Sondy lambda w pytaniach i odpowiedziach

Jakie zadanie spełnia sonda lambda, jak działa, jakie są jej typy? Na najczęściej stawiane pytania dotyczące czujników tlenu odpowiada Stefan Verhoef, product manager w firmie DENSO, która jest jednym z czołowych światowych producentów tych elementów.

Jaką rolę pełnią sondy lambda?

Sondy lambda współpracują z systemem wtrysku paliwa, katalizatorem i elektronicznym modułem sterującym (ECU) w celu uzyskania możliwie najmniejszej emisji szkodliwych dla środowiska składników spalin. Sonda lambda realizuje ten cel poprzez monitorowanie procentowej zawartości tlenu w spalinach samochodu. Dane te przesyłane są do ECU, który reguluje skład mieszanki paliwowo-powietrznej. Prawidłowy jej skład jest bowiem niezbędny dla sprawnego działania katalizatora, który neutralizuje możliwie największą ilość szkodliwych substancji emitowanych w spalinach, zanim opuszczą one pojazd.

Gdzie są umieszczone sondy lambda?

Każdy nowy samochód oraz większość pojazdów produkowanych od roku 1980 ma przynajmniej jedną sondę lambda. Zazwyczaj jest ona umieszczona w rurze wydechowej pojazdu przed katalizatorem. Jest to sonda regulacyjna. Nowsze auta   mają też sondę za katalizatorem,  nazywaną  diagnostyczną. Dokładne umiejscowienie sond lambda jest różne i zależy głównie od budowy układu wydechowego, ta zaś m.in. od tego czy silnik jest rzędowy czy widlasty. jak również od modelu i marki pojazdu. Najpewniejsze źródło informacji stanowi zatem dokumentacja producenta pojazdu.

Dlaczego skład mieszanki paliwowo-powietrznej musi być na bieżąco monitorowany?

Skład mieszanki jest bardzo ważny, ponieważ  zależy od niego przebieg procesu spalania,  a następnie  efektywność pracy katalizatora, który ma za zadanie maksymalnie zmniejszyć w spalinach ilość trzech substancji szkodliwych – tlenku węgla (CO), niespalonych węglowodorów (HC) i tlenków azotu (NOx).

Zależnie od ilości tlenu w spalinach sonda lambda zmienia swój sygnał wyjściowy, który odbiera ECU i na tej podstawie ocenia, czy mieszanka ma odpowiedni skład (stosunek powietrza do paliwa). Ilość wtryskiwanego paliwa regulowana jest za pomocą zmiany czasu wtrysku w układzie zamkniętym. Po wykryciu zbyt bogatej mieszanki ilość wtryskiwanego paliwa zostaje zmniejszona, gdy mieszanka jest zbyt uboga, objętość wtryskiwanego paliwa ulega zwiększeniu. Celem jest osiągnięcie optymalnego (stechiometrycznego) stosunku powietrza do paliwa w mieszance doprowadzanej do silnika.  Wpływa on bowiem na proces spalania,  umożliwia także  zajście w katalizatorze reakcji chemicznej między szkodliwymi gazami i tlenem, czego produktem są nieszkodliwe już gazy opuszczające układ wydechowy. Jeśli katalizator pracuje prawidłowo, w reakcji tej zużywany jest cały tlen ze spalin.

Dlaczego samochody wyposażone są w więcej niż jedną sondę lambda?

W większości  współczesnych samochodów, oprócz sondy lambda umieszczonej przed katalizatorem (regulacyjnej), znajduje się druga sonda zamontowana za katalizatorem (tzw. sonda diagnostyczna). Sonda przed katalizatorem jest czujnikiem, który wchodzi w skład systemu sterowania, pomagając ECU w regulacji składu mieszanki. Diagnostyczna sonda ulokowana za katalizatorem ma za zadanie monitorować jego działanie. Czyni to  poprzez pomiar poziomu tlenu w spalinach, opuszczających katalizator. Jeśli sygnał sondy ma odpowiednie napięcie, oznacza to, że katalizator działa skutecznie. Dzieje się tak dlatego, że  w pracującym prawidłowo katalizatorze, cały tlen zawarty w spalinach jest zużywany w reakcji chemicznej ze szkodliwymi substancjami. Jednak w miarę zużywania się katalizatora, część szkodliwych gazów i tlenu nie bierze udziału w reakcji chemicznej i w niezmienionej postaci opuszcza katalizator. Sygnał wyjściowy z sondy lambda za katalizatorem stopniowo zbliża się więc do sygnału z sondy lambda przed katalizatorem, aż w końcu oba sygnały są takie same. Oznacza to awarię (zużycie się) katalizatora.

Jakie są główne typy sond lambda?

Do głównych typów sond lambda zalicza się sondy cyrkonowe, liniowe (A/F) i tytanowe. Wszystkie pełnią tę samą  rolę, ale wykorzystują różne sposoby do pomiaru stężenia tlenu, a przez to stosunku paliwa i powietrza,  oraz przekazują różne sygnały wyjściowe:

• 

  Cyrkonowe sondy lambda (zarówno kubkowe, jak i planarne) są najbardziej konwencjonalną technologią. Sonda cyrkonowa wskazuje, czy stosunek powietrze/paliwo jest wyższy, czy niższy od współczynnika lambda równego 1. ECU stopniowo zmienia dawkę paliwa, aż sonda ponownie wskaże, że skład mieszanki jest nieprawidłowy. W tym momencie ECU rozpoczyna kolejną stopniową korekcję w przeciwnym kierunku. Metoda ta jest stosunkowo wolna i polega na ciągłej korekcie w sąsiedztwie współczynnika lambda równego 1, lecz nie pozwala , by jego wartość cały czas tyle wynosiła. Ogólnie rzecz ujmując, układy z sondą cyrkonową będą wykazywały pewną niedokładność w regulacji ilości wtryskiwanego paliwa, zwłaszcza podczas zmieniających się warunków jazdy (nagłe przyspieszanie i zwalnianie), w wyniku czego katalizator będzie pracował mniej efektywnie.

