Lambda

HEITGAASIDE LAMBDA JA LAMBDAANDUR

Heitgaaside analüüsimisel on üheks oluliseks teguriks LAMBDA väärtus. Lambdat nimetatakse ka liigõhu teguriks, mille väärtus saadakse, kui tegelik õhu kogus küttesegus jagatakse teoreetiliselt vajamineva õhu kogusega. Seega, kui küttesegu on vahekorras 14,7kg õhku 1 kg bensiini kohta, siis on LAMBDA 1,0.
Eesti keskkonnaministri määrus lubab lambda väärtuse kõikumist ±3 sajandikku, st 0,97 – 1,03.

Lambda väärtuse arvutamiseks kasutab neljakomponendiline heitgaasianalüsaator lihtsustatud Brettschneideri võrrandit:

kus
[ ] = kontsentratsioon mahuprotsentides
K1 = teisendustegur NDIR-väärtuste ümberarvestamisel FID-väärtusteks (antakse  mõõteseadme valmistaja poolt)
Hcv = vesiniku-süsiniku aatomite arvuline suhe [1,7261]
Ocv = hapniku-süsiniku aatomite arvuline suhe [0,0175]

Valemit vaadates selgub, et hapnik on arvutustulemuse saamise juures oluline tegur.
Kui heitgaasis on kõrgendatud hapnikujääk (torustiku ebatiheduste ja aukude tõttu, millest imetakse lisaõhku), siis lambda arvutustulemus ei vasta nõuetele.

On üksikuid juhtumeid, kus mittekorras lambdaanduri või õhulugeja tõttu segatakse nii lahja küttesegu, et mootor töötab vahelejätmistega. Selle tulemusena suureneb samuti hapniku hulk heitgaasis, sest ta ei osalenud bensiini põlemisel ja LAMBDA väärtus on jällegi paigast ära. Lambda väärtus tuleb arvesse võtta, kui auto on varustatud nn LAMBDA- ehk hapnikuanduriga.
Oma töös olen reguleerinud sadu sissepritse- ja karburaatoriga autosid ning sättinud küttesegu koostise LAMBDA väärtuse järgi paika vaatamata sellele, et autod ei omanud lambdaandurit...

Kuidas töötab LAMBDAANDUR?
Teaduse ja tehnoloogia areng jõudis kaheksakümnendate aastate alguseks niikaugele, et osutus võimalikuks hakata kasutama elektrooniliselt seatavat mootorikütuse doseerimist. Selline austav ülesanne on antud ECU-le (ing. k. Electronic Control Unit), mis maakeeli tähendab elektroonilise juhtimise seadet. Selle seadme tööpõhimõte on üle võetud kosmosetehnoloogiast ja ta oli kasutusel  Apollo rakettides. ECU saab infot paljudelt anduritelt, kus tähtsaim on lambdaandur, mis jälgib pidevalt reaalajas heitgaasides sisalduva hapniku kogust. Andur on väliskujult süüteküünla sarnane ning ta on keerme abil ühendatud väljalaskekollektorisse, heitgaasitorusse või katalüsaatorisse.

Tean kolme erinevat lambdaandurit, mille ülesanne on kõikidel sama. 1976. aastal võeti esimesena  kasutusele ühe juhtmega tsirkooniumandur ZrO2, millele lisati kütteelement 1982. aastal. Oma ehituselt kujutab ta keemiatundidest tuttavat katseklaaskolbi, mille sees on tsirkooniumdioksiid ja sinna sisse on asetatud veel üks väiksem kolb nii, et tsirkooniumdioksiid jääb kahe kolvi vahele.
Välisõhul on vaba juurdepääs sisemisesse kolbi, välimise kolvi pind puutub aga kokku heitgaasidega. Seega ühelt poolt puutub tsirkooniumdioksiid kokku heitgaasidega ja teiselt poolt välisõhuga. Heitgaasides on kuni 5% hapniku ja sisemises kolvis olevas välisõhus 21% hapnikku. Sellises olukorras, kui tsirkoonium kuumeneb üle 250oC - 350oC, hakkavad välisõhu hapnikuioonid tungima läbi tsirkooniumi kihi väljalasketorustikku, mis tekitab pinge (0,2 kuni 0,8 V) st lambdaandur töötab keemilise generaatorina. Kaudselt võib asja vaadata kasutades ühendatud anumate seadust. Kui heitgaasis on normist (rikka segu korral) vähem hapniku, siis välisõhus olevad hapnikuioonid hakkavad intensiivsemalt tungima läbi tsirkooniumdioksiidi kihi ja anduri väljundpinge on kõrgem. Kui heitgaasis on hapniku normist rohkem (lahja segu), siis on välisõhust tulevate ioonide liikumine läbi tsirkooniumi palju aeglasem ja lambdaandurilt tulev pinge on väiksem.

Auto pardakompuuter loeb ühe sekundi jooksul kuni 16 korda andurilt informatsiooni heitgaasi hapnikusisalduse kohta. Kui hapniku on liiga palju, siis arvuti annab pihustitele käskluse kauem avatud olla, suurendades sellega bensiini kogust. Mingi ajahetke pärast muutub segu liiga rikkaks, mille tulemusena jääb heitgaasidesse liiga vähe hapniku. Seejärel vähendab arvuti pihustite lahtioleku aega, millega vähendatakse bensiini kogust. Andur töötab vaheldumisi kord rikka ja kord lahja segu suunas. Autode tehniliste näitajate andmebaasist (Autodatast) uurides selgus, et lambdaandur aitab hoiab heitgaaside CO sisaldust ca  0,5 – 1,5% juures, et katalüsaator suudaks raskusteta oma ülesannet täita.
Seda, kas lambdaandur töötab, saab kontrollida digitaalse testriga, mõõtes väljundpinget. Vaatamata sellele, et suurem osa autodest omavad tsirkooniumandurit, peaks eelnevalt ikkagi jõudma selgusele mis andur antud autol on. Kui andurist väljuvate juhtmete hulgas ei ole punast juhet, siis võib uskuda, et tegemist on tsirkooniumanduriga, kus musta värvi juhtmelt mõõdetakse väljundsignaal (+) vastu mootori korpust. Kuna tester ei reageeri kiirele pingemuutustele, siis näidatakse keskmist pinget, mis on umbes 0,45V. Tsirkooniumanduri takistust (st. musta juhtme ja kere vahelist takistust) ei lubata ohmmeetriga mõõta, kuna mõõteriista pinge võib anduri rikkuda samas ei ole sellel mõtet kuna anduri signaali juhtmel puudub kereühendus. Kui andur omab sisseehitatud küttekeha, siis võib mõõta selle takistust (kahe valge juhtme vahel), mis vastavalt teatmekirjandusele on 2 - 6,5 oomi või 12 – 15 oomi. Õigem oleks lambdaanduri tööd analüüsida ostsillograafi või arvuti kuvari poolt näidatud pingekõvera järgi. Siis näeb pingekõvera ülemist ja alumist väärtust ning anduri reageerimiskiirust (mis anduri vananedes väheneb). Nimetan sellist andurit „uniseks“ ja selline aeglasemalt reageeriv andur toob kaasa olukorra, kus mootor ei kiirenda korralikult, st mootor „kõhkleb“ enne kiirenduse alustamist. Joonisel on näha, et anduri väljundpinge kõigub 0,2 ja 0,7 voldi vahel, mõnedel juhtudel tõuseb anduri pinge isegi 0,8 voldini. Samuti näeb pingekõveralt, et pingetõus (rikka segu suunas) toimub 50 – 100 millisekundi jooksul ja langus (lahja segu) toimub 75 – 150 millisekundi jooksul.

Tsirkooniumdioksiidanduri pingekõver

Minul on kasutusel kahe kiirega Eesti keelne ostsilloskoop millega saan diagnoosida nii andureid kui ka täiturseadmeid. Antud trirkooniumikõver on saadud minu vanalt Mondeolt. Pingekõvera järgi otsustades võin väita, et andur töötab, aga on probleem massiühendusega kuna ei ole üks joon vaid sika-saka joonistus.

Paljud autod (kütuse doseerimise Motronic-süsteemidega) omavad heitgaaside diagnostikatoru, mille kaudu saab analüüsida heitgaaside emissiooni enne katalüsaatorit. Mitmed elektroonilise juhtimisega karburaatoritega ja pritsemootoriga autod omavad ka lambdaandurit, mis aitab hoida süsinikmonooksiidi nõutud tasemel. Sellistel masinatel ei ole mõtet käsitsi reguleerida CO-d tühikäigul enne kui elektriskeemist pole lambdaandurit välja lülitatud. Selliseid süsteeme, kus toimub nn. käsitsi eelreguleerimine ning lambdaanduriga lõppreguleerimine, nimetatakse kohanematuks. Erinevatele autodele tuleb erinevalt läheneda, mõnel peab vastava sulavkaitsme välja võtma ja tegema teisigi toiminguid. Mida ja kuidas tuleb teha, annab teada Autodata „Tuning Conditions“ infonupp. Kui andurit lahti ei ühendata ja mittekorras lambdaandur „töötab rikka segu suunas“, siis pärast käsitsi reguleerimist veab andur CO% kohe jälle üles. Käsitsi reguleerimise mõte seisneb selles, et kui meistrimees teeb eelreguleerimise sättides CO% 0,5 – 1,5, kanti siis ei pea lambdaandur „nii palju pingutama“ ja ta jõuab hõlpsamalt oma ülesandega hakkama saada. Korralikult töötav lambdaandur kompenseerib vahel teised mootorile töösegu planeerimises osalevate andurite pisipuudused. Samuti võib hästitöötav katalüsaator „peita“ lambdaanduri puuduliku töö, kuna ta saab hakkama isegi siis, kui CO on enne katalüsaatorit 3,5%. Lambdaanduri töövõime üle ei saa alati otsustada, kui analüüsimise aluseks võetakse heitgaaside väljatrükk, mis on mõõdetud peale katalüsaatorit. Saab seda teha ainult siis, kui saadakse heitgaaside mõõtetulemused mõõtetorust enne katalüsaatorit. Vigane lambdaandur võib kaasa aidata kuni 30% kütusekulu suurenemisele.
Kui autol on lambdaandur, siis enamjaolt on tal ka katalüsaator. Sellise koosluse kohta öeldakse, et tegemist on aktiivse või ka aktiivselt juhitava katalüsaatoriga (Autodatas kasutatakse tähistust R-KAT)
Osal autodel on katalüsaator, aga lambdaandurit tehase poolt ei ole. Sellised autod omavad passiivset katalüsaatorit (Autodatas U–KAT), st neil on diagnostika toru, mille kaudu saab heitgaase analüüsida enne katalüsaatorit. Seega saab meistrimees reguleerida heitgaasi CO% õigeks enne katalüsaatorit, mis on tavaliselt 0,5-1,5. Võrreldes CO% väärtusi mõõtetorust ja summuti otsast, on võimalik hinnata passiivse katalüsaatori korrasolekut. 
Kui autol on kaks lambdaandurit (üks enne ja teine pärast katalüsaatorit), siis arvuti kontrollib viimaselt lambdaandurilt saadud info põhjal, kas katalüsaator on toimiv või mitte. Kui asi toimib, siis on katalüsaatorisse sisenevas heitgaasis suurem kogus hapniku, kui katalüsaatorist väljudes, sest heitgaasis järgijäänud hapnik kasutatakse ära katalüsaatoris gaaside järelpõletamisel (hapnikuga reageerimisel).

Kui lambdaandur asub väljalaskekollektorist kaugel, siis sellisele andurile on sisse ehitatud kuumutusspiraal, mille abil pärast külma mootori käivitamist köetakse lambdaandur kiiresti (8 sekundiga) 300-600oC, mis on anduri töölehakkamise temperatuur. Näiteks minu 94. aasta Mondeo kohta ütleb Autodata, et küttekeha omav (Heated oxygen sensor ((HO2S)) töötab, kui andur on saavutanud 482-572oC.

Tahan jagada mõtteid olukordadest, kui miski on anduriga seoses valesti. Tasub teada, et mitte alati ei pea viga olema anduris. Enne kui võetakse vastu otsus anduri vahetamiseks, tuleks läbi mõelda ja võimalusel mõningad asjad üle vaadata. Autotootjad soovitavad teeninduses kontrollida anduri tööd pärast iga 50 000 km läbimist.

