Lambdasonde

Onderwerpen:

  • Lambdasonde
  • Verwarmingselement
  • Meten aan de lambdasonde
  • Lambdawaarden bij een homogeen en een gelaagd verbrandingsproces
  • Fuel trims (LTFT en STFT)

Lambdasonde:
Elke moderne auto met een benzinemotor en EOBD heeft 1 of 2 lambdasondes in de uitlaat gemonteerd zitten. Vaak een regelsensor vóór de katalysator (een breedbandsensor), en een controlesensor ná de katalysator (sprongsensor). Wanneer er slechts één lambdasonde aanwezig is (voor de katalysator) is dat in de meeste gevallen een sprongsensor. De sprongsensor wordt ook wel een zirkoniumsensor genoemd. In de onderstaande afbeelding zijn de voorste en achterste lambdasondes van cilinderbank 1 te zien (nummers 1 en 2) en van cilinderbank 2 (nummer 3 en 4).

De lambdasensor controleert de samenstelling van lucht en brandstof in de uitlaatgassen. De gegevens van de metingen worden naar het motorregelapparaat gestuurd. De lambdasonde is noodzakelijk om de katalysator te laten functioneren, omdat deze werkt met een mengsel dat regelmatig wisselt tussen arm en rijk. De regelsonde “regelt” in feite de mengselsamenstelling; het motorregelapparaat ontvangt de meetgegevens van de regelsonde en past de inspuiting hierop aan. Wanneer het mengsel te arm was, wordt er meer brandstof ingespoten. Bij een te rijk mengsel zal de inspuittijd van de injector worden verkort om het mengsel weer armer te maken.

Wanneer een voertuig is uitgerust met twee sensoren registreert de sprongsensor het zuurstofgehalte in de uitlaatgassen na de katalysator; hiermee wordt gekeken of de katalysator de uitlaatgassen goed heeft omgezet. Mocht de katalysator defect zijn (bijv. wanneer het binnenwerk defect is of puur door veroudering) zal de sprongsensor de slechte werking van de katalysator herkennen. Het motorstoringslampje wordt dan aangestuurd. Wanneer de auto wordt uitgelezen, zal er een storingscode verschijnen met de informatie dat de katalysator niet goed werkt. Een lambdasonde gaat vaak rond de 160.000 km mee. Wanneer een lambdasonde verouderd kunnen de meetresultaten hierdoor worden beïnvloed zonder dat er een motorstoringslampje gaat branden.

Op de pagina injectiesysteem wordt uitgelegd wat de mengselsamenstelling voor invloed heeft op de uitlaatgassen, het vermogen en het brandstofverbruik.

De lambdasonde vergelijkt de uitlaatgassen met de buitenlucht. Het is daarom belangrijk dat de buitenlucht toevoer in de sonde niet verstopt zit. Wanneer dit gaatje dicht zit en er geen (in de onderstaande afbeelding blauwe) lucht meer in de sensor kan komen, zal de sensor dus niet werken.

Verwarmingselement:
Moderne lambdasondes zijn uitgerust met een intern verwarmingselement. Dit verwarmingselement zorgt ervoor dat de lambdasonde zo snel mogelijk kan gaan meten na de koude start. De lambdasonde functioneert pas wanneer de uitlaatgassen een temperatuur hebben bereikt van ca. 350 graden Celsius. Door de lambdasonde intern op te warmen, kan er al worden gemeten wanneer de uitlaatgassen de helft van de oorspronkelijk benodigde temperatuur bereikt hebben. In plaats van enkele minuten, kan er nu al in enkele seconden in een closed-loop situatie worden gedraaid.

Breedbandsensor:
De breedbandsensor heeft een groter meetbereik dan de sprongsensor. Ook tijdens vollast, waarbij het mengsel rijk is, wordt de correcte lucht- / brandstofverhouding geregistreerd en naar de ECU gestuurd. Niet alleen is de meetnauwkeurigheid hoog, maar is de sensor snel en hij is bestand tegen hoge temperaturen (tot wel 950-1000°C). De onderstaande afbeelding geeft het schema van de breedbandsensor weer.

De breedbandsensor moet minimaal 600°C zijn in goed te kunnen werken. Daarom wordt er ook gebruik gemaakt van een verwarmingselement (tussen de aansluitingen A-F) die de sensor na een koude motorstart opwarmt. De breedbandsensor bestaat uit een conventionele zirkoniumsensor en een pompcel. De sensor zit tussen aansluitingen D en E, en de pompcel tussen C en E geplaatst. De uitgangsspanning van zirkoniumsensor hangt af van de lambdawaarden:

Arm: 100 mV;

Rijk: 1000 mV (1 volt).

De pompcel in de breedbandsensor probeert de spanning constant op 450mV te houden door zuurstof van of naar de uitlaat te pompen. Bij een rijk mengsel is het zuurstofgehalte laag, dus moet de pompcel veel zuurstof verpompen om de spanning van 450mV te behouden. Bij een arm mengsel pompt de pompcel de zuurstof weg uit de meetcel. Hierbij verandert de stroomrichting die de pompcel gebruikt.

De stroomsterkte die tijdens het pompen ontstaat wordt gemeten. De hoogte en de richting van de stroom is een maat voor de actuele lucht- / brandstofverhouding. In de regeleenheid (het deel rechts van de gestreepte lijn in de bovenstaande afbeelding) wordt de pompcel bediend. De spanning op punt 4 is afhankelijk van de waarde die het zuurstofmeetelement doorgeeft. Deze spanning komt aan bij de min-aansluiting van de opamp in het regelapparaat.

Rijk mengsel: de spanning op de min-aansluiting van de opamp is hoger dan op de plus-aansluiting. De versterker wordt aan massa gelegd en de uitgangsspanning zal omlaag gaan. Er gaat een stroom lopen van E naar C.
Arm mengsel: de spanning op de min-aansluiting van de opamp is lager dan 2,45 volt, waardoor de versterker aan 4 volt wordt gelegd en de uitgangsspanning omhoog zal gaan. Er gaat een stroom lopen van C naar E. Hierbij is de stroomrichting omgekeerd t.o.v. het rijke mengsel.
De regeleenheid kan de stroomsterkte bepalen door de spanningsval over de weerstand bij aansluiting 3 te meten. De grootte van deze spanningsval is de maat voor de lambdawaarde. Daarom kan de spanning van de sprongsensor niet met een multimeter worden gecontroleerd om te controleren of de sensor nog juist functioneert.

Sprongsensor:
De sprongsensor heeft een beperkt meetgebied. Oudere auto’s met slechts een lambdasonde voor de katalysator zijn vaak uitgerust met een sprongsensor als regelsensor. De sprongsensor wekt een spanning op aan de hand van het zuurstofverschil. Deze spanning bedraagt tussen de 0,1 en 0,9 volt en kan worden gemeten met een multimeter.

Lambdawaarden bij een homogeen en gelaagd verbrandingsproces:
Homogeen:
Bij een homogeen mengsel is de lambdawaarde overal 1. Dat betekent bij een benzinemotor dat de verhouding van lucht en brandstof 14,7:1 is (14,7 kg lucht met 1 kg brandstof). Elke motor kan homogeen draaien. Als er verrijkt wordt, dan zal de lambdawaarde dalen en als het mengsel armer wordt gemaakt, zal de lambdawaarde stijgen:
 λ<1 = Rijk
 λ>1 = Arm
 Een motor zal altijd blijven schommelen tussen arm en rijk om de katalysator goed te laten werken.

lambda1

Gelaagd:
Motoren met directe inspuiting kunnen bij deellast gelaagd draaien. Een gelaagd verbrandingsproces betekent dat er diverse luchtlagen in de verbrandingsruimte aanwezig zijn waar tijdens de verbranding gebruik van gemaakt wordt. Dichtbij de bougie is de lambdawaarde 1. Verder daar vandaan wordt de lambdawaarde steeds hoger (armer, dus meer lucht). Deze lucht zorgt voor een isolerende luchtlaag. Bij een gelaagd proces is het inspuittijdstip later dan bij het homogene proces.
Met behulp van een gelaagde inspuiting kan de gasklep volledig geopend worden waardoor deze de lucht minder smoort. Doordat de aangezogen lucht ontsmoord wordt, ondervind deze minder weerstand en kan daardoor makkelijker aangezogen worden. Doordat de lambdawaarde in de verbrandingsruimte bij de gelaagde inspuiting toch kleiner dan 1 is door de isolerende luchtlaag, geeft dat geen problemen met de verbranding. Tijdens het gelaagde proces daalt het brandstofverbruik.
 Bij vollast draait de motor altijd homogeen. Dit geeft een hoger koppel dan bij een gelaagd proces. Als de motor homogeen draait, wordt de brandstof vroeg ingespoten. Ook bij het wegrijden vanuit stilstand draait de motor homogeen. Er is dan een hoger wegrijdkoppel aanwezig dan wanneer de motor gelaagd zou draaien

Fuel trims (LTFT en STFT):
Fuel trims worden gevormd uit de gegevens van de lambdasonde. De fuel trims worden bij een benzinemotor gebruikt om de ideale lucht- / brandstofverhouding te behouden voor een volledige verbranding. Dit bedraagt 14,7 kg lucht op 1 kg brandstof en noemen we de stoichiometrische mengverhouding.

Fuel trims vormen een correctiefactor om de basishoeveelheid ingespoten brandstof aan te passen wanneer dat nodig is. Er wordt rekening gehouden met de slijtage en vervuiling van motoronderdelen, sensoren en actuatoren. Met behulp van de fuel trims worden de uitlaatgasemissies over de gehele levenscyclus van de auto binnen de wettelijke normen gehouden.
Bij een positieve fuel trim probeert de ECU het te arme mengsel rijker te maken. Bij een negatieve fuel trim het tegenovergestelde; het te rijke mengsel wordt armer gemaakt. Hierbij zal de aanstuurpuls van de injector langer of korter worden gemaakt.

In de onderstaande afbeelding zijn de fuel trims bij een rijk mengsel (-25%) en bij een arm mengsel (+25%) te zien.

  • De negatieve fuel trim betekent dat de injectoren minder brandstof moeten inspuiten.
  • De positieve fuel trim betekent dat de injectoren meer brandstof moeten inspuiten.

Bij een fuel trim van 0% hoeft er geen compensatie uitgevoerd te worden, omdat er op dat moment sprake is van de stoichiometrische mengverhouding.

Er zijn twee soorten fuel trims;

  • Short Time Fuel Trim (afgekort als STFT) is wat het motormanagement op dit moment doet om het lucht- / brandstofmengsel aan te passen. De STFT verandert constant tijdens het draaien van de motor door de korte termijn aanpassingen en tijdelijke veranderingen.
  • Long Time Fuel Trim (afgekort als LTFT) bestaat uit adaptieve leerwaarden die over een langere periode uit de STFT wordt gevormd. De LTFT wordt opgeslagen in het “Keep Allive Memory” (KAM) welke niet wordt gereset bij het uit- en inschakelen van de motor. De LTFT wordt opgeslagen in de readinesstest. Het wissen is alleen mogelijk met diagnoseapparatuur of door het demonteren van een accupool.

Zowel de STFT- als de LTFT-waarden moeten zo dicht mogelijk bij 0% liggen. Afhankelijk van de toestand en de gebruiksomstandigheden van de motor kunnen de LTFT-waarden variëren van 5 tot 8%. De LTFT- en de STFT-waarden die het uitleesapparaat in de onderstaande afbeelding aangeeft, vallen binnen de toleranties en zijn dus in orde.

In de bovenstaande afbeelding zijn de STFT en de LTFT van “Bank 1” en “Bank 2” weergeven. Deze motor heeft dus twee cilinderbanken, dus het zal een motor in V-vorm zijn. Op de motor is vaak aangegeven welke cilinderbank nummer 1 en nummer 2 zijn. Raadpleeg anders de motorspecificaties als daar aan getwijfeld wordt.

Bij fuel trim waarden die meer dan 10% bedragen, is er vaak sprake van een probleem. Er hoeft dan nog niet een foutcode opgeslagen te zijn. Bij fuel trims lager dan -20% of hoger dan 20% zal het motormanagement een foutcode opslaan met betrekking tot een te rijk of te arm mengsel.

De LTFT-waarden blijven een lange periode constant, omdat deze waarden over een lang tijdsbestek zijn gemeten en opgeslagen zijn in de readiness-test (zie de pagina OBD). De STFT-waarden verspringen vaak over het scherm tijdens wisselende motorbelasting, als gevolg van een gasklep die verder opent of sluit.

Enkele oorzaken van een te rijk mengsel (negatieve fuel trim) zijn onder andere:

  • Defecte brandstofinjector; als de injector lekt, zal er meer brandstof in de verbrandingsruimte belanden dan dat het motormanagement heeft berekend en aangestuurd.
  • Probleem in de luchttoevoer in de motor als gevolg van een sterk vervuild luchtfilter of blokkering in de inlaat.
  • Probleem met de lambdasonde; een defect of een verstopt gaatje waarmee de lambdasonde het zuurstofgehalte in de buitenlucht meet.
  • Probleem in de brandstoftoevoer door een defecte brandstofdrukregelaar of een probleem met de brandstofretour.
  • Onjuiste koelvloeistoftemperatuur.
  • Probleem met EGR.
  • Compressieverlies.
  • Te kleine klepspeling.

Enkele oorzaken van een te arm mengsel (positieve fuel trim) zijn onder andere:

  • Lekkage in de uitlaat, waardoor niet alle uitlaatgassen door de lambdasonde worden gemeten.
  • Vacuümlekkage in bijvoorbeeld de inlaatslangen van de motor (tussen de luchtmassameter en de inlaatklep), een gescheurde carterventilatieslang, een gescheurde slang van de vacuüm rembekrachtiger, etc.
  • Defecte brandstofinjector; deze spuit te weinig tot niets in.
  • Defecte of vervuilde lambdasensor.
  • Defecte of vervuilde luchtmassameter.
  • Beperkingen in de brandstoftoevoer door bijvoorbeeld een verstopt brandstoffilter
  • Defect in de brandstofpomp waardoor er niet genoeg brandstofdruk wordt geleverd.

Het bestuderen van de fuel trims kan handig zijn bij het stellen van diagnoses. Bij problemen waarbij er geen storingen aanwezig zijn, of wanneer de storing niet gerelateerd is aan de klacht, kunnen de fuel trims uitkomst bieden. Bij een LTFT van iets minder dan 10% wordt er geen storing opgeslagen, maar geeft dat wel een indicatie dat het mengsel aan de arme kant is.