Column: Lambdasensoren; werking en diagnose

 

Fig 1: Tweepunts-lambdasensor

De tweepunts-lambdasensor

Bij het hierna volgend blog ga ik ervan uit dat de lezer - zeker de professionele technicus - in grote lijnen bekend is met de constructie en het doel van lambdasensoren. Ik begin dan ook koudweg met het keramiek.

Het keramiek van de lambdasensor is (elektrisch) geleidend als het met zuurstofionen in aanraking komt. Dat gebeurt pas als de lambdasensor een temperatuur van 300 ℃ of meer heeft bereikt.

Binnen in het keramiek is er zuurstof van de buitenlucht. Dat is de referentielucht. Buiten op het keramiek is er zuurstof dat in het uitlaatgas zit.

Het verschil in de hoeveelheid zuurstof veroorzaakt een spanningssprong. Dat is bij een arm lucht-brandstofmengsel 100 mV (millivolt) en bij een rijk lucht-brandstofmengsel ongeveer 800 mV. Bij een lucht-brandstofmengsel met een mengverhouding van 14,7 : 1 (stoïchiometrisch) ligt de spanning tussen de 450 en 500 mV. De lambdasensor mag overigens niet heter worden dan ongeveer 850 ℃.

Fig. 2 Plaats van de lambdasensoren voor en achter de katalysator

De lambdasensor tast met een regelmaat – frequentie – het zuurstofgehalte af. Bij een motortoerental van ongeveer 2000 1-min is dat 1 Hz. Dat wil zeggen dat minstens 1x per seconde het spanningssignaal tussen 0,1 Volt (arm mengsel) en 0,9 Volt (rijk mengsel) moet verlopen. Dat verschijnsel heet pendelen.

Overigens geldt dit voor zirkoniumoxidesensoren (de tweepunts lambdasensor). Er zijn ook titaniumoxidesensoren en die wisselen tussen de 0,1 en 5 volt. Deze kan je aantreffen in modellen van BMW, Volvo en Opel.

Overigens is een belangrijk verschil met de zirkoniumoxidesensor dat de titaniumsensor niet zijn eigen spanning opwekt. Deze sensor wordt dan ook extern gevoed met een 5 volts spanning. Let daarop bij het doormeten.

Het regelapparaat van het benzine-inspuitsysteem of de regeleenheid van het motormanagement verwerken het signaal van de lambdasensor.

Rekening houdend met andere sensorsignalen (motortemperatuur, toerental, luchthoeveelheids- of luchtmassameting, enz.) stuurt de motorregeleenheid of het regelapparaat de inspuitventielen aan. Dat wil zeggen dat de openingsduur zodanig is geregeld, dat de motor zoveel mogelijk stoïchiometrisch draait. Dat is belangrijk, omdat ook alleen dan de katalysator goed kan werken.

Om de lambdasensor snel op werktemperatuur te krijgen, is deze uitgerust met een verwarming. Als de motor nog niet op bedrijfstemperatuur is en het uitlaatgas niet genoeg warmte heeft, kan de lambdasensor dan toch al goed zijn werk doen.

Bij motoren met directe benzine-inspuiting is er ook een NO_x-katalysator gemonteerd. De lambdasensoren die daarbij zijn gemonteerd hebben afwijkende materialen, maar werken praktisch hetzelfde als de uitvoering met een enkele lambdasensor zoals ik hiervoor heb beschreven.

De breedband-lambdasensor

Naast dat de breedband-lambdasensoren als regelsensor wordt toegepast voor de katalysator, treffen we deze ook aan bij motoren met EOBD in de vorm van een controle lambdasensor achter de katalysator. Dit bij zowel motoren met directe benzine-inspuiting en bij dieselmotoren.

Overigens is de controle lambdasensor in veel gevallen ook een tweepunts-lambdasensor. Er zijn ook uitvoeringen waarbij de breedband-lambdasensor (als controle-sensor) een regelmogelijkheid heeft zodat deze binnen een bepaald gebied ook als tweepunts-lambdasensor werkt.

En dan kunnen we tegenwoordig ook uitvoeringen van de NO_x–sensor aantreffen (bij directe inspuiting met NO_x-katalysator’) waarbij in de NO_x–sensor een tweepunts-lambdasensor is opgenomen.

De lambdasensor vóór de katalysator werkt als hiervoor beschreven.
Storingen en afwijkingen in het emissiesysteem kan je beoordelen aan de hand van een EOBD-meting, een meting met een merkspecifiek testapparaat en een meergastester.


Fig. 3 Doorsnede breedband-lambdasensor (NGK)

De werking van de breedband-lambdasensor verdient misschien nog enige uitleg. Er zijn twee uitvoeringen; als vingersensor (‘sonde’) zoals bekend van de tweepunt-lambdasensor en als een ‘plat kastje’ op het uitlaatgedeelte gemonteerd.

