Diagnostyka

Od tej części artykułu będziemy poznawać szerokopasmowy czujnik tlenu. Różni są jego producenci (Bosch, Delphi, Denso i NGK/NTK), różna budowa i nazewnictwo, ale ta sama cecha – możliwość pomiaru współczynnika lambda (λ) składu spalonej mieszanki.

Wykorzystanie ogniwa Nernsta do określania składu mieszanki
Do określania zawartości tlenu w spalinach, również w technice samochodowej, wykorzystywane jest tzw. ogniwo Nernsta, czyli stały elektrolit. Jeśli (w uproszczeniu):
- po jednej stronie ogniwa jest powietrze (ma ono stałą zawartość tlenu) lub tzw. komora odniesienia o stałej zawartości tlenu;
- po drugiej stronie ogniwa znajdują się spaliny z określoną zawartością tlenu;
- temperatura stałego elektrolitu wynosi od 250 do 800°C;

to w zależności od zawartości tlenu w spalinach ogniwo Nernsta generuje sygnał napięciowy. Pełną charakterystykę tego ogniwa prezentuje rys. 8. Jest to zależność generowanego napięcia od zawartości tlenu w spalinach, a więc również od współczynnika składu mieszanki lambda (λ).
Charakterystyka ogniwa Nernsta ma dwa zakresy. W zakresie A zmianie składu mieszanki z bogatej na ubogą – lub odwrotnie – towarzyszy skokowa zmiana napięcia. Poziome odcinki charakterystyki w zakresie mieszanek bogatych (λ < 1) i ubogich (λ > 1) nie pozwalają na określenie współczynnika składu mieszanki lambda (λ) spalanej mieszanki. Z tych powodów w zakresie A charakterystyki ogniwa Nernsta możliwe jest tylko odkreślenie, czy spalana mieszanka była bogata, czy uboga.
Ten zakres charakterystyki wykorzystuje ogniwo Nernsta, które dobrze znamy, jako dwustanowy, napięciowy czujnik tlenu (inaczej sondę lambda). Jego charakterystykę przedstawia rys. 9. Dwustanowy – bo skokowo zmienia się wartość sygnału czujnika tlenu. Napięciowy – bo sygnałem wyjściowym jest napięcie (US). Jedną z metod pozwalających, aby sterownik silnika na podstawie wartości napięcia (US) mógł określić skład spalonej mieszanki, jest wprowadzenie do programu sterownika wartości napięcia odniesienia (UO). Jest to wartość napięcia sygnału napięciowego czujnika tlenu, występująca gdy spaliny omywające element pomiarowy pochodzą ze spalenia mieszanki o składzie stechiometrycznym (λ = 1,00). Napięcie odniesienia ma wartość mieszczącą się w zakresie od 400 do 500 mV, choć od tej zasady są wyjątki. Przyjmijmy, że jest ona równa 450 mV, tak jak na rys. 9.

Sygnał napięciowego czujnika tlenu jest oceniany w sterowniku przez układ porównujący, zwany komparatorem. Porównuje on aktualną wartość napięcia sygnału napięciowego czujnika tlenu z wartością napięcia odniesienia (UO):
- jeśli wartość napięcia sygnału (US) jest większa od wartości napięcia odniesienia (UO) = 450 mV, to komparator przesyła do programu sterownika informację, że spaliny opływające napięciowy czujnik tlenu pochodzą ze spalenia mieszanki bogatej;
- jeśli wartość napięcia sygnału (US) jest mniejsza od wartości napięcia odniesienia (UO) = 450 mV, to komparator przesyła do programu sterownika informację, że spaliny opływające napięciowy czujnik tlenu pochodzą ze spalenia mieszanki ubogiej.

