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lambda sichert saubere luft die lambdasonde unverzichtbarer assistent des katalysators bei der verbrennung von kraftstoffen entstehen neben unschädlichen produkten wie wasser kohlendioxid oder stickstoff auch gefährliche schadstoffe sie zu reduzieren ist die aufgabe des geregelten katalysators der seit ende der achtzigerjahre in jedem neuen pkw mit ottomotor zu finden ist und mit ihm mindestens eine lambdasonde denn diese garantiert überhaupt erst optimale betriebsbedingungen für den katalysator seit vielen jahren kämpfen politik und industrie gegen den schadstoffausstoß von fahrzeugen die vorgaben des gesetzgebers werden immer strenger so hat das europäische parlament bereits neue grenzwerte für den schadstoffausstoß von pkw beschlossen euro 5 tritt zum 1 september 2009 in kraft siehe abb.1+2 gleichzeitig hat die eu der automobilindustrie bereits standards für euro 6 ab 2014 vorgegeben ohne katalysator sind diese grenzwerte nicht mehr einzuhalten von geschätzten 162 millionen pkw mit ottomotor die in gesamteuropa registriert sind sind bereits heute 135 millionen mit geregeltem katalysator ausgestattet zudem sind immer mehr neue motorräder mit katalysator ausgerüstet denn auch für sie wurden inzwischen grenzwerte definiert und regelmäßige abgasuntersuchungen vorgeschrieben katalysator und lambdasonde das team für saubere luft geregelte katalysatoren reduzieren die schadstoffe im abgas um mehr als 95 prozent weil sie die drei schadstoffe hc co und nox unschädlich machen werden sie auch 3-wege-katalysator genannt ihr innenleben ist mit den edelmetallen platin rhodium und palladium beschichtet an diesen beschichtungen finden komplexe chemische reaktionen statt kohlenstoffmonoxid co und kohlenwasserstoffe hc werden zu wasser h2o und kohlenstoffdioxid co2 oxidiert stickoxide nox werden zu stickstoff n2 sauerstoff o2 und kohlenstoffdioxid co2 reduziert die aufgabe der lambdasonde auch sauerstoffsonde genannt ist dabei für optimale betriebsbedingungen zu sorgen denn nur wenn ein spezielles mischungsverhältnis von kraftstoff und luft vorliegt kann der katalysator annähernd alle schädlichen abgase konvertieren hierzu verfügen moderne autos über mindestens zwei lambdasonden eine regelsonde vor dem katalysator und eine diagnosesonde hinter dem katalysator sie messen den restsauerstoff im abgas mit hilfe dieser information kann die motorsteuerung die gemischzusammensetzung einstellen abb 1 abb 2 emissionswerte für fahrzeuge mit ottomotoren emissionswerte für fahrzeuge mit dieselmotoren emissionswerte für neufahrzeuge gültig co hc nox ab g/km g/km g/km euro i 12/92 2,72 euro ii 01/97 2,20 euro iii 01/00 2,30 0,20 0,15 euro iv 01/05 1,00 0,10 0,08 euro v 09/09 1,00 0,10 0,06 euro vi 09/14 1,00 0,10 0,06 mit direkteinspritzung 2 hc+nox g/km 0,97 0,50 pm 0,005 0,005 emissionswerte für neufahrzeuge gültig co hc nox ab g/km g/km g/km euro i 01/92 3,16 euro ii 01/96 1,00 0,15 0,55 euro iii 01/00 0,64 0,06 0,50 euro iv 01/05 0,50 0,05 0,25 euro v 09/09 0,50 0,05 0,18 euro vi 09/14 0,50 0,09 0,08 hc+nox g/km 1,13 0,70 0,56 0,30 0,23 0,17 pm 0,14 0,08 0,05 0,025 0,005 0,005[close]
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obd-Überwachung um die einhaltung der abgasemissionen über die lebensdauer des fahrzeuges zu gewährleisten wurde ein prüfsystem vorschrift die obd on-board-diagnose abgasrelevante fehler werden über eine in den armaturen integrierte signallampe optisch angezeigt und im fehlerabb 3 speicher abgelegt leuchtet diese signallampe auf so ist ein werkstattbesuch ratsam weitere lambdasondenanwendungen neben dem ottomotor gewinnen lambdasonden auch im diesel segment an bedeutung so sind moderne dieselfahrzeuge auf spezielle breitband-lambdasonden angewiesen um die weiter verschärften abgasgrenzwerte zu erfüllen solche lambdasonden sind außerdem in benzin-direkteinspritzern zu finden abb 4 abgaszusammensetzung bei ottomotoren abgaszusammensetzung bei dieselmotoren n2 72,1 o2 und edelgase 0,7 n2 73,8 h2o 13,8 o2 9 co2 8 h2o 9 co2 12,3 schadstoffe 1,1 schadstoffe 0,2 kohlenmonoxid co kohlenwasserstoffe hc stickoxide nox partikel pm stickoxide nox kohlenmonoxid co kohlenwasserstoffe hc partikel pm schwefeldioxid so2 3[close]
