A lambdaszonda

Nincs korszerű motorvezérlő rendszer lambda szonda (oxigén szenzor) nélkül. Mivel a benzin-levegő keverék összetételére jelentős ráhatása van, a motorvezérlő rendszerben kiemelt jelentőséggel bír.
A V elrendezésű motoroknál akár négy ilyen szondát is találhatunk. (Mi több: egyes tizenkét hengeres V motorok esetében nyolcat.) Tapasztalataink szerint az Otto-motorral szerelt autók egy része csökkent működőképességű, vagy rosszabb esetben teljesen működésképtelen szondával üzemel, ugyanakkor legalább ekkora a száma azoknak az eseteknek, amikor téves hibabehatárolás miatt, vagy kósza ötletnek engedve tökéletesen működő szondát cserélnek le és dobnak ki. Időnk pedig vastagon lett volna megismerni a lambda szondát - bő 33 év.
Az e témakörben feltett kérdések száma miatt járjuk körbe ezt a témát kicsit részletesebben, bár tudjuk, hogy a több műszaki infó miatt a cikk kevéssé olvasmányos, és talán kicsit hosszúra is sikeredett...


A működésképtelen lambda szonda jelentős túlfogyasztást okozhat, a benzinben túl dús keverék ráadásul lemossa a hengerfalról az olajfilmet, ami rendellenes motorkopáshoz vezet. A benzinnel felhígult motorolaj kenési problémákat okozhat. A dús keverék miatt a katalizátor hatékonysága drasztikusan leesik, a környezetet feleslegesen terheljük. A hibás, időben le nem cserélt szonda tehát jelentős kárt okoz.
(Ebben jelentős különbségek vannak: az értékelhető lambda jel kiesése gyakran egészen magas CO értéket, fekete füst eregetését okozza ennek minden következményével, más rendszerek tűrhetően elboldogulnak hibás szondával is.)

A tévedésből lecserélt, hibátlan szonda pedig veszteség, felesleges pénzkidobás.

Célszerű tehát "képben lenni" ezzel az alkatrésszel.


Alapértelmezésben un."feszültségugrás-szondákról" beszélünk. A legtöbb járműben ilyen szondát találunk.






A szabályzószonda a motor és a katalizátor közé van beépítve. Mivel korrekt működése viszonylag magas hőmérsékleten indul el ("megszólalási hőmérséklet", kb. 350 Celsius fok), gyakran fűtőelemet is alkalmaznak. Az 1, vagy 2 vezetékesben nincs fűtőelem, a 3, 4, ill. több vezetékesben viszont igen. A 850 fok feletti tartós hőterhelés a szonda gyors tönkremeneteléhez vezet.




A lambda szabályozás elve.

A szonda rögzítése - néhány, főleg japán kivételtől eltekintve - csavarmenettel történik. (M18x1,5)
Előírt meghúzási nyomaték: 35 - 55 Nm, típusfüggő.
Az új szondák meneteit a gyártó rendszerint hőálló grafitos zsírral látja el, esélyt adva a szonda későbbi roncsolásmentes eltávolításának.



Az általánosan alkalmazott feszültség-ugrás szondák szokványos kábelszínei:

1 vezetékes szonda. A tévedés lehetősége itt kizárva, csak jelvezeték van, a jel test maga a kocsiszekrény. Az ilyen szonda nem tartalmaz fűtőelemet.

3 vezetékes szonda, a képen alul. Itt is egyszerű eligazodni a vezetékek között, pl: egy jelvezeték (fekete) két fehér színű fűtésszál, ezek akár fel is cserélhetők.

4 vezetékes szonda. Ezeken külön jel és jel testvezeték van, két fűtőszállal. A képen felül egy Denso gyártmányú szonda látható. Kék: jelvezeték, fehér: jel test, két fekete: fűtés.
Középen egy Bosch planár szonda. Fekete: jelvezeték, szürke: jel test, két fehér: fűtés.
Természetesen, szerencsésebb, ha a jel testvezeték adott. Egy korrodált kipufogórendszer nem biztos, hogy tökéletesen alkalmas a jel testvezeték kiváltására.


