Szerokopasmowe czujniki zawartości tlenu w spalinach
Przebieg procesu spalania mieszanki paliwowo-powietrznej
Mieszanka o składzie stechiometrycznym (λ = 1) teoretycznie spala się w komorach spalania silnika według równania chemicznego:
HC + O2 + N2 -> CO2 + H2O + N2 (2)
Masa tlenu w mieszance stechiometrycznej jest dokładnie taka, jaka jest konieczna do spalenia węgla i wodoru znajdującego się w paliwie - tak aby produktami końcowymi były tylko dwutlenek węgla i para wodna. Oba te gazy są dla nas nieszkodliwe. Zakłada się też, że azot nie wchodzi w żadne reakcje chemiczne. W rzeczywistych warunkach proces spalania mieszanki paliwowo-powietrznej (również stechiometrycznej) przebiega inaczej. Przedstawia to poniższe uproszczone równanie chemiczne:
HC + O2 + N2 -> CO2 + H2O + N2 + Co + HC + NOx (3)
Proces spalania paliwa w komorach spalania silnika składa się z wielu (ok. 180 do 200) następujących po sobie reakcji chemicznych - jest to tzw. proces łańcuchowy. Produktami zupełnego i całkowitego procesu spalania węglowodorów są tylko: dwutlenek węgla i para wodna (proces A, rys. 65). Jeśli proces spalania części węglowodorów jest niezupełny, to jego produktami są tlenek węgla i węglowodory (proces B, rys. 65). Część węglowodorów nawet nie rozpoczyna procesu spalania, bo nie ma ku temu warunków - te węglowodory przepływają do spalin. Jest to niecałkowity proces spalania (proces C).
Procesowi spalania w komorze spalania towarzyszą wysokie ciśnienia i lokalne, a także krótkotrwałe wysokie temperatury. Jeśli temperatura przekracza ok. 1800°C, wówczas reagują ze sobą tlen i azot z powietrza (proces D). Produktami tych reakcji są związki tlenu i azotu - tlenki azotu (NOX). Należy dodać, że azot nie reaguje z tlenem w temperaturach niższych niż ok. 1800°C (bez obecności katalizatora). Ale im temperatura w komorze spalania jest wyższa od 1800°C, tym ilość powstających tlenków azotu jest większa. W spalinach silników obecny jest również tlen (proces E), gdyż nigdy całość tlenu znajdującego się w mieszance paliwowo-powietrznej nie jest wykorzystywana w procesie spalania (nawet przy spalaniu mieszanek bogatych), albo część tlenu nie jest potrzebna w procesie spalania. Spaliny zawierają również dużą ilość azotu, gdyż jego znaczna część znajdująca się w powietrzu nie reaguje z tlenem (proces F).
Przywracanie równowagi termodynamicznej między składnikami spalin
Ze względu na trudne warunki przebiegu procesu tworzenia i spalania mieszanki w komorach spalania silnika nie cały tlen obecny w mieszance paliwowopowietrznej uczestniczy w procesie spalania. Ponadto część tlenu pochodzącego z powietrza zamiast uczestniczyć w procesie spalania węglowodorów, wiąże się z azotem - również pochodzącym z powietrza. Na podstawie pomiaru zawartości tlenu w spalinach: dwustanowe czujniki tlenu informują, czy spalona mieszanka paliwowo-powietrzna była bogata, czy uboga; szerokopasmowe czujniki tlenu określają współczynnik lambda (λ) składu spalonej mieszanki paliwowo-powietrznej. Aby to było możliwe, tlen pochodzący z powietrza podczas procesu spalania w komorach spalania silnika: może uczestniczyć tylko w zupełnym i całkowitym procesie spalania paliwa; nie może tworzyć z azotem pochodzącym z powietrza tlenków azotu. Ponieważ w rzeczywistych procesach zachodzących w komorach spalania silnika oba te warunki nie są spełnione, to każdy z typów czujników tlenu (dwustanowy, szerokopasmowy) rozpoczyna wówczas pracę od „poprawienia" procesu spalania, jaki zaszedł wcześniej w komorach spalania silnika - tak aby zostały spełnione dwa powyższe warunki. Proces „poprawiania" procesu spalania w silniku nazywa się procesem przywracania równowagi termodynamicznej pomiędzy składnikami spalin (proces ten prezentuje rys. 66). Zachodzi on w warstwie spalin „1" na powierzchni ich styku z warstwą katalityczną „2" elementu pomiarowego czujnika tlenu. Warstwę katalityczną „2" ma element pomiarowy każdego typu czujnika tlenu. Spaliny płyną do elementu pomiarowego najpierw przez otwory osłony metalowej czujnika tlenu, a następnie przez ceramiczną warstwę osłonową elementu pomiarowego. Spaliny napływające do czujnika tlenu, oprócz pożądanych składników procesu spalania, czyli dwutlenku węgla i pary wodnej, zawierają również: węglowodory i tlenek węgla - produkty niezupełnego lub niecałkowitego procesu spalania; tlen - niewykorzystany lub niepotrzebny w procesie spalania; tlenki azotu.