• 

  Pierwsze sondy A/F zostały opracowane przez DENSO. Umożliwiają spełnienie coraz surowszych wymagań dotyczących emisji spalin. Są bardziej czułe i wydajne niż sondy cyrkonowe. Sonda A/F wskazuje dokładną wartość stężenia tlenu i tym samym stosunku powietrza do paliwa. Oznacza to, że ECU otrzymuje informację, jak daleko stosunek powietrze/paliwo odbiega od współczynnika lambda równego 1, sterownik może zatem również określić wielkość potrzebnej korekty dawki wtryskiwanego paliwa. Pozwala to modułowi sterującemu silnikiem tak skorygować ilość podawanego paliwa, aby niemal natychmiast osiągnąć i utrzymać współczynnik lambda równy 1.
  Układy z sondą typu A/F charakteryzują się większą dokładnością w regulacji ilości wtryskiwanego paliwa, dzięki czemu w katalizatorze utrzymywane są optymalne warunki, a pojazd emituje mniej szkodliwych związków, zużywa mniej paliwa i lepiej sprawuje się podczas jazdy.

• Sondy tytanowe są pod wieloma względami podobne do sond cyrkonowych, Różnica między nimi polega na tym , że sondy cyrkonowe (oraz sondy typu A/F) wymagają kontaktu z powietrzem atmosferycznym, by porównać jego skład ze składem spalin, zaś sondy tytanowe mogą funkcjonować bez takiego kontaktu. Dzięki temu doskonale sprawdzają się w pojazdach terenowych (o napędzie 4×4), które  przejeżdżając przez wodę w pewnym stopniu się zanurzają. Sondy tytanowe również w takiej sytuacji działają efektywnie. Różnią się one od innych sond również sygnałem wyjściowym – nie generują napięcia, tylko zmieniają swoją rezystancję. Nie mogą być zatem wymieniane na sondy innego typu, zamiennik tytanowej sondy lambda również musi być sondą tytanową.

 Co oznaczają terminy „dedykowana” i „uniwersalna”?

Terminy te odnoszą się do sposobu montażu sondy lambda. Sondy dedykowane mają wtyczkę dostosowaną do specyfikacji konkretnego pojazdu i są gotowe do montażu. Uniwersalne sondy lambda są sprzedawane bez wtyczki, co pozwala na ponowne wykorzystanie wtyczki ze zużytej sondy.

 Co dzieje się w przypadku usterki sondy lambda?

Gdy sonda lambda ulegnie awarii, ECU nie otrzymuje danych, jaki jest stosunek powietrza i paliwa w mieszance. Musi zatem niejako „zgadywać”, jaka ilość paliwa powinna być wtryskiwana. Powoduje to mniej wydajne wykorzystanie paliwa, a tym samym większe jego zużycie. Jest również przyczyną mniejszej sprawności katalizatora i niekiedy wyższego poziomu emisji składników szkodliwych w spalinach.

Jak często należy wymieniać sondy lambda?

DENSO zaleca wymianę zgodnie z wytycznymi producenta pojazdu. Działanie i sprawność sond lambda należy jednak sprawdzać podczas każdego przeglądu samochodu – stary lub zużywający zbyt dużo oleju silnik potrzebuje wymiany sond częściej niż wskazuje specyfikacja.

Warto również wspomnieć o tym, że na wydajność i żywotność sondy lambda negatywnie wpływa zanieczyszczone lub niskiej jakości paliwo. Szkodliwe są też dodatki do oleju silnikowego (np. detergenty), dodatki do paliwa, preparaty uszczelniające silnik itp.
Zanieczyszczone paliwo, po podgrzaniu do temperatury powyżej 700 stopni Celsjusza, może wydzielać szkodliwe opary, które negatywnie wpływają na sondę lambda, powodując zapychanie elektrod. Jest to powszechna przyczyna przedwczesnych awarii sond lambda. Nowoczesna konstrukcja sond DENSO eliminuje to niebezpieczeństwo, gdyż podwójna powłoka ochronna z tlenku glinu, która otacza element ceramiczny sondy, chroni sondę przed zanieczyszczonym paliwem i zapewnia jej prawidłowe działanie.

Jak szeroki jest asortyment sond lambda DENSO?

Mówiąc najkrócej obejmuje on  417 numerów katalogowych,  znajdujących blisko 5600 zastosowań i pokrywających ponad 68%  europejskiego parku pojazdów. DENSO wytwarza sondy lambda z grzałką i bez (kubkowe i planarne), sondy typu A/F (z charakterystyką liniową), sondy Lean Burn (mieszanki ubogie) oraz tytanowe – zarówno dedykowane, jak i uniwersalne, zarówno regulacyjne,  jak i diagnostyczne.

Dodać jeszcze należy, że czujniki tlenu DENSO są spawane laserowo i poddawane rygorystycznym testom jakościowym, dzięki czemu spełniają najwyższe wymogi OE i zapewniają długoterminowe, niezawodne i wydajne działanie.