charakterystyka czujników stosowanych w systemach wtryskowo

CHARAKTERYSTYKA CZUJNIKÓW STOSOWANYCH W
SYSTEMACH WTRYSKOWO-ZAPŁONOWYCH SILNIKÓW
SPALINOWYCH NOWEJ GENERACJI
Krzysztof BALAWENDER, Katarzyna GROCHOWSKA
W artykule przedstawiono rodzaje i charakterystykę czujników stosowanych w układach
wtryskowo-zapłonowych silników z zapłonem iskrowym oraz przedstawiono zasadę ich działania.
1. WSTĘP
W silnikach nowej generacji dąży się do zmniejszenia zużycia paliwa oraz emisji
składników toksycznych zawartych w spalinach, dzięki czemu będą one bardziej przyjazne
środowisku. Jednocześnie silniki te powinny zachować jak największą moc. Ujawnia się ona w
postaci momentu obrotowego przy określonej prędkości obrotowej. Podstawowym celem
sterowania w silnikach nowej generacji jest wygenerowanie odpowiedniego pożądanego w danej
chwili momentu obrotowego [3]. Dlatego też konieczne jest dostarczenie informacji do sterownika
o chwilowych parametrach pracy silnika. Dokonuje się tego przy pomocy czujników. Wykonują
one pomiary poszczególnych chwilowych wartości parametrów, które przekazywane są do
sterownika i stanowią podstawę do obliczenia sygnałów dla elementów wykonawczych.
2. WARTOŚCI MIERZONE ORAZ GENERACJE CZUJNIKÓW
Czujniki dzieli się ze względu na poziomy integracji. Pierwszy stopień integracji polega na
dodaniu do czujnika elementu wykonującego obróbkę wstępną sygnału analogowego.
Rys. 1. Generacje czujników [4]: SE – czujnik, SA – obróbka wstępna sygnału (analogowa), A/D – przetwornik
analogowo-cyfrowy, SG – sterownik (cyfrowy), MC – mikroprocesor
Obrobiony sygnał jest bardziej odporny na zakłócenia i przekazywany do sterownika, gdzie zostaje
przetworzony przez przetwornik na sygnał cyfrowy. Czujniki o drugim stopniu integracji zostały
wyposażone w przetworniki analogowo-cyfrowe, dzięki czemu przekazywany do sterownika
sygnał cyfrowy jest przystosowany do szeregowej wymiany danych i odporny na zakłócenia. W
trzecim stopniu integracji układ czujnika składa się, oprócz elementu wykonującego obróbkę
wstępną i przetwornika, z mikroprocesora. Poszczególne generacje czujników przedstawiono na
rys. 1.
Wartościami mierzonymi przez czujniki w systemach wtryskowo-zapłonowych są m.in.: kąt
położenia pedału przyspieszenia, kąt położenia przepustnicy, prędkość obrotowa wału korbowego,
położenie wału rozrządu, masa i temperatura powietrza zasilającego oraz ciśnienie atmosferyczne,
29
temperatura cieczy chłodzącej silnik, współczynnik nadmiaru powietrza oraz opcjonalnie
temperatura spalin, a także (w wypadku występowania turbosprężarki) ciśnienie doładowania
turbosprężarki i temperatura powietrza doładowującego [4] oraz poziom drgań w cylindrze.
Dzięki tym wartościom, stanowiącym sygnały wejściowe, wyznaczane są: optymalna dawka
paliwa i kąt wyprzedzenia zapłonu [4].
3. RODZAJE CZUJNIKÓW
Czujniki położenia pedału przyspieszenia (Accelerator Pedal Position) mogą
występować w wersji z potencjometrem oraz jako hallotronowe czujniki kąta. W pierwszych
po oporowej ścieżce obrotowej przesuwa się ramię czujnika, które w zależności od kąta
obrotu powoduje przesunięcie styku na ścieżce oporowej. Im większe jest przesuniecie, tym
większa rezystancja oraz tym większa jest wartość napięcia wyjściowego, stanowiącego
sygnał wyjściowy. W pojazdach dołącza się czujnik rezerwowy, który ma za zadanie
weryfikację poprawnego działania czujnika podstawowego. Charakterystyki obydwu
czujników powiązane są funkcją. W ten sposób następuje porównanie niezależnych od siebie
dwóch sygnałów.
Zasada działania hallotronowych czujników położenia pedału przyspieszenia jest oparta
na efekcie Halla. Na przykład w czujniku ARS1 firmy BOSCH [3] naciśnięcie pedału
przyspieszenia powoduje obrót osi wykonanej z materiału magnetycznie miękkiego, do której
jest przytwierdzony wirnik. Strumień magnetyczny doprowadzany jest do wirnika przez
nabiegunnik i dwie płytki przewodzące. Obrót osi powoduje przewodzenie strumienia
magnetycznego przez płytki przewodzące i czujnik hallotronowy, a co za tym idzie zmianę
wartości sygnału. Czujnik ten ma zakres pomiarowy 90º i w tym zakresie charakterystyka
pomiarowa jest charakterystyką liniową.
Czujnik położenia przepustnicy (Throttle Position Sensor) to przetwornik wartości
przemieszczenia kątowego na napięcie, zbudowany na zasadzie potencjometru. Obecnie
stosuje się czujniki z dwiema ścieżkami pomiarowymi z różnymi napięciami odniesienia w
celu uzyskania większej pewności (dokładności) pomiaru. Ramię ślizgacza czujnika jest
połączone z osią przepustnicy. Napięcie mierzone jest na ramionach ślizgaczy. Stosunek
napięcia pomiarowego do napięcia zasilającego UV = 5V daje informację o kącie obrotu
przepustnicy.
Określenie prędkości obrotowej silnika jest możliwe dzięki czujnikom prędkości
obrotowej wału korbowego (Crankshaft Rotational Speed Sensor). Dzielą się one na
pasywne (indukcyjne), których wielkości pomiarowe są na tyle duże, że nie wