Co to jest sonda lambda? Zasada działania i objawy awarii

Sonda lambda to czujnik mierzący zawartość tlenu w spalinach i umieszczany w układzie wydechowym silnika spalinowego. Jego wskazania pozwalają na precyzyjne dozowanie mieszanki paliwowo-powietrznej, a awaria objawia się najczęściej wzrostem spalania, nierówną pracą silnika i kontrolką check engine. W dalszej części artykułu wyjaśniamy budowę, zasadę działania oraz sposoby rozpoznawania usterek.

Co to jest sonda lambda i gdzie się znajduje?

Sonda lambda to element układu wydechowego, który na podstawie pomiaru tlenu w spalinach informuje sterownik silnika o składzie mieszanki paliwowo-powietrznej. Wyglądem przypomina świecę zapłonową z podłączonym przewodem, a jej końcówka jest zanurzona w strumieniu gorących gazów.

W autach z silnikami benzynowymi czujnik ten stosuje się od 1979 roku, a od 1992 roku stał się standardowym wyposażeniem wynikającym z przepisów emisji spalin. W jednostkach wysokoprężnych montuje się go od około 2000 roku. Nowoczesne pojazdy mają zwykle dwie sondy: regulacyjną przed katalizatorem i diagnostyczną za nim.

Ta pierwsza bada spaliny przed reaktorem katalitycznym i odpowiada za bieżące korygowanie dawki paliwa. Druga kontroluje skuteczność katalizatora i porównuje sygnały z obu stron. Jeśli parametry wykraczają poza zaprogramowany wzorzec, sterownik silnika zapala lampkę MIL zwaną potocznie check engine.

Jak działa czujnik tlenu?

Działanie sondy opiera się na równaniu Nernsta. Najprościej ujmując, to ogniwo galwaniczne, w którym dwutlenek cyrkonu pełni funkcję elektrolitu stałego. Po obu stronach ceramicznego spieku napyla się cienkie warstwy platyny będące elektrodami. W temperaturze powyżej 300 stopni Celsjusza spiek zaczyna przewodzić jony tlenu.

Jedna strona ma kontakt ze spalinami, druga z powietrzem atmosferycznym. Różnica stężenia tlenu tworzy potencjał elektryczny. Im więcej tlenu w gazach wydechowych, tym niższe napięcie. Przy dużej różnicy stężeń ogniwo generuje siłę elektromotoryczną dochodzącą do 1 V.

Napięcie trafia do sterownika silnika, który odpowiednio wzbogaca lub zubaża mieszankę. Sterownik korzysta też z sygnałów czujnika temperatury cieczy chłodzącej, czujnika prędkości obrotowej silnika, czujnika prędkości, czujnika położenia przepustnicy oraz przepływomierza powietrza. W ten sposób utrzymuje optymalne warunki spalania i ogranicza emisję węglowodorów, tlenków azotu, tlenku węgla i dwutlenku węgla. Sprawny czujnik podnosi stopień konwersji katalizatora z około 60 procent w starszych konstrukcjach do nawet 95 procent w nowych.

Nazwa sondy pochodzi od litery lambda, która oznacza stosunek powietrza do paliwa. Dla benzyny mieszanka stechiometryczna ma wartość około 14,7:1, czyli 14,7 kilograma powietrza na 1 kilogram paliwa.

Jakie są rodzaje czujników tlenu?

Obecnie montuje się trzy podstawowe typy sond: zmiennonapięciowe, zmiennooporowe oraz szerokopasmowe. Każda z nich inaczej przetwarza stężenie tlenu na sygnał elektryczny. Poniższe zestawienie pokazuje najważniejsze różnice:

Sonda zmiennonapięciowa ma tuleję ceramiczną i grzałkę, dzięki czemu szybko osiąga temperaturę roboczą. Zmiennooporowa wykorzystuje dwutlenek tytanu, którego przewodność rośnie wraz ze wzrostem ilości tlenu. Szerokopasmowa składa się z dwóch ogniw: jednego pomiarowego i jednego pompującego, co pozwala dokładniej kontrolować mieszankę.

