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 m� 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 <� �l� �<� 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