Diagnostyka

Wybrałem czujnik tej firmy, bo dostępnych jest o nim wiele informacji. Inni producenci upubliczniają je tylko pobieżnie. Opis budowy i zasady działania LSU4.x (w kolejnych artykułach tego cyklu) opracowałem samodzielnie na podstawie źródeł literaturowych.

Jego widok i przekrój przedstawiają rysunki 10 i 14. Element pomiarowy (1, rys. 10), którego budowę prezentuje rys. 11, jest wykonany w technice planarnej. Oznacza to, że wszystkie jego elementy są cienkimi płytkami, połączonymi w pakiet. W niektórych płytkach są wykonane kanały lub komory.
Szerokopasmowe czujniki tlenu typu LSU4.x cechują się:
- krótkim czasem, po którym od chwili włączenia silnika są gotowe do pracy (tzw. czas light-off), wynosi on nie więcej niż 5 sekund;
- krótkim czasem odpowiedzi – jest to czas mierzony od chwili, w której czujnik tlenu zaczynają opływać spaliny pochodzące ze spalenia mieszanki o nowym, zmienionym składzie, do chwili, w której o tym nowym składzie czujnik zaczyna informować;
- dużą odpornością na zmiany temperatur i jej wysokie wartości – maksymalna temperatura spalin do 1030°C;
- trwałością – odpowiada przebiegowi pojazdu wynoszącemu ok. 240 000 km.

Poznajmy go bardziej szczegółowo.

Element pomiarowy szerokopasmowego czujnika tlenu typu LSU4.x firmy Bosch
Podstawowym elementem tego czujnika tlenu jest tzw. element pomiarowy (1, rys. 10), pokazany w przekroju na rys. 11 – element A. Opływa go strumień spalin (1, rys. 11), płynący przez układ wylotowy silnika. Spaliny wpływają kanałem (2) przez barierę dyfuzyjną (3) do przestrzeni dyfuzyjnej (9). Zadaniem bariery dyfuzyjnej (3) jest hamowanie dyfuzji (przenikania) składników spalin pomiędzy spalinami w kanale (2) a spalinami w przestrzeni dyfuzyjnej (9). Można powiedzieć, że spowalnia ona wyrównywanie się stężeń składników w spalinach po obu stronach bariery dyfuzyjnej (3), jeśli takie wystąpią. Aby uwidocznić skalę wielkości elementu pomiarowego szerokopasmowego czujnika tlenu, podam, że wysokość przestrzeni dyfuzyjnej wynosi od 0,01 do 0,05 mm.
Tlen może być wypompowywany lub wpompowywany, odpowiednio z lub do przestrzeni dyfuzyjnej (9). To zadanie tzw. amperometrycznego ogniwa pompującego, nazywanego w uproszczeniu pompą tlenu. Składa się ona z elektrody zewnętrznej (6), elektrody wewnętrznej (8) i materiału ceramicznego (7, dwutlenek cyrkonu – ZrO2), który w temperaturze kilkuset stopni Celsjusza pod wpływem przepływu prądu ma zdolność do przenoszenia (pompowania) tlenu (ściślej – jonów tlenu). To, czy tlen jest wypompowywany lub wpompowywany, odpowiednio z lub do przestrzeni dyfuzyjnej, zależy od kierunku przepływu prądu IP, który płynie w obwodzie pompy tlenu.
Jeśli elektroda zewnętrzna (6) ma potencjał dodatni (+), czyli jest anodą, a elektroda wewnętrzna ma względem niej potencjał ujemny (-), czyli jest katodą, to:
- prąd IP ma umowny kierunek dodatni;
- tlen jest pompowany w kierunku od elektrody wewnętrznej (8; katody) do elektrody zewnętrznej (anody), czyli tlen jest wypompowywany z przestrzeni dyfuzyjnej (9).
Jeśli elektroda zewnętrzna (6) ma potencjał ujemny (-), czyli jest katodą, a elektroda wewnętrzna ma względem niej potencjał dodatni (+), czyli jest anodą, to:
- prąd IP ma umowny kierunek ujemny;
- tlen jest pompowany w kierunku od elektrody zewnętrznej (8; katody) do elektrody wewnętrznej (anody), czyli jest wpompowywany do przestrzeni dyfuzyjnej (9).

