A 4 vezetékes lambda szonda: alapok, működés és diagnosztika

Nincs korszerű motorvezérlő rendszer lambda szonda (oxigén szenzor) nélkül. Mivel benzines modellekben a benzin-levegő keverék összetételére jelentős ráhatása van, a motorvezérlő rendszerben kiemelt jelentőséggel bír. Időnk pedig vastagon lett volna megismerni a lambda szondát - idestova majdnem negyven év. Alapértelmezésben un. "feszültségugrás-szondákról" beszélünk.

A hibás lambda szonda következményei

Otto-motor esetében a működésképtelen lambda szonda jelentős túlfogyasztást okozhat, a benzinben túl dús keverék ráadásul lemossa a hengerfalról az olajfilmet, ami rendellenes motorkopáshoz vezet. A benzinnel felhígult motorolaj kenési problémákat okozhat. A dús keverék miatt a katalizátor hatékonysága drasztikusan leesik, a környezetet feleslegesen terheljük.

Tapasztalataink szerint az Otto-motorral szerelt autók egy része csökkent működőképességű, vagy rosszabb esetben teljesen működésképtelen szondával üzemel, ugyanakkor legalább ekkora a száma azoknak az eseteknek, amikor téves hibabehatárolás miatt, vagy kósza ötletnek engedve tökéletesen működő szondát cserélnek le és dobnak ki.

A lambda szonda alapvető jellemzői és típusai

A szabályzószonda a motor és a katalizátor közé van beépítve. Mivel korrekt működése viszonylag magas hőmérsékleten indul el ("megszólalási hőmérséklet", kb. 350 Celsius fok), legtöbbször fűtőelemet is alkalmaznak. Az 1, vagy 2 vezetékesben nincs fűtőelem, a 3, 4, ill. több vezetékesben viszont igen.

A 850 fok feletti tartós hőterhelés a szonda gyors tönkremeneteléhez vezet. A szonda rögzítése - néhány, főleg japán kivételtől eltekintve - csavarmenettel történik (M18x1,5). Előírt meghúzási nyomaték: 35 - 55 Nm, típusfüggő. Az új szondák meneteit a gyártó rendszerint hőálló grafitos zsírral látja el, esélyt adva a szonda későbbi roncsolásmentes eltávolításának.

Lambda szonda cseréje

A vezetékszám szerinti besorolás

Az általánosan alkalmazott feszültség-ugrás szondák szokványos kábelszínei:

1 vezetékes szonda: A tévedés lehetősége itt kizárva, csak jelvezeték van, a jel test maga a kocsiszekrény. Az ilyen szonda nem tartalmaz fűtőelemet.
3 vezetékes szonda: Itt is egyszerű eligazodni a vezetékek között, pl: egy jelvezeték (fekete) két fehér színű fűtésszál, ezek akár fel is cserélhetők.
4 vezetékes szonda: Ezeken külön jel és jel testvezeték van, két fűtőszállal. Fekete: jelvezeték, szürke: jel test, két fehér: fűtés. Természetesen, szerencsésebb, ha a jel testvezeték adott.

A képen felül egy Denso gyártmányú szonda látható, középen pedig egy Bosch planár szonda.

A lambda szonda működése

A szonda a kipufogógázok oxigéntartalmának függvényében változtatja a feszültségét, pontosabban feszültséget generál. Szegény keveréknél 0-0,3V, dúsnál 0,7-0,9V körüli ez az érték. (Ez a hagyományos, ún. Nernst szondára, és a planár szondára igaz). Az ideális, sztöchiometrikus, lambda=1 értékű keverékösszetételhez közelítésre, illetve ebből a tartományból történő kilépésre - nagyon szűk mezőn, az ún. lambda ablakon belül - nagy feszültségváltozással válaszol. Ez teszi alkalmassá a motorvezérlő rendszerben betöltött kiemelt szerepére.

A keverék változására rendkívül gyorsan reagál: a szakirodalom a szonda reakcióidejét 100ms alatti értékben határozza meg. A vezérlőegység ennek alapján ha dús a keverék, szegényíti, ha szegény, akkor dúsítja azt, a befecskendező szelepek nyitási idejét változtatva.

A szokásos szabályozási sáv lambda értéke 0,97-1,03, ezt a tartományt nevezzük lambda ablaknak. Ilyenkor a szabályozás visszacsatolásos (closed loop).

Lambda szonda csere útmutató

"Open loop" üzemmód

Vannak a motornak olyan működési körülményei, amikor a keverékképzés - átmenetileg - eltér az ideálistól, a keverékképzés elhagyja a lambda ablakot. Ilyen a hidegindítás, a motor ilyenkor dúsabb keveréket igényel (és még a szonda sem érte el a megszólalási hőmérsékletet), ilyen a teljes terhelés állapota és a tolóüzem (motorfék). Nem felmelegedett szonda, vagy vezetékszakadás esetén az ECU hardveresen egy alapértékkel (általában 0,45V körül) helyettesíti be a kiesett jelet. Ilyenkor a motor open loop üzemmódban működik.

A lambda szondák belső felépítése: Nernst és Planár szondák

A lambda szondák megbontása, szétszerelése csak roncsolásos úton lehetséges. A szondakerámia a menetes fémházba kerül beszerelésre, elől furatokkal ellátott vagy felhasított védőcső takarja. A cirkondioxid kerámia tulajdonsága, hogy kb. 300 Celsius fok fölött átereszti az oxigénionokat. A belül üreges szondakerámia külső és belső oldalát is egy vékony rétegben felvitt platinaréteg borítja, ez tölti be az elektróda szerepét.

A szondakerámia külső felülete érintkezik a kipufogógázzal, míg a belső, üreges részbe külső levegő van vezetve. A kipufogógázban, illetve környezeti levegőben eltérő az oxigéntartalom, a kerámia már említett tulajdonságából adódóan oxigénion vándorlás jön létre, aminek következtében feszültség generálódik a két elektróda között. A kerámia külső, tehát a kipufogó gázzal érintkező részén egy vékony kerámiaréteg védi a platinát a kipufogógáz esetleges szilárd részecskéitől. A kerámián megfigyelhető a belső (a külső levegővel érintkező) platinaelektróda kivezetése, ami a szonda jelvezetékéhez csatlakozik. A külső, kipufogógázzal találkozó elektródának hasonló kivezetése van, ami egy fémgyűrű közvetítésével a menetes házhoz csatlakozik (ez gyakori pl. háromvezetékes szondáknál).

Bonyolultabb szerkezet a Bosch által kifejlesztett lapos mérőcellás (az autós köztudatban inkább a planár megnevezés ismert) szonda. A generált feszültség értéke itt is 0 és 1 Volt közötti. A kerámia egység magában foglalja a mérőcellát és a fűtőegységet is. A mérőcella védelmére egy kettősfalú cső szolgál.

A planár szonda lényegesen jobb tulajdonságokkal bír, mint a fentebb említett Nernst-szonda. Már 150 Celsius fokos kipufogógáz hőmérsékleten működik, így a "megszólalási ideje" rendkívül kicsi, 3-5 másodperc. Akár 930 fokos hőmérsékletet is elvisel, várható élettartama hosszú. A planár szonda mára teljesen kiszorította a Nernst-szondát a gyári, első beépítés tekintetében. A bemutatott két szondatípus fordul elő a hazai járműállomány döntő többségében.

Mit tegyél, ha a Mazda 3 lambda szonda hibát jelez?

Gyakran felmerülő kérdés: ha tönkrement a "mezei" szonda, lehetséges-e a lényegesen jobb paraméterekkel bíró planár szondára kicserélni? A műszaki jellemzőket szem előtt tartva ez a csere mindenképpen csak ajánlható. A planár szondát "mezeire" cserélni viszont semmiképp sem ajánlott, a lambda-szabályozás sínylené meg a gyengébb műszaki jellemzőket. Ne felejtsük el: a két, egymástól paramétereiben jelentősen eltérő szondatípus bevezetése között bő két évtized telt el.

