Analiza spalin
Sondy lambda są obowiązkowymi elementami współczesnych silników spalinowych, ale o ich istnieniu dowiadujemy się zazwyczaj w niezbyt miłych okolicznościach – gdy zawiodą. Objawy ich usterek bywają niekiedy ledwo dostrzegalne, ale w konsekwencji zaniedbań mogą doprowadzić do poważnej awarii silnika. Lepiej więc nie lekceważyć wcześniejszych ostrzeżeń i zdiagnozować problem z sondą.
Zadaniem sondy lambda jest pośrednie diagnozowanie składu spalanej mieszanki paliwowo-powietrznej w bezpośredniej analizie składu spalin. Sondy nie mierzą składu mieszanki, ale ilość tlenu w spalinach. Spora ilość tlenu jest znakiem jego nadmiaru w mieszance, co oznacza, że ta jest uboga. W przypadku małej ilości tlenu w spalinach mamy do czynienia z nadmiarem ilości paliwa w stosunku do powietrza – mówimy wtedy o mieszance bogatej. Oba przypadki są niekorzystne. Dzięki analizie zawartości tlenu w spalinach możliwe jest dostarczenie informacji sterującemu silnikiem komputerowi, by optymalizował skład mieszanki. Optymalny skład, z wielu względów, powinien być najbardziej zbliżony do stechiometrycznego. Jesli proporcje mieszanki stechiometrycznej paliwa i powietrza są tak dobrane, że następuje zupełne jej spalenie – w takim przypadku wartość lambda wynosi jeden*.
W przypadku zasilania benzyną lambda wynosi jeden dla 14,7 jednostek wagowych paliwa do jednej jednostki wagowej powietrza.
Przy pełnym spalaniu ilość szkodliwych składników spalin osiąga swoje optymalne minimum. Optymalny skład spalin jest niezbędny do prawidłowej pracy silnika, nie tylko ze względu na ekologię. Szczególnym zagrożeniem jest uboga mieszanka, która powoduje nadmierny wzrost temperatury spalania, czego efektem są zazwyczaj wypalone zawory. Zbyt bogata mieszanka powoduje nie tylko wzrost zużycia paliwa, ale zagraża elementom układu oczyszczania spalin, w tym sondzie lambda.
Jak działa?
Działanie sondy oparte jest o zmianę przewodnictwa warstwy płynnego elektrolitu wystawionego na działanie strumienia spalin pod wpływem zawartych w nim jonów tlenu. Aby doszło do przewodnictwa, musi nastąpić upłynnienie, więc elektrolit musi zostać odpowiednio ogrzany – w zależności od typu od 300 do nawet do 700 stopni C*.
Aby skrócić czas nagrzewania, w sondzie znajduje się grzałka elektryczna.
Sondy rozróżnia się przede wszystkim w zależności od użytej warstwy elektrolitu, który pozwala na różnego rodzaju odczyty – napięcia lub oporności. Początkowo stosowano dwutlenek cyrkonu, którego przewodnictwo zmieniało się w sposób skokowy o 0,1 V. Do pomiaru poziomu odniesienia tlenu niezbędny jest jeszcze kontakt z powietrzem. Przewodnictwo jonów tlenu tworzy w ten sposób ogniwo, którego różnicę potencjałów można zmierzyć. Niestety taka informacja, nie wystarczała, by wydajnie sterować procesem przygotowania mieszanki.
Kolejna generacja wykorzystuje dwutlenek tytanu. On również zapewnia jedynie skokową zmianę napięcia, ale za to oporność zmienia się proporcjonalnie w zależności od zawartości tlenu – stąd pośredni pomiar oporności przez pomiar różnicy napięć podczas zadanego przepływu prądu. Zaletami sond z dwutlenkiem tytanu jest duża szybkość uruchomienia i reakcji, zwarta budowa i brak konieczności korzystania z powietrza jako poziomu odniesienia – stąd lepsza przydatność do eksploatacji w autach terenowych narażonych na kontakt z wodą czy błotem.
Najnowsza generacja to sondy szerokopasmowe, które powstały dla spalających ubogą mieszankę silników benzynowych z bezpośrednim wtryskiem oraz nowoczesnych turbodiesli*. Wymusza to jeszcze bardziej precyzyjną i szybką regulację składu. Sondy te mają dwie komory: pomiarową i odniesienia, oraz zapewniają odczyt zawartości tlenu w spalinach przez pomiar prądu niezbędnego do utrzymania zadanego napięcia. Tworzy się w ten sposób pompa, która w wyniku przepływu prądu dąży do wyrównania stężenia tlenu w obu komorach. Zerowa wartość prądu jest ustalona dla składu stechiometrycznego, a odczyty są liniowe w szerokim zakresie współczynnika lambda, pozwalając na precyzyjne i szybkie informowanie o tym sterownika jednostki napędowej.
Mercedes-Benz GL-Klasse: Der überarbeitete V6-Dieselmotor im GL 350 BlueTEC 4MATIC konsumiert mit 7,4 Liter Diesel je hundert Kilometer rund 20 Prozent weniger als der Vorgänger und unterbietet die zukünftigen Emissionsgrenzen nach EU 6.
