Działanie sondy lambda
Wymiana sondy lambda
Sonda lambda określa pozostałą zawartość tlenu w spalinach i dostarcza układowi sterowania silnika sygnału elektrycznego, pozwalającego na regulację składu mieszanki. Przewijając tę stronę możesz uzyskać informacje o różnych wariantach i sposobach działania sondy lambda oraz o metodach jej sprawdzania i fachowej wymiany.
Wskazówka dotycząca bezpieczeństwa
Poniższe informacje i porady praktyczne zostały przygotowane przez firmę HELLA w celu zapewnienia profesjonalnego wsparcia dla warsztatów samochodowych. Informacje udostępnione na tej stronie internetowej powinny być wykorzystywane tylko przez odpowiednio wykwalifikowany personel.
SPIS TREŚCI
DZIAŁANIE SONDY LAMBDA: ZASADA DZIAŁANIA
Do zapewnienia optymalnego współczynnika konwersji katalizatora konieczne jest optymalne spalanie. W tym celu w silnikach benzynowych stosuje się mieszankę o składzie 14,7 kg powietrza na 1 kg paliwa (mieszanka stechiometryczna). Taka optymalna mieszanka nosi nazwę greckiej litery λ (lambda). Lambda to stosunek teoretycznej ilości potrzebnego powietrza do ilości faktycznie doprowadzonego powietrza:
λ = doprowadzana ilość powietrza : teoretyczna ilość powietrza = 14,7 kg : 14,7 kg = 1
Zasada działania sondy lambda opiera się na porównawczym pomiarze zawartości tlenu. Jest to porównanie zawartości tlenu w spalinach (ok. 0,3 do 3%) z zawartością tlenu w powietrzu otoczenia (ok. 20,8%).
Jeżeli zawartość tlenu w spalinach wynosi 3% (mieszanka uboga), na podstawie różnicy względem zawartości tlenu w powietrzu otoczenia generowane jest napięcie 0,1 V.
Jeżeli zawartość tlenu w spalinach jest mniejsza niż 3% (mieszanka bogata), napięcie sondy wzrasta proporcjonalnie do wzrostu różnicy do wartości 0,9 V. Resztkowa zawartość tlenu jest mierzona różnymi sondami lambda.
Z reguły działanie sondy lambda jest sprawdzane podczas rutynowej kontroli składu spalin. Ponieważ ulega ona pewnemu zużyciu, konieczna jest regularna kontrola jej prawidłowego działania (co ok. 30 000 km) – np. w ramach przeglądów okresowych.
Z powodu zaostrzonych przepisów dotyczących redukcji emisji spalin samochodowych ulepszono również metody oczyszczania spalin.
Sonda dwustanowa palcowa
Ta sonda składa się z pustego w środku cyrkonowego elementu ceramicznego w kształcie palca. Szczególną cechą tego elektrolitu stałego jest to, że od temperatury ok. 300 °C staje się przepuszczalny dla jonów tlenu. Obie strony elementu ceramicznego są powleczone cienką, porowatą warstwą platyny, która spełnia rolę elektrody. Spaliny opływają zewnętrzną stronę elementu ceramicznego, podczas gdy strona wewnętrzna jest napełniona powietrzem referencyjnym.
Wskutek różnicy stężenia tlenu po obu stronach elementu dochodzi dzięki właściwościom materiału ceramicznego do przenikania jonów tlenu, co generuje określone napięcie. Napięcie to jest wykorzystywane przez sterownik jako sygnał, na podstawie którego w zależności od zawartości tlenu w spalinach regulowany jest skład mieszanki.
Ten proces – pomiar resztkowej zawartości tlenu i wzbogacanie bądź zubożanie mieszanki – jest powtarzany wielokrotnie w ciągu sekundy, co pozwala na uzyskanie mieszanki stechiometrycznej (λ = 1) odpowiednio do potrzeb.
Sonda dwustanowa
Sonda dwustanowa planarna
Element ceramiczny tego typu sond wykonany jest z dwutlenku tytanu – techniką grubowarstwową. Dwutlenek tytanu ma tę właściwość, że jego rezystancja zmienia się proporcjonalnie do stężenia tlenu w spalinach. Przy wysokiej zawartości tlenu (mieszanka uboga, λ > 1) jego przewodność jest niższa, a przy niskiej zawartości tlenu (mieszanka bogata, λ < 1) wyższa. Ta sonda nie wymaga powietrza referencyjnego, ale musi być zasilana napięciem 5 V ze sterownika za pośrednictwem układu rezystorów. Spadek napięcia w tych rezystorach wytwarza potrzebny sterownikowi sygnał.
