jeladótechnika
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 Ezt a szondatípust a fizikai elv – egy kerámia fajtánál oxigénion-vezetés – felfe-
LS
lambda-szonda
Lambdasonde / Lambda Sensor
LSF
szilárd elektrolit lambda-szonda vagy Lambdasonde Festelektrolyt, Lambdasonde rétegszerkezetű (planár) lambdaFlach, Planare Lambda-Sonde szonda
LSU
szélessávú vagy univerzális lambda- L a m b d a s o n d e Universal, szonda Breitband Lambda-Sonde
EGO
kipufogógáz oxigén érzékelő
Exhaust Gas Oxygen Sensor
HEGO
fűtött kipufogógáz oxigén érzékelő
Heated Exhaust Gas Oxygen Sensor
I S O fűtött kipufogógáz oxigén érzékelő Isolated HEGO HEGO kocsitestfüggetlen testkivezetéssel T F réte gszer kezetű (p lanár) fűtöt t Thick Film HEGO HEGO lambda-szonda F L O gyors reakciójú (felfűtésű) lambdaFast Light-off HEGO HEGO szonda U F L O rendkívül gyors reakciójú (felfűtésű) Ultra Fast Light-off HEGO HEGO lambda-szonda UEGO
univerzális/szélessávú kipufogógáz Universal Exhaust Gas Oxygen Sensor oxigén érzékelő
LSH
fűtött lambda-szonda
Lambdasonde beheizt
O2S
oxigénérzékelő
Oxygen-Sensor
1. táblázat: a lambda-szonda megnevezései
32
dezőjéről, 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 Us ≥ 0,8 V, szegény keverék Us ≤ 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
autótechnika
2005/4
jeladótechnika
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 gázbevezető védőcső
érzékelőelem (bevonatos kerámia)
(diffúziós) rétegből áll, alatta gyűszűkialakítású ZrO2(+Y2O3) 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
lézerhegesztésű, rozsdamentes kerámia szenzorelem acél szondaház platina elektródarács
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
autótechnika 2005/4
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-
33
jeladótechnika
A szondave z e t é ke k száma
Bosch
NGK/NTK
1
fekete
fekete
jel
jeltest a szondaház
fekete
jel
fehér vagy szürke
jeltest
a jeltest lehet a szondaházzal azonos potenciálon és lehet tőle elszigetelt (kocsitestfüggetlen)
A vezeték színe
2
3
4
fekete
jel
fehér
fűtés
fehér
fűtés
fekete
jel
szürke
jeltest
fehér
fűtés
fehér
fűtés
piros
5
4
Funkció
fehér
sárga
fekete
fekete
szürke
fehér
sárga
szürke
kék
Megjegyzés
jeltest a szondaház, a fűtőszál-kivezetés potenciálja nincs megkülönböztetve a jeltest lehet a szondaházzal azonos potenciálon és lehet tőle elszigetelt (kocsitestfüggetlen), a fűtőszál kivezetés potenciálja nincs megkülönböztetve
szivattyúcella (+) A szondac satlakozóban hat kivezetés található! A csatlakozóban lévő kalibráló-ellenállás áltaNernst-cella (jel) lában (van kivétel!) a szivattyúfűtés (–) cella vezetékéhez csatlakozik. fűtés (+) szivattyúcella és Nernst-cella (–)
piros vagy szürke
fűtés (+)
fehér
fűtés (–)
sárga
jel (+)
fekete
jel (–)
Ellenállás- (titán-dioxid) szonda
2. táblázat: a szondakábelek és funkciói
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
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
34
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 (IP). 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 IP áramot létrehoznia, mely a λ = 1-re való visszaállással arányos. (Híg keverékkel üzemelő benzinmotornál és dízelnél természetesen a szonda más-más lambdaértéket figyel.)
6/a és 6/b ábrák: a korrekciós ellenállás (NTK- és Bosch LSU-szonda)
autótechnika
2005/4
jeladótechnika
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- (HEGO) 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.
Az LSU mérése 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 30–300 Ω közötti érték – a szonda egyedi bemérése után a kimeneti jellemző normalizálásra szolgál. A kalibráló-ellenállás elhelyezé-
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-
8/a és 8/b ábrák: a szondavezetékek színei (NTK és Bosch)
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 fehér 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
ECU csatlakozópontok (J448/T121)
1 – sárga – fűtés(–)
1 – barna
5
2 – kék – fűtés (+)
2 – kék/sárga
– (külső táp)
3 – fehér – 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
51
3. táblázat: NTK LSU lambda-szonda vezetékszínei és csatlakozó számozása (NTK Japan 12V, VW-AUDI 036 906 262 J, VW-motorkód: AZD)
autótechnika 2005/4
35
jeladótechnika
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 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
13. ábra: az LSU-szonda oxigénszivattyújának EOBD-adatlistája
36
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.
autótechnika
2005/4
