Technika: Sonda lambda

inż. Mariusz Barański:

Czasami jest tak, że bardzo niepozorne z wyglądu urządzenie spełnia niezwykle istotną funkcję. Świetnym tego potwierdzeniem są sondy lambda - niewielkie, elektrochemiczne czujniki instalowane w układach wydechowych samochodów, odpowiadające za pomiar zawartości tlenu w spalinach. Urządzenie to zostało opracowane i wprowadzone do produkcji przez firmę Bosch. Sondę lambda zaczęto stosować w 1976 roku, a pierwszym autem w nią wyposażonym było Volvo serii 240. Przez długie lata z takim rozwiązaniem można było się spotkać tylko w przypadku samochodów napędzanych silnikiem benzynowym. Początkowo w ich układach wydechowych montowano jedną sondę lambda, którą umieszczano przed katalizatorem. Jest to tzw. sonda regulacyjna, mierząca zawartość tlenu w spalinach opuszczających cylindry. Informacja na ten temat zostaje przekazana sterownikowi silnika, który na tej podstawie ustala, czy stosunek ilości powietrza do ilości paliwa, czyli substancji wchodzących w skład mieszaniny ulegającej spalaniu w cylindrach, jest optymalny. Parametrem obrazującym tą zależność jest bezwymiarowy współczynnik AFR (skrót od angielskiego wyrażenia Air to Fuel Ratio). W idealnym przypadku jego wartość wynosi 14,7. Mamy wtedy do czynienia z mieszaniną stechiometryczną, co oznacza, że powietrze i paliwo są względem siebie we wzorowej proporcji ilościowej. Do utrzymania takiego stanu dąży sterownik silnika, który dzięki sygnałom z sondy lambda ma możliwość modyfikowania składu mieszanki, jeśli zachodzi taka potrzeba. Gdy współczynnik AFR ma wartość większą niż 14,7, to mamy do czynienia z mieszanką ubogą, co oznacza, że jest w niej zbyt dużo powietrza. Co prawda silnik oszczędniej obchodzi się wtedy z paliwem, jednak emituje przy tym więcej tlenków azotu. Po wykryciu takiej sytuacji sterownik zwiększa objętość wtryskiwanej benzyny. Jeżeli natomiast współczynnik AFR ma wartość mniejszą niż 14,7, to mamy do czynienia z mieszanką bogatą, co oznacza, że jest w niej zbyt dużo paliwa. Skutkuje to wzrostem emisji tlenku węgla oraz węglowodorów. Aby temu przeciwdziałać sterownik zmniejsza objętość wtryskiwanej benzyny. Z czasem w układach wydechowych samochodów zaczęto montować drugą sondę lambda, określaną jako diagnostyczna. Znajduje się ona za katalizatorem i ma kontakt ze spalinami oczyszczonymi z niebezpiecznych substancji. Sonda diagnostyczna kontroluje, czy katalizator działa poprawnie. Jeżeli tak jest, to w spalinach, które go opuszczają nie powinno być tlenu. Dlaczego? Ponieważ gdy wszystko działa jak należy cała jego objętość jest zużywana na neutralizowanie szkodliwych związków. Im większa zawartość tlenu w spalinach za katalizatorem, tym gorsza jego kondycja. Najgorzej jest, gdy sondy regulacyjna i diagnostyczna wskazują takie same wartości. Oznacza to, że katalizator jest całkowicie zużyty i w ogóle nie spełnia już swojej funkcji. Kilkanaście lat temu sondy lambda zaczęto stosować również w samochodach z silnikami wysokoprężnymi, które cały czas pracują na mieszance ubogiej, a więc całkiem inaczej niż benzyniaki. Dlatego w dieslach sondy lambda mają nieco inne zadanie. Polega ono mianowicie na regulacji działania filtra cząstek stałych i układu SCR.

