Interpretacja sygnałów z sond lambda

© Piotr Wróblewski

Udostępnij:

W wydaniu 10/2019 opisaliśmy zasadę działania czujników tlenu w spalinach, czyli tzw. sond lambda. Teraz kontynuujemy temat, uzupełniając go o zagadnienia dokładnej interpretacji sygnałów oraz sposobu ich powstawania.

Skonstruowanie silników z bezpośrednim wtryskiem benzyny i różnymi trybami pracy (włącznie z pracą na mieszance ubogiej) oraz wprowadzenie (również w silnikach z zapłonem samoczynnym) diagnostyki pokładowej OBD z uwzględnieniem nadzoru pracy katalizatora wymusiły zastosowanie sond zawartości tlenu o szerokim zakresie pomiaru. Charakterystyczną cechą szerokopasmowych sond lambda LSU4x (ilustracja 1) jest prawie liniowa charakterystyka sygnału pomiarowego. Szerokopasmowe sondy lambda LSU4x mają sygnał prądowy.

 

© Bosch

 

Ilustracja 1. Przekrój szerokopasmowej planetarnej sondy lambda LSU4x:
a) element pomiarowy, b) podwójna osłona rurkowa, c) pierścień uszczelniający, d) pakiet uszczelniający,
e) obudowa, f) tuleja ochronna, g) korpus zestyku, h) zacisk zestyku, i) osłona z teflonu,
j) osłona zewnętrzna z teflonu, k) przewody elektryczne, l) uszczelka. Źródło: Bosch

Czujniki tego typu składają się z elementu pomiarowego (umieszczonego w układzie wylotowym silnika), złącza (przewodu) oraz modułu sterującego (mikrokontrolera). Szerokopasmowe sondy lambda umożliwiają pomiar zawartości tlenu w spalinach w zakresie λ = 0,4–4. Element pomiarowy zamontowany w układzie wylotowym silnika jest obmywany strumieniem napływających spalin. Cześć z nich przez kanał wlotowy (czujnika zawartości tlenu) i barierę dyfuzyjną dostarczana jest do przestrzeni dyfuzyjnej (ilustracja 2).

 

 

Ilustracja 2. Schemat szerokopasmowego czujnika tlenu firmy Robert Bosch LSU.4.9:
A – element pomiarowy czujnika tlenu, B – złącze czujnika tlenu z przewodami połączeniowymi sterownika silnika, C – moduł sterujący czujnika tlenu zamontowany w sterowniku silnika, 1 – spaliny płynące układem wylotowym silnika, 2 – kanał dopływu spalin, 3 – bariera dyfuzyjna, 4 – porowata, ceramiczna warstwa ochronna, 5 – warstwa katalityczna rozkładająca dwutlenek węgla (CO2) i parę wodną (H2O), 6 – elektroda zewnętrzna pompy tlenu, 7 – ceramika pompy tlenu, 8 – elektroda wewnętrzna pompy tlenu, 9 – przestrzeń dyfuzyjna, 10 – elektroda ujemna ogniwa Nernsta (dwustanowego napięciowego czujnika tlenu), 11 – ceramika ogniwa Nernsta, 12 – elektroda dodatnia ogniwa Nernsta, 13 – kanał powietrza odniesienia ogniwa Nernsta, 14 – grzałka, 15 – układ pomiaru natężenia prądu IPM oraz formujący sygnał wyjściowy UL czujnika tlenu, 16 – układ pomiaru i interpretacji napięcia czujnika Nernsta UN oraz sterujący wartością natężenia prądu lP, zasilającego pompę tlenu, 17 – układ pomiaru rezystancji RN, IP – natężenie prądu zasilającego pompę tlenu, IPM – mierzona składowa natężenia prądu zasilającego pompę tlenu, IPK – natężenie prądu płynącego przez rezystor kalibracyjny, składowa natężenia prądu zasilającego pompę tlenu, RK – rezystor kalibracyjny, RP – rezystor pomiarowy, RN – rezystancja wewnętrzna ceramiki ogniwa Nernsta, UIPM – spadek napięcia na rezysto­rze pomiarowym, powodowany przez przepływ prądu o wartości IPM, UO – napięcie odniesienia dla ogniwa Nernsta, UN – napięcie ogniwa Nernsta, UWM – wartość napięcia wirtualnej masy dla ogniwa Nernsta, UL – napięcie sygnału wyjściowego czujnika tlenu, S1 – styk elektrody dodatniej ogniwa Nernsta, S2 – styk rezystora kalibracyjnego RK, S3 – zasilanie (+) grzałki, S4 – masa grzałki, S5 – styk elektrody wewnętrznej pompy tlenu i elektrody ujemnej ogniwa Nernsta, S6 – styk elektrody zewnętrznej pompy tlenu. Źródło: Bosch

Przestrzeń dyfuzyjna otoczona jest z jednej strony płytką elektrody wewnętrznej pompy tlenu, a z drugiej – płytką elektrody ujemnej ogniwa Nernsta. Skład spalin (zawartość tlenu) wypełniających przestrzeń dyfuzyjną może być różny w stosunku do napływających strug spalin w układzie wylotowym silnika. Różnica ta stanowi podstawę pomiaru szerokopasmowej sondy lambda i wynika z charakteru pracy przestrzeni dyfuzyjnej. Przestrzeń ta zapobiega wyrównaniu się składów spalin (procentowej zawartości tlenu w spalinach) po obu stronach bariery dyfuzyjnej.

Elementem pomiarowym jest pompa tlenu, którą tworzą: elektroda zewnętrzna, elektroda pompy tlenu oraz ceramika. Pompa tlenu pompuje cześć napływających strug spalin do przestrzeni dyfuzyjnej oraz z przestrzeni dyfuzyjnej do rury układu wylotowego silnika. Stan pracy pompy tlenu oraz kierunek pompowania są zależny od składu spalin powstałych w procesie spalania mieszanki paliwowo-powietrznej (ubogiej, stechiometrycznej, bogatej) opływających element pomiarowy. Informacja (sygnał) o składzie spalin definiowana jest przez dwustanowy czujnik tlenu (ogniwo Nernsta). Zbudowany on jest z elektrody ujemnej, ceramiki (dwustanowego napięciowego czujnika tlenu) i elektrody dodatniej. Skład spalonej mieszanki paliwowo-powietrznej określany jest na podstawie stosunku zawartości tlenu w spalinach wypełniających przestrzeń dyfuzyjną do stałej zawartości tlenu w powietrzu atmosferycznym wypełniającym przestrzeń powietrzną odniesienia. Ogniwo Nernsta wytwarza sygnał w postaci napięcia. Na podstawie tego sygnału układ pomiaru i interpretacji napięcia czujnika Nernsta oraz sterujący wartością natężenia prądu określa skład spalonej mieszanki wypełniającej prze­strzeń dyfuzyjną. Kierunek prądu podawanego określa kierunek pompowania spalin (do przestrzeni dyfuzyjnej lub z niej).

Prąd zasilający pompę tlenową stanowi sumę: prądu określającego kierunek przepływu strumienia spalin oraz zawartość tlenu w spalinach i prądu płynącego przez rezystor kalibracyjny (regulacyjny). Wartość prądu zasilającego pompę tlenową i jego kierunek definiowane są przez pomiar spadku napięcia na rezystorze pomiarowym. Wartość rezystancji rezystora kalibracyjnego dobierana jest pod kątem wymaganej charakterystyki czujnika zawartości tlenu w spalinach.

Moduł sterujący czujnikiem zawartości tlenu przesyła sygnał (w postaci napięcia) określający wartość współczynnika nadmiaru powietrza λ do głównego sterownika silnika. Temperatura wzorcowa szerokopasmowego czujnika zawartości tlenu w spalinach wynosi 780°C, a jego temperatura rzeczywista jest utrzymywana w zakresie 650–900°C w celu uzyskania wymaganej dokładności pomiaru. Stała wartość temperatury utrzymywana jest za pomocą elektrycznie zasilanego elementu grzejnego, który regulowany jest przez układ regulacji temperatury elementu pomiarowego (moduł sterujący w sterowniku silnika). Szerokopasmowe czujniki zawartości tlenu w spalinach LSU4x mają – w zależności od producenta – do 6 złącz wtykowych: zasilania elementu grzejnego, prądu pompy tlenowej oraz wyjściowego sygnału pomiarowego.

