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 λ 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 t_bu i uboga–bogata t_ub. Wartości czasów t_bu i t_ub 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. Opóźnienie chwili pomiaru w stosunku do spalenia zależy od prędkości obrotowej i wynosi około 20 ms + 4π/ ω – rysunek poniżej.

Przesunięcie czasowe wskazań czujnika w stosunku do zmiany czasu otwarcia 
wtryskiwacza dla dwóch prędkości obrotowych