Sondy lambda

Samochód a środowisko

Podczas spalania paliw oprócz nieszkodliwych produktów, jak woda, dwutlenek węgla i azot powstają również substancje szkodliwe jak tlenek węgla, tlenki azotu i węglowodory.

Od wielu lat polityka i przemysł walczą z emisją tych szkodliwych produktów. Każdy nowy pojazd z silnikiem benzynowym już od końca lat 80-tych posiada regulowany katalizator, który redukuje emisję substancji szkodliwych.

Katalizator może spełniać swoje zadania m.in. dzięki sondom lambda.

Sonda gwarantuje katalizatorowi optymalne warunki pracy.

Skład spalin

Substancje szkodliwe stanowią jedynie małą część łącznej emisji nowoczesnego silnika. Zaledwie 1,1 procent w przypadku silnika benzynowego i 0,2 procent w przypadku silnika Diesla. Większość spalin składa się z azotu, wody i dwutlenku węgla.

Mimo to ważne jest, aby uczynić nieszkodliwymi również tę stosunkowo małą ilość substancji szkodliwych.

Normy EURO

Normy EURO są zaleceniami ustawodawcy. Definiują one wiążące wartości graniczne, które muszą spełnić nowe samochody wprowadzane na rynek.

W roku 1992 weszła w życie pierwsza norma: EURO 1. Z biegiem czasu zalecenia dotyczące emisji stawały się coraz surowsze. Od września 2009 obowiązuje EURO 5, a w roku 2014 będzie obowiązywała norma EURO 6. Wartości granicznych określonych normami EURO nie dałoby się już dotrzymać bez katalizatora.

Tak więc normy EURO są istotnym powodem, dla którego spośród 162 milionów samochodów osobowych z silnikiem benzynowym*, które są zarejestrowane w całej Europie, dziś już 135 milionów wyposażonych jest w regulowany katalizator.

Umiejscowienie sond lambda

Zasadniczo obowiązuje:

Dla optymalnej pracy katalizatora konieczne jest dostarczenie do komory spalania dokładnie dobranej mieszanki paliwowo - powietrznej. Istotną rolę w tym procesie spełniają sondy lambda. Nowoczesne pojazdy mają przynajmniej dwie sondy lambda.

Sonda regulacyjna przed katalizatorem  i – od czasu wprowadzenia On-Board-Diagnose (OBD)  - sonda diagnostyczna za katalizatorem.

Obwód regulacji sondy lambda

Sonda regulacyjna mierzy zawartość resztkowego tlenu w spalinach jeszcze niepoddanych obróbce. Sonda przekazuje wówczas sygnał do sterownika silnika (również „ECU“ = „Engine Control Unit“), aby zmienił on skład mieszanki poprzez mieszalniki.

Sonda diagnostyczna mierzy zawartość resztkowego tlenu w spalinach poddanych obróbce.

Na podstawie sygnału tej sondy sterownik silnika może rozpoznać funkcje istotne dla powstawania spalin i zgłaszać je kierowcy.

Obejrzyj animację

Mieszanka paliwowo - powietrzna

W przypadku silnika benzynowego idealny stosunek paliwa do powietrza istnieje, kiedy na 1 kg paliwa przypada 14,7 kg powietrza. Taką mieszankę określa się jako „mieszankę stechiometryczną”.

W tym przypadku ilość powietrza doprowadzona podczas spalania odpowiada dokładnie teoretycznemu zapotrzebowaniu na powietrze. Ten idealny stan mieszanki oznaczany jest grecką literą Lambda.

Tylko przy takim stosunku gwarantowane jest pełne spalanie i katalizator może prawie w całości przekształcać szkodliwe spaliny w gazy zgodne z zasadami ochrony środowiska.

Dlatego w obecnych czasach prawie wszystkie silniki benzynowe zasilane są właśnie tą idealną mieszanką. Dla każdego rodzaju paliwa proporcje mieszanki paliwowo-powietrznej są inne.

Współczynnik nadmiaru powietrza

Oczywiście są także stany robocze poza lambda=1. Tak zwany współczynnik nadmiaru powietrza dostarcza informacji o składzie mieszanki paliwowo-powietrznej.

Na przykład, jeśli mieszanka zawiera więcej paliwa, mówi się o mieszance bogatej - silnik pracuje z niedoborem powietrza. Współczynnik powietrza wynosi lambda mniej niż 1.

Jeśli mieszanka zawiera porównywalnie mniej paliwa i stosunkowo dużo powietrza, mówi się o mieszance ubogiej. W komorze spalania jest nadmiar powietrza. Odpowiedni współczynnik powietrza wynosi lambda więcej niż 1.