A szonda a kipufogógázok oxigéntartalmának függvényében változtatja a feszültségét, pontosabban feszültséget generál. Szegény keveréknél 0-0,2V, dúsnál 0,7-0,9V körüli ez az érték. (Ez a hagyományos, ún. Nernst szondára, és a planár szondára igaz). Az ideális, sztöchiometrikus, lambda=1 értékű keverékösszetételhez közelítésre, illetve ebből a tartományból történő kilépésre - nagyon szűk mezőn, az ún. lambda ablakon belül - nagy feszültségváltozással válaszol. Ez teszi alkalmassá a motorvezérlő rendszerben betöltött kiemelt szerepére. A keverék változására rendkívül gyorsan reagál: a szakirodalom a szonda reakcióidejét 100ms alatti értékben határozza meg. A vezérlőegység ennek alapján ha dús a keverék, szegényíti, ha szegény, akkor dúsítja azt, a befecskendező szelepek nyitási idejét változtatva. A szokásos szabályozási sáv lambda értéke 0,97-1,03, ezt a tartományt nevezzük lambda ablaknak. Ilyenkor a szabályozás visszacsatolásos (closed-loop). Vannak a motornak olyan működési körülményei, amikor a keverékképzés - átmenetileg - eltér az ideálistól, a keverékképzés elhagyja a lambda ablakot. Ilyen a hidegindítás, a motor ilyenkor dúsabb keveréket igényel (és még a szonda sem érte el a megszólalási hőmérsékletet), ilyen a teljes terhelés állapota és a tolóüzem (motorfék). Ilyenkor nincs lambda szabályzás (open-loop).





A Nernst-szonda belső felépítése. A lambda szondák megbontása, szétszerelése csak roncsolásos úton lehetséges.

A szondakerámia a menetes fémházba kerül beszerelésre, elől furatokkal ellátott vagy felhasított védőcső takarja, amint az a felső képen látható. Fotónkon a már burkolatától megfosztott szonda látható.
A cirkondioxid kerámia tulajdonsága, hogy kb. 300 Celsius fok fölött átereszti az oxigénionokat. A belül üreges szondakerámia külső és belső oldalát is egy vékony rétegben felvitt platinaréteg borítja, ez tölti be az elektróda szerepét. A szondakerámia külső felülete érintkezik a kipufogógázzal, míg a belső, üreges részbe külső levegő van vezetve. A kipufogógázban, illetve környezeti levegőben eltérő az oxigéntartalom, a kerámia már említett tulajdonságából adódóan oxigénion vándorlás jön létre, aminek következtében feszültség generálódik a két elektróda között.




A kerámia külső, tehát a kipufogó gázzal érintkező részén egy vékony kerámiaréteg védi a platinát a kipufogógáz esetleges szilárd részecskéitől. A fotón a helyéről leemelt kerámián megfigyelhető a belső (a külső levegővel érintkező) platinaelektróda kivezetése, ami beépített helyzetben a piros téglalappal jelölt érintkezőhöz csatlakozik, az pedig a szonda jelvezetékéhez. A külső, kipufogógázzal találkozó elektródának hasonló kivezetése van, ami - ebben az esetben, lévén ez egy háromvezetékes szonda - egy fémgyűrű közvetítésével a menetes házhoz csatlakozik. A négyzettel jelölt helyen láthatjuk a három elektromos csatlakozás (egy jelvezeték, két vezeték a fűtőelem táplálására) részére kialakitott kis csatornákat.


Bonyolultabb szerkezet a Bosch által kifejlesztett lapos mérőcellás (az autós köztudatban inkább a planár megnevezés ismert) A generált feszülség értéke itt is 0 és 1 Volt közötti.



A kerámia egység magában foglalja a mérőcellát és a fűtőegységet is. Mint a kép jobb oldala is mutatja a mérőcella védelmére egy kettősfalú cső szolgál. A mérőcella egymásra helyezett vékony kerámialapokból áll.
A planár szonda lényegesen jobb tulajdonágokkal bír, mint a fentebb említett Nernst-szonda. Már 150 Celsius fokos kipufogoógáz hőmérsékleten működik, így a "megszólalási ideje" rendkívül kicsi, 3-5 másodperc. Akár 930 fokos hőmérsékletet is elvisel, várható élettartama hosszú. A planár szonda mára teljesen kiszorította a Nerst-szondát a gyári, első beépítés tekintetében.

