Lambda zondu vadība

Skābekļa sensori (Lambda zondes) veic izplūdes gāzu kontroli un ir viens no benzīna dzinēja svarīgākajiem mezgliem. Mūsdienu BMW benzīna dzinēji izmanto 3 vai 4 skābekļa sensorus.

4 cilindru dzinēji: katrai bankai platjoslas skābekļa sensoru un abām bankām kopēju kontroles (šaurjoslas) zondi (piem., N43 sērijas dzinējs); vai divas kontroles zondes (N46 sērijas dzinējs);

6 cilindru dzinēji: katrai bankai platjoslas skābekļa sensoru un katrai bankai – kontroles (šaurjoslas) zondi.

Platjoslas Lambda zondes ir novietotas izplūdes sistēmas sākumā, pirms CO katalizatoriem.

Kontroles Lambda zondes ir novietotas pēc CO katalizatoriem.

4 cilindru N43 sērijas dzinēja izplūdes sistēma (ar vienu CO katalizatoru un vienu kontroles zondi).

4 cilindru N46 sērijas dzinēja izplūdes sistēma un zondu izvietojums.

6 cilindru N52/N53 sērijas dzinēja izplūdes sistēma un zondu izvietojums.

Interesanti, ka par zondu darbības algoritmiem BMW tehniskā dokumentācija klusē. Par tehniski daudz vienkāršākām lietām (piem., dzesēšanu) ir gan blokshēmas, gan dažu mezglu (piem., elektriskā ūdenssūkņa) apraksts, taču elektriskās kontroles sistēmas aprakstītas netiek. Acīmredzot BMW uzskata, ka ar zondu diagnostiku labi galā tiek pašdiagnostikas sistēma, kurai var uzticēties. Prakse, diemžēl, pierāda pretējo. Vairāk kā pusē no gadījumiem, kad pastāv aizdomas par izplūdes gāzu maisījuma kontroles problēmām, kļūdu par zondu darbību nav vai arī tās ir neadekvātas. Standarta risinājums – visu zondu nomaiņa. Četras zondes maksā virs 300 EUR, un elementu maiņa, neizvērtējot to veiktspēju, manuprāt, nav augstas profesionalitātes rādītājs.

Attiecīgi – zemāk minētajā materiālā iespējamas atkāpes no reālās situācijas (vēl jo vairāk – darbības algoritmu nianses var atšķirties arī no software relīzes).

Šaurjoslas zonde.

Šaurjoslas zonde mūsdienu benzīna dzinējos kalpo šādiesm mērķiem:

a) Lambda 1,00 vērtības references noteikšana platjoslas zondei (tās kalibrēšanai);
b) Katalizatoru veiktspējas kontrole.

Kā zināms (ļoti vienkāršots skaidrojums), šaurjoslas zonde ģenerē EDS (spriegumu), ja mērāmo gāzu sastāvā nav skābeklis. Tātad, ja L > 1,00 (t.i., maisījums ir liess, gāzu sastāvā ir skābeklis) zonde EDS neģenerē; ja L < 1,00 (t.i.: maisījums ir trekns, gāzu sastāvā skābekļa nav): ģenerē EDS. Ļoti šaurā joslā (Lambda = 0,99 .. 1,01) zonde strādā tā sauktajā lineārajā režīmā: tās ģenerētais EDS mainās atkarībā no Lambda.

Šaurjoslas zondes EDS atkarība no maisījuma (Lambda vērtības).

Platjoslas zonde.

Platjoslas zonde ļauj mērīt Lambda (skābekļa/degvielas proporciju) plašā diapazonā: no 0,65 (ļoti bagāts maisījums) līdz atmosfēras gaisa sastāvam (Lambda 30 .. 100). Plašāku informāciju par platjoslas Lambda zondes darbības principu var atrast internetā, šeit minēšu tikai dažas nianses.

Platjoslas zondes (pirmās paaudzes – tās, ko izmantoja N46/N43/N52/N53, u.c.) nav tik precīzas ap Lambda = 1,00 kā šaurjoslas zondes. Tādēļ nepieciešama to references punkta (parametru Lambda = 1,00 gadījumā) koriģēšana (adaptēšana).