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die mischung macht s glasseidenschlauch schutzrohr sechskant 22,0 mm dichtring gewinde m 18 x 1,5 erhöhte emissionen entstehen dann wenn das luft kraftstoffgemisch nicht exakt eingestellt ist das ideale verhältnis von kraftstoff und luft liegt bei einem ottomotor vor wenn 14,7 kg luft auf 1 kg kraftstoff kommen es wird auch als stöchiometrisches gemisch bezeichnet nahezu alle ottomotoren werden heute mit diesem idealen gemisch betrieben die lambdasonde spielt dabei eine entscheidende rolle nur wenn dieses verhältnis vorliegt ist eine vollständige verbrennung gewährleistet und der katalysator kann die schädlichen abgase kohlenwasserstoff hc kohlenstoff monoxid co und die stickoxide nox nahezu komplett in umweltverträgliche gase umwandeln dieser ideale gemischzustand wird mit dem griechischen buchstaben lambda als 1 bezeichnet doch wie kommt er zustande für die zusammensetzung des gemischs ist die motorsteuerung auch ecu engine control unit verantwortlich sie kontrolliert den gemischbildner der dem verbrennungsprozess ein genau dosiertes luft kraftstoffgemisch zuführt hierzu muss die motorsteuerung allerdings wissen ob der motor gerade mit einem fetten gemisch luftmangel <1 oder mit einem mageren gemisch luftüberschuss >1 fährt diese entscheidende information liefert die lambdasonde je nach anteil des restsauerstoffs im abgas produziert sie ein unterschiedliches sondensignal die motorsteuerung interpretiert dieses signal und regelt den gemischbildner erfolgsmodell lambdaregelung auf diesem grundprinzip aufbauend hat sich die lambdasondentechnik stetig weiterentwickelt sie gewährleistet bis heute einen geringen schadstoffausstoß und sorgt für einen effektiven verbrauch und eine lange lebensdauer des katalysators abb 1 abb 2 mischungsverhältnis luftzahl 1 kg kraftstoff fettes gemisch luftmangel 0,9 stöchiometrisches gemisch 1,0 mageres gemisch luftüberschuss 1,1 14,7 kg luft 4[close]
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stecker sonden-masse graues kabel heizer weiße kabel sonden-signal schwarzes kabel schon in den achtzigerjahren gehörte ngk mit lambdasonden der marke ntk zu den pionieren auf diesem gebiet dass die abgasreinigung seither immer effizienter und besser wurde liegt nicht zuletzt an innovativster technik und unablässiger forschung so erlaubt heute etwa der einsatz hocheffektiver keramischer heizer in der lambdasonde eine extrem schnelle betriebsbereitschaft auch die keramischen bauteile wurden kontinuierlich verbessert immer mit dem ziel eine noch bessere messung zu gewährleisten um so einen spürbaren beitrag zum einhalten der strengen euro-normen zu leisten zudem wurden weitere sondentypen für spezielle anwendungen entwickelt etwa lambdasonden deren elektrischer widerstand sich mit der gemischzusammensetzung ändert oder breitbandsonden abb 3 abb 4 lambda-fenster konvertierungsrate des katalysators 100 funktionsweise hc damit der katalysator optimal arbeitet muss das verhältnis von kraftstoff und luft exakt abgestimmt sein dafür sorgt die lambdasonde sie ermittelt kontinuierlich den restsauerstoffgehalt im abgas Über ein ausgangssignal regelt sie die motorsteuerung die dadurch das luft kraftstoffgemisch exakt einstellt motorsteuerung 50 co nox regelsonde 3-wege-katalysator 0 0,9 fett 1,0 stöchiometrisch 1,1 mager diagnosesonde abgas 5[close]
