• Czujniki tlenu w spalinach rozróżnia się na wąskopasmowe i szerokopasmowe
• Pomiar oscyloskopem warto zacząć od obwodu grzałki
• Oscylogramy mogą różnić się w zależności od lokalizacji sondy w układzie wydechowym
• Więcej informacji w polskiej (i nie tylko) branży aftermarketowej i motoryzacyjnej znajdziesz na stronie głównej Motofaktora. Jeśli chcesz być na bieżąco z najważniejszymi wiadomościami z branży — zapisz się na nasz newsletter

Sonda lambda mierzy zawartość tlenu resztkowego w spalinach. Na podstawie pomiaru określana jest wartość współczynnika lambda określającego stosunek masy powietrza, w którym zachodzi spalanie do ilości potrzebnej do spalania całkowitego.

Czujnik zawartości tlenu w spalinach (zwany sondą lambda) to popularny, a zarazem wdzięczny obiekt pomiarów oscyloskopowych. Niewielka częstotliwość sygnału oraz znane poziomy napięć sprawiają, że jest to pomiar, od którego można rozpocząć swoją przygodę z oscyloskopem. Popularna nazwa tego czujnika pochodzi od współczynnika nadmiaru powietrza (oznaczanego grecką literą λ), określającego stosunek masy powietrza, w którym zachodzi spalanie do ilości potrzebnej do spalania całkowitego. Na wstępie warto zaznaczyć, że możemy się spotkać z kilkoma rodzajami sond lambda, które musimy rozróżnić.

To popularny rodzaj sondy lambda, obecny w wielu pojazdach. Czujnik stanowi rodzaj ogniwa w którym powstanie napięcia zależy od różnicy w koncentracji tlenu między spalinami, a punktem odniesienia (otoczeniem). Do działania konieczne jest nagrzanie elementu do 300°C, których osiągnięcie zapewnia wbudowana grzałka. Taka sonda ma cztery wyprowadzenia z których dwa prowadzą do elementu grzejnego (oporność obwodu podgrzewania rzędu 2 – 4 Ω jest typowa dla wszystkich rodzajów sond lambda), a dwa stanowią wyjście ogniwa pomiarowego. Napięcie sondy mieści się w zakresie od 0 do 1 V. Ogniwo wytwarza napięcie 0,45V gdy λ = 1. Jeśli wartość lambda rośnie ( λ > 1, mieszanka uboga) napięcie spada, a gdy lambda spada (λ < 1, mieszanka bogata) to napięcie rośnie.

Oscyloskop możemy włączyć zarówno w obwód grzałki jak i wyjścia z sondy. Kontrolę sondy dobrze rozpocząć od obwodu grzałki. Sygnał sondy będzie obecny dopiero po jej nagrzaniu. Zasilanie grzałki może być danej chwili stałe lub jest realizowane sygnałem typu PWM. Sterownik silnika wykorzystuje ten sygnał do dostosowania mocy grzałki. Ustawiamy oscyloskop wybierając podstawę czasu 500 ms/dz oraz amplitudę 5V/dz. Obserwujemy przebieg, którego amplituda jest zgodna z napięciem w instalacji elektrycznej pojazdu. W ten sposób potwierdzamy zasilanie obwodu podgrzewania.

Sygnał sondy mierzymy na rozgrzanym silniku i po podniesieniu przez pewien czas obrotów do przynajmniej 2000 obr./min. Ustawiamy 500ms/dz oraz 0,2V/dz. Prawidłowy sygnał to oscylacje, których okres powinien być krótszy od 2 sekund. Minimum i maksimum wartości napięcia to 0,1 i 0,9V. Jeśli napięcie ma poziom sięgający niemal 5V, mamy do czynienia z sondą tytanową.

Na uzyskane przebiegi kluczowy wpływ ma umiejscowienie sondy lambda. Pokazany przebieg dotyczy czujnika zamontowanego przed katalizatorem. Jeśli sprawdzamy sondę za katalizatorem, częstotliwość przebiegu jest znacznie niższa. W tym przypadku „leniwe” zachowanie sygnału sondy jest prawidłowe i świadczy o poprawnym działaniu katalizatora. W przypadku zupełnie niesprawnego katalizatora obydwie sondy będą dawać podobny sygnał.

Uszkodzona sonda lambda albo nie będzie generować sygnału w ogóle (co jest proste do stwierdzenia), albo przebieg będzie nieprawidłowy – pierwszym symptomem będzie sygnał zbyt wolny, np. jedna oscylacja na kilka sekund. Często maleje także amplituda sygnału – osiągane minima i maksima oddalają się od poziomów 0 i 1V.