Diagnosztika és élettartam

Az ábrán egy fűtött, 4 vezetékes szonda feszültségviszonyai láthatók. Felül, pirossal a szonda által generált feszültséget jelenítettük meg. Egy másik csatornán kékkel a szondafűtést vizsgálhatjuk. A bemelegedett szonda már nem igényli a folyamatos fűtést. A fűtőbetét ellenállása szonda típusonként változó lehet. A motorvezérlő rendszerek egy része érzékeny a fűtőbetét ellenállására: ha az eredetitől eltérő ellenállással bír a kicserélt lambda szonda, hibaüzenetet generálhat.

Egy V6 motor két, katalizátor előtti (szabályzó) lambda szondájának a vizsgálatáról készült kép. Mint látható, a lambda-szabályzás mindkét hengersoron rendben van. A hagyományos lambdaszondák szakszerű ellenőrzése kizárólag oszcilloszkóppal lehetséges. A mindennapi gyakorlatban a legtöbb szerviz természetesen diagnosztikai készülékkel vizsgálja a lambdaszondákat, keverékkorrekciós értékeket.

Egy szonda általában 150-180 ezer km után kiöregszik, lelassul, a csúcstól-csúcsig feszültség értéke erősen lecsökken. Ilyenkor csak a csere segít. (Találkozni lehet 220ezer km-t futott, de még kielégítően működő szondával is.)

A lambda szondák fejlődése: monitorszondák és szélessávú típusok

A fejlődés a lambda-szabályozásban (is) jól követhető. Először új kivitelű szondák jelentek meg (pl. planár). Jöttek a kocsitest független beépítési módok, majd egyes típusokba 5 Voltos szondákat szereltek. Itt a katalizátor előtti szondának a funkciója változatlan, ez a szabályzószonda. A katalizátor után megjelent viszont a monitorszonda, aminek a feladata a katalizátor korrekt működésének ellenőrzése. Ha a monitorszonda amplitúdója adott körülmények között egy kritikus határt elér, az a katalizátor hatékonyságának csökkent állapotát jelzi.

Szélessávú lambda szondák (5 vagy 6 vezetékes)

A legújabb: az 5 ill. 6 vezetékes (ún. szélessávú) lambdaszonda. Extra széles működési tartományban dolgozik, 0,7-4 lambda érték között. A kábelek száma, és a csatlakozó az első pillantásra egyértelművé teszi: szélessávú szondáról van szó. Mivel ezt a szondatípust egyre több gépkocsinál alkalmazzák, előbb-utóbb minden érdeklődő találkozik vele, nem is beszélve a szakmát gyakorló kollégákról. Szegény keverékes közvetlen befecskendezésű rendszereknél csakis ez jöhet számításba.

Egyes autógyártók (pl. VW-Audi csoport) előszeretettel alkalmazza hagyományos, külső keverékképzésű motorjainál is, de a legtöbb részecskeszűrős dízelmotornál is megtaláljuk. Vizsgálatát mi is napi feladatként végezzük. Szélessávú lambda szondát nagy tételben két gyártó készít: a Bosch (pl. A tág szabályzási sáv miatt a szonda működési módja meglehetősen bonyolult.

A szonda lelke a szivattyúcella, amely oxigén-ionokat "pumpál" a szenzor "hagyományos" (Nernst) cellájához. A szivattyúzáshoz szükséges áram arányos a két cella közötti oxigénkoncentráció-különbséggel. Azaz, ha a Nernst cellában fenntartjuk a "lambda=1" légviszonyt, akkor a szivattyúzó áram arányos lesz a pillanatnyi légviszonnyal. A nagyméretű szondacsatlakozó rejt még egy kalibráló ellenállást is, mely az ECU felé külön kivezetést kapott. Ez a magyarázat arra, hogy a szonda ugyan csak 5 vezetékes, a csatlakozótól az ECU-ig már 6 kábel fut.

