2021-12-31
Układ regulacji składu mieszanki z jednym czujnikiem tlenu
2016-08-11
Dla każdych warunków pracy silnika, charakteryzowanych parą wartości: prędkość obrotowa i obciążenie silnika, program sterownika wymaga zasilania silnika mieszanką o wymaganym składzie. Charakteryzuje ją współczynnik lambda (λW) wymaganego składu mieszanki.
Wykresy na rysunkach od a do d, ilustrują pracę układu regulacji składu mieszanki, w czterech charakterystycznych okresach pracy, oznaczonych od I do IV, w ustalonych warunkach pracy silnika. Oznaczenia na rysunkach: B1 - wykres współczynnika lambda (λR) rzeczywistego składu spalonej w silniku mieszanki; B2 - wykres współczynnika lambda (λŚR) średniego składu spalonej w silniku mieszanki; B3 - punkt, w którym chwilowa wartość współczynnika lambda rzeczywistego składu mieszanki jest równa 1,00, co oznacza, że chwilowo silnik spala mieszankę stechiometryczną; C1 do C9 - charakterystyczne punkty wykresu napięcia sygnału napięciowego czujnika tlenu; D1 do D9 - charakterystyczne punkty wykresu czasu wtrysku; tW1, - pierwsza wartość czasu wtrysku, od której układ regulacji rozpoczyna pracę, po ustaleniu się nowych warunków pracy silnika; tOU – czas opóźnienia zmiany wartości sygnału czujnika tlenu, informującego o zmianie składu spalonej mieszanki w silniku z ubogiego na bogaty.
Dla uzyskania możliwie największej sprawności konwertera katalitycznego, w możliwie największej ilości warunków pracy silnika, program sterownika wymaga zasilania silnika mieszanką stechiometryczną, dlatego w większości pojazdów wartość współczynnika lambda (λW) wymaganego składu mieszanki jest równa jeden (rys. 1a). Ze względów technicznych nie jest możliwe zasilanie silnika mieszanką o stałym, wymaganym składzie, ze względu na działanie wielu czynników, które wpływają na skład mieszanki.
Sterowniki silników wyposażonych w konwerter katalityczny (wszystkie od ok. 20 lat), posiadają układ regulacji składu mieszanki. Z jednego lub dwóch czujników tlenu w spalinach, układ regulacji otrzymuje informacje o składzie spalonej mieszanki. Dzięki tym informacjom, skład mieszanki zasilającej silnik, charakteryzowany wartością współczynnika lambda (λR) rzeczywistego składu mieszanki, zmienia się w niewielkim zakresie (linia B1 wykresu na rys. 1b) w stosunku do wymaganego składu mieszanki (rys. 1 a). Mówi się wówczas, że układ regulacji składu mieszanki pracuje w pętli zamkniętej. Jeśli układ regulacji otrzymuje sygnał z jednego lub dwóch czujników tlenu, ale ich nie wykorzystuje do regulacji składu mieszanki, to mówimy, że układ regulacji składu mieszanki pracuje w pętli otwartej.
Układ regulacji składu mieszanki pracuje w pętli zamkniętej, w następujących warunkach pracy silnika:
- na biegu jałowym;
- w zakresie stałych małych i średnich obciążeń (do ok. 3/4 skoku pedału gazu, mierząc od jego pozycji w stanie nienaciśniętym);
- podczas łagodnego przyspieszania.
Układ regulacji składu mieszanki silnika z systemem OBDII/EOBD, zaczyna pracę nie później niż 15 sekund od chwili uruchomienia silnika. Dla silników starszej konstrukcji, ten czas jest dłuższy. Jeśli układ regulacji składu mieszanki pracuje w pętli zamkniętej, i warsztatowym analizatorem spalin (niezależnie od jego producenta) mierzymy wartość współczynnika lambda składu mieszanki, to nie zobaczymy rzeczywistych zmian składu spalonej mieszanki (wsp. λR, lina B1 wykresu na rys. 1a), ponieważ układ pomiarowy analizatora spalin za wolno reaguje na zmiany składu spalin. W konsekwencji warsztatowy analizator spalin uśrednia wartość współczynnika lambda, mierzy wartość współczynnika lambda (λŚR) średniego składu mieszanki (linia B2 wykresu na rys. 1 b).
Układ regulacji składu mieszanki z jednym napięciowym czujnikiem tlenu
Warto zobaczyć jak ten układ pracuje w warunkach ustalonych, w czterech charakterystycznych dla niego okresach pracy, oznaczonych od I do IV na rys. 1.
