A Nernst- vagy ugrásszonda. Ezt a szondatípust a fizikai elv egy kerámia fajtánál oxigénion-vezetés felfedezőjéről, Ultra Fast Light-off HEGO

Átírás

1 Az LSU mérése A közel 30 éves lambda-szonda jóval túl 600 milliós gyártási darabszámon sem kerülhette el a sorsát: új generációja néhány éve már számos motor keverékképző szabályzórendszerében felváltotta az ősapát. A szélessávú vagy univerzális lambda-szondát nemcsak az Otto-motoroknál, hanem a koromszűrővel szerelt dízelmotoroknál is alkalmazzák. Az ősapa gyors és egyszerű ellenőrző mérésének módszere a diagnosztika ábécéjéhez tartozik. Az univerzális szonda szelektív mérése sem jelent különösebb problémát, ha tudjuk, hogy hol és mit mérjünk. A lambda-szonda olyannyira nélkülözhetetlen alkatrésze lett a szikragyújtású motornak, mint például a szívószelep vagy a gyújtógyertya. Ma úgy tűnik, hogy míg világ a világ, ez a jeladó belőle kettő is ott lesz a katalizátor előtt és után. Annak ellenére, hogy egy autószerelő-generáció nőtt már fel a lambda-szonda korszakban, mégsem érezzük feleslegesnek, hogy egy újabb szondatípusról szóló néhány mérési információ ismertetése előtt visszanyúljunk az ősi múltba. A lambda-szondák között a néhány éve megjelent szélessávú szondától függetlenül is különbséget kellett tennünk, mert két különböző mérési (érzékelési) elvű változatot is használtak a gyártók. A Nernst- vagy ugrásszonda LS lambda-szonda Lambdasonde / Lambda Sensor LSF LSU szilárd elektrolit lambda-szonda vagy Lambdasonde Festelektrolyt, Lambdasonde rétegszerkezetű (planár) lambdaszonda Flach, Planare Lambda-Sonde szélessávú vagy univerzális lambdaszonda L a m b d a s o n d e U n i v e r s a l, Breitband Lambda-Sonde EGO kipufogógáz oxigén érzékelő Exhaust Gas Oxygen Sensor fűtött kipufogógáz oxigén érzékelő Heated Exhaust Gas Oxygen Sensor I S O fűtött kipufogógáz oxigén érzékelő kocsitestfüggetlen testkivezetéssel T F rétegszerkezetű (planár) fűtött lambda-szonda F L O U F L O UEGO gyors reakciójú (felfűtésű) lambdaszonda rendkívül gyors reakciójú (felfűtésű) lambda-szonda univerzális/szélessávú kipufogógáz oxigén érzékelő Isolated Thick Film Fast Light-off Ultra Fast Light-off Universal Exhaust Gas Oxygen Sensor LSH fűtött lambda-szonda Lambdasonde beheizt O2S oxigénérzékelő Oxygen-Sensor 1. táblázat: a lambda-szonda megnevezései Ezt a szondatípust a fizikai elv egy kerámia fajtánál oxigénion-vezetés felfedezőjéről, Nernst német fizikusról, Nernst szondának nevezzük. Itt kell megjegyezni, hogy az alapelvet megvalósító szerkezet (például egy lámpa) és a valóságos lambda-szonda között óriási a különbség. Az eredeti Nernst-féle szonda a kerámia két oldalát érő gázban lévő oxigénkoncentráció különbségével, pontosabban az oxigén parciális nyomáskülönbségével arányos feszültségjelet szolgáltat (feszültséggenerátor), áramkörbe kapcsolva ionáramot hoz létre. Ebből származik a lambda-szonda oxigén-szonda megnevezése, melyet főleg az angol nyelvű szakirodalom használ (EGO). A Bosch által 1976-ban kifejlesztett lambda-szonda a motorba belépő keverék sztöchiometrikus összetételének kipufogógáz oldali felismerését teszi lehetővé. A sztöchiometrikus keverék-összetétel megfelel a légviszonytényező, német jelölésével a lambda, 1 értékének. A lambda-szonda név innen származik. A szonda kipufogógáz oldali felületén végbemenő katalitikus reakciók teszik természetesen az oxigénion-hozzávezetéssel együtt képessé a jeladót, hogy felismerje a sztöchiometrikus keverék értékét. Pontosabban a lambda = 1 értékű keverékösszetétel szoros környezetét, az ehhez a tartományhoz való közelítést, illetve elhagyást. Közismert, hogy erre az eseményre kedvezően nagy feszültségjel változással reagál (dús keverék U s 0,8 V, szegény keverék U s 0,2 V). Ezért nevezhetjük ugrásszondának is (németül Sprungsonde), vagy kétpontos szondának. A lambda-szondákat a német és az angol nyelvben, illetve a Bosch és az NGK több rövidítéssel is azonosítja, az 1-es táblázat ezek között segít eligazodni. A titán-dioxid szonda A másik szondatípus ettől mérési elvében lényegesen eltér, ez az ellenállásszonda. A keverékösszetétel változására, a lambda = 1 környezetében, a szenzor érzékelő anyaga, a titán, jelentős (három nagyságrendű) ellenállás-változást mutat. Feszültséggenerátoros táplálásnál, feszültségosztón való méréssel juthatunk a lambda = 1 32 autótechnika 2005/4

2 1. ábra: az érzékelő elem ujj- vagy gyűszűkialakítása (fotó: NTK) keverék-összetétel átlépés híréhez. Ezt a szondatípust például a BMW, Opel, Jaguar, Rover, Volvo használta néhány motorjánál. Az ellenállásszonda a lambda-szondafelhasználásnak talán csak egy ezrelékét adja, így a továbbiakban csak a Nernst szondával foglalkozunk. Szemünk elől elzárva A lambda-szonda érzékelő elemének szerkezeti kialakítása szerint két generációt különböztetünk meg. Az első az ún. ujj vagy gyűszű szondakerámia kialakítású (1. ábra). Az önálló fűtőtest a gyűszűben foglal helyet. A jel a gyűszű belső felületének elektródájáról, az anódról vehető le. A külső felület a katód, ez a jeltest, mely a szondaházzal lehet azonos potenciálon, vagy tőle elszigetelt kivezetésű. A Bosch pótalkatrészként gyártott szondájának kialakítását mutatjuk be a 2. ábrán. A kerámia kipufogógázzal érintkező oldalán a gázáteresztő porózus réteg finom és durva szűrőből, azaz gázáteresztő (diffúziós) rétegből áll, alatta gyűszűkialakítású ZrO 2 (+Y 2 O 3 ) kerámián van a platina elektródarács. A rétegszerkezetű, vagy planár, vagy lap érzékelőelem csak felépítésében más mint az ujjszonda, azzal teljesen azonos jelet szolgáltat (3/a és 3/b ábrák). A fűtőszál az egyik szélső rétegben van. A ma gyártott első beépítésű szondák döntő többségükben planár(lap)szondák. Mutasd a vezetékeidet és megmondom, ki vagy! A klasszikus ugrás lambda-szondákat a szondából kijövő vezetékek száma szerint is csoportosíthatjuk (lásd az 1. táblázatot). Az ugrásszondák akárki is legyen a gyártója azonos mérési elvűek, és szerkezeti felépítésük is azonos kialakítást mutat. Egymástól a fűtést (van vagy nincs, a fűtőszál ellenállásának értékét), a csatlakozóvezetékek hosszát, a csatlakozó típusát, az orr védőcső kialakítását, a gázbevezető furatok, rések számát, kialakítását és a kivezetések számát illetően különbözhetnek. Az érzékelő jelének azonossága miatt lehetséges, hogy a fentieket ugyan figyelembe véve a lambda-szonda, mint jeladó, csereszabatos. A Bosch pótalkatrészi felhasználásra univerzális lambda-szondát (Universal-Lambdasonde) kínál számos régi motorhoz (nincs cikkszám probléma!), ahol csak a vezetékcsatlakozást kell megoldani. (Sajnos az univerzális szó, az LSUszonda miatt, keveredést okozhat.) Szondadiagnosztika A lambda-szondáról mind soros, mind párhuzamos diagnosztikával fontos állapotinformációkat nyerhetünk. Kezdetben