W trakcie procesu przywracania równowagi termodynamicznej pomiędzy składnikami spalin zachodzą równolegle dwie grupy procesów: 1. „uwalniania" tlenu związanego w tlenkach azotu, w wyniku którego „odzyskujemy" tlen i azot; 2. tlen „odzyskany" z tlenków azotu oraz tlen obecny spalinach utleniają pozostałe w spalinach węglowodory i tlenek węgla, tak aby powstały z nich dwutlenek węgla i para wodna. Tlen pozostały w spalinach w wyniku tych procesów nazywamy tlenem równowagowym [O2(R)].
Jego brak lub określona zawartość w spalinach jest dla czujnika tlenu kryterium do określenia składu spalonej mieszanki w sposób zależny od typu czujnika tlenu. Proces przywracania równowagi termodynamicznej pomiędzy składnikami spalin przebiega w taki sam sposób w każdym typie czujnika tlenu, niezależnie od miejsca jego montażu w układzie wylotowym silnika - przed czy za konwerterem katalitycznym. Na przykładzie czujnika tlenu zamontowanego przed konwerterem katalitycznym (ze względu na proporcje występujące między składnikami spalin) rysunki od numeru 67 do 73 ilustrują przebiegi procesów przywracania równowagi termodynamicznej między składnikami spalin dla spalin pochodzących ze spalenia mieszanek: bogatej, stechiometrycznej i ubogiej.
Spaliny z mieszanki bogatej, w stanie równowagi termodynamicznej
Jeśli mieszanka jest bogata, przykładowo o współczynniku λ = 0,85 (mieszanka A, rys. 67), to zawiera ona zbyt małą ilość tlenu, by całość paliwa w mieszance została spalona do pożądanych związków: dwutlenku węgla i pary wodnej. Spaliny pochodzące ze spalenia mieszanki bogatej (mieszanka A) zawierają względnie dużo: tlenku węgla - pkt A3 (rys. 67) i węglowodorów - pkt A4 (rys. 67). Mimo że spalona mieszanka była bogata, w spalinach obecny jest tlen - pkt A1 (rys. 67). W procesie przywracania równowagi termodynamicznej pomiędzy składnikami spalin tlen: obecny w spalinach - pkt A1 (rys. 67) „uwolniony" z tlenków azotu jest wykorzystany do procesu utleniania tlenku węgla i węglowodorów (patrz: rys. 66). Ponieważ w mieszance bogatej jest za mało tlenu w stosunku to paliwa, więc po procesie przywracania równowagi termodynamicznej pomiędzy składnikami spalin: zawartość tlenu równowagowego jest prawie zerowa (rys. 68, prawa strona wykresu). Napisałem „prawie", bo jeśli nawet reakcje chemiczne przebiegają w obecności katalizatora, to nie reagują ze sobą wszystkie składniki; pozostaje tlenek węgla i węglowodory (rys. 68, prawa strona wykresu).
