Lambdasonde

Ny og gammel iltsensor

Lambdasonden (eller λ -sonden, hvor λ refererer til den relative dosis , ofte forkortet som λ), er en sensor , der måler koncentrationen af ​​ilt . ​ Det bruges til at kontrollere kvaliteten af ​​en forbrænding. Når forbrændingen er støkiometrisk , er mængden af ​​oxygen til stede i forbrændingsgasserne nul eller ubetydelig, og i dette tilfælde er det relative luft-brændstofforhold (λ) lig med en. Når blandingen er for rig på brændstof, så er λ < 1. ]

Automotive

Opvarmet iltsensor

I forbrændingskøretøjer er iltsensoren placeret i udstødningskanalen, umiddelbart før katalysatoren , så den kan måle koncentrationen af ​​ilt i forbrændingsgasserne, før de undergår nogen ændring. Iltmålingen er repræsentativ for blandingens rigdom, en størrelse, som sonden omdanner til en spændingsværdi og kommunikerer til motorens styreenhed. ]

Udstødningsgasser

Forbrændingsgasserne fra en Otto- motor , eksplosion (benzin), består af ca. 80 % nitrogen, som næsten ikke deltager i den kemiske reaktion ved forbrænding, 14-16 % kuldioxid eller CO ₂ , og resten vand (damp) , foruden en lille andel af forurenende stoffer, hvor de vigtigste er kulbrinter (HC) og kulilte (CO). Den resterende ilt er cirka 0,3 %. Dens andel varierer meget afhængigt af doseringen .

Forfatning

Lukket cyklus drift: 1 luftflowmåler; 2 og 3 katalysatorer; 4 injektorer; 5 forreste lambdasonde; 6 bageste lambdasonde; 7 benzin ankomst; 8 luftindtag fra filter; 9 udstødning

Selve sonden består af en keramisk del og zirkonium- eller titaniumelektroder . Udstødningsgasserne er i kontakt med sonden, og den tager information om andelen af ​​resterende ilt efter forbrænding.

Betjening: den lukkede sløjfe

Denne information overføres til det elektroniske indsprøjtningscenter , og dette center kan således regulere mængden af ​​brændstof, der sprøjtes ind i cylinderen , for at holde forholdet så tæt på 1/14,7 kaldet det støkiometriske forhold .

Målingen er baseret på mængden af ​​ilt, der er tilbage i gassen, der evakueres fra udstødningsrøret. Lambdasonden er en af ​​de vigtigste korrektionssensorer inden for kontrolelektronik , kendt som lambdaregulering til katalytisk rensning af den udsendte gas, populært kaldet reguleret katalysator. Sensoren er baseret på to forskellige principper for målinger: spændingen af ​​en elektrolyt ( Walther Nernst probe ) og en variation af den elektriske modstand af en keramisk modstand (modstandssonde).

Dens hovedanvendelsesområde er forbrændingsmotoren , primært brændstofindsprøjtning Otto-cyklus , men den bruges også til at regulere gassen, der udsendes fra kondenserende kedler og dieselmotorer .

Den første version af lambdasonden blev udviklet i 1976 af det tyske firma Bosch og anvendt på Volvo 240 . ]

Nernst sondefunktion

Den ene side af den keramiske sensor er udsat for udstødningsgasstrømmen, mens den anden er baseret på en dioxygenniveaureference. I de fleste tilfælde anvendes omgivende luft, gennem en åbning i sonden eller over en luftføring. Dette forhindrer referenceværdien i at blive påvirket af mulig forurening fra vand, olie eller brændstofdampe. Hvis proben skulle blive forurenet, ville mængden af ​​dioxygen i referencen blive reduceret, og derved reducere probespændingen. I tilfælde af en pumpet reference er omgivende luft ikke påkrævet, men dioxygenreferencen er baseret på en strøm af ioner fra udstødningsgassen.