A bemutatott két szondatípus fordul elő a hazai járműállomány döntő többségében. Gyakran felmerülő kérdés: ha tönkrement a "mezei" szonda, lehetséges-e a lényegesen jobb paraméterekkel bíró planár szondára kicserélni? A műszaki jellemzőket szem előtt tartva ez a csere mindenképpen csak ajánlható. Az esetek túlnyomó részében a gyakorlatban is gond nélkül megoldható, alig egy-két esetben találkoztunk nehézséggel. Egy alkalommal a fűtőbetét eltérő ellenállása aktivizálta a MIL lámpát, nagyon ritkán a planár szonda kettős védőcsövének nagyobb átmérője miatt a kipufogóban a menet alatti szakasz átmérőjét jelentéktelen mértékben meg kellett emelni.
A planár szondát "mezeire" cserélni viszont semmiképp sem ajánlott, a lambda-szabályozás sínylené meg a gyengébb műszaki jellemzőket. Ne felejtsük el: a két, egymástól paramétereiben jelentősen eltérő szondatípus bevezetése között bő két évtized telt el.





Az ábrán egy fűtött, 4 vezetékes szonda feszültségviszonyai láthatók.
Felül, pirossal a szonda által generált feszültséget jelenítettük meg.
Egy másik csatornán kékkel a szondafűtést vizsgálhatjuk. A bemelegedett szonda már nem igényli a folyamatos fűtést. Esetünkben a kb. 180 ms-os árammentes szakaszokat a kb. 80 ms-os fűtési szakaszok követik. A jobb áttekinthetőség miatt 200 ms/osztás időalapot választottunk.
A fűtőbetét ellenállása szonda típusonként változó lehet. Pl. Bosch szondáknál gyakori a 3 Ohm vagy 9 Ohm 20°Celsius környezeti hőmérsékleten. A fűtőbetét ellenállása a hőmérséklet növekedésével jelentősen változik.
A motorvezérlő rendszerek egy része érzékeny a fűtőbetét ellenállására: ha az eredetitől eltérő ellenállással bír a kicserélt lambda szonda, hibaüzenetet generálhat. A Saab B204L motorjain pl. a fűtőkörben folyó áram 500 mA és 2300 mA között kell, hogy maradjon. Ha ez a feltétel legalább 5 másodpercig nem teljesül, akkor világítani kezd a Check Engine lámpa.




Egy V6 motor két, katalizátor előtti (szabályzó) lambda szondájának a vizsgálatáról készült kép.
Mint látható, a lambda-szabályzás mindkét hengersoron rendben van. (Ne tévesszen meg bennünket az előző oszcilloszkóp ábrától eltérő időalap választás.) Ha ilyen esetben felmelegedett katalizátornál mégis rossz, határértéken kívüli CO értéket mérünk, akkor fáradt a katalizátor.


Jellemző befecskendező szelep nyitvatartási idők:

Központi befecskendezésnél alapjáraton, meleg motornál: 1,5-2 ms
Teljes terhelésnél: 10 ms körül

Hengerenkénti befecskendezésnél, üzemmeleg motornál alapjáraton: 1,5-3 ms között
Teljes terhelésnél: 10-20 ms között, típustól függően.


Mivel szorosan ehhez a témához tartozik, célszerű néhány mondatot ejteni a lambda integrátorról.
A motor kifinomult működése érdekében a lambda szonda által szolgáltatott feszültség érték alapján a befecskendezési időt nem lehet (pontosabban nem célszerű) nagy lépésekben változtatni. Ez járásegyenlőtlenséghez, rángatáshoz vezetne. A lambda szabályozási körben ezért találunk egy integrátor elemet, régebben hardver, mára szoftver formájában.
Csak röviden: egy, a közelmúlt igényeit kielégítő 8 bites rendszerben az integrátor 256 lépésben képes korrigálni a befecskendezési időt. Ennek megfelelően az ideális állapot az, ha a motor működése közben az integrátor középértéken áll, tehát a 128-ik lépcső környékén. Ettől az ideális állapottól "lefelé" és "felfelé" egyformán 128 lépésben képes az elvárt keverési arányt követni az integrátor - azaz addig növeli vagy csökkenti a befecskendezési időt, amíg a lambda szabályzás ismételten elindul. Ezt nevezzük "hosszútávú keverékillesztési funkció"-nak. (Erről sokkal nagyobb terjedelemben olvashat az E85: rövidtávú, hosszútávú keverékillesztés fejezetünkben) Ha valami durva hiba következtében -pl: dugulás, tápszivattyú elégtelen szállítás, hamis levegő szívás, stb.- ez mégsem tud bekövetkezni, akkor ennek az a látható következménye, hogy a hibatárolóba bekerül a "Keverékképzés szabályozási határérték túllépve" hibakód.

