Ο αισθητήρας λάµδα, γνωστός και ως «αισθητήρας οξυγόνου» ή «αισθητήρας O2», δίνει την δυνατότητα ελέγχου του µείγµατος και διόρθωσής του, σχηµατίζοντας σύστηµα ρύθµισης κλειστού βρόγχου (closed loop). Πληροφορεί µε ηλεκτρικό σήµα τη µονάδα ελέγχου του κινητήρα για το αν το µείγµα είναι πλούσιο ή φτωχό.
Οι βενζινοκινητήρες απαιτούν ακριβή αναλογία μίγματος αέρα-καυσίμου για τη σωστή λειτουργία τους. Η αναλογία, στην οποία το καύσιμο καίγεται πλήρως και αποτελεσματικά, ονομάζεται στοιχειομετρική και είναι ακριβώς 14,7:1. Αυτό σημαίνει ότι ένα μέρος του καυσίμου πρέπει να αναμιχθεί με 14,7 μέρη αέρα. Στην πράξη, αυτή η αναλογία αέρα-καυσίμου ποικίλλει βάσει του τρόπου λειτουργίας του κινητήρα και του σχηματισμού του μείγματος. Έτσι, όταν ο κινητήρας λειτουργεί, ο λόγος λάμδα μεταβάλλεται συνεχώς στην περιοχή 0,9 – 1,1.
Η λειτουργία του κινητήρα στην περιοχή της στοιχειοµετρικής αναλογίας είναι απαραίτητη, προκειµένου ο καταλύτης να είναι αποδοτικός, να εκπληρώνει πλήρως τον σκοπό του και να µειώνει τις εκποµπές του οχήµατος στο ελάχιστο.
Η ανατροφοδότηση από το σήμα του αισθητήρα λάμδα δίνει τη δυνατότητα διόρθωσης του μείγματος, ώστε αυτό να κυμαίνεται κοντά στην τιμή λ = 1 (από 0.97 μέχρι 1.03). Η δυνατότητα αυτή εξασφαλίζει την απόδοση του καταλύτη.
Τύποι
Στην αυτοκινητοβιομηχανία συναντάμε διάφορους τύπους αισθητήρων λάμδα, ανάλογα με το υλικό του αισθητήριου στοιχείου, αλλά και ανάλογα με τον αριθμό των καλωδίων. Έτσι, έχουμε:
- Απλό δακτυλιοειδή αισθητήρα από οξείδιο του ζιρκονίου (EGO: Exhaust Gas Oxygen Sensor)
- Θερμαινόμενο δακτυλιοειδή αισθητήρα από οξείδιο του ζιρκονίου (HEGO: Heated Exhaust Gas Oxygen Sensor)
- Επίπεδο αισθητήρα από οξείδιο του ζιρκονίου (Planar sensor)
- Αισθητήρα από οξείδιο του τιτανίου (Titania sensor)
- Αισθητήρα ευρέως φάσματος (WBO: Wide Band oxygen sensor)
Οι τέσσερεις πρώτοι τύποι ονομάζονται και δυαδικοί ενώ οι αισθητήρες ευρέως φάσματος ονομάζονται και γραμμικοί αισθητήρες. Και, ανάλογα με την καλωδίωσή τους, οι αισθητήρες χωρίζονται σε:
- Αισθητήρα λάμδα μονού καλωδίου
- Αισθητήρα λάμδα δύο καλωδίων
- Αισθητήρα λάμδα τριών καλωδίων
- Αισθητήρα λάμδα τεσσάρων καλωδίων
- Αισθητήρα λάμδα πέντε ή έξι καλωδίων
Αισθητήρας ζιρκονίου
Ο συμβατικός αισθητήρας λάμδα τύπου ζιρκονίου είναι μία πηγή γαλβανικού ρεύματος, η οποία αλλάζει την τάση εξόδου του ανάλογα με τη θερμοκρασία και την περιεκτικότητα σε οξυγόνο. Ανάλογα με τη συγκέντρωση οξυγόνου των καυσαερίων, εμφανίζεται ένα διαφορετικό σήμα εξόδου.
Το αισθητήριο στοιχείο αποτελείται από ένα κοίλο κεραμικό στοιχείο διοξειδίου του ζιρκονίου σε σχήμα δακτυλήθρας. Το χαρακτηριστικό γνώρισμα αυτού του στερεού ηλεκτρολύτη είναι ότι η διαπερατότητα από ιόντα οξυγόνου σε θερμοκρασία μεγαλύτερη από περίπου 300 – 350 °C. Και οι δύο πλευρές του κεραμικού είναι επικαλυμμένες με ένα λεπτό, πορώδες στρώμα πλατίνας που λειτουργεί ως ηλεκτρόδιο. Τα καυσαέρια διέρχονται από το εξωτερικό του κεραμικού στοιχείου, ενώ το εσωτερικό επικοινωνεί με τον αέρα της ατμόσφαιρας.