Ze względu na budowę sondy lambda dzieli się na palcowe oraz planarne. Jeśli chodzi o sondę palcową, to jej najważniejszym elementem jest komora elektrolityczna, wypełniona stałym elektrolitem. Najczęściej stanowi go dwutlenek cyrkonu z domieszka tlenku itru. Elektrolit przewodzi tylko jony tlenu, jednak warunkiem zachodzenia takiego procesu jest temperatura wynosząca minimum 350˚C. Od wewnątrz na ścianach komory elektrolitycznej znajdują się elektrody platynowe, mające zdolność przepuszczania gazu. Natomiast od zewnątrz komorę osłania ceramiczna warstwa porowata, zabezpieczająca czujnik przed zanieczyszczeniami. Całość znajduje się dodatkowo w szczelinowatej, metalowej osłonie chroniącej przed uszkodzeniami mechanicznymi i szokiem termicznym. Na początku sondy nie miały grzejnika. Za ogrzanie urządzenia do wymaganej temperatury odpowiadały gorące spaliny, jednak w pewnych sytuacjach takie rozwiązanie nie do końca się sprawdzało. Po pierwsze, osiągnięcie właściwej temperatury przez sondę po rozruchu silnika wymagało czasu. Po drugie, trudność sprawiało również utrzymanie ciepłoty czujnika podczas pracy jednostki napędowej na biegu jałowym. W obu powyższych przypadkach urządzenie wysyłało błędne sygnały na temat zawartości tlenu w gazach wydechowych. Problem udało się rozwiązać poprzez zastosowanie zintegrowanego z sondą grzejnika, który zapewnia jej optymalną temperaturę w czasie pracy silnika przy małym obciążeniu (przy dużym obciążeniu spaliny są na tyle gorące, że z powodzeniem spełniają rolę grzejnika).

Jeśli natomiast chodzi o sondę planarną, to jest ona bardziej zaawansowana konstrukcyjnie od sondy palcowej. Jej korpus składa się ze stosu laminowanych warstw ceramicznych. Odpowiednie kanały i otwory wytwarza się metodami wyciskania oraz nawiercania. Poza tym każda warstwa musi posiadać określoną strukturę o specyficznych właściwościach. Taka struktura jest nadawana w procesie zwanym sitodrukiem. Następnie poszczególne warstwy są układane jedna na drugiej i laminowane. Ostatni etap produkcji sondy planarnej polega na wypaleniu laminatu w temperaturze 1425˚C. Gotowy czujnik przypomina kształtem wydłużoną płytkę. Przed uszkodzeniami mechanicznymi chroni go podwójna metalowa osłona.

Sondy lambda, jak każde inne podzespoły samochodu, z czasem ulegają zużyciu i awariom. Po części jest to spowodowane bardzo trudnymi warunkami, w których pracują. Mianowicie, jeden koniec urządzenia ma kontakt z gorącymi spalinami, natomiast drugi wystaje na zewnątrz i jest narażony na działanie różnego rodzaju czynników atmosferycznych. Sondzie lambda szkodzi również paliwo niskiej jakości, a także pozostałości sadzy i oleju w gazach wydechowych. Aby czujnik dłużej funkcjonował poprawnie należy m.in. regularnie wykonywać przeglądy pojazdu, w razie potrzeby awaryjnego rozruchu silnika używać wyłącznie kabli rozruchowych (przy uruchamianiu „na pych” do układu wydechowego może dostać się niespalone paliwo), dbać o to, aby poziom oleju silnikowego nie przekraczał maksymalnej wartości zaznaczonej na miarce oraz tankować paliwo wysokiej jakości. Regularnie co 30000 km warto kontrolować działanie sondy, natomiast jej wymiany należy dokonywać w terminach zalecanych przez producenta pojazdu.

Bezapelacyjnym liderem w produkcji sond lambda jest Bosch. W jego fabrykach na całym świecie produkuje się obecnie około 5000 takich czujników na godzinę, czyli około 45 milionów rocznie. Dane firmy Bosch wyraźnie wskazują również na znaczny wzrost zapotrzebowania na sondy lambda przez ostatnie 40 lat. Potrzeba było 32 lat (od roku 1976 do 2008), aby wyprodukować 500 milionów sztuk oraz tylko ośmiu lat (od roku 2008 do 2016), aby podwoić wielkość produkcji do 1 miliarda czujników. Wszyscy europejscy i większość światowych producentów pojazdów wykorzystuje sondy lambda Boscha do montażu fabrycznego. Bogatą wiedzę i długoletnie doświadczenie Bosch wykorzystuje również na rynku części zamiennych, dysponując na nim najszerszą ofertą sond lambda.