Obie komórki pomiarowe są zamontowane w podobnej obudowie. Rura ochronna zapobiega uszkodzeniom komórek pomiarowych, wsuniętych w strumień spalin.
Sonda dwustanowa planarna
Ogrzewanie sondy lambda
Pierwsze sondy lambda nie były ogrzewane, dlatego musiały być montowane w pobliżu silnika, aby mogły jak najszybciej osiągać temperaturę roboczą. Dzisiaj sondy lambda są wyposażone w ogrzewanie sondy. Pozwala to na montaż sond w bardziej odległych od silnika miejscach.
Zaleta:
Nie są narażone na tak duże obciążenie termiczne. Ogrzewanie sondy pozwala na szybkie osiągnięcie temperatury pracy, przez co czas nieaktywności regulacji lambda staje się bardzo krótki. Zapobiega to znacznemu ostygnięciu podczas pracy na biegu jałowym, gdy temperatura spalin nie jest wystarczająco wysoka. Ogrzewane sondy lambda mają krótszy czas reakcji, co ma pozytywny wpływ na szybkość regulacji.
Szerokopasmowa sonda lambda
Sonda sygnalizuje bogatą lub ubogą mieszankę w zakresie λ = 1. Szerokopasmowa sonda lambda zapewnia możliwość dokładnego pomiaru współczynnika powietrza w zakresie mieszanki ubogiej (λ > 1) i bogatej (λ < 1). Dostarcza ona dokładnego sygnału elektrycznego, dlatego może regulować dowolne wartości zadane – np. w silnikach z zapłonem samoczynnym, z zapłonem iskrowym i pracą w zakresie ubogiej mieszanki oraz w silnikach gazowych i gazowych piecach grzewczych. Podobnie jak sonda standardowa, szerokopasmowa sonda lambda dysponuje powietrzem referencyjnym. Posiada ona dodatkowe, drugie ogniwo elektrochemiczne: pompę jonową.
Przez niewielki otwór w ogniwie pompującym, spaliny przedostają się do komory pomiarowej (warstwy dyfuzyjnej). W celu ustawienia współczynnika powietrza (λ) stężenie tlenu jest tutaj porównywane ze stężeniem tlenu w powietrzu referencyjnym. Aby uzyskać mierzalny sygnał dla sterownika, do pompy jonowej przykładane jest określone napięcie. Dzięki temu napięciu możliwe jest wpompowywanie tlenu ze spalin do warstwy dyfuzyjnej i jego wypompowywanie. Sterownik reguluje napięcie pompy tak, by skład gazu w warstwie dyfuzyjnej był stały i odpowiadał zawsze wartości λ = 1. Gdy mieszanka jest uboga, pompa jonowa pompuje tlen na zewnątrz. Generuje to dodatni prąd pompy. Gdy mieszanka jest uboga, tlen przepompowywany jest z powietrza referencyjnego do wewnątrz. Generuje to ujemny prąd pompy. Przy wartości λ = 1 w warstwie dyfuzyjnej jony tlenu nie są transportowane, a prąd pompy jest równy zeru. Uzyskany prąd pompy jest analizowany przez sterownik, przekazując mu informację o współczynniku powietrza i tym samym o składzie mieszanki.
Stosowanie kilku sond lambda
Od wprowadzenia systemów EOBD konieczne jest nadzorowanie działania katalizatora. W tym celu za katalizatorem instalowana jest dodatkowa sonda lambda. Za jej pomocą określana jest zdolność akumulacji tlenu w katalizatorze.
Sposób działania sondy za katalizatorem jest identyczny jak sondy przed katalizatorem. Sterownik porównuje amplitudy sond lambda. Wskutek zdolności akumulacji tlenu w katalizatorze, amplitudy napięcia sondy za katalizatorem są bardzo małe. Gdy zdolność akumulacji tlenu w katalizatorze spadnie, wzrastają amplitudy napięcia sondy za katalizatorem wskutek zwiększonej zawartości tlenu.
Wysokość amplitudy napięcia sondy za katalizatorem zależy od aktualnej zdolności akumulacyjnej katalizatora i zmieniają się wraz z obciążeniem i prędkością obrotową. Dlatego przy porównywaniu amplitud napięcia sond uwzględniany jest stan obciążenia i prędkość obrotowa. Jeśli mimo to amplitudy napięcia obu sond są zbliżone, oznacza to osiągnięcie zdolności akumulacyjnej przez katalizator, np. wskutek starzenia się.
USZKODZONA SONDA LAMBDA: OBJAWY
W razie awarii sondy lambda mogą wystąpić następujące objawy:
- Wysokie zużycie paliwa
- Niska moc silnika
- Wysoka emisja spalin (badanie składu spalin)
- Zaświecenie lampki kontrolnej silnika
- Zapisanie kodu usterki
ODDZIAŁYWANIA USZKODZENIA SONDY LAMBDA: PRZYCZYNA AWARII
Awaria może mieć różne przyczyny:
- Zwarcia wewnętrzne i zewnętrzne
- Brak masy lub napięcia zasilania
- Przegrzanie
- Osady lub zanieczyszczenia
- Uszkodzenie mechaniczne
- Zastosowanie benzyny ołowiowej lub dodatków uszlachetniających
Występuje cały szereg typowych, często występujących usterek sond lambda. Poniższe zestawienie pokazuje przyczyny zdiagnozowanych usterek:
Nieogrzewane sondy
| Zdiagnozowana usterka | Przyczyna |
|---|---|
| Rura ochronna lub korpus sondy zatkane pozostałościami oleju | Niespalony olej dostał się do układu wydechowego, np. wskutek uszkodzenia pierścieni tłokowych lub uszczelek trzonków zaworów |
| Zasysanie obcego powietrza, brak powietrza referencyjnego | Sonda nieprawidłowo zamontowana, zatkane zasilanie powietrzem referencyjnym |
| Uszkodzenia wskutek przegrzania | Temperatury powyżej 950 °C wskutek nieprawidłowego momentu zapłonu lub luzu zaworów |
| Złe przewodzenie na stykach wtyków | Utlenienie |
| Przerwane połączenia przewodowe | Źle ułożone kable, przetarcia, przegryzienie przez kunę |
| Brak połączenia z masą | Utlenienie, korozja układu wydechowego |
| Uszkodzenia mechaniczne | Zbyt wysoki moment dokręcania |
| Starzenie chemiczne | Bardzo częsta jazda na krótkich trasach |
| Osady ołowiu | Zastosowanie benzyny ołowiowej |
DIAGNOZA USTEREK SONDY LAMBDA: PODSTAWY
Pojazdy wyposażone w samodiagnozę mogą wykrywać błędy występujące w obwodzie regulacji i zapisywać je w pamięci błędów. Zazwyczaj jest to sygnalizowane przez lampkę kontrolną. W celu diagnozy błędów można odczytać pamięć błędów, używając testera diagnostycznego. Starsze systemy nie są jednak w stanie określić, czy błąd został spowodowany uszkodzeniem danego elementu lub np. usterką kabla. W takim przypadku mechanik musi przeprowadzić dodatkowe kontrole.
W ramach diagnozy EOBD monitorowanie sond lambda zostało rozszerzone o następujące punkty:
- zwarcie przewodów,
- gotowość robocza,
- zwarcie do masy sterownika,
- zwarcie do plusa,
- przerwa w przewodach i starzenie sondy lambda.
Do zdiagnozowania sygnałów sondy lambda sterownik korzysta z kształtu i częstotliwości sygnału.
W tym celu sterownik oblicza następujące dane:
- maksymalną i minimalną wykrytą wartość napięcia sondy,
- czas pomiędzy zboczem rosnącym i opadającym,
- nastawę regulatora lambda w kierunku bogatej i ubogiej mieszanki,
- próg regulacji lambda,
- napięcie sondy i czas trwania okresu.
SPRAWDZANIE SONDY LAMBDA OSCYLOSKOPEM, MIERNIKIEM UNIWERSALNYM, TESTEREM DO SOND LAMBDA, PRZYRZĄDEM DO POMIARU SKŁADU SPALIN: POSZUKIWANIE USTEREK
Przed każdym sprawdzaniem należy przeprowadzić oględziny, aby upewnić się, że nie występują uszkodzenia kabli lub wtyków. Układ wydechowy nie może być nieszczelny.
Do podłączania przyrządów pomiarowych zalecany jest kabel z przystawką. Należy pamiętać, że regulacja lambda nie jest aktywna w niektórych stanach pracy, np. przy uruchamianiu zimnego silnika aż do momentu osiągnięcia temperatury roboczej i przy pełnym obciążeniu.
Sprawdzanie sondy lambda testerem spalin
Testery spalin
Jedną z najszybszych i najprostszych metod badania jest pomiar czteroskładnikowym testerem spalin.
Badanie jest przeprowadzane jak ustawowe badanie składu spalin. Przy silniku nagrzanym do temperatury roboczej jako wielkość zakłócająca podawane jest obce powietrze poprzez odłączenie wężyka. Wskutek zmiany składu spalin zmienia się wartość lambda, obliczana i pokazywana przez tester spalin. Powyżej pewnej wartości układ przygotowywania mieszanki musi wykryć tę zmianę i wyregulować ją przez określony czas (jak podczas badania składu spalin 60 sekund). Gdy wielkość zakłócająca zostanie zlikwidowana, wartość lambda musi powrócić do pierwotnego poziomu.
Należy zawsze przestrzegać wymogów producenta w zakresie zadawania wielkości zakłócającej i wartości lambda.
To badanie pozwala jednak stwierdzić tylko sprawność regulacji lambda. Badanie elektryczne jest niemożliwe. Podczas tego procesu zachodzi niebezpieczeństwo, że nowoczesne układy sterowania silnika mimo niedziałającej regulacji lambda są w stanie tak regulować składem mieszanki poprzez dokładny pomiar obciążenia, że λ = 1.
Sprawdzanie sondy lambda miernikiem uniwersalnym
Miernik uniwersalny
Do badania należy stosować tylko wysokoomowe mierniki uniwersalne ze wskaźnikiem cyfrowym lub uniwersalnym.
Mierniki uniwersalne o małej rezystancji wewnętrznej (najczęściej w przypadku przyrządów analogowych) zbyt mocno obciążają sygnał sondy lambda i mogą spowodować jego załamanie. Ze względu na szybkie zmiany napięcia sygnał pozwala najlepiej przedstawić się przy użyciu przyrządu analogowego.
Miernik uniwersalny jest podłączany równolegle do przewodu sygnałowego (czarny kabel, przestrzegać schematu obwodowego) sondy lambda. Zakres pomiarowy miernika uniwersalnego jest ustawiany na 1 lub 2 V. Po uruchomieniu silnika na wyświetlaczu pojawia się wartość od 0,4 do 0,6 V (napięcie referencyjne). Po osiągnięciu temperatury roboczej silnika lub sondy lambda stałe napięcie zaczyna pulsować w zakresie od 0,1 do 0,9 V.
Aby zagwarantować poprawny wynik pomiaru, silnik powinien pracować z prędkością obrotową ok. 2500 obr./min. Gwarantuje to, że nawet w systemach z nieogrzewaną sondą lambda sama sonda także osiągnie temperaturę roboczą. Wskutek niewystarczającej temperatury spalin na biegu jałowym zachodzi niebezpieczeństwo, że nieogrzewana sonda wystygnie i nie będzie generować żadnego sygnału.
Sprawdzanie sondy lambda oscyloskopem
Przebieg sygnału sondy lambda
Sygnał sondy lambda można najlepiej przedstawić oscyloskopem. Podstawowym warunkiem jest jak w przypadku pomiaru miernikiem uniwersalnym nagrzanie silnika lub sondy lambda do temperatury roboczej.
Oscyloskop jest podłączany do przewodu sygnałowego. Ustawiany zakres pomiarowy zależy od używanego oscyloskopu. Jeżeli przyrząd jest wyposażony w automatyczne wykrywanie sygnału, to należy wykorzystać tę opcję. Przy ustawianiu ręcznym nastawić zakres napięcia od 1 do 5 V i nastawę czasu 1 do 2 s.
Prędkość obrotowa silnika powinna ponownie wynosić ok. 2500 obr./min.
Napięcie przemienne jest pokazywane na wyświetlaczu w postaci sinusoidy. Z tego sygnału można przeanalizować następujące parametry:
- wysokość amplitudy (maksymalne i minimalne napięcie do 0,1 do 0,9 V),
- czas reakcji i czas trwania okresu (częstotliwość ok. 0,5 do 4 Hz).
Sprawdzanie sondy lambda testerem do sond lambda
Tester do sond lambda
Do badania sond różni producenci oferują specjalne testery do sond lambda. W tych urządzeniach działanie sondy lambda jest wskazywane diodami świecącymi.
Urządzenie jest podłączane jak miernik uniwersalny czy oscyloskop do przewodu sygnałowego sondy. Po osiągnięciu temperatury roboczej przez sondę i rozpoczęciu pracy diody świecące zaczynają na przemian świecić – w zależności od składu mieszanki i przebiegu napięcia sondy (0,1 do 0,9 V).
Wszystkie informacje dotyczące ustawiania przyrządów pomiarowych do pomiaru napięcia odnoszą się do sond z dwutlenku cyrkonu (sond ze skokiem napięcia). W przypadku sond z dwutlenku tytanu ustawiany zakres napięcia zmienia się na 0 do 10 V, a mierzone napięcie oscyluje pomiędzy 0,1 i 5 V.
Sprawdzanie stanu rury ochronnej
Zawsze przestrzegać wskazówek producenta. Oprócz kontroli elektronicznej, o sprawności sondy może informować stan rury ochronnej elementu sondy:
SPRAWDZANIE OGRZEWANIA SONDY LAMBDA: POSZUKIWANIE USTEREK
Można sprawdzić rezystancję wewnętrzną i zasilanie napięciem elementu grzewczego.
W tym celu odłączyć wtyk sondy lambda. Od strony sondy lambda zmierzyć rezystancję omomierzem podłączonym do obu przewodów elementu grzewczego. Powinna ona wynosić od 2 do 14 omów. Od strony pojazdu zmierzyć zasilanie napięciem używając woltomierza. Musi być podłączone napięcie > 10,5 V (napięcie instalacji elektrycznej pojazdu).
Różne możliwości podłączania i kolory kabli
Nieogrzewane sondy
| Liczba kabli | Kolor kabla | Złącze |
|---|---|---|
| 1 | Czarny | Sygnał (masa przez obudowę) |
| 2 | Czarny | Sygnał Masa |
Ogrzewane sondy
| Liczba kabli | Kolor kabla | Złącze |
|---|---|---|
| 3 | Czarny 2x biały | Sygnał (masa przez obudowę) elementu grzewczego |
| 4 | Czarny 2x biały Szary | Sygnał elementu grzewczego – masa |
Sondy z dwutlenku tytanu
| Liczba kabli | Kolor kabla | Złącze |
|---|---|---|
| 4 | Czerwony Biały Czarny Żółta | Element grzewczy (+) Element grzewczy (-) Sygnał (-) Sygnał (+) |
| 4 | Czarny 2x biały Szary | Element grzewczy (+) Element grzewczy (-) Sygnał (-) Sygnał (+) |
(Należy przestrzegać wymogów danego producenta)
WYMIANA SONDY LAMBDA: FILM
Wymiana sondy lambda
Wymiana sondy lambda z zasadami demontażu i montażu
02:42 min
Podczas wymiany sondy lambda przestrzegać następujących punktów:
Jeżeli sonda lambda jest wymieniana, przy montażu nowej przestrzegać następujących punktów:
- Do demontażu i montażu używać wyłącznie przewidzianego to tego celu narzędzia.
- Sprawdzić gwint otworu w układzie wydechowym, czy nie jest uszkodzony.
- Używać tylko smaru dostarczonego z sondą lub specjalnie przystosowanego do takiego zastosowania.
- Unikać kontaktu elementu pomiarowego sondy z wodą, olejem, smarem, środkami czyszczącymi i środkami do usuwania rdzy.
- Przestrzegać momentów dokręcania podanych przez producenta sondy lambda i producenta pojazdu.
- Przy układaniu kabla przyłączeniowego uważać, by nie mógł się on stykać z gorącymi lub ruchomymi elementami i nie był prowadzony po ostrych krawędziach.
- Kabel przyłączeniowy nowej sondy lambda w miarę możliwości prowadzić tak samo jak kabel fabrycznie zamontowanej sondy.
- Uważać na wystarczający luz kabla przyłączeniowego, aby wskutek drgań i ruchów układu wydechowego nie doszło do jego zerwania.
- Poinformować klienta, że nie może stosować do paliwa dodatków uszlachetniających na bazie metalu ani paliwa ołowiowego.
- Nie używać sond lambda, które upadły na podłogę lub zostały uszkodzone.
Czy ten artykuł jest dla Ciebie pomocny?
Nie, w niczym mi nie pomógł
Tak, okazał się pomocny