Proszę raz jeszcze zauważyć, że sterownik otrzymuje tylko jedną informację: spalona mieszanka była bogata lub uboga. Napięciowy czujnik tlenu nie potrafi dokładnie określić składu spalonej mieszanki.
Przypominam tu tę zasadę, ponieważ ogniowo Nernsta pracujące w zakresie A, czyli dwustanowy, napięciowy czujnik tlenu, jest ważną częścią szerokopasmowego czujnika tlenu, o czym dowiemy się w kolejnych częściach artykułu. W opisach tego czujnika będę posługiwał się określeniem „ogniwo Nernsta”.
Dla informacji dodam, że zakres B charakterystyki ogniwa Nernsta (rys. 8) jest wykorzystany do pomiaru zawartości tlenu w spalinach pochodzących ze spalenia mieszanek charakteryzowanych wartością współczynnika lambda (λ) > 1,05. Napięcie sygnału ma wartość niższą od 65 mV, dlatego niewielkie zmiany napięcia sygnału, spowodowane np. dodatkowym oporem na stykach złącz, powodują znaczne różnice przy określeniu wartości współczynnika lambda (λ) spalonej mieszanki.
Nie znam przypadku wykorzystania tego zakresu pomiarowego ogniwa Nernsta do pomiaru zawartości tlenu w spalinach pochodzących ze spalania mieszanek ubogich w silnikach samochodowych. Zakres ten jest natomiast wykorzystywany przez czujniki napięciowe tlenu montowane w układach wylotowych stacjonarnych silników zasilanych gazem oraz pieców zasilanych gazem lub olejem opałowym.

Możliwości pomiarowe szerokopasmowych czujników tlenu
Szerokopasmowy czujnik tlenu we współpracy z dedykowanym procesorem mierzy wartość współczynnika lambda (λ) składu mieszanki zasilającej silniki spalinowe i piece. Pomiar następuje na podstawie określenia zawartości tlenu w spalinach. Mieszanka paliwowo-powietrzna może być tworzona z paliwa płynnego lub gazowego.
Szerokopasmowy czujnik tlenu mierzy zawartość tlenu w zakresie:
- od zawartości tlenu w spalinach pochodzących ze spalenia mieszanki, charakteryzowanej współczynnikiem lambda (λ) składu mieszanki o wartości 0,65;
- do zawartości tlenu w otaczającym nas powietrzu.

Zastosowanie szerokopasmowych czujników tlenu
Szerokopasmowy czujnik tlenu może być stosowany w tych wszystkich miejscach układu wylotowego silnika ZI, w których wcześniej w był wykorzystywany dwustanowy czujnik tlenu. Z tej zamiany wynikają następujące korzyści:
- informacja o konkretnym składzie spalonej mieszanki, a nie jedynie, że spalona mieszanka była bogata lub uboga, umożliwia zmniejszenie tzw. odchyłki regulacji układu regulacji składu mieszanki silnika ZI (silnik z trójfunkcyjnym konwerterem katalitycznym w układzie wylotowym silnika). Oznacza to, że regulowany skład mieszanki zasilającej silnik będzie różnił się o mniejszą wartość od składu wymaganego, charakteryzowanego tzw. wymaganą wartością współczynnika lambda (λ) składu mieszanki (przeważnie wymagany skład mieszanki jest składem stechiometrycznym, dla którego λ = 1). Należy dodać, że jeśli szerokopasmowy czujnik tlenu jest wykorzystywany przez układ regulacji składu mieszanki silnika ZI, zasilanego mieszanką ubogą, to proces regulacji składu mieszanki jest prowadzony również dla mieszanek homogenicznych ubogich, ale do wartości współczynnika lambda λ = 1,55. Gdy jego wartość jest większa, skład mieszanki jest tylko sterowany, a nie regulowany;
- mniejsza zawartość składników szkodliwych w spalinach, co wynika z dokładniejszej regulacji składu mieszanki. Z tego powodu możliwa jest redukcja zawartości metali szlachetnych w konwerterze katalitycznym, przy zachowaniu jego wysokiej sprawności;
- możliwość zastosowania indywidualnej regulacji składu mieszanki zasilającej poszczególne cylindry silnika. Jest to możliwe dzięki temu, że szerokopasmowy czujnik tlenu tak szybko mierzy wartości współczynnika lambda (λ) składu mieszanki, że można je przyporządkować do mieszanki zasilającej poszczególne cylindry. Ta możliwość jest jeszcze rzadko wykorzystywana przez producentów samochodów, ale ze względu na coraz niższe dopuszczalne emisje składników szkodliwych spalin w ciągu kilku lat stanie się standardem.
Szerokopasmowy czujnik tlenu jest stosowany również w układach wylotowych silników ZS (inne typy czujników tlenu nie były stosowane). Sygnał szerokopasmowego czujnika tlenu w układach sterowania silników ZS jest wykorzystywany do:
- dokładniejszej regulacji ilości recyrkulowanych spalin;
- obniżenia zadymienia spalin podczas pracy silnika ZS z dużym obciążeniem (umożliwia on określenie tzw. granicy dymienia dla silnika ZS w jego aktualnych warunkach pracy);
- korekcji wydatku wtryskiwaczy paliwa;
- usuwania (na drodze redukcji) tlenków azotu zatrzymanych w magazynująco-redukującym konwerterze katalitycznym;
- procedury czyszczenia filtra cząstek stałych.

Nazewnictwo szerokopasmowych czujników tlenu
W polskich publikacjach są one przeważnie nazywane szerokopasmową sondą lambda. Ja jednak zdecydowanie preferuję określenie „czujnik tlenu” zamiast „sonda lambda”, a to dlatego, że wszystkie tego typu czujniki mierzą zawartość tlenu w spalinach, a dopiero na jej podstawie określany jest skład spalonej w silniku mieszanki paliwowo-powietrznej.
Uważam, że prawidłowe jest umieszczenie w nazwie czujnika informacji, co mierzy bezpośrednio. W tym przypadku jest to tlen, dlatego określam go mianem czujnik zawartości tlenu zamiast sonda lambda. Dodatkowo może to być wskazane z tego powodu, że w układzie wylotowym już są lub niebawem będą stosowane czujniki zawartości tlenów azotu, węglowodorów i cząstek stałych.
W literaturze obcojęzycznej spotkamy następujące określenia lub skróty dotyczące szerokopasmowych czujników tlenu:
- Breitband Lambda Sonde – j. niem.,
- Lambda Sonde Universal (LSU) – j. niem.,
- Broadband Oxygen Sensor – j. ang.,
- Wide Band Oxygen Sensor – j. ang.,
- Uniwersal Oxygen Sensor – j. ang.,
- Heated Oxygen Sensor (HO2S) – j. ang. (to określenie może również oznaczać ogrzewany dwustanowy czujnik tlenu),
- Universal Exhaust Gas Oxygen Sensor (UEGO) – j. ang. (określenie stosowane przez firmę NGK/NTK).

Szerokopasmowe czujniki tlenu różnych producentów
Szerokopasmowe czujniki tlenu różnych producentów mają praktycznie taką samą zasadę pracy, ale różnią się:
- budową – wpływa to na ich diagnostykę, szczególnie tę wykonywaną oscyloskopem (dla zaawansowanych, pod warunkiem znajomości budowy szerokopasmowego czujnika tlenu danego producenta);
- charakterystyką, z której program sterownika i diagnosta (przy odczycie ze sterownika tzw. parametrów bieżących pracy silnika) dowiadują się o składzie spalonej mieszanki.

Ze względu na różnice konstrukcyjne między szerokopasmowymi czujnikami tlenu różnych producentów, które wynikają przykładowo z zastrzeżeń patentowych, każdy z nich jest zbudowany inaczej (różnią się np. ilością przewodów łączących je ze sterownikiem) i trochę w inny sposób należy je diagnozować (inne miejsca pomiaru, inne wartości mierzonych napięć). Dlatego zanim przystąpimy do bezpośredniej diagnostyki z wykorzystaniem multimetru lub oscyloskopu, konieczne jest posiadanie wiedzy o konkretnym szerokopasmowym czujniku tlenu.
Z tego też powodu, jeśli nie znamy konstrukcji i danych kontrolnych szerokopasmowego czujnika tlenu danego producenta, to zdecydowanie lepiej jego wstępną diagnostykę wykonać, odczytując parametry bieżące i kody usterek (jeśli są) ze sterownika silnika.
W tym cyklu artykułów zaprezentuję szerokopasmowy czujnik tlenu firmy Bosch, typu LSU4.x (x – oznaczenie różnych odmian tego czujnika).

mgr inż. Stefan Myszkowski