Ako funguje a na čo slúži Lambda sonda?

Určite sa už väčšina motoristov stretla s pojmom lambda sonda. Používa sa pri všetkých zážihových motoroch obsahujúcich elektronické vstrekovanie benzínu. Nutno dodať, že lambda sondu obsahujú aj moderné vznetové motory, kde slúžia podobne ako u zážihových motorov na optimalizáciu vstrekovaného množstva paliva, z hľadiska zníženia škodlivých emisií. Lambda sondu neobsahujú staršie karburátorom vybavené motory. Sonda slúži vo vozidle nato, aby motor pracoval hospodárne a produkoval minimálne množstvo škodlivých plynov. Prvý krát bola použitá od firmy Bosch vo vozidlách Volvo 240/260 v roku 1976. V moderných benzínových automobiloch sa  dokonca používajú lambda sondy dve, načo slúži tá druhá si popíšeme na konci článku.

Čo je to Lambda sonda a ako funguje?

Lambda sonda je snímač prítomnosti kyslíka vo výfukových plynoch. Ide o elektrochemický člen, ktorý na základe chemickej reakcie vytvára elektrický signál. Jeho výstupná hodnota sa mení v závislosti od obsahu kyslíka vo výfukových plynoch. Lambda sonda je teda kľúčovou súčiastkou katalytickej regulácie. Pomocou Lambda sondy vytvára riadiaca elektronika čo najoptimálnejší pomer benzínovej zmesi na spaľovanie. Je podlhovastého – fľaškovitého tvaru a aktívna časť tzv. pevný elektrolyt je zhotovený vo forme keramického materiálu. Vnútorný a vonkajší povrch je pokrytý platinovou vrstvou s mikropórmi, ktorá má rozhodujúci vplyv na charakteristiku senzora a zároveň slúži aj pre kontaktné účely. Platinová vrstva, ktorá má byť v kontakte s výfukovými plynmi, je pokrytá pevne naparenou vysoko pórovitou ochrannou keramickou vrstvou, ktorá ochraňuje senzor od usadenín vo výfukových plynoch. Tie spôsobujú eróziu platinovej vrstvy. Vďaka tomu sa sondy vyznačujú dlhodobou stabilitou svojich vlastností.

Pri svojej funkcii senzor vyčnieva do prúdu výfukových plynov a jeho fľaškovitý tvar je prispôsobený pre plynulé obtekanie okolo prúdiacich plynov. Princíp činnosti sondy je založený na špecifickom správaní keramického materiálu – Zr O2 (oxidu zirkónia), ktorý sa stáva po dosiahnutí určitej teploty elektricky vodivým. Keď vrstva keramiky pri danej teplote oddeľuje od seba dve plynné zmesi s rozdielnou koncentráciou kyslíka, dôjde k pohybu kyslíkových iónov vnútri keramického materiálu a tým aj ku vzniku el. napätia, ktoré je úmerné rozdielu koncentrácií kyslíka. Citlivá časť telesa z oxidu zirkónu reaguje na kyslík vo výfukových plynoch zmenami elektrického napätia a podľa týchto zmien, ktoré vyhodnocuje elektronická riadiaca jednotka motora sa upravuje zloženie zmesi, respektíve množstvo vstrekovaného paliva. Správny pomer “λ” by mal byť rovný 1 (λ je symbol pre grécke písmeno lambda), čo je hodnota, pri ktorej je zachovaný tzv. stechiometrický (optimálny) pomer medzi množstvom vzduchu a množstvom paliva. Tento pomer je 14,7:1, čo znamená, že na ideálne spálenie jedného kilogramu paliva potrebujeme 14,7 kg vzduchu. Vyjadrené v lepšie predstaviteľných jednotkách, na spálenie jedného litra paliva sa spotrebuje približne 9 500 litrov vzduchu. Pri spomenutom stechiometrickom pomere pracuje motor najhospodárnejšie a produkuje najmenej škodlivín. Ak je hodnota lambda väčšia ako 1, znamená to, že v zmesi je prebytok vzduchu (tzv. chudobná zmes). Ak je hodnota lambda menšia ako 1, znamená to, že v zmesi je prebytok prebytok paliva. Pri nadbytku paliva v zmesi sa zvyšuje koncentrácia uhľovodíkov a oxidu uhoľnatého vo výfukových plynoch, zatiaľ čo pri nedostatku paliva sa zvyšuje tvorba oxidov dusíka. Katalyzátor, v ktorom dochádza k premene škodlivých látok na látky menej škodlivé resp. neškodné.

