Diagnostyka

Aby zapewnić możliwie najlepsze warunki pracy konwerterowi katalitycznemu, sterownik silnika musi wiedzieć, jaka mieszanka paliwowo-powietrzna była spalona – bogata czy uboga. Lub lepiej, poznać cechujący ją współczynnik lambda (l) składu mieszanki.

Sterownik, ze względu na koszty, nie wykorzystuje do tego celu analizatora spalin. Ma do dyspozycji tylko czujnik zawartości tlenu w spalinach. Sterownik może otrzymać informacje o składzie spalonej mieszanki, ale najpierw, w mikroskali – w czujniku tlenu, musi nastąpić dokończenie procesu spalania rozpoczętego w komorach spalania silnika. To temat tego artykułu.

Przywracanie równowagi termodynamicznej między składnikami spalin
Ze względu na trudne warunki tworzenia i spalania mieszanki w komorach spalania silnika niecały obecny w niej tlen uczestniczy w procesie spalania. Ponadto wskutek wysokich lokalnych temperatur w przestrzeni komory spalania część tlenu z powietrza, zamiast uczestniczyć w spalaniu węglowodorów (HC), wiąże się z azotem (N2) z powietrza, w wyniku czego powstają tlenki azotu (NOX).
Aby czujniki tlenu, w zależności od ich typu, mogły określić, czy spalona mieszanka paliwowo-powietrzna była bogata lub uboga (dwustanowe czujniki tlenu, napięciowe lub rezystancyjne), albo określić jej skład (szerokopasmowe czujniki tlenu), konieczne jest, by:
- paliwo spalało się w sposób zupełny (produktami takiego procesu są tylko dwutlenek węgla i para wodna) i całkowity (w trakcie takiego spalania spalają się wszystkie składniki paliwa),
- tlen (O2) i azot (N2) z powietrza nie wiązały się ze sobą, tworząc tlenki azotu (NOX).

Jak wiemy, w procesach zachodzących w komorach spalania silnika oba warunki nie są spełnione, więc każdy z typów czujników tlenu rozpoczyna pracę od „dokończenia” spalania, które rozpoczęło się w komorach spalania silnika, tak by proces ten spełnił wskazane warunki. Proces „dokończenia” spalania w czujniku tlenu, w mikroskali, nazywamy przywracaniem równowagi termodynamicznej pomiędzy składnikami spalin.
Jego przebieg ilustruje rys. 3. Zachodzi on w warstwie spalin (1), na powierzchni ich styku z warstwą katalityczną (2) elementu pomiarowego czujnika tlenu. Warstwa katalityczna występuje w elemencie pomiarowym czujnika tlenu każdego typu.
Spaliny napływające do czujnika tlenu, oprócz pożądanych nieszkodliwych składników procesu spalania, takich jak dwutlenek węgla (CO2) i para wodna (H2O), zawierają również:
- węglowodory (HC) i tlenek węgla (CO) – produkty niezupełnego lub niecałkowitego spalania;
- tlen (O2) – niewykorzystany lub niepotrzebny w procesie spalania;
- tlenki azotu (NOX) – powstają w warunkach towarzyszących spalaniu.

W trakcie przywracania równowagi termodynamicznej pomiędzy składnikami spalin zachodzą równolegle dwie grupy procesów: redukcja i utlenianie. W reakcjach redukcji następuje „uwalnianie” tlenu (O2) związanego w tlenkach azotu (NOX). W wyniku tych reakcji „odzyskujemy” tlen. Jednocześnie tlen „odzyskany” z tlenków azotu i tlen obecny w spalinach po spalaniu w silniku utlenia pozostałe w spalinach węglowodory (HC) i tlenek węgla (CO) – powstają z nich dwutlenek węgla (CO2) i para wodna (H2O).
Tlen pozostały w spalinach po tych procesach nazywamy tlenem równowagowym (O2(R)). Jego zawartość na powierzchni warstwy katalitycznej jest – zależnie od typu czujnika tlenu – podstawą do określenia (alternatywnie):
- czy spalona mieszanka była uboga, czy bogata;
- składu spalonej mieszanki, z podaniem charakteryzującej ją wartości współczynnika składu mieszanki lambda (l).