Współczynnik sprawności katalizatora

Jeśli mieszanka ma proporcje stechiometryczne (λ=1), regulowany katalizator może zredukować substancje szkodliwe jak tlenek węgla (CO) i tlenki azotu (NOx) o ponad 95%.

Jeśli silnik otrzymuje bogatą mieszankę (λ mniejsza 1), stopień konwersji spada – silnie wzrasta wówczas przede wszystkim emisja tlenku węgla i węglowodorów.

Jeśli silnik otrzymuje ubogą mieszankę (λ większa 1), do środowiska dostają się zwiększone ilości tlenków azotu.

Typy sond lambda

Rozróżnia się trzy różne typy sond lambda:

Sondy lambda z dwutlenkiem cyrkonu i sondy lambda z dwutlenkiem tytanu określane również mianem sond lambda ze skokiem napięć, skokowych lub "binarnych", ponieważ sygnał sondy waha się pomiędzy dwiema wartościami.

Trzecia grupa, to tak zwane sondy lambda szerokopasmowe. Nazywane są one również sondami lambda "linearnymi", ponieważ mogą pomierzyć i przedstawić płynne przejście pomiędzy różnymi stanami mieszanek.

Sonda lambda z dwutlenkiem cyrkonu (sonda lambda ze skokiem napięć)

Sonda lambda z dwutlenkiem cyrkonu jest najczęściej stosowanym typem sondy. W zależności od pojazdu sondy te stosowane są jako sondy regulacyjne lub diagnostyczne.

Zasada pracy sondy lambda z dwutlenkiem cyrkonu

Element sondy z dwutlenku cyrkonu jest w kształcie palca i pusty w środku. Strona wewnętrzna ma kontakt z powietrzem otoczenia. Strona zewnętrzna znajduje się w strumieniu spalin. Obie strony powleczone są cienką, porowatą warstwą platyny, która działa jak elektroda.

Po osiągnięciu przez sondę temperatury pracy  jony tlenu przepływają z powodu różnego stężenia tlenu. Od strony powietrza zewnętrznego jony tlenu poruszają się w kierunku gazów spalinowych, aby je wyrównać.

Różnica potencjałów powoduje powstanie napięcia elektrycznego (U) na elektrodach platynowych. Jeśli mieszanka jest uboga, sygnał sondy wynosi około 0,1 V. Jeśli mieszanka jest bogata, napięcie wynosi 0,9 V. Przy wartości lambda=1 następuje charakterystyczny skok napięcia 0,45 V.

Sonda lambda z dwutlenkiem cyrkonu: konfiguracja przewodów

Sondy lambda z dwutlenkiem cyrkonu posiadają maksymalnie cztery przewody. Sondy nieogrzewane ze stykiem masy na gwincie mają czarny przewód sygnałowy. Sondy nieogrzewane z własnym stykiem masy dla elektroniki pojazdu posiadają dodatkowy, szary przewód masy.

Sondy ogrzewane posiadają trzy lub cztery przewody. Także tutaj przewód czarny to przewód sygnałowy sondy. Dwa białe przewody służą do zasilania prądowego grzałki. Jeśli połączenie z masą nie następuje przez gwint, dostępny jest dodatkowy szary przewód masy do elektroniki pojazdu.

Sonda lambda z dwutlenkiem tytanu (sonda lambda ze skokiem oporności)

W odróżnieniu od sond lambda z dwutlenkiem cyrkonu sondy z dwutlenkiem tytanu nie wytwarzają napięcia. Zamiast tego zmienia się ich oporność w zależności od koncentracji resztkowego tlenu w spalinach.

Sondy lambda z dwutlenkiem tytanu mają zawsze zintegrowaną grzałkę i nie wymagają powietrza z otoczenia. Są zatem zazwyczaj mniejsze niż sondy z dwutlenkiem cyrkonu.

Zasada pracy sondy lambda z dwutlenkiem tytanu

Element z dwutlenku tytanu zmienia swoją oporność elektryczną proporcjonalnie do cząstkowego ciśnienia tlenu w mieszance gazu.

Przy dużej zawartości tlenu (λ większych niż 1 1) dwutlenek tytanu jest mniej przewodzący, przy małej zawartości tlenu (λ mniej niż 1) jest bardziej przewodzący. Jeśli teraz przyłoży się napięcie do elementu, zmieni się napięcie wyjściowe odpowiednio do stężenia tlenu w gazach spalinowych.

Temperatura pracy tych sond lambda wynosi 700 °C. Inna zaleta tego typu sondy: Sonda z dwutlenkiem tytanu nie potrzebuje powietrza zewnętrznego jako wartości odniesienia i dlatego jest mniejsza.