Okres I
Po ustaleniu się nowych warunków pracy silnika, początkowa wartość czasu wtrysku tW1(pkt. D1 na rys. 1d) powoduje wtryśnięcie dawki paliwa, która tworzy mieszankę bogatą lub ubogą (powstanie mieszanki stechiometrycznej jest możliwe, ale mało prawdopodobne). W przykładzie na rys. 1c, jest to mieszanka uboga (pkt. C1 na rys. 1c). Sterownik otrzymuje informację o składzie spalonej mieszanki od czujnika tlenu. Jego sygnał, sterownik interpretuje zgodnie z określoną zasadą. Ponieważ początkowo powstała mieszanka uboga, więc sterownik wzbogaca mieszankę, zwiększając czas wtrysku (odcinek D1 - D2 na rys. 1 d). Czas wtrysku wzrasta do chwili, gdy sterownik otrzyma od czujnika tlenu informację, że spalona mieszanka jest bogata (pkt. C2 na rys. 1c).
Okres Il
Informacja o spaleniu mieszanki bogatej, rozpoczyna cykl regulacji o pożądanym przebiegu zmian składu mieszanki - szybkie, w niewielkim zakresie w stosunku do wymaganego składu mieszanki. Konwerter katalityczny pracuje wówczas z możliwie najwyższą sprawnością. Jeden cykl regulacji składu mieszanki (odcinek C2 - C4 na rys. 1c i odcinek D2 - D4 na rys. 1d) jest opisany na rys. 2.
Okres III
Zmiana składu mieszanki z bogatej na ubogą (punkt C5 na rys. 1c) powoduje, że mieszanka jest ponownie wzbogacana, przez zwiększenie czasu wtrysku (od pkt. D5 na rys. 1d). Oczekiwana zmiana składu mieszanki, z ubogiej na bogatą (punkt C6 na rys. 1c), nastąpiła jednak dopiero po zwiększeniu czasu wtrysku o wartość większą niż w poprzednim cyklu regulacji (odcinek D5 - D6 na rys. 1d). Mimo, że nie zmieniły się warunki pracy silnika, pożądany przebieg zmian składu mieszanki następuje przy zmianach czasu wtrysku w wyższym zakresie wartości (odcinek D6 - D7 na rys. 1d), w porównaniu z cyklami regulacyjnymi w okresie Il (odcinek D2 - D5 na rys. 1d). Jest to spowodowane działaniem jakiegoś czynnika, wpływającego na skład powstającej mieszanki. Układ regulacji nie wie jaki to czynnik, ale stwierdza jego działanie.
Okres IV
Na skład powstającej mieszanki ponownie wpłynął jakiś czynnik, który zmusił układ regulacji składu mieszanki do poszukiwania nowego zakresu zmian wartości czasu wtrysku (odcinek C7 - C8 na rys. 1c i odcinek D7 - D8 na rys. 1 d). Nowy zakres zmian czasu wtrysku, leży w niższym zakresie wartości w porównaniu z cyklami regulacyjnymi w okresie III (odcinek DB - D9 na rys. 1 d).
Podsumowanie
Przebieg pracy układu regulacji składu mieszanki:
- w okresie I - typowy dla każdorazowego ustalania się nowych warunków pracy silnika
- w okresie Il - najlepszy ze względu na sprawność konwertera katalitycznego
- w okresie III i IV - charakterystyczny, po wpływie pewnych czynników zmieniających skład mieszanki zasilającej silnik
Układ regulacji składu mieszanki z jednym szerokopasmowym czujnikiem tlenu
Napięciowy czujnik tlenu informuje sterownik tylko o tym, czy spalona mieszanka była bogata czy uboga. Szerokopasmowy czujnik tlenu informuje sterownik o składzie spalonej mieszanki. Pozwala
zmniejszyć zakres zmian składu spalonej mieszanki, w stosunku do składu wymaganego, podczas pracy układu regulacji; regulować skład mieszanki w celu uzyskania innych niż stechiometryczny wymaganych składów mieszanek.
Układ regulacji składu mieszanki z napięciowym czujnikiem tlenu, umożliwia zasilanie silnika mieszanką stechiometryczną tylko przez bardzo krótkie chwile. Analizując wykres współczynnika lambda składu spalonej mieszanki (rys. 3), regulowanego z wykorzystaniem szerokopasmowego czujnika tlenu, widać, że jeśli na skład mieszanki nie wpływają na żadne czynniki zmieniające go, to przez krótkie okresy czasu skład mieszanki zasilającej silnika jest równy składowi wymaganemu (stechiometrycznemu na rys. 3). Dzięki temu konwerter katalityczny skuteczniej oczyszcza spaliny.
Zdjęcia i tekst pochodzą z artykułu „Układ regulacji składu mieszanki z jednym czujnikiem tlenu” w dodatku technicznym do Wiadomości IC Analiza składu spalin silników ZI cz. 2 nr 30/Marzec 2009