Mercedes-Benz GL-Class: At 7.4 litres per hundred kilometres, the redeveloped V6 diesel engine in the GL 350 BlueTEC 4MATIC runs on around 20 percent less fuel than its predecessor while also undercutting the future emissions limits in accordance with Euro 6.
Oprócz sond badających zawartość tlenu, wobec coraz wyższych wymagań dotyczących składu spalin i ekonomii, obowiązkowe stają sondy NOx. Są one niezbędne w silnikach spalających ubogą mieszankę i współpracują z katalizatorem zasobnikowym gromadzącym tlenki azotu. Jak już wiemy, ilość tlenków azotu bardzo rośnie w przypadku współczynnika lambda wyższego niż jeden i przekracza „zdolności przerobowe” zwykłego katalizatora trójdrożnego. Niestety także ograniczona jest pojemność katalizatora, co wymusza stałe nadzorowanie – właśnie za pomocą czujnika stężenia NOx. W przypadku wyczerpania pojemności czujnik wykrywa przekroczenie poziomu tlenków azotu i wymusza rozpoczęcie procesu regeneracji przez przestawienie pracy silnika na spalanie bogatszej mieszanki. Sondy tego typu mają sześć przewodów.
Spalanie ubogiej mieszanki wymusza użycie dodatkowych katalizatorów magazynujących NOx i sond NOx.
Eksploatacja
Sondy zazwyczaj siedzą sobie cichutko i pracowicie mierzą tlenowy skład spalin. Niestety nie są one wieczne, a ich żywotności, w zależności od typu, jest oceniana na kilkadziesiąt tysięcy kilometrów. W normalnych warunkach spadek skuteczności działania sond nie następuje gwałtownie. Ich zużycie objawia się obniżeniem czułości oraz szybkości reakcji. Dzięki obecności sondy diagnostycznej komputer sterujący może ocenić skuteczność działania sondy i katalizatora. Wykraczanie poza zadane parametry pracy skutkuje przykrym widokiem świecącej się kontrolki check engine. Alarm ze strony samochodu powinien skłonić do przeprowadzenia natychmiastowej diagnostyki*.
Są komputery serwisowe pozwalające na elektryczne i elektroniczne testy sondy i układu zapłonowego.
Oprócz zużycia, do wyłączenia sondy może przyczynić się nieprawidłowa eksploatacja. Trudno winić kierowców za krótkie trasy, np. po mieście, ale trzeba przyznać, że są one wyjątkowo niekorzystne dla silników. Częste rozruchy i niedogrzanie powodują, że mieszanka jest bogata. Powstaje wtedy dużo osadów, które nie mają szans, by zostać wypalone w normalnych temperaturach pracy. Z tego powodu wskazanym jest od czasu do czasu wyjechać na dłuższą trasę, aby sonda mogła się oczyścić z nieuchronnie pojawiających zanieczyszczeń.Żywotność skracają też wszelkie usterki silnika powodujące nieprawidłowe spalanie. W silnikach benzynowych szczególnie ważny jest stan układu zapłonowego. Wszelkie usterki świec, cewek lub przewodów wysokiego napięcia powodują wypadanie zapłonów, czego rezultatem może być przedostawanie się niespalonego paliwa do układu wydechowego. Groźne jest też przegrzewanie wynikające ze zbyt ubogiej mieszanki, co może zdarzyć się w przypadku złej regulacji czy złej pracy wtryskiwaczy. Ryzyko ubogiej mieszanki pojawia się szczególnie przy zasilaniu LPG, podczas niefachowej regulacji lub w przypadku zastosowania słabych jakościowo wtryskiwaczy gazu czy mało wydajnego reduktora. Niestety, wielu „fachowców od gazu” uznaje sygnał kontrolki check engine za mało istotny – tłumaczenie „ten typ tak ma” maskuje niewiedzę. Posłuchanie rady „jeździć i obserwować” może skończyć się poważną awarią – nie tylko sondy. Przegrzanie uszkadza sondy trwale, to samo grozi katalizatorowi. W przypadku aut eksploatowanych poza drogami przegrzany katalizator może stać się powodem pożaru, np. poszycia leśnego.
Żywotność sondy skraca sadza ze złego spalania, np. zbyt bogata mieszanka spowodowana zużytymi wtryskiwaczami. Tak samo szkodzi ignorowanie pracy silnika w trybie awaryjnym, który z reguły jest tak zaprogramowany, by asekuracyjnie zaserwować do spalenia bogaty skład mieszanki. Nawet jeśli zlekceważymy kontrolkę, to na pewno zauważymy spadek mocy i wyraźnie wyższe zużycie paliwa!
Innym źródłem zanieczyszczeń osadzających się na warstwie czynnej sondy są związki ołowiu po zatankowaniu etyliny z czteroetylkiem ołowiu – stąd też wynikła konieczność rezygnacji ze stosowania takiego paliwa i przejścia na benzynę bezołowiową z dodatkami przecwiskutkowymi bez udziału ołowiu.