nem volt más eszközünk a szonda vizsgálatára, mint a szondavezetékekről üzem közben levehető jelek elemzése, melyet a szakma alaposan megtanult. A hagyományos szonda működő rendszeren történő vizsgálatának eszköze lehet egy digitális multiméter, egy oszcilloszkóp vagy e feladatra készített lambdateszter például LED-es lázmérő -kijelzéssel. A jelelvétel módja lehet a szondacsatlakozó bontása után egy speciális Y - csatlakozó beépítése, vagy egyszerűen csak vezetékmegszúrás. Az árnyékolt gázbevezető védőcső lézerhegesztésű, rozsdamentes kerámia szenzorelem acél szondaház platina elektródarács érzékelőelem (bevonatos kerámia) gyorsreagálású fűtőelem finom szűrő és durva szűrő diffúziós réteg 2. ábra: Bosch pótalkatrész-piaci ún. univerzális lambda-szondájának szerkezeti felépítése 3/a és 3/b ábra: a planár (lap) vagy rétegszerkezetű lambda-szonda kialakítása 4. ábra: párhuzamos diagnosztika Y -kábelének bekötése (Würth WOW) kábeleknél legyünk óvatosak! A jelvezeték színét ismerjük (lásd a 2. táblázatot), ismerjük a várt jelalakot, a jelnagyságot és a hibatüneteket. Ha a jelet oszcilloszkópra visszük, a szonda elfáradása is kideríthető. Végezhetjük a vizsgálatot Y rendszerkábelen keresztül is (4. ábra), ilyenkor a csatolt műszer okos mérőprogramja tapogatja le a hálózati jeleket, majd kiértékeli, így még egyszerűbb a dolgunk (Würth WOW, Autocom). A soros diagnosztika (fedélzeti állapot felügyelet), különösen az EOBD-korszakban, a szonda minden rezdülését figyeli. Megtapasztaltuk már korábban, hogy a fedélze- autótechnika 2005/4 33

3 A szondavezetékek száma A vezeték színe Bosch NGK/NTK ti diagnosztika számos okozati esetben is bűnösnek kiáltja ki a lambda-szondát. Ne örüljünk, általában nem a szonda a hibás! Ekkor jön jól, ha tudjuk, miként mérjük a lambda-szondát önállóan. Hosszúra nyúlt bevezetésünk után, mely talán nem volt felesleges, jutunk el a Funkció Megjegyzés 1 fekete fekete jel jeltest a szondaház fekete fekete jel a jeltest lehet a szondaházzal azonos potenciálon és lehet tőle vagy jeltest elszigetelt (kocsitestfüggetlen) szürke jel fűtés fűtés jeltest a szondaház, a fűtőszál-kivezetés potenciálja nincs megkülönböztetve fekete jel a jeltest lehet a szondaházzal szürke jeltest azonos potenciálon és lehet tőle elszigetelt (kocsitestfüggetlen), fűtés a fűtőszál kivezetés potenciálja fűtés nincs megkülönböztetve piros szivattyúcella (+) sárga fekete szivattyúcella és Nernst-cella ( ) fekete szürke Nernst-cella (jel) sárga fűtés ( ) szürke kék fűtés (+) piros vagy szürke fűtés (+) fűtés ( ) sárga jel (+) fekete jel ( ) 2. táblázat: a szondakábelek és funkciói A szondacsatlakozóban hat kivezetés található! A csatlakozóban lévő kalibráló-ellenállás általában (van kivétel!) a szivattyúcella vezetékéhez csatlakozik. Ellenállás- (titán-dioxid) szonda lambda-szonda új generációjához, az LSU, az univerzális vagy szélessávú lambdaszondához. A szélessávú lambda-szonda A lambda-szonda második generációjáról évekkel ezelőtt már írtunk (Autószaki 2001/9. szám, 576. oldal), az akkori első gyártói, szakirodalmi információk az alapokat helyesen adták meg, amit mi tolmácsoltunk, de számos helyen a mai, méréssel is ellenőrzött ismereteink felülbírálják az akkor leírtakat. Jelen cikkünkben nem térünk ki a szonda működésének mély ismereteire, csupán ellenőrző méréséről ejtünk szót. Az univerzális vagy szélessávú szonda (LSU vagy