Przy obu kierunkach przepływu prądu IP ilość pompowanego tlenu zależy od jego natężenia.
W sąsiedztwie elektrody zewnętrznej (8) znajduje się warstwa katalityczna (5). Jej zadaniem jest uzyskiwanie tlenu z wywołanego przez tę warstwę rozkładu dwutlenku węgla (CO2) i pary wodnej (H2O). Ten dodatkowy tlen jest potrzebny wówczas, gdy przez układ wylotowy silnika płyną spaliny pochodzące ze spalenia mieszanki bogatej, które zawierają mało tlenu, jednocześnie pompa tlenu potrzebuje tlen, by tłoczyć go ze spalin (1) do przestrzeni dyfuzyjnej (9). Dlaczego? Wyjaśni to opis pracy tego czujnika tlenu (w częściach 5 i 6 artykułu).
Aby delikatny element pomiarowy nie został uszkodzony przez cząstki stałe, np. cząstki nagaru lub rdzy z układu wylotowego silnika, jest on chroniony przez podwójną rurkę osłonową (2) – rys. 10 lub „widok A” na rys. 14. Obie rurki tworzą labirynt, przez który przepływają spaliny. Niesione w nich cząstki stałe lub kropelki wody są zatrzymywane lub znacznie maleje ich prędkość, co ogranicza niebezpieczeństwo uszkodzenia elementu pomiarowego.
W szerokopasmowym czujniku tlenu LSU4.9 element pomiarowy chronią trzy rurki ochronne – rys. 12. Ich zadaniem jest zapewnienie szczególnej ochrony przed kroplami wody, które powstają w układzie wylotowym silnika w fazie jego nagrzewania. Wówczas nagrzewa się również element pomiarowy. Krople wody, wytrącone z pary wodnej zawartej w spalinach silnika, na zimnych jeszcze ściankach układu wylotowego mogą uszkodzić element pomiarowy wskutek szoku termicznego.
Aby zanieczyszczenia ze spalin nie zakłócały pracy pompy tlenu, np. małe cząstki nagaru, spaliny dopływające od strony elektrody zewnętrznej (6) do pompy tlenu, przepływają przez porowatą, ceramiczną warstwę ochronną (4).
Drugim podzespołem elementu pomiarowego jest tzw. potencjometryczne ogniwo Nernsta. Składa się ono z elektrody ujemnej (10; rys. 11), ceramiki ogniwa Nernsta (11; ZrO2), elektrody dodatniej (12) oraz kanału powietrza odniesienia (13). Na powierzchni elektrody ujemnej (10) następuje przywracanie równowagi termodynamicznej spalinom – patrz cz. 2 tego cyklu. Powietrze w kanale powietrza odniesienia jest powietrzem atmosferycznym o praktycznie stałej zawartości tlenu. Dopływa przez osłonę przewodów połączeniowych czujnika tlenu, a pobierane jest bezpośrednio przy wtyczce. To rozwiązanie ogranicza możliwość przedostania się zanieczyszczeń gazowych do kanału powietrza odniesienia (13), np. spalin samochodowych, wydostających się z nieszczelnego układu wylotowego silnika.
Potencjometryczne ogniwo Nernsta to dobrze znany dwustanowy napięciowy czujnik tlenu. Jeśli w temperaturze kilkuset stopni Celsjusza wystąpi różnica pomiędzy stężeniem tlenu w przestrzeni dyfuzyjnej (9) a stałym stężeniem tlenu w kanale powietrza odniesienia (13), to pomiędzy elektrodami (10 i 12) występuje różnica napięć UN, tzw. napięcie ogniwa Nernsta, którego wartość zależy od stężenia tlenu w przestrzeni dyfuzyjnej. Ponieważ zawartość tlenu w spalinach wypełniających przestrzeń dyfuzyjną (9) zależy od składu mieszanki, ze spalenia której spaliny powstały, to wartość napięcia ogniwa Nernsta UN zależy od składu spalonej mieszanki, charakteryzowanego współczynnikiem lambda (λ) składu mieszanki. Tę zależność przedstawia charakterystyka na rys. 13. Widzimy, że jest to znana charakterystyka dwustanowego napięciowego czujnika tlenu.
Aby na podstawie wartości napięcia ogniwa Nernsta (UN) określić skład spalonej mieszanki, z której pochodzą spaliny, w układzie interpretującym sygnał ogniwa Nernsta jest określona wartość tzw. napięcia odniesienia (UO). Wartość napięcia odniesienia (UO) = 0,45 V jest to wartość napięcia ogniwa Nernsta (UN) generowana przez to ogniwo wówczas, gdy w przestrzeni dyfuzyjnej (9) znajdują się spaliny pochodzące ze spalenia mieszanki o składzie stechiometrycznym (λ = 1) – patrz rys. 13. Jeśli wartość napięcia ogniwa Nernsta (UN) jest większa od wartości UO (UN > 0,45 V), to znaczy, że w przestrzeni dyfuzyjnej (9) znajdują się spaliny pochodzące ze spalenia mieszanki bogatej (λ < 1). Jeśli wartość napięcia ogniwa Nernsta jest mniejsza od wartości napięcia odniesienia (UN < 0,45 V), to znaczy, że w przestrzeni dyfuzyjnej (9) znajdują się spaliny pochodzące ze spalenia mieszanki ubogiej (λ > 1).
Proszę zauważyć, że do przestrzeni dyfuzyjnej (9) przez barierę dyfuzyjną (3) wpływają kanałem (2) spaliny (1) o określonej zawartości tlenu, ale zawartość tlenu w przestrzeni dyfuzyjnej (9) może być zmieniana przez wypompowanie z niej części tlenu lub wpompowanie do niej określonej ilości tlenu z pomocą pompy tlenu. Ta możliwość jest podstawą zasady działania szerokopasmowego czujnika tlenu – przedstawię ją w artykułach 5 i 6 tego cyklu.
Trzecim podzespołem elementu pomiarowego jest grzałka (14). Aby pompa tlenu i ogniwo Nernsta mogły pracować, a dokładność szerokopasmowego czujnika tlenu mieściła się w wymaganym zakresie, temperatura elementu pomiarowego, niezależnie od warunków pracy silnika, musi mieścić się w zakresie od 650 do 900°C. To zadanie układu regulacji temperatury elementu pomiarowego (17, element C rys. 11). Stara się on utrzymać wzorcową (wymaganą) wartość temperatury wynoszącą 780°C.

