Lambdasonde:


Op deze pagina worden de volgende onderdelen beschreven:
-Lambdasonde
-Lambdawaarde
-Open-loop en Closed-loop
-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 sensor vůůr de katalysator (een breedbandsensor), en een sensor nŠ de katalysator (sprongsensor).
De breedbandsensor controleert de samenstelling van lucht en brandstof in de uitlaatgassen. De gegevens van de meting worden naar het motorregelapparaat gestuurd. Deze sensor wekt zelf een spanning op die constant varieert tussen de 0,1 en 0,9 volt. Dit wordt gemeten bij een arm en een rijk mengsel. De gegevens worden naar het motorregelapparaat gestuurd, die met deze gegevens voor de mengselaanpassing zorgt. Voor een goed werkende katalysator is een lambdasonde noodzakelijk, omdat een katalysator alleen werkt met een mengsel dat regelmatig wisselt tussen arm en rijk.
De sprongsensor heeft als taak om te controleren of de katalysator de uitlaatgassen goed om heeft gezet. 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 uitgelezen wordt, zal er een storingscode verschijnen met de informatie dat de katalysator niet goed werkt.

In de onderstaande afbeelding zijn de voorste en achterste lambdasonde van cilinderbank 1 te zien (nummers 1 en 2) en van cilinderbank 2 (nummer 3 en 4).



In de onderstaande afbeelding is te zien hoe de lambdaregeling tot stand komt. De lambdasonde meet het zuurstofgehalte in het uitlaatgas. Het signaal wordt doorgestuurd naar de ECU. In de ECU wordt herkend uit dit spanningssignaal of de verbranding te arm of te rijk was. Met dit signaal berekent het motormanagement hoe rijk of arm het mengsel van de verbranding moet zijn. Aan de hand van deze berekening wordt de injector langer of korter aangestuurd, waardoor deze meer of minder brandstof inspuit.





Lambdawaarde:
Een ideale brandstof-luchtverhouding bij een benzinemotor is 1kg brandstof op 14,7kg lucht. Bij iedere kg  brandstof is dus 14,7kg lucht nodig om dat te verbranden. Dit wordt ook wel de "stoichiometrische mengverhouding" genoemd.
Bij de ideale verbranding 1:14,7 is dit Lambda = 1 (zie illustratie linksonder in de afbeelding). Met de lambdawaarde 1 kan de katalysator niet goed werken. Om de katalysator te voorzien van de juiste stoffen in het uitlaatgas dient het mengsel eerst rijk (meer brandstof) en dan weer arm (minder brandstof) gemaakt te worden. Dit blijft constant variŽren, wat ook te zien is wanneer de sprongsensor gemeten wordt. De spanning zal dan ook steeds tussen de 0,1 volt en 0,9 volt variŽren.


(Afb. van een sprongsensor)

Een breedbandsensor werkt anders en is bij bovenstaande afbeelding niet van toepassing. Deze sensor werkt over gebieden van tussen lambda = 0,7 tot lambda = 4 en is daarmee zeer geschikt voor arme mengselmotoren, zoals motoren met gelaagde verbranding. (Uitleg over de lambdawaarden bij een gelaagde verbrandingsproces staat onderaan deze pagina beschreven). De breedbandsensor kan bij zowel benzine, gas en dieselmotoren worden toegepast.

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.
 

Open-loop en Closed-loop:
De lambdasonde functioneert alleen als de uitlaatgassen een temperatuur hebben bereikt van ca. 350 graden Celcius. Alleen dan dringen de uitlaatgassen door een beschermlaag in de sonde. Ook dient de motor in deellast te draaien. Dat wil zeggen, dat er met een constante snelheid gereden wordt, met een constant toerental. In deze situatie spreken we over "closed-loop".
In een "open-loop'' situatie, wordt er door het motorregelapparaat niet naar de doorgegeven waardes van de lambdasonde gekeken. In deze situatie is de auto aan het accelereren, decelereren (optrekken en afremmen) of is de juiste uitlaatgastemperatuur nog niet bereikt.


Verwarmingselement:
Moderne lambdasondes hebben intern een verwarmingselement ingebouwd zitten. Dit verwarmingselement zorgt ervoor dat de lambdasonde zo snel mogelijk kan gaan meten na de koude start. Zoals hier boven ook al is uitgelegd, gaat de lambdasonde pas werken wanneer de uitlaatgassen een temperatuur van ca. 350 graden hebben bereikt. De uitlaatgassen kunnen dan pas door de beschermlaag heen dringen. Door de lambdasonde intern op te warmen, kan er nu al gemeten worden 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.


Meten van de sprong-lambdasonde:
Wanneer er vermoed wordt dat er een defect aan de lambdasonde is, kan deze doorgemeten worden. Eerder werd al verteld dat de sonde zelf een spanning (variŽrend tussen de 0,1 en 0,9 volt) opwekt. Door met draaiende motor de stekker eraf te halen, kan m.b.v. een multimeter op de plus en de min heel gemakkelijk de spanning afgelezen worden. Wanneer de spanning tussen de 0,1 en 0,9 volt blijft schommelen, werkt de sensor goed. Dat betekent dat de mengselverhouding steeds blijft wisselen tussen "rijk" en "arm", (zie de illustratie boven).

Een breedband-lambdasonde kan niet gemeten worden. De weerstandswaarde kan via een scoopmeter gemeten worden en bij foute waardes wordt er een foutcode in de computer opgeslagen. Meer controles kunnen er niet op uitgeoefend worden.


(Afb. van een lambdasonde)




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.

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 variŽren 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.
- VacuŁmlekkage in bijvoorbeeld de inlaatslangen van de motor (tussen de luchtmassameter en de inlaatklep), een gescheurde carterventilatieslang, een gescheurde slang van de vacuŁm 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.