Činnosť lambda sondy obsahujúcej Zr O2 si môžeme opísať aj vo fyzikálnych jednotkách nasledovne: funkčne lambda sonda teda vyrába napätie a tiež pracuje ako napäťový prepínač. Vyrobené napätie musí byť vyššie ako tzv. prahové (0,045 V). Pri nízkom obsahu O2vo výfukových plynoch sa jeho hodnoty pohybujú v rozmedzí 0,045-0,1 V. Pri vysokej úrovni kyslíka je napätie vyrábané sondou na úrovni min. 0,7 V a pohybuje sa v rozmedzí 0,7-1 V. Dôležitým funkčným parametrom je rýchlosť “prepnutia” sondy a to  min. 120 ms.

V praxi existuje aj iný princíp na zisťovanie obsahu kyslíka vo výfukových plynoch. Jedná sa o odporovú lambda sondu, ktorá v závislosti od prítomnosti kyslíka nemení svoje napätie, ale odpor. V blízkosti zloženia zmesi λ = l skokovo mení svoj odpor, v prípade bohatej zmesi má vysoký odpor, rádovo v mega Ohmoch a pri prechode na chudobnú zmes jej odpor klesá až po desiatky kilo Ohmov. Riadiaca jednotka napája odporovú lambda sondu stálym napätím 5 V. Pri zložení zmesi λ =0,9 je napätie na výstupe väčšie ako 3,85 V, a pri zložení zmesi λ =1,1 je výstupné napätie menšie ako 0,4 V. Tieto zmeny ako bolo písané prebiehajú skokovo a frekvencia zmeny sa pohybuje v rozmedzí  2-10 Hz.

Svoju činnosť zahajujú lambda sondy až pri určitej teplote. Pri klasickej lambda sonde je táto teplota v rozsahu 300 – 350 ° C, odporová sonda však pracuje pri vyšších teplotách. Aktívna je až od cca 500 ° C, preto sú všetky odporové lambda sondy vybavené tiež výhrevným odporom – vyhrievacím telieskom s odporom od 3 do 15 Ω. Odporové sondy dávajú riadiacej jednotke aj údaje o teplote, takže riadiaca jednotka môže obsluhovať aj funkciu ochrany katalyzátora.

 

Druhy lambda sond podľa počtu vodičov

V praxi sa môžeme stretnúť s druhmi, ktoré majú 1, 2, 3 alebo 4 vývody. V jedno-vodičovom prevedení je uzemnením samotný obal sondy. V tomto prípade musí byť dokonalý kovový kontakt medzi sondou a výfukovým potrubím. Samotný jeden vodič slúži k prenosu signálu. Sonda býva umiestnená blízko motora. Dvojvodičová sonda má kostru cez druhý káblik priamo z riadiacej jednotky. Tento typ lambda sondy sa nachádza za zberným potrubím, v časti, ktorá je k nemu pripojená cez pružné spojenie. Keď je sonda umiestnená ďaleko od motora, za zberným potrubím na spodku karosérie, musí byť vyhrievaná. Takéto sondy sú v troj alebo štvor vodičovom prevedení. Sonda je krytá plechom, ktorý má zabrániť mechanickému poškodeniu, ale aj ochladeniu samotnej lambda sondy okolo prúdiacim vzduchom. Keď by sa totiž pri jazde sonda ochladila, mohlo by to viesť k trhaniu motora a k nepravidelnému chodu. Preto sa tento plech nemá v žiadnom prípade odstraňovať a jeho absencia môže vyvolávať aj prejavy porúch. Trojvodičové prevedenie má podobne ako jednovodičová lambda sonda kostru cez obal a dvoma vodičmi je napájaný výhrevný odpor, tretí vodič slúži k prenosu signálu. Prevedenie so štyrmi elektrickými vývodmi má dva vodiče rovnako ako dvojvodičová lambda sonda a ostatné dva slúžia k napájaniu výhrevného odporu. Predpisové označenie vodičov lambda sondy by malo byť nasledovné:

  • Sivý vodič = Kostra – uzemnenie.
  • Čierny vodič = signálne vedenia.
  • 2 biele vodiče = napájanie vyhrievania.

Vyhrievanie lambda sondy sa aktivuje automaticky na základe teploty. Pre amatérskych opravárov je dôležitá informácia, že vodiče lambda sondy sa nemôžu letovať klasickou spájkovačkou. Ich spojenie je možné len cez spojku alebo konektor. Vodiče sú totiž vystavené teplote okolo 380 ° C a cín má teplotu tavenia cca 230 °C , čo by logicky viedlo k roztaveniu spojov.