Wykorzystanie tlenu obecnego w bogatej mieszance w procesie spalania w komorach spalania silnika, a następnie w procesie przywracania równowagi termodynamicznej pomiędzy składnikami spalin ilustruje rys. 69. W komorach spalania silnika większość tlenu jest wykorzystywana w procesie spalania paliwa (A). Część tlenu nie jest w stanie utworzyć mieszanki palnej z paliwem, dlatego pozostaje w spalinach w stanie wolnym (B). Tę ilość tlenu można zmierzyć wieloskładnikowym analizatorem spalin, a spaliny należałoby pobrać przed konwerterem katalitycznym. Pozostała część tlenu reaguje z azotem i powstają tlenki azotu (C). Po procesie przywracania równowagi termodynamicznej między składnikami spalin pochodzącymi ze spalenia mieszanki bogatej: całość tlenu została wykorzystywana do spalenia paliwa (D, rys. 69); brakuje tlenu, niezbędnego do utlenienia obecnych w spalinach, a także znacznych ilości, tlenku węgla i węglowodorów (E, rys. 69). Brak tlenu w spalinach po procesie przywracania równowagi termodynamicznej pomiędzy składnikami spalin (E, rys. 69) jest dla dwustanowego czujnika tlenu informacją, że spaliny pochodzą ze spalenia mieszanki bogatej. Szerokopasmowy czujnik tlenu mierzy, ile tego gazu brakuje w spalinach po procesie przywracania równowagi termodynamicznej pomiędzy składnikami spalin, w stosunku do zawartości tlenu w mieszance stechiometrycznej (E, rys. 69). Na tej podstawie określa wartość współczynnika lambda (λ) składu mieszanki.
Spaliny z mieszanki stechiometrycznej, w stanie równowagi termodynamicznej
Jeśli mieszanka jest stechiometryczna i ma współczynniku λ = 1 (mieszanka B, rys. 67), to teoretycznie zawiera ona ilość tlenu niezbędną do spalenia całości paliwa do pożądanych: dwutlenku węgla i pary wodnej. Spaliny pochodzące ze spalenia mieszanki stechiometrycznej (mieszanka B) zawierają niewielkie ilości: tlenku węgla - pkt B3 (rys. 67) i węglowodorów - pkt B4 (rys. 67).
Wprawdzie spalona mieszanka ma skład stechiometryczny, ale w spalinach obecny jest tlen - pkt B1 (rys. 67). W procesie przywracania równowagi termodynamicznej pomiędzy składnikami spalin tlen: obecny w spalinach - pkt B1 (rys. 67) „uwolniony" z tlenków azotu jest wykorzystany do procesu utleniania tlenku węgla i węglowodorów (patrz rys. 66). Ilość tlenu w mieszance stechiometrycznej jest dokładnie taka, aby całkowicie spalić znajdujące się w niej paliwo. Dlatego po procesie przywracania równowagi termodynamicznej między składnikami spalin: zawartość tlenu równowagowego jest prawie zerowa, ale trochę większa niż dla mieszanki bogatej (rys. 70); pozostają niewielkie ilości tlenku węgla i węglowodorów (rys. 70, prawa strona wykresu).
Wykorzystanie tlenu obecnego w mieszance stechiometrycznej w procesie spalania w komorach spalania silnika a następnie w procesie przywracania równowagi termodynamicznej pomiędzy składnikami spalin ilustruje rys. 71. W komorach spalania silnika większość tlenu jest wykorzystywana w procesie spalania paliwa (A). Część tlenu nie jest w stanie utworzyć z paliwem mieszanki palnej, dlatego w stanie wolnym pozostaje w spalinach (B). Tę ilość tlenu można zmierzyć wieloskładnikowym analizatorem spalin, a spaliny należałoby pobrać przed konwerterem katalitycznym. Pozostała część tlenu reaguje z azotem i powstają tlenki azotu (C). Po procesie przywracania równowagi termodynamicznej pomiędzy składnikami spalin pochodzącymi ze spalenia mieszanki stechiometrycznej całość tlenu znajdującego się w mieszance jest wykorzystywana w procesie spalania (D, rys. 71). Teoretycznie gaz ten nie pozostaje w spalinach, choć w rzeczywistości obecny jest on w nich w bardzo niewielkiej ilości. Ta rzeczywista, bardzo niewielka ilość tlenu w spalinach jest dla dwustanowego czujnika tlenu informacją, że jest to granica między mieszankami bogatą i ubogą. Dla szerokopasmowego czujnika tlenu ta niewielka ilość tlenu w spalinach jest informacją, że chwilowo spaliny pochodzą ze spalenia mieszanki stechiometrycznej.
