Samochód może funkcjonować bez sondy lambda, ale jej brak lub awarię daje się natychmiast zauważyć. W tym artykule przyjrzymy się jednemu z najstarszych czujników samochodowych.

Czym jest sonda lambda?

Sonda tlenowa (czy też sonda lambda, przy czym lambda oznacza skład mieszanki powietrzno-paliwowej oznaczany grecką literą λ) jest urządzeniem elektronicznym mierzącym zawartość tlenu (O2) w badanym gazie lub cieczy.

Zadaniem czujnika jest pomiar stężenia tlenu w spalinach silników samochodowych, obliczanie składu mieszanki powietrzno-paliwowej i w razie potrzeby jego dynamiczna regulacja, co zapewnia optymalne działanie katalizatorów. Czujnik tlenu generuje zwykle napięcie około 0,9 V w przypadku bogatej mieszanki paliwowej i niewielkiej ilości niespalonego tlenu w spalinach.

Od kiedy czujniki tlenu są stosowane w samochodowych układach wydechowych?

Sonda została opracowana przez firmę Robert Bosch GmbH pod koniec lat 60. pod nadzorem dr Güntera Baumana. Oryginalny element czujnika, wykonany z ceramiki na bazie dwutlenku cyrkonu, miał kształt naparstka pokrytego cienką warstwą platyny zarówno po stronie wylotowej, jak i referencyjnej. Urządzenie było dostępne z funkcją podgrzewania lub bez. W 1990 r. na rynku pojawił się czujnik planarny z wbudowaną grzałką, zmniejszając tym samym znacznie masę elementu ceramicznego. Dzięki temu urządzenie może znacznie szybciej osiągnąć swoją temperaturę roboczą – kwestia, którą szerzej omówimy w dalszej części artykułu.

Jak działa sonda lambda?

Samochodowe sondy lambda umożliwiają nowoczesny elektroniczny wtrysk paliwa i kontrolę emisji spalin. Pomagają one określić w czasie rzeczywistym skład mieszanki powietrzno-paliwowej w silniku spalinowym.

Ponieważ czujniki tlenu znajdują się w strumieniu spalin, nie mierzą bezpośrednio zawartości powietrza czy paliwa na wlocie do silnika, a badają ilość tlenu pozostałego po procesie spalania.

Wtrysk paliwa sterowany sprzężeniem zwrotnym działa w tzw. zamkniętej pętli, czyli zmienia wydajność wtryskiwacza paliwa w zależności od danych dostarczanych przez czujniki w czasie rzeczywistym, nie zaś w tzw. pętli otwartej, czyli według z góry określonej mapy. Oprócz efektywnego działania elektronicznego wtrysku paliwa, ta technika kontroli emisji zmniejsza ilość niespalonego paliwa i tlenków azotu uwalnianych do atmosfery.

Niespalone paliwo to zanieczyszczenie w postaci węglowodorów unoszących się w powietrzu, natomiast tlenki azotu (gazy NOx) to substancja powstająca w komorze spalania przy temperaturze przekraczającej 1300 K. Tlenki azotu są przyczyną smogu i kwaśnych deszczów. Pierwszym producentem samochodów, który zastosował tę technologię pod koniec lat 70-tych, wraz z katalizatorem trójdrożnym było Volvo.

Ze względu na podstawową zasadę działania, niezwykle ważne jest to, że sonda lambda nie mierzy w rzeczywistości stężenia tlenu, ale raczej różnicę między ilością tlenu w spalinach a ilością tlenu w powietrzu.

Bogata mieszanka wymaga dużej ilości tlenu. Zapotrzebowanie to powoduje wzrost napięcia w wyniku transportu jonów tlenu przez warstwę czujnika. Mieszanka uboga powoduje niskie napięcie, ponieważ jest w niej nadmiar tlenu.

Informacje o stężeniu tlenu są przesyłane do komputera zarządzającego silnikiem lub jednostki sterującej silnikiem (ECU), która dostosowuje ilość paliwa wtryskiwanego do silnika, aby skompensować nadmiar powietrza lub nadmiar paliwa. ECU próbuje utrzymać określony stosunek powietrza do paliwa, interpretując informacje otrzymane z czujnika tlenu.

Po co stosuje się czujniki tlenu?

Chodzi tu o kompromis pomiędzy osiągami, oszczędnością paliwa i ilością emisji, który w większości przypadków jest osiągany przez niemalże stechiometryczny stosunek powietrza do paliwa. W przypadku silników z zapłonem iskrowym, mamy do czynienia z trzema rodzajami emisji: węglowodory (które są uwalniane, gdy paliwo nie jest całkowicie spalone, np. podczas błędnych zapłonów lub nadmiernego wzbogacenia mieszanki), tlenek węgla (który jest wynikiem pracy na nieznacznie zbyt bogatej mieszance) i tlenki azotu (które przeważają w przypadku mieszanki ubogiej). Awaria tych czujników, czy to z powodu normalnego starzenia się, używania paliw ołowiowych czy też paliwa zanieczyszczonego krzemianami, może prowadzić do uszkodzenia katalizatora i kosztownych napraw.