Ak sa rozhodnete pre kontrolu lambda sondy, treba mať na pamäti, že táto kontrola sa robí vždy pri motore zohriatom na prevádzkovú teplotu a otáčkach, ktoré sú vyššie o 1200 ot/min od voľnobežných. Vstup meracieho zariadenia (osciloskopu) sa pripája  k signálovému vodiču sondy (čierny), pričom sonda sa od riadiacej jednotky neodpojuje. Demontáž chybnej sondy ide najľahšie previesť (povoliť) pri teplote motora okolo 50 °C. Pred demontážou odpojíme ešte konektor riadiacej jednotky.

Zloženie lambda sondy

Dve lambda sondy

Súčasné lambda sondy sa pri dodržiavaní predpísanej údržby vozidla a tankovaní kvalitného paliva vyznačujú životnosťou  približne 160-200 000 najazdených kilometrov a svoju funkčnosť zahajujú už 10 sekúnd po naštartovaní motora. Všeobecne sa dá napísať, že dôsledkom nefunkčnej lamda sondy je vyššia spotreba paliva, nepravidelný chod motora a zhoršená dynamika. Moderné motory a ich výfukový systém obsahujú lambda sondy dve. Lambda sonda, na základe ktorej sa reguluje spaľovanie (zloženie zmesi) a o ktorej sme písali je samozrejme pred katalyzátorom. Druhá tzv. kontrolná lambda sonda je umiestnená za katalyzátorom. Táto lambda sonda nemá v systéme úlohu regulovať zloženie zmesi (to robí lambda prvá), ale jej úlohou je kontrolovať účinnosť katalyzátora, teda de facto sledovať zbytkový kyslík, ak sa nejaký dostal za katalyzátor. Pokiaľ je totiž katalyzátor nefunkčný (zapchatý, rozpadnutý atď.), nedochádza v ňom ku katalytickému rozkladu škodlivín a percento zbytkového kyslíka v splodinách je vyššie, prakticky rovnaké ako meria lambda sonda pred katalyzátorom. Pokiaľ sa takéto niečo vyskytne, táto “kontrolná” lambda sonda zareaguje a systém pomocou riadiacej jednotky motora ECU vyhlási chybu resp. pri niektorých motoroch prepne riadiaca jednotka núdzový režim.

Lambda sonda pre dieselové motory

Čoraz prísnejšie emisné normy si vyžiadali zavedenie dovtedy výhradne “benzínových” lambda sond aj do dieselových motorov. V spolupráci s riadiacou elektronikou obmedzujú dymivosť, zabraňujú neželanému samovznieteniu, pomáhajú znižovať obsah škodlivých emisií vo výfukových plynoch a spolupracujú aj na optimalizácii spotreby. Pre moderné dieselové motory sa používajú špeciálne lambda sondy napr. Bosch LSU ADV. Dôraz sa kladie nielen na presnosť merania, či široko-pásmovosť (λ =0,6 až vzduch), ale aj na čo najrýchlejšie uvedenie do prevádzky (5-20 sekúnd), aby mal motor už krátko po studenom štarte optimalizované spaľovanie.

 

Možné poruchy a kontrola lambda sondy

Funkčnosť prvých lambda sond sa odporúčala preverovať cca. každých 30 000 km, keďže pomerne rýchlo podliehali starnutiu a materiálovému opotrebovaniu. Moderné lambda sondy väčšinou už bez problémov zvládajú 150 000 – 200 000 km, a tak je ich kontrola viac menej sporadická. Znečistené palivo či zvyšky nespáleného oleja však môžu ich životnosť výrazne skrátiť. Preto je dôležité udržiavať v dobrej kondícii aj motor a prípadné problémy nepodceňovať. Pri preverovaní lambda sondy je potrebné pozrieť aj na riadiacu jednotku a kabeláž. Vizuálne treba skontrolovať všetky spojovacie vedenia, konektory a samotné teleso sondy. Rovnako ochranný kryt pokiaľ je poškodený môže napovedať zlý stav.

Pokiaľ pri opakovanom studenom štarte motor zle chytá a z výfuku cítiť benzín, je to typický príznak zlej lambda sondy. Rovnako sprievodným javom je vyššia spotreba, kolísanie otáčok a samozrejme výrazne skrátenie životnosti katalyzátora. Väčšinou je sprievodným javom štrajkujúcej lambda sondy aj svietiaca kontrolka riadenia motora.

Ak nefunguje správne regulácia lambda sondy, často sa stáva, že problém je v zapaľovaní alebo v niektorom zo snímačov motora, preto je nutné spraviť kompletnú kontrolu – diagnostiku. Pri kontrole sondy treba mať úplnú istotu, že problém skutočne nie je v zapaľovaní, inak diagnostikovanie lambda sondy bude chybné.