Spaliny z mieszanki ubogiej, w stanie równowagi termodynamicznej
Jeśli mieszanka jest uboga, przykładowo o współczynniku λ = 1,15 (mieszanka C, rys. 67), to zawiera ona więcej tlenu, niż jest konieczne, aby całość paliwa w mieszance została spalona do pożądanych: dwutlenku węgla i pary wodnej. Spaliny pochodzące ze spalenia mieszanki ubogiej (mieszanka C) zawierają więc niewielkie ilości: tlenku węgla - pkt C3 (rys. 67), węglowodorów - pkt C4 (rys. 67). W spalinach obecna jest większa ilość tlenu - pkt C1 (rys. 67). W procesie przywracania równowagi termodynamicznej pomiędzy składnikami spalin tylko część z tlenu: obecnego w spalinach - pkt C1 (rys. 67) i „uwolnionego" z tlenków azotu jest wykorzystana do procesu utleniania tlenku węgla i węglowodorów (rys. 66). Wykorzystywana jest tylko część tlenu, ponieważ w ubogiej mieszance paliwowo-powietrznej występuje jego nadmiar. Z tego też powodu po procesie przywracania równowagi termodynamicznej pomiędzy składnikami spalin: zawartość tlenu równowagowego jest względnie duża (rys. 72, prawa strona wykresu); zawartość tlenku węgla i węglowodorów jest bardzo mała (rys. 72, prawa strona wykresu). Wykorzystanie tlenu obecnego w mieszance ubogiej w procesie spalania w komorach spalania silnika a następnie w procesie przywracania równowagi termodynamicznej pomiędzy składnikami spalin ilustruje rys. 73. W komorach spalania silnika duża część tlenu jest wykorzystywana w procesie spalania paliwa (A). Część tlenu, która nie jest w stanie utworzyć mieszanki palnej z paliwem, wraz z tą częścią tego gazu, która nie jest potrzebna w procesie spalania, są obecne w stanie wolnym w spalinach (B). Tę ilość tlenu można zmierzyć wieloskładnikowym analizatorem spalin, a spaliny należałoby pobrać przed konwerterem katalitycznym. Pozostałą część tlenu reaguje z azotem i powstają tlenki azotu (C). Po procesie przywracania równowagi termodynamicznej pomiędzy składnikami spalin pochodzącymi ze spalenia mieszanki ubogiej: część tlenu - teoretycznie równa ilości dla mieszanki stechiometrycznej została wykorzystana do spalenia paliwa (D, rys. 73); pozostaje nadmiar tlenu niepotrzebny do procesu spalania (E, rys. 73). Obecność tlenu w spalinach po procesie przywracania równowagi termodynamicznej pomiędzy składnikami spalin (E, rys. 73) jest dla dwustanowego czujnika tlenu informacją, że spaliny pochodzą ze spalenia mieszanki ubogiej. Szerokopasmowy czujnik tlenu mierzy ilość tlenu w spalinach po procesie przywracania równowagi termodynamicznej pomiędzy składnikami spalin w stosunku do zawartości tlenu w mieszance stechiometrycznej (E, rys. 73). Na tej podstawie określa wartość współczynnika lambda (λ) składu mieszanki.
mgr inż. Stefan Myszkowski
Podpisy pod ilustracjami
Rys. 65. Przebieg procesu spalania mieszanki paliwowo-powietrznej i procesów towarzyszących w komorze spalania silnika ZI. Na rysunku są wyróżnione następujące procesy: A - spalanie zupełne i całkowite paliwa; B - spalanie niezupełne paliwa; C - spalanie niecałkowite paliwa; D - reakcje pomiędzy tlenem a azotem pochodzącym z powietrza; E - przejście tlenu z powietrza do spalin, niewykorzystanego lub niepotrzebnego w procesach w komorze spalania; F - przejście azotu z powietrza do spalin, niezwiązanego z tlenem w reakcjach w komorze spalania. Oznaczenia na rysunku: CO - tlenek węgla; CO2 - dwutlenek węgla; H2O - para wodna; HC - węglowodory; N2 - azot; NOX - tlenki azotu; O2 - tlen
Rys. 66. Proces przywracania równowagi termodynamicznej pomiędzy składnikami spalin „1" na powierzchni warstwy katalitycznej czujnika tlenu „2". Celem tego procesu jest określenie zawartości w spalinach tzw. tlenu równowagowego (O2(R)). Składniki spalin: CO - tlenek węgla; CO2 - dwutlenek węgla; H2O - para wodna; HC - węglowodory; N2 - azot; NOX - tlenki azotu; O2 - tlen; O2(R) - tlen równowagowy