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die zirkondioxid-lambdasonde sprungsonde ozas-s1 metallkörper mit sechskant heizeranschluss weißes kabel sonden-masse graues kabel heizer schutzrohr dichtung sonden-signal schwarzes kabel dichtring keramikhalter zirkonelement kabelzuordnung s.14 die zirkondioxid-lambdasonde ist der am häufigsten verwendete sondentyp sie wird auch als sprungsonde bezeichnet weil beim Übergang von einen mageren in einen fetten betriebszustand ein charakteristischer spannungssprung von rund 0,8 volt zu beobachten ist aufbau des sondenelements zirkondioxid zro2 auch zirkoniumdioxid oder zirkonoxid ist ein keramischer werkstoff mit besonderen eigenschaften ab einer temperatur von 300°c ist er durchlässig für sauerstoff-ionen das sondenelement der zirkondioxid-lambdasonde ist fingerförmig und innen hohl der hohlraum im innern hat kontakt zur außen bzw referenzluft während die außenseite von einem schutzrohr umgeben im heißen abgas strom liegt beide seiten sind mit einer dünnen porösen platinschicht überzogen die als elektrode fungiert wie das sondensignal entsteht erreicht die lambdasonde ihre betriebstemperatur beginnt eine ionen-wanderung von der außenluft hier herrscht eine sauerstoffkonzentration von etwa 20,8 prozent bewegen sich sauerstoff-ionen in richtung abgas siehe abb 1 hier liegt eine deutlich geringere sauer abb 1 arbeitsprinzip der zirkonia-sonde abgas Äußere platinelektrode kontakt mit abgas sondenelement gehäuse referenzluft referenzluft o2 o2 o2 2 o2 o2 o2 o2 e platinelektrode o zirkon-element o 2 o 2 u eporöse keramikschicht o2 o2 o2 o2 platinelektrode abgasrohr abgas o2 o2 die spannung u ist proportional zum sauerstoffgehalt innere platinelektrode kontakt mit referenzluft Öffnungen im schutzrohr 6 schutzrohr[close]
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stoff-konzentration vor die durch diese wanderung ausgeglichen werden soll durch die so entstehende potenzialdifferenz also die unterschiedliche anzahl von elektronen auf beiden seiten liegt eine elektrische spannung u an den platinelektroden an die an die motorsteuerung weitergeleitet wird so sieht das signal aus ist das gemisch mager beträgt der restsauerstoff im abgas etwa 2 prozent das entsprechende sondensignal beträgt etwa 0,1 volt bei weniger restsauerstoff im abgas ist das gemisch fett das sondensignal springt auf 0,9 volt zwischen diesen werten pendelt es mit einer frequenz von 1 bis 2 hz ein bis zwei mal je sekunde um den idealwert =1 und übermittelt der motorsteuerung damit kontinuierlich die abweichung vom idealen stöchiometrischen gemischzustand gut zu wissen wasser Öl oder kraftstoffdämpfe können die referenzluft verunreinigen und so das messergebnis verfälschen ntk entwickelte eine atmende sensorstruktur die der referenzluft über eine spezielle membran erlaubt zu atmen dies ist ein beitrag zum schutz der referenzluft vor so genannter vergiftung und dient somit der zuverlässigkeit der sonde das schutzrohr aus metall schützt das sondenelement vor festkörpern im abgas und wasserschlag auftretendes wasser im abgasrohr kann zu thermobrüchen der heißen keramikelemente führen ein integrierter heizer sorgt dafür dass das sondenelement sehr schnell die erforderliche betriebstemperatur erreicht und bereits auf den ersten metern umweltschonend gefahren wird diese ansprechzeit wird auch als light-off time bezeichnet abb 2 abb 3 sondenspannung amplitude sondenspannung ansprechzeit neue sonde schadhafte sonde v 0,9 v 0,9 0,6 0,6 0,3 0,3 0,1 0 t bei einer schadhaften sonde fällt der spannungssprung geringer aus eine genaue erkennung der gemischzusammensetzung ist nicht mehr möglich die schadhafte sonde reagiert träge die motorsteuerung erhält die benötigten informationen nicht schnell genug 0 t 7[close]
