Sonda lambda
Sonda lambda (rys. 7.22) to czujnik znajdujący się w kolektorze wydechowym. Jego zadaniem jest przekazywanie do sterownika informacji o składzie spalin i stosunku rzeczywistej masy powietrza doprowadzonego do masy powietrza teoretycznie potrzebnego do spalenia określonej ilości paliwa. Pozwala to na obliczenie i
natychmiastowe przygotowanie dawki wtryskiwanego paliwa. Mieszanka paliwowo- powietrzna stechiometryczna (czyli idealna) to taka, w której na każdy 1 kg spalonego paliwa przypada 14,7 kg powietrza. Współczynnik λ określa stosunek rzeczywistej masy powietrza LR do masy powietrza LT teoretycznie potrzebnego do całkowitego spalenia mieszanki w cylindrze silnika.
gdzie:
LR - rzeczywista masa zasysanego powietrza, LT - masa powietrza teoretycznie potrzebna do całkowitego spalenia
mieszanki w cylindrach silnika.
Rys.7.22. Sonda lambda
Współczynnik nadmiaru powietrza przyjmuje przy stechiometrycznym stosunku powietrza do paliwa wartość λ = 1. Jeżeli współczynnik λ> 1, to mieszanka jest uboga - znajduje się w niej za dużo powietrza i za mało paliwa. Jeżeli z kolei λ < 1, to mieszanka jest bogata - za mało w niej powietrza, a za dużo paliwa. Zależność ilości produktów spalania paliwa od współczynnika nadmiaru powietrza przedstawiono na rys. 7.23.
Rys. 7.23. Zależność ilości produktów spalania paliwa od współczynnika nadmiaru powietrza
Sondy lambda dzielimy ze względu na:
-rodzaj regulacji: na dwustanowe i szerokopasmowe, -budowę: na palcowe i planarne,
-sygnał: na aktywne (cyrkonowe), generujące napięcie, pasywne o zmiennej rezystancji (tytanowe, rezystancyjne),
-sposób nagrzewania: na sondy bez grzałki i z grzałką.
Możemy wymienić następujące cechy charakterystyczne dwustanowej sondy lambda:
-mierzy zawartość tlenu w gazach spalinowych,
po osiągnięciu nominalnej temperatury pracy min. 350 °C generuje napięcie od ok. 25 do 900 mV, zależnie do zawartości tlenu w spalinach,
-porównuje zawartość tlenu w spalinach z zawartością tlenu w powietrzu atmosferycznym, -wykrywa przejście z mieszanki bogatej (niedobór powietrza λ < 1) na mieszankę ubogą (nadmiar powietrza λ> 1) oraz odwrotnie.
Szerokopasmowa sonda lambda charakteryzuje się następującymi właściwościami:
▪mierzy zawartość tlenu w gazach spalinowych,
▪zapewnia bardzo dokładny pomiar, zarówno przy mieszance bogatej, jak i ubogiej,
▪ma znacznie większy zakres pomiarowy niż sonda dwustanowa, mieszczący się w przedziale λ = 0,7...°°,
▪można ją stosować także w silnikach wysokoprężnych i gazowych.
Charakterystykę sondy szerokopasmowej przedstawiono na rys. 7.25.
Rys. 7.25.
Charakterystyka szerokopasmowej sody lambda
a - mieszanka bogata, b - mieszanka uboga
Dwustanowa sonda lambda ze względu na płaską charakterystykę w zakresie λ≠1nie daje możliwości oceny stopnia wzbogacenia lub zubożenia mieszanki. W tym zakresie sprawdzają się sondy
szerokopasmowe, które pozwalają na pomiar zawartości tlenu w spalinach dla przedziału λ = 0,7...°°.
Sondy szerokopasmowe to czujniki zbudowane na bazie cyrkonu z planarnym elementem grzewczym.
Budowa palcowej sondy lambda
Głównym elementem palcowej sondy lambda jest czujnik ceramiczny. Aby ochronić sondę przed
działaniem produktów obecnych w spalinach, na jej obudowie montuje się metalową tubę. Sonda lambda działa, jeżeli temperatura spalin jest wyższa niż 300°C. W niektórych konstrukcjach montuje się dodatkowe grzałki, aby sonda mogła szybciej osiągać temperaturę pracy. Górną granicę pracy sondy stanowi
temperatura 800°C. Najważniejszym zadaniem sondy lambda jest takie przygotowanie mieszanki, aby powstające spaliny miały skład zapewniający optymalne działanie katalizatora.