Ved temperaturer over omkring 300 °C bliver sondens keramik, lavet af zirconiumdioxid og yttrium , en leder af negative oxygenioner. Koncentrationsforskellen giver anledning til en diffusion af ioner fra den evakuerede gas. Iltatomer kan bevæge sig i keramikken som dobbelt negativt ladede ioner. De elektroner, der er nødvendige for ionisering af oxygenatomer, forsynes af elektroderne, som er elektroniske ledere. På denne måde kan spændingen af ​​sonden mellem platinelektroderne , der er placeret inde og ude, tages. Denne information overføres gennem ledningerne til den elektroniske motorstyringsenhed. Værdien er for λ>1 ( mager blanding , mangel på brændstof eller overskydende luft) mellem 0 og 150 mV, for λ<1 (rig blanding), overskydende brændstof eller mangel på luft) mellem 800 og 1000 mV. Den målte spænding er beskrevet i Nernst-ligningen . I et meget snævert område omkring λ=1, kaldet λ-vinduet, er den karakteristiske kurve ekstremt stejl. Spændingen ændres i vinduet i forhold til brændstof-luftblandingen på en meget pludselig måde, hvorved disse svingninger gør blandingen støkiometrisk eller næsten støkiometrisk. I denne zone er værdierne af CO og HC relativt lave, såvel som for NOx, hvilket gør det muligt for katalysatoren at arbejde under de mest gunstige forhold.

Modstandssondefunktion

Modstandssonden bruges meget hyppigt.

Sensoren er sammensat af en titaniumdioxid halvledende keramik . Ladningsbærere er skabt af iltfrie steder, der fungerer som donorer. Når ilt nærmer sig, fyldes de tomme positioner, hvilket reducerer antallet af frie bærere. Det er ikke iltionerne, der giver ledningsevnen, men ilten.

Den elektriske ledningsevne σ i arbejdsområdet er beskrevet af Arrhenius-ligningen med en aktiveringsenergi E _A :

$\sigma =A\cdot e^{-{\frac {E_{A}}{k\cdot T}}}\cdot p(O)^{-1/4}$

Signalet genereres med en spændingsdeler med en uforanderlig elektrisk modstand.

Brug i motorer

Volvo 240, den første bil udstyret med en lambdasonde

På Otto- motorer er sonden normalt skruet ind i udstødningen før katalysatoren. I køretøjer med strenge lovkrav med hensyn til renheden af ​​den evakuerede gas og selvdiagnose , bruges flere sonder. I motorer med V -cylindre , en sonde pr. cylinderbank , eller endda en pr. cylinder til selektiv regulering af cylindrene.

Motorstyringen er i stand til hele tiden at modulere indsprøjtningsmængden, så sammensætningen af ​​udstødningsgasserne har en lambdafaktor på omkring 1. På den måde opnås to krav samtidigt: Motoren får en blanding meget tæt på det ideelle kl. alle tider og katalysatorens arbejdsbetingelser er sikret.

I moderne turboladede Otto-motorer er sonden placeret efter turboladeren .

Operation

En korrekt lambdafaktor er en væsentlig parameter for kontrol af forbrænding og renlighed af de gasser, der evakueres af 3-vejs katalysatoren. I bilverdenen overtog lambdasonden først det amerikanske marked på grund af de vigtige juridiske begrænsninger vedrørende emissioner, for senere at få en vigtig rolle i Europa.

I den klassiske Otto-motor bruges en opvarmet iltsonde HO2S (Nernst-sonde) eller λ=1 -sonde til at måle doseringen . Probesignalet svinger konstant mellem en høj værdi og en lav værdi. Dette stammer fra opførselen af ​​probesignalet i transit mellem en rig blanding (λ<1) og en mager blanding (λ>1). Lambdasondesignalet laver et karakteristisk spring i sit spændingssignal under de førnævnte transitter mellem værdierne 0,8 - 0,9 V, når blandingen er rig (λ<1) og 0,1-0,2 V, når blandingen er mager (λ>1) .

Forsamling

De første lambdasonder blev monteret som fingersonder . Selve sensoren er formet som en hue med den evakuerede gas udenfor og referenceluften indeni.

Plane sensorer med flere lag, hvori varmefunktionen allerede er integreret, bliver mere og mere almindelige.

Det keramiske element er omgivet af et beskyttende rør. Funktionen er, at føleren holder den ønskede temperatur og samtidig undgår mekaniske skader. For at gassen kan trænge ind i røret, har den små huller.

Forordning

Lambdasonden sammenligner permanent restiltindholdet i gassen med iltindholdet i luften og sender resultatet i form af et analogt elektrisk signal til en elektronisk styreenhed, som ud fra denne information sammen med andre parametre sender et styresignal til at ændre blandingen, hvilket generelt i Otto-motorer ikke er andet end at tilpasse mængden af ​​indsprøjtet materiale eller lambdaregulering. I køretøjer med OBD skal reguleringsfunktionen af ​​lambdasonden og den elektroniske styreenheds overvågningssonde kontrolleres. Denne kontrol sker sporadisk. Den elektroniske styreenhed overvåger:

1. spændingsområdet (maksimalt 300 millivolt i reguleringssonden)
2. amplituden af ​​pulsbredden
3. reguleringsfrekvens
4. afbrydelse af varmespiralen
5. kontakt med jorden

I tilfælde af en funktionsfejl vil den elektroniske styreenhed aktivere OBD-ikonet.