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die breitband-lambdasonde schutzrohr sechskant-gehäuse anschlusskabel keramischer elementhalter planares element mit heizer silikon-dichtung kabelzuordnung s.14 mit der anforderung der verbrauchs und emissionsreduzierung kam auch die notwendigkeit auf motoren außerhalb des stöchiometrischen betriebspunktes geregelt zu betreiben vor allem die anfettung des gemisches während des kaltstarts aber auch die anfettung im volllastbereich sind die kernpunkte der betrachtung neuere motorenkonzepte sehen aber z.b auch einen magerbetrieb über weite betriebsbereiche vor der entsprechend geregelt sein muss zu diesem zweck wurden so genannte breitbandsonden entwickelt die ein dem luft kraftstoffverhältnis proportionales ausgangssignal abgeben das messprinzip das abgas gelangt über poröse diffusionspassagen in eine messkammer wo der sauerstoffgehalt mit hilfe von messelektroden festgestellt und mit einem sollwert verglichen wird als resultat dieser vergleichsmessung wird dann ein pumpstrom ip aktiviert der die sauerstoffkonzentration in der messkammer auf abb 1 abb 2 räumliche darstellung des elementes einer breitbandsonde querschnitt durch das planare element einer breitband-sonde keramischer heizer al2 o3 sensorelement zro2 detektionskammer heizer a a element ansicht aa heizer abgas abgas element ip zelle o 2ip vs zelle o 2icp referenz 450 mv o2-referenz-zelle gepumpt detektionskammer poröse diffusionspassage poröse diffusionspassage poröse diffusionspassage 8[close]
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den sollwert von 450mv einregelt Über den sensor-pumpstrom wird dann an das steuergerät der so gemessene breitbandige lambdawert zur auswertung weitergeleitet dieser pumpstrom ist proportional zum restsauerstoffgehalt im abgas bei stöchiometrischem gemisch ist der pumpstrom gleich null da der sauerstoff-partialdruck der messkammer dem oben genannten sollwert von 450mv entspricht im mageren betrieb befindet sich luftüberschuss in der messkammer und ein positiver pumpstrom wird eingestellt wogegen im luftmangel der pumpstrom umgekehrt wird und negativ ist somit ist die breitbandsonde in der lage ein dem luft kraftstoffverhältnis proportionales ausgangssignal zu liefern stöchiometrische ebenso wie über und unterstöchiometrische betriebspunkte werden exakt detektiert um jeweils eine optimale luft kraftstoffmischung zu gewährleisten und dementsprechend die strengen abgasgesetze erfüllen zu können gut zu wissen breitbandsonden der marke ntk finden bereits seit ende der neunzigerjahre verwendung zu ihren eigenschaften zählen höchste genauigkeit und zuverlässigkeit ebenso wie eine besonders kurze ansprechzeit breitband-lambdasonden benötigen keine referenzluft und können mit einem absolut hermetischen gehäuse ausgestattet werden sie bieten eine äußerst schnelle betriebsbereitschaft dank kompakter sondenelemente abb 3 abb 4 abb 5 ausgangssignal vs-signal 1000 ausgangssignal ip-signal ip [ma asic element vs [mv 450 0 0 fett =1 mager fett =1 mager 9[close]