A lambdaszonda korrekt, szakszerű ellenőrzése (majdnem) kizárólag oszcilloszkóppal lehetséges. Vizsgáljuk a jelformát, a "csúcstól-csúcsig" feszültséget és a jelalak frekvenciáját. A lambda szonda minősítése körüli gyakori bizonytalanságnak véleményünk szerint részben a megfelelő műszerezettség hiánya, másrészt a nem elég mély szakmai tudás az oka.




Ínyenceknek létezik még egy számítógépes vizsgálati módszer. A svájci székhelyű Gutmann Messtechnik AG jónéhány éve megjelent a piacon a pocket-compaa nevű készülékével, így, végig kis betűvel, ámbátor nagy tudással. A (majdnem) zsebméretű készülék az egyszerű méréstől a programozott méréssorozat lefuttatásáig szinte mindent tud, amire a lambda szonda vizsgálata során szükség lehet. A méréssorozat során nyert diagramokat összehasonlítja a memóriájában tárolt referencia adatokkal, majd az eredményt kijelzi. Van még egy szinte behozhatatlan előnye: a Toyota Magermix rendszer és a Rover negatív-szonda csak ezzel a módszerrel cserkészhető be. (Jó tíz éve még a sikeres diagnosztikához elegendő lehetett: egy jól képzett szaki + információs háttér + oszcilloszkóp + gázelemző + nyomásmérő(k) + multiméter + stroboszkóp.... talán semmi más. De hol van már a tavalyi hó? Mára ez rég múlt idő.)

Egyes gyártók kínálatában rendszeresen megjelennek "megfizethető árú" lambda-szonda teszterek. A szonda működése közben a feszültség függvényében a LED diódák váltakozva világítanak. Kicsit is komolyabb vizsgálat céljára ezek az egyszerű eszközök alkalmatlanok.

Élettartam. Egy szonda általában 120-150 ezer km után kiöregszik, lelassul, a csúcstól-csúcsig feszültség értéke erősen lecsökken. Ilyenkor csak a csere segít. (Találkozni lehet 220ezer km-t futott, de még kielégítően működő szondával is.) Az olcsó, "utángyártott" szondákkal rossz tapasztalataink vannak. A boltok kínálatában már néhány ezer Forinttól találunk szondát. Élettartamuk nem egy esetben csak napokban mérhető, az is előfordul, hogy az új szonda beépítése után azonnal kiderül: kidobott pénz volt. Ilyen szondákat nem vásárolunk, ezt ügyfeleinknek sem ajánljuk -persze mindenki maga dönt.

A mindössze néhány, garantáltan jó minőséget nyújtó gyártó hosszú élettartamú (180-220e km), rövid felmelegedési idejű (5-6 mp) csúcskategóriás szondái nem olcsók. De -hosszabb távon- sokkal olcsóbbak, mintha kéthavonta kellene cserélni.

Zavar esetén - pl. elszakadt jelvezeték - az ECU egy átlagértékkel (általában 0,45V) helyettesíti be a kiesett jelet. Ilyenkor a motor ún. szükségfutás üzemmódban működik.



Gyenge minőségű utángyártott szonda dicstelen vége: a szondafűtés zárlatba került a szonda házával.
Ilyen hiba szerencsére ritkán fordul elő.


