Zużycie lub uszkodzenia napięciowego czujnika tlenu a praca układu regulacji składu mieszanki

Ze strumienia spalin opływającego ceramikę specjalną (słaby elektrolit), przenikają do niej takie substancje jak: ołów, siarka, bar, chlor, krzem, wapń, magnez, fosfor, związki cynku, tlenki żelaza i popiół z oleju silnikowego. Pochodzą z paliwa, oleju silnikowego oraz są produktami zużycia ściernego i korozyjnego silnika. Powodują zmiany charakterystyki napięciowego czujnika tlenu, przedstawione na rys. 1. Jeśli silnik spala paliwo o niskiej jakości, olej silnikowy ma niską jakość lub silnik spala nadmierne ilości oleju silnikowego, procesy starzenia czujnika tlenu zachodzą szybciej - następuje jego uszkodzenie. 

Typowe dla napięciowych czujników tlenu, występujące przy normalnym eksploatacyjnym zużyciu, jest przesunięcie charakterystyki czujnika w kierunku mieszanek ubogich (linia 2, rys. 1). Zakres zmian regulowanego składu mieszanki oraz średni skład mieszanki (mierzony analizatorem spalin) przesuwa się wówczas w kierunku mieszanek ubogich (linia C, rys. 4). Obniża to zdolność trójfunkcyjnego konwertera katalitycznego do usuwania ze spalin tlenków azotu.

Charakterystyka napięciowego czujnika tlenu może również przesunąć się w kierunku mieszanek bogatych (linia 3, rys. 1). Zakres zmian regulowanego składu mieszanki oraz średni skład mieszanki, przesuwają się wówczas w kierunku mieszanek bogatych (linia D, rys. 4). Obniża to zdolność trójfunkcyjnego konwertera katalitycznego do usuwania ze spalin tlenku węgla i węglowodorów. 

Układ regulacji składu mieszanki z jednym czujnikiem tlenu w układzie wylotowym, nie jest w stanie wykryć przesunięcia jego charakterystyki. Starzenie się napięciowego czujnika tlenu, oprócz zmiany charakterystyki, powoduje zmianę jego zachowania się (odpowiedzi), na zmiany składu mieszanki (rys. 2a), z której pochodzą spaliny opływające czujnik tlenu - z ubogiego na bogaty lub z bogatego na ubogi.

Zawsze, również gdy czujnik tlenu jest nowy, jego sygnał z opóźnieniem informuje o tych zmianach. Miarą opóźnienia są (rys. 2b, c i d): 

t_OU -czas opóźnienia zmiany wartości sygnału czujnika tlenu, informującego o zmianie składu spalonej mieszanki z ubogiego na bogaty, mierzony od chwili zmiany składu spalonej mieszanki, do chwili, gdy wartość rosnącego napięcia sygnału czujnika tlenu osiągnie wartość większa od 0,45V.

t_OB -czas opóźnienia zmiany wartości sygnału czujnika tlenu, informującego o zmianie składu spalonej mieszanki z bogatej na ubogą, mierzony od chwili zmiany składu spalonej mieszanki, do chwili, gdy wartość malejącego napięcia sygnału czujnika tlenu osiągnie wartość mniejszą od 0,45V. Czas ten jest mierzony na specjalnych stoiskach do testów czujników tlenu. 

Dla nowego czujnika tlenu (rys. 2b): czasy t_OU i t_OBpowinny być prawie jednakowe (w dobrych jakościowo czujnikach tlenu) a zmiany wartości napięcia szybkie. Przebieg sygnału nowego czujnika tlenu, pracującego w układzie regulacji składu mieszanki, przedstawia wykres na rys. 3a. Średni skład regulowanej mieszanki (linia B, rys. 4; mierzony analizatorem spalin) jest bliski składowi wymaganemu (linia A, rys. 4). 

Starzeniu czujnika tlenu towarzyszy obniżanie się szybkości wzrostu lub spadku wartości sygnału czujnika tlenu (rys. 2c i d). Zwiększają się również wartości czasów t_OU i  t_OB. Więcej czasu upływa więc od chwili zmiany składu mieszanki do chwili zmiany wartości sygnału czujnika tlenu. Układ regulacji składu mieszanki później dowiaduje się o tych zmianach.

Są czujniki tlenu (nowsze konstrukcje, markowych producentów), które cechują się tym, że czasy t_OU i t_OBrosną, ale nadal są prawie równe (rys. 2c). Sygnał czujnika tlenu, pracującego w układzie regulacji składu mieszanki (wykres na rys. 3b) zmienia się wolniej, ale bez istotnego zmniejszenia jego amplitudy ΔU₂Zwiększa się zakres zmian regulowanego składu mieszanki (chwilowo ulega ona większemu wzbogaceniu lub zubożeniu), ale nie zmienia się średni skład mieszanki (może to być jednak następstwem przesunięcie charakterystyki czujnika tlenu - rys. 1). 

Są jednak również czujniki tlenu (starsze konstrukcje, niemarkowych producentów, uszkodzone niektórymi substancjami chemicznymi), które cechują się tym, że czasy t_OU i  t_OBrosną, ale wraz z postępującym starzeniem, czas t_OBjest coraz większy od czasu t_OU(rys. 2d). Sygnał czujnika tlenu, pracującego w układzie regulacji składu mieszanki (wykres na rys. 3c) zmienia się wolniej. Zmniejsza się również amplituda sygnału ΔU₃czujnika tlenu, co spowodowane jest wolniejszym spadkiem wartości sygnału, po zmianie składu mieszanki z bogatego na ubogi (rys. 2d). Zwiększa się zakres zmian regulowanego składu mieszanki (chwilowo ulega ona większemu wzbogaceniu lub zubożeniu), a średni skład mieszanki staje się uboższy (linia C, rys. 4). Typowemu procesowi zużycia czujników tlenu towarzyszy ubożenie składu regulowanej mieszanki. Aby zmniejszyć negatywne następstwa procesu starzenia, nowe czujniki tlenu (informacja z firm Bosch i NGK/NTK) cechują się tym, że wartość współczynnika lambda (Δ_ŚR) średniego składu mieszanki, regulowanego z wykorzystaniem sygnału nowego czujnika tlenu, wynosi 0,99.

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