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die titandioxid-lambdasonde widerstands-sprungsonde schutzrohr trägersubstrat keramikhalter signalkabel dichtung Äußerer metallkörper dichtring titania-element glasdichtung metallkörper mit sechskant kabelzuordnung s.14 das keramische sondenelement dieser lambdasonde wird in mehrlagen-dickschichttechnik aus dem keramischen werkstoff titandioxid hergestellt das funktionsprinzip der titandioxidlambdasonde unterscheidet sich wesentlich von dem der zirkondioxidund auch der breitband-lambdasonden denn titandioxid besitzt eine spezielle eigenschaft sein elektrischer widerstand ändert sich proportional zum sauerstoff-anteil im abgas liegt ein sauerstoffüberschuss 1 vor nimmt die leitfähigkeit des titandioxids ab ist der sauerstoffanteil niedriger 1 wird das titandioxid dagegen leitfähiger je nach größe des elektrischen widerstands weiß die motorsteuerung also ob der motor sich im mageren oder fetten betriebszustand befindet bei hohen temperaturen verändert sich der elektrische widerstand besonders schnell die betriebstemperatur dieser lambdasonden liegt zwischen 200 und 700°c vorteile der titandioxidlambdasonden robust und kompakt hohe reaktionsgeschwindigkeit keine referenzluft erforderlich schnelles erreichen der betriebstemperatur abb 1 arbeitsprinzip der titania-sonde r platinelektrode o ti 4 2 platinelektrode o 2 o 2 abgas der widerstand r wird bei fettem abgas kleiner 10[close]
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nox-sonde spezialist im magerbetrieb steigende benzin oder kraftstoffpreise und umweltschutz sind auch morgen noch ein thema um ottomotoren sparsamer und umweltfreundlicher zu machen setzen die automobilhersteller zunehmend auf benzin-direkteinspritzer die unter teillast mager betrieben werden das beschert einen zwölf bis 20 prozent niedrigeren verbrauch erfordert aber auch einen nox-sensor funktion im mageren schichtladebetrieb liegt der betriebspunkt weit außerhalb des lambda-fensters der katalysator kann die bei der verbrennung entstehenden stickoxide nicht mehr optimal konvertieren aus diesem grund wird ein spezieller nox-speicher-katalysator eingesetzt der die stickoxide zwischenlagert ist seine speicherfähigkeit erschöpft wird dies von dem nox-sensor erkannt er weist die motorsteuerung an für rund zwei sekunden auf fetten betrieb 1 umzuschalten durch die verbrennung des angefetteten gemisches wird das nox wieder freigesetzt und zu harmlosem stickstoff reduziert dieser vorgang wir als regenerationsphase bezeichnet sie wiederholt sich im magerbetrieb etwa alle 60 sekunden abb 1 funktionsprinzip schichtladebetrieb breitbandlambdasonde motorsteuerung regenerationsbetrieb 60 s 2s 3-wege-kat nox-sonde diagnosesonde schichtladebetrieb nox-kat co nox hc h20 co2 n2 o2 11[close]
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lambda-technik im motorsport viele führende teams der formel 1 setzen nicht nur auf zündkerzen von ngk sondern auch auf lambdasonden der marke ntk auch in der königsklasse des rennsports der formel 1 wollen die spitzenteams nicht mehr auf lambdasonden von ntk verzichten denn über sieg oder niederlage entscheidet nicht selten die optimale motorleistung geregelt von ntk-lambdasonden wenn es um sekunden geht muss ein motor immer optimal funktionieren um das maximum zu erreichen die lambdasonden von ntk stehen nicht nur für saubere abgase sie garantieren außerdem einen effektiven benzinverbrauch und maximale leistung der motorsport stellt besonders harte anforderungen an die lambdasonden denn hier herrschen extreme abgastemperaturen außerdem sind die sonden hohen vibrationen und drücken ausgesetzt die weder die sonde beschädigen noch das messergebnis verfälschen dürfen Ähnliches gilt in der motogp der höchsten rennklasse des zweiradsports ngk beliefert auch hier die führenden teams nicht nur mit zündkerzen sondern auch mit lambdatechnik 12[close]