Juhul, kui väljalaske kollektori ja lambdaanduri vahele jäävas torustikus tekib auk, siis imetakse sealt tühikäigul lisaõhku. Sellisel juhul annab lambdaandur arvutile signaali selle kohta, et segu on lahja, kuna hapniku kogus on normist suurem (tegelikult segu ei ole lahja) ja automaatselt segatakse rikkam segu, mis omakorda tingib katalüsaatori töökoormuse suurenemise ja hilisema rikkimineku.

Kui anduri pistikühenduse halvenemise tõttu suureneb takistus ühenduskohal, siis langeb ka anduri signaali pinge. Kuna auto elektrijuhtmete külge klemme ei joodeta vaid pressitakse, siis pistikuklemmide korrasolek ei tähenda veel, et juhtme ja klemmi vaheline ühenduse takistus ei või olla üleliia suurenenud. Arvuti saab info, et segu on lahja, ja sellega suurendatakse kütuse kogust vaatamata sellele, et tegelikult andurilt tulev signaal kuni pistikuühenduseni näitab normaalset hapnikukogust.

Kui kütteelemendiga anduri küte üles ütleb, siis võib andur oma töö lõpetada ja mootor läheb automaatselt teisele re˛iimile, kus doseeritakse normist pisut rikkam segu.

Andur vajab head kontakti aku miinuspoolusega. Halvast massiühendusest tingituna suureneb takistus, mis võib vähendada anduri signaali pinget. Ühendades testri ühe juhtme anduri korpusega ja teise otsa vastu mootoriplokki, saate mõõta pingelangu. Kui see on 0,1 V või rohkem, siis on anduril  halb ühendus. Teinekord on katki sukk, mis ühendab elektriliselt auto kere miinust heitgaasitorustikuga. Tean ka selliseid juhtumeid, kus auto starter ei käivitu, kuna mootor ei saa akult korralikku miinust, sest kere ja mootori vaheline ühendus on väga halb.

Kui anduririkke tõttu antakse arvutile jätkuvalt infot rikka segu olemasolu kohta, siis võib  auto arvuti „vedada“ segu nii lahjaks, et mootor hakkab töötama vahelejätmistega, tühikäik ei püsi paigal, mootori pöörete tõstmine toimub tõrkumistega ja HC tõuseb lakke. Selline olukord mõjub katalüsaatorile hukutavalt, kuna ta ei ole ettenähtud töötlema tooreid bensiiniaurusid.

Paljud autod omavad ka enesediagnoosi, kus on nn OBD-testi võimalus. Sel juhul ühendatakse portatiivne seade auto arvutiga ning trükitakse küllaltki põhjalik aruanne – raport kuidas on auto mootor ja tema töö juhtimises osalenud andurid käitunud.
Kui remonditöökoda ei oma kalleid diagnostikaseadmeid, siis kasutatakse tavaliselt katseeksituse meetodit.
Kui on olemas CO% mõõtmise aparaat ja auto omab diagnostikatoru, siis saab anduri tööd  kontrollida ka CO% mõõtmisega. Selleks ühendatakse heitgaasianalüsaatori zondi voolik otse mootoriruumis olevale diagnostikatorule ja jälgitakse mõõtmistulemust. Diagnoosimine ei ole muidugi nii täpne, kui arvutikuvarilt pingekõvera jälgimisega saab, aga osav remondimees saab ka odavamate riistadega hakkama, kasutades mõningaid nippe:

1. Pigistades kinni bensiinipaaki tagasijooksu vooliku, suureneb pihustite bensiinikollektoril kütuse rõhk. Selline võte suurendab kütuse kogust ja CO% tõuseb ainult hetkeks, kuna andur peab koheselt reageerima ja arvuti vähendab kütuse pihustamise aega. Sellise võttega saab kaudselt hinnata anduri võimet reageerida lahja segu suunas. Samas peaks nägema testriga anduri väljundpinge hetkelist tõusu ja seejärel langust samale tasemele, mis oli enne vooliku kinnipigistamist.