Platjoslas zondes rādījumus nevar nolasīt, izmantojot multimetru vai osciloskopu. Ar šīm mēriekārtām var redzēt tikai to, vai (platjoslas zondes izmērītais) degmaisījums ir liess vai trekns. Ar osciloskopu var redzēt tā dinamiskās izmaiņas (piem., cilindru disbalansu), bet absolūtās vērtības var nolasīt tikai ar speciāla shēmutehniska risinājuma palīdzību. Šis risinājums stabilizē Nernsta šūnas spriegumu ap 450 mV, mainot strāvu caur Pump šūnu. Šī strāva, pārrēķinot to saskaņā ar ražotāja uzrādīto tabulu datiem, arī ir mūs interesējošais lielums: Lambda. Diemžēl vairāki mezgli vienlaicīgi mērīt Lambda nevar, kas nozīmē – vienkārši pieslēgties paralēli strādājošam MSV/MSD blokam un "paskatīties’’, kādu Lambda sarēķinājusi platjoslas zonde – nevar.

CO katalizatoru veiktspējas kontrole.

Pareizi strādājošā dzinējā šaurjoslas zondes Homogēna maisījuma (ar Lambda 1,00) gadījumā tiek uzturētas nevis līknes vidus punktā: 0, 45 .. 0,50 V (kā to, iespējams, varētu sagaidīt), bet gan pie to ģenerētā EDS ap 0,7 .. 0,9 V. Iemesls šādai situācijai oficiāli nav skaidrots, bet, zinot zondu darbības īpatnības, var pieņemt: lineārā diapazona viduspunktā zondes jūtība uz Lambda izmaiņām ir ļoti izteikta (gan uz liesāku, gan treknāku maisījumu), pat ideāla katalizatora gadījumā zondes ģenerētais spriegums (pat ar labi izbalansētiem cilindriem) atgādinātu taisnstūri. Pabīdot zondes darba režīmu uz šo (augšējo) līknes galapunktu, Lambda zonde kļūst nejūtīga pret bagātinātu maisījumu. Turpretī, uz nesadegušu skābekli – tā ir ar maksimālu jūtību. Turklāt, nedaudz bagātinātais maisījums (Lambda 0,995) nodrošina to, ka – ja izplūdē nokļūst neliels daudzums nesadeguša skābekļa, katalizatoram tas būtu jāsadedzina (jo ir degviela, ko sadedzināt). Ja katalizators nedarbojas (skābekli nededzina), pēc tā izplūdē būs arī īslaicīgi skābekļa porciju izmetieni, kas veidos impulsveida sprieguma kritumus, ko saņem MSV/MSD.

Attēlā: šaurjoslas zondes aktīvā apgabala viduspunkts (atbilst 450 .. 500 mV):

Atzīmēta aktīvā apgabala daļa, kura tiek izmantota katalizatoru veiktspējas kontrolei (atbilst 0,7 .. 0,9 V):

Labas CO katalizatora veiktspējas gadījumā kontroles zondes signāla DC komponentes vidējā vērtība ir ap 0,7 .. 0,9 V, AC komponente: neliela.
Sliktas veiktspējas gadījumā:
a) būtiski palielinās AC komponentes amplitūda;
b) pazūd 'ilgāka' trekna maisījuma reportēšana (tas iespējams, pateicoties tam, ka korekti strādājošs CO katalizators sadedzina izplūdē nonākušo skābekli).

Piezīme: MSV/MSD dzinēju vadības sistēmas neprot atšķirt sliktas veiktspējas CO katalizatora izraisītās Lambda pulsācijas no, piemēram, neizlīdzinātas cilindru darbības radītajām Lambda pulsācijām. Tādēļ, ja ir traucēta cilindru Stoihiometriska maisījuma  individuālo korekciju darbība, MSV/MSD atmiņā var ierakstīt nepatiesas kļūdas par nepietiekamu CO katalizatoru veiktspēju.

Platjoslas zondu kalibrēšana (references vērtības adaptēšana).

