SENSORTECHNOLOGIE BIEDT
PERFECTE LUCHT-BRANDSTOFVERHOUDING

De lambdasensor als behoeder van schonere en efficiëntere motoren

In de 21e eeuw heeft de milieukwestie zich nog nooit eerder zo prangend gesteld als vandaag. Vervuilende motoren worden onder het recentste euronormmotief de stadspoorten gewezen en de jacht op de dieselmotor brengt de elektrische wagen bij de consument steeds vaker in overweging. Dankzij de ontwikkeling van innovatieve technologieën en uitgebreid onderzoek is de vermindering van schadelijke emissies evenwel een feit. Een dat onder meer bekomen wordt dankzij een ideale verhouding tussen lucht en brandstof en dus een goed functionerende lambdasonde vereist. NGK Spark Plug stelt met de NTK-lambdasondes alles in het werk om nauwkeuriger te meten om zo via schonere en efficiëntere motoren aan de steeds strengere euronormen te kunnen voldoen.

ONBERISPELIJKE UITSTOOTCONTROLE

Om de schadelijke uitstoot van de interne verbrandingsmotor te verminderen, is de lambdasonde of zuurstofsensor een belangrijk technisch hulpmiddel geworden. NGK Spark Plug verbetert als toonaangevende leverancier van zuurstofsensoren voor zowel OEM's als voor de aftermarket zijn zuurstofsensoren voortdurend om motoren schoner en efficiënter te maken. Om nauwkeuriger aan de steeds strengere euronormen te voldoen, worden bij de producent enorme inspanningen geleverd om de keramische componenten in hun technologieën voortdurend te verbeteren.
Zo zorgen de zeer efficiënte keramische verwarmingselementen in lambdasondes er bijvoorbeeld voor dat de sensoren sneller beginnen te meten en sneller reageren. Daarnaast ontwikkelde NGK Spark Plug ook diverse sensortypes voor specifieke toepassingen. Zo biedt het breedbandsensoren aan waarvan de elektrische weerstand verandert, afhankelijk van de lucht-brandstofverhouding.

LAMBDASENSOREN

Lambda- of zuurstofsensoren meten het aandeel zuurstof in de uitlaatgassen en sturen de ECU van het voertuig aan om de lucht-brandstofverhouding aan te passen. Dit hele proces draagt niet alleen bij tot een effectieve vermindering van schadelijke emissies, maar optimaliseert ook het brandstofverbruik en garandeert een lange levensduur van de katalysator. Moderne auto's zijn gewoonlijk uitgerust met ten minste twee lambdasondes, namelijk een voorste of regelende sensor die voor de katalysator is geïnstalleerd en een achterste of diagnostische sensor die achter de katalysator is gemonteerd.

SOORTEN SENSOREN

Lambdasondes komen voor in drie verschillende types. Hierbij wordt een onderscheid gemaakt tussen sondes waarbij het signaal tussen twee waarden heen en weer pendelt, de zogenaamde zirkoniumdioxide- en de titaandioxidelambdasondes, en sondes die een vloeiende overgang tussen verschillende mengverhoudingen kunnen meten en weergeven, de zogenaamde breedband- of lineaire lambdasondes.

Zirkoniumsensor

De zirkoniumdioxidelambdasonde komt in het huidige wagenpark het frequentst voor en wordt, afhankelijk van het type voertuig, ingezet als regel- en/of diagnosesonde. Vanaf een bedrijfstemperatuur van 350 °C, die wordt bekomen door een in het element geïntegreerde verwarmer, is het kernstuk van de sonde, een vingervormig en bovendien hol element van keramiek, doorlaatbaar voor zuurstofionen. In een complex proces ontstaat, afhankelijk van het resterende zuurstofgehalte in het uitlaatgas, een hoge of een lage elektrische spanning die vervolgens wordt opgepikt door elektroden en door de ECU wordt verwerkt.

Titaansensor

Terwijl bij de zirkoniumsensor de door de ECU detecteerbare spanning gegenereerd wordt door een verschil in zuurstofconcentratie, verandert de elektrische weerstand van titaandioxide evenredig met het zuurstofgehalte in het uitlaatgas. Hierbij leiden hoge O2-concentraties tot een hoge weerstand in het sensormateriaal en neemt de geleiding toe, naarmate het mengsel rijker wordt. Hoewel deze technologie vandaag niet meer gebruikt wordt in de originele uitrusting, biedt NGK Spark Plug ze wel nog aan op de aftermarket.

