Sondy lambda – trwałe, ale nie wieczne

Od właściwego działania sondy lambda zależy nie tylko skuteczność i trwałość katalizatora, ale także zużycie paliwa.

Gdy przed laty mocno zaostrzono normy czystości spalin, okazało się, że nie sposób im sprostać bez użycia trójfunkcyjnego konwertera katalitycznego – urządzenia, które doprowadza do wzajemnych reakcji chemicznych między tlenkiem węgla (CO), tlenkami azotu (NOx) oraz węglowodorami (HC), dzięki czemu eliminowane są szkodliwe składniki gazów wydechowych. By jednak konwerter, zwany powszechnie katalizatorem, mógł spełnić stawiane przed nim zadanie, trzeba było jeszcze sprawić, aby docierające doń spaliny powstawały podczas spalania mieszanki paliwowo-powietrzej o współczynniku nadmiaru powietrza (oznaczany symbolem λ, a nazywanym współczynnikiem lambda) równym 1 (lub bliskim tej wartości), gdyż tylko wtedy konwerter działał skutecznie. Zrodził się zatem problem, jak skład taki osiągnąć w każdych, zmiennych przecież warunkach pracy silnika. Rozwiązanie znaleziono dzięki wykorzystaniu do sterowania pracą wtryskiwaczy paliwa także sygnałów pochodzących z umieszczonej w kolektorze wydechowym sondy lambda.

Czujnik tlenu

Sonda ta to nic innego jak czujnik reagujący na obecność tlenu w spalinach. W gazach wydechowych tlen zaś pojawia się w chwili, gdy w mieszance paliwowo-powietrznej dostarczanej do cylindrów zaczyna być za dużo powietrza, czyli gdy mieszanka staje się uboga lub, mówiąc inaczej, gdy jej współczynnik lambda jest większy niż 1. Korzystając z informacji podawanych przez sondę „wyczuwającą” obecność tlenu, układ zarządzający działaniem wtryskiwaczy może zatem na bieżąco tak korygować ilość podawanego przez nie paliwa, by skład mieszanki był jak najbardziej zbliżony do pożądanego.

Cyrkon i napięcie

W przypadku niegdyś niemal wyłącznie stosowanych sond cyrkonowych podawanym przez nie sygnałem jest napięcie. Powstaje ono między zewnętrzną i wewnętrzną powierzchnią jednostronnie zamkniętej tulejki, stanowiącej zasadniczy element sondy. Tulejka ta, od zewnątrz omywana spalinami, od środka zaś mająca kontakt z powietrzem atmosferycznym, wykonana jest z pokrytego cieniutką warstewką platyny spieku dwutlenku cyrkonu. Materiał ten ma tę własność, że w temperaturze powyżej 300 °C jakakolwiek różnica w stężeniu tlenu na powierzchniach elementu wykonanego z tegoż spieku powoduje powstanie napięcia. Kiedy więc mieszanka jest uboga, a zatem i w spalinach znajduje się sporo tlenu, napięcie między zewnętrzną i wewnętrzną powierzchnią tulejki ma niewielką wartość (100-200 mV). Jeżeli zaś staje się bogata i w gazach wydechowych ilość tlenu spada, napięcie rośnie do 800-1000 mV.

Spaliny potrafią oczywiście rozgrzać sondę i utrzymać ją w odpowiedniej temperaturze (najkorzystniejsza jest ok. 600 °C), ale by przy zimnym silniku działo się to szybciej, stosowany bywa wewnętrzny element grzewczy. Do sondy dochodzą wówczas 3 lub 4 przewody, a nie 1 lub 2.

Tytan i oporność

Sondy tytanowe, coraz częściej spotykane, od cyrkonowych różnią się tym, że zależnie od poziomu tlenu w spalinach zmieniają swą oporność. Kiedy w gazach wydechowych jest dużo tlenu (mieszanka uboga), oporność sondy sięga ok. 20 kΩ. Gdy spaliny zawierają go niewiele (mieszanka bogata), oporność zmniejsza się do ok. 1 kΩ. Napięcie 5 V, jakie zazwyczaj sterownik układu wtryskowego podaje na sondę, zostaje więc stosownie do ilości tlenu w spalinach (a tym samym oporu sondy) zmodyfikowane i na tej podstawie można dokonywać odpowiednich korekt w czasie otwarcia wtryskiwaczy.