Ingerencja w sygnał wysyłany przez sondę lambda do komputera silnika może być szkodliwa dla kontroli emisji lub nawet spowodować uszkodzenie pojazdu. Gdy silnik znajduje się pod niewielkim obciążeniem (na przykład podczas bardzo delikatnego przyspieszania lub przy stałej prędkości), działa w pętli zamkniętej. Chodzi tutaj o pętlę sprzężenia zwrotnego między ECU a czujnikiem/czujnikami tlenu, dzięki której ECU reguluje ilość paliwa, co przekłada się na odpowiednią reakcję sondy lambda.

Efektem pętli jest wymuszenie naprzemiennej pracy silnika na mieszance lekko uboższej i lekko bogatszej w celu utrzymania odpowiednich proporcji. W przypadku modyfikacji, które powodują powstanie mieszanki chudej, skutkiem będzie nieznaczna poprawa wydajności paliwowej, czasami przy zwiększonej emisji NOx, znacznie wyższej temperaturze spalin, a czasami niewielkim wzroście mocy. To z kolei szybko doprowadzi do błędnych zapłonów i drastycznej utraty mocy, a także potencjalnego uszkodzenia silnika i katalizatora przy ekstremalnie niskim stosunku paliwa do powietrza.

Jakie znaczenie ma mieszkanka paliwowo-powietrzna dla prawidłowej pracy silnika?

W przypadku modyfikacji, które prowadzą do pracy na mieszance bogatej, do pewnego momentu nastąpi niewielki wzrost mocy, ale kosztem spadku efektywności paliwowej i wzrostu ilości niespalonych węglowodorów – oprócz znacznego wzrostu temperatury w spalinach, co spowoduje przegrzanie katalizatora.

Dłuższa praca z bogatą mieszanką może spowodować katastrofalne uszkodzenie katalizatora.
ECU steruje również czasem zapłonu i szerokością impulsu wtryskiwaczy paliwa, więc modyfikacje zmieniające pracę silnika ze zbyt ubogiej lub ze zbyt bogatej mieszanki mogą spowodować nieefektywne zużycie paliwa, jeśli paliwo zostanie zapalone zbyt wcześnie lub późno w cyklu spalania.

Mimo wszystko istnieją sytuacje, w których sonda lambda nie ingeruje w pracę silnika. Gdy silnik spalinowy jest pod dużym obciążeniem (np. szeroko otwarta przepustnica), sygnał wyjściowy sondy tlenu jest ignorowany, a ECU automatycznie wzbogaca mieszankę, aby chronić silnik, ponieważ awarie zapłonu pod obciążeniem znacznie częściej powodują uszkodzenia.

Ten tryb działania nosi miano pracy w pętli otwartej. W tym stanie wszelkie zmiany na wyjściu czujnika są ignorowane. W wielu samochodach (z wyjątkiem niektórych modeli z turbodoładowaniem) ignorowane są również wejścia przepływomierza powietrza, ponieważ w przeciwnym razie mogą one obniżyć osiągi silnika z powodu zbyt bogatej lub zbyt ubogiej mieszanki, zwiększając tym samym ryzyko uszkodzenia silnika.

Sonda lambda – kiedy wymienić? jakie objawy zużycia?

Żywotność podgrzewanego czujnika tlenu wynosi zazwyczaj 160 000 km. W wyniku awarii lub zużycia sondy, konieczna może okazać się wymiana nie tylko omawianego czujnika, ale także katalizatora. Niesprawna sonda wskazuje na ubogą mieszankę, dlatego ECU wzbogaca mieszankę, spaliny są wzbogacone o tlenek węgla i węglowodory, a spalanie paliwa rośnie.

Dlaczego sonda lambda się psuje?

• Benzyna ołowiowa zanieczyszcza czujniki tlenu i katalizatory. Większość sond lambda toleruje obecność benzyny ołowiowej, ale obniża to ich żywotność do 24 000 km.
• Jeżeli silnik bierze olej, spaliny mogą pokryć końcówkę sondy tłustym, czarnym nagarem, co uniemożliwi jej działanie.
• Bogata mieszanka paliwowo – powietrzna powoduje powstawanie czarnego, suchego osadu na sondzie.
• Podłączenie zewnętrznego napięcia do czujników z tlenku cyrkonu, na przykład sprawdzanie ich za pomocą niektórych typów omomierzy, może je uszkodzić.

Najczęstsze objawy wadliwego czujnika tlenu to:

• Lampka kontrolna silnika na desce rozdzielczej,
• Zwiększona emisja,
• Zwiększone zużycie paliwa,
• Wahania podczas przyspieszania,
• Zacinanie się przy zmianie prędkości,
• Nierówne obroty.

źródło: en.wikipedia.org