der nach der Verbrennung übrig bleibt durch eine vergleichende Sauerstoffmessung: Der Sauerstoffgehalt der Außenluft (ca. 20,8%) wird mit dem Restsauerstoff im Abgas verglichen. Der Sauerstoffgehalt der Außenluft bildet somit den Referenzwert, der konstant bleibt. Befindet sich zum Beispiel ein Restsauerstoffgehalt von 2% (mager) im Abgas so entsteht aufgrund der Differenz ein Spannungssignal von ca. 0,1 V. Sind weniger als 2% Restsauerstoff vorhanden (fett) so macht sich das durch eine erhöhte Differenz zum Außenluftsauerstoff und einer Sondenspannung von ca. 0,9V bemerkbar. Diese Unterschiede werden als ein analoges elektrisches Spannungssignal an das Steuergerät weitergegeben. Das Steuergerät korrigiert dann, zusammen mit anderen Kenngrößen, Zündung und Einspritzung entsprechend.

Funktion
Die Lambdasonde besteht im Wesentlichen aus einem Spezialkeramikkörper, dessen Oberflächen mit gasdurchlässigen Platinelektroden versehen sind. Der Festelektrolyt ist in einem Stahlgehäuse eingebracht.
Die eine Seite ist dem Abgasstrom ausgesetzt, während die Andere bei den älteren λ=1- und Breitbandsonden mit der Außenluft in Verbindung steht. Modernere Lambdasonden besitzen im Gegensatz dazu keine Verbindung mehr zur Außenluft, sondern generieren die Referenzluft innerhalb der Lambdasonde selbst. Dies hat den Vorteil, dass die Referenzluft nicht durch Öl- und Kraftstoffdämpfe verunreinigt werden kann und damit die Messung verfälscht.
Die Wirkung der Sonde beruht auf zweierlei physikalischen Faktoren:
Zum einen ist das keramische Material porös und lässt so eine Diffusion des Luftsauerstoffs zu,
zum anderen wird die Keramik bei Temperaturen von ca. 300° leitend.
Diese herkömmliche Lambdasonde arbeitet im Prinzip wie ein Galvanisches Element, nur dass sie keinen flüssigen sondern einen festen Elektrolyten, nämlich Zirkondioxyd (ZrO2), besitzt. Dieser Keramikelektrolyt lässt ab 300°C Sauerstoffionen durch (wird leitend), sperrt jedoch gegen Durchlass für Elektronen.
Im Auspuff ist der Sauerstoffanteil wesentlich geringer als außerhalb. Aufgrund dieses Konzentrationsunterschieds (Partialdruckdifferenz) wollen viele Sauerstoffionen durch den Elektrolyt (Ausgleichsbestreben! - Gesetz von Dalton). Die vorher abgestreiften Elektronen (die ja nicht durch den Elektrolyten hindurch können), werden von einer elektrisch leitenden Schicht aufgefangen.
 
So bildet sich auf der Innenseite der Sonde ein Elektronenüberschuss und auf der Außenseite, wo die Sauerstoffionen ankommen, ein Elektronenmangel, also insgesamt eine elektrische Spannung. Je nachdem, wie viele Ionen hindurchwandern ist diese Spannung höher oder tiefer.
In einem sehr schmalen Übergangsbereich um λ=1, dem so genannten λ- Fenster, ist die Kennlinie extrem steil. Die Spannung ändert sich dort fast sprunghaft. In diesem Bereich wird durch den λ=1-Regelkreis die Gemischzusammensetzung gehalten. Dieser Spannungssprung wird zur Lambdaregelung benutzt. Hiervon ist auch der Name „Spannungssprungsonde“ abgeleitet.
Bei fettem Gemisch, also Sauerstoffmangel wandern sehr viele Ionen durch die Lambdasonde (Ionendiffusion), es entsteht eine hohe Spannung von ca. 800-1000mV.
Bei magerem Gemisch, also Sauerstoffüberschuss (bezogen auf das Kraftstoff-Luftgemisch, im Auspuff herrscht immer ein Sauerstoffanteil von ca. 0,5-2%, also weniger als draußen) wandern weniger Ionen durch die Lambdasonde und es entsteht eine niedrige Spannung von ca. 50-100mV.
Man kann also an der Lambdasondenspannung erkennen wie die Gemischbildung ist:
Diese Spannung wird über Leitungen zur Auswertung zum Steuergerät geleitet. Bei den (üblichen) Sprungsonden wird nur die Information „zu fett“ oder „zu mager“ verwendet. Der Wert muss also dauernd springen damit die Motronik λ=1 erkennt.
Bei den in normalen Benzinern nicht verwendeten Breitbandsonden „erfährt“ das Steuergerät wie fett (oder mager) das Gemisch ist.


Technischer Aufbau
Die Sonde wird bei Ottomotoren in der Regel in den Abgaskrümmer oder das Sammelrohr kurz dahinter eingeschraubt. Bei Dieselmotoren und modernen Ottomotoren mit Turboaufladung wird die Lambdasonde gegenwärtig nur nach dem Turbolader eingebaut.
Da bei kaltem Motor die Temperatur noch weit unter 300 °C liegt, arbeitet die Sonde und damit die Regelung bei Kaltstart nicht oder nur sehr träge. Deshalb sind alle neueren Sonden mit einem elektrischen Heizelement ausgestattet, das die Sonde bereits beim Starten auf die erforderliche Temperatur bringt. Dadurch ist es möglich, bereits in der Warmlaufphase des Motors einen emissionsoptimierten Betrieb zu gewährleisten. Um Störungen und Fehlfunktionen in der empfindlichen Steuerung durch Spannungsschwankungen zu vermeiden, wird heute nicht mehr die gemeinsame Fahrzeugmasse als Minusleitung für Heizung und Sondenspannung verwendet, sondern separate Anschlusskabel, die direkt zum elektronischen Steuergerät führen.
Bei neueren Ottomotoren wird eine zweite Lambda-Sonde, die sog. Monitorsonde, dazu verwendet, die Funktion des Katalysators zu überwachen. Die Monitorsonde befindet sich hinter dem Katalysator. Das Motorsteuergerät kann jetzt die Werte der Sonde vor dem Kat mit den Werten der Monitorsonde vergleichen. Bei einem voll funktionstüchtigen Kat pendelt das Signal der Monitorsonde stark abgeschwächt um den Mittelwert des Signals der ersten Sonde. Hat der Kat aber altersbedingt seine Sauerstoffspeicherfähigkeit verloren, ähnelt das Signal der Monitorsonde, zeitlich leicht verzögert, dem der Sonde vor dem Kat. Das Steuergerät kann jetzt eine entsprechende Meldung im Fehlerspeicher ablegen und den Fahrer mittels einer Warnleuchte über eine Fehlfunktion informieren.

Link
Lambdasonde-Test
Lambdasonde-Funktion
Lambdasonde-Typen
Lambdasonde-und-KAT
Lambdasondeneinbau