sond lambda
Zapewnienie najkorzystniejszych warunków spalania mieszanki paliwowo- -powietrznej możliwe jest przy składzie stechiometrycznym, w którym na 1 kg paliwa przypada 14,7 kg powietrza. Wówczas możliwe jest uzyskiwanie najlepszych osiągów silnika, najmniejszego zużycia paliwa oraz najmniejszej emisji szkodliwych składników spalin.
Wzajemne proporcje teoretycznego zapotrzebowania silnika na powietrze i powietrza faktycznie dostarczanego do spalania paliwa określane są współczynnikiem l. Przy współczynniku l=1 występuje spalanie idealne, przy l>1 mieszanka jest uboga (paliwo spalane jest przy nadmiarze powietrza), natomiast przy l<1 występuje bogata mieszanka (powietrza jest zbyt mało). Do określania składu mieszanki w sposób pośredni, a mianowicie poprzez ustalenie ilości tlenu w spalinach opuszczających cylindry silnika, wykorzystywana jest sonda lambda (czujnik tlenu). Oceny jej sygnału dokonuje współpracujący z nią sterownik. W przypadku, gdy zawartość tlenu w spalinach wynosi więcej niż 3 proc., wówczas współczynnik l ma wartość większą od jedności. Z kolei, gdy zawartość tlenu w spalinach wynosi poniżej 3 proc., wówczas współczynnik l jest mniejszy od jedności. W praktyce wykorzystywane są następujące rodzaje sond lambda:
- dwustanowe,
- szerokopasmowe.
W sondzie dwustanowej emitowany przez nią sygnał wykorzystywany jest przez sterownik wyłącznie do określania dwóch stanów mieszanki bogatej: (l<1) lub ubogiej (l>1), bez możliwości dokładnego określania jej składu. Sygnał uzyskiwany przy zastosowaniu tego rodzaju sondy ma wartość zmienną skokowo (w zakresie l od 0,995 do 1,005).
W przypadku sond dwustanowych rozróżnić można ponadto:
- napięciowe sondy lambda,
- rezystancyjne sondy lambda.
Sondy lambda, ze względu na swe usytuowania narażone są na stałe obciążenia termiczne, mechaniczne i chemiczne.
W napięciowej sondzie lambda sygnałem sondy jest napięcie w zakresie od 0 do 1V, uzależnione od zawartości tlenu w spalinach. Tego typu sonda posiada ceramiczny korpus wykonany najczęściej z dwutlenku cyrkonu, którego jedna część jest omywana przez strumień gazów spalinowych, a druga pozostaje w bezpośrednim kontakcie z powietrzem otaczającym. Na zewnętrznej powierzchni korpusu usytuowane są platynowe elektrody. Całość korpusu umieszczona jest w metalowej osłonie, chroniącej go przed nadmiernymi obciążeniami cieplnymi i mechanicznymi. W konstrukcji tego typu sondy lambda wykorzystuje się właściwości dwutlenku cyrkonu, polegające na tym, że w temperaturze powyżej 300OC przenikają przez niego cząsteczki tlenu. Zróżnicowana zawartość tlenu pomiędzy zewnętrzną powierzchnią sondy, którą omywają spaliny, a wewnętrzną, którą wypełnia powietrze zewnętrzne, powoduje powstawanie pomiędzy nimi napięcia proporcjonalnego do ilości tlenu w paliwie. Przy ubogiej mieszance powstaje napięcie o wartości 0,1V, a przy bogatej mieszance napięcie sondy lambda zmienia swą wartość na 0,9 V. Niedoskonałością tego typu konstrukcji jest fakt, iż czas reakcji sondy na zmianę składu mieszanki przy temperaturze do około 300OC wynosi nawet do kilku sekund, co niekorzystnie wpływa na realizację właściwej regulacji składu mieszanki paliwowo- -powietrznej. Dopiero zapewnienie optymalnej temperatury pracy sondy wynoszącej około 600OC skraca czas reakcji do 50 ms. W celu skrócenia czasu reakcji sondy lambda wyposaża się je coraz częściej w odpowiednie elementy podgrzewające.
Ze względu na konstrukcję napięciowe sondy lambda można podzielić na:
- kubkowe (palcowe),
- planarne (płaskie).
Kubkowe sondy lambda mogą być wyposażone (choć nie zawsze) w elementy podgrzewające. Korpus sondy planarnej składa się z kilku cienkich warstw folii ceramicznej. Tego typu konstrukcja jest bardziej odporna na wysokie temperatury oraz mniej podatna na wpływ otoczenia, dzięki czemu posiada krótszy czas reakcji. Planarne sondy lambda są wyposażone zawsze w grzałki. Drugim rodzajem dwustanowych sond lambda są sondy rezystancyjne. Są one znacznie rzadziej stosowane w konstrukcji pojazdów samochodowych. Tego typu sondy mają korpus wykonany z dwutlenku tytanu. Zasada ich działania polega na zmianie rezystancji elementu pomiarowego w zależności od ilości tlenu w spalinach. Przy wysokiej zawartości tlenu w spalinach (l>1) sonda jest słabym przewodnikiem, natomiast przy mieszance bogatej (l<1) przewodność wzrasta. Sonda tytanowa nie wymaga (tak, jak ma to miejsce w sondzie napięciowej) obecności powietrza atmosferycznego do pomiaru ilości tlenu w spalinach. Ich konstrukcja wymaga jednak zasilania napięciem o wartości 5 V z wykorzystaniem odpowiednich oporników. Przy spadku napięcia na opornikach przekazywany jest sygnał do sterownika informujący o zmianach zawartości tlenu w spalinach. Konstrukcje rezystancyjne sond lambda występują wyłącznie w połączeniu z elementem grzewczym, dzięki czemu mają krótszy od napięciowych czas reakcji. Obecnie coraz częściej stosowanym rodzajem sond lambda w pojazdach samochodowych jest konstrukcja sondy szerokopasmowa. Sygnałem wyjściowym w tego typu sondzie jest najczęściej wartość prądu interpretowana przez elektroniczny sterownik, choć może być nim również wartość napięcia. Zakres pomiarowy zawartości tlenu w spalinach mieści się w granicach od zawartości l=0,7, aż do zawartości występującej w powietrzu atmosferycznym. Szerokopasmowe sondy lambda są zawsze wyposażone w element grzewczy i mają z reguły budowę planarną. Szerokopasmowa sonda lambda wytwarza jednoznaczny, ciągły sygnał elektryczny. Ponieważ sondy lambda, ze względu na swe usytuowanie, narażone są na stałe obciążenia termiczne, mechaniczne i chemiczne, możliwe jest przekłamywanie nadawanych przez nie sygnałów po pewnym czasie ich eksploatacji. Dlatego też zaleca się przeprowadzanie badań kontrolnych sond lambda średnio co 30 tys. kilometrów przebiegu. Bez względu na konstrukcję sondy lambda ich trwałość wynosi około 50-80 tys. kilometrów. Do szybszego ich zużycia przyczyniają się z pewnością:
- nadmierne wibracje,
- uszkodzenia mechaniczne,
- wilgoć.
Najprostszym sposobem testowania sond lambda jest sprawdzanie sygnału napięciowego przy użyciu woltomierza cyfrowego.
Objawami uszkodzenia sondy lambda może być na pierwszy rzut oka zwiększone zużycie paliwa oraz nierównomierna praca silnika połączona ze słabymi jego osiągami. Potwierdzeniem takiego stanu rzeczy jest zwiększona ilość CO i HC w spalinach w trakcie ich kontroli przeprowadzanej z użyciem wieloskładnikowego analizatora spalin. Uszkodzenia sondy lambda w żaden sposób nie można bagatelizować, ponieważ dłuższa praca silnika w takim stanie może doprowadzić do zniszczenia katalizatora. Przy pojawieniu się już pierwszych niepokojących objawów mogących oznaczać uszkodzenie sondy lambda, należy rozpocząć diagnozowanie od przeprowadzenia wzrokowej kontroli sondy. Sprawdzić należy przede wszystkim, czy przewody i wtyk nie są nadtopione lub naderwane oraz czy nie nastąpiło obluzowanie uszczelnienia przewodów, co mogło doprowadzić do powstania obecności wilgoci i powstania korozji złącz. Po wykręceniu sondy należy dokonać obserwacji jej korpusu. Nie powinno być na nim nagaru, który może zdecydowanie wydłużać czas reakcji sondy, a także osadu (białego lub szarego), powstającego na skutek stosowania niewłaściwych dodatków do paliwa lub oleju, mogących uszkodzić sondę. Szczegółową diagnostykę sond lambda w zależności od ich rodzaju przeprowadzić można przy użyciu oscyloskopu, testera diagnostycznego lub specjalistycznego testera sond lambda. Najskuteczniejszym sposobem testowania cyrkonowych sond lambda jest sprawdzanie sygnału napięciowego przy użyciu woltomierza cyfrowego. Jeszcze lepsze efekty uzyskuje się przy zastosowaniu oscyloskopu. Przed przystąpieniem do prowadzenia diagnostyki sondy lambda konieczne jest zapewnienie normalnej temperatury pracy silnika oraz samej sondy. Przy sprawdzaniu sond lambda niezbędne jest odczytanie sygnału napięciowego przy obrotach silnika wynoszących około 2000 obr./min, który powinien oscylować w przedziale 0,2 do 1V w okresie 1 sekundy. Średnia wartość sygnału napięciowego ma wynosić około 0,5V. Do oceny reakcji sondy cyrkonowej na zmiany składu mieszanki konieczne jest wielokrotne otwieranie przepustnicy. Przy otwieraniu napięcie powinno wzrastać. Do sprawdzenia działania sondy pod kątem zubażania mieszanki należy odłączyć przewód podciśnienia i wówczas napięcie powinno się zmniejszyć. Sprawdzanie sond tytanowych przeprowadza się w podobny sposób. Oscylacja napięcia będzie się mieścić w przedziale 0 do 1V lub 0 do 5V, lecz jej częstotliwość będzie mniejsza. W przypadku sond lambda szerokopasmowych, ze względu na fakt, iż oprogramowanie sterownika jest dość mocno rozbudowane, ich diagnostyka powinna być realizowana z wykorzystaniem przyrządu diagnostycznego. W bardziej skomplikowanych przypadkach zalecane jest skorzystanie z oscyloskopu. Dzięki jego zastosowaniu możliwy jest oscyloskopowy pomiar sygnałów dochodzących i wychodzących z sondy.
mgr Andrzej Kowalewski
Zapewnienie najkorzystniejszych warunków spalania mieszanki paliwowo- -powietrznej możliwe jest przy składzie stechiometrycznym, w którym na 1 kg paliwa przypada 14,7 kg powietrza. Wówczas możliwe jest uzyskiwanie najlepszych osiągów silnika, najmniejszego zużycia paliwa oraz najmniejszej emisji szkodliwych składników spalin.
Wzajemne proporcje teoretycznego zapotrzebowania silnika na powietrze i powietrza faktycznie dostarczanego do spalania paliwa określane są współczynnikiem l. Przy współczynniku l=1 występuje spalanie idealne, przy l>1 mieszanka jest uboga (paliwo spalane jest przy nadmiarze powietrza), natomiast przy l<1 występuje bogata mieszanka (powietrza jest zbyt mało). Do określania składu mieszanki w sposób pośredni, a mianowicie poprzez ustalenie ilości tlenu w spalinach opuszczających cylindry silnika, wykorzystywana jest sonda lambda (czujnik tlenu). Oceny jej sygnału dokonuje współpracujący z nią sterownik. W przypadku, gdy zawartość tlenu w spalinach wynosi więcej niż 3 proc., wówczas współczynnik l ma wartość większą od jedności. Z kolei, gdy zawartość tlenu w spalinach wynosi poniżej 3 proc., wówczas współczynnik l jest mniejszy od jedności. W praktyce wykorzystywane są następujące rodzaje sond lambda:
- dwustanowe,
- szerokopasmowe.
W sondzie dwustanowej emitowany przez nią sygnał wykorzystywany jest przez sterownik wyłącznie do określania dwóch stanów mieszanki bogatej: (l<1) lub ubogiej (l>1), bez możliwości dokładnego określania jej składu. Sygnał uzyskiwany przy zastosowaniu tego rodzaju sondy ma wartość zmienną skokowo (w zakresie l od 0,995 do 1,005).
W przypadku sond dwustanowych rozróżnić można ponadto:
- napięciowe sondy lambda,
- rezystancyjne sondy lambda.
Sondy lambda, ze względu na swe usytuowania narażone są na stałe obciążenia termiczne, mechaniczne i chemiczne.
W napięciowej sondzie lambda sygnałem sondy jest napięcie w zakresie od 0 do 1V, uzależnione od zawartości tlenu w spalinach. Tego typu sonda posiada ceramiczny korpus wykonany najczęściej z dwutlenku cyrkonu, którego jedna część jest omywana przez strumień gazów spalinowych, a druga pozostaje w bezpośrednim kontakcie z powietrzem otaczającym. Na zewnętrznej powierzchni korpusu usytuowane są platynowe elektrody. Całość korpusu umieszczona jest w metalowej osłonie, chroniącej go przed nadmiernymi obciążeniami cieplnymi i mechanicznymi. W konstrukcji tego typu sondy lambda wykorzystuje się właściwości dwutlenku cyrkonu, polegające na tym, że w temperaturze powyżej 300OC przenikają przez niego cząsteczki tlenu. Zróżnicowana zawartość tlenu pomiędzy zewnętrzną powierzchnią sondy, którą omywają spaliny, a wewnętrzną, którą wypełnia powietrze zewnętrzne, powoduje powstawanie pomiędzy nimi napięcia proporcjonalnego do ilości tlenu w paliwie. Przy ubogiej mieszance powstaje napięcie o wartości 0,1V, a przy bogatej mieszance napięcie sondy lambda zmienia swą wartość na 0,9 V. Niedoskonałością tego typu konstrukcji jest fakt, iż czas reakcji sondy na zmianę składu mieszanki przy temperaturze do około 300OC wynosi nawet do kilku sekund, co niekorzystnie wpływa na realizację właściwej regulacji składu mieszanki paliwowo- -powietrznej. Dopiero zapewnienie optymalnej temperatury pracy sondy wynoszącej około 600OC skraca czas reakcji do 50 ms. W celu skrócenia czasu reakcji sondy lambda wyposaża się je coraz częściej w odpowiednie elementy podgrzewające.
Ze względu na konstrukcję napięciowe sondy lambda można podzielić na:
- kubkowe (palcowe),
- planarne (płaskie).
Kubkowe sondy lambda mogą być wyposażone (choć nie zawsze) w elementy podgrzewające. Korpus sondy planarnej składa się z kilku cienkich warstw folii ceramicznej. Tego typu konstrukcja jest bardziej odporna na wysokie temperatury oraz mniej podatna na wpływ otoczenia, dzięki czemu posiada krótszy czas reakcji. Planarne sondy lambda są wyposażone zawsze w grzałki. Drugim rodzajem dwustanowych sond lambda są sondy rezystancyjne. Są one znacznie rzadziej stosowane w konstrukcji pojazdów samochodowych. Tego typu sondy mają korpus wykonany z dwutlenku tytanu. Zasada ich działania polega na zmianie rezystancji elementu pomiarowego w zależności od ilości tlenu w spalinach. Przy wysokiej zawartości tlenu w spalinach (l>1) sonda jest słabym przewodnikiem, natomiast przy mieszance bogatej (l<1) przewodność wzrasta. Sonda tytanowa nie wymaga (tak, jak ma to miejsce w sondzie napięciowej) obecności powietrza atmosferycznego do pomiaru ilości tlenu w spalinach. Ich konstrukcja wymaga jednak zasilania napięciem o wartości 5 V z wykorzystaniem odpowiednich oporników. Przy spadku napięcia na opornikach przekazywany jest sygnał do sterownika informujący o zmianach zawartości tlenu w spalinach. Konstrukcje rezystancyjne sond lambda występują wyłącznie w połączeniu z elementem grzewczym, dzięki czemu mają krótszy od napięciowych czas reakcji. Obecnie coraz częściej stosowanym rodzajem sond lambda w pojazdach samochodowych jest konstrukcja sondy szerokopasmowa. Sygnałem wyjściowym w tego typu sondzie jest najczęściej wartość prądu interpretowana przez elektroniczny sterownik, choć może być nim również wartość napięcia. Zakres pomiarowy zawartości tlenu w spalinach mieści się w granicach od zawartości l=0,7, aż do zawartości występującej w powietrzu atmosferycznym. Szerokopasmowe sondy lambda są zawsze wyposażone w element grzewczy i mają z reguły budowę planarną. Szerokopasmowa sonda lambda wytwarza jednoznaczny, ciągły sygnał elektryczny. Ponieważ sondy lambda, ze względu na swe usytuowanie, narażone są na stałe obciążenia termiczne, mechaniczne i chemiczne, możliwe jest przekłamywanie nadawanych przez nie sygnałów po pewnym czasie ich eksploatacji. Dlatego też zaleca się przeprowadzanie badań kontrolnych sond lambda średnio co 30 tys. kilometrów przebiegu. Bez względu na konstrukcję sondy lambda ich trwałość wynosi około 50-80 tys. kilometrów. Do szybszego ich zużycia przyczyniają się z pewnością:
- nadmierne wibracje,
- uszkodzenia mechaniczne,
- wilgoć.
