Skuteczność działania katalizatorów – sondy lambda

Skuteczność działania katalizatora uzależniona jest od składu mieszanki paliwowo-powietrznej. Tylko przy składzie mieszanki zbliżonym do stechiometrycznego (czyli zarówno bez nadmiaru powietrza, jak i paliwa) katalizator zapewnia zadowalający, jednoczesny przebieg utleniania i redukcji toksycznych składników spalin. W przypadku nadmiernego wzbogacenia składu mieszanki w paliwo obniżona zostaje zdolność katalizatora do usuwania tlenku węgla i węglowodorów. Z kolei zubożenie składu mieszanki (nawet w nieznacznym stopniu) prowadzi do całkowitej utraty możliwości usuwania tlenków azotu. W związku z tym warunkiem koniecznym prawidłowej i skutecznej pracy katalizatora trójfunkcyjnego jest jego współpraca w połączeniu z sondą lambda. Tylko wtedy możliwe jest skuteczne usuwanie wszystkich składników toksycznych ze spalin. Katalizator wraz z sondą lambda współpracują w połączeniu w połączeniu z systemem regulacji składu mieszanki doprowadzanej do silnika. System ten poza katalizatorem i jedną lub dwiema sondami lambda składa się również z elektronicznego modułu sterującego i sterowanego elektronicznie układu zasilania. W przypadku układów z pojedynczą sondą lambda jest ona umieszczana w układzie wydechowym, w miejscu połączenia kanałów zbierających spaliny ze wszystkich cylindrów, w bliskim sąsiedztwie katalizatora lub zaraz za nim. Przy konstrukcji układu z zastosowaniem dwóch sond jedna z nich umieszczana jest tak, jak przy rozwiązaniu układu z jedną sondą, a druga w przewodzie wydechowym, za katalizatorem. Pierwsza, na podstawie stanu składu spalin (przed katalizatorem), koryguje na bieżąco skład mieszanki dostarczanej do silnika. Druga zaś kontroluje efekty oddziaływania katalizatora na spaliny. Zadaniem sondy lambda jest pomiar stężenia wolnego tlenu w spalinach. Pomiar ten realizowany jest dla wszystkich cylindrów jednocześnie, a jego wartość przyjmuje postać uśrednioną. Zebrane przez sondę lambda informacje przekazywane są do modułu sterującego, który dokonuje ich interpretacji i wysyła impulsy sterujące do elektronicznego systemu wtryskowego, odpowiedzialnego za przygotowanie odpowiedniego składu mieszanki paliwowo-powietrznej.
Obecnie stosowane są dwa rodzaje sond lambda:
- cyrkonowe,
- tytanowe.
Sonda cyrkonowa jest ogniwem elektrycznym, którego wielkość napięcia w zakresie od 0 do 1V uzależniona jest od zawartości tlenu w spalinach. Jej konstrukcja oparta jest na dwóch platynowych płytkach, rozdzielonych warstwą dwutlenku cyrkonu. Tlen zamienia tę substancję w elektrolit. Konstrukcja czujnika zapewnia warunki, w których jedna elektroda styka się z powietrzem atmosferycznym, a druga z gorącymi spalinami. Minimalna nawet różnica zawartości tlenu na poszczególnych elektrodach, czyli w atmosferze i w spalinach, wywołuje napięcie elektryczne o wartości wystarczającej do przekazywania impulsów elektronicznych. Przy mieszance bogatej (lambda 0,95) zawartość tlenu w spalinach oscyluje w granicach 0,25%. Przy tej zawartości tlenu sonda lambda wytwarza napięcie około 900 mV. Przy mieszance ubogiej napięcie wytwarzane przez sondę lambda może oscylować w wartościach 80-150 mV. W przypadku podawania do cylindrów mieszanki paliwowo-powietrznej o składzie zbliżonym do stechiometrycznego napięcie wytwarzane przez sondę lambda wynosi w granicach 480 mV.
Wprowadzone do pamięci sterownika wartości napięcia sondy lambda decydują w czasie pracy silnika o wydłużeniu lub skróceniu czasu wtrysku, a także o wielkości dawki paliwa. Żadnych korekt w przygotowaniu mieszanki paliwowo-powietrznej nie powoduje jedynie napięcie sondy lambda odpowiadające składowi stechiometrycznemu. Każda inna wartość napięcia pociąga za sobą korekcję dawki paliwa. Gdy zawartość tlenu w spalinach rośnie, napięcie wytwarzane przez sondę słabnie, a więc układ samoczynnie wzbogaca przygotowywaną mieszankę. Natomiast przy spadku zawartości tlenu w spalinach, napięcie wytwarzane przez sondę rośnie, w efekcie czego układ doprowadza do zubożenia mieszanki paliwowo-powietrznej. Udoskonalenie działania cyrkonowych sond lambda polega na zwiększeniu kontaktu czujnika z tlenem zawartym w spalinach. W tym rozwiązaniu przyłożenie napięcia do elektrolitu powoduje wymuszenie przepływu jonów między elektrodami sondy. Zadanie układu sterującego dawką paliwa sprowadza się do sterowania wartością prądu sondy w taki sposób, aby skład spalin odpowiadał stechiometrycznej mieszance paliwowo--powietrznej. W praktyce zastosowanie mają również tzw. sondy tytanowe. Działanie ich jest zbliżone do zasady działania potencjometrów, których oporność zależna jest od stężenia tlenu w spalinach. Zdecydowaną ich zaletą jest znacznie krótszy czas rozruchu. Wymagają one jednak stabilnego zewnętrznego zasilania. Wskazania tego typu sond są znacznie bardziej wiarygodne niż w przypadku sond cyrkonowych. Wynika to z faktu, iż sondy tytanowe mierzą aktualny poziom stężenia tlenu w spalinach z uwzględnieniem, że jego część może być potrzebna jeszcze do reakcji utleniania w katalizatorze trójfunkcyjnym. Ponieważ sondy lambda znacznie gorzej funkcjonują przy niższych niż optymalna wynosząca 550-600OC temperaturach pracy, co objawia się ponad sekundowym opóźnieniem na zmiany składu spalin, dlatego też regulacja składu mieszanki bezpośrednio po uruchomieniu silnika przez pewien okres jest wyłączona. Okres ten z reguły skraca się do minimum poprzez zastosowanie elektrycznego podgrzewania sondy. Podgrzewanie sondy może mieć miejsce nie tylko przy rozruchu, lecz również w przypadku jazdy w niskich temperaturach otoczenia z niewielkim obciążeniem silnika, czyli przy stosunkowo niskiej temperaturze spalin. Dzięki zastosowaniu podgrzewania sondy może ona osiągnąć optymalne warunki pracy już po 20-30 sekundach od uruchomienia silnika. Dzięki zastosowaniu podgrzewania elektrycznego sondy możliwe jest montowanie jej z dala od zaworów wydechowych silnika, a dzięki temu chroniona jest ona skutecznie przed szkodliwym, nadmiernym przegrzaniem. Przyjmuje się, że maksymalna temperatura sondy nie powinna przekraczać 850OC w czasie normalnej eksploatacji i około 950OC przy krótkotrwałych przeciążeniach silnika. Po przekroczeniu tych wartości temperatury następuje przyspieszone zużycie sondy.

mgr Andrzej Kowalewski