Szerokopasmowa sonda lambda

Przekrój szerokopasmowej sondy lambda firmy Mazda

Na powyższym rysunku przedstawiono schemat szerokopasmowej sondy lambda. Ogniwo o elektrolicie stałym ma kształt cylindra, zamkniętego z jednej strony. Na obie strony cylindra naniesione są porowate elektrody, zewnętrzna styka się z gazami wylotowymi, wewnętrzna z powietrzem atmosferycznym. Elektrodę zewnętrzną wykonano z materiału o właściwościach półkatalitycznych oraz tlenku metalu, który utlenia HC na CO i jest rozkładany w pobliżu punktu trójfazowego (gdzie stykają się elektrolit stały, materiał półkatalityczny i gazy spalinowe).

Nawet spalanie mieszanki bogatej (wskutek niepełnego spalania) pozostawia pewną zawartość tlenu w spalinach. W przypadku mieszanki stechiometrycznej objętościowy udział tlenu wynosi około 1%. Pozostały po procesie roboczym tlen oraz niespalone węglowodory i tlenek węgla szybko reagują w obecności katalizatora, którym pokryta jest jedna z elektrod sondy. Jeżeli aktywność katalizatora będzie niewielka, część tlenu w otoczeniu elektrody nie zostanie przereagowana. Wartość ciśnienia cząstkowego tlenu w gazach spalinowych będzie odpowiadała sytuacji spalenia całkowitego i zupełnego mieszanki uboższej niż w rzeczywistości. Przy niewielkiej aktywności katalizatora, ciśnienie cząstkowe tlenu stopniowo zmienia się w funkcji składu mieszanki, duża aktywność katalizatora powoduje, że ciśnienie gazu zmienia się skokowo w punkcie stechiometrycznym.

Siła elektromotoryczna jest funkcją różnicy ciśnień cząstkowych CO i O ₂ w punkcie trójfazowym. W zakresie mieszanek ubogich ciśnienie cząstkowe CO silnie zależy od właściwości katalitycznych użytego katalizatora, natomiast ciśnienie O₂ zmienia się w nieznacznych granicach. Siła elektromotoryczna wzrasta wraz ze wzrostem ciśnienia cząstkowego CO. Tlenek metalu działa jako katalizator, który utlenia HC wytwarzając CO sam będąc redukowanym. W przypadku użycia SnO₂ związek ten zredukowany jest do SnO. Następnie SnO utleniany jest przez tlen zawarty w gazach spalinowych i powstaje ponownie SnO₂ . Reakcje te powtarzają się, pobierając O₂ i produkując CO. Obniżenie ciśnienia cząstkowego O₂ w punkcie trójfazowym powoduje, że siła elektromotoryczna ma łagodny przebieg przy przejściu pomiędzy mieszanką ubogą i bogatą.

Dla prawidłowego działania opisanej tu szerokopasmowej sondy istotny jest odpowiedni dobór materiałów elektrody zewnętrznej i tlenku metalu. Tlenek metalu musi charakteryzować się dostatecznie silnymi właściwościami utleniającymi HC na CO w porównaniu z katalitycznymi właściwościami materiału elektrody zewnętrznej. Na przykład, jeżeli elektroda zewnętrzna byłaby wykonana z materiału zawierającego platynę, jako tlenku metalu należałoby użyć: SnO₂, In2O₃, NiO lub CuO.

Rozwiązaniem zwiększającym zakres pomiarowy czujnika stężenia tlenu jest dodanie do ogniwa Nernsta (ogniwa pomiarowego) elektronicznego elementu regulującego dopływ jonów tlenu do ogniwa pomiarowego. Schemat rozwiązania przedstawiono na rysunku poniżej. Elektroda referencyjna ogniwa Nernsta omywana jest powietrzem atmosferycznym. Składniki gazów spalinowych dyfundują przez barierę dyfuzyjną, gdzie są sprowadzane do równowagi termodynamicznej. Przyłożenie napięcia do elektrolitu wykonanego z dwutlenku cyrkonu powoduje wymuszenie przepływu jonów tlenu od katody do anody. Nazywane jest to pompowaniem jonów zaś układ elektroniczny pompą tlenu. Prąd płynący przez “pompę” jest proporcjonalny do różnicy koncentracji tlenu po jej obu stronach. Zadaniem elektronicznego układu sterującego jest takie terowanie prądem “pompy”, aby skład spalin w przestrzeni dyfuzyjnej odpowiadał stechiometrycznej mieszaninie paliwowo–powietrznej.

 

Schematy szerokopasmowej sondy lambda, przebiegu stężenia tlenu 
w warstwie dyfuzyjnej i charakterystyki prądowo–napięciowej

Zwiększenie przyłożonego napięcia zwiększa przepływający przez ogniwo prąd jedynie do pewnej wartości, ograniczonej liczbą (stężeniem) jonów tlenu. Przebieg zmian natężenia prądu w funkcji przyłożonego napięcia dla kilku stężeń tlenu przedstawia poniższy rysunek.

 

Charakterystyka natężenia prądu w funkcji przyłożonego napięcia dla kilku stężeń tlenu 
oraz charakterystyka wartości maksymalnych natężenia prądu w funkcji stężenia tlenu

Maksymalną wartość prądu płynącego przez ogniwo można wyznaczyć teoretycznie, bazując na pierwszym prawie dyfuzji i prawie Faradaya:

gdzie I – natężenie graniczne, F – stała Faradaya, D – współczynnik dyfuzji tlenu w danej temperaturze, S – pole powierzchni bariery dyfuzyjnej, C(0) – początkowe stężenie tlenu w gazie otaczającym, L – grubość bariery dyfuzyjnej.

Przedstawiona na poniższym rysunku szerokopasmowa sonda lambda LSU 4 firmy BOSCH jest planarnym, dwuogniwowym czujnikiem o prądowym sygnale wyjściowym. “Pompa” tlenu oraz ogniwo stężeniowe Nernsta są tak usytuowane, że istnieje między nimi przestrzeń dyfuzyjna o szerokości 10 ÷ 15 µ m, w której znajdują się dwie porowate elektrody platynowe. Skład spalin w przestrzeni dyfuzyjnej odpowiada stechiometrycznej mieszaninie paliwowo-powietrznej po przyłożeniu napięcia o wartości około 0,45 V. Dodatkową funkcją elektronicznego modułu sterującego pracą sondy jest stabilizacja temperatury czujnika. Sonda jest zintegrowana z uzwojeniem grzejnym, którego prąd jest regulowany dla utrzymania stałej temperatury. Napięcie to stanowi dla układu sterującego sygnał sprzężenia zwrotnego.

 

Schemat budowy sondy lambda LSU 4

  

Przekrój sondy lambda LSU 4 firmy Bosch

Czujnik tlenu firmy Bosch (rysunek powyżej) zdolny jest do pomiaru współczynnika składu mieszanki odbiegającego w szerokim zakresie od stechiometrycznego – zakres pomiarowy sondy lambda LSU 4 pokrywa zakres współczynników składu mieszanki stosowanych we współczesnych silnikach spalinowych (0,7 < λ < 2,5). Charakterystyka prądu “pompy” w funkcji współczynnika nadmiaru powietrza na tle charakterystyki czujnika firmy Mazda została przedstawiona na poniższym rysunku.

  

Charakterystyki pomiarowe dwóch szerokopasmowych sond lambda