Vienlaikus CO katalizatoru veiktspējas kontrolei šaurjoslas Lambda zondes veic vēl vienu svarīgu uzdevumu: tās kalibrē platjoslas zondu references vērtības (t.i.: kalibrē platjoslas zondes, ja Lambda ir 1,00).

Šai kalibrēšanas nepieciešamībai ir vairāki iemesli: gan novērst platjoslas zondu tehnoloģisko noviržu ieviestās neprecizitātes, gan nodrošināt to, ka degmaisījuma kontroles sistēma noteiktajos režīmos (ātri) konverģē uz vajadzīgo Lambda vērtību (t.i., tādu, lai šaurjoslas zonde ģenerētu ap 0,75 V).

Normāla N sērijas dzinēja darbība Homogēnā (ar Lambda = 1,00) maisījumā.

Abas platjoslas zondes ir korekti nokalibrētas: rāda 1,00, abas šaurjoslas zondes apstiprina nedaudz, nedaudz treknu maisījumu.

Diemžēl pat ja šie rādījumi atbilst normai un nav nekādu kļūdu par Lambda zondēm, nav nekādas garantijas, ka visa izplūdes gāzu kontroles sistēma strādā korekti (pareizi).

Ja ir aizdomas par nekorektu degmaisījuma kontroli: misfire, kļūdas par trim, kļūdas par CO katalizatoriem (zondu kļūdas – pašsaprotami), jāveic zemāk aprakstītās papildus kontroles darbības:

1. Jāskata zondu Nernsta šūnu dinamiskās pretestības. Tās var redzēt analogajās vērtībās, izvēloties OBD un 6.menu (t.i.: ../F5/F2/F6). Nernsta šūnu dinamiskās pretestības rāda zondes elektroķīmisko aktivitāti – jo aktivitāte augstāka, jo šī pretestība ir mazāka. Turklāt, šī pretestība ir apgriezti proporcionāla temperatūrai (un jaunākās paaudzes dzinējos tieši Nernsta šūnas dinamiskā pretestība tiek izmantota temperatūras stabilizēšanai). Normāla dinamiskās pretestības vērtība - daži simti Omu. Diemžēl INPA attēlojamo vērtību solis ir 256 Ohm (tas ir ļoti raupjš), kas liedz redzēt korektu (patiesu) Nernsta šūnas pretestības vērtību. Pieņemamas ir šādas Nernsta šūnas vērtības: 0; 256; 512 Ohm. Papildus kontrole: aukstai (nesildītai) zondei šis parametrs (mērot ar multimetru) ir vairāki MOhm (MegaOmi), kas nozīmē – INPA jāuzrāda maksimālā vērtība (65K Ohm) šaurjoslas zondei un 8 KOhm platjoslas zondēm. Dažu minūšu laikā no zondu apsildes sākuma rādījumam pakāpeniski (vienmērīgi) jānokrītas līdz iepriekšminētajiem 0 .. 512 Ohm.

Iespējamās problēmsituācijas:
a) Vairākas minūtes pēc zondu uzsildes sākšanas zondes Nernsta dinamiskā pretestība ir virs 512 Ohm: zonde ir novecojumi – tās elektroķīmiskie procesi notiek ar nepietiekamu efektivitāti. Zonde ir jāmaina;
b) Aukstam (tikko tukšgaitā ieslēgtam) dzinējam kādas zondes Nernsta šūnas dinamisko pretestību rāda mazāku par iepriekšminētajām maksimālajām vērtībām: ir strāvas noplūde, īssavienojuma (ja pretestību rāda simtos Ohm) – jāpārbauda elektriskā ķēde, ja tā vesela - jāizmēra zondes sensora pretestība ar multimetru (opcija), ja pazemināta pretestība apstiprinās - zonde jāmaina.