Budowa sondy planarnej
Sondy palcowe są wypierane przez sondy wykonane w technologii planarnej. Elementem pomiarowym jest płytka składająca się z kilku warstw ceramicznych. Ogólną budowę sondy planarnej przedstawiono na rys. 7.26. Między dwiema powierzchniami ceramicznego elementu pomiarowego powstaje napięcie
elektryczne, którego wartość jest miarą zawartości tlenu w spalinach. Skokowa zmiana wartości napięcia zostaje wykorzystana przez układ regulacji składu mieszanki jako informacja o składzie spalonej mieszanki.
Rys.7.26. Budowa planarnej sondy lambda:a- przekrój podłużny,b- przekrój poprzeczny 1 - podwójna ochrona rurkowa ze szczelinami, 2 - ceramiczny panel uszczelniający, 3 - tulejka ochronna, 4 - obudowa, 5 - płaski element pomiarowy, 6 - przewody
elektryczne, 7 - ceramiczna porowata warstwa ochronna, 8 - anoda, 9 - komora
Nernsta YSZ, 10 - katoda, 11 - kanał powietrzny (gazu odniesienia), 12 - grzejnik,13 - izolacja
Cyrkonowa sonda lambda (rys. 7.27) ma element półprzewodnikowy wykonany z
dwutlenku cyrkonu (Zr02). Element ten po wewnętrznej i zewnętrznej stronie pokrywa cienka warstwa platyny. Jeżeli nagromadzenie tlenu na wewnętrznej powierzchni
elementu wykonanego z dwutlenku cyrkonu różni się znacząco od koncentracji tlenu na jego zewnętrznej powierzchni, a temperatura spalin przekracza 300°C, zostaje wytworzony sygnał napięciowy informujący o koncentracji tlenu w spalinach. Jeżeli mieszanka
paliwowo-powietrzna jest uboga, to spaliny zawierają dużo tlenu, a wówczas napięcie wytworzone przez element cyrkonowy jest bliskie zeru. Jeśli natomiast mieszanka paliwowo-powietrzna jest bogata, napięcie wytworzone przez element cyrkonowy ma wartość ok. 1V. Sygnał napięciowy czujnika tlenu jest przesyłany do sterownika, aby zwiększyć lub zmniejszyć dawkę wtryskiwanego paliwa. Regulacja ta ma na celu
utrzymanie składu mieszanki paliwowo-powietrznej na stałym poziomie, zbliżonym do wartości składu teoretycznego.
Rys. 7.27. Budowa cyrkonowej sondy lambda
1 - kabel (biały) elementu grzejnego, 2 - kabel (czarny) sygnałowy sondy, 3 - kabel (szary) masy sondy, 4 -sześciokątny element metalowy, 5 - ceramiczny element grzejny, 6 - rurka ochronna, 7 - element
cyrkonowy, 8 -pierścień uszczelniający, 9 - ceramiczny element mocujący, 10 - uszczelka
Element półprzewodnikowy tytanowej sondy lambda (rys. 7.28) jest wykonany z dwutlenku tytanu. Korpus sondy, jego platynowe elektrody oraz element grzewczy znajdują się na ceramicznej płytce. Tytanowe sondy są mniejsze niż sondy cyrkonowe, mają również krótszy czas rozruchu. Sondy tytanowe zmieniają swoją oporność w funkcji poziomu zawartości tlenu w spalinach. Gdy układ spalania pracuje na optymalnym poziomie, napięcie odniesienia równe 5 V podawane jest z jednostki sterującej do sondy lambda. Sonda tytanowa nie bazuje podczas pomiaru na odniesieniu do powietrza atmosferycznego, a jej oporność zmienia się w zależności od składu spalin. Kiedy w spalinach występuje nadmiar tlenu (mieszanka uboga), oporność jest wysoka i wynosi ok. 20 000 Ω.
