Sonda lambda - rola, budowa i działanie

Zacznę od krótkiego słowa wstępu, które przy okazji wyjaśni także genezę nazewnictwa czujnika, jakim jest sonda lambda. Zastanówmy się zatem, po co w ogóle regulować skład mieszanki paliwowo-powietrznej.

Stosunek powietrza do paliwa w mieszance oznaczany jest literą lambda. Mieszanka idealna (stechiometryczna) to taka, w której na każdy 1 kg spalonego paliwa, przypada 14,7 kg powietrza. Wówczas lambda jest równa 1. Wyższa wartość oznacza mieszankę ubogą – za dużo powietrza, za mało paliwa. Wartość lambdy poniżej 1 oznacza mieszankę bogatą – czyli za mało powietrza, za dużo paliwa.

Wartość lambdy ma także wpływ na emisję trujących związków w spalinach. Najważniejsze z nich to węglowodory (HC), tlenki azotu (NOx), tlenek węgla (CO). Ilość tych składników w spalinach jest silnie uzależniona od składu mieszanki paliwowo-powietrznej, i istnieje wąski zakres (w okolicy lambdy równej 1), w którym ilość wszystkich trzech jest najmniejsza.

Sonda lambda umieszczana jest w układzie wydechowym pomiędzy silnikiem, a katalizatorem. Jest ona wkręcana w kanał wydechowy i część pomiarowa sondy znajduje wewnątrz niego, dzięki czemu ma bezpośrednią styczność z przepływającymi spalinami. Czynnikiem odniesienia jest powietrze na zewnątrz układu wydechowego, i dlatego druga część sondy znajduje się na zewnątrz.

Aby czujnik mógł prawidłowo działać, temperatura spalin musi być wyższa niż 300 stopni Celsjusza. Dzieje się tak, ponieważ dopiero powyżej tej temperatury, spiek ceramiczny dwutlenku cyrkonu, z którego wykonana jest część pomiarowa sondy, staje się przepuszczalny dla jonów tlenu zawartych w spalinach. Staje się on po prostu swoistym elektrolitem zdolnym do przewodnictwa jonowego. Aby sonda lambda mogła szybciej osiągać temperaturę pracy, czasem stosowane są dodatkowe grzałki. Górną granicą wytrzymałości czujnika pomiarowego jest temperatura 800 stopni Celsjusza.

Na rysunku został przedstawiony schemat działania sondy lambda. Przedstawia on kanał wydechowy, umieszczoną w nim sondę oraz opływające ją spaliny (1). Zewnętrzna warstwa czujnika stanowi ochronę termiczną (7). Wkład ceramiczny został zaznaczony na żółto (3). W odpowiedniej temperaturze przepływające jony tlenu powodują powstanie napięcia między elektrodami (6). Zmienia się ono zależnie od ich ilości.

Im więcej tlenu w spalinach, tym niższe napięcie generowane jest na sondzie, i na odwrót, niewielka ilość jonów tlenu powoduje wysokie napięcie. Zmienia się ono skokowo co 0,5 V, jako że wartości które nas interesują znajdują się w pobliżu 0,1 V (mieszanka uboga) oraz 0,9 V (mieszanka bogata). Pomiędzy nimi wartość lambda wynosi 1.

Informacja o napięciu na sondzie lambda wysyłana jest do modułu sterującego pracą silnika. Ten odpowiednio koryguje skład mieszanki w taki sposób, aby w każdych warunkach obciążenia silnika, rodzaju paliwa i warunków atmosferycznych zapewnić jak najlepszą jego pracę. Pomiar sygnału odbywa się ok. 100 razy na sekundę, natomiast korekcja wykonywana jest 300 razy na minutę.

Obecnie często stosuje się więcej niż jedną sondę lambda po to, aby można było kontrolować skład mieszanki w każdym cylindrze osobno. Nie dochodzi wówczas do sytuacji, w której jeden cylinder otrzymuje mieszanką za bogatą, a drugi za ubogą. Trwałość sondy lambda określa się na ok. 100 tys. km.