UEGO) céláramköri vezérléssel és jelfeldolgozással képes arra, hogy kb. λ = 0,7-től a tiszta levegőig λ = meg tudja állapítani a keverékösszetételt. A szondaműködtető céláramkör a motor-ecu-ban található önálló egység. Az LSU-szonda (nevezzük így az egyszerűség kedvéért) mind Bosch, mind NGK/NTK gyártmányban alapvetően azonos felépítésű. A szondaelem szerkezeti felépítése planár, tehát rétegszerkezetű, mely három fő, egymásra épülő funkcionális rétegből áll. A kipufogógázzal az ún. oxigén(ion) szivattyú szilárdelektrolit kerámiarétege érintkezik. A kerámián átvezetett gázcsatorna révén (5. ábra) a kipufogógáz mindkét oldalt éri diffúziós fojtáson (határrétegen) keresztül. Ehhez csatlakozik a hagyományos Nernstszonda. A kipufogógáz kis mennyisége a Nernst-szonda egyik oldalát éri, a másik oldal a külső levegővel áll kapcsolatban. Az alsó réteg a fűtőellenállást tartalmazza. Az elvi kapcsolási rajz (5. ábra) feltünteti a rétegeket és az 5 csatlakozó vezetékeket. A szonda alapjele az oxigénion-szivattyú áramértéke (I P ). Ennek alapján változtatja a motor-ecu a befecskendezési időt azért, hogy a kívánt mértékben módosuljon a légviszonytényező. Az LSU-szonda igaz, hogy képes bármilyen légviszonyérték, azaz lambda megmérésére, de a mai rendszereknél őt is lambda = 1-re állítják be. Ez azt jelenti, hogy a Nernst-szonda referenciafeszültsége 450 mv, tehát lambda = 1-nek felel meg. A szondának az ettől az értéktől való eltérést kell kimutatnia, azaz akkora I P áramot létrehoznia, mely a λ = 1-re való visszaállással arányos. (Híg keverékkel üzemelő benzinmotornál és dízelnél természetesen a szonda más-más lambdaértéket figyel.) 5. ábra: az LSU-szonda elvi felépítése (Bosch-grafika) 1 kipufogógáz, 2 kipufogócső, 3 fűtés, 5 referencia levegőkamra, 6 diffúziós rés, 7 Nernst-cella, 8 oxigénszivattyú, 9 diffúziós védőréteg, 10 gázbelépő nyílás, 11 diffúziós határréteg 6/a és 6/b ábrák: a korrekciós ellenállás (NTK- és Bosch LSU-szonda) 34 autótechnika 2005/4

4 sére két példát mutatunk be (6/a és 6/b ábrák). Így tehát hat késes a kivezetés, és hat vezeték megy el a csatlakozótól a motor-ecu felé (7. ábra). A 3-as táblázat egy NTK-gyártmányú LSU- () szonda vezetékeinek és VW-gépkocsiban (motorkód ATN) a csatlakozótól elmenő vezetékeknek a színeit, valamint számozását adja meg. A 8/a és a 8/b ábrák az NTK és a Bosch szondavezetékek színeit mutatják. 7. ábra: LSU-szondacsatlakozó (NTK) A szondából kijövő öt vezeték a Bosch- és az NTK-gyártmányoknál csak színeiben tér el, a jeladó belső felépítése azonos. A szondacsatlakozóban találunk egy korrekciós ellenállást, melyet a csatlakozóban ágaztatnak el az ún. oxigénszivattyú pozitív vezetékéről (van kivétel!), és önálló kivezetésként jelenik meg. A kalibráló ellenállás a Boschnál például Ω közötti érték a szonda egyedi bemérése után a kimeneti jellemző normalizálásra szolgál. A kalibráló-ellenállás elhelyezé- Az LSU mérése 8/a és 8/b ábrák: a szondavezetékek színei (NTK és Bosch) A szonda működésére vonatkozó életjeleket az oxigénszivattyú áramváltozása és a szakaszos fűtés megléte szolgáltatja. Mindkettő jól mérhető a szondából kijövő vezetékeken! A 9. ábra a fűtés ellenőrzéséhez a profi vezetékmegszúrást mutatja (VW-motorkód: AZD). A szondavezetékek esetünkben nem voltak árnyékoltak! A táblázatokból tudjuk: a sárga vezetékszál a fűtés negatív, a fűtés szakaszos, kapcsolt. A 10. ábra