We współcześnie produkowanych i eksploatowanych pojazdach samochodowych najlepsze osiągi silnika, a także najmniejsze zużycie paliwa oraz najmniejsza emisja szkodliwych substancji zawartych w spalinach do atmosfery występuje przy zapewnieniu najkorzystniejszych warunków spalania mieszanki paliwowo-powietrznej, czyli przy składzie stechiometrycznym, w którym na 1 kg paliwa przypada 14,7 kg powietrza.

Odpowiednie proporcje zapotrzebowania silnika na paliwo i powietrze określane są współczynnikiem λ. Spalanie idealne ma miejsce przy wartości współczynnika wynoszącej 1. Mieszanka jest uboga, czyli paliwo jest spalane przy nadmiarze powietrza, przy współczynniku, którego wartość jest wyższa od 1. Z kolei przy wartości poniżej 2 mieszanka jest bogata i powietrza jest zbyt mało w stosunku do paliwa.
Skład mieszanki paliwowo-powietrznej określany jest w sposób pośredni poprzez ustalenie ilości tlenu w spalinach opuszczających kolektor wylotowy silnika z wykorzystaniem sondy lambda, czyli specjalnego czujnika tlenu. We współczesnych silnikach wykorzystywane są dwie sondy lambda umieszczone w układzie wydechowym przed i za katalizatorem. Jedna strona czujnika ma kontakt z gazami wydechowymi, a druga z powietrzem atmosferycznym. Powietrze atmosferyczne wykorzystywane jest w tym przypadku jako materiał referencyjny dla pomiaru zawartości tlenu w spalinach.
Sygnały przesyłane z sondy lambda przetwarzane są przez sterownik silnika. Jeśli zawartość tlenu w spalinach przekracza 3%, współczynnik λ posiada wartość większą od jedności. W przypadku, gdy zawartość tlenu w spalinach jest mniejsza niż 3%, współczynnik λ ma wartość mniejsząod jedności.
W konstrukcjach pojazdów stosowane są sondy lambda:
- dwustanowe,
- szerokopasmowe.

Sondy lambda dwustanowe emitują sygnał, który przekazywany jest do sterownika w celu określenia wyłącznie dwóch stanów mieszanki paliwowo-powietrznej: bogatej (λ 1), bez możliwości dokładnego określania jej składu. Sygnał przekazywany z sondy ma w tym przypadku wartość skokową w zakresie λ od 0,995 do 1,005. Sondy dwustanowe mogą mieć zasadę działania:
- napięciową,
- rezystancyjną.

W przypadku sondy lambda napięciowej sygnałem jest napięcie w zakresie wartości od 0 do 1 V, zależne od zawartości tlenu w spalinach. Konstrukcja tego typu sondy posiada ceramiczny korpus wykonany z dwutlenku cyrkonu. Na zewnętrznej powierzchni korpusu usytuowane są platynowe elektrody. Całość korpusu umieszczona jest w metalowej osłonie chroniącej go przed nadmiernymi obciążeniami cieplnymi i mechanicznymi. Wykorzystywane są w sondach tej konstrukcji właściwości dwutlenku cyrkonu polegające na przenikaniu przez niego cząsteczek tlenu w temperaturze powyżej 300oC. Zróżnicowana zawartość tlenu pomiędzy zewnętrzną powierzchnią sondy, którą omywają spaliny, a wewnętrzną, którą wypełnia powietrze zewnętrzne, powoduje powstanie pomiędzy nimi napięcia proporcjonalnego do ilości tlenu w spalinach. Napięcie ma wartość 0,1 V przy mieszance ubogiej oraz 0,9 V przy mieszance bogatej. Niestety, w tego typu konstrukcji sondy lambda czas reakcji na zmianę składu mieszanki przy temperaturze około 300oC wynosi nawet do kilku sekund, co wpływa niekorzystnie na szybką i właściwą regulację składu mieszanki paliwowo-powietrznej. Dopiero przy osiągnięciu przez sondę temperatury 600oC zapewnione jest skrócenie czasu reakcji do 50 ms. Dlatego też tego typu sondy doposażone są w odpowiednie elementy podgrzewające, zapewniające osiągnięcie odpowiedniej temperatury pracy.
Sondy napięciowe mogą mieć konstrukcję:
- palcową (tzw. kubkową),
- płaską (tzw. planarną).