A mindennapi diagnosztikában ezek közül három vezeték érdemel kiemelt figyelmet. A fűtésszálak vizsgálatának (Bosch szondánál: szürke-fehér) felmelegedett szonda esetén hasonló eredményt kell hoznia, amit az oldal első oszcillogramjának alsó részén, kék színnel látunk, mivel itt is szakaszos fűtésről van szó. A szonda működését a "Szivattyúcella pozitív" kábel feszültségviszonyai mutatják. Megfelelő, lambda ablakon belüli keverékösszetételnél - és persze hibátlan szondánál - szinuszjelhez közeli, csúcstól-csúcsig kb. 0,6 Volt amplitúdójú jelsorozatot kapunk állandósult üzemben. (Mint a lenti ábrán is észrevehető, ezt a jelsorozatot ne a Nernst szondáknál megszokott 0 és 1 Volt közötti tartományban várjuk.)

A fenti oszcilloszkóp ábrát egy Skoda Fabia 1,4 típusú, 55 kW-os teljesítményű, 2005 évjáratú (BKY motorkód) NGK gyártmányú hibátlanul működő szélessávú szonda vizsgálatánál nyertük, alapjárati fordulatszámon. Hogy a piros színű, ECU számára hasznos lambda jel áttekinthető legyen, az időalapot viszonylag nagyra (500 msec/osztás) kellett választani, így viszont a lambda fűtés szakaszos volta tisztán nem kivehető. 2500/perces fordulatszámot tartás után hirtelen gázadásra a lambdafeszültség így alakul. Más típusoknál is hasonló vizsgálati eredményekre számíthatunk.

Titándioxid "ellenállás-ugrás" szondák (5 Voltos, 4 vezetékes)

Az eddig említettektől teljesen eltérő az ún. "ellenállás-ugrás" szondák működési módja. (Ezen a néven kevesen ismerik, beleértve a legtöbb alkatrész forgalmazót is. Az "5 Voltos, négyvezetékes szonda" jobban elterjedt megjelölés.) Itt a kerámiaelem titándioxidból készül, ennek a tulajdonsága, hogy az ellenállását az oxigénkoncentráció függvényében változtatja. Itt az ECU által előállított feszültség csökkenésének a mértéke a szonda ellenállásától függ, ezt használja fel az ECU a keverék pillanatnyi összetételének pontos megállapításához.

Meglehetősen magas a megszólalási hőmérséklete, ezen részben segít a szonda fűtés. Nagyon kevés motornál találkozhatunk ezzel a szondatípussal, pl. a BMW, az Opel, a Volvo néhány típusán. Bár a mérőcellát burkoló védőcső mérete és kialakítása is eltérő, az egyéb méretarányok is árulkodóak, a kábelszínekre tekintve tudjuk leggyorsabban azonosítani a titándioxid ("ellenállás-ugrás") szondákat.

Lambda szonda csere és a helyes alkatrész kiválasztása

A lambda szonda cseréje nem minden esetben problémamentes. Már akár 8-10 éves autóknál is gyakran kell a csere során menetet javítani, és sokszor mindezt elképesztően rossz hozzáférési körülmények között. Amire külön felhívnánk a figyelmet, az a gyártó cikkszám pontos betartása: ha a lambdaszonda cseréjére kerül sor, az első lépés alvázszám alapján a megfelelő cikkszámú termék azonosítása, esetleges cseretermék vagy továbbfejlesztett alkatrész kinyomozása.

Az olcsó, "utángyártott" szondákkal rossz tapasztalataink vannak. A boltok kínálatában már néhány ezer forinttól találunk szondát. Élettartamuk nem egy esetben csak napokban mérhető, az is előfordul, hogy az új szonda beépítése után azonnal kiderül: kidobott pénz volt. Ilyen szondákat nem vásárolunk, ezt ügyfeleinknek sem ajánljuk - persze mindenki maga dönt. A mindössze néhány, garantáltan jó minőséget nyújtó gyártó hosszú élettartamú (180-220e km), rövid felmelegedési idejű (5-6 mp) csúcskategóriás szondái nem olcsók.

A vezérlőegységek fejlődésével a lambda szondák jelének feldolgozása, hibadiagnosztikájuk is jelentős fejlesztésen ment át. Egy korszerű motorirányítás általában el tudja dönteni, hogy egy szonda működik-e, és ha hiba lép fel, az a szonda hibája, vagy esetleg más probléma merül fel. Ennek ellenére még mindig napi szinten találkozunk olyan esetekkel, amikor az ECU lambdaszonda hibának véli ha például a tartósan szegény keverék miatt a szonda kimenő feszültsége 0V körüli marad. Ez azért veszélyes, mert a letárolt hibaüzenet ilyenkor a lambda szondára vonatkozik: a P0130-as kódcsoport tagjaival nagyon gyakran találkozunk akkor is, amikor a P0170-es hibakódoknak kellene megjelenni.

