Sonda lambda w silniku zasilanym LPG

fot. BoschSkuteczność pracy katalizatora jest najwyższa w przy wartości współczynnika nadmiaru powietrza λ=1 (zakres ograniczony dwiema pionowymi liniami). W tym zakresie zmienia się także skokowo sygnał sondy λ (czerwona linia)

Zadania sondy lambda

Osiągnięcie wysokiego stopnia konwersji (sprawności działania) katalizatora wymaga dostarczenia do niego spalin o określonym składzie. Najwyższy stopień konwersji dla katalizatorów (98 %), uzyskuje się dla spalin powstałych ze spalania stechiometrycznej mieszanki paliwowo-powietrznej (silnik musi być zasilany mieszanką o współczynniku nadmiaru powietrza λ=1).

Aby spełnić ten warunek bardzo istotną częścią układów zasilania silników o zapłonie iskrowym stały się montowane w układzie wylotowym sondy lambda (czujniki tlenu), które właśnie na podstawie zawartości tlenu w spalinach określają współczynnik nadmiaru powietrza, z którym pracuje silnik, a pochodzący z nich sygnał służy do korekcji dawki paliwa w taki sposób aby utrzymać wartość λ na wymaganym poziomie. Współczynnik nadmiaru powietrza λ musi być utrzymywany w bardzo wąskich granicach od 0,997 do 1,003, co gwarantuje najbardziej efektywną pracę katalizatora.

Nawet niewielkie odstępstwo od podanych wartości współczynnika λ, które nie miałoby większego wpływu na pracę jednostki napędowej skutkuje znacznym zwiększeniem emisji szkodliwych składników spalin ponieważ drastycznie maleje stopień konwersji (sprawność) katalizatora. Skutkuje to zapisaniem błędu w sterowniku silnika i zaświeceniem kontrolki awarii jednostki napędowej.

Rodzaje sond λ (czujników tlenu)

Sonda cyrkonowa

Na przestrzeni wielu lat rozwoju układów zasilania systemy oczyszczania spalin ewoluowały, a wraz z nimi także sondy λ.

36 lat temu Bosch jako pierwszy zaoferował sondy λ. Były to sondy napięciowe, czasami z uwagi na charakter działania nazywane dwustanowymi lub wąskopasmowymi, ponieważ sygnał napięcia zmienia się skokowo w okolicy stechiometrycznego składu mieszanki od około 200 mV (mieszanka uboga) do 800 mV (mieszanka bogata). Przekroczenie napięcia odniesienia (450 mV) powoduje zmniejszenie przez układ wtryskowy dawki paliwa (zubożenie mieszanki), napięcie mające wartość niższą powoduje zwiększenie dawki paliwa, a tym samym wzbogacenie mieszanki. W budowie tych sond wykorzystuje się związki cyrkonu. Pierwotnie nie były one podgrzewane elektrycznie, obecnie wykorzystuje się jedynie sondy podgrzewane, co wydatnie skraca czas do momentu osiągnięcia temperatury, w której zaczynają one normalnie pracować.

Sondy cyrkonowe są najliczniej stosowaną grupą czujników tlenu stosowaną we współczesnych samochodach.

fot. BoshPorównanie wyglądu nowej i zużytej sondy lambda

Sonda tytanowa

Kolejny typ sondy λ wykorzystuje związki tytanu. Sondy tytanowe także działają skokowo.

W przeciwieństwie do sond cyrkonowych w czujnikach tych o stechiometrycznym składzie mieszanki paliwowo-powietrznej informuje skok rezystancji. Ten typ sond ma jedną dość ważną zaletę, wykorzystywaną w układach zabezpieczających katalizator przed przegrzaniem. Na podstawie zmiany oporu elektrycznego spalin możliwa jest ocena ich temperatury.

Czujniki tytanowe są podgrzewane elektrycznie i zaczynają poprawnie pracować od temperatury około 200° C, co następuje po czasie poniżej 20 s od zimnego rozruchu silnika. W warunkach normalnej pracy układ podgrzewania ma za zadanie utrzymać temperaturę elementu pomiarowego w granicach 650°C.

Sondy szerokopasmowe

W najnowocześniejszych układach zasilania stosowane są sondy szerokopasmowe (LSU - Lambda Sonde Universal). Najważniejszą ich cechą jest praktycznie liniowa charakterystyka sygnału pomiarowego. W przypadku tego rodzaju sond mamy do czynienia z sygnałem prądowym. Czujniki tego typu umożliwiają pomiar współczynnika nadmiaru powietrza w bardzo szerokim zakresie (od mieszanek bogatych λ=0,7 do bardzo ubogich λ=3,4). Dzięki tej właściwości sondy szerokopasmowe mogą być z powodzeniem stosowane w silnikach zasilanych mieszankami ubogimi. W odróżnieniu od wcześniej opisanych sond w przypadku czujników szerokopasmowych napięcie pomiędzy elektrodami jest utrzymywane na stałym poziomie (450 mV). Takie napięcie występuje gdy współczynnik nadmiaru powietrza λ=1. Aby utrzymać tę wartość napięcia, w przypadku zmiany λ, do przestrzeni, w której znajduje się elektroda omywana przez spaliny dostarcza się lub zabiera tlen. Odbywa się to z wykorzystaniem pompy tlenu. Miarą współczynnika nadmiaru powietrza jest zatem wartość prądu jaki pobiera w danym momencie pompa tlenu aby skompensować powstającą różnicę napięć.