2. Jāizmēra Lambda vērtība izplūdes gāzēs, izmantojot papildus mērrīku. Šim nolūkam (tiesa gan, ar zemāku uzticamības pakāpi) N43/N53 sērijas dzinējiem var izmantot NOx sensora rādījumus (šajā gadījumā – obligāti jāpārliecinās, ka sensors ir Online režīmā, jo izslēgts sensors kā defaulto vērtību rāda 1,00). Ja mērrīks rāda no 1,00 atšķirīgu Lambda vērtību (tajā pat laikā visas zondes rāda it kā korektas vērtības), jāpieņem, ka kāda (vai vienīgā) kontroles zonde sniedz nepatiesu informāciju par degmaisījuma sastāvu (un platjoslas zonde/s ir nekorekti nokalibrēta/s). Protams, jāpārliecinās, vai izplūdes sistēma ir hermētiska – bet to, domāju, katrs speciālists izdarīs bez grūtībām.

3. Jāizveic zondu testa procedūra. To INPA 2.023 loader var izvēlēties diagnostikas sadaļā (../F9/F3). Testa laikā sprauslu atvēruma laiki tiks mainīti +/-10%, atbilstoši jāmainās platjoslas zondu rādījumiem. Būtiskās lietas, kas ir jānovēro:
a) šaurjoslas zondu spriegumu minimālās un maksimālās vērtības. Minimālajām jābūt zem 0,1 V, maksimālajām virs 0,85 V. Ja kāda no vērtībām atšķiras (tipiski: maksimālā vērtība ir zem 0,8 V): zonde ir bojāta, tā jāmaina;
b) platjoslas zondu minimālās un maksimālās Lambda vērtības. Ja minimālās būtiski atšķiras no 0,90, un/vai maksimālās būtiski atšķiras no 1,1: zonde ir bojāta, tā jāmaina.

4. Ja iepriekšminētais tests kādu iemeslu dēļ nav pieejams/iespējams – pārbaudīt šaurjoslas zondes spēju ģenerēt EDS, veicot izbrauciena sesiju. Agresīvas paātrināšanās (kick-down režīmā) brīžos degmaisījumam jākļūst bagātinātam, šaurjoslas zondei jāģenerē EDS virs 0,85 V.

5. Izvērtēt offset un multiplikatīvo STFT + LTFT atšķirības starp bankām (ja dzinējam ir dievas bankas). Ja dzinējam ir lielas šo parametru atšķirības (tipiski: tukšgaitā, pie maza izplūdes gāzu  spiediena un plūsmas ātruma) – ir pamatotas aizdomas kādas bankas Lambdas zondu nekorektu darbību. Pēc Lambda kontrolrādījuma (bagāts vai liess maisījums) un offset STFT + LTFT (liesāks vai bagātināts maisījums) var noteikt, kurai bankai ir problēmas ar uzturēto Lambda vērtību. Tipiskie iemesli - tekošas sprauslas, nekorektas cilindru individuālās adaptācijas.

6. Pārbaudīt (aktuāli N46, N52 dzinējiem) dzinēja temperatūru. Ja tā ir zemāka par nepieciešamo (95 oC), dzinēja izplūdē var būt bagātināts maisījums. N43/N53 dzinējiem – papildus pārbaudīt izplūdes gāzu temperatūras rādījumus un platjoslas zondu setpoint uzstādījumus (pārliecināties, ka tie ir 1,00).

7. N43/N53 dzinējiem diagnostics menu (../F9/F1) izvēlēties Homogēnu maisījumu ar Lambda 1,00 (spiežot F4). Uzmanību: pēc testa veikšanas ir būtiski neaizmirst izslēgt šo režīmu. Lai to izdarītu droši, no šī režīma vēlams iziet ar ieslēgtu (un pārbaudītu) Stratified charge! (izvēlamies Stratified charge: spiežot F3, pārbaudām, vai tas ieslēdzas; tad spiežam F5, lai izietu no menu).

Diemžēl neviens no iepriekšminētajiem testiem negarantē 100% iespēju identificēt zondi, kuras parametri neatbilst tehniskajai specifikācijai.