Sonda lambda z dwutlenkiem tytanu: konfiguracja kabli

Sondy lambda z dwutlenkiem tytanu marki NTK posiadają zawsze cztery przewody. We wszystkich typach przewód sygnałowy (-) jest czarny, sygnałowy (+) żółty i zasilania elementu grzewczego (-) biały.

Jedynie kolor przewodu elementu grzewczego (+) może być różny: w sondach lambda typu 1 ten przewód jest czerwony, w sondach typu 2 szary.

Sonda lambda szerokopasmowa

Ze względu na wymagania redukcji zużycia paliwa i emisji powstała konieczność regulowania silników poza stechiometrycznym punktem pracy. Istotne jest zarówno wzbogacanie mieszanki podczas rozruchu zimnego silnika, jak i w zakresie pełnych obciążeń.

Nowsze koncepcje silników uwzględniają już jednak pracę również na ubogiej mieszance w długich zakresach roboczych. Taka praca musi być  uregulowana. W tym celu opracowano tzw. sondy szerokopasmowe, dające sygnał wyjściowy proporcjonalny do stosunku mieszanki paliwowo -powietrznej. Jest to bardziej dokładny sygnał. Takie sondy stosowane są także w nowoczesnych silnikach Diesla, pracujących często z nadmiarem powietrza.

Zasady działania szerokopasmowej sondy lambda

Sondy szerokopasmowe posiadają dwie komory: jedną pomiarową i jedną pompującą. Przy pomocy sondy pomiarowej mierzy się zawartość tlenu w strumieniu spalin i porównuje do wartości zadanej 450 mV.

Jeśli wystąpi odchylenie od tej wartości, poprzez strumień pompy nastąpi wpompowanie lub wypompowanie tylu jonów tlenu do/z komory pomiarowej, aż pomiędzy elektrodą znajdującą się po stronie powietrza odniesienia a elektrodą komory pomiarowej ustawi się napięcie o wartości 450mV.

Ten strumień pompy stanowi wielkość pomiarową, która prawie liniowo opisuje dokładną wartość lambda mieszanki. Dla stechiometrycznej mieszanki wynosi ona zero, ponieważ ciśnienie cząstkowe tlenu w komorze detekcyjnej odpowiada podanej powyżej wartości zadanej.

Sygnały szerokopasmowej sondy lambda

W przypadku mieszanki stechiometrycznej (lambda=1) w komorze pomującej nie płynie prąd. W przypadku mieszanki bogatej w komorze pomującej płynie prąd ujemny.

Do komory detekcyjnej pompowany jest tlen.

W przypadku mieszanki ubogiej w komorze pomującej płynie dodatni prąd z komory detekcyjnej. Tlen jest wypompowywany z komory.

Szerokopasmowa sonda lambda: konfiguracja kabli

Sondy lambda szerokopasmowe NTK posiadają pięć połączeń przewodowych.

Element grzewczy zasilany jest prądowo przewodem żółtym i niebieskim. Sygnał prądu pompy (Ip+) przepływa białym przewodem, sygnał komory pomiarowej (Vs+) szarym przewodem. Czarny przewód stanowi połączenie do masy komory pompy i komory pomiarowej.

Sondy specjalne

Do nowoczesnych zastosowań często potrzebne są specjalne typy sond. Na przykład silnikom benzynowym z wtryskiem bezpośrednim, sportom motorowym lub pojazdom dwukołowym stawia się szczególne wymagania w zakresie techniki gazów spalinowych.

Sondy NOx

Aby silniki benzynowe były oszczędne i przyjazne dla środowiska producenci samochodów coraz częściej stosują silniki z bezpośrednim wtryskiem benzyny, które w warunkach częściowego obciążenia mogą pracować z ubogą mieszanką.

Daje to o 12-20% mniejsze zużycie paliwa, lecz wymagany jest czujnik NOx.

Do pracy sondy NOx niezbędna jest elektronika robocza połączona bezpośrednio z sondą.

Zasady działania sondy NOx

W warunkach warstwowego podawania ubogiej mieszanki punkt pracy silnika nie znajduje się przy lambda = 1, a więc poza optymalnym zakresem konwersji katalizatora. Niemożliwa jest optymalna konwersja tlenków azotu, których udział wyraźnie wzrasta.

Dlatego stosuje się dodatkowy katalizator, który tymczasowo magazynuje tlenki azotu.

Jeśli pojemność magazynowa katalizatora wyczerpie się, sygnalizuje to czujnik NOx. Wysyła on wówczas sygnał do sterowania silnika, aby na około dwie sekundy przełączyć się na pracę z bogatą mieszanką (λ mniejsza 1). Tlenki azotu zostają zredukowane i przekształcone w nieszkodliwy azot.

