6. Sonda lambda
Samochodowa sonda lambda
Sonda lambda - czujnik mierzący zawartość tlenu w spalinach, umieszczony w układzie wydechowym benzynowego silnika spalinowego. Pozwala to na precyzyjne dozowanie składu mieszanki paliwowo-powietrznej.
Sondy są wykorzystywane w silnikach benzynowych od 1979 roku, coraz większa ilość samochodów ma więcej niż jedną Sondę Lambda, umieszczane są one przed i za katalizatorem. Od roku 1992 aby sprostać wymogom prawnym dotyczącym ograniczenia emisji spalin sondy stały się standardowym elementem samochodów.
Na świecie jest 4 głównych producentów Sond Lambda:
Sonda lambda montowana w układzie wydechowym pojazdu ma za zadanie mierzyć poziom tlenu w spalinach, który odzwierciedla efektywność spalania mieszanki paliwowej w cylindrach. Sygnał z sondy lambda trafia następnie do sterownika silnika, który na tej podstawie reguluje skład mieszanki. Warunkiem poprawnej pracy sondy jest rozgrzanie jej do odpowiedniej temperatury.
Szczegółowa budowa i zasada działania
Działanie sondy lambda opiera sie na prawie sformułowanym przez Prof. Walthera Nernsta (równanie Nernsta). Sonda lambda czyli ogniwo galwaniczne zbudowane z materiału ceramicznego - dwutlenku cyrkonu, na którym napylone są po obu jego stronach cienkie warstwy platyny zostało opracowane pod koniec lat 60 XX wieku w Robert Bosch GmbH przez Dr Güntera Baumana. Sondę umieszcza się w układzie wydechowym, tak, że jedna strona urządzenia styka się z gorącymi gazami spalinowymi, osiągającymi w tym miejscu ok. 300 °C, a druga strona styka się z zimnym powietrzem z otoczenia.
Spiek ceramiczny dwutlenku cyrkonu w temperaturze powyżej 300°C staje się swoistym elektrolitem zdolnym do przewodnictwa jonowego. W celu utrzymania odpowiedniej temperatury, niektóre sondy mają grzałkę. Warstwy platyny na jego powierzchni pełnią rolę elektrod, przy czym ich potencjał elektryczny jest funkcją stężenia tlenu w gazach, z którymi się stykają. Przy dużej różnicy stężenia tlenu po obu stronach ogniwa generuje ono siłę elektromotoryczną dochodzącą do 1 V.
Napięcie generowane przez ogniwo jest przekazywane do modułu sterującego składem mieszanki paliwowo-powietrznej w silniku. Moduł ten dostosowuje na bieżąco skład mieszanki, tak aby w określonych warunkach obciążenia silnika, rodzaju paliwa i warunków atmosferycznych zapewnić jak najdoskonalszą pracę silnika i zmniejszyć do minimum emisję tlenku węgla.
Nazewnictwo
Sonda wzięła swoją nazwę od litery lambda (λ), której używa się do oznaczania stosunku powietrza do paliwa w mieszance. Mieszanka jest idealna (stechiometryczna) jeśli w mieszance jest dokładnie tyle powietrza, ile potrzeba do całkowitego spalenia danej ilości paliwa. Przykładowo, dla benzyny stosunek ten wynosi około 14.7(masa powietrza) : 1(masa paliwa).
Sonda lambda - niezbędny detal
Sonda lambda jest elementem układu wydechowego wyposażonego w katalizator, badającym zawartość tlenu w spalinach. Dzięki niej możliwe jest prawidłowe dawkowania paliwa w celu zmniejszenia szkodliwych spalin znajdujących się w spalinach.
Współczynnik nadmiaru powietrza lambda
Współczynnik nadmiaru powietrza lambda określa stosunek masy powietrza w jakiej spalane jest paliwo, do ilości masy powietrza jaka potrzebna jest co całkowitego spalenia paliwa (mieszanka stechiometryczna). Dla osiągnięcia prawidłowego spalania na 1 kg spalanego paliwa przypada 14,7 kg powietrza. Spalanie to nazywamy spalaniem mieszanki stechiometrycznej przy λ=1. Jeżeli λ>1 mówimy ze występuje spalanie mieszanki ubogiej znaczy to, na 1 kg spalanego paliwa przypada więcej niż 14,7 kg spalanego paliwa. Jeżeli natomiast λ<1 to mówimy wówczas, że występuje spalanie mieszanki bogatej czyli, że na 1 kg paliwa przypada mniej niż 14,7 kg powietrza. W praktyce dla uzyskania mieszanki stechiometrycznej przyjęto λ=0,97 - 1.03.
W celu zapewnienia prawidłowego procesu przebiegu spalania konieczne jest ciągłe badanie składu mieszanki jaka dostarczana jest do komory spalania. Badania te umożliwia sonda lambda, która wskazuje współczynnik nadmiaru powietrza. Na podstawie otrzymanego wyniku dawkowana jest odpowiednia ilość paliwa ustalona przez mikroprocesor.
Budowa i zasada działania
Sonda lambda zbudowana jest jako elektroniczne ogniwo, którego wielkość napięcia w przedziale od 0 do 1V zależy od zawartości tlenu w spalinach. Zbudowana jest ona z dwóch płytek wykonanych z platyny. Pomiędzy płytkami znajduje się warstwa dwutlenku cyrkonu, który w obecności tlenu staje się elektrolitem, przez co na powierzchni płytek pojawiają jony tlenu o ładunku ujemnym. W czujniku tym jedna strona styka się z powietrzem atmosferycznym natomiast druga strona ma bezpośredni kontakt z gorącymi spalinami. W wyniku różnej zawartości tlenu występujących w badanych środowiskach na skutek różnicy potencjału wytwarzane jest napięcie na podstawie którego określana jest wielkość dawki paliwa.
Prawidłowe działanie sondy lambda możliwe jest dopiero po osiągnięciu przez nią temperatury 300 stopni C. W celu szybszego osiągnięcia przez sondę odpowiedniej temperatury umożliwiającej jej prace, zarazem wydłużającym jej żywotność stosuje się sondy z elementem grzejnym. Górną granicą pracy sondy jest temperatura ok. 800 stopni C.
Eksploatacja sondy lambda
W czasie eksploatacji pojazdu sonda lambda nie wymaga obsługi gdyż wysoka temperatura w jakiej się znajduje powoduje wypalanie zanieczyszczeń, które osadziły się na niej podczas pracy. Niektórzy producenci zlecają jednak kontrole co 30 tyś km w celu zdiagnozowania stanu sondy, gdyż niesprawna lub całkowicie uszkodzona sonda lambda może być przyczyną uszkodzenia silnika lub katalizatora. Przez uszkodzenie sondy lambda znacząco wzrasta zużycie paliwa (nawet o 15%), jak również spada moc silnika.
Po zauważeniu nieprawidłowości działania sondy konieczna jest jej naprawa, która w większości przypadków polega na jej oczyszczeniu lub wymianie sondy na nową. Znacząco na żywotność sondy wpływa złej jakości paliwo zawierające ołów, jak również cząstki oleju lub wody, które przedostały się z silnika do układu wydechowego.