Proces przywracania równowagi termodynamicznej pomiędzy składnikami spalin przebiega w taki sam sposób w każdym typie czujnika tlenu, niezależnie od miejsca jego montażu w układzie wylotowym silnika – przed czy za konwerterem katalitycznym.
Na przykładzie czujnika tlenu zamontowanego przed konwerterem katalitycznym rysunki od 4 do 7 ilustrują zawartości tlenu (O2) i tlenu związanego w tlenkach azotu (NOX) w spalinach pochodzących ze spalenia mieszanki: stechiometrycznej, bogatej i ubogiej:
- tylko po spalaniu;
- po spalaniu i przywracaniu równowagi termodynamicznej składników spalin.

Rysunki będą pomocne w poznaniu tego, jaka jest zawartość tlenu resztkowego. To podstawowy proces w każdym typie czujnika tlenu.

Przywracanie równowagi termodynamicznej w spalinach pochodzących ze spalenia mieszanki stechiometrycznej (l=1)
Taka mieszanka zawiera tlen potrzebny do całkowitego i zupełnego spalenia paliwa. Niedoskonałości tego procesu w komorach spalania silnika powodują, że część tlenu pozostaje w spalinach niewykorzystana – pkt S1 (rys. 4a).

W procesie przywracania równowagi termodynamicznej na powierzchni warstwy katalitycznej czujnika tlenu, pomiędzy składnikami spalin napływających z komór spalania silnika, tlen pozostały w spalinach – pkt S1 i tlen „odzyskany” z tlenków azotu (NOX) utlenia tlenek węgla (CO) i węglowodory (HC). Wskutek tego maleją zawartości:
- tlenu (O2) – od pkt S1 do S2 (rys. 4a);
- tlenku węgla (CO) – od pkt S3 do S4 (rys. 4b);
- węglowodorów (HC) – od pkt S5 do S6 (rys. 4c).

Tlen, który pozostał na powierzchni warstwy katalitycznej, to tlen resztkowy (O2(R)) – pkt S2. Teoretycznie jego ilość powinna być zerowa, bo w mieszance stechiometrycznej (l=1) ilość tlenu jest dokładnie taka, jaka jest wymagana w procesie spalania. Jednak nawet na powierzchni warstwy katalitycznej w reakcjach nie uczestniczą wszystkie składniki, dlatego w spalinach pozostaje bardzo niewielka ilość tlenu resztkowego (O2(R)).
Wykorzystanie tlenu z powietrza, obecnego w mieszance stechiometrycznej, najpierw w procesie spalania w komorach spalania silnika, a następnie łącznie – w procesie spalania w komorach spalania silnika i w procesie przywracania równowagi termodynamicznej w czujniku tlenu – można przeanalizować na rys. 5.

Przywracanie równowagi termodynamicznej w spalinach pochodzących ze spalenia mieszanki bogatej (l<1)
Taka mieszanka zawiera za małą ilość tlenu potrzebnego do całkowitego i zupełnego spalenia paliwa. Niedoskonałości procesu zachodzącego w komorach spalania silnika powodują, że ta ilość tlenu i tak nie jest wykorzystana w całości. Po spalaniu w silniku część tlenu pozostaje w spalinach niewykorzystana – pkt B1 (rys. 6a).
W procesie przywracania równowagi termodynamicznej pomiędzy składnikami spalin, które napływają z komór spalania silnika, na powierzchni warstwy katalitycznej czujnika tlenu, tlen pozostały w spalinach – pkt B1 i tlen „odzyskany” z tlenków azotu (NOX) utlenia tlenek węgla (CO) i węglowodory (HC). Wskutek tego maleją zawartości:
- tlenu (O2) – od pkt B1 do B2 (rys. 4a);
- tlenku węgla (CO) – od pkt B3 do B4 (rys. 4b);
- węglowodorów (HC) – od pkt B5 do B6 (rys. 4c).

Tlen, który pozostał na powierzchni warstwy katalitycznej – pkt B2, to tlen resztkowy (O2(R)). Jego ilość jest teoretycznie zerowa.
Wykorzystanie tlenu znajdującego się w mieszance bogatej, najpierw w procesie spalania w komorach spalania silnika, a następnie łącznie – w procesie spalania w komorach spalania silnika i w procesie przywracania równowagi termodynamicznej w czujniku tlenu – można przeanalizować na rys. 6.