To nie jedyna różnica między obydwoma rodzajami sond, choć wystarczająca, by nie były one wzajemnie zamienne. Oprócz tego sondy tytanowe sprawnie pracują dopiero przy temperaturze 700-800 °C. Występują więc wyłącznie w układzie podgrzewanym. Poza tym, ponieważ do ich działania nie jest potrzebny kontakt z powietrzem atmosferycznym, zanieczyszczenia powietrza nie mają wpływu na ich funkcjonowanie.

Oznaki awarii

Generalnie sondy lambda, bez względu na ich rodzaj, są elementami długowiecznymi i gdy nic się nie przydarzy, wykazują pierwsze oznaki zużycia nie wcześniej niż po ok. 50 tys. kilometrów. Bywa jednak, że na skutek: wibracji, uszkodzeń mechanicznych, wilgoci i brudu, osadów rozmaitej natury trzeba zainteresować się nimi znacznie wcześniej. Przesłankami skłaniającymi do tego są:

• zwiększona ilość CO i HC w spalinach ujawniona podczas kontroli składu spalin przy użyciu analizatora;
• zwiększone zużycie paliwa (nawet o kilka litrów na 100 km!);
• osady na rurze wydechowej;
• czarny dym wydzielający się z rury wydechowej;
• nierównomierna praca silnika i słabe jego osiągi.

Po zauważeniu któregokolwiek z tych objawów należy niezwłocznie ustalić, czy rzeczywiście jego powodem jest sonda. Dłuższa praca silnika z uszkodzoną sondą, oprócz większego zużycia paliwa, może bowiem doprowadzić do zniszczenia katalizatora.

Kontrola wzrokowa

Najprościej będzie zacząć od wzrokowej kontroli sondy. Patrzymy zatem czy:

• przewody i wtyk nie uległy nadtopieniu na skutek kontaktu z gorącym kolektorem czy rurą wydechową;
• przewody nie zostały naderwane lub wręcz przerwane ( np. dlatego, ze były zbyt mocno naprężone);
• nie nastąpiło obluzowanie uszczelnienia przewodów dochodzących do sondy, co mogłoby wskazywać, że dostała się do niej woda;
• wilgoć nie dostała się do wnętrza wtyku i nie spowodowała korozji złącz.

Zanim przejdziemy do pomiarów, dobrze jest też wykręcić sondę i przyjrzeć się, jak ona wygląda. Nie powinno być na niej:

• nagaru – duże osady z sadzy blokują otwory rurki ochronnej, co skutkuje wydłużeniem czasu reakcji sondy. Powodem ich powstania jest na ogół zbyt bogata mieszanka paliwowa lub uszkodzony element grzejny sondy.
• białego lub szarego osadu – wskazuje on, że zostały użyte niewłaściwej jakości dodatki do paliwa lub oleju, które mogły doprowadzić do uszkodzenia sondy.
• jasnego osadu – to widok już praktycznie nie spotykany, gdyż oznacza, że w paliwie znajdował się ołów. Obecność tego metalu negatywnie wpływa zaś na metale szlachetne, które znajdują zastosowanie zarówno w sondach, jak i katalizatorach.

Pomiary

Jeśli wszystko wygląda jak należy, przechodzimy (w przypadku sondy podgrzewanej) do sprawdzenia oporności obwodu grzewczego. Zwykle nie powinna być ona większa niż 30 Ω.

Kolejnym krokiem będzie skontrolowanie sygnału sondy. Robimy to przy użyciu oscyloskopu, gdy silnik i sonda nagrzeją się do normalnej temperatury pracy.