Najprostszym sposobem testowania sond lambda jest sprawdzanie sygnału napięciowego przy użyciu woltomierza cyfrowego.
Objawami uszkodzenia sondy lambda może być na pierwszy rzut oka zwiększone zużycie paliwa oraz nierównomierna praca silnika połączona ze słabymi jego osiągami. Potwierdzeniem takiego stanu rzeczy jest zwiększona ilość CO i HC w spalinach w trakcie ich kontroli przeprowadzanej z użyciem wieloskładnikowego analizatora spalin. Uszkodzenia sondy lambda w żaden sposób nie można bagatelizować, ponieważ dłuższa praca silnika w takim stanie może doprowadzić do zniszczenia katalizatora. Przy pojawieniu się już pierwszych niepokojących objawów mogących oznaczać uszkodzenie sondy lambda, należy rozpocząć diagnozowanie od przeprowadzenia wzrokowej kontroli sondy. Sprawdzić należy przede wszystkim, czy przewody i wtyk nie są nadtopione lub naderwane oraz czy nie nastąpiło obluzowanie uszczelnienia przewodów, co mogło doprowadzić do powstania obecności wilgoci i powstania korozji złącz. Po wykręceniu sondy należy dokonać obserwacji jej korpusu. Nie powinno być na nim nagaru, który może zdecydowanie wydłużać czas reakcji sondy, a także osadu (białego lub szarego), powstającego na skutek stosowania niewłaściwych dodatków do paliwa lub oleju, mogących uszkodzić sondę. Szczegółową diagnostykę sond lambda w zależności od ich rodzaju przeprowadzić można przy użyciu oscyloskopu, testera diagnostycznego lub specjalistycznego testera sond lambda. Najskuteczniejszym sposobem testowania cyrkonowych sond lambda jest sprawdzanie sygnału napięciowego przy użyciu woltomierza cyfrowego. Jeszcze lepsze efekty uzyskuje się przy zastosowaniu oscyloskopu. Przed przystąpieniem do prowadzenia diagnostyki sondy lambda konieczne jest zapewnienie normalnej temperatury pracy silnika oraz samej sondy. Przy sprawdzaniu sond lambda niezbędne jest odczytanie sygnału napięciowego przy obrotach silnika wynoszących około 2000 obr./min, który powinien oscylować w przedziale 0,2 do 1V w okresie 1 sekundy. Średnia wartość sygnału napięciowego ma wynosić około 0,5V. Do oceny reakcji sondy cyrkonowej na zmiany składu mieszanki konieczne jest wielokrotne otwieranie przepustnicy. Przy otwieraniu napięcie powinno wzrastać. Do sprawdzenia działania sondy pod kątem zubażania mieszanki należy odłączyć przewód podciśnienia i wówczas napięcie powinno się zmniejszyć. Sprawdzanie sond tytanowych przeprowadza się w podobny sposób. Oscylacja napięcia będzie się mieścić w przedziale 0 do 1V lub 0 do 5V, lecz jej częstotliwość będzie mniejsza. W przypadku sond lambda szerokopasmowych, ze względu na fakt, iż oprogramowanie sterownika jest dość mocno rozbudowane, ich diagnostyka powinna być realizowana z wykorzystaniem przyrządu diagnostycznego. W bardziej skomplikowanych przypadkach zalecane jest skorzystanie z oscyloskopu. Dzięki jego zastosowaniu możliwy jest oscyloskopowy pomiar sygnałów dochodzących i wychodzących z sondy.
mgr Andrzej Kowalewski
Komentarze (0)