W celu zabezpieczenia pompy tlenowej przed zanieczyszczeniami napływającymi wraz ze strumieniem spalin (np. przez cząstki stałe) docierającym do niej od strony elektrody zewnętrznej spaliny są filtrowane przez ceramiczną powłokę ochronną. W pobliżu elektrody wewnętrznej pompy tlenowej znajduje się warstwa katalityczna. Wytwarza ona dodatkową ilość tlenu w wyniku rozpadu dwutlenku węgla (CO2) i pary wodnej (H2O). Dodatkowa ilość tlenu wymagana jest podczas napływu spalin powstałych w wyniku spalania mieszanki bogatej. Nadmiarowa ilość tlenu wprowadzana jest wówczas przez pompę tlenową do przestrzeni dyfuzyjnej.

Regulator to urządzenie do określania wartości współczynnika λ składu mieszanki. Reguluje on zawartość tlenu równowagowego w spalinach wypełniającego przestrzeń dyfuzyjną. Zadanie to realizuje przez zmianę wartości i kierunku prądu zasilającego pompę tlenową (wartość nastawczą). Jeżeli wartość nastawcza prądu zasilającego pompę tlenową wynosi zero, pompa tlenowa nie pracuje. Przy dodatnim kierunku prądu zasilającego tlen zostaje wypompowany z przestrzeni dyfuzyjnej. Jeżeli prąd ma kierunek ujemny, tlen wraz ze spalinami zostaje wpompowany do przestrzeni dyfuzyjnej. Wartość mierzona składowa natężenia prądu zasilającego pompę tlenową i natężenie prądu zasilającego pompę tlenową stanowią miarę ilości tlenu: odpompowanego z przestrzeni dyfuzyjnej, wpompowanego do przestrzeni dyfuzyjnej i równowagowego w przestrzeni dyfuzyjnej (zawartość tlenu w spalinach nie ulega zmianie). Na podstawie wartości natężenia prądu (mierzonej składowej) moduł sterujący szerokopasmowej sondy lambda określa wartość współczynnika λ nadmiaru powietrza w składzie spalonej mieszanki paliwowo-powietrznej.

Dane informujące o aktualnej zawartości tlenu równowagowego służą do regulacji zawartości tlenu w spalinach wypełniających przestrzeń dyfuzyjną. Informacje te przekazuje ogniwo Nernsta oraz układ wykonujący pomiar wartości napięcia ogniwa Nernsta. Wymienione elementy stanowią układ sprzężenia zwrotnego. Na podstawie pomiaru chwilowej wartości napięcia ogniwa Nernsta i charakterystyki zawartej w pamięci modułu sterującego ogniwa Nernsta odczytywana jest chwilowa zawartość tlenu równowagowego w spalinach znajdujących się w przestrzeni dyfuzyjnej. Na podstawie chwilowej wartości współczynnika nadmiaru powietrza składu mieszanki poddanej spaleniu określa się wartość ilościową tlenu równowagowego w spalinach. Układ regulacji ma na celu zapewnienie takiej wartości tlenu równowagowego w spalinach zawartych w przestrzeni dyfuzyjnej, jaka wynika z wymagań zdefiniowanych dla danego układu. Jest to wartość zadana wielkości regulowanej stanowiąca punkt wyjściowy układu regulacji. Wartość ta jest stała i równa zawartości tlenu równowagowego w spalinach powstałego w wyniku spalania mieszanki paliwowo-powietrznej o składzie stechiometrycznym. Chwilowa zawartość tlenu równowagowego znajdującego się w spalinach w przestrzeni dyfuzyjnej jest na bieżąco porównywana z zawartością tlenu w atmosferze. W pierwszym przypadku mówimy o wielkości regulowanej, a w drugim – o wartości zadanej wielkości regulowanej. Różnica pomiędzy tymi wielkościami nazywana jest uchybem regulacji, a zdaniem układu regulacji jest doprowadzenie do takiego stanu, aby uchyb był równy zero.

Współcześnie w układach wylotowych pojazdów samochodowych są montowane dwie szerokopasmowe regulacyjne sondy lambda. Sonda lambda przed katalizatorem przesyła sygnał (napięcie) do sterownika silnika. Na jego podstawie obliczana jest dawka i czas wtrysku w zależności od obciążenia i prędkości obrotowej silnika. Sonda lambda za katalizatorem kontroluje właściwe funkcjonowanie sondy przed katalizatorem oraz stopień oczyszczania spalin w reaktorze katalitycznym.