Deze laatste wordt ook wel planaire lambdasensor genoemd.

De breedband-lambdasensor vertoont in principe dezelfde constructie als de tweepunts-lambdasensor. Deze is echter in staat om bij een rijk mengsel en bij een arm mengsel de exacte lambdawaarde te meten. Hierdoor is het mogelijk dat de juiste soll-waarde wordt aangestuurd; dus de lambdawaarde zoals die zou moeten zijn, rekening houdend met de bedrijfsomstandigheden van de motor.

Ook de breedband-lambdasensor werkt met referentielucht, zoals al bij de tweepunts-lambdasensor beschreven. Bovendien heeft de breedbandversie een tweede elektrochemische cel en dat is de pompcel.

Fig. 4 Werking breedband-lambdasensor (NGK)

Door een klein gat – de diffusiespleet - in de pompcel komt er uitlaatgas in de meetruimte (referentiecel).

Net als bij de tweepunts-lambdasensor wordt de zuurstofconcentratie vergeleken met de hoeveelheid zuurstof in de referentielucht. De motorregeleenheid heeft een meetbaar signaal nodig. Daarom wordt spanning toegevoerd aan de pompcel.

Deze spanning zorgt er voor dat zuurstof uit het uitlaatgas door de diffusiespleet in- en uitgepompt kan worden. De motorregeleenheid stuurt de spanning dusdanig aan dat in de diffusiespleet de samenstelling van het gas constant rond de λ = 1 ligt.

Bij een arm mengsel pompt de pompcel zuurstof naar buiten. Er ontstaat een positieve pompstroom.

Bij een rijk mengsel wordt zuurstof uit de referentielucht naar binnen gepompt. Er ontstaat een negatieve pompstroom.

Als er een lambdawaarde λ = 1 in de diffusiespleet wordt gemeten, wordt er geen zuurstof meer getransporteerd. De pompstroom is dan nul.

De motorregeleenheid beoordeelt de pompstroom (en spanning) en regelt de lambdawaarde (het luchtgetal) aan de hand van de mengselsamenstelling. Als de waarde afwijkt, wordt een pompstroom geschakeld. Daarmee worden dan zoveel zuurstofionen in of uit de detectiekamer gepompt, totdat de spanningswaarde van de meetcel weer 450 mV bedraagt.

Wat kan er misgaan met de lambdasensor

Als de lambdaregeling uitvalt is dat te merken aan:

- een hoog brandstofverbruik;
- hoge uitstoot aan schadelijke uitlaatgassen;                                                      - motorvermogen is niet optimaal;
- MIL-lampje (‘check engine’) gaat branden;
- er wordt een storingscode opgeslagen.

Dat een lambdasensor het begeeft kan uiteenlopende redenen hebben.

Allereerst kan je het beste controleren of de massaverbindingen en de spanningsvoorziening in orde zijn. Natuurlijk of er ook sprake is van kortsluiting (zowel in de lambdasensor als daarbuiten; bedrading).

De werking wordt sterk beïnvloed door oververhitting, vervuiling en afzettingen op het keramiek. Het is dan ook belangrijk regelmatig (om de 30.000 km) de werking van de lambdasensor(en) te controleren.

Natuurlijk kan er ook sprake zijn van mechanische beschadiging. En de werking kan ook worden beïnvloed door brandstof waaraan bepaalde additieven zijn toegevoegd (door een garagebedrijf of de gebruiker).

Een aantal defecten aan de lambdasensor

Afzetting door onverbrande olie die langs zuigerveren of klepgeleiders in het uitlaattraject is gekomen. Vaak is dan ook al een motorrevisie in zicht, dus een overweging wat te doen: een nieuwe lambdasensor of toch ook maar een revisie. Aantal gedraaide kilometers en de te verwachten gebruiksduur zijn daarbij doorslaggevend.

Lambdasensoren kunnen ook onjuist gemonteerd zijn, waardoor de sensor verstopt raakt of valse lucht (referentielucht) aanzuigt.

Het te heet worden van de lambdasensoren heeft met name te maken met de motorische conditie. Een lambdasensor zal het snel begeven als deze veelvuldig blootgesteld wordt aan temperaturen van 950 ℃ of hoger. Een oorzaak kan zijn een onjuist ontstekingstijdstip (of detonatie/pingelen) of een te krap afgestelde klepspeling.

Het stellen van een diagnose

Het stellen van een diagnose wordt tegenwoordig vereenvoudigd door het storingsgeheugen van de motorregeleenheid. Maar wat het storingsgeheugen aangeeft, daar kan een hele wereld aan ellende achter liggen. Daarom is een diepgaander onderzoek noodzakelijk, om tijd en ergernis te besparen en de klant niet onnodig op kosten te jagen.