Wtyczka szerokopasmowego czujnika tlenu typu LSU4.x firmy Bosch
We wtyczce tego czujnika tlenu, która łączy go za pośrednictwem przewodów połączeniowych ze sterownikiem silnika (B, rys.11), zamontowany jest tzw. rezystor kalibracyjny. Konieczność jego zastosowania wynika z faktu, że szerokopasmowe czujniki tlenu po produkcji mają za duży rozrzut charakterystyk. Aby uzyskać pożądaną charakterystykę, są indywidualnie kalibrowane, przez dobór wartości oporu elektrycznego rezystora kalibracyjnego RK, z zakresu od 30 do 300 Ω.
Cechą, po której można rozpoznać, że jest to szerokopasmowy czujnik tlenu typu LSU4.x, jest liczba przewodów połączeniowych pomiędzy (B, rys. 11):
- złączem czujnika tlenu a czujnikiem tlenu zamontowanym w układzie wylotowym silnika – 5 przewodów;
- złączem czujnika tlenu a sterownikiem silnika – 6 przewodów.

Moduł sterujący szerokopasmowego czujnika tlenu typu LSU4.x firmy Bosch
Praca szerokopasmowego czujnika tlenu nie jest możliwa bez współpracy z modułem sterującym, np. CJ125 (rys. 15). Jest on montowany w sterowniku silnika (C, rys. 11). Mogą być też stosowane moduły oznaczone symbolami: AWS, LA4, CJ110 lub CJ120. Poznajmy trzy podstawowe układy modułu sterującego szerokopasmowego czujnika tlenu.
Układ 15 (C, rys. 11) ma dwa zadania:
- pomiar natężenia prądu zasilającego pompę tlenu;
- formowanie sygnału wyjściowego (UL) szerokopasmowego czujnika tlenu.