Piemērs sekmīgi veiktam Lambda zondu testam:

Lai situāciju vēl nedaudz sarežģītu:

1. MSV70, MSV80 un MSD80 loader 1,001 nerāda korektas ne offset, ne multiplikatīvās STFT + LTFT (nerāda to summu, nerāda vienādās/korektās mērvienībās, utml.);

2. MSV70/MSV80 un MSD80 loader 1,001 nerāda platjoslas zondu setpointu vērtības, ja tās atšķiras no 1,00; t.i.: piem., ne pilnīgi uzsildītam dzinējam var būt bagātināts maisījums (piem., 0,98), taču nekas neliecinās, ka tāds (bagātināts) maisījums tiek pieprasīts;

3. MSD80, loader 2.023 korekti rāda multiplikatīvās banku STFT + LTFT, bet, piem., nerāda sprauslu papildkorekciju ietekmi, kas degradē šo rādījumu precizitāti; rāda platjoslas zondu setpoint vērtības, bet vienā menu nerāda platjoslas, šaurjoslas zondu un NOx sensora Lambda mērījums, kas būtiski apgrūtina datu apskati;

4. MSD80, loader 2.023 nerāda offset STFT + LTFT (summu), un vienā menu nerāda katras sprauslas papildkorekcijas, kas neļauj objektīvi salīdzināt abu banku degmaisījuma proporciju tukšgaitā;

5. Nevienam dzinējam nerāda platjoslas zondu setpointu atšķirības no noklusējuma vērtības (šie dati atvieglotu nekorekti strādājošu šaurjoslas zondu identificēšanu);

6. N43/N53 dzinējam vienā menu nerāda platjoslas zondu un NOx sensora Lambda vērtības, nerāda to atšķirības (tas būtiski atvieglotu darbu);

7. Neviens menu nerāda šaurjoslas zondu statusu: vai tās strādā aktīvā apgabalā, jeb – regulāri (piem., dēļ slikti izlīdzsvarotu cilindru darbību) ‘’izkrīt’’ ārpus aktīvā apgabala (tas var novest pie nekorektas visas sistēmas darbības);

8. Nevienam dzinējam netiek norādīti statusa biti, vai platjoslas zondes ir (sekmīgi) nokalibrētas, nekur literatūrā nav aprakstīts, kādos apstākļos/režīmos šīs procedūras tiek veiktas; piemēram, N53 sāk platjoslas zondu kalibrēšanu tukšgaitā un uztur šaurjoslas zondes vajadzīgajā režīmā tikai tad, ja dzinēja t sasniegusi nominālo un bijušas pazīmes, kas liecina par kustības uzsākšanu (paaugstināti RPM);

9. Nevienam dzinējam nav paredzēti kontrolpunkti, kur ērti varēt pieslēgties zondēm un paskatīties to reāllaika datus.

Diemžēl, šo sarakstu varēt turpināt ilgi...

Interesantāka ir situācija, kad/ja kāda no platjoslas zondēm rāda no 1,00 atšķirīgu vērtību, bet kontroles zonde/s: korektu (0,7 .. 0,9 V) spriegumu. Šajā situācijā – jāļauj dzinējam padarboties tukšgaitā. Ja ilgāku laiku (5min un vairāk) šī nesakritība nepazūd – dzinējs kaut kādu iemeslu dēļ neveic platjoslas zondu kalibrēšanu.

N46/N52 u.c. ‘’parastajiem’’ dzinējiem – jānodzēš adaptācijas, jāizveido jaunas, ja problēma nepazūd (un Lambda zondu tests uzrāda it kā korektus rezultātus): jāsamaina vietām platjoslas zondes. Iespējams, ka kādas (tās, kas uzrāda nekorektu vērtību) zondes references punkta korekcijas diapazons sasniedzis maksimālo novirzi;

N43/N53 dzinējiem problēmas ar adaptāciju (un šīs ir vienas no daudzajām adaptācijām) veikšanu ir novērotas vairākos ‘’interesantos’’ gadījumos: nekorekti piekodētu sprauslu gadījumā; ja traucēta darbība Stratified charge režīmā (ja dzinējs atstāts kādā no fiksētajiem  darba režīmiem; ja dzinējam ir problēmas ar NOx sistēmu un ir bijušas degmaisījuma trim problēmas - par to signalizē atbilstošas kļūdas).