Sondy lambda stosowane w instalacjach gazowych LPG drugiej generacji (mieszalnikowych systemach z elektroniką) generują sygnał odpowiadający za sterowanie składem mieszanki paliwowo-gazowej w celu osiągnięcia składu stechiometrycznego. W instalacjach gazowych LPG trzeciej generacji sygnał wyjściowy sondy lambda wykorzystywany był przez sterownik silnika do sterowania przepływem gazu przez pneumatyczne wtryskiwacze (dawkami gazu i czasem wtrysku). Mieszanka gazowo-powietrzna dostarczana była bezpośrednio do kanału dolotowego każdego z cylindrów. Współczesne instalacje gazowe LPG czwartej generacji w celu uzyskania składu stechiometrycznego mieszanki gazowo-powietrznej wykorzystują sygnał sterujący wtryskiwaczy benzyny, który korygowany jest na podstawie sygnału wyjściowego z dwóch sond lambda. Zaś nowe technologie pomiaru umożliwiają określanie zawartości tlenu: z wykorzystaniem takich metod, jak podczerwień, ultradźwięki oraz promieniowanie laserowe.

Sonda lambda wytworzona zgodnie z wymaganiami producenta pojazdu powinna być sprawna przez cały okres eksploatacji samochodu. Skrócenie tego czasu może zostać spowodowane:

  • przerwą w obwodzie sondy lambda,
  • zwarciem w obwodzie sondy,
  • uszkodzeniem mechanicznym sondy, np. pęknięciem jej ceramicznego rdzenia,
  • pokryciem ołowiem końcówki pomiarowej sondy (wydłużenie czasu reakcji na zmiany składu spalin),
  • korozją kontaktową (zmiana wartości sygnałów wyjściowych),
  • wibracjami w miejscu zamontowania (rura wylotowa lub katalizator utleniający z filtrem cząstek stałych DPF),
  • osadzaniem się resztek niespalonego paliwa,
  • wilgocią,
  • przegrzaniem elementu pomiarowego.

Szerokopasmowe czujniki tlenu w spalinach LSU4x mają – w zależności od producenta – do sześciu złączy wtykowych: dla zasilania elementu grzejnego, dla prądu pompy tlenowej oraz dla wyjściowego sygnału pomiarowego.


Procedura sprawdzania szerokopasmowej sondy lambda

W celu sprawdzenia działania szerokopasmowej sondy lambda należy wykonać najniższe czynności:

  • odnaleźć złącze wtykowe sondy lambda,
  • zidentyfikować poszczególne przewody doprowadzone do sondy,
  • odłączyć złącze wtykowe sondy,
  • za pomocą omomierza zmierzyć rezystancję uzwojenia grzewczego między jego masą (styk 3) a zasilaniem (styk 5),
  • zinterpretować wynik pomiaru (zazwyczaj wynosi on 2–12 Ω),
  • podłączyć złącze wtykowe do sondy,
  • za pomocą oscyloskopu odczytać sygnał sterujący elementu grzewczego (powinien on mieć kształt prostokątny, a
  • współczynnik wypełnienia powinien przyjmować zmienną wartość).

Jeżeli jest to możliwe, należy zmierzyć napięcie sygnału referencyjnego sondy (wartość prawidłowa wynosi ok. 0,45 V). W tym celu należy podłączyć dodatnią końcówkę pomiarową oscyloskopu do przewodu elektrody dodatniej ogniwa Nernsta (styk 4), a ujemną – do styku elektrody wewnętrznej pompy tlenu i elektrody ujemnej ogniwa Nernsta (styk 6). W przypadku pomiaru napięcia sygnału referencyjnego wykonywanego względem masy pojazdu wartość pomiarowa ulegnie przesunięciu o 2,5 V (wartość zwiększenia masy sondy). Będzie wówczas wynosiła 2,95 V.

Skutkami niesprawności sondy lambda są:

  • nieregularna praca silnika na biegu jałowym,
  • zwiększone zużycia paliwa,
  • wzrost emisji substancji szkodliwych dla środowiska (np. NOX),
  • ograniczenie mocy znamionowej i momentu obrotowego silnika.

Przesyłanie przez sondę lambda niewłaściwych wartości sygnałów wyjściowych (napięciowych) do sterownika silnika może być spowodowane uszkodzeniem mechanicznym lub elektronicznym innych elementów, np. katalizatora utleniającego, kolektora wylotowego, rury wylotowej, tłumika (refleksyjnego) lub wtryskiwaczy paliwa.

Udostępnij:

Drukuj


TOP w kategorii







Piotr Wróblewski



Chcesz otrzymać nasze czasopismo?
Zamów prenumeratę
Zobacz również