Sonda lambda – czyli gdzie, po co i jak :)

1. Wprowadzenie czyli współczynnik lambda.

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 NO_X
• 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 NO_X 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.

Lambda	Rodzaj mieszanki	Emisja CO	Emisja HC	Emisja NOX
	Mieszanka stechiometryczna	niska	niska	niska
	Mieszanka uboga	niska	niska	wysoka
	Mieszanka bogata	wysoka	wysoka	niska

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. Pułapki i niedomagania

Wspominałem wcześniej o tym, że niekiedy stosuje się kilka sond lambda oddzielnie dla każdego cylindra. Zastanówmy się jakie uzasadnienie ma takie rozwiązanie.
Przy zastosowaniu jednej sondy lambda w przewodzie wylotowym mierzy ona ilość tlenu pochodzącego z komór spalania wszystkich cylindrów. Można powiedzieć zatem, że mierzy średnią ilość tlenu nie dając nam informacji o tym jak przebiega spalanie w każdym z cylindrów. Jak wiadomo statystyki, a więc i uśrednianie bywają mylące. Przyjmijmy bowiem, że w jednym cylindrze mamy niedobór tlenu a w drugim jego nadmiar. W obu cylindrach spalaniu ulega mieszanka o nieprawidłowym składzie. Czujnik tlenu pokaże jednak, że wszystko jest w porządku (współczynnik lambda w granicach 0,97 do 1,03), natomiast ilość substancji toksycznych w spalinach będzie powyżej normy. Widzimy więc, że działanie pojedynczej sondy lambda nie będzie obarczone żadnym błędem jedynie w sytuacji, gdy w każdym cylindrze spalana będzie mieszanka o prawidłowym składzie.
Gdy zastosowalibyśmy jeden czujnik tlenu na jeden cylinder to korekcja składu mieszanki odbywa się dla każdego cylindra z osobna i na podstawie osobnych sygnałów. Wyżej wspomniany błąd nie występuje.

W działaniu sondy lambda może wystąpić również inne niedomaganie. W wyniku nieprawidłowego spalania, np. niecałkowitego, w spalinach są obecne m.in. parafiny i sadza. Mikropory materiału ceramicznego sondy lambda zostaną zatkane przez popioły co będzie skutkować wydłużeniem czasu reakcji sondy, a co za tym idzie błędną (spóźnioną) korekcją składu mieszanki. Widzimy zatem, że czasami należy oczyścić czujnik tlenu nie zapominając jednak o likwidacji przyczyny nadmiernego zanieczyszczenia tkwiącej, np. w zanieczyszczonych wtryskiwaczach.

źródło: www.mototechnika.republika.pl