Οι ιδιότητες του κεραμικού στοιχείου σημαίνουν ότι η διαφορετική συγκέντρωση οξυγόνου και στις δύο πλευρές προκαλεί ροή ιόντων οξυγόνου, η οποία με τη σειρά της δημιουργεί τάση. Αυτή η τάση χρησιμοποιείται ως σήμα για τη μονάδα ελέγχου, η οποία αλλάζει την αναλογία αέρα-καυσίμου ανάλογα με την περιεκτικότητα σε οξυγόνο των καυσαερίων.
Η ηλεκτρονική μονάδα ελέγχου λαμβάνει το σήμα από τον αισθητήρα λάμδα, το συγκρίνει με μία τιμή αναφοράς (συνήθως 450mV) που είναι αποθηκευμένη στη μνήμη της και εάν το σήμα είναι μεγαλύτερο ή μικρότερο από την τάση αναφοράς αντιλαμβάνεται εάν το μείγμα είναι φτωχό ή πλούσιο, αλλά όχι την ακριβή αναλογία. Ο αισθητήρας λάμδα τύπου οξειδίου του ζιρκονίου παράγει ένα σήμα τάσης εξόδου από 100mV έως 700mV με 950mV. Όταν η περιεκτικότητα σε οξυγόνο στα καυσαέρια είναι χαμηλή και ο κινητήρας λειτουργεί με πλούσιο μείγμα, ο αισθητήρας θα παράγει σήμα υψηλής τάσης, πάνω από 450mV. Σε περίπτωση υψηλής περιεκτικότητας σε οξυγόνο στα καυσαέρια, που το μείγμα είναι φτωχό, ο αισθητήρας παράγει σήμα χαμηλής τάσης κάτω από 450mV.
Θέρµανση αισθητήρα
Ο αισθητήρας λάμδα λειτουργεί σωστά μόνο όταν το μετρητικό στοιχείο του έχει θερμανθεί σε θερμοκρασία πάνω από 350 ºC. Στη συνέχεια, η τάση του σήματος μεταβάλλεται πάνω και κάτω από την τάση αναφοράς. Οι πρώτοι αισθητήρες λάμδα δεν ήταν θερμαινόμενοι και, έτσι έπρεπε να τοποθετηθούν κοντά στον κινητήρα για να θερμανθούν από το πιο ζεστό ρεύμα καυσαερίων και να φτάσουν τη θερμοκρασία λειτουργίας τους όσο το δυνατόν γρηγορότερα. Αυτή η διαδικασία θέρμανσης του αισθητήρα καθυστερεί τη διαδικασία ρύθμισης ειδικά όταν οι εξωτερικές θερμοκρασίες είναι χαμηλές. Σήμερα, οι αισθητήρες λάμδα είναι εξοπλισμένοι με αντίσταση θέρμανσης. Αυτό σημαίνει ότι μπορούν, επίσης, να τοποθετηθούν μακριά από τον κινητήρα και κοντά στον καταλύτη. Δεν εκτίθενται, πλέον, στο υψηλό θερμικό φορτίο. Η αντίσταση θέρμανσης του αισθητήρα τους επιτρέπει να φτάσουν τη θερμοκρασία λειτουργίας τους μέσα σε σύντομο χρονικό διάστημα, διατηρώντας στο ελάχιστο τον χρόνο κατά τον οποίο ο έλεγχος λάμδα δεν είναι ενεργός. Η υπερβολική ψύξη αποτρέπεται κατά το ρελαντί, όταν η θερμοκρασία των καυσαερίων δεν είναι τόσο υψηλή. Οι θερμαινόμενοι αισθητήρες λάμδα έχουν μικρότερο χρόνο απόκρισης.
Αισθητήρας τιτανίου
Οι αισθητήρες λάμδα τιτανίου δεν παράγουν τη δική τους τάση, σε αντίθεση με τον τύπο ζιρκονίου όπου μεταβάλλεται η ωμική αντίσταση του αισθητηρίου στοιχείου ως απόκριση στο οξυγόνο που υπάρχει στα καυσαέρια. Σε αυτόν τον τύπο αισθητήρα, το κεραμικό στοιχείο είναι κατασκευασμένο από διοξείδιο του τιτανίου με τεχνολογία πολλαπλών στρώσεων, παχιάς μεμβράνης. Μία ιδιότητα του διοξειδίου του τιτανίου είναι ότι η αντίστασή του αλλάζει ανάλογα με τη συγκέντρωση οξυγόνου στα καυσαέρια. Το διοξείδιο του τιτανίου (TiO2) παρουσιάζει μεγάλη μεταβολή της αντίστασής του γύρω από το στοιχειομετρικό μείγμα.
Όταν θερμαίνεται σε πολύ υψηλές θερμοκρασίες, το διοξείδιο του τιτανίου χάνει προσωρινά μία μικρή ποσότητα οξυγόνου από τη δομή του. Αυτές οι κενές θέσεις μπορούν να καλυφθούν από ελεύθερα ιόντα O2 που βρίσκονται στα καυσαέρια από το φτωχό μείγμα. Όταν τα καυσαέρια περιέχουν περίσσεια οξυγόνου (ο κινητήρας λειτουργεί με φτωχό μείγμα), η αντίσταση του αισθητήρα είναι υψηλή. Σε ένα εξαιρετικά φτωχό μείγμα η αντίσταση μπορεί να είναι πάνω από 20.000 Ωμ. Όταν το μείγμα γίνει πλούσιο, δεν υπάρχουν ελεύθερα ιόντα O2 για να γεμίσουν τα κενά, επομένως η αγωγιμότητα αυξάνεται. Όταν τα καυσαέρια έχουν λίγο ή καθόλου οξυγόνο (ο κινητήρας λειτουργεί με πλούσιο μείγμα), η αντίσταση του αισθητήρα είναι χαμηλή. Σε ένα εξαιρετικά πλούσιο μείγμα, η αντίσταση μπορεί να είναι χαμηλότερη από 1.000 Ωμ.
Ο αισθητήρας λάμδα τιτανίου εν τέλει αλλάζει αντίσταση σε σχέση με το πόσο οξυγόνο υπάρχει στα καυσαέρια. Αυτός ο αισθητήρας δεν απαιτεί αέρα αναφοράς, αλλά πρέπει να τροφοδοτείται με τάση από τη μονάδα ελέγχου μέσω ενός συνδυασμού αντιστάσεων. Το σήμα μεταβολής τάσης που απαιτείται για τη μονάδα ελέγχου παράγεται από την πτώση της τάσης στις αντιστάσεις.
Οι αισθητήρες λάμδα τιτανίου διαφέρουν στην κατασκευή από τον πιο κοινό τύπο ζιρκονίου και προσφέρουν αρκετά πλεονεκτήματα στο σύστημα διαχείρισης του κινητήρα. Ο λόγος για τον οποίο χρησιμοποιήθηκαν αρχικά οι αισθητήρες τιτανίου είναι επειδή είναι λιγότερο επιρρεπείς στη δηλητηρίαση από μόλυβδο από τους τύπους ζιρκονίου. Υπάρχουν, όμως και άλλα πλεονεκτήματα του αισθητήρα, όπως οι γρηγορότεροι χρόνοι απόκρισης και η μεγαλύτερη διάρκεια ζωής.
Στους αισθητήρες λάμδα τιτανίου δεν υπάρχει ανάγκη για ατμοσφαιρικό αέρα αναφοράς. Αυτό είναι σημαντικό για τα αυτοκίνητα εκτός δρόμου όπου το νερό, και η λάσπη μπορεί να έρθουν σε επαφή με το σύστημα της εξάτμισης. Το περίβλημα του αισθητήρα μπορεί να είναι, φυσικά, μικρότερο, ισχυρότερο και να έχει ταχύτερο χρόνο αντίδρασης από τον τύπο ζιρκονίου. Ωστόσο, εξακολουθεί να είναι ένας τύπος αισθητήρα που δίνει σήμα φτωχού/πλούσιου μείγματος. Η ηλεκτρική αντίσταση είναι υψηλή σε χαμηλή περιεκτικότητα σε οξυγόνο στα καυσαέρια (πλούσιο μείγμα καυσίμου) και μειώνεται γρήγορα με φτωχό μείγμα καυσίμου. Το σήμα εξόδου αυτού του τύπου αισθητήρα μεταβάλλεται πολύ πιο γρήγορα σε αλλαγές στο επίπεδο οξυγόνου των καυσαερίων σε σύγκριση με την αντίδραση του αισθητήρα οξειδίου του ζιρκονίου. Οι αισθητήρες λάμδα τιτανίου έχουν, συνήθως, μικρότερο μέγεθος σπειρώματος 12 mm, σε σύγκριση με τα σπειρώματα των 18 mm του αισθητήρα ζιρκονίου.
Η τεχνολογία που έχει σχέση µε τους αισθητήρες λάµδα ξεκίνησε το 1889, όταν ο καθηγητής Walther Nernst, ο οποίος αργότερα τιµήθηκε µε το Νόµπελ Χηµείας, ανακάλυψε τις θερµοδυναµικές σχέσεις µε τη µορφή της «εξίσωσης Nernst».
Αισθητήρας ευρέως φάσµατος
Ένας τυπικός αισθητήρας λάμδα εμφανίζει πλούσιο ή φτωχό μείγμα γύρω από την περιοχή λ = 1. Ο αισθητήρας λάμδα ευρέως φάσματος (ή ευρυζωνικός) προσφέρει την δυνατότητα μέτρησης ακριβούς αναλογίας μείγματος αέρα-καυσίμου τόσο στην περιοχή του φτωχού (λ > 1) όσο και στην περιοχή του πλούσιου μείγματος (λ < 1). Παρέχει ένα ακριβές ηλεκτρικό σήμα. Όπως ένας συμβατικός αισθητήρας ζιρκονίου, ο αισθητήρας λάμδα ευρέως φάσματος χρειάζεται αέρα αναφοράς. Διαθέτει, επιπλέον, ένα ακόμη στοιχείο, αυτό της αντλίας.
Τα καυσαέρια εισέρχονται στον χώρο μέτρησης μέσω μιας μικρής οπής στο στοιχείο της αντλίας, το γνωστό ως διάκενο διάχυσης. Για να γίνει η μέτρηση, η συγκέντρωση οξυγόνου εδώ, συγκρίνεται με τη συγκέντρωση οξυγόνου του αέρα αναφοράς. Προκειμένου να ληφθεί ένα μετρήσιμο σήμα για τη μονάδα ελέγχου, εφαρμόζεται μία τάση στο στοιχείο της αντλίας. Με αυτήν την τάση, το οξυγόνο μπορεί να αντληθεί από τα καυσαέρια. Η μονάδα ελέγχου ρυθμίζει την τάση της αντλίας με τέτοιο τρόπο, ώστε η αναλογία να βρίσκεται συνεχώς στο λ = 1 στο διάκενο διάχυσης. Εάν το μείγμα είναι φτωχό, το οξυγόνο αντλείται προς τα έξω από το στοιχείο αντλίας και το αποτέλεσμα αυτού είναι ένα θετικό ρεύμα αντλίας. Εάν το μείγμα είναι πλούσιο, το οξυγόνο αντλείται προς τα μέσα από τον αέρα αναφοράς. Τότε έχουμε αρνητικό ρεύμα αντλίας. Στο λ = 1 στο διάκενο διάχυσης, δεν μεταφέρεται οξυγόνο. Και το ρεύμα της αντλίας είναι μηδέν. Αυτό το ρεύμα της αντλίας αξιολογείται από τη μονάδα ελέγχου που έτσι υπολογίζει την αναλογία αέρα – καυσίμου. Το σήμα εξόδου του αισθητήρα λάμδα ευρέως φάσματος, σε αντίθεση με τους αισθητήρες δύο επιπέδων, παρέχει πληροφορίες όχι μόνο για το εάν το μείγμα είναι φτωχό ή πλούσιο, αλλά και για την αριθμητική του τιμή, και την αναλογία μείγματος.
Το 1982, η Volvo τοποθέτησε αισθητήρα λάµδα για πρώτη φορά στη σειρά 240/260 για την αγορά των ΗΠΑ, όπου οι απαιτήσεις για τη µείωση των εκπεµπόµενων ρύπων ήταν υψηλές.
Ο έλεγχος
Σε έναν αισθητήρα λάμδα ζιρκονίου οι έλεγχοι είναι τρεις: οπτικός, με πολύμετρο και με παλμογράφο.
- Έλεγχος του αισθητήρα λάµδα µε πολύµετρο
Για τη δοκιμή θα πρέπει να χρησιμοποιούνται μόνο πολύμετρα υψηλής εσωτερικής αντίστασης. Πολύμετρα με χαμηλή εσωτερική αντίσταση που είναι, συνήθως, οι αναλογικές συσκευές, μπορεί να προκαλέσουν βλάβη. Το πολύμετρο συνδέεται παράλληλα με το καλώδιο του σήματος του αισθητήρα λάμδα. Η κλίμακα μέτρησης του πολύμετρου ρυθμίζεται στα 2 V συνεχές. Με το άνοιγμα του κλειδιού, εμφανίζεται στην οθόνη μία τιμή μεταξύ 0,4 – 0,5 V, που είναι η τάση αναφοράς. Μόλις φτάσουμε στην θερμοκρασία λειτουργίας του κινητήρα, η τάση αρχίζει να εναλλάσσεται μεταξύ 0,1 V και 0,9 V.
