Patryk Konarski - Sonda lambda - budowa, zasada działania, właściwości i zastosowanie.docx

Sonda lambda - budowa, zasada działania, właściwości i zastosowanie.

1. Wprowadzenie i współczynnik lambda.

Sonda lambda jest to 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.

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).

Na świecie jest 4 głównych producentów sond lambda:

·         NGK

·         Bosch

·         Denso

·         Delphi

Tak się niestety składa, że najmniejsze stężenie substancji toksycznych w spalinach można osiągać w ściśle określonym, wąskim przedziale warunków spalania. Tzn. że tylko w określonych warunkach pracy silnik emituje małą ilość trujących związków.

Najważniejsze z nich to:

·         węglowodory HC

·         tlenki azotu NOX

·         tlenek węgla CO

Specyfika procesu spalania jest taka, że w warunkach przy których emisja tlenków azotu jest niska to emisja CO i HC jest wysoka. I odwrotnie. W warunkach pracy przy których emisja CO i HC jest niska to emisja NOX jest wysoka. Istnieje jednak wąski obszar pracy w którym emisja wszystkich wspomnianych związków trujących jest względnie mała. Obszar ten wyznacza nam współczynnik nadmiaru powietrza lambda. Lambda wynosi jeden jeżeli na 1 kg spalanego paliwa przypada 14,7 kg powietrza. Spalanie takie nazywamy spalaniem mieszanki stechiometrycznej.

Jeżeli na 1 kg spalanego paliwa przypada więcej niż 14,7 kg powietrza to mamy do czynienia ze spalaniem mieszanki ubogiej. Jeżeli z kolei na 1 kg spalanego paliwa przypada mniej niż 14,7 kg powietrza to mamy do czynienia z mieszanką bogatą. Optymalna, niską emisję związków toksycznych uzyskuje się dla lambda =1 ± 1% (od 0,97 do 1,03)

Powyższe podsumowuje tabela oraz wykres.

Widzimy zatem, że najkorzystniejsze jest utrzymanie spalania jak najbliższego spalaniu stechiometrycznemu. Wymusza to ciągłą regulację składu mieszanki jaka jest doprowadzana do cylindrów. Regulacja ta jest możliwa właśnie dzięki sondzie lambda. Sonda ta jest inaczej nazywana czujnikiem tlenu, bada bowiem zawartość tlenu w spalinach określając w ten sposób współczynnik nadmiaru powietrza - lambda. Określa czy mieszanka jest właściwa, czy jest zbyt uboga lub zbyt bogata. W zależności od wyniku obserwacji przekazuje do układu sterowania sygnał jak skorygować skład mieszanki.

2. Budowa i zasada działania sondy lambda.

Sonda lambda umieszczana jest w przewodzie wylotowym, między silnikiem a katalizatorem. Dokładnie to część pomiarowa sondy jest umieszczona wewnątrz przewodu wydechowego poprzez wkręcenie. Ma ona bezpośredni kontakt ze strumieniem opływających ją spalin. Część odniesienia ma kontakt z otaczającym powietrzem gdyż to właśnie otaczające powietrze jest gazem odniesienia. Z zewnątrz sonda lambda wygląda podobnie do świecy zapłonowej. Prawidłowe działanie sondy jest zapewnione dopiero po przekroczeniu temperatury 300°C . Dopiero wtedy materiał ceramiczny z którego jest wykonana część pomiarowa sondy staje się przepuszczalny dla jonów tlenu zawartych w spalinach. Dlatego też ważne jest jak szybko nagrzewa się sonda spalin. Aby ten czas skrócić często stosuje się sondy ze specjalnym elementem grzejnym. Należy jednak pamiętać, że górną granicą "wytrzymałości" sondy jest temperatura w pobliżu 800°C.

Zasadę działania najlepiej wyjaśnić na rysunku.

1 - strumień spalin, 2 - ścianka rury wydechowej, 3 - wkład ceramiczny, 4 - napięcie sondy (zależne od wielkości lambda), 5 – styki, 6 – elektrody, 7 - warstwa ochronna

Spaliny (1) których kierunek przepływu zaznaczono na rysunku strzałkami opływają część pomiarową sondy wkręconą w przewód wylotowy (2). Przed uszkodzeniem termicznym sondę chroni warstwa ochronna (7). Wkład ceramiczny sondy (3) otoczony jest platynowymi elektrodami (6) zakończonymi stykami (5). Po uzyskaniu wspomnianej wcześniej temperatury pracy sondy, przepływające jony tlenu powodują powstanie napięcia (4) między elektrodami. Wielkość napięcia zależy od ilości tlenu w spalinach. Znając zatem wartość napięcia wiemy jaka mieszanka jest spalana. Zależność napięcia od zawartości tlenu w spalinach jak również od temperatury pokazuje wykres.