Univerzális lambda szonda beszerelése

Az NGK/NTK univerzális lambda szondák kettő csoportba sorolhatók, vezetékszám alapján:

1 vezeték: Ilyenkor az egy vezeték továbbítja a jelet a motorvezérlőhöz.
3 vezeték: Ilyenkor fekete vezeték továbbítja a jelet a motorvezérlőhöz. A szonda fűtése a két fehér vezetéken keresztül történik.
4 vezeték: Ilyenkor a fekete vezeték továbbítja a jelet a motorvezérlőhöz, és a testelés a másik szürke vezetéken keresztül van megoldva.

Az NGK/NTK az univerzális szondák mellett, az eredeti gyári csatlakozós lambda szondákat is kínál szinte minden járműtípushoz. Ezek egyből beépíthetők és eredeti csatlakozó dugóval kerülnek szállításra, ezért tökéletesen megegyeznek a gyári eredeti szondákkal. Több modell esetében az univerzális szonda nem lesz kompatibilis a motorvezérlővel ezért javasoljuk az eredeti gyári csatlakozós lambda szondák használatát.

Az univerzális lambda szonda beszerelésének lépései az alábbiak:

Jegyezze meg a beépített lambdaszonda kábeleinek helyzetét a járműben.
Oldja ki a régi szonda csatlakozását a jármű elektromos hálózatából (ne vágja el a szonda vezetékeit).
Szerelje ki a lambdaszondát, vigyázva a kábelrögzítésekre.
Helyezze az univerzális lambdaszondát a kiszerelt szonda mellé, és az NTK-szonda vezetékeinek legalább 40 mm-rel rövidebbnek kell lenniük a régi szonda vezetékeinél. A kiszerelt szonda kábelét vágja le kb. 10 cm-rel a csatlakozódugó előtt, vagy ha a kábel 75 cm-nél hosszabb, akkor úgy vágja le, hogy pontosan olyan hosszú legyen, mint az univerzális lambdaszonda kábele.
Minden kábelvégen távolítsa el a kábelszigetelésből kb. 8-8 mm hosszúságban. Figyelem: Ne sértse meg a huzalokat!
Húzzon ezután minden vezetékre vízszigetelőt.
Kösse össze az univerzális szonda vezetékeit a jármű kábelkorbácsával. A kábelszínek hozzárendelése pontosan meg kell, feleljen! (tönkremeneteli veszély!). Az univerzális lambdaszonda csupaszított kábelvégeit dugja a szürke kábelösszekötőkbe. A kábelösszekötők közdarabjait csavarozza össze.
A sárga kábeltömítéseket úgy helyezze rá a kábelvégekre, hogy a tömítések szűk végei kilógjanak a dugóházból.
Győződjön meg még egyszer arról, hogy a kábelek hozzárendelése megfelel a fenti lépésnek. Figyelem: Ne legyenek csomók a kábeleken! Húzza a kábelkötéseket a dugóházba.
Tolja a kábelösszekötőt a dugóházba. A dugósapkát nyomja úgy rá a dugóházra, hogy hallhatóan bepattanjon.
Távolítsa el az NTK-szonda védőfedelét és szerelje be a szondát. A szonda vezetékeit pontosan úgy kell elhelyezni, ahogy az eredeti szonda vezetékei is elhelyezkedtek. Használja fel újra az eredeti rögzítőket. Kerülje el azt, hogy a vezetékek forró alkatrészekkel (kipufogóval, a katalizátorral) érintkezzenek, vagy dörzsölődjenek.
A kábelt rögzítse úgy, hogy nagy forrósággal és dörzsöléssel szemben védett legyen. Használja a kiszerelt szonda kábelrögzítéseit. Adott esetben használjon kábelkötegelőket, hogy a dugóház tehermentesített és rezgésmentes legyen.