Rys. 67. Wykresy zawartości: tlenu (O2), tlenku węgla (CO) i węglowodorów (HC) w spalinach pomiędzy silnikiem a konwerterem katalitycznym, w zależności od składu spalanej mieszanki. Na górnym wykresie jest zaznaczona również zawartość tlenu równowagowego [O2(R)], na styku spalin z powierzchnią warstwy katalitycznej czujnika tlenu. Charakterystyczne dla wyjaśnienia zasad pracy czujników tlenu są mieszanki paliwowo-powietrzne o składach: A - bogata; B - stechiometryczna; C - uboga. Dla każdej z mieszanek literami: A, B i C oraz z indeksami 1, 3 i 4 są zaznaczone zawartości: O2 - tlenu; CO - tlenku węgla; HC - węglowodorów. Punkty: A2, B2 i C2 oznaczają zawartości tlenu resztkowego [O2(R)]
Rys. 68. Zmiana składu spalin napływających z silnika do czujnika tlenu, pochodzących ze spalenia mieszanki bogatej (o składzie A, rys. 67) w następstwie procesu przywracania równowagi termodynamicznej pomiędzy składnikami spalin na powierzchni warstwy katalitycznej czujnika tlenu
Rys. 69. Wykorzystanie tlenu z powietrza znajdującego się w mieszance bogatej (np. o składzie A, rys. 67) w procesach w komorze spalania silnika i w procesie przywracania równowagi termodynamicznej pomiędzy składnikami spalin, na powierzchni warstwy katalitycznej czujnika tlenu. Oznaczenia na rysunku: A - tlen wykorzystany w procesie spalania paliwa w komorach spalania silnika; B - tlen niewykorzystany w procesie spalania paliwa w komorach spalania silnika; C - tlen związany z azotem, w postaci tlenków azotu w komorach spalania silnika; D - całość tlenu, znajdującego się w bogatej mieszance paliwowo-powietrznej, która może być wykorzystana w procesie spalania paliwa; E - tlen, którego brakuje do całkowitego spalenia paliwa
Rys. 70. Zmiana składu spalin napływających z silnika do czujnika tlenu, pochodzących ze spalenia mieszanki stechiometrycznej (o składzie B, rys. 67) w następstwie procesu przywracania równowagi termodynamicznej pomiędzy składnikami spalin na powierzchni warstwy katalitycznej czujnika tlenu. Oznaczenia na rysunku: CO - tlenek węgla; HC - węglowodory; O2 - tlen; O2(R) - tlen równowagowy
Rys. 71. Wykorzystanie tlenu z powietrza obecnego w mieszance stechiometrycznej (np. o składzie B, rys. 67) w procesach w komorze spalania silnika i w procesie przywracania równowagi termodynamicznej pomiędzy składnikami spalin na powierzchni warstwy katalitycznej czujnika tlenu. Oznaczenia: A - tlen wykorzystany w procesie spalania paliwa w komorach spalania silnika; B - tlen niewykorzystany w procesie spalania paliwa w komorach spalania silnika; C - tlen związany z azotem w postaci tlenków azotu (NOX) w komorach spalania silnika; D - całość tlenu, znajdującego się w stechiometrycznej mieszance paliwowo-powietrznej, która jest wystarczająca do całkowitego i zupełnego spalenia paliwa
Rys. 72. Zmiana składu spalin napływających z silnika do czujnika tlenu pochodzących ze spalenia mieszanki ubogiej (o składzie C, rys. 67) w następstwie procesu przywracania równowagi termodynamicznej pomiędzy składnikami spalin, na powierzchni warstwy katalitycznej czujnika tlenu. Oznaczenia na rysunku: CO - tlenek węgla; HC - węglowodory; O2 - tlen; O2(R) - tlen równowagowy
Rys. 73. Wykorzystanie tlenu z powietrza obecnego w mieszance ubogiej (np. o składzie C, rys. 67) w procesach w komorze spalania silnika i w procesie przywracania równowagi termodynamicznej pomiędzy składnikami spalin, na powierzchni warstwy katalitycznej czujnika tlenu. Oznaczenia na rysunku: A - tlen wykorzystany w procesie spalania paliwa w komorach spalania silnika; B - tlen niewykorzystany i zbędny w procesie spalania paliwa w komorach spalania silnika; C - tlen związany z azotem w postaci tlenków azotu w komorach spalania silnika; D - część z tlenu znajdującego się w ubogiej mieszance paliwowo-powietrznej, wystarczająca do całkowitego i zupełnego spalenia paliwa; E - tlen, który nie jest potrzebny do procesu spalania paliwa
Więcej interesujących artykułów w najnowszym „autoEXPERCIE" 3/2012.
Stefan Myszkowski