Innym zagrożeniem jest olej przedostający się do komory spalania. Wymusza to konieczność poprawnej diagnozy nie tylko sondy, ale i stanu silnika oraz jego uszczelnień. Niestety, spotyka się dziś silniki, które – nawet jako całkiem nowe – zużywają duże ilości oleju, co nie musi być winą użytkownika. Niezależnie, czy zużycie elementów silnika powodujące spalanie oleju jest efektem wad konstrukcyjnych czy wyeksploatowania, nie ma cudownych środków naprawczych. Stosowanie wszelkiego rodzaju ulepszaczy czy naprawiaczy dodawanych do oleju obarczone jest wysokim ryzykiem uszkodzenia sondy i katalizatora.
Również usterki układu chłodzenia mają zły wpływ na sondę. Płyn chłodzący w spalinach pokrywa sondę warstwą osadów uniemożliwiających działanie elekrolitu. Źródłem wycieków najczęściej jest pęknięcie głowicy czy uszkodzenie uszczelki. Przyczyną tych awarii może być zbyt uboga mieszanka, co tylko dowodzi ważności utrzymania jej właściwego składu, m.in. sprawną sondą lambda.
Inne zagrożenia pochodzą z zewnątrz. Sondy są zazwyczaj umieszczone w układzie wydechowym, w miejscu umożliwiającym jak najszybsze osiągnięcie temperatury roboczej. Nie zawsze jest to dobra lokalizacja ze względu na ochronę przed przeszkodami terenowymi. Nie potrzeba zresztą niszczyć samej sondy (np. zagięciem) – do jej wyłączenia wystarczy uszkodzenie przewodu lub wtyczki. Ewentualne uszkodzenia mogą dotyczyć też odcinka leżącego dalej od sondy – sprawdzenie jego stanu także jest obowiązkowe.
Ze względu na pomiar naprawdę małych wielkości prądu i napięcia niezbędne są bardzo pewne połączenia elektryczne. Uszkodzenie izolacji przez gorącą rurę wydechową czy zaśniedzenie styków wtyczki także powoduje poważne błędy. Oczywistym powodem wyłączenia sondy jest przerwanie któregoś z przewodów, ale przyczyny nie zawsze muszą być związane z terenową jazdą. Całkiem liczne są przypadki przecięcia kabli ostrymi zębami zwierząt zwabionych pod maskę ciepłem stygnącego silnika lub osobliwymi zapachami.Większość uszkodzeń zewnętrznych (i wszystkie wewnętrzne) jest nie do naprawy i sondę trzeba wymienić na nową. Nie zawsze jest to proste zadanie – ze względu na utrudniony dostęp lub zapieczony gwint. Brak odpowiedniego klucza może spowodować dalsze uszkodzenia mechaniczne sondy. W przypadku wyjątkowo opornego zapieczenia niezbędna może okazać się pomoc warsztatu doświadczonego w temacie sond, wtryskiwaczy i świec. Ratunkiem jest wtedy użycie odpowiednich narzędzi do ekstrakcji sondy i regeneracja uszkodzonego gniazda wkładką samogwintującą.
Przed wymianą koniecznie trzeba wykluczyć inne przyczyny niż zużycie czy mechaniczne uszkodzenie. Ponieważ sondy pełnią zbyt odpowiedzialną funkcję, nie zaleca się oszczędności zarówno podczas zakupu, jak i montażu. Tym bardziej nie rekomendujemy korzystania z części używanych. W przypadku nietypowych pojazdów można wspomóc się instalacją sondy uniwersalnej. Jej uniwersalność polega na braku wtyczki – z sondy wychodzi tylko wiązka przewodów, zaś sama sonda musi być dokładnie tego samego typu, co fabryczna. Problemem może być połączenie starej wtyczki z nową wiązką – wszelkie spadki napięć na łączeniu spowodują nieprawidłowe odczyty, zaś przez przewody zasilające grzałkę płyną całkiem spore prądy. Niestety, bardzo trudne warunki eksploatacji wokół sondy – wysoka temperatura, wibracje i wszelkiego rodzaju zanieczyszczenie (olej, paliwo, sól) powodują, że ciężko jest dorównać fabrycznej jakości połączeń i izolacji. Rozwiązaniem może być kupno sondy z zestawem odpowiednich złączek. Ich konstrukcja ułatwia montaż i zapewnia pewne połączenie – zarówno mechaniczne, jak i elektryczne. Montaż nowej sondy wymaga dużej staranności, by jej nie uszkodzić i ułatwić wymianę w przyszłości. Dobrą praktyką jest poprawienie gwintu w gnieździe sondy gwintownikiem i staranne potraktowanie gwintu sondy odpowiednim smarem, np. miedziowym. Należy bardzo uważać, by nie zanieczyścić nim części pomiarowej! Przy montażu sondy należy początkowo wkręcać ją ręcznie, by „złapała” gwint, a następnie odpowiednio dokręcić ją kluczem, uważając na wiązkę przewodów. Przed połączeniem wtyczek należy sprawdzić, czy ta prowadząca do sterownika jest nieuszkodzona i czysta. Po połączeniu można sprawdzić działanie sondy w akcji.