Rys. 7.28. Tytanowa sonda lambda: a- budowa,
b- schemat układu elektrycznego
1 - grzałka, 2 - obudowa,
3 - tytanowy rezystor pomiarowy,
4,5 - elektrody platynowe, 6 - osłona
Z kolei gdy w spalinach znajduje się za mało tlenu (mieszanka bogata), oporność sondy jest niska i wynosi ok. 1000 Ω. Oporność zmienia się gwałtownie w miarę przechodzenia z mieszanki ubogiej na mieszankę bogatą. Sonda tego typu wymaga bardzo precyzyjnego ustalenia napięcia zasilania, gdyż wpływa ono na spadek napięcia na rezystorze czujnika, a co za tym idzie - wskazuje skład mieszanki.
Na rys. 7.29 pokazano, jak rezystancja sondy zmienia się wraz ze zmianą temperatury.
Wpływa to na spadek napięcia. Z tego powodu rezystancyjne sondy tytanowe muszą mieć grzałkę, która utrzymuje stałą temperaturę pracy czujnika (optymalna temperatura wynosi ok. 500-900°C). Sondy tego typu najczęściej wykorzystuje się do regulacji dwustanowej, bogata mieszanka - uboga mieszanka, umożliwiają one również regulowanie składu mieszanki w zakresie 0,7-0,9.
Rys. 7.29. Charakterystyki rezystancyjnej sondy tytanowej: a-w zależności od temperatury i składu mieszanki, b- przebieg czasowy napięcia sondy
Diagnozowanie stanu sondy lambda
Obecnie w samochodach instaluje się więcej niż jedną sondę lambda. Ma to na celu kontrolowanie składu mieszanki w każdym cylindrze. Nie dochodzi wówczas do sytuacji, w której jeden cylinder otrzymuje mieszankę za bogatą, a drugi - zbyt ubogą. Trwałość sondy lambda określa się na ok. 100 tys. km. Jej uszkodzenie nie przerywa pracy silnika, ale sterownik silnika pracuje w trybie awaryjnym, co
prowadzi do znacznego zwiększenia zużycia paliwa. Zgodnie z zaleceniami
poprawność pracy sondy należy sprawdzać co 30 tys. km, a wymieniać według ustalonych okresów przeglądu. Jedynie sonda w dobrym stanie technicznym jest w stanie zapewnić zachowanie odpowiednio niskiego poziomu emisji toksycznych składników spalin.
UWAGA
Pamiętaj, że czujniki tlenu są rezystorami PTC, więc pomiar rezystancji wykonuje
się na zimnym czujniku. Rozgrzanie czujnika powoduje zwiększenie rezystancji
uzwojenia.
Czynności diagnostyczne dotyczące sondy lambda obejmują kontrolę organoleptyczną oraz pomiar parametrów elektrycznych.
Kontrola wzrokowa umożliwia wykrycie:
ciemnych osadów na osłonie czujnika, świadczących o spalaniu bogatych mieszanek,
białych bądź jasnoszarych osadów na osłonce czujnika świadczących o spalaniu oleju smarującego,
wgnieceń, pęknięć lub grzechotania wewnątrz czujnika.
Diagnostykę za pomocą przyrządów rozpoczyna się od sprawdzenia obwodu
podgrzewanego sondy. W rym celu należy użyć miernika uniwersalnego i zmierzyć wartość napięcia zasilania uzwojenia grzewczego. Po odłączeniu złącza wtykowego i przy włączonym zapłonie podłącza się końcówki miernika do odpowiednich styków złącza. Otrzymane wartości powinny być zgodne z danymi kontrolnymi podanymi przez producenta, tzn. powinny zawierać się w przedziale 2-10Ω. Gdy zmierzona wartość rezystancji dąży do nieskończoności, wskazuje to na przerwę w uzwojeniu grzewczym sondy. Jeśli rezystancja sondy jest prawidłowa, należy sprawdzić
napięcie zasilania uzwojenia grzewczego.