A fejlődés a lambda-szabályozásban (is) jól követhető. Először új kivitelű szondák jelentek meg (pl. planár). Jöttek a kocsitest független beépítési módok, majd egyes típusokba 5 Voltos szondákat szereltek. Később megjelentek a két szondával működő rendszerek.
Itt a katalizátor előtti szondának a funkciója változatlan, ez a szabályzószonda. A katalizátor után megjelent viszont a monitorszonda, aminek a feladata a kat. korrekt működésének ellenőrzése. Ha a monitorszonda jelalakja egy kritikus határt elér, ez a katalizátor kifáradását jelzi, az ECU ilyenkor a MIL-lámpát a műszerfalon felkapcsolja.
Egy új V6 motorban ennek megfelelően 4 szonda van.

Érdekességként megemlítjük az újabb, nagy hengerűrtartalmú 12 hengeres V-motorok "lambda szonda ellátottságát".
Itt minden két hengerhez tartozik egy szabályzószonda. Hengersoronként, a katalizátorok végén található egy-egy monitorszonda. Ez mindösszesen nyolc.

A legújabb: az 5, 6 vezetékes (ún. szélessávú) lambdaszonda. Extra széles működési tartományban dolgozik, 0,7-4 lambda érték között.



A kábelek száma, és a csatlakozó az első pillantásra egyértelművé teszi: szélessávú szondáról van szó.
Mivel ezt a szondatípust egyre több gépkocsinál alkalmazzák, előbb-utóbb minden érdeklődő találkozik vele, nem is beszélve a szakmát gyakorló kollégákról.

Közvetlen befecskendezésű (belső keverékképzés) rendszereknél csakis ez jöhet számításba. Egyes autógyártók (pl. VW-Audi csoport) előszeretettel alkalmazza hagyományos, külső keverékképzésű motorjainál is, de részecske-szűrős dízel motoroknál is megtaláljuk. Az első műszaki információk szerint közvetlenül nem vizsgálható, még oszcilloszkóppal sem. E szerint csupán egy vizsgálati módszer létezik, az "élő adatok" megfigyelése az ECU-n keresztül, kizárólag célműszerrel.
Ez később módosításra került, oszcilloszkópos vizsgálat is lehetséges, ezt mi is napi feladatként végezzük.

Szélessávú lambda szondát nagy tételben két gyártó készít: a Bosch (pl. a képünkön) illetve a japán NGK/NTK.
A tág szabályzási sáv miatt a szonda működési módja meglehetősen bonyolult. A szonda lelke a szivattyúcella, amely oxigén-ionokat "pumpál" a szenzor "hagyományos" (Nernst) cellához. A szivattyúzáshoz szükséges áram arányos a két cella közötti oxigénkoncentráció-különbséggel. Azaz, ha a Nernst cellában fenntartjuk a "lambda=1" légviszonyt, akkor a szivattyúzó áram arányos lesz a pillanatnyi légviszonnyal.

A kábelszínek a következők, BOSCH szondák estén:

Nernst cella jelvezeték: fekete
Jel negatív: sárga
Fűtőelem pozitív: szürke
Fűtőelem negatív: fehér
Szivattyúcella pozitív: piros

Kábelszínek NGK szondáknál:

Nernst cella jelvezeték: szürke
Jel negatív: fekete
Fűtőelem pozitív: kék
Fűtőelem negatív: sárga
Szivattyúcella pozitív: fehér

A nagyméretű szondacsatlakozó rejt még egy kalibráló ellenállást is, mely az ECU felé külön kivezetést kapott. Ez a magyarázat arra, hogy a szonda ugyan csak 5 vezetékes, a csatlakozótól az ECU-ig már 6 kábel fut.
A mindennapi diagnosztikában ezek közül három vezeték érdemel kiemelt figyelmet. A fűtésszálak vizsgálatának (Bosch szondánál: szürke-fehér) felmelegedett szonda esetén hasonló eredményt kell hoznia, amit az oldal első oszcillogramjának alsó részén, kék színnel látunk, mivel itt is szakaszos fűtésről van szó.
A szonda működését a "Szivattyúcella pozitív" kábel feszültségviszonyai mutatják. Megfelelő, lambda ablakon belüli keverékösszetételnél -és persze hibátlan szondánál- színuszjelhez közeli, csúcstól-csúcsig kb. 0,6 Volt amplitúdójú jelsorozatot kapunk - alapjáraton. (Mint a lenti ábrán is észrevehető, ezt a jelsorozatot ne a Nernst szondáknál megszokott 0 és 1 Volt közötti tartományban várjuk)




