LAMBDA-ANTURI

Mikä on lambda-anturin tehtävä?

Lambda-anturi mittaa hapen määrän pakokaasuissa. Lambdaväriarvo pakokaasuissa on suhde hapen ja polttoaineen välillä, ja se on normoitu siten, että arvo 1.0 tarkoittaa optimaalista seosta. Jos hapen määrä kasvaa polttoaineeseen nähden, lambda-arvo on suurempi kuin 1. Jos polttoaineen määrä kasvaa happeen nähden, arvo on pienempi kuin 1. Optimaalinen ilman ja polttoaineen seos on 14.7:1.

Lambda-antureita on usein asennettuna sekä katalysaattorin eteen että sen jälkeen. Katalysaattorin edessä (tai hiukkassuodattimen edessä) se tunnetaan usein nimellä säätöanturi ja sen jälkeen katalysaattoria määritysanturi. Säätöanturin tehtävä on säätää ilman ja polttoaineen seosta. Määritysanturin pääasiallinen tehtävä on tarkistaa katalysaattorin toiminta.

Erilaiset lambda-antureiden tyypit

On olemassa kaksi päätyyppiä lambda-antureista: perinteiset kapeakaistaiset happianturit (engl. narrowband oxygen sensors) ja nykyaikaiset, kehittyneemmät laajakaistaiset happianturit (engl. wideband oxygen sensors). Molemmat anturityypit vaativat korkean käyttölämpötilan toimiakseen, ja useimmissa malleissa on siksi integroitu esilämmitin.

Perinteinen lambda-anturi (kapeakaistainen) koostuu happipitoisuuden havaitsevasta kennosta, niin sanotusta Nernst-kennosta, joka on valmistettu zirkoniumdioksidista. Pieni määrä pakokaasua kulkee lambda-anturin pienien reikien tai rakojen kautta ja saavuttaa kennon. Kenno on kosketuksissa ulkoilmaan toiselta puolelta ja pakokaasuihin toiselta puolelta.

Jos zirkoniumdioksidielementin kahden puolen välillä on ero hapen pitoisuudessa, syntyy elementin yli jännite, joka on verrannollinen pakokaasujen happipitoisuuteen. Kun seos on laiha (paljon happea), jännite on matala (0.1–0.2 volttia). Kun seos on rikastettu (vähän happea), jännite on korkea (noin 0.9 volttia), kuten alla olevassa kuvassa esitetään.




Nykyaikaisemmat laajakaistaiset lambda-anturit, joita kutsutaan englanniksi usein nimellä Air/Fuel sensors (A/F sensors), toimivat – kuten nimikin viittaa – laajemmalla alueella. Näiden anturien optimaalinen toiminta vaatii korkeamman käyttölämpötilan (noin 700 °C) kuin kapeakaistaisten lambda-antureiden (hieman yli 300 °C). Tästä huolimatta laajakaistaisten lambda-antureiden esilämmitys tapahtuu nopeammin, mikä vähentää haitallisia päästöjä kylmäkäynnistyksen yhteydessä.

Laajakaistainen lambda-anturi koostuu kolmesta osasta: pumpusolusta (ns. happipumppu), mittauskammioista sekä samantyyppisestä happianturista (Nernst-solu) kuin kapeakaistaisessa lambda-antureissa. Laajakaistaisessa lambda-anturissa mitataan happipitoisuuden ero ympäristön ja mittauskammion välillä, ei suoraan pakokaasuihin verrattuna.

Mittauskammion toisella puolella sijaitsee toinen kenno, niin sanottu happipumppu, joka pystyy siirtämään happea mittauskammioon tai sieltä pois ajoneuvon ohjainyksiköstä tulevan sähkövirran avulla. Tavoitteena on pitää vakiojännitteen (450 mV) zirkoniumdioksidielementin (Nernst-solun) yli. Tämä jännite vastaa optimaalista polttoaine-ilmaseossuhdetta (14,7:1). Happipumpun tehtävänä on siis säätää mittauskammion happipitoisuutta siten, että zirkoniumdioksidielementin tuottama jännite pysyy 450 millivoltissa.

Rikkaalla polttoaineseoksella syntyy yli 450 mV:n jännite, jolloin happipumpun on toimittava pumppaamalla happea mittauskammioon. Vastaavasti, jos seos on liian laiha, happea täytyy poistaa kammion sisäpuolelta, mikä tapahtuu muuttamalla virran suuntaa (negatiivisesta positiiviseksi). Optimaalisella polttoaineseoksella pumppukennoon ei kulje lainkaan virtaa.

Toisin sanoen, virran voimakkuutta ja sen suuntaa käytetään polttoaineseoksen säätelyyn. Ajoneuvon ohjainyksikkö muuntaa virran jännitteeksi, joka voidaan lukea diagnostiikkatyökalulla. Toisin kuin narrowband lambda-antureissa, matala jännite tarkoittaa rikasta seosta ja korkea jännite laihaa seosta – katso esimerkki alla olevasta kuvasta.




Verrattuna perinteisiin lambda-antureihin pystyvät wideband lambda-anturit mittaamaan tarkemmin pakokaasujen happipitoisuutta – eivät ainoastaan sitä, onko seos rikas vai laiha. Lisäksi niiden lähtösignaali ei vaihtele yhtä nopeasti, kun polttoaineseos muuttuu rikkaasta laihaksi tai päinvastoin.

Mitä tapahtuu, kun lambda-anturi menee rikki?

Sen lisäksi, että moottorivalo (Check engine) syttyy ja että OBD-II-virhekoodit kuten P0130–P0147, P0150–P0159 ja P2231–P2256 voivat esiintyä, ovat tavallisia ilmiöitä epätasaisesti käyvä moottori ja lisääntynyt polttoaineenkulutus.

Missä on onko lambda-anturi asennettu?

Lambda-anturit on useimmiten asennettu sekä ennen että jälkeen katalysaattorin. Etummainen lambda-anturi (säätöanturi) on usein asennettu pakosarjaan, tai vaihtoehtoisesti pakosarjan ja katalysaattorin väliin. Monissa autoissa säätöanturi on näkyvissä ja irrotettavissa moottoritilan yläpuolelta käsin. Alla olevassa esimerkissä näkyy Volkswagenin säätöanturin sijainti keltaisella ympyröitynä.



Takimmainen lambda-anturi (määritysanturi) on asennettu heti katalysaattorin jälkeen. Se on näkyvissä ja saavutettavissa auton alta.

Miten lambda-anturi testataan?

Virhekoodit, jotka viittaavat viallista lambda-anturiin, voivat huonon kaapeloinnin tai liitinten lisäksi johtua esimerkiksi pakoputkiston tai alipaineletkujen vuodoista. Vuoto alipaineletkussa tai pakoputkistossa aiheuttaa sen, että lambda-anturi havaitsee jatkuvasti kohonneen happipitoisuuden pakokaasuissa, mikä johtaa usein lambda-anturia koskevan virhekoodin ilmestymiseen. Riippuen lambda-anturin tyypistä sen toimintaa voidaan osittain tarkistaa tavallisella yleismittarilla.

Kapeakaistaiset lambda-anturit
Jos lambda-anturissa on kolme tai useampia johtoja, siinä on integroitu esilämmitin. Esilämmityselementti (ja siihen tuleva jännite) tulee erityisesti tarkistaa, jos virhekoodi viittaa ongelmaan, joka liittyy juuri esilämmitykseen.

1. Irrota lambda-anturin liitin.
2. Tunnista, mitkä kaksi johtoa on tarkoitettu esilämmitykseen. Usein, mutta ei aina, nämä kaksi johtoa ovat samanvärisiä.
3. Kytke yleismittarin mittapäät lambda-anturin liittimen kahteen napaan, joiden johdot menevät esilämmityselementtiin. Jos vastus on nolla, tämä viittaa oikosulkuun. Jos vastus on ääretön, piiri on poikki. Vastus riippuu lämpötilasta ja vaihtelee eri mallien välillä, mutta sen tulisi olla alhainen – ohjearvona voidaan pitää 1–20 ohmia mitattuna napojen väliltä.
4. Kytke nyt yleismittarin musta mittapää auton runkoon tai muuhun maadoituspisteeseen ja aseta mittari tasajännitealueelle (DC).
5. Tyhjennä mahdolliset lambda-anturiin liittyvät vikakoodit. Jos vikakoodi koskee esilämmitystä, auton ohjainlaite voi kytkeä piirin pois päältä, jolloin kohtaa 6 ei voi suorittaa.
6. Laita virta päälle ja kytke yleismittarin toinen mittapää auton liittimen napaan, jonka johto menee esilämmityselementtiin. Voit kokeilemalla selvittää, kummassa kahdesta johdosta on jännite. Yleismittarin tulisi näyttää jännitettä noin 5 tai 12 V (mallista riippuen), mikä varmistaa, että virransyöttö esilämmityselementille toimii. Jännitteen voi tarkistaa myös koetuskynällä. Huomaa, että tämä vaihe tulee tehdä moottorin ollessa kylmä, jotta esilämmitys aktivoituu. Jos jännitettä ei mitata, tarkista johdotus ja sulakkeet.
7. Käynnistä auto ja anna sen käydä tyhjäkäynnillä, kunnes se saavuttaa käyttölämpötilan. Tämä vaihe on tärkeä, jotta seuraavat kohdat voidaan suorittaa.
8. Pidä yleismittarin musta mittapää edelleen kytkettynä maahan. Kytke toinen mittapää lambda-anturin signaalijohdon napaan.
9. Kun moottori on lämmin, yleismittarin tulisi näyttää jännitettä, joka vaihtelee noin välillä 0.1 – 0.9 V moottorin kierroslukua muutettaessa. Huomaa, että tämä koskee säätöantureita (ennen katalysaattoria asennettuja). Määritysantureiden (katalysaattorin jälkeen asennettujen) kohdalla jännitteen tulisi olla vakio. Jos katalysaattori toimii oikein, tämän jännitteen tulisi olla noin 0.8 V, mikä tarkoittaa, että pakokaasujen happipitoisuus on matala.