Badanie przeprowadza się w następujący sposób: po odłączeniu wtyczki od sondy trzeba jeden przewód podłączyć do styku wtyczki 4, a drugi - do masy (rys. 7.30).
wtyczka odłączona od sondy lambda
Rys.7.30. Sposób pomiaru napięcia zasilania uzwojenia grzewczego sondy
1,2-styki sygnału wyjściowego z sondy lambda,
3 - styk masy uzwojenia grzewczego sondy,
4 - styk zasilania uzwojenia grzewczego
Jak widać na rys. 7.30, otrzymana wartość napięcia powinna być zbliżona do napięcia
akumulatora. W przypadku otrzymania 0 V należy sprawdzić ciągłość obwody elektrycznego (zgodnie ze schematem podanym na rys. 7.31), działanie przekaźnika oraz ciągłość obwodu jego sterowania.
W przypadku otrzymania 0 V należy sprawdzić ciągłość obwodu elektrycznego (zgodnie ze schematem podanym na rys. 7.31), działanie przekaźnika oraz ciągłość obwodu jego
sterowania. Jeżeli zasilanie uzwojenia grzewczego sondy następuje przez przekaźnik, pomiaru dokonuje się po uruchomieniu silnika. Jeśli natomiast tranzystor sterujący
zasilaniem uzwojenia grzewczego znajduje się w sterowniku, pomiar napięcia wykonuje się po włączeniu zapłonu.
Rys. 7.31. Przykładowy schemat połączenia sondy lambda do sterownika silnika 1,2 - styki sygnału wyjściowego z sondy lambda, 3 - styk masy uzwojenia grzewczego sondy,4-
stykzasilania uzwojenia grzewczego, B3-sonda lambda, F6-rezystor, K6 - przekaźnik, A35 - sterownik silnika
Podstawową czynnością diagnostyczną jest pomiar napięcia generowanego przez sondę, przeprowadzany za pomocą oscyloskopu lub specjalnego testera sond lambda. Tester diagnostyczny podłącza się równolegle do zacisków badanej sondy: jedną końcówkę pomiarową do zacisków przewodu sygnałowego sondy (zgodnie ze schematem
podłączenia sondy do sterownika), a drugą - do przewodu masowego sondy (w przypadku sondy czteroprzewodowej) lub do masy silnika (w przypadku sondy trójprzewodowej).
Następnie, gdy silnik osiągnie prędkość obrotową 2000-2500 obr./min (temperatura płynu chłodzącego musi wynosić minimum 50-60°C), należy sprawdzić, czy zmienia się napięcie generowane przez sondę. Dokonuje się również pomiaru amplitudy tego napięcia oraz częstotliwości między skrajnymi jego wartościami. Napięcie sprawnej sondy powinno wynosić 0,1-0,9 V; im mniejsza amplituda, tym lepszy stan sondy. Natomiast jeśli chodzi o częstotliwość, sonda znajduje się w lepszym stanie w przypadku wysokich wskazań, a minimalna wartość zmiany sygnału powinna wynosić 0,5 Hz. Na rys. 7.32 pokazano
przebiegi sygnałów napięciowych uzyskane podczas badania testerem diagnostycznym. W celu porównania zaznaczono na schemacie sygnały napięciowe dla zużytego i nowego czujnika tlenu.
Rys. 7.32. Sygnały napięciowe sondy lambda: a- sygnał o zbyt małej amplitudzie napięcia, b-sygnał z sondy o spowolnionej reakcji linia niebieska - sygnał nowej, sprawnej sondy
W taki sam sposób wykonuje się pomiar oscyloskopem. Sondy pomiarowe przyrządu należy podłączyć do przewodów czujnika, wówczas obraz na ekranie oscyloskopu powinien być podobny do sytuacji przedstawionej na rys. 7.33a. Jeśli sonda ma przesunięty potencjał odniesienia (np. 0,7 V), czyli wejście sygnału generowanego przez sondę jest podane do wejścia sterownika o wyższym napięciu, np. 0,7 V, to po podłączeniu jednej sondy
pomiarowej przyrządu do przewodu sygnałowego, a drugiej - do masy samochodu na ekranie oscyloskopu powinien pokazać się obraz podobny do schematu na rys. 7.33b.
Rys.7.33. Pomiar sygnału sondy lambda z przesuniętym punktem odniesienia za pomocą oscyloskopu; sygnał mierzony względem: a-przesuniętego potencjału odniesienia, b- masy pojazdu