Palcowe sondy lambda wyposażone są zwykle w elementy podgrzewające. Korpus tego typu sondy składa się z kilku cienkich warstw folii ceramicznej, dzięki czemu konstrukcja jest bardziej odporna na wysokie temperatury oraz zarazem mniej podatna na wpływ otoczenia, co skraca czas reakcji. Sondy planarne zawsze wyposażone są w grzałki.
Inną konstrukcją sond dwustanowych są wersje rezystancyjne. Tego typu konstrukcja jest zdecydowanie rzadziej stosowana w pojazdach. Sondy tego typu mają korpus wykonany z dwutlenku tytanu. Działanie tego typu sondy wykorzystuje zmianę rezystancji elementu pomiarowego w zależności od zawartości tlenu w spalinach. Sonda ma mniejsze własności przewodzenia przy wysokiej zawartości tlenu w spalinach (λ >1). Przy mieszance bogatej (λ Najczęściej obecnie stosowanym rodzajem sond lambda są konstrukcje szerokopasmowe. W tego typu sondach wartość prądu lub napięcia jest sygnałem wyjściowym interpretowanym przez elektroniczny sterownik. Zakres pomiarowy zawartości tlenu w spalinach mieści się w przedziale od λ=0,7 aż do zawartości występującej w powietrzu atmosferycznym. Szerokopasmowe sondy lambda zawsze wyposażone są w element grzewczy.
Ze względu na specyficzne warunki pracy, wynikające z ich usytuowania, sondy lambda narażone są na stałe obciążenia o działaniu termicznym, mechanicznym i chemicznym. W związku z możliwością przekłamywania przekazywanych przez nie sygnałów wynikających z warunków pracy zalecane jest przeprowadzanie ich badań kontrolnych co 30 tys. kilometrów przebiegu pojazdu, choć ich trwałość przewidywana jest na około 50-80 tys. km przebiegu. Niekorzystny wpływ na trwałość i szybkość ich zużycia mają:
- nadmierne wibracje,
- wilgoć,
- uszkodzenia mechaniczne,
- stosowanie zanieczyszczonego paliwa.

O nieprawidłowym działaniu lub uszkodzeniu sondy lambda świadczyć może zwiększone zużycie paliwa, a także nierównomierna praca silnika i jego pogorszone osiągi. Potwierdzeniem tego jest zwiększona ilość tlenku węgla i węglowodorów w spalinach.
Diagnozowanie sondy lambda rozpocząć trzeba od przeprowadzenia wzrokowej kontroli. W pierwszej kolejności należy sprawdzić, czy przewody i wtyk nie są nadtopione lub naderwane oraz czy nie nastąpiło obluzowanie uszczelnienia przewodów mogące doprowadzić do powstawania wilgoci i pojawienia się korozji złącz.
W celu określenia stanu technicznego sondy należy dokonać jej wykręcenia i oględzin korpusu. Na niewłaściwe funkcjonowanie sondy wpływ może mieć zalegający na niej nagar zdecydowanie wydłużający czas reakcji sondy lub osad (biały lub szary) powstający na skutek stosowanych niewłaściwych dodatków do paliw lub oleju, które mogą być przyczyną uszkodzenia sondy.
Właściwą diagnostykę sondy przeprowadza się przy użyciu testera diagnostycznego, oscyloskopu lub specjalistycznego testera sond lambda. W trakcie diagnozowania konieczne jest zapewnienie normalnej temperatury pracy silnika i samej sondy lambda. Warunkiem otrzymania wiarygodnych wyników pomiaru jest zapewnienie obrotów silnika na poziomie 2000 obr./min. Przy tych warunkach napięcie powinno oscylować w przedziale 0,2 do 1 V w okresie 1 sekundy. Średnia wartość sygnału napięciowego powinna wynosić około 0,5 V.
W przypadku sond cyrkonowych do oceny reakcji sondy na zmianę składu mieszanki konieczne jest wielokrotne otwieranie przepustnicy. Przy otwieraniu przepustnicy napięcie powinno wzrastać. W celu sprawdzenia funkcjonowania sondy pod kątem zubażania mieszanki należy odłączyć przewód podciśnienia (wówczas napięcie powinno się zmniejszyć).
W podobny sposób diagnozowane są sondy tytanowe. Zmiany napięcia powinny mieścić się w przedziale od 0 do 1 V lub od 0,5 do 5 V, lecz częstotliwość będzie mniejsza.
Bardziej skomplikowana jest diagnostyka sond szerokopasmowych. W tym przypadku konieczne jest wykorzystanie testera diagnostycznego, a w bardziej skomplikowanych przypadkach niezbędne jest skorzystanie z możliwości oscyloskopu, który umożliwia oscyloskopowy pomiar sygnałów dochodzących i wychodzących z sondy.

mgr Andrzej Kowalewski