Objawy awarii czujnika tlenu

Czujnik tlenu pracuje w skrajnie trudnych warunkach. Wysoka temperatura, sadza, osady, wilgoć i naturalne zużycie stopniowo pogarszają jego zdolność pomiaru. Gdy nie działa poprawnie, sterownik silnika może przyjąć błędny skład mieszanki, co prowadzi do poważnych problemów.

Wśród najczęstszych przyczyn awarii wymienia się:

• uszkodzenia mechaniczne powstałe podczas montażu lub wymiany,
• przetopioną wtyczkę lub przewody od kontaktu z rozgrzanym wydechem,
• nadmiar sadzy i osadów na elemencie ceramicznym,
• zardzewiałe lub zaśniedziałe styki,
• naturalne starzenie się sondy polegające na zawężaniu amplitudy sygnału i wydłużeniu czasu odpowiedzi.

Nieprawidłowa praca czujnika odbija się przede wszystkim na zużyciu paliwa, mocy silnika i emisji spalin. Warto poznać konkretne sygnały, aby odróżnić awarię sondy od innych usterek.

Jak rozpoznać wzrost zużycia paliwa?

To najbardziej odczuwalny objaw. Uszkodzona sonda wysyła błędne dane, przez co komputer pokładowy zazwyczaj wzbogaca mieszankę. W efekcie zużycie paliwa może wzrosnąć o 15–20 procent, a w skrajnych przypadkach nawet o 50 procent względem normalnego zapotrzebowania. Kierowca zauważa to szczególnie podczas tankowania.

Co oznacza nierówna praca silnika i czarny dym?

Gdy mieszanka jest zbyt bogata, spalanie nie przebiega całkowicie. Pojawiają się falujące obroty biegu jałowego, szarpanie podczas przyspieszania i spadek mocy. Silnik bywa ospały, a reakcja na pedał gazu wyraźnie słabnie.

Sprawna sonda rozpoznaje trzy stany: poziom równowagi, mieszankę ubogą i mieszankę bogatą. Zbyt duża ilość tlenu w spalinach oznacza mieszankę ubogą, a zbyt mała bogatą. Przy tej drugiej właśnie pojawia się czarny dym i wyższe spalanie.

Z rury wydechowej może wydobywać się czarny dym, co wskazuje na podwyższoną ilość tlenku węgla, węglowodorów i innych związków. Dłuższa jazda z taką usterką grozi uszkodzeniem reaktora katalitycznego, a sterownik silnika bywa zmuszony przejść w tryb pracy awaryjnej.

Dlaczego zapala się kontrolka check engine?

W pojazdach wyposażonych w system diagnostyczny EOBD zapalenie kontrolki check engine jest częstym sygnałem problemu z sondą. Sterownik silnika rejestruje błędne odczyty i zapisuje odpowiednie kody. Odczytanie ich komputerem diagnostycznym pozwala szybko potwierdzić, czy problem dotyczy sondy regulacyjnej, diagnostycznej, czy obwodu podgrzewania sondy.

Jak dbać o czujnik tlenu?

Żywotność czujnika bez grzałki szacuje się na 50 000–80 000 km, a wersji podgrzewanej nawet na 160 000 km. W praktyce trwałość zależy też od jakości tankowanego paliwa, stanu silnika i stylu jazdy. Zaleca się kontrolę sondy co 30 000 km, najlepiej przy okazji przeglądu układu wydechowego.

Podczas diagnostyki mechanik sprawdza wtyczkę, przewody i styki, a następnie ocenia obwód podgrzewania oraz napięcie za pomocą testera. Sama końcówka potrafi zdradzić źródło problemu. Czerwonawy lub biały nalot wskazuje na paliwo słabej jakości, czarny i tłusty na nadmierne zużycie oleju, ciemnozielony chropowaty na przedostawanie się płynu chłodniczego, a ciemnobrązowy na zbyt bogatą mieszankę.

Lekkie zabrudzenia można czasem usunąć przez wygrzewanie sondy, ale to rozwiązanie jest tymczasowe. Jeśli czujnik osiągnął kres swojej żywotności, jedynym pewnym sposobem jest jego wymiana. Nowy element przywraca właściwe spalanie, ogranicza emisję spalin i chroni katalizator przed kosztownym uszkodzeniem.