Precyzyjny pomiar - szerokopasmowe sondy lambda

Rolę jaką spełnia sonda lambda wyjaśnialiśmy już na łamach naszego portalu. Opis dotyczył jednak wąskopasmowej sondy, która sprawdza się w silnikach pracujących na mieszance stechiometrycznej – np. większość silników ZI. W dieslach lub jednostkach silnikowych wykorzystywanych w sporcie potrzebna jest szerokopasmowa sonda lambda.

Przypomnijmy, że sonda lambda służy do pomiaru stosunku powietrza do paliwa w mieszance paliwowo-powietrznej. Mieszanka stechiometryczna (idealna) to taka, w której na każdy 1 kg spalonego paliwa, przypada 14,7 kg powietrza. Dla takiej mieszanki wartość lambdy równa jest 1.

Wyższa wartość oznacza mieszankę bogatą, a niższa – ubogą. Dwustanowa sonda lambda (wąskopasmowa) wskazuje jedynie fakt, że spalana jest mieszanka bogata lub uboga. Nie jest w stanie określić dokładnego składu mieszanki, jak bardzo jest ona bogata, lub jak bardzo uboga. Dla pierwszej z nich generuje napięcie w zakresie 0,9 – 1 V, a dla drugiej, ubogiej mieszanki, napięcie wynosi 0 V.

Na mieszance stechiometrycznej pracują np. silniki benzynowe współpracujące z trójfunkcyjnym katalizatorem. Niektóre "benzynowce" z bezpośrednim wtryskiem paliwa potrzebują być zasilane mieszanką ubogą. To samo tyczy się silników Diesla. Idąc w drugą stronę, w silnikach wyczynowych wykorzystywanych do sportu, mieszanka powinna być bogata dla osiągnięcia maksymalnej mocy. W pierwszym przypadku interesująca nas wartość lambdy może wynosić np. 1,5. W drugim przypadku będzie to już np. 0,8.

Aby umożliwić regulację silników poza stechiometrycznym punktem pracy opracowano szerokopasmowe sondy lambda. Wytwarzają one sygnał proporcjonalny do resztkowej zawartości tlenu w gazach spalinowych. Ten sygnał dostępny jest w szerokim zakresie stosunku powietrza do paliwa.

W szerokopasmowej sondzie lambda znajdują się komory: pomiarowa, detekcyjna i pompowa. Komora detekcyjna jest omywana przez spaliny, w których znajduje się (bądź nie) pewna ilość tlenu. Przy pomocy komory pomiarowej mierzy się zawartość tlenu w gazach spalinowych, a następnie porównuje ja do wartości zadanej, jaką jest 0,45 V (na ogniwie stężeniowym Nernsta). Każde odchylenie od tej wartości powoduje włączenie prądu pompy w komorze pompowej. Następuje wypompowanie lub wpompowanie takiej wartości tlenu, aby wartość napięcia w komorze pomiarowej stale wynosiła 0,45 V.

Prąd jaki generuje pompa jest wielkością pomiarową, która dokładną wartość lambda mieszanki paliwowo-powietrznej opisuje niemal liniowo. Na podstawie ilości tlenu, który należy wpompować lub wypompować określana jest wartość lambda. Dla stechiometrycznej mieszanki wartość prądu generowanego przez pompę wynosi zero, ponieważ ciśnienie cząstkowe tlenu w komorze detekcyjnej odpowiada podanej powyżej wartości zadanej (0,45 V).

Zaletami szerokopasmowych sond lambda są:

• szybka gotowość do racy
• monolityczny element z wbudowaną grzałką
• odporność na temperaturę
• wysoka niezawodność
• hermetyczna struktura oznacza własne wytwarzanie odniesienia tlenu

Najczęściej stosowaną szerokopasmową sondą lambda jest sonda LSU-4 BOSCHa posiadająca 5 przewodów: biały, czarny, szary, czerwony, żółty. Występują również szerokopasmowe sondy 6-przewodowe. Pięć połączeń przewodowych posiadają także sondy NTK. W tych sondach element grzejny zasilany jest prądowo przewodem żółtym i niebieskim. Sygnał prądu pompy korzysta z białego przewodu, a sygnał komory pomiarowej z szarego. Czarny przewód stanowi połączenie do masy komory pompy i komory pomiarowej.