a Würth WOW műszerrel rögzített oszcilloszkópkép, de ezt egy bármely más analóg vagy digitális oszcilloszkóppal felvehetjük. A frekvenciá- 9. ábra: a mérőtüske csatlakoztatása a fűtés vezetékéhez 10. ábra: az LSU-szonda fűtésének feszültségjele nak nagyobbnak kell lennie, mint 15 Hz (WOW-információ), a mért érték ~ 20 Hz. A Bosch-szonda fűtőszálának ellenállása szobahőmérsékleten 3,2±0,8 Ω. Az oxigénszivattyú cella áramváltozását feszültségváltozásként mérjük az akku negatívhoz képest. Örömmel regisztrálhatjuk, hogy legalább fél voltos amplitúdójú jelet kapunk, ami a vártnak megfelelően kvázi szinuszos képet ad. Ehhez az NTK-szondánál a vezetéket kellett megszúrnunk. A WOW oszcilloszkópkép (11. és 12. ábrák) állandósult fordulatszámon, alapjáraton és 2500-as fordulaton mutatja az áramváltozással arányos feszültégváltozást, mely a keverékösszetétel-szabályozás alapjele. Emelt fordulaton a szabályozás frekvenciája kb. 1,4 Hz. Mindkét esetben kb. 0,5 V a jel Szondacsatlakozóba bemenő vezetékek Szondacsatlakozóból motor felé kimenő vezetékek 1 sárga fűtés( ) 1 barna 5 ECU csatlakozópontok (J448/T121) 2 kék fűtés (+) 2 kék/sárga (külső táp) 3 szivattyúcella (IPcella) (+) 3 zöld 52 4 fekete 71 5 szürke Nernst-cella (WScella) (+) 5 zöld/narancssárga 70 6 fekete IPcella és WScella közös ( ) 6 barna/narancssárga táblázat: NTK LSU lambda-szonda vezetékszínei és csatlakozó számozása (NTK Japan 12V, VW-AUDI J, VW-motorkód: AZD) autótechnika 2005/4 35

5 11. ábra: az LSU-szonda oxigénszivattyújának feszültségjele (alapjáraton) 12. ábra: az LSU-szonda oxigénszivattyújának feszültségjele (2500 min -1 ) 15. ábra: a Suzuki Swift katalizátor utáni lambda-szondája 14. ábra: az LSU-szonda oxigénszivattyújának soros oldali eléréssel kinyert áramgrafikonja amplitúdója. Hirtelen gázadáskor a jel akár 2 voltos amplitúdóval is kilenghet. A soros diagnosztika adatlistáját a 13. képen mutatjuk be (Würth WOW) az LSU cellát alapjellemzőjével, az áramváltozással jeleníti meg. Középértékben az áramnak közel nullának kell lennie, ehhez képest ± irányban térhet ki. A soros oldali áramváltozás adatait grafikonon is ábrázolhatjuk (14. ábra Würth WOW). Elöl-hátul 13. ábra: az LSU-szonda oxigénszivattyújának EOBD-adatlistája A katalizátor előtt lehet Nernst-, tehát hagyományos ugrásszonda, általában 4 vezetékkel vagy LSU-szonda (5 vezetékkel). A katalizátor utáni ún. monitorszonda tudomásunk szerint mindig hagyományos szonda, általában 4 vezetékkel. Tehát lehet két hagyományos vagy egy univerzális és egy hagyományos. A 15. ábrán az új Suzuki Swift katalizátor utáni szondáját láthatjuk, az első is hagyományos, négyvezetékes. Egy mai követelményeknek megfelelő zöldkártya-adatbázis feltünteti a katalizátor előtti és az utáni szonda fajtáját. Zárszó Az EOBD-felügyelet alatt dolgozó LSU lambda-szonda diagnosztikáját első helyen a soros oldalról kiolvasható paraméterek adják. A szonda önmagáról riportol és a második, ún. monitorszonda is figyeli és jelent. Mivel borsos árú alkatrészről van szó, jó, ha alaposan körbejárjuk, több oldalról is beszerzünk információt, mielőtt kijelentjük: biztosan rossz. Ebben segít a cikkben vázolt megszúrásos mérés. Dr. Nagyszokolyai Iván A mérésekhez nyújtott segítségért köszönetet mondunk a Würth Szereléstechnika Kft. munkatársának, Farkas László úrnak, a WOW diagnosztikai rendszer szakértőjének. 36 autótechnika 2005/4