Jste zde

Princip a použití Lambda sondy

Antonín Vojáček, 13. Červen 2006 - 19:56

Jistě každý, kdo se trochu zajímá o auta, už někdy slyšel o Lambda sondě, která ve výfukovém potrubí automobilu měří výfukové plyny a dává signál pro řízení spalování motoru. Patrně už ne každý ví, co přesně Lambda sonda měří a na jakém principu funguje. Pro ty, co se to chtějí dozvědět, by mohl posloužit následující článek.

To, co se nazývá Lambda sonda, je ve skutečnosti senzor kyslíku ve výfukových plynech, který je nutný pro řízení spalování motoru s třícestným katalyzátorem, aby bylo dosaženo snížení koncentrace škodlivých látek ve výfukových plynech. To znamená, že Lambda sonda měří koncentraci kyslíku ve výfukové potrubí a získaná hodnota napětí na jejím výstupu řídí poměr paliva a vzduchu v sání nebo ve válci tak, aby bylo co nejvíce dosaženo optimální směsi. Za tu se považuje tzv. stechiometrický poměr pro spalování. Ten je označován hodnotu λ = 1 a fakticky mu odpovídá poměr zhruba 14.7 kg vzduchu na 1 kg paliva (benzínu). Samotný lambda senzor zjednodušeně pracuje na principu baterie, kdy přítomností různé koncentrace kyslíku na mikropórovitých platinových elektrodách, mezi nimiž se nachází pevný elektrolyt, vzniká el. napětí úměrné právě rozdílu koncentrace kyslíku. Aby vše fungovalo co nejlépe, je senzor zahříván na teplotu okolo 550 °C.

Obr. 1. Nová a použitá Lambda sonda Bosch v základním provedení pro automobily

Co udává a k čemu slouží hodnota Lambda ?

Aby bylo možné se bavit o principu a úloze samotné Lambda sondy, označované také jako Lambda senzor, je nutné si nejdříve říct, co vlastně hodnota Lambda prakticky představuje, k čemu je a proč se měří.

Suchá definice hodnoty Lambda λ (Excess-air Factor) by mohla znít následovně: Hodnota označovaná jako λ (lambda) představuje součinitel přebytku kyslíku, resp. vzduchu, ve výfukových plynech, vzniklé spalováním směsi vzduchu a paliva v Ottově spalovacím motoru. Z matematického pohledu je součinitel λ (lambda) definován jako poměr motorem nasávaného, a tedy spotřebovaného množství vzduchu M k množství, které by bylo potřebné pro dokonalé spálení (Mt = teoretická spotřeba vzduchu) => λ = M / Mt.

Proč vlastně hodnotu Lambda měřit ?

Při spalování směsi paliva (benzínu) a vzduchu v poměru, tak jak to vyžaduje princip Ottova spalovacího motoru, vznikají výfukové plyny, které obsahují různé složky a plyny více či méně toxické pro životní prostředí (emise). Jejich složení a množství je výrazně závislé právě na vstupním poměru (směsi) vzduchu a paliva (fuel-air ratio), přičemž existuje určitá nejvýhodnější úroveň, kdy je vznik všech škodlivých látek co nejvíce redukováno. Tato úroveň se označuje jako stechiometrická hodnota (stoichiometric level) pro dokonalé spálení a odpovídá jí hodnota součinitele λ = 1. Pokud se k nasávanému vzduchu přidá více paliva, jde o bohatou směs (rich mixture = λ > 1) a palivo (uhlovodíky) se spálí pouze částečně. Koncentrace uhlovodíků (látek CxHy) a oxidu uhelnatého CO ve výfukových plynech odpovídajícím způsobem stoupne. U chudé směsi (lean mixture - λ < 1) se palivo beze zbytku spálí a ve výfukových plynech zůstane kyslík. V důsledku špatného spalování stoupá podíl HC a NOx s rostoucí hodnotou součinitele λ. Na obrázku 2. je znázorněna oblast rozsahu lambda-regulace a účinnost katalyzátoru likvidovat jednotlivé plyny. Oblast hodnot λ od 1 do cca 0,88 odpovídá bohaté směsi. Příprava směsi těchto parametrů byla typická pro motory starší generace. Naopak pro motory nové konstrukce je typické, že pracují v oblasti chudé směsi s hodnotami λ až 1,15. Uvedený rozsah hodnot je dán tzv. hranicemi chodu. Pro bohatou směs leží tato hranice kolem hodnoty 0,7 a pro chudou směs kolem hodnoty 1,3. Za těmito hranicemi je směs paliva se vzduchem tak bohatá, resp. tak chudá, že již není možný chod motoru.