2. Kui võtta lahti bensiinikollektoril oleva kütuse rõhu vaakumregulaatorilt vaakumi voolik, siis peaks bensiini rõhk langema, mis omakorda toob kaasa kütusekoguse vähenemise ja see omakorda lahjema segu ja see omakorda CO% langemise. Langus peaks tekkima ainult hetkeks, kuna andur peab koheselt reageerima ja arvuti suurendab kütuse pihustamise aega. Sellise võttega saab kaudselt hinnata anduri võimet reageerida rikka segu suunas. Samas peaks nägema testriga anduri väljundpinge hetkelist langust ja seejärel tõusu samale tasemele, mis oli enne vaakumvooliku lahtiühendamist. Kui ülalpakutud variantide kasutamisel jääb anduri väljundpinge 0,6 V ja 0,3 V vahele, siis vajab andur vahetamist, kuna ta pingekõver ei saavuta maksimaalamplituuti.

3. Kui tsirkooniumaandur on autolt eemaldatud, siis võib kuumutada anduri otsa gaasipõletiga kirsipunaseks ja testriga mõõta pinget (testri + vastu musta juhet ja – vastu anduri korpust), võiks andur töötades generaatorina välja anda pinget kuni 0,6V. Kui gaasipõleti leek eemaldada, siis peab pinge kiirelt langema. Teinekord võib sattuda mootorisse silikooni, näit  tihendite vahetamise käigus. Vahel satub jahutusvedelik mootorisse ja sellest võib lambdaanduri ots kattuda ollusega, mis takistab õiget töötamist. Sellisel gaasipõletiga katsetamisel võib anduri otsa puhastamisega “asja“ jälle korda saada.

4. Mõni spetsialist soovitab hakata ise lambdaanduriks. Tuleb anduri pistikühendus lahti võtta ja signaali (must juhe) ots näppude vahele pigistada. Teise käe näpp läheb aku + klemmi vastu ja nii pidi antama auto pardaarvutile infot rikkast segust. Kui nüüd vaadata CO% muutust heitgaasianalüsaatoril siis peaks cüsinikmonooksiidide hulk vähenema. Must juhe vastu korpust annab infot lahjast segust.

Ülalmainitud mõõtmisi-testimismooduseid saab kasutada vanemate st. eelmisel sajandil toodetud autode juures. Uuemate autode puhul on ikka õigem minna esindusesse, kus on korraliku koolituse saanud spetsialistid. Kasutatakse ka titaanandurit (sagedamini Jaapani autodel), kus tsirkooniumdioksiidi asemel on titaandioksiid, kus hapniku hapniku mõjul muutub lambdaanduri

Titaananduri pingekõver

takistus ja sellega saab arvuti vajalikku informatsiooni. Tollele andurile antakse pardaarvuti poolt peale konstantne pinge, kus takistuse muutusega muutub ka anduri väljundpinge. Kui segu on rikas, siis on takistus alla 1000 oomi ja kui segu on lahja, siis tõuseb takistus üle 20 000 oomi. Peab arvestama sellega, et osal anduritel on väljundpinge kuni 5 V ja osadel kuni 1 V. Anduri reageerimiskiirus on suurem ja signaal arvutile selgemini äratuntav.
Väljundsignaal on siingi musta värvi juhtmel ja pealetulev konstantne pinge antakse punase või kollase juhtme kaudu. Valge juhe on siin kütteelemendi miinus ja plussiks kasutatakse sama punast. Ühe ja kahejuhtmelist titaanandurit ei ole olemas, kuna need andurid omavad reeglina sisseehitatud küttekeha, mis tõstab anduri temperatuuri vähemalt 500oCni kaheksa sekundiga pärast mootori käivitamist.

Kasutatakse ka lineaarset lambdaandurit (6 juhtmega), mis on juba samm edasi ja siin tuleb andurist pinge mis kõigub +1 (lahja segu) ja -1 voldi (rikas segu) vahel. Selline lambdaandur on kasutusel lahjasegumootoritel kus anduri töötemperatuur on ca 750oC – see saavutatakse sisseehitatud küttekeha abil paarikümne sekundiga.

Tänapäeval kohtab lambdaandurit ka diiselmootoritel kus anduri ülesanne on aidata mootori tööd juhtival pardaarvutil kontrollida heitgaaside tagastussüsteemi tööd. Tähendab, kui hakkab tööle EGR siis mootorisse tuleva õhu hulgas on vähem hapnikku kuna palju "ruumi" võtab endale uuesti mootorisse sisenev heitgaasikogus ja selle olukorra monitoorib hapnikuandur.