A fenti oszcilloszkóp ábrát egy Skoda Fabia 1,4 típusú, 55 kW-os teljesítményű, 2005 évjáratú (BKY motorkód) NGK gyártmányú hibátlanul működő szélessávú szonda vizsgálatánál nyertük, alapjárati fordulatszámon. Hogy a piros színű, ECU számára hasznos lambda jel áttekinthető legyen, az időalapot viszonylag nagyra (500 msec/osztás) kellett választani, így viszont a lambda fűtés szakaszos volta tisztán nem kivehető.




2500/perces fordulatszámot tartás után hirtelen gázadásra a lambdafeszültség így alakul.
Más típusoknál is hasonló vizsgálati eredményekre számíthatunk.


Az eddig említettektől teljesen eltérő az ún. "ellenállás-ugrás" szondák működési módja. (Ezen a néven kevesen ismerik, beleértve a legtöbb alkatrészforgalmazót is. Az "5 Voltos, négyvezetékes szonda" jobban elterjedt megjelölés.) Itt a kerámiaelem titándioxidból készül, ennek a tulajdonsága, hogy az ellenállását az oxigénkoncentráció függvényében változtatja.
Itt értelemszerűen elmarad a környezeti levegő bevezetése, belép viszont az ECU által előállított 5 Voltos referenciafeszültség. A jelvezetéken a referencia feszültség csökkenésének a mértéke a szonda ellenállásától függ, ezt használja fel az ECU a keverék pillanatnyi összetételének pontos megállapításához. Meglehetősen magas a megszólalási hőmérséklete, ezen részben segít a szonda fűtés. Nagyon kevés motornál találkozhatunk ezzel a szondatípussal, pl. a BMW, az Opel, a Volvo néhány típusán.

Kábel-színek titándioxid szondáknál:

Fűtés, pozitív: piros vagy szürke
Fűtés, negatív: fehér
Jelvezeték: sárga
Jel test: fekete




Bár a mérőcellát burkoló védőcső mérete és kialakítása is eltérő, az egyéb méretarányok is árulkodóak, a kábelszínekre tekintve tudjuk leggyorsabban azonosítani a titándioxid ("ellenállás-ugrás") szondákat. Ezek az eltérő működési mód miatt egyetlen más szondatípussal sem felcserélhetők.


Gyakori szondahibák:

-a csúcstól csúcsig mért feszültség lecsökken (fáradás)
-a szabályzási frekvencia lecsökken (fáradás)
-a "megszólalási hőmérséklet" megemelkedik, gyakran már csak emelt fordulaton működik
-a jelvezetékre fűtés-feszültség kerül (fűtött szondák esetén)
-mechanikus sérülések, szerelési hibák


A lambda szonda cseréje nem minden esetben problémamentes. Gyakran nem lehet hozzáférni, még gyakrabban - minden bevethető varázsszer mellett is - sérül a menet kiszereléskor. Az egyik V12-es motor 8 szondájának háromnegyede a motor beépített helyzetében egyáltalán nem érhető el.

Másutt is leírtuk:
Gyakran egyéb alkatrész, jeladó hibája aktivizálja lambdaszonda hibára utaló hibaüzenetet, ilyen esetben ezért kicserélése előtt mindíg győződjünk meg róla, hogy tényleg hibás-e ez a jeladó.
(Oszcilloszkóp!! Esetleg élőadatok vizsgálata /paraméter megjelenítés diagnosztikai műszerrel. Esetleg pocket-compaa. És tényleg semmi más...)






BmS Motordiagnosztika - Befecskendezős Motorok Szervize
www.injektor.hu
2030 Érd, Rózsa u. 5.
Tel.: 06-30-598-8006
NYITVATARTÁS:
Hétfőtől péntekig: 8-16 óráig.
ÜGYFÉLFOGADÁS KIZÁRÓLAG ELŐZETES IDŐPONTEGYEZTETÉS ALAPJÁN!

_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _