Lambda anturi

Uusi ja vanha happianturi

Lambda - anturi (tai λ-anturi, jossa λ viittaa suhteelliseen annostukseen , usein lyhennettynä λ) on anturi , joka mittaa happipitoisuutta . ​ Käytetään palamisen laadun tarkistamiseen. Siten kun palaminen on stoikiometristä , palamiskaasuissa olevan hapen määrä on nolla tai mitätön ja tässä tapauksessa suhteellinen ilma-polttoainesuhde (λ) on yhtä suuri kuin yksikkö. Kun seos on liian runsaasti polttoainetta, λ < 1. ]

Autot

Lämmitetty happianturi

Polttoajoneuvoissa happianturi sijaitsee pakokanavassa, välittömästi ennen katalysaattoria , jotta se voi mitata palamiskaasujen happipitoisuuden ennen kuin niihin tehdään muutoksia. Happimittaus edustaa seoksen rikkautta, suuruutta, jonka anturi muuntaa jännitearvoksi ja ilmoittaa moottorin ohjausyksikölle. ]

Pakokaasut

Otto-syklimoottorin polttokaasut , räjähdys (bensiini), koostuvat noin 80 % typestä, joka tuskin osallistuu palamisen kemialliseen reaktioon, 14-16 % hiilidioksidista tai CO ₂ :sta ja loput vedestä (höyrystä) , pienen osuuden lisäksi epäpuhtauksia, joista tärkeimmät ovat hiilivedyt (HC) ja hiilimonoksidi (CO). Jäännöshappea on noin 0,3 %. Sen osuus vaihtelee paljon riippuen annoksesta .

perustuslaki

Suljetun syklin toiminta: 1 ilmavirtausmittari; 2 ja 3 katalysaattori; 4 injektoria; 5 edessä lambda-anturi; 6 taka lambda-anturi; 7 bensiinin saapuminen; 8 ilman sisääntulo suodattimesta; 9 pakoputki

Itse anturi koostuu keraamisesta osasta ja zirkonium- tai titaanielektrodeista . Pakokaasut ovat kosketuksissa anturin kanssa ja se ottaa tietoa palamisen jälkeen jääneen hapen osuudesta.

Toiminta: suljettu silmukka

Nämä tiedot välittyvät elektroniseen ruiskutuskeskukseen ja tämä keskus voi siten säädellä sylinteriin ruiskutetun polttoaineen määrää niin, että suhde pysyy lähellä 1/14,7, jota kutsutaan stoikiometriseksi suhteeksi .

Mittaus perustuu pakoputkesta poistetun kaasun jäljellä olevaan hapen määrään. Lambda-anturi on yksi ohjauselektroniikan tärkeimmistä korjausantureista , joka tunnetaan lambda-säätimenä vapautuvan kaasun katalyyttiseen puhdistukseen, jota kutsutaan yleisesti säädellyksi katalysaattoriksi. Anturi perustuu kahteen eri mittausperiaatteeseen: elektrolyytin jännitteeseen ( Walther Nernst -anturi ) ja keraamisen vastuksen sähkövastuksen vaihteluun (resistanssianturi).

Sen pääasiallinen käyttöalue on polttomoottori , pääasiassa polttoaineen ruiskutus Otto-sykli , mutta sitä käytetään myös lauhdutuskattiloiden ja dieselmoottoreiden kaasupäästöjen säätelyyn .

Ensimmäisen lambda-anturin version kehitti vuonna 1976 saksalainen Bosch , ja sitä sovellettiin Volvo 240 -malliin . ]

Nernst anturitoiminto

Keraamisen anturin toinen puoli on alttiina pakokaasuvirralle, kun taas toinen perustuu happitason referenssiin. Useimmissa tapauksissa käytetään ympäröivää ilmaa anturin aukon kautta tai ilmanohjaimen yli. Tämä estää mahdollisen veden, öljyn tai polttoainehöyryjen aiheuttaman saastumisen vaikuttamisen viitearvoon. Jos koetin kontaminoituisi, dihapen määrä referenssissä pienenisi, mikä pienentäisi anturin jännitettä. Pumpattavan referenssin tapauksessa ympäristön ilmaa ei vaadita, mutta dihappireferenssi perustuu pakokaasusta tulevaan ionivirtaan.

Yli 300 °C:n lämpötiloissa anturin keramiikka, joka on valmistettu zirkoniumdioksidista ja yttriumista , muuttuu negatiivisten happi-ionien johtimeksi. Konsentraatioero aiheuttaa ionien diffuusion tyhjennetystä kaasusta. Happiatomit voivat liikkua keramiikassa kaksinkertaisesti negatiivisesti varautuneina ioneina. Happiatomien ionisaatioon tarvittavat elektronit syötetään elektrodeilla, jotka ovat elektronisia johtimia. Tällä tavalla voidaan ottaa mittapään jännite sisällä ja ulkopuolella olevien platinaelektrodien välillä. Nämä tiedot välitetään johdotuksen kautta elektroniseen moottorin ohjausyksikköön. Arvo on λ>1 ( laiha seos , polttoaineen puute tai ylimääräinen ilma) välillä 0 - 150 mV, λ<1 (rikas seos), ylimääräinen polttoaine tai ilman puute) välillä 800 - 1000 mV. Mitattu jännite on kuvattu Nernstin yhtälössä . Hyvin kapealla alueella λ=1, jota kutsutaan λ-ikkunaksi, ominaiskäyrä on erittäin jyrkkä. Jännite muuttuu ikkunassa polttoaine-ilmaseokseen nähden hyvin äkillisesti, jolloin nämä värähtelyt tekevät seoksesta stoikiometrisen tai lähes stoikiometrisen. Tällä vyöhykkeellä CO- ja HC-arvot ovat suhteellisen alhaiset, samoin kuin NOx:n arvot, mikä mahdollistaa katalysaattorin toiminnan suotuisimmissa olosuhteissa.