Ta "faza regeneracji" powtarza się przy mieszance ubogiej co około 60 sekund.

Konfiguracja kabli sondy NOx

Konfiguracja kabli sondy NOx produkcji NTK

Sondy lambda do motocykli

Od roku 1999 wartości dopuszczalne obowiązują również dla motocykli. Dlatego coraz więcej motocykli posiada wbudowany fabrycznie katalizator regulowany.

Specjalnym rozwiązaniem opracowanym przez NGK SPARK PLUG jest sonda lambda  OZAS-S3. Jej element tytanowy wytrzymuje bardzo wysokie temperatury, dlatego sonda może być montowana blisko silnika i osiąga wymaganą temperaturę roboczą bez elementu grzewczego.

Zaleta: sonda jest bardzo mała. Poza tym przewód "wkłada się" na sondę podobnie jak na świecę zapłonową.

Sondy lambda dla sportów motorowych

W sportach motorowych stosowane są sondy szerokopasmowe, ponieważ skład mieszanki musi być szczególnie dokładnie kontrolowany i regulowany. Takie sondy muszą być skonstruowane tak, aby wytrzymywały duże obciążenia spotykane w warunkach rywalizacji sportowej.

Spaliny osiągają w tych warunkach ekstremalne temperatury, więc sondy są narażone na wysokie drgania i ciśnienia, które nie powinny uszkodzić sondy, ani zafałszować wyniku pomiaru.

Montaż sondy lambda

Do montażu sondy lambda używa się otwartego klucza pierścieniowego. Należy unikać jakichkolwiek uderzeń, aby nie uszkodzić ceramicznego elementu sondy. Wykluczone jest też uszkodzenie, skręcenie lub ściśnięcie kabla.

Gotowe do montażu sondy lambda o jakości oryginalnego wyposażenia mają istotne zalety: posiadają kable odpowiedniej długości i rozmiarów. Poza tym sondy lambda NTK są już powleczone bezsilikonową pastą do wkręcania na gorąco, nie trzeba jej więc dodatkowo nanosić.

Zużycie i wymiana

W miarę zużycia sondy lambda reagują wolniej, a skok napięcia jest coraz słabszy.

Oznacza to, że układ sterowania silnikiem nie otrzymuje na czas sygnału lub sygnał jest nieużyteczny. W takim wypadku sterownik silnika przełącza się na „tryb awaryjny” i zapobiegawczo wzbogaca mieszankę.

Gwarantuje to utrzymanie mocy, a części są chronione przed przegrzaniem. Jednak z drugiej strony zużycie paliwa rośnie znacząco, a do środowiska dostaje się więcej szkodliwych spalin. Taka usterka często pozostaje niezauważona aż do kolejnego badania spalin, podczas gdy zawartość naszego portfela zmniejsza się z każdym kilometrem, a środowisko jest coraz bardziej zanieczyszczane.

Obejrzyj animację

Testowanie sondy lambda

Najbardziej dokładne jest badanie przy pomocy oscyloskopu. Widoczne jest minimalne i maksymalne napięcie, czas rozpoczęcia pracy  i czas okresu. Podczas badania należy zawsze przestrzegać instrukcji producenta.

Procedura badań:

• silnik przy 2 000 obr/min rozgrzać do temperatury pracy
• oscyloskop podłączyć do przewodu sygnałowego, sondę odłączyć od sterowania silnika
• zakres pomiaru ustawić na 1-5 V, czas na 5-10 sekund (przestrzegać instrukcji producenta)
• w razie potrzeby aktywować automatyczne szukanie sygnału

Sprawna sonda działa z częstotliwością 0,5-4Hz w zakresie przynajmniej pomiędzy 0,1 a 0,9 V.

Wskazówki diagnostyczne

Kontrola wizualna daje często pierwsze informacje na temat możliwych przyczyn uszkodzenia. Punkty kontrolne dla warsztatu to na przykład opór elementu grzewczego: jeśli wynosi on ponad  30 Ω, sonda jest uszkodzona.

Kable:

• Czy kable lub wtyczka są uszkodzone?
• Czy uszczelka kabla jest w dobrym stanie?
• Czy do wtyczki nie przedostała się wilgoć?
• Czy styki wtyczki są w porządku?
• Czy kabel nie jest zbyt naprężony?

Sonda:

• Czy są widoczne uszkodzenia sondy?

Dla każdego pojazdu są specjalne sondy - dlatego sondy należy wymieniać tylko na identyczne!