Poznaliśmy już budowę i zasadę pracy wspomnianego w tytule czujnika tlenu. Przyjrzyjmy się zatem pomiarom oscyloskopowym, które można wykonać celem jego sprawdzenia i określenia prawidłowości działania układu regulacji składu mieszanki.

Co można mierzyć, a czego raczej nie
Jeśli nie znamy budowy szerokopasmowego czujnika tlenu danego producenta i wielkości kontrolnych (np. rezystancji grzałki czujnika), zalecana jest jego diagnostyka tylko z wykorzystaniem testera diagnostycznego. Bezpośrednie pomiary elektryczne nie są wskazane.
Jeśli znamy budowę szerokopasmowego czujnika tlenu, można wykonać pomiary elektryczne, ale nie jest wskazane otwieranie obwodu elektrycznego pompy tlenu w celu pomiaru natężenia i kierunku prądu w nim płynącego.

Szerokopasmowy czujnik tlenu a silnik ZI
Proszę spojrzeć na rys. 22 i 23. Oba przedstawiają zmianę wartości współczynnika lambda (λ) składu mieszanki, w następstwie prawidłowej pracy układu regulacji składu mieszanki, z:
- dwustanowym czujnikiem tlenu (rys. 22),
- szerokopasmowym czujnikiem tlenu (rys. 23).

Widać, że w układzie regulacji z szerokopasmowym czujnikiem tlenu (rys. 23) wartość współczynnika lambda składu mieszanki częściej jest większa lub mniejsza względem tzw. wymaganej wartości współczynnika lambda składu mieszanki, w porównaniu do zmian wartość współczynnika lambda składu mieszanki w układzie regulacji z dwustanowym czujnikiem tlenu (rys. 22).
Dla informacji dodam, że tzw. wymagana wartość współczynnika lambda składu mieszanki, z niewielkimi wyjątkami, wynosi 1 (mieszanka stechiometryczna). Jest to skład mieszanki, który układ regulacji składu mieszanki stara się uzyskać, ale jak w każdym układzie regulacji (wynika to z zasady pracy układów regulacji) udaje mu się to tylko chwilowo. Przez zdecydowaną większość czasu pracy układu regulacji wartość tego współczynnika składu mieszanki jest większa lub mniejsza od wartości wymaganej, lub inaczej – oscyluje wokół wartości wymaganej.
Zastosowanie szerokopasmowego czujnika tlenu zamiast dwustanowego spowodowało zmniejszenie tzw. uchybu regulacji, czyli różnicy regulowanej wartości współczynnika lambda składu mieszanki w stosunku do jego wartości wymaganej.
Zastosowanie szerokopasmowego czujnika tlenu w układzie regulacji składu mieszanki zasilającej silnik ZI umożliwia:
- zmniejszenie emisji szkodliwych składników spalin;
- redukcję ilości metali szlachetnych, które pokrywają ścianki kanałów konwertera katalitycznego, bez szkody dla jego sprawności;
- regulację składu tzw. homogenicznej, ubogiej mieszanki zasilającej silnik (jeśli silnik jest skonstruowany do zasilania takimi mieszankami), dla których wymagana wartość współczynnika lambda składu mieszanki może mieć wartości z zakresu od 1 do 1,55.

Kolejną korzyścią jest możliwość zastosowania indywidualnej regulacji składu mieszanki, czyli oddzielnie dla każdego cylindra silnika. Z czego wynika korzyść?
Obecnie każdy układ regulacji z dwustanowym czujnikiem tlenu i zapewne zdecydowana większość układów z szerokopasmowym czujnikiem tlenu określa tylko średni skład mieszanki spalonej w silniku. Ponieważ jest on „średni”, więc również regulowany skład mieszanki zasilającej silnik jest „średni”. W konsekwencji skład mieszanki zasilającej każdy cylinder nie oscyluje wokół mieszanki o wymaganym składzie (jest to prawie zawsze skład stechiometryczny). Powoduje to obniżenie sprawności trójfunkcyjnego konwertera katalitycznego, a więc większą zawartość składników szkodliwych w spalinach.
Możliwość zastosowania indywidualnej regulacji składu mieszanki wynika z faktu, że szerokopasmowy czujnik tlenu określa skład spalonej mieszanki, a nie tylko to, czy była bogata, czy uboga, i robi to szybko. Ponadto spaliny w układzie wylotowym silnika nie płyną ciągłym strumieniem, ale są to „porcje”, które w kolejności zapłonów opuszczają cylindry silnika. Możliwe jest więc przypisanie każdej „porcji spalin”, które aktualnie przepływają przez układ wylotowy silnika do cylindra, z którego pochodzą, i określenie ich składu.