Testując sondę cyrkonową, przede wszystkim należy sprawdzić sygnał napięciowy przy obrotach silnika wynoszących ok. 2000 obr/min. Powinien on oscylować pomiędzy 0,2 a 0,8 V co najmniej raz na sekundę, zaś jego średnia wartość winna wynieść ok. 0,5 V. Pożądany czas odpowiedzi (reakcji) sondy na zmiany składu mieszanki to ok. 300 ms. By go ocenić, najpierw kilkukrotnie otwieramy przepustnicę, doprowadzając w ten sposób do wzbogacenia mieszanki i – w konsekwencji – do wzrostu napięcia sondy. Następnie – w celu zubożenia mieszanki – odłączamy przewód podciśnienia, napięcie ulega wówczas obniżeniu.

Sposób testowania sondy tytanowej jest zbliżony. Oscylacja napięcia powinna być podobna, tyle że zależnie od typu układu będzie się mieściła w zakresie od 0 do 1 V lub od 0 do 5 V, zaś jej częstotliwość będzie mniejsza.

Oryginalna i uniwersalna

Praktycznie poza najbardziej banalnymi, łatwymi do usunięcia awariami (przerwaniem przewodu, korozją styków) w każdym innym przypadku sondę należy wymienić na nową. Można w tym celu oczywiście zaopatrzyć się (np. w sieci producenta pojazdu) w tzw. oryginalną, przeznaczoną do ściśle określonego modelu samochodu, ale taniej będzie poszukać uniwersalnej. Sondy takie oferuje znanych firm, m.in. Bosch, Delphi, Magnetti Marelli czy NGK. Nie trzeba się więc obawiać o jakość sond sygnowanych ich znakiem, tym bardziej że niemal identyczne części tych wytwórców trafiają na pierwszy montaż. Cała różnica polega w zasadzie na tym, że aby sondę uniwersalną podłączyć do instalacji pojazdu, trzeba ją najpierw uzbroić we wtyczkę od wymienianej zużytej czy uszkodzonej sondy. Nie jest to jednak operacja pracochłonna, gdyż w komplecie wraz z nową sondą znajduje się zwykle specjalny zestaw pozwalający sprawnie operację tę przeprowadzić.

Zasady doboru

Na koniec wypada jeszcze poświęcić parę słów doborowi sondy uniwersalnej do konkretnego modelu samochodu, bo każdy z dostawców oferuje po kilka ich typów. Niby służą do tego katalogi, niemniej jednak warto wiedzieć, że:

• Należy szukać sondy o liczbie przewodów takiej samej, jaką miała sonda uszkodzona. Tylko w niektórych przypadkach możliwe jest zastosowanie sondy 3-przewodowej w miejsce 4-przewodowej (bez izolowanej masy).
• W przypadku sond 3- i 4-przewodowych podgrzewanych koniecznie trzeba wybrać sondę z właściwego materiału, tzn. cyrkonową lub tytanową. Tytanowe zwykle mają czerwony przewód grzałki.
• Trzeba ustalić, jaką średnicę gwintu musi mieć sonda. Zdecydowana większość ma gwint Ml8, a tylko nieliczne  mniejszy gwint Ml2. Można to łatwo zmierzyć.
• W przypadku sond czteroprzewodowych należy określić, czy masa jest izolowana czy nie izolowana. Nie sposób tego stwierdzić wizualnie, trzeba kierować się katalogiem.
• W przypadku sond podgrzewanych musimy wybrać sondę o właściwej mocy grzałki (stosowane są grzałki słabsze: 7-, 12-watowe, i mocniejsze: 16-, 18-watowe). Zastosowanie  grzałki o niewłaściwej mocy, może skutkować złą pracą sondy.

Sam montaż sondy nie przedstawia zwykle większych problemów. Trzeba tylko zwrócić uwagę, by została dobrze dokręcona, a jej przewody przebiegały tak samo jak poprowadzone były kable sondy oryginalnej i w żadnym wypadku nie miały szansy zetknąć się z gorącymi elementami układu wydechowego.