Mechatronika samochodowa i lotnicza

Sprawozdania z zajęć laboratoryjnych: sondy lambda

Mechatronika

Grupa1:

Adam Zieliński

Piotr Kubuśka

Dariusz Zeman

Budowa i zasada działania

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 Nersta. 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.

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.

Schemat połączenia elektrycznego podgrzewanej sondy lambda

Nowa sonda lambda wykonuje w ciągu 10 sekund więcej niż 5 cykli zmian napięcia.

Ponadto sonda przesyła sygnał do ewentualnej zmiany (która następuje w ciągu 50 ms) czasu

trwania wtrysku (dawki paliwa). Sonda lambda zaczyna wytwarza_ napięcie, gdy osiąga

temperatur_ pracy około 300 (°C) i w najnowszych rozwiązaniach układów wylotowych w

celu skrócenia do kilku sekund czasu oczekiwania na prac_ sondy w jej korpusie umieszcza

się grzałką.

Podgrzewana sonda lambda: 1 - obudowa, 2 - element ceramiczny, 3 - przewody

zasilające, osłona ze szczelinami, 5 - rdze_ z dwutlenku cyrkonu, 6 - złącze kontaktowe, 7 -

zewnętrzna obudowa, 8 - element ogrzewający, 9 - zacisk

Dzięki temu zaczyna się ona pracować już po 20, 30 sekundach po uruchomieniu
pojazdu. Najwyższą wydajność sonda osiąga w temperaturach około 500, 600 (°C) i jest
wytrzymała na temperatury nawet 900, 950 (°C). Sonda w czasie eksploatacji pojazdu nie
wymaga żadnej obsługi. Jednak w miarę użytkowania osadzają się na niej różne zanieczyszczenia zakłócające jej pracę. Wysoka temperatura działa na sondę samoczyszcząco. Im wyższa temperatura, tym proces ten jest bardziej efektywny i przykładowo przy 600 (°C) wymaga 4 godzin, ale już 800 (°C) tylko 10 minut.

Typowymi objawami uszkodzonej sondy lambda są:

- zwiększone zużycie paliwa (nawet do 15 1/100 km),

- samoistne osady na rurze wydechowej,

- czarny dym wydzielający się z rury wydechowej,

- nierównomierna praca silnika,

- zwiększona ilość CO i HC w spalinach podczas sprawdzania spalin na analizatorze spalin.

Diagnostyka

Po zauważeniu któregoś z tych objawów należy niezwłocznie poddać silnik
diagnostyce. Dłuższa praca silnika z uszkodzoną sondą, oprócz większego zużycia paliwa,
może doprowadzić do zniszczenia katalizatora. W czasie diagnozowania silnika należy
zawsze pamiętać o tym, że spaliny są produktem spalania mieszanki paliwowo-powietrznej, a
skład tej mieszanki może być poprawnie oceniany na podstawie zawartości tlenu w spalinach
tylko wtedy, gdy proces spalania w każdym z cylindrów będzie przebiegał prawidłowo.

Jakość procesu spalania zależy od wielu czynników. Najważniejsze z nich to:

- jakość mieszanki paliwowo-powietrznej (określana przez następujące parametry:
współczynnik składu mieszanki, homogeniczność, jednorodność),

- warunki zapłonu mieszanki (energia iskry, kąt wyprzedzenia zapłonu itd.),

- ciśnienie sprężania w cylindrze.

---