Szerokopasmowe czujniki zawartości tlenu w spalinach – część 1.

Bosch
4.5.2010
Tematem kilku kolejnych artykułów będą tzw. szerokopasmowe czujniki tlenu. Są one montowane w układach wylotowych silników z zapłonem iskrowym (ZI) oraz coraz częściej również w układachwylotowych silników z zapłonem samoczynnym (ZS).

Możliwości pomiarowe szerokopasmowych czujników tlenu

Szerokopasmowy czujnik tlenu, we współpracy z układem sterującym, mierzy wartość współczynnika lambda (λ) składu mieszanki zasilającej silniki spalinowe oraz piece, powstałej z paliw płynnych
lub gazowych, w zakresie: od zawartości tlenu w spalinach pochodzących ze spalenia mieszanki, charakteryzowanej współczynnikiem lambda składu mieszanki λ = 0,65; do zawartości tlenu w otaczającym nas powietrzu.

Podstawą do określenia wartości współczynnika lambda (λ) składu mieszanki jest pomiar:

a) dla mieszanki ubogiej (λ > 1) - nadmiaru tlenu w spalinach pochodzących ze spalenia mieszanki ubogiej, w stosunku do zawartości tlenu w mieszance stechiometrycznej (λ = 1);
b) dla mieszanki bogatej (λ < 1) - niedoboru tlenu w spalinach pochodzących ze spalenia mieszanki bogatej, w stosunku do zawartości tlenu w mieszance stechiometrycznej (λ = 1);

Dwustanowe czujniki tlenu, napięciowe lub rezystancyjne, umożliwiają tylko określenie, czy spalona mieszanka była:
- bogata (λ < 1);
- uboga (λ > 1).

Czujniki zawartości tlenu w spalinach z mieszanek ubogich, umożliwiają wprawdzie pomiar wartości współczynnika lambda (λ) składu mieszanki, ale tylko dla mieszanek ubogich (λ > 1).

Szerokopasmowe czujniki tlenu różnych producentów
Szerokopasmowe czujniki tlenu różnych producentów mają bardzo podobną zasadę pracy, ale różnią się:
a) budową - wpływa to na ich diagnostykę, szczególnie wykonywaną oscyloskopem (dla zaawansowanych, pod warunkiem znajomości budowy szerokopasmowego czujnika tlenu danego
producenta);
b) charakterystyką, z której program sterownika, oraz często również diagnosta (przy odczycie ze sterownika tzw. parametrów bieżących pracy silnika), dowiaduje się o składzie spalonej mieszanki.

Zastosowanie szerokopasmowych czujników tlenu
Szerokopasmowy czujnik tlenu może być stosowany w tych wszystkich miejscach układu wylotowego silnika ZI, w których wcześniej w był wykorzystywany dwustanowy czujnik tlenu. Z tej zamiany wynikają
następujące korzyści.
1) Informacja o konkretnym składzie spalonej mieszanki, zamiast informacji, że spalona mieszanka była bogata lub uboga, umożliwia zmniejszenie tzw. odchyłki regulacji, układu regulacji składu mieszanki silnika ZI (silnik z trójfunkcyjnym konwerterem katalitycznym w układzie wylotowym silnika). Oznacza to, że regulowany skład mieszanki zasilającej silnik będzie się różnił o mniejszą wartość
od składu wymaganego, charakteryzowanego współczynnikiem lambda składu mieszanki λ = 1,00 (skład stechiometryczny).

2) Mniejsza zawartość składników szkodliwych w spalinach, co wynika z dokładniejszej regulacji składu mieszanki. Możliwe jest też obniżenie zawartości metali szlachetnych w konwerterze katalitycznym,
przy zachowaniu jego wysokiej sprawności.

3) Możliwość zastosowania indywidualnej regulacji składu mieszanki zasilającej poszczególne cylindry silnika. Jest to możliwe dzięki temu, że szerokopasmowy czujnik tlenu tak szybko mierzy wartości
współczynnika lambda (λ) składu mieszanki, że można je przyporządkować do mieszanki zasilającej poszczególne cylindry. Ta możliwość jest jeszcze rzadko wykorzystywana przez producentów
samochodów, ale ze względu na coraz niższe dopuszczalne emisje składników szkodliwych spalin w ciągu kilku lat stanie się standardem.

Szerokopasmowy czujnik tlenu jest również stosowany w układach wylotowych silników ZS (inne typy czujników tlenu nie były stosowane). Pozwala to na:
a) obniżenie emisji składników szkodliwych;
b) zmniejszenie zadymienia spalin przy pracy silnika z dużym obciążeniem;
c) dokładniejsze sterowanie silnikiem.

Sygnał szerokopasmowego czujnika tlenu jest niezbędny do kontroli procesów:
- usuwania (na drodze redukcji) tlenków azotu, zatrzymanych w magazynująco-redukującym konwerterze
katalitycznym;
- czyszczenia filtra cząstek stałych.

Ze względu na różnice konstrukcyjne pomiędzy szerokopasmowymi czujnikami tlenu różnych producentów, które wynikają przykładowo z zastrzeżeń patentowych, każdy czujnik będę opisywał oddzielnie. Jako pierwszy zaprezentuję szerokopasmowy czujnik tlenu firmy Bosch.

Szerokopasmowy czujnik zawartości tlenu w spalinach, typu LSU4.x, firmy Bosch
Jego widoki i przekrój przedstawiają rysunki 53. i 57. Element pomiarowy 1 (Rys. 53.), którego budowę prezentuje Rys. 54., jest wykonany w technice planarnej. Oznacza to, że wszystkie jego elementy są cienkimi płytkami, połączonymi w pakiet. W niektórych płytkach są wykonane kanały lub komory.

Szerokopasmowe czujniki tlenu typu LSU4.x cechują się:
a) krótkim czasem, po którym od chwili włączenia silnika, czujnik jest gotowy do pracy (tzw. czas light-off) - wynosi on nie więcej niż 5 sekund;
b) krótkim czasem odpowiedzi - jest to czas mierzony od chwili, w której czujnik tlenu zaczynają opływać spaliny pochodzące ze spalenia mieszanki o nowym, zmienionym składzie do chwili, w której o tym nowym składzie zaczyna informować czujnik tlenu;
c) dużą odpornością na zmiany temperatur i jej wysokie wartości - maksymalna temperatura spalin do 1030°C;
d) trwałością - odpowiada przebiegowi pojazdu wynoszącemu ok. 240 000 km.

Zapraszam do zapoznania się z budową tego czujnika tlenu. Więcej w majowym numerze autoEXPERTA.

O Autorze

autoEXPERT – specjalistyczny miesięcznik motoryzacyjny, przeznaczony dla osób zajmujących się zawodowo naprawą, obsługą, diagnostyką i sprzedażą samochodów oraz produkcją i sprzedażą akcesoriów motoryzacyjnych, części zamiennych i materiałów eksploatacyjnych.

autoExpert 7–8 2024

Chcesz otrzymać nasze czasopismo?

Zamów prenumeratę