Napięciowy czujnik tlenu w spalinach

Zawartość tlenu równowagowego w spalinach 

Tlen, znajdujący się w mieszance paliwowo-powietrznej, jest wykorzystywany w procesie spalania w silniku. Równolegle do procesu spalania, rzec można konkurencyjnie, przebiega proces wiązania się azotu i tlenu. Oba gazy są składnikami powietrza. Do temperatury ok. 1800°C nie reagują z sobą. Przy panujących w komorze spalania ciśnieniach i lokalnych temperaturach, wyższych niż 1800°C, pomiędzy azotem i tlenem zachodzą reakcje, w wyniku których powstają tlenki azotu (NO_X) Powstające tlenki azotu zmniejszają ilość tlenu w komorze spalania, który mógłby być potrzebny w procesie spalania. 

W spalinach opuszczających komory spalania silnika jest tzw. wolny tlen. Jest to suma: 

- tlenu niewykorzystanego w procesie spalania (lokalny brak warunków do procesu spalania, nieprawidłowy skład mieszanki, za mało czasu); 

- tlenu zbędnego w procesie spalania paliwa (jeśli spalana jest mieszanka uboga). 

Aby można określić skład spalonej mieszanki na podstawie zawartości tlenu spalinach należy najpierw wydzielić ze spalin tzw. tlen równowagowy. W każdym z typów czujników tlenu, tlen równowagowy jest wydzielany ze spalin przez przywrócenie równowagi termodynamicznej pomiędzy składnikami spalin 1 (rys. 1), w miejscu ich styku z warstwą katalityczną 2, która wchodzi w skład elementu pomiarowego każdego czujnika tlenu. 

Podczas przywracania równowagi termodynamicznej pomiędzy składnikami spalin (rys. 1): 

1. następuje redukcja (rozkład) tlenków azotu (NO_X) na azot (N₂) i tlen (0₂); 

2. tlen (0₂) „odzyskany" z tlenków azotu oraz wolny tlen znajdujący się w spalinach, są wykorzystywane do utlenienia (dopalenia) znajdujących się w spalinach tlenku węgla (CO) i niespalanych w silniku węglowodorów (HC), tak by powstał dwutlenek węgla (CO₂) i para wodna (H₂O). 

Ilość tlenu równowagowego wydzielonego ze spalin w następstwie powyższych reakcji, jest mierzona przez czujnik tlenu. Warto dodać, że analizatory spalin mierzą w spalinach zawartość tzw. wolnego tlenu, a więc mierzą inną zawartość tlenu w spalinach.

Budowa i zasada działania napięciowego czujnika tlenu w spalinach 

To najczęściej stosowany typ czujnika tlenu w spalinach. Rys. 2 prezentuje przekrój elementu pomiarowego napięciowego czujnika tlenu, typu „kubkowego". Jest to najważniejsza część każdego czujnika tlenu. Zewnętrzna strona elementu pomiarowego jest omywana strumieniem spalin, płynących przez układ wylotowy. Wnętrze elementu pomiarowego czujnika 8 jest wypełnione powietrzem atmosferycznym - nazywamy go powietrzem odniesienia. Zawartość tlenu w powietrzu odniesienia jest przyjęta za stałą. Najważniejszą częścią napięciowego czujnika tlenu jest stały elektrolit 3 (rys. 2) wykonany z dwutlenku cyrkonu ZrO₂, stabilizowanego tlenkiem itru Y₂O₃- nazywany potocznie ceramiką specjalną. Obie strony ceramiki specjalnej są pokryte cienkimi warstwami platyny 2 i 7, o porowatej strukturze, przepuszczalnej dla gazu. Wewnętrzna warstwa platyny 7 jest elektrodą dodatnią. Styka się ona z powietrzem odniesienia 8. Zewnętrzna warstwa platyny 2, omywana spalinami, jest elektrodą ujemną. Elektroda zewnętrzna 2 i ceramika specjalna 3 są chronione przed pozostałościami procesu spalania przez warstwę porowatej ceramiki ochronnej 1. Złącza 4 i 5, są elementami połączeniowymi elektrod 2 i 7. 

Temperatura pracy elementu pomiarowego wynosi od 350°C do 850°C (temperatura optymalna ok. 600°C). Nowoczesne czujniki tlenu, nazywane np. przez firmę NGK/NTK niskotemperaturowymi, mogą pracować już przy temperaturze elementu pomiarowego ok. 220°C do 250°C. Pomiar zawartości tlenu w spalinach rozpoczyna się od przywrócenia równowagi termodynamicznej pomiędzy składnikami spalin, na styku spalin z elektrodą ujemną 2. W jej wyniku następuje wydzielenie ze spalin tlenu równowagowego. Jego ilość jest mierzona przez porównanie ze stałą zawartością tlenu w powietrzu odniesienia. Sygnałem napięciowego czujnika tlenu jest napięcie U_S, pomiędzy elektrodami 2 i 7, mierzone woltomierzem 6. Jego wartość zależy od ilości tlenu równowagowego, czyli od składu spalonej mieszanki, co ilustrują rys. 3 i 4. Charakterystykę napięciowego czujnika tlenu, czyli zależność wartości napięcia sygnału U_S od składu spalonej mieszanki, przedstawia rys. 5. Punktem szczególnym wykresu jest tzw. napięcie odniesienia U_O. Jest to wartość napięcia sygnału napięciowego czujnika tlenu, występująca wówczas, gdy spaliny omywające element pomiarowy pochodzą ze spalenia mieszanki stechiometrycznej (λ = 1 ,00). Napięcie odniesienia ma wartość w zakresie od 400mV do 500mV - przyjmijmy 450mV. 

Wartość napięcia odniesienia U_O jest wykorzystywana przez program sterownika do interpretacji sygnału czujnika tlenu. Jeśli wartość napięcia sygnału U_S jest większa od wartości napięcia odniesienia, to program sterownika interpretuje, że spaliny opływające napięciowy czujnik tlenu, pochodzą ze spalenia mieszanki bogatej. Jeśli wartość napięcia sygnału U_S  jest mniejsza od wartości napięcia odniesienia, to program sterownika interpretuje, że spaliny opływające napięciowy czujnik tlenu, pochodzą ze spalenia mieszanki ubogiej.

Sterownik, współpracujący z napięciowym czujnikiem tlenu, otrzymuje za jego pośrednictwem tylko jedną z dwóch informacji: spalona mieszanka była bogata lub uboga. Sterownik nie poznaje dokładnego składu spalonej mieszanki. 

Zdjęcia i tekst pochodzą z artykułu „Napięciowy czujnik tlenu w spalinach” w dodatku technicznym do Wiadomości IC Analiza składu spalin silników ZI cz. 2 nr 30/Marzec 2009