Lineaire of breedbandsensor

Breedbandlambdasondes zijn in staat om een signaal af te geven dat evenredig is met het resterende zuurstofgehalte in de uitlaatlucht en kan daarom willekeurige gewenste waarden regelen. Deze sensoren worden gebruikt als regel- en diagnosesensoren voor zowel benzine- als dieselmotoren.

WERKING

Zirkoniumsensor

Het sonde-element van de zirkoniumlambdasonde is vingervormig en hol, waarbij de binnenkant contact heeft met de omgevingslucht en de buitenkant in de uitlaatgasstroom ligt. Beide kanten zijn hierbij voorzien van een dunne, poreuze platinumlaag die als elektrode fungeert. Wanneer de lambdasonde de bedrijfstemperatuur bereikt, komen er, door de verschillende zuurstofconcentraties, zuurstofionen in beweging, en dit ter compensatie vanuit de buitenlucht in de richting van het uitlaatgas. Door het potentiaalverschil dat hierbij ontstaat, wordt een elektrische spanning aan de platinumelektroden veroorzaakt.

Titaansensor

Terwijl de zirkoniumdioxidelambdasondes spanning produceren, doet de titaandioxidelambdasonde dit niet. In plaats daarvan verandert een titaandioxide-element zijn elektrische weerstand proportioneel ten opzichte van de partiële zuurstofdruk in het gasmengsel. Bij een hoog zuurstofaandeel is het geleidingsvermogen van titaandioxide kleiner en bij een laag zuurstofaandeel is het geleidingsvermogen logischerwijs groter. Als een spanning aan het element optreedt, verandert de uitgangsspanning in overeenstemming met de zuurstofconcentratie in het uitlaatgas.

Lineaire of breedbandsensor

Breedbandsondes hebben een meetcel en een pompcel, waarbij in de meetcel het zuurstofgehalte van het uitlaatgas wordt vergeleken met de gewenste waarde (450 mV). Wanneer deze waarde afwijkt van de gewenste waarde, worden net zoveel zuurstofionen in of uit de meetkamer gepompt met behulp van pompstroom. Dit totdat tussen de elektrode aan de kant van de referentielucht en de elektrode van de meetkamer de gewenste spanningswaarde ontstaat. 

DIAGNOSE BIJ LAMBDASONDES

Lambdasondes staan vanwege hun inbouwpositie bloot aan hoge temperaturen, agressieve chemicaliën en vibraties, en zijn dan ook sterk onderhevig aan slijtage en veroudering. Het gevolg is vaak een zwak of te langzaam sondesignaal. Wanneer de motorregeling dergelijke signalen ontvangt, kan deze niet vaststellen hoe het mengsel, dat op dat moment verbrand wordt, samengesteld is. Bijgevolg wordt er automatisch een 'vet' mengsel geproduceerd waarbij meer brandstof wordt verbruikt dan nodig is. Op die manier garandeert de motorregeling het benodigde vermogen en beschermt het de componenten tegen oververhitting, maar wordt er ook een verhoogd brandstofverbruik waargenomen. Ook de katalysator werkt hierdoor niet meer naar behoren, waardoor schadelijke stoffen alsnog in het milieu terechtkomen. Om gebreken tijdelijk te kunnen waarnemen, wordt het daarom aangeraden om de lambdasonde elke 30.000 km aan een controle te onderwerpen.

MOGELIJKE OORZAKEN BIJ DEFECT

Een onrustige motorloop, een verhoogd brandstofverbruik of vermogensverlies? Een defecte lambdasensor is vaak de oorzaak van bovenstaande euvels. Naast een natuurlijke slijtage ligt de aanwezigheid van olie, silicone en water vaak aan de basis van een slecht functionerende zuurstofsensor.

Olie

Olie vindt haar weg naar de lambdasensor langs de bedradingszijde en beschadigt de sensor van binnenuit. Door het zogenaamd capillair effect trekt de olie, afkomstig van een lekende oliedruksensor of nokkenasversteller, door de kabelboom alwaar het in de sensor de referentielucht binnendringt, verdampt en het aandeel zuurstof in de referentielucht doet dalen. Bij een dergelijke diagnose is het cruciaal om de oorsprong van de olie te achterhalen en het lek te verhelpen alvorens over te gaan tot een vervanging van de sensor.