Dieselmotorer og den såkaldte letblanding Otto-motorer fungerer ikke, eller gør det på en usædvanlig måde, i λ-vinduet . Især dieselmotoren er et klassisk letblandingskoncept, der altid arbejder med et overskud af luft (λ>1). Dieselmotorer, der udsender en alt for mørk blanding gennem udstødningsrøret, kræver normalt vedligeholdelse, har et problem, eller også er den indsprøjtede blanding blevet manipuleret ved hjælp af "Chip-Tuning". Til regulering af dieselmotorer og letblandings-Oto-motorer kan en sonde med værdien λ=1 ikke anvendes, da signalernes opførsel med let eller tung blanding ikke kan evalueres.

Bredbåndssonar

Til dette formål blev bredbåndssonaren oprettet . Samlingen af ​​en sådan sonde er mere kompleks: den består af lag med integrerede varmelegemer. Måleprincippet er baseret på 3 dele:

• diffusionskanalen (blå) mellem gasudløbet og den målte gas fra Nernst-cellen,
• pumpecellen (lyserød) ligeligt mellem gasudløbet og den målte gas fra Nernst-cellen,
• Nernst-cellen (grøn) mellem den målte gas og referencegassen (luft).

Den målte gas fra Nernst-cellen påvirkes ikke kun af den evakuerede gas, men også af en pumpet flow diffusionskanal. Den pumpede strøm reguleres på en sådan måde, at strømmen af ​​oxygen genereret af den elektriske strøm fra pumpecellen afbalancerer strømmen af ​​oxygen fra diffusionskanalen; på denne måde forbliver gassen i λ=1. Det pumpede flow pumper i tilfælde af en ladet blanding af oxygenioner i den afmålte gas i Nernst-cellen og evakuerer, hvis blandingen er let. Afhængig af strømningens karakteristika kan lambdaen for den evakuerede gas bestemmes. Flowregulering er opgaven for en elektronisk chip i motorens elektroniske styreenhed. NOx-sensoren bruges i køretøjer med en NOx-lagringskatalysator. Samlingen og modus operandi af disse prober svarer til bredbånds lambda-proberne.

Sondeopvarmning

Da temperaturen på en kold motor er et godt stykke under 300 °C, virker sensoren (og dermed styresystemet) ikke (eller virker i begrænset omfang). Derfor har alle sonder i dag et indbygget varmeelement, så sonden når den rigtige temperatur. Takket være dette garanterer de korrekt drift af sonden selv under motorens opvarmningsfase. Den optimale driftstemperatur er, for λ=1 sonder, mellem 550 og 700 °C. Bredbåndsvarianter fungerer ved temperaturer mellem 100 og 200 °C højere.

Elektriske aspekter

For at undgå interferens og fejlfunktioner af det følsomme styreelement forårsaget af spændingsvariationer, bruges køretøjets fælles jord ikke længere til opvarmning og sensorspænding, men et separat kabel til jord og signaler forbundet direkte til den elektroniske styreenhed.

Overvågningssonde

I den seneste generation af Otto-motorer bruges en anden sonde til at overvåge katalysatorens funktion og er placeret bagved. Den elektroniske motorkontrolenhed kan sammenligne værdierne af sonden før katalysatoren med værdierne af overvågningssonden. Hvis katalysatoren er i perfekt stand, er der en efterfølgende reaktion fra overvågningssonden på signalet fra den første sonde. Hvis katalysatoren ikke længere er i perfekt stand, kan den miste sin iltlagringskapacitet og dermed reducere afstanden mellem katalysatorsonden og overvågningssonden. Den elektroniske styreenhed vil kommunikere dette problem i form af et fejlsignal, der er gemt i hukommelsen, og et ikon vil blive aktiveret på instrumentpanelet .

Overvågningssonden kan udover at diagnosticere katalysatoren forbedre nøjagtigheden af ​​den første lambda-regulering og plausibiliteten af ​​den første sonde som en del af selvdiagnose.

Anvendelse i boligopvarmning

Ved at bruge en lambdasonde placeret i skorstenen på kondenserende kedel kan iltindholdet måles og på denne måde kan blandingen reguleres, for at undgå overdreven brug af luft, hvilket ville føre til overdreven energiforbrug i systemet opvarmning.

Se også

• elektronisk omstillingsbord
• udstødningsgasanalysator