Laajakaistaiset lambda-anturit
Laajakaistaiset lambda-anturit sisältävät yleensä 5 johtoa. Myös 4-johtoisia versioita esiintyy, mutta ne ovat harvinaisempia, joten testausohje koskee ensisijaisesti 5-johtoista mallia.

Viidellä johdolla on yleensä eri värit ja yleinen jako (erityisesti Bosch-antureissa) on seuraava:
Harmaa: Esilämmitys (+)
Valkoinen: Esilämmitys (−)
*Musta: Korkea viitejännite ohjausyksiköltä (engl. high reference, usein nimetty sensor input)
*Keltainen: Matala viitejännite ohjausyksiköltä (engl. low reference, usein nimetty sensor ground)
Punainen: Signaalijohto

*Lambda-arvon 1.0 saavuttamiseksi signaalin (lasketaan punaisen johdon virrasta) täytyy olla määritellyn vaihteluvälin sisällä.

Kuten aiemmin mainittiin, laajakaistaisessa lambda-anturissa syntyy sähkövirta, jonka auton ohjausyksikkö muuntaa jännitteeksi. Tämä jännite on laskennallinen eikä sitä voi mitata tavallisella yleismittarilla – mittaaminen vaatii tähän tarkoitukseen suunnitellun mittalaitteen tai kehittyneemmän vikadiagnostiikkatyökalun, joka liitetään auton OBD-II-porttiin.

Esilämmityselementti voidaan kuitenkin tarkistaa samalla tavalla kuin kapeakaistaisissa lambda-antureissa vaiheiden 1–6 mukaisesti:

1. Irrota lambda-anturin liitin.
2. Selvitä, mitkä kaksi johtoa menevät esilämmityselementtiin. Boschin valmistamissa antureissa nämä ovat usein harmaa ja valkoinen. Muiden valmistajien antureissa esilämmityksen johdot voivat olla esimerkiksi keltainen ja sininen. Jos liittimessä on 6 napaa, mutta anturista lähtee vain 5 johtoa, on signaalijohdon ja liittimen kuudennen navan välissä vastus. Alla olevassa kuvassa näkyy tämä vastus (engl. trim resistor), joka on asennettu napojen 1 ja 5 väliin.



3. Kuvassa yllä, esilämmittimen johdot on kytketty napoihin 3 ja 4. Kytke yleismittarin mittapäät näihin napoihin. Jos vastus on nolla, se on lyhytsulun merkki, ja jos vastus on äärettömän suuri, se tarkoittaa, että piiri on katkennut. Vastus on lämpötilariippuvainen ja vaihtelee eri malleissa, mutta sen pitäisi olla matala, suuntaviiva on 1-20 ohmia mitattuna näiden kahden napaan välillä.
4. Liitä nyt yleismittarin musta mittapäät johonkin maadoituspisteeseen, esimerkiksi auton runkoon, ja aseta yleismittari tasajännitteelle (DC).
5. Poista mahdolliset vikakoodit, jotka liittyvät lambdasondeen. Jos esilämmityksestä on vikakoodeja, auton ohjausyksikkö voi sammuttaa piirin, jolloin kohtaa 6 ei voida tarkistaa.
6. Sytytä virta ja liitä yleismittarin toinen mittapäät auton liittimen napaan, jonka johto on jännitteinen ja menee esilämmityselementtiin. Yleismittarin tulisi näyttää jännite noin 5 tai 12 V (mallista riippuen) varmistaaksesi, että virransyöttö esilämmityselementille toimii. Jännitteen voi myös tarkistaa esimerkiksi testivalolla. Huomaa, että tämä vaihe on suoritettava, kun moottori on kylmä, jotta esilämmitys aktivoituu. Jos jännite ei näy, johdotus ja sulakkeet on tarkistettava.