Szerokopasmowy czujnik tlenu a silnik ZS
Zastosowanie szerokopasmowego czujnika tlenu w układzie wylotowym silnika ZS umożliwia:
- dokładniejszą regulację ilości recyrkulowanych spalin;
- zmniejszenie zadymienia spalin przy pracy silnika z maksymalnym obciążeniem;
- korekcję dawek paliwa podawanych przez poszczególne wtryskiwacze;
- kontrolę procesu czyszczenia filtra cząstek stałych.

Pomiar spadku napięcia na rezystorze pomiarowym
W tym czujniku tlenu informacją o składzie spalonej mieszanki jest wartość natężenia składowej prądu (są dwie), które zasila pompę tlenu i przepływa przez rezystor pomiarowy (RP). Rezystor jest zamontowany w module sterującym szerokopasmowego czujnika tlenu – patrz cz. 4 artykułu, rys. 11. Wartości dodatnie natężenia tej składowej prądu informują, że spalona mieszanka była uboga, a wartości ujemne, że spalona mieszanka była bogata. Druga składowa prądu przepływa przez rezystor kalibracyjny (RK). Jest on zamontowany w złączu wtykowym szerokopasmowego czujnika tlenu (C, rys. 24).
Pomiar natężenia prądu, który zasila pompę tlenu i przepływa praz rezystor pomiarowy (RP), odbywa się przez pomiar spadku napięcia na tym rezystorze. Można mierzyć ten spadek napięcia, wykorzystując układ pomiarowy przedstawiony na rys. 24.
Ponieważ równolegle do rezystora pomiarowego (RP) – w module sterującym, w złączu wtykowym C, zamontowany jest rezystor kalibracyjny (RK), więc spadek napięcia mierzony na rezystorze pomiarowym jest równy spadkowi napięcia na rezystorze kalibracyjnym.
Jeśli oscyloskop zostanie połączony tak jak na rys. 24, wówczas przy prawidłowo pracującym układzie regulacji składu mieszanki – patrz rys. 25 i 26:
- wartość zerowa zmierzonego napięcia oznacza, że spalona została mieszanka stechiometryczna (λ = 1);
- wartość dodatnia zmierzonego napięcia oznacza, że spalona została mieszanka uboga (λ > 1);
- wartość ujemna zmierzonego napięcia oznacza, że spalona została mieszanka bogata (λ < 1).
Wartość mierzonego napięcia musi oscylować wokół wartości zerowej, co oznacza, że układ regulacji pracuje prawidłowo w warunkach, w których ma pracować (w nowoczesnych silnikach: kilkadziesiąt sekund po rozruchu silnika, praca silnika w warunkach ustalonych, przy obciążeniu silnika nie większym niż ok. 75% obciążenia maksymalnego). Rys. 25 przedstawia zmianę mierzonego napięcia przy małej prędkości obrotowej silnika, a rys. 26 przy zwiększonej prędkości obrotowej silnika.

W tym miejscu konieczna jest uwaga, która dotyczy układu pomiarowego z rys. 24 oraz zmierzonych przebiegów napięć – rys. 25 i 26. To, czy wartość dodatnia zmierzonego napięcia oznacza, że spalona została mieszanka bogata, a ujemna, że uboga, lub odwrotnie, zależy od trzech czynników:
1) prawidłowego przyłączenia oscyloskopu;
2) wiedzy o przyporządkowaniu poszczególnych przewodów wiązki czujnika tlenu do styków złącza wtykowego;
3) wiedzy o kolorystyce przewodów łączących złącze wtykowe i sterownik.

Zastrzeżenie 2 i 3 wynika z faktu, że zarówno oznaczenia styków złącza wtykowego, jak i kolorystyka przewodów mogą być inne od podanej na schematach w tym artykule. Ja wykorzystałem oznaczenia styków złącza wtykowego i kolorystykę przewodów podane w katalogu czujników firmy Bosch, ale... również ta firma stosuje inne oznaczenia styków i kolorystykę przewodów – patrz część nr 4 artykułu, rys. 14.
Z tych powodów mniej ważne jest, czy dodatnia wartość zmierzonego napięcia oznacza, że spalona mieszanka była uboga lub bogata, i odpowiednio, czy ujemna wartość zmierzonego napięcia oznacza, że spalona mieszanka była bogata lub uboga. Ważniejsze jest natomiast to, że jeśli gwałtowne otwarcie przepustnicy (chwilowe wzbogacenie mieszanki) powoduje np. zmniejszenie wartości mierzonego napięcia, to po ustabilizowaniu się podwyższonej prędkości obrotowej nagłe zamknięcie przepustnicy (chwilowe zubożenie mieszanki) powinno skutkować zwiększeniem wartości mierzonego napięcia. Może również wystąpić sytuacja odwrotna. Gwałtowne otwarcie przepustnicy może powodować wzrost wartości mierzonego napięcia, a jej zamknięcie – zmniejszenie wartości mierzonego napięcia.
Jeśli wystąpi jedna z tych sytuacji, wówczas zarówno układ regulacji składu mieszanki, jak i szerokopasmowy czujnik tlenu działają prawidłowo. W przeciwnej sytuacji:
- może występować uszkodzenie w układzie sterowania silnika, uszkodzenie mechaniczne silnika lub jego układów, które powodują, że układ regulacji składu mieszanki nie reguluje składu mieszanki;
- uszkodzony może być czujnik tlenu.

Aby to rozstrzygnąć, konieczna jest dalsza diagnostyka. Niezależnie od tego, jaki czujnik tlenu jest zamontowany w układzie wylotowym silnika, jego wymiana tylko na podstawie pomiaru sygnału czujnika jest błędem.
Wówczas pomocne mogą być np. analizator spalin (to dotychczas jedyne urządzenie, które bezpośrednio mierzy skład spalin) i tester diagnostyczny, by prześledzić wartości współczynników korekcji dawek paliwa. Inną przydatną metodą diagnostyczną jest tzw. próba propanowa, popularna np. w północnoamerykańskich serwisach samochodowych.

Pomiar spadku napięcia na pompie tlenu
Sam nie wykonywałem tego pomiaru, ale jest on przedstawiony w literaturze i wydaje się prawidłowy. Aby go wykonać, należy połączyć układ pomiarowy tak, jak przedstawia to schemat na rys. 27.
Ten pomiar jest podobny do pomiaru spadku napięcia na rezystorze pomiarowym (RP; cz. 4 artykułu, rys. 11), przez który przepływa prąd IPM. Jednak pompa tlenu jest zasilana prądem IP. Jego natężenie jest równe sumie natężeń prądów:
- IPM – płynie przez rezystor pomiarowy (RP);
- IPK – płynie równoległą gałęzią obwodu elektrycznego i zamontowany jest w niej rezystor kalibracyjny (RK).

Łącząc przewody tak jak na schemacie (rys. 27), będziemy więc mierzyć spadek napięcia na pompie tlenu przy przepływie przez nią prądu IP. Kierunek przepływu tego prądu zmienia się w zależności od tego, czy pompa tłoczy tlen do przestrzeni dyfuzyjnej, czy go z niej wytłacza (usuwa).
W ocenie wyników pomiarów jest jednak różnica pomiędzy źródłami literaturowymi (nie ma różnicy odnośnie do układu pomiarowego – rys. 27).
Niektóre źródła podają, że jeśli silnik spalił mieszankę:
- stechiometryczną (λ = 1) – to wartość zmierzonego napięcia wynosi 0,45 V;
- ubogą (λ > 1) – to wartość zmierzonego napięcia jest większa niż 0,45 V;
- bogatą (λ < 1) – to wartość zmierzonego napięcia jest mniejsza niż 0,45 V.

Natomiast inne źródła podają, że jeśli silnik spalił mieszankę:
- stechiometryczną (λ = 1) – to wartość zmierzonego napięcia wynosi 0 V;
- ubogą (λ > 1) – to wartość zmierzonego napięcia jest mniejsza niż 0 V;
- bogatą (λ < 1) – to wartość zmierzonego napięcia jest większa niż 0 V.

Tylko na podstawie analizy teoretycznej (sam nie wykonywałem tego pomiaru) skłaniam się do drugiej z przedstawionych interpretacji, czyli że zmierzone napięcie będzie oscylować wokół 0 V.
Jednak również w tej metodzie od zmierzonych wartości napięcia ważniejsze są tendencje zmian. Jeśli nagłe otwarcie przepustnicy powoduje wzrost lub spadek mierzonego napięcia, to odpowiednio nagłe jej zamknięcie powinno spowodować spadek lub wzrost mierzonego napięcia.

mgr inż. Stefan Myszkowski