- Έλεγχος του αισθητήρα λάµδα µε παλµογράφο
Το σήμα του αισθητήρα λάμδα απεικονίζεται καλύτερα χρησιμοποιώντας ένα παλμογράφο. Όπως και με το πολύμετρο, βασική προϋπόθεση είναι ο κινητήρας να βρίσκεται σε θερμοκρασία λειτουργίας. Ο παλμογράφος συνδέεται παράλληλα με το καλώδιο του σήματος. Εάν η συσκευή δεν διαθέτει αυτόματη ανίχνευση σήματος, θα χρειαστεί να γίνει χειροκίνητη ρύθμιση. Επιλέξτε εύρος τάσης 1 V / div και ρύθμιση χρόνου
1 – 2 sec / div.
Η τάση εµφανίζεται στην οθόνη σε ηµιτονοειδή µορφή.
- Ύψος τάσης, δηλαδή µέγιστη και ελάχιστη τάση 0,1 – 0,9 V,
- Χρόνος απόκρισης δηλαδή συχνότητα περίπου 0,5 – 4 Hz.
Για τον έλεγχο του κυκλώματος θέρμανσης του αισθητήρα λάμδα χρειάζεται να μετρήσουμε την εσωτερική αντίσταση και την παροχή τάσης. Για αυτό, αποσυνδέστε τη φίσα από τον αισθητήρα λάμδα. Στην πλευρά του αισθητήρα λάμδα, χρησιμοποιήστε το ωμόμετρο για να μετρήσετε την αντίσταση ανάμεσα στα δύο καλώδια. Αυτή θα πρέπει να είναι μεταξύ 2 και 14 Ωμ. Στην πλευρά της καλωδίωσης του αυτοκινήτου, χρησιμοποιήστε το βολτόμετρο για να μετρήσετε την παροχή τάσης. Πρέπει να υπάρχει τάση > 11,5 V. Σε έναν αισθητήρα λάμδα τιτανίου οι έλεγχοι είναι παρόμοιοι. Απλά, στους αισθητήρες τεσσάρων καλωδίων η τάση αναφοράς μπορεί να είναι 5V.
Οι έλεγχοι στους αισθητήρες ευρέως φάσµατος, από εταιρεία σε εταιρεία µπορεί να διαφέρουν. Οπότε, σε αυτές τις περιπτώσεις πρέπει να ακολουθούµε τις οδηγίες του κατασκευαστή.
H αντικατάσταση
Κατά την αντικατάσταση του αισθητήρα λάµδα πρέπει να προσέξετε τα ακόλουθα:
- Ελέγξτε το σπείρωμα στο σύστημα εξάτμισης για ζημιές.
- Χρησιμοποιείτε μόνο το παρεχόμενο γράσο ή το γράσο που προορίζεται ειδικά για τους αισθητήρες λάμδα.
- Αποφύγετε να φέρετε σε επαφή τον καινούργιο αισθητήρα με νερό, λάδι, γράσο, καθαριστικά και αντισκωριακά, ειδικά όσα έχουν σιλικόνη.
- Τηρείτε τις αντίστοιχες ροπές σύσφιξης που καθορίζονται από τον κατασκευαστή του αισθητήρα λάμδα και τον κατασκευαστή του οχήματος.
- Κατά τη δρομολόγηση του καλωδίου σύνδεσης, βεβαιωθείτε ότι δεν έρχεται σε επαφή με ζεστά ή κινητά αντικείμενα και ότι δεν ακουμπά σε αιχμηρές άκρες.
- Βεβαιωθείτε ότι το καλώδιο σύνδεσης έχει επαρκή τζόγο, ώστε να μην ξεκουμπώσει λόγω των κραδασμών και κινήσεων.
- Ενημερώστε τους πελάτες σας ότι δεν πρέπει να χρησιμοποιούν πρόσθετα ή καύσιμο που περιέχει μόλυβδο.
- Μην χρησιμοποιείτε ποτέ αισθητήρα λάμδα που έχει πέσει στο έδαφος ή έχει υποστεί μηχανική φθορά.
- Ο νέος αισθητήρας μπορεί να βιδωθεί με το χέρι και να σφιχτεί με τις σωστές προδιαγραφές ροπής (για σπείρωμα 18 mm = 35-45 Nm και για 12 mm = 18-23 Nm)
ΝΙΚΟΣ ΒΑΣΙΛΑΚΗΣ