In het kader van EOBD worden een groot aantal storingen herkend die met een code worden weergegeven. Deze codes komen (in de meeste gevallen) niet overeen met de codes die door de fabrikant in hun testsystemen zijn opgenomen.

Bijvoorbeeld P0130 is een EOBD-uitlezing die staat voor een storing in het circuit ‘Lambda sensor bank 1, sensor 1’. De laatst bekende storingscode van het VAG-concern (VW, Audi, Seat, Skoda, enz.) is 16514. Oudere testers (bijvoorbeeld VAG com die niet ge-update is) geeft aan de oude code 00525.

De VAG-tester geeft dan ook het nummer van het onderdeel aan: lambdasensor G39. Zo ver gaat EOBD niet en het wordt interessanter als je andere diagnosemethodes gebruikt.

Dat kunnen zijn:
- een multimeter;
- EOBD-scanner;
- een uitlaatgastester;
- een lambdasensortester;
- de merkspecifieke tester;
- een universele tester;
- een oscilloscoop (‘scoop’);

Je begint een diagnose altijd uitgaande van drie principes: kijken, luisteren en voelen. 

Bij het kijken let je op beschadigde bedrading en stekers. Ook mag het uitlaatsysteem geen lekkages vertonen.

Let daarbij ook op eventuele lekkages langs pakkingen.

Diagnose met een multimeter

Gebruik een multimeter met digitale uitlezing en een hoge interne weerstand. Bij een multimeter met een geringe weerstand – en dat is meestal bij een analoge multimeter het geval – wordt het sensorsignaal te zwaar belast en kan dan wegvallen. Wel kan je met een analoge multimeter met hoge interne weerstand het spanningsverloop goed volgen.

Handig is een elektrisch schema van de betreffende auto, maar met de volgende algemene aanwijzingen moet je er ook uitkomen. De multimeter sluit je aan (parallel) op de zwarte kabel van de lambdasensor.

Het meetbereik van de multimeter stel je in op 1 of 2 volt. Als je de motor start zie je een spanning verschijnen tussen 0,4 en 0,6 volt. Dat is de referentiespanning.

Als de motor op bedrijfstemperatuur komt zal je zien dat bij een goed werkende lambdasensor de spanning tussen 100 en 900 mV wisselt. Dat is het zogenaamde pendelen.

Vervolgens houd je de motor op een toerental van ongeveer 2500 toeren. Dan ben je er zeker van dat ook bij motoren met een niet-verwarmde lambdasensor de bedrijfstemperatuur is bereikt.

Diagnose met een EOBD-Scanner

De EOBD-scanner geeft alleen een storingscode aan met eventueel (afhankelijk ook van de prijs van de scanner) een korte omschrijving. De code verdient dan ook enige bestudering. Zeker als er meerdere codes tegelijk worden weergegeven zal je moeten beschikken over voldoende systeemkennis.

Uitlezing met de uitlaatgastester (4-gastester)

De meeste auto hangen in het kader van de APK even aan de uitlaatgastester. Komen de waardes overeen met die genoemd in de wettelijke regelingen, dan is het in orde.

Echter, de uitlaatgastester is ook een uitstekend diagnoseapparaat. Ook de werking van de lambdasensor kan worden beoordeeld, maar dan wel binnen het hele onderwerp mengselvorming. Dat is dus ook de werking van inspuiting, ontsteking en katalysatoren. Daar kom in nog eens op terug.

De lambdasensortester

De lambdasensortester werkt over het algemeen met LEDjes. Het apparaat wordt aan de signaalkabel van de lambdasensor aangesloten (net als de multimeter en de oscilloscoop) en geeft dan afhankelijk van mengselsamenstelling en spanningsverloop de lambdawaarde aan. Voorwaarde is ook hier een motor op bedrijfstemperatuur. Als de lambdasensortester een titaniumoxidelambdasensor detecteert, dan schakelt hij om naar het bereik van 0,1 tot 5 volt.

Fig.5 Lambdasensortester

De merkspecifieke tester en de universele tester
Dit zijn hiervoor al kort beschreven. Ook in dat geval worden dus één of meer storingscodes weergegeven. Voor een diepgaandere diagnose heb je systeemkennis nodig. De systemen die je in moderne auto’s aantreft, komen in grote lijnen met elkaar overeen. Ga je een specifiek onderdeel op de werking controleren, dan lijkt haast een oscilloscoop praktisch onmisbaar.

