Wąskopasmowa sonda lambda
Sonda lambda jest miernikiem składu mieszanki działającym w sposób pośredni. Pomiar
stężenia tlenu w spalinach odbywa się przy pomocy ogniwa galwanoelektrycznego z
elektrolitem w stanie stałym tzw. ogniwa Nernst a. Jeżeli stężenie tlenu z obu stron sondy
jest różne to na elektrodach powstaje potencjał elektryczny (0...1 V). W przypadku silnika
wielocylindrowego, zmierzony wspólnym dla cylindrów czujnikiem współczynnik l� jest
wartością średnią dla cylindrów.
Schemat budowy sondy lambda (z lewej) oraz
dwa przykłady doprowadzenia spalin do elektrody (z prawej)
Elektroda stykająca się ze spalinami jest pokryta substancją katalityczną, dzięki temu w
otoczeniu elektrody powstaje równowaga stechiometryczna. Stężenie tlenu w pobliżu
elektrody odpowiada sytuacji, jaka miałaby miejsce w przypadku całkowitego i zupełnego
spalenia paliwa. Element pomiarowy sondy lambda ma kształt cylindra, zamkniętego z jednej
strony (rysunek powyżej). Wykonany jest on z dwutlenku cyrkonu (ZrO2) i stabilizowany
tlenkiem itru. Zewnętrzna powierzchnia elementu, stykająca się ze spalinami pokryta jest
porowatą warstwą platyny, stanowiącą katalizator spalin. Skład gazów spalinowych
odpowiada sytuacji spalania idealnego. Pod wpływem wysokiej temperatury porowata masa z
dwutlenku cyrkonu staje się przepuszczalna dla jonów tlenu i powstaje elektrolit stały.
Pomiędzy dwoma powierzchniami elementu cylindrycznego powstaje różnica
potencjałów Eproporcjonalna do logarytmu stosunku ciśnień parcjalnych tlenu w spalinach
p O2 i w powietrzu atmosferycznym p O2 :
gdzie R stała gazowa, T temperatura spalin, F stała Faradaya.
Ponieważ ciśnienie cząstkowe tlenu w powietrzu jest w zasadzie stałe, więc na
podstawie potencjału takiego ogniwa można określić zawartość tlenu w spalinach.
Na rysunku poniżej przedstawiono przykłady czujników tlenu (sond lambda).
Wygląd przykładowych realizacji czujników tlenu w spalinach
Aby czujnik działał prawidłowo jego temperatura musi przekraczać 300 �� C. Na
poniższym rysunku pokazano charakterystykę czujnika (poziom wskazywanego
napięcia w funkcji składu spalin) dla kilku temperatur czujnika T1>T2>T3 . Z
poniższego rysunku wynika, że wzrost temperatury sondy powoduje rozszerzenie
jego zakresu pomiarowego. Zależność zakresu pomiarowego czujnika tlenu od jego
temperatury pokazano również na następnym rysunku.
Zależność wskazań czujnika tlenu od składu spalin dla kilku temperatur
Zależność zakresu pomiarowego czujnika tlenu od jego temperatury
W celu przyspieszenia osiągania przez czujnik właściwej temperatury często stosuje się
elektryczne podgrzewanie elementów sondy. Schemat połączenia elektrycznego
podgrzewanej sondy lambda pokazuje poniższy rysunek. Temperatura czujnika wywiera
również duży wpływ na jego pozostałe parametry. Czujnik charakteryzuje się bezwładnością
wyrażaną przez czasy zmiany wskazań bogata uboga tbu i uboga bogata tub. Wartości
czasów tbu i tub zależą od temperatury czujnika.
Schemat połączenia elektrycznego podgrzewanej sondy lambda
Schemat odpowiedzi czujnika tlenu na skokowe zmiany składu mieszanki
Zależność czasów zwłoki wskazań sondy lambda od jej temperatury
Zależność ewentualnego przesunięcia wskazań sondy lambda
od jej temperatury
Podczas pracy silnika aktualna
charakterystyka sondy lambda
może ulec przesunięciu. Wielkość
przesunięcia zależy od temperatury
czujnika rysunek powyżej. Skład
mieszanki zmierzony za pomocą
sondy lambda odnosi się do
ładunku spalonego wcześniej.
Opóz
nienie chwili pomiaru w
stosunku do spalenia zależy od
prędkości obrotowej i wynosi
około 20 ms + 4p�/ w� rysunek
poniżej.
Przesunięcie czasowe wskazań czujnika w
stosunku do zmiany czasu otwarcia
wtryskiwacza dla dwóch prędkości
obrotowych