Silicone

Ook silicone durft wel eens de schuldige te zijn bij een slecht functionerende lambdasensor. Omdat veel soorten kruipolie en vet siliconen bevatten, is het niet ongebruikelijk dat deze substantiehaar weg naar de zuurstofsensor vindt. Zo kan kruipolie of vet, bijvoorbeeld na de vervanging van de cilinderkop of turbolader, opgezogen worden door de motor, of zorgt de opwarming van de motor ervoor dat siliconen de lambdasensor bereiken. Omdat silicone het poreuze keramische oppervlak van de lambdasensor afsluit, kunnen ionen er niet meer door en wordt er geen spanning gegenereerd. Het spreekt voor zich dat dit defect kan worden voorkomen door het gebruik van producten zonder silicone.

Thermische schok

Ook de aanwezigheid van water in het uitlaatgas kan ernstige gevolgen hebben voor de werking van de lambdasensor. Bij een zogenaamde thermische shock komt koud water in contact met het warme element, waardoor dit gaat barsten. Meestal gaat het hierbij om condenswater dat zich vormt door continu koud starten, of om waterlekkages in de motor. Om de sensor te beschermen, worden de huidige verwarmingselementen pas enkele seconden na het starten van de motor geactiveerd. NTK gaat bovendien nog verder en ontwikkelt sensorelementen die bestand zijn tegen een thermische shock door water.

TROUBLESHOOTING

Alvorens over te gaan tot de vervanging van de lambdasensor, kan een visuele controle ook het een en ander verhelderen:

• Verbogen sonde:
  Een verbogen sonde heeft vaak een foutieve signaaloverbrenging tot gevolg. De oorzaak is vaak een foutieve montage en kan enkel verholpen worden door het vervangen van de getroffen sonde.
• Gesmolten kabel of stekker:
  Dit soort beschadiging wijst bijna altijd op een ongewild contact met de uitlaatgasinstallatie en resulteert in de vervanging van de sonde.
• Roetaanslag:
  Foutieve functies van de lambdasonde kunnen ook worden veroorzaakt door roetaanslag op de beschermende huls van de sonde. Een te vet mengsel, slijtage van de motor en de ventielen of lekkages in het uitlaatgassysteem veroorzaken roetaanslag op de openingen in de beschermhuls, waardoor de sonde haar optimale werking verliest.
• Aangeroeste contacten:
  Water in de stekker leidt tot corrosie van de contacten. Bij de aangeraden vervanging moeten de zitting van de stekker en alle aansluitingen tussen de sonde en de ECU dan ook nauwkeurig gecontroleerd worden.
• Gerafelde of gebroken kabels:
  Als de lambdasonde aan hoge trekkrachten blootgesteld is, kunnen gerafelde of gebroken kabels het gevolg zijn. Bij het vervangen van de sonde moet erop gelet worden dat de kabel niet te strak gespannen staat.
• Kabeldichting los:
  Wanneer de sonde te strak wordt ingebouwd, kan de kabeldichting los komen waardoor water de sensor kan binnendringen. Een complete vervanging dringt zich in dergelijke gevallen dan ook op.
• Witte of grijze aanslag:
  Dergelijke aanslag kan wijzen op het gebruik van additieven of op het feit dat de motor olie verbrandt. Het is hierbij zaak om eerst de oorzaak van het probleem weg te halen alvorens de sonde wordt vervangen.

 

VERVANGEN VAN DE LAMBDASENSOR

Bovenstaande symptomen geven telkens aanleiding tot een vervanging van de zuurstofsensor. Omdat het gebruik van een slagmoersleutel kan leiden tot de beschadiging van het keramische element, is het hierbij van uiterst belang om de nieuwe sensor te installeren met behulp van een speciale lambdasensorsleutel. Verder is het ook zaak om de sensor voorzichtig te installeren, en dit om te voorkomen dat de draden scheuren of in de war raken. Het gebruik van het door de autofabrikant aanbevolen aanhaalmoment bij installatie is een, hoeft het nog gezegd, noodzakelijke voorwaarde.