Proszę zauważyć, że w obwodzie zasilania pompy tlenu są dwa obwody w układzie równoległym:
- w pierwszym obwodzie jest zamontowany rezystor kalibracyjny (RK) – płynie w nim prąd o natężeniu IPK;
- w drugim obwodzie jest zamontowany rezystor pomiarowy (RP), o oporności 61,9 Ω – płynie w nim prąd o natężeniu IPM.

Wartość natężenia prądu( IP), który zasila pompę tlenu, jest sumą natężeń prądów IPK i IPM. Informacją o kierunku tłoczenia tlenu przez pompę tlenu i miarą ilości tłoczonego tlenu są odpowiednio: kierunek przepływu prądu IPM i jego natężenie. Obie informacje uzyskuje układ 15 (rys. 11), przez pomiar spadku napięcia  UIPM na rezystorze pomiarowym RP.
Drugie zadanie układu 15, czyli formowanie sygnału wyjściowego UL szerokopasmowego czujnika tlenu, polega na generowaniu określonej wartości napięcia, która odpowiada zmierzonej wartości współczynnika lambda składu mieszanki. Zależność wartości napięcia UL od wartości współczynnika lambda składu mieszanki określa charakterystykę przyjętą dla danego typu układu sterującego szerokopasmowego czujnika tlenu. Na jej podstawie program sterujący pracą silnika interpretuje wartość napięcia UL, aby dowiedzieć się o zmierzonej wartości współczynnika lambda.
Kolejny układ 16 (C, rys. 11) ma również dwa zadania:
- interpretacja wartości napięcia (UN) ogniwa Nernsta;
- regulacja kierunku i wartości prądu IP w obwodzie zasilania pompy tlenu.

Do interpretacji wartości napięcia ogniwa Nernsta konieczne jest napięcie odniesienia (UO) o wartości 0,45 V (pisałem o tym w poprzednim artykule cyklu). Jest ono generowane przez źródło napięcia o takim potencjale.
Aby możliwa była regulacja kierunku i wartości natężenia prądu IP, potencjał masy ogniwa Nernsta w stosunku do potencjału masy akumulatora jest zwiększony o wartość tzw. wirtualnej masy UWM = 2,5 V. Diagnozując szerokopasmowy czujnik tlenu LSU4.9, należy zwrócić uwagę, że:
- zakres wartości napięcia ogniwa Nernsta (UN) mierzony pomiędzy stykami S1 i S5 złącza wynosi od ok. 0,1 do 0,8 V (tak jak na charakterystyce na rys. 13);
- zakres wartości napięcia ogniwa Nernsta (UN) mierzony pomiędzy stykiem S1 złącza a masą akumulatora wynosi od ok. 2,6 do 3,3 V – jest on przesunięty o wartość napięcia wirtualnej masy (UWM).

Ostatni układ, oznaczony numerem 17 (C, rys. 11), to układ regulacji temperatury elementu pomiarowego (A, rys. 11). Jej pomiar następuje przez pomiar rezystancji ceramiki specjalnej (11) ogniwa Nernsta. Przykładowo przy wzorcowej temperaturze 780°C rezystancja ta wynosi 300 Ω.
Grzałka ma stałe zasilanie „plus” napięciem o wartości napięcia akumulatora (UAK). Z masą jest łączona w sposób impulsowy na polecenie pochodzące z układu 17 za pośrednictwem tranzystora mocy. Jeśli trzeba zwiększyć temperaturę elementu pomiarowego (A, rys. 11), czyli zwiększyć moc grzałki, zwiększany jest czas włączenia grzałki w porównaniu do czasu jej wyłączenia. Aby obniżyć temperaturę elementu pomiarowego, postępujemy odwrotnie. Jest to regulacja temperatury z wykorzystaniem sygnału o tzw. zmiennym współczynniku wypełnienia impulsu.

mgr inż. Stefan Myszkowski