Przywracanie równowagi termodynamicznej w spalinach pochodzących ze spalenia mieszanki ubogiej (l>1)
Taka mieszanka zawiera większą ilość tlenu, niż jest potrzebna do całkowitego i zupełnego spalenia paliwa. Ilość tlenu, która pozostaje w spalinach po spalaniu mieszanki ubogiej – pkt U1 (rys. 4a), jest równa sumie:
- zawartości tlenu niewykorzystanego w procesie spalania w komorach spalania silnika wskutek niedoskonałości spalania;
- części tlenu, która jest niepotrzebna w procesie spalania.

W procesie przywracania równowagi termodynamicznej pomiędzy składnikami spalin, które napływają z komór spalania silnika, na powierzchni warstwy katalitycznej czujnika tlenu, tlen pozostały w spalinach – pkt U1 i tlen „odzyskany” z tlenków azotu (NOX) utlenia tlenek węgla (CO) i węglowodory (HC). Wskutek tego maleją zawartości:
- tlenu (O2) – od pkt U1 do U2 (rys. 4a);
- tlenku węgla (CO) – od pkt U3 do U4 (rys. 4b);
- węglowodorów (HC) – od pkt U5 do U6 (rys. 4c).

Tlen, który pozostał na powierzchni warstwy katalitycznej – pkt U2, to tlen resztkowy (O2(R)). Jego ilość jest teoretycznie równa ilości tlenu, która była niepotrzebna w procesie spalania.
Wykorzystanie tlenu znajdującego się w mieszance bogatej najpierw w procesie spalania w komorach spalania silnika, a następnie łącznie – w procesie spalania w komorach spalania silnika i w procesie przywracania równowagi termodynamicznej czujnika tlenu – można przeanalizować na rys. 7.

Wykrywanie mieszanki o składzie stechiometrycznym przez czujnik tlenu
Powróćmy do rys. 4a. Proszę zauważyć, że gdy skład mieszanki zasilającej silnik zmienia się w zakresie mieszanek bogatych (l<1), to zawartość tlenu resztkowego (O2(R)) w spalinach jest teoretycznie zerowa. 
Jeśli skład mieszanki zasilającej silnik zmienia się w zakresie mieszanek ubogich (l>1), to zawartość tlenu resztkowego (O2(R)) w spalinach jest dużo większa od zera. Jest go tym więcej, im uboższa jest mieszanka zasilająca silnik.
Jeśli silnik jest zasilany mieszanką stechiometryczną (l=1), to zawartość tlenu resztkowego (O2(R)) w spalinach jest:
- bardzo nieznacznie większa od zera, czyli od jego zawartości w spalinach pochodzących ze spalenia mieszanki bogatej;
- wielokrotnie mniejsza od jego zawartości w spalinach pochodzących ze spalenia mieszanki ubogiej.

Wykres na rys. 4a tego nie ilustruje.
Dla wyznaczenia punktu charakterystyki czujnika tlenu, w którym jest on opływany spalinami pochodzącymi ze spalenia mieszanki stechiometrycznej (l=1), w warunkach laboratoryjnych, jest on opływany mieszaniną gazów (tzw. syntetycznymi spalinami) o:
- określonym i co ważne stabilnym składzie (skład spalin z silnika nie jest stabilny), odpowiadającym składowi spalin pochodzących ze spalenia mieszanki stechiometrycznej (l=1);
- temperaturze odpowiadającej temperaturze spalin.

W tym punkcie charakterystyki czujnika tlenu, zawartość tlenu w spalinach pochodzących ze spalania mieszanki stechiometrycznej (l=1) jest równa zawartości tlenu oznaczonej punktem S1 (rys. 4a). Ten punkt charakterystyki jest wykorzystywany do określenia:
- czy spalana mieszanka była bogata, czy uboga (dwustanowe czujniki tlenu – napięciowe lub rezystancyjne);
- składu spalonej mieszanki (szerokopasmowe czujniki tlenu).

mgr inż. Stefan Myszkowski