W poprzednim artykule tego cyklu poznaliśmy jego budowę, a w tym dowiemy się, jak pracuje.

Zasada pracy układu regulacyjnego szerokopasmowego czujnika tlenu
Układ regulacyjny szerokopasmowego czujnika tlenu tworzą elementy pomiarowego czujnika tlenu, pokazane na rys. 16 (od 4 do 10), oraz układy modułu sterującego (13). Wielkością regulowaną przez układ regulacyjny (termin z teorii układów regulacji) jest zawartość tlenu znajdującego się w spalinach wypełniających przestrzeń dyfuzyjną (5). Informację o ilości tlenu w spalinach w przestrzeni dyfuzyjnej (5) układ regulacyjny otrzymuje od ogniwa Nernsta. Składa się ono z elektrod (7 i 9) oraz ceramiki specjalnej (8). Ogniwo Nernsta generuje napięcie UN o wartości zależnej od stosunku zawartości tlenu w spalinach znajdujących się w przestrzeni dyfuzyjnej (5) do stałej zawartości tlenu w kanale powietrza odniesienia (10). Wartość napięcia ogniwa Nernsta UN, mierzona przez układ sterujący (13), a w celach poglądowych miernikiem (12), jest dla układu regulacji miarą zawartości tlenu w spalinach, wypełniających przestrzeń dyfuzyjną (5). Jeśli wartość napięcia ogniwa Nernsta:

• UN = 0,45 V – znaczy to, że w przestrzeni dyfuzyjnej (5) są spaliny o zawartości tlenu równej zawartości tlenu w spalinach pochodzących ze spalenia mieszanki stechiometrycznej;
• UN > 0,45 V – znaczy to, że w przestrzeni dyfuzyjnej (5) są spaliny o zawartości tlenu mniejszej niż zawartość tlenu w spalinach pochodzących ze spalenia mieszanki stechiometrycznej;
• UN < 0,45 V – znaczy to, że w przestrzeni dyfuzyjnej (5) są spaliny o zawartości tlenu większej niż zawartość tlenu w spalinach pochodzących ze spalenia mieszanki stechiometrycznej.

Celem pracy układu regulacji jest uzyskanie zawartości tlenu w spalinach wypełniających przestrzeń dyfuzyjną (5) równej zawartości tlenu w spalinach pochodzących ze spalenia mieszanki stechiometrycznej (λ = 1). Potwierdzeniem, że ten cel został osiągnięty, jest uzyskanie napięcie ogniwa Nernsta UN = 0,45 V. Do osiągnięcia tego celu układ regulacji wykorzystuje pompę tlenu (4). Jeśli zawartość tlenu w przestrzeni dyfuzyjnej jest mniejsza niż w spalinach pochodzących ze spalenia mieszanki stechiometrycznej (λ = 1), wówczas pompa tlenu (4) pompuje tlen do przestrzeni dyfuzyjnej (5). Jeśli zawartość tlenu w przestrzeni dyfuzyjnej jest większa niż w spalinach pochodzących ze spalenia mieszanki stechiometrycznej (λ = 1), wówczas pompa tlenu (4) wypompowuje tlen z przestrzeni dyfuzyjnej (5).
O tym, czy pompa tlenu (4) pompuje tlen do przestrzeni dyfuzyjnej, czy go z niej wypompowuje, informuje umowny kierunek przepływu prądu (IPM), zasilającego pompę tlenu. Jeśli tlen jest:

• pompowany do przestrzeni dyfuzyjnej (5), to prąd IPM ma kierunek ujemny;
• wypompowywany z przestrzeni dyfuzyjnej (5), to prąd IPM ma kierunek dodatni.

Wartość natężenia prądu IPM jest informacją o ilości tlenu pompowanego lub wypompowanego przez pompę tlenu (4). Kierunek i natężenie prądu IPM zasilającego pompę tlenu (4) są dla układu regulacji tzw. wielkością nastawczą (terminologia z teorii układów regulacji). Na poglądowym schemacie (rys. 16) wartość natężenia prądu IPM i jego kierunek określa miernik (11).
Chwilowe utrzymanie większej lub mniejszej zawartości tlenu i innych składników spalin wypełniających przestrzeń dyfuzyjną (5) w stosunku do ich zawartości w spalinach płynących przez układ wylotowy umożliwia bariera dyfuzyjna (6). Spowalnia ona przepływ tlenu i innych składników spalin pomiędzy spalinami w przestrzeni dyfuzyjnej (5) a spalinami w układzie wylotowym silnika – mówiąc inaczej, bariera dyfuzyjna (6) spowalnia wyrównywanie się składów spalin po obu jej stronach.

Zasada określania składu mieszanki stechiometrycznej (λ = 1)
Układem wylotowym płyną spaliny (1), pochodzące ze spalenia mieszanki o składzie stechiometrycznym (λ = 1) – rys. 16. Wpływają one przez barierę dyfuzyjną (6) do przestrzeni dyfuzyjnej (5). Wypełnienie przestrzeni dyfuzyjnej (5) przez spaliny pochodzące ze spalenia mieszanki stechiometrycznej (λ = 1) powoduje, że napięcie ogniwa Nernsta UN = 0,45 V. Układ sterujący (13) szerokopasmowego czujnika tlenu mierzy wartość tego napięcia. Ilustruje to pomiar miernikiem (12).

Dla układu regulacji napięcie o wartości UN = 0,45 V oznacza, że:

• w przestrzeni dyfuzyjnej (5) są w danej chwili spaliny, pochodzące ze spalenia mieszanki stechiometrycznej (λ = 1);
• układ regulacji szerokopasmowego czujnika tlenu osiągnął swój cel, bez konieczności pompowania lub wypompowywania tlenu pompą (4) odpowiednio do lub z przestrzeni dyfuzyjnej (5).

Wartość natężenia prądu IPM, mierzona miernikiem (11), jest więc równa 0 mA. Dla modułu sterującego (13) jest to informacja, że w danej chwili przez układ wylotowy silnika płyną spaliny pochodzące ze spalenia mieszanki stechiometrycznej (λ = 1). Ta informacja jest przesyłana do sterownika silnika.

Zasada określania składu mieszanki bogatej (λ < 1)
Układem wylotowym płyną spaliny (1), pochodzące ze spalenia mieszanki bogatej (λ < 1) – rys. 17a. Wpływają one przez barierę dyfuzyjną (6) do przestrzeni dyfuzyjnej (5). Wypełnienie tej przestrzeni przez spaliny pochodzące ze spalenia mieszanki bogatej (λ < 1) powoduje, że napięcie ogniwa Nernsta UN > 0,45 V. Układ sterujący (13) szerokopasmowego czujnika tlenu mierzy wartość tego napięcia. Ilustruje to pomiar miernikiem (12).
Dla układu regulacji napięcie o wartości UN > 0,45 V oznacza, że w przestrzeni dyfuzyjnej (5) są w danej chwili spaliny pochodzące ze spalenia mieszanki bogatej (λ < 1). Ta wartość napięcia ogniwa Nernsta UN oznacza, że pompa tlenu (4) układu regulacji szerokopasmowego czujnika tlenu musi wpompować tlen do przestrzeni dyfuzyjnej (5), aby jego zawartość była w niej taka sama jak zawartość tlenu w spalinach pochodzących ze spalenia mieszanki stechiometrycznej (λ = 1). Potwierdzeniem uzyskania tej zawartości będzie to, że napięcie ogniwa Nernsta osiągnie wartość UN = 0,45 V.
Aby osiągnąć wskazany cel, układ sterujący (13) szerokopasmowego czujnika tlenu zasila pompę tlenu (4; rys. 17b) prądem IPM o umownym ujemnym kierunku i takiej wartości natężenia, aby wartość napięcia ogniwa Nernsta mierzona miernikiem (12) osiągnęła wartość UN = 0,45 V.
Ponieważ spaliny pochodzące ze spalenia mieszanki bogatej zawierają mało tlenu, aby pompa tlenu (4) miała jego źródło, komora pomiarowa szerokopasmowego czujnika tlenu w miejscu kontaktu ze spalinami z układu wylotowego jest pokryta warstwą katalityczną (3). Jej zadaniem jest rozkład dwutlenku węgla (CO2) i pary wodnej (H2O), by pozyskać dodatkowe cząstki tlenu (O2), oznaczone jako DT na rys. 17.
Ujemna wartość natężenia prądu IPM mierzona miernikiem (11; rys. 17b) jest dla modułu sterującego (13) równoznaczna z informacją o wartości współczynnika lambda (λ) spalonej, bogatej mieszanki. Ta informacja jest przesyłana do sterownika silnika.
Zadanie realizowane przez układ regulacji szerokopasmowego czujnika tlenu, aby określić skład spalonej bogatej mieszanki, można przedstawić, posługując się charakterystyką ogniwa Nernsta – patrz rys. 18.

mgr inż. Stefan Myszkowski