De oscilloscoop

De oscilloscoop (kortweg ‘scoop’) is in principe een veredelde multimeter met een tijdschaal. De eisen om tot een goede diagnose te komen zijn al onder het stukje bij de multimeter beschreven.

De scoop kan over een automatische signaalherkenning beschikken, maar bij sommige uitvoeringen zal je het spanningsbereik moeten instellen. Dat is over het algemeen 1 tot 5 volt. Je wilt ook (en dat is het voordeel van een scoop) het tijdsverloop zien en dat stel je in op 1 tot 2 seconden.

Die tijdsinstelling noemen we triggeren. Het tijdsignaal stel je in op de verwachte cyclus. Het pendelen van de lambdasensor wordt in Hz (Hertz) gemeten; dus het aantal malen per seconde dat ‘het verschijnsel’ zich voordoet.

Fig. 7 Beeld van een tweepunts-lambdasensor (TiePie)

Motor laten draaien op 2500 toeren en de wisselspanning verschijnt op het scherm (display). Je kunt dan zien wat de hoogte van de amplitude is, dus het verschil tussen de minimum en de maximum gemeten spanning. Die ligt als het goed is tussen de 100 en 900 mV.

En je ziet dan gerelateerd aan de horizontale as (de x-as) de duur van het signaal. Die frequentie bedraagt tussen de 0,5 en 4 Hz.

Verschillen in diagnose tussen de tweepunts-lambdasensor en de breedband-lambdasensor.
Ten eerste; je kunt de breedband-lambdasensor moeilijk doormeten met een multimeter, dus ben je aangewezen op de scoop. Dat heeft te maken met de snelle wisselingen in spanningen.
Ten tweede; de werking van de breedband-lambdasensor wordt in belangrijke mate bepaald door de pompcel.



Fig. 8 Beeld van de breedband-lambdasensor (TiePie)

Metingen aan de pompcel

De stroom van de pompcel is de maat voor de grootte van de afwijking van de optimale brandstofmengselverhouding. Meestal is meten van de spanning voldoende. Die spanning dient circa 450 mV te zijn. Dat is al beschreven onder het kopje ‘breedband-lambdasensor’. (Mede) afhankelijk van de mogelijkheden van de gebruikte scoop zal je de weerstand in de sensor moeten meten. Deze weerstand zal je moeten omrekenen naar de pompcelstroom (stroom = spanning gedeeld door weerstand). Een en ander kan je op het scherm van de scoop weergeven. Een waterdichte diagnose kan je alleen stellen als je beschikt over informatie van het betreffende motormanagementsysteem en de toegepaste breedband-lambdasensor.
Een aantal waarnemingen die je kunt doen zijn:
Signaalspanning te laag. Vaak een arm mengsel, er komt zuurstof in het uitlaatsysteem (lekkage).
Signaalspanning te hoog; te rijk mengsel.
In beide voorgaande situaties kan de sensor defect zijn.
Stoorsignalen in de weergave duiden meestal op beschadiging van de bedrading en slechte contacten. En dat had van tevoren al gecontroleerd moeten worden; voorbereiding diagnose = kijken, luisteren, voelen.



Fig. 9 Aansluitingen aan de lambdasensor (NGK)

Afsluitende opmerking; de mengselcorrectie bij Toyota

Bij een aantal Toyota-motoren (bijvoorbeeld de 1 AZ-FE en 2 AZ-FE) wordt een mengselsensor toegepast. Deze wijkt overigens niet echt af van de lambdasensor, in die zin dat aan de Toyota-sensor een spanning wordt toegevoerd op aansluiting AF1A+ van 3,3 volt. Op aansluiting AF1A- is er een spanning van 3,0 volt.

Als de mengselverhouding rond λ = 1 ligt genereert de sensor een spanning van ongeveer 0,3 volt. Deze spanning compenseert het verschil tussen de aansluitingen AF1A+ en AF1A-. Er is dan geen stroomflux tussen beide aansluitingen.

Als er sprake is van een rijk mengsel, dan genereert de sensor een spanning die groter is dan 0,3 volt. Hierdoor ontstaat een stroomflux van AF1A- naar AF1A+ van 1 tot 15 mA. De motorregeleenheid berekent hieruit de mengselsamenstelling.

In het geval van een arm mengsel (zuurstofoverschot) komt een lagere spanning dan 0,3 volt tot stand. Dan ontstaat er een stroomflux van AF1A+ naar AF1A- van ongeveer 1 tot 10 mA.

Het is daarom niet mogelijk om deze sensoren met een multimeter te controleren. Er volgt ook geen ‘sprong’ in de spanning zoals bij de welbekende tweepunts-lambdasensor. Belangrijk is dus ook - naast systeemkennis – het kunnen beschikken over werkplaatsdocumentatie.

Atte Roskam