Element pomiarowy jest wykonany z dwutlenku tytanu. W przeciwieństwie do sond cyrkonowych, ten rodzaj czujnika nie generuje napięcia, a element pomiarowy zmienia rezystancję w zależności od koncentracji tlenu. Rezystancja rośnie w przypadku mieszanki ubogiej, a spada w przypadku bogatej. Sonda lambda tego typu ma również cztery wyprowadzenia (z czego dwa zasilają grzałkę). Pomiar oporności jest realizowany przez sterownik podobnie jak w przypadku czujników temperatury. Wyjście czujnika jest podłączone do napięcia referencyjnego 5V ze sterownika przez rezystor, co pozwala na zmiany wyjścia w zakresie od 0 do 5V. Obecnie sondy tego typu spotyka się rzadko.

Pomiar obwodu grzania przeprowadzamy analogicznie do pomiaru w przypadku cyrkonowej sondy lambda. Po osiągnięciu temperatury roboczej przez czujnik można przejść do pomiaru napięcia wyjściowego. Skalę napięcia ustawiamy w tym przypadku na poziomie 1V/dz, ponieważ napięcie wyjściowe może sięgać 5V. Oscylacje powinny wyglądać bardzo podobnie do sondy cyrkonowej, ale ich amplituda będzie wyższa – napięcie będzie się zmieniać między ok. 0,2 a 4,7V.

W przypadku sond tytanowych kryteria oceny są podobne, musimy jednak uwzględnić poziomy napięć. Prawidłowy sygnał oscyluje między ok. 0,2V a 4,5V. Sondy tytanowe charakteryzuje krótki czas przejścia między stanem wysokim a niskim, choć sama częstotliwość podobna lub niższa od częstotliwości sygnału sond cyrkonowych.

Nieco bardziej skomplikowany jest pomiar w przypadku szerokopasmowej sondy lambda. O ile poprzednie rodzaje pozwalały nadzorować wartość lambda tylko w okolicach jedności (λ = 1), to sondy tego typu mogą wyznaczyć równowartość wartości λ mieszanki dla zakresu w szerszym zakresie (stąd nazwa). Sztuczka polega na rozszerzeniu typowej sondy cyrkonowej o dodatkowe ogniwo w funkcji tzw. pompy jonowej. W ten sposób sonda lambda nie porównuje już stężenia tlenu w spalinach do stężenia w powietrzu, ale wykorzystuje różnicę między powietrzem a kontrolowanym obszarem w obrębie sondy. Stężenie w tym obszarze jest regulowane za pomocą prądu pompowania.

Zadaniem sterownika sondy jest utrzymanie wartości 0,45V na wyjściu czujnika przez cały czas. W tym celu kontroluje wartość prądu pompowania (prądu płynącego przez pompę jonową) tak aby utrzymać ten stan. I to właśnie zależność prądu pompowania od wartości lambda pozwala ją wyznaczyć. Ujemny prąd pompowania odpowiada mieszance bogatej, natomiast polaryzacja dodatnia prądu pompowania ubogiej.

Szerokopasmowe sondy lambda mają 5 lub 6 wyprowadzeń i są połączone ze specjalnym układem realizującym pomiar. Jeśli wyprowadzeń jest więcej, mamy najprawdopodobniej do czynienia z sondą NOx.

W przypadku szerokopasmowej sondy lambda nie zaobserwujemy na oscyloskopie przebiegów takich jak w przypadku sond wąskopasmowych. Wyjątek dotyczy obwód grzania, który działa podobnie do pozostałych sond. Poniżej przedstawimy wyprowadzenia sondy LSU 4.2 o numerze 0 258 007 057. Uwaga! Podane kolory odnoszą się do złącza czujnika, a nie do złącza po stronie instalacji elektrycznej pojazdu. Poprawna wartość oporności grzałki wynosi ok. 3,6Ω.

Po rozgrzaniu się silnika i sondy, jej prawidłowe działanie wyraża się na utrzymywaniu stałego napięcia referencyjnego ok. 0,45V na wyjściu ogniwa pomiarowego. Sygnał ten zmierzymy oscyloskopem podłączając masę kanału 1 z pinem 5 (żółty), a sygnał z pinem 1 (czarny). Prąd pompowania ma bardzo niewielką wartość, rzędu kilku mA. Typowymi cęgami nie jesteśmy w stanie dokładnie mierzyć natężeń prądu tak małej wartości. Zamiast tego możemy zmierzyć napięcie ogniwa pompującego. W tym celu masę drugiego kanału łączymy z pinem 2, a sygnał z pinem 6 (czerwony). Wzmocnienie obydwu kanałów ustawiamy na 0,2V/dz, podstawę czasu na 1 s/dz. Pomiar przeprowadzamy na wolnych obrotach dodając i po chwili odejmując gazu. Powinniśmy obserwować stałą wartość napięcia kanału 1 (możliwe są krótkotrwałe odchyłki) oraz zmieniające się napięcie kanału 2 zgodnie ze zmianą współczynnika lambda.