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lambdasonden für motorräder auch motorradentwickler müssen sich mit immer strengeren abgasnormen auseinandersetzen und effizientere motoren entwickeln auf den abgasemissionen liegt dabei ein besonderer fokus alle neu zugelassenen motorräder müssen aktuell die abgasnorm euro 3 erfüllen die motorradhersteller arbeiten seit vielen jahren daran den schadstoffausstoß zu senken ein wachsender anteil neuer motorräder wird daher mit geregeltem katalysator ausgeliefert und mit lambdasonde bei der entwicklung setzen alle führenden motorradhersteller auf ngk zu den unternehmen die lambdasonden von ntk in serie nutzen gehören aprilia bmw ducati honda kawasaki ktm moto guzzi suzuki und triumph Übrigens hat ntk mit der ozas-s3 eine lambdasonde eigens für zweiräder entwickelt sie ist die wohl kleinste lambdasonde der welt und hat die form einer zündkerze sie erreicht auch ohne heizer schnell die betriebstemperatur eine zusätzliche stromversorgung ist nicht erforderlich dies ermöglicht eine kompakte bauweise das erzeugte spannungssignal übermittelt die sonde über einen aufgesetzten stecker abb 3 ozas s3 abb 1 abb 2 größenvergleich zfas-s2 ozas-s3 zfas-s2 ozas-s1 13[close]
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kabelzuordnung zirkondioxid-lambdasonde sprungsonde unbeheizt 1 kabel 2 kabel schwarz signal schwarz signal grau masse beheizt 4 kabel 3 kabel schwarz signal schwarz signal grau masse 2x weiß heizelement 2x weiß heizelement titandioxid-lambdasonde widerstands-sprungsonde typ i heizelement heizelement signal signal typ ii heizelement heizelement signal signal rot weiß schwarz gelb grau weiß schwarz gelb breitbandsonde gelb blau weiß grau schwarz heizelement heizelement ip vs ip vs nox-sonde gelb blau weiß grün grau schwarz heizelement heizelement ip i ip ii vs ip vs 14[close]
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wartungshinweise da die lambdasonden einem gewissen verschleiß und einer alterung unterliegen empfiehlt es sich die funktion alle 30.000 km und/oder bei jeder abgasuntersuchung zu prüfen eventuelle funktionsstörungen machen sich bemerkbar durch unruhigen motorlauf abgaswerte werden nicht eingehalten gestiegenen benzinverbrauch wartungshinweise bei störungen bei vibrationen halterung prüfen bei mechanischer beschädigung sonde austauschen bei hohem kraftstoffverbrauch sonde auf funktionalität prüfen verunreinigung der referenzluft sonde austauschen steckverbindungen sitz prüfen heizer prüfen zündung ausschalten stecker abziehen und den widerstand zwischen den beiden weißen oza zirkondioxid oder den rot-weißen ota titandioxid kabeln prüfen ist der widerstand größer als 30 muss die lambdasonde ausgetauscht werden eine indirekte messung bei der abgasuntersuchung erfolgt über störgrößenbeaufschlagung achtung eine direkte messung der sondenspannung kann zu einer beschädigung der kabel führen praktische ausführung achtung die anschlussstecker müssen zum fahrzeug passen für jedes fahrzeug gibt es spezielle sonden keinesfalls provisorien benutzen lambdasonden schadensbilder problem kabel und stecker durch kontakt mit abgasanlage geschmolzen lösung wechseln der sonde und verlegen des kabels ohne kontakt mit abgasanlage problem ausgefranste und gebrochene kabel lösung wechseln der sonde und nicht zu strammes verlegen des kabels problem kabeldichtung gelöst wasser kann in die sonde eindringen lösung wechseln der sonde und nicht zu strammes verlegen des kabels problem sonde ist abgeknickt lösung wechseln der sonde problem wasser im stecker kontakte angerostet lösung wechseln der sonde Überprüfen der elektrischen anschlüsse zwischen sonde und motorsteuergerät problem rußablagerungen verschließen die Öffnungen des schutzrohres z.b durch fettes gemisch oder hohen Ölverbrauch durch verschleiß von motor und ventilen oder leckagen im abgassystem lösung fehlerdiagnose und beseitigung anmerkung Übermäßige ruß und Ölablagerungen auf dem sondenschutzrohr werden nicht vom sensor selbst verursacht 15[close]
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