Zadaniem czujnika tlenu w spalinach jest utrzymanie równowagi między ilością dostarczonego powietrza a spalanym paliwem. W przypadku jego awarii komputer nie jest już w stanie zbadać stosunku ilości paliwa do ilości powietrza i zaczyna działać na ślepo. Oznacza to, że działa według zapisanych w sterowniku wtrysku paliwa map, czyli predefiniowanych wartości wtryskiwanego paliwa, odpowiadających danej prędkości obrotowej silnika i jego obciążeniu. Co to oznacza dla samochodu? Silnik pracuje nieprawidłowo i zużywa więcej paliwa niż to konieczne, co z kolei prowadzi do wzrostu poziomów emisji szkodliwych substancji.

Większość samochodów z silnikami benzynowymi jest wyposażona w dwa czujniki tlenu – jeden umieszczony przed katalizatorem, a drugi w dalszej części układu – za katalizatorem. Pierwszy reguluje ilość dostarczanego paliwa, podczas gdy czujnik umieszczony z drugiej strony mierzy wydajność i skuteczność jego pracy.

Gazy wylotowe opuszczają komorę silnika podczas suwu wydechu. Wówczas są one gorące i znajdują się pod wysokim ciśnieniem. Przepływają przez kolektory wydechowe i czujnik umieszczony przed wlotem do wnętrza katalizatora.

Zasada działania czujnika

Wewnątrz sondy znajduje się element z tlenku cyrkonu. Umieszczony jest on w dodatkowej stalowej obudowie o mikroskopijnych nacięciach. Molekuły tlenu z gazów wydechowych przechodzą przez nie i docierają do wnętrza czujnika. Tymczasem na jego drugim końcu tlen z gazów spalinowych jest pompowany do komory świeżego powietrza. Jony tlenu generują napięcie elektryczne, którego wartość jest wprost proporcjonalna do ich ilości. Czujniki mierzą różnicę stężenia tlenu w powietrzu atmosferycznym i w gazach wylotowych. Jeśli mieszanka powietrzno-paliwowa jest zbyt bogata i w gazach wylotowych jest zbyt mało tlenu, wówczas do elektronicznej jednostki sterującej silnikiem (ECU) wysyłany jest sygnał, że należy zmniejszyć ilość podawanego paliwa w mieszance dostarczanej do cylindrów. Jeśli jest zbyt uboga – wówczas wysyłany jest sygnał, że należy zwiększyć ilość paliwa w mieszance dostarczanej do silnika. Zbyt wiele paliwa przyczynia się do emisji niespalonych węglowodorów i powstawania tlenku węgla. Zbyt mało z kolei powoduje wytwarzanie tlenków azotu, ponieważ gwałtownie rośnie wtedy temperatura spalania. Sygnał przesyłany przez czujnik pozwala utrzymać odpowiedni skład mieszanki.

Czas to podstawa

Większość emisji węglowodorów i tlenku węgla ma miejsce w ciągu pierwszych 30 sekund od uruchomienia zimnego silnika. Jest to spowodowane tym, że czujnik zawartości tlenu wskazuje prawidłowe dane dopiero po osiągnięciu temperatury roboczej. Aby przyspieszyć zainicjowanie czujnika, często wyposaża się go w grzałkę elektryczną, która jest aktywowana podczas uruchamiania silnika. Dzięki temu regulacja składu mieszanki przebiega szybciej i sprawniej.
Drugim sposobem na szybszą regulację składu mieszanki jest miniaturyzacja czujnika, dzięki czemu obniża się jego masę i zarazem pojemność cieplną. To powoduje, że nagrzewa się on krócej (w ciągu 10 sekund) i szybciej zaczyna mierzyć ilość jonów tlenu.

Zmiana geometrii elementu ceramicznego czujnika ze stożkowej na płaską pozwala zmniejszyć masę czujnika.
W czujniku płaskim – element grzewczy stanowi jedną z warstw czujnika, natomiast w stożkowym stosowane są oddzielne elementy grzewcze.

Największym wyzwaniem w układach kontroli emisji ze sprzężeniem zwrotnym jest osiągnięcie krótkiego czasu uruchomienia czujnika i jego gotowości do pomiarów w cyklu testowym. Opracowanie szybkiego czujnika tlenu, o czasie odpowiedzi krótszym od wymaganego przez pętlę sprzężenia zwrotnego, umożliwia opracowanie nowych, wcześniej niedostępnych strategii kontroli składu spalin i emisji.

Autor: Maciej Blum
Na podstawie informacji dostarczonych przez Delphi.