Obr. 2. Účinnost třícestného katalyzátoru na jednotlivé složky emisí výfukových plynů a závislost napětí Lambda sondy na hodnota λ

Lambda-regulace

Úloha měření hodnoty λ je tedy zpětná regulace směsi v motoru (engine) prostřednictvím systému přípravy směsi paliva (Fuel induction system) tak, aby bylo dosaženo požadované hodnoty koncentrace škodlivých látek ve výfukových plynech, co možná nejvhodnější pro funkci katalyzátoru (catalytic converter) vloženého do výfukového potrubí. Požadované pásmo lambda-regulace, ve kterém musí poměr vzduch – palivo ležet, je tedy velmi úzké. Pohybuje se nejčastěji v rozsahu λ = 0,98 až 1,02. Pro dosažení těchto hodnot je nutno použít uzavřený regulační okruh se snímačem, který měří koncentraci zbytkového kyslíku ve výfukových plynech. K tomuto účelu se nejčastěji používá tzv. napěťová lambda sonda.

Obr. 3. Jednoduché blokové schéma Lambda-regulace (Engine managment system = řízení směsi paliva (fuel) a vzduchu (air))

Poznámka: Třícestný katalyzátor (3-way catalytic converter) pak přeměňuje škodlivé složky CxHy, CO, NOx na vodní páru, oxid uhličitý a dusík (účinnost až 90%). Z důvodu dosažení co nejnižší spotřeby se výrobci snaží využívat co možná nejchudší směsi i za cenu vzniku zvýšeného množství oxidů dusíku NOx.

Princip typické Lambda sondy

Lambda sonda je snímač přítomnosti kyslíku ve výfukových plynech. Jde o elektrochemický člen, který na základě chemické reakce vytváří elektrický signál. Jeho výstupní hodnota se mění v závislosti na přítomnosti kyslíku ve výfukových plynech. Princip činnosti sondy je založen na chování keramického materiálu na bázi ZrO2, který se stává po dosažení určité teploty elektricky vodivým. Když vrstva keramiky při dané teplotě odděluje od sebe dvě plynné směsi s rozdílnou koncentrací kyslíku např. odděluje výfukové plyny na jedné straně od vzduchu na straně druhé, dojde k pohybu kyslíkových iontů uvnitř keramického materiálu a tím i ke vzniku el. napětí, které je úměrné rozdílu koncentrací kyslíku.

Obr. 4. Princip/blokové schéma Lambda sondy (vpravo) a její provedení firmou Bosch (vlevo) - označení v obrázku: 1 - aktivní keramika senzoru, 2 - elektrody, 3 - kontakty, 4 - kontakt spojený s krytem senzoru, 5 - výfukové potrubí, 6 - ochranná porézní keramika

Pevný elektrolyt Lambda senzoru je ve formě keramického materiálu v tubě. Vnitřní a vnější povrch je pokryt mikropórovitou platinovou vrstvou - elektrody, které mají rozhodující vliv na charakteristiku senzoru a zároveň slouží i pro kontaktní účely. Platinová vrstva, která má být v kontaktu s výfukovými plyny, je pokryta pevně napařenou vysoce pórovitou ochranou keramickou vrstvou, která ochraňuje senzor od usazenin ve výfukových plynech. Ty způsobují erozi katalycké platinové vrstvy. Díky tomu se sondy vyznačují dlouhodobou stabilitou svých vlastností. Při své funkci senzor vyčnívá do proudu výfukových plynů a jeho tvar je přizpůsoben pro plynulé obtékání okolo, zatímco druhá (vnitřní) platinová elektroda je v kontaktu s okolní atmosférickým vzduchem. Měří se zbytkový kyslík, který zůstal po procesu spalování. Katalycký efekt na povrchu elektrody vystavené výfukovým plynům produkuje téměř skokovou napětí okolo hodnoty λ = 1,1. Aktivní keramika senzoru (ZrO2) je pro svou aktivní funkci zevnitř zahřívána wolframovým vláknem tak, aby její teplota zůstala nad 350°C - funkční limit keramiky bez ohledu na teplotu výfukových plynů. Keramické topné těleso má PTC charakteristiku, čímž se vyznačuje rychlým zahřátím a omezuje tak spotřebu senzoru, jestliže jsou výfukové plyny dostatečně horké. Připojení a napájení topného elementu bývá odvozeno od signálového napětí, v případě nutnosti zvýšené stability pro měření až do hodnot λ = 2 se využívá přídavný, externě napájený 16 W topný element.

Obr. 5. Závislost napětí naměřeném na senzoru na faktoru lambda/koncentrace kyslíku (vlevo - celá závislost, vpravo - detail)

Druhy provedení

V praxi se můžeme setkat s druhy, které mají 1, 2, 3 nebo 4 vývody. V jednovodičovém provedení je negativním signálním vedením samotné pouzdro sondy. V tomto případě musí být dokonalý kovový kontakt mezi sondou a výfukovým potrubím. Sonda bývá umístěná blízko motoru. Dvojvodičová sonda je ukostřená přes druhé vedení z řídící jednotky. Tento typ lambda sondy se nachází za sběrným potrubím, v části, která je k němu připojená přes pružiny co nejblíže k motoru. Když je sonda umístěná daleko od motoru, za sběrným potrubím na spodku karosérie, musí být vyhřívaná. Takovéto sondy jsou v tří- nebo čtyřvodičovém provedení. Sonda je krytá plechem, který má zabránit mechanickému poškození, ale také ochlazení samotné lambda sondy okolo proudícím vzduchem. Když by se totiž při jízdě sonda ochladila, mohlo by to vést k trhaní motoru a k nepravidelnému chodu. Proto se tento plech nemá v žádném případě odstraňovat a jeho absence může vyvolávat i projevy poruch. Třívodičové provedení má dvěma vodiči napájený výhřevný odpor, třetí vodič slouží k přenosu signálu a ukostření (negativ) je vyvedené přes pouzdro lambda sondy. Provedení se čtyřmi elektrickými vývody má ukostření vyvedené přes řídící jednotku. Ostatní tři vedení slouží, podobně jako u třívodičového, k napájení výhřevného odporu a na přenos signálu lambda sondy.

Podle předpisů by měli být jednotlivé vodiče označené následovně:

šedý vodič = kostření (záporný signál)
černý vodič = signální vedení
bílé vodiče slouží k napájení vyhřívání

Elektrický obvod vyhřívání se aktivuje na základě teploty. Velmi důležité upozornění je, že se vodiče lambda sondy nemůžou letovat. Jejich spojení je možné jen přes spojku nebo konektor. Vodiče jsou totiž vystavené teplotě okolo 380 °C, ale cín má teplotu tavení 232 °C a proto letované spoje nemůžou vydržet teploty jakým jsou vystavené vodiče lambda sondy.

Obr. 6. Klasické (vlevo) a planární provedení (vpravo) Lambda sondy - bílá trubice uprostřed je žhavení sondy

Obr. 7. Struktura vrstev planárního Lambda senzoru

Vyjímky - Odporová lambda sonda

V praxi se však můžeme setkat i s jiným provedením lambda sondy, která se od klasické odlišuje principem měření, jde o odporovou sondu, resp. odporovou lambda sondu, která v závislosti na přítomnosti kyslíku nemění svoje napětí, ale odpor. V blízkosti složení směsi λ = 1 prudce mění svůj odpor, v případě bohaté směsi má vysoký odpor, řádově 10 Mohmů, a při přechodu na chudou směs její odpor klesá. Řídící jednotka napájí odporovou lambda sondu stálým napětím 5 V. Dva odpory vytvářejí dělení napětí, okamžitou hodnotu napětí bodu dělení určuje proměnlivý odpor sondy. Při složení směsi λ = 0,9 je napětí větší něž 3,85 V, a při složení směsi λ = 1,1 je výstupní napětí menší než 0,4 V.

V obou případech se výstupní napětí lambda sondy, která pracuje správně, mění mezi těmito krajními hodnotami v každém provozním režimu motoru "skokově". Frekvence změny bývá 1-10 Hz. Charakteristiku a provozní parametry odporové lambda sondy můžeme měřit, podobně jako u klasické lambda sondy, jen po dosažení provozní teploty. U klasické lambda sondy je tato v rozsahu 300 - 350°C, odporová sonda však pracuje pri vyšších teplotách. Aktivní je až od cca 500° C, proto jsou všechny odporové lambda sondy vybavené také výhřevným odporem. Odporové sondy dávají řídící jednotce i údaje o teplotě, takže řídící jednotka může obsluhovat i funkci ochrany katalyzátoru.

Závěr

Lambda sonda je již přes 10 let běžně využívána v automobilech pro regulaci emisí výfukových spalin a kvality spalování i spotřeby motoru. Její princip byl již prakticky vynalezen a používán firmou Bosch od roku 1976. Protože jde o velmi známý a používaný senzor, ale málokdo ví, jak vlastně pracuje a co přesně dělá, připravil jsem tento článek. Jeho cílem bylo shrnout základní informace a stručně popsat princip i použití. Pro bližší a podrobnější informace můžete zavítat na uvedené zajímavé stránky k tomuto tématu, uvedené v následující sekci Download & Odkazy.

Antonín Vojáček
vojacek@ hwg.cz