Resistanssianturitoiminto

Vastusanturia käytetään hyvin usein.

Anturi koostuu titaanidioksidipuolijohtavasta keramiikasta . Varauksenkuljettajat luovat hapettomat paikat, jotka toimivat luovuttajina. Kun happi lähestyy, tyhjät paikat täyttyvät, mikä vähentää vapaiden kantajien määrää. Happi-ionit eivät tarjoa johtavuutta, vaan happi.

Sähkönjohtavuus σ työskentelyalueella kuvataan Arrhenius - yhtälöllä aktivointienergialla E _A :

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

Signaali luodaan jännitteenjakajalla , jolla on muuttumaton sähkövastus.

Käytä moottoreissa

Volvo 240, ensimmäinen auto, joka on varustettu lambda-anturilla

Otto - moottoreissa anturi ruuvataan normaalisti pakoputkeen ennen katalysaattoria. Ajoneuvoissa, joissa on tiukat lakivaatimukset koskien evakuoidun kaasun puhtautta ja itsediagnoosia , käytetään useita antureita. V- sylintereillä varustetuissa moottoreissa yksi anturi sylinteriryhmää kohti tai jopa yksi sylinteriä kohti sylintereiden valikoivaa säätöä varten.

Moottorin hallinta pystyy säätämään ruiskutusmäärää aina niin, että pakokaasujen koostumuksen lambda-kerroin on noin 1. Tällä tavalla saavutetaan samanaikaisesti kaksi vaatimusta: moottori saa seoksen, joka on hyvin lähellä ihannetta kaikki ajat ja katalysaattorin toimintaolosuhteet varmistetaan.

Nykyaikaisissa turboahdetuissa Otto-moottoreissa anturi sijoitetaan turboahtimen perään .

Operaatio

Oikea lambda-kerroin on olennainen parametri 3-tiekatalysaattorin poistamien kaasujen palamisen ja puhtauden hallinnassa. Automaailmassa lambda-anturi valtasi ensin Amerikan markkinat päästöjä koskevien merkittävien lakisääteisten rajoitusten vuoksi saadakseen myöhemmin tärkeän roolin Euroopassa.

Klassisessa Otto-moottorissa annoksen mittaamiseen käytetään lämmitettyä happisondia HO2S (Nernst-anturi) tai λ=1 -anturia . Anturin signaali värähtelee jatkuvasti korkean arvon ja alhaisen arvon välillä. Tämä johtuu koetinsignaalin käyttäytymisestä kuljetuksen aikana rikkaan seoksen (λ<1) ja laihan seoksen (λ>1) välillä. Lambda-anturin signaali tekee tyypillisen hypyn jännitesignaalissaan edellä mainittujen siirtymien aikana arvojen 0,8 - 0,9 V välillä, kun seos on rikas (λ<1) ja 0,1-0,2 V, kun seos on laiha (λ>1). .

Kokoonpano

Ensimmäiset lambda - anturit asennettiin sormiantureiksi . Itse anturi on muotoiltu pipoksi, jonka ulkopuolella on tyhjennetty kaasu ja sisällä vertailuilma.

Monikerroksiset tasomaiset anturit, joihin lämmitystoiminto on jo integroitu, ovat yleistymässä.

Keraaminen elementti on ympäröity suojaputkella. Sen tehtävänä on, että anturi ylläpitää haluttua lämpötilaa ja samalla välttää mekaanisia vaurioita. Jotta kaasu voi tunkeutua putkeen, siinä on pieniä reikiä.

Asetus

Lambda-anturi vertaa jatkuvasti kaasun jäännöshappipitoisuutta ilman happipitoisuuteen ja lähettää tuloksen analogisen sähköisen signaalin muodossa elektroniseen ohjausyksikköön, joka lähettää tämän tiedon ja muiden parametrien perusteella. ohjaussignaali seoksen muuttamiseksi, mikä yleensä Otto-moottoreissa ei ole muuta kuin ruiskutettavan materiaalin määrän tai lambda-säädön mukauttamista. Ajoneuvoissa, joissa on OBD , lambda-anturin ja elektronisen ohjausyksikön valvontasondin säätö on tarkistettava. Tämä valvonta tapahtuu satunnaisesti. Elektroninen ohjausyksikkö valvoo:

1. jännitealue (enintään 300 millivolttia säätösondissa)
2. pulssin leveyden amplitudi
3. säätötaajuutta
4. lämmityspatterin keskeytys
5. kosketus maahan

Vian sattuessa elektroninen ohjausyksikkö aktivoi OBD-kuvakkeen.