Temperatura pracy sondy szerokopasmowej jest utrzymywana na poziomie 750° C.

fot. BoschSondy λ pracują w ekstremalnie trudnych warunkach. Przy opracowywaniu nowych rozwiązań czujników tlenu Bosch testuje je w temperaturze 930°C

Sondy palcowe i planarne

Bez względu na rodzaj sondy λ do jej prawidłowego działania niezbędne jest osiągnięcie odpowiedniej temperatury elementu pomiarowego, co wymaga czasu, w którym skład mieszanki nie jest regulowany. Skutkuje to wysoką emisją szkodliwych składników spalin zimnego silnika. Początkowo aby w maksymalnym stopniu wyeliminować to niekorzystne zjawisko sondy λ montowano w kolektorze wylotowym jak najbliżej silnika. W ten sposób skracano czas rozgrzewania sondy, lecz odbijało się to na jej trwałości. W późniejszym okresie wprowadzono sondy podgrzewane elektrycznie, co daje większą swobodę w umieszczaniu sondy w układzie wylotowym, nagrzewa się ona znacznie szybciej (szybciej zaczyna pracować), niezależnie od temperatury przepływających przez układ wylotowy spalin. Do 1994 roku stosowano sondy palcowe, co wynika z kształtu elementu pomiarowego, którego stosunkowo duże wymiary skutkowały długim czasem nagrzewania, nawet przy zastosowaniu grzałki elektrycznej. Wprowadzenie sondy planarnej o innym kształcie elementu pomiarowego (niewielka płytka zintegrowana z elementem grzejnym) znacznie skróciła czas jej nagrzewania.

EOBD

Od momentu wprowadzenia systemów EOBD w układach wylotowych samochodów montowane są dwie sondy λ. Jedna znajduje się przed katalizatorem. Jest to typowa sonda regulacyjna. Na podstawie pochodzącego z niej sygnału układ wtryskowy dobiera dawkę paliwa tak, aby zachować stechiometryczny skład mieszanki paliwowo-powietrznej. Sonda za katalizatorem kontroluje prawidłowość działania sondy regulacyjnej (przed katalizatorem) oraz stopień oczyszczania spalin w reaktorze katalitycznym (sprawność działania katalizatora).

fot. BoschZ uwagi na stosowanie delikatnego, ceramicznego elementu pomiarowego z sondą λ należy obchodzić się ostrożnie, a do montażu używać klucza dynamometrycznego (moment dokręcenia 40-60 Nm). Należy też zwrócić uwagę aby nie przekręcić ani zbyt silnie nie naprężać przewodów. Bardzo ważne jest utrzymanie czystości we wnętrzu połączenia wtykowego, co zapewnia dopływ powietrza atmosferycznego do elementu pomiarowego sondy

Instalacja gazowa a sonda λ

Stosowane w pierwszym okresie po wprowadzeniu sond λ gazowe systemy zasilania II generacji (mieszalnikowe systemy z elektroniką) bezpośrednio korzystały z ich sygnału. Był to jeden z podstawowych sygnałów, obok czujnika położenia przepustnicy, niezbędnych do sterowania składem mieszanki gazowo-powietrznej. Odpowiadał on za właściwe otwarcie silnika krokowego regulującego przepływ gazu z reduktora do umieszczonego w układzie dolotowym mieszalnika. Podobnie sterowane były, wprowadzone nieco później, systemy LPG III generacji (obecnie praktycznie nie wykorzystywane), w których gaz przez pneumatycznie sterowane „wtryskiwacze” był doprowadzany do kanałów dolotowych każdego z cylindrów.

Obecnie stosowane systemy gazowe IV generacji (wtrysk sekwencyjny), bezpośrednio nie wykorzystują  sygnału sondy λ. Do sterowania instalacją IV generacji wykorzystuje się sygnał sterujący wtryskiwaczami benzyny, które pracują w oparciu m.in. o sygnał sondy lambda. Zatem także we współcześnie wykorzystywanych instalacjach jest to bardzo ważny sygnał dzięki któremu następuje regulacja składu mieszanki.

Eksploatacja

Sondy λ mają ograniczoną trwałość, maksymalnie do 160 tys. km (podgrzewane - 4-przewodowe, planarne i szerokopasmowe planarne). Sondy starszej generacji mają mniejszą trwałość. Jednoprzewowodowe (bez podgrzewnia) powinny być wymieniane co 50-80 tys. km, 3-przewodowe (podgrzewane) co 100-150 tys. km.

Poprawność działania sondy należy kontrolować co 30 tys. km. i w razie konieczności wymienić na nową. W wyniku naturalnego zużycia sonda λ zaczyna coraz wolniej reagować na zmiany składu mieszanki, a sygnał napięcia jest coraz słabszy. Powoduje to przejście sterownika silnika w tryb awaryjny, czego objawem jest wzbogacenie mieszanki paliwowo-powietrznej mające na celu ochronę części silnika przed przegrzaniem.

Podsumowanie

Warto pamiętać, że eksploatacja samochodu z niesprawną sondą λ może skutkować podwyższonym zużyciem paliwa i zwiększoną emisją spalin, więc choćby z uwagi na poszanowanie własnych środków finansowych powinniśmy okresowo kontrolować i w razie potrzeby wymieniać uszkodzone lub zużyte sondy λ.