Z wykresu widać, że przy wartości lambda =1 napięcie zmienia się skokowo o ok.500 [mV] Sygnał z sondy jest przekazywany do mikroprocesorowego układu sterującego pracą silnika, który koryguje odpowiednio skład mieszanki, np. poprzez ilość wtryskiwanego paliwa. Korekcja taka odbywa się około 300 razy na minutę, a pomiar ilości tlenu w spalinach wykonywany jest ok. 100 razy na sekundę.

W niektórych zaawansowanych rozwiązaniach mających na celu jeszcze dokładniejszą korekcję mieszanki stosuje się czujniki tlenu oddzielnie dla każdego cylindra lub drug sondę spalin za reaktorem katalitycznym. Sonda lambda nie jest elementem niezniszczalnym. Przyjmuje się, że po przebiegu ponad 100 tys. km. traci ona stałość charakterystyki co skutkuje niewłaściwymi sygnałami przekazywanymi do układu sterowania, a zatem i złą korekcją składu mieszanki.

3. Objawy i następstwa źle działającej sondy lambda.

Pierwszymi objawami zepsutej sondy lambda są podwyższone zużycie paliwa oraz jednoczesny spadek mocy silnika. Spalanie może czasem wzrosnąć nawet o 50%! Bywają przypadki, w których zużycie paliwa na trasie nie ulega zmianie, ale duża różnica odczuwana jest za to podczas poruszania się w mieście. Paliwo może także ulegać spalaniu dopiero w układzie wydechowym co powoduje wzrost temperatury. Uszkodzona więc sonda lambda jest w stanie doprowadzić do zniszczenia katalizatora. Przy długotrwałym lekceważeniu usterki reaktor katalityczny może ulec przegrzaniu, co w rezultacie może doprowadzić do jego samozapłonu, a ogień pod podwoziem nie należy do bezpiecznych zjawisk.
 

Pomiarowa część sondy lambda umieszczona jest w układzie wydechowym, natomiast reszta znajduje się na zewnątrz. Ze względu na warunki w jakich pracuje poddawana jest ona stałemu obciążeniu termicznemu, chemicznemu i mechanicznemu. Na jej zużycie ma także wpływ środowiska, np. sól czy też inne zanieczyszczenia. Do zniszczenia są w stanie doprowadzić cząsteczki oleju lub wody, które w jakiś sposób przedostały się do układu wydechowego. Duży wpływ na sondę lambda ma również jakość stosowanego paliwa. Używanie niskooktanowego, zanieczyszczonego lub zawierającego ołów paliwa może doprowadzić do trwałego uszkodzenia. Sonda lambda nie jest osłonięta, dlatego podczas jazdy narażona jest na uderzenie np. kamieniem czy też innym twardym elementem znajdującym się akurat na drodze. Czasem dochodzi także do naprężenia przewodów, które w wyniku tego mogą ulec przetarciu lub nawet przerwaniu, co oczywiście kwalifikuje sondę lambda do wymiany.
 

Aby zapobiec wyżej wspomnianym sytuacjom sondę lambda powinno się kontrolować co 30 tys. km. Teoretycznie czujnik ten powinien sprawnie działać przez ok. 50 – 80 tys. km. Wersje, które dodatkowo są podgrzewane mogą osiągać przebiegi rzędu nawet 160 tys. km. Koszt takiej kontroli nie jest wysoki, a z punktu widzenia ekonomiczności jak najbardziej wskazany. Co więcej, źle działająca sonda lambda może nas nie tylko wpędzić w naprawy innych podzespołów silnika, ale wpływa także na zanieczyszczenie środowiska w związku z większą ilością szkodliwych substancji jakie wydobywają się wówczas z układu wydechowego. Do poprawnej diagnozy sondy lambda, mechanika silnika oraz układ zapłonowy muszą działać bez zarzutu.

Regularna kontrola oraz wymiana sond lambda według zaleceń producenta jest jak najbardziej opłacalna. Czasem ich minimalne zużycie jest przez nas nie odczuwalne, ale mimo wszystko skutkuje niewielkim spadkiem mocy, wzrostem emisji CO2 czy też podwyższonym zużyciem paliwa. Dbałość o ten niewielki czujnik to także dbałość o nasze własne bezpieczeństwo.