Dieselmoottorit ja ns. kevytseos Otto-moottorit eivät toimi tai toimivat poikkeuksellisella tavalla λ-ikkunassa . Erityisesti dieselmoottori on klassinen kevytseoskonsepti, joka toimii aina ilmaylimäärällä (λ>1). Dieselmoottorit, jotka päästävät liian tummaa seosta pakoputken läpi, vaativat yleensä huoltoa, niissä on ongelma tai ruiskutettua seosta on manipuloitu "Chip-Tuningilla". Dieselmoottoreiden ja kevyiden seosten Otto-moottoreiden säätelyyn ei voida käyttää anturia, jonka arvo on λ=1, koska kevyen tai raskaan seoksen signaalien käyttäytymistä ei voida arvioida.

Laajakaistaluotain

Tätä tarkoitusta varten luotiin laajakaistaluotain . Tällaisen anturin kokoonpano on monimutkaisempi: se koostuu kerroksista, joissa on integroidut lämmittimet. Mittausperiaate perustuu kolmeen osaan:

• diffuusiokanava (sininen) kaasun ulostulon ja Nernst-kennon mitatun kaasun välillä,
• pumppauskenno (vaaleanpunainen) tasaisesti kaasun ulostulon ja Nernst-kennosta mitatun kaasun välissä,
• Nernst-kenno (vihreä) mitatun kaasun ja vertailukaasun (ilman) välillä.

Nernst-kennon mitattuun kaasuun ei vaikuta pelkästään tyhjennetty kaasu, vaan myös pumpattu virtausdiffuusiokanava. Pumpattavaa virtausta säädetään siten, että pumppauskennon sähkövirran synnyttämä hapen virtaus tasapainottaa hapen virtausta diffuusiokanavasta; tällä tavalla kaasu pysyy λ=1:ssä. Pumpattu virtaus pumppaa, jos Nernst-kennon mitattavassa kaasussa on varautunutta happi- ionien seosta ja tyhjenee, jos seos on kevyttä. Virtauksen ominaisuuksista riippuen voidaan määrittää tyhjennetyn kaasun lambda. Virtauksen säätö on elektronisen sirun tehtävä moottorin elektronisessa ohjausyksikössä. NOx-anturia käytetään ajoneuvoissa, joissa on NOx-varastokatalysaattori. Näiden antureiden kokoonpano ja toimintatapa on samanlainen kuin laajakaistaisten lambda-anturien.

Anturin lämmitys

Koska kylmän moottorin lämpötila on selvästi alle 300 °C, anturi (ja siten ohjausjärjestelmä) ei toimi (tai toimii rajoitetusti). Siksi nykyään kaikissa antureissa on sisäänrakennettu lämmityselementti, jotta anturi saavuttaa oikean lämpötilan. Tämän ansiosta ne takaavat anturin oikean toiminnan myös moottorin lämmitysvaiheen aikana. Optimaalinen käyttölämpötila on λ=1 antureille 550 - 700 °C. Laajakaistaversiot toimivat 100–200 °C korkeammissa lämpötiloissa.

Sähköiset näkökohdat

Jännitevaihteluiden aiheuttamien herkän ohjauselementin häiriöiden ja toimintahäiriöiden välttämiseksi lämmitykseen ja anturijännitteeseen ei enää käytetä ajoneuvon yhteistä maata, vaan erillistä kaapelia maadoitukselle ja signaaleille, jotka on kytketty suoraan elektroniseen ohjausyksikköön.

Valvontaanturi

Uusimman sukupolven Otto-moottoreissa toista anturia käytetään katalysaattorin toiminnan valvontaan ja joka sijaitsee sen takana. Elektroninen moottorin ohjausyksikkö voi verrata katalysaattoria edeltävän anturin arvoja valvontasondin arvoihin. Jos katalysaattori on moitteettomassa kunnossa, valvontaanturi reagoi myöhemmin ensimmäisen anturin signaaliin. Jos katalysaattori ei ole enää moitteettomassa kunnossa, se voi menettää hapen varastointikapasiteettinsa, jolloin katalysaattorin ja valvontasondin välinen etäisyys pienenee. Elektroninen ohjausyksikkö ilmoittaa tästä ongelmasta virhesignaalina, joka on tallennettu muistiin, ja kuvake aktivoituu kojetaulussa .

Valvontaanturi voi katalysaattorin diagnosoinnin lisäksi parantaa ensimmäisen lambda-säädön tarkkuutta ja ensimmäisen anturin uskottavuutta osana itsediagnoosia.

Sovellus kodin lämmitykseen

Lauhdutuskattilan piipussa sijaitsevan lambda-sondin avulla voidaan mitata happipitoisuutta ja tällä tavalla säädellä seosta, jotta vältetään liiallinen ilmankäyttö, joka johtaisi liialliseen energiankäyttöön järjestelmässä. lämmitys.

Katso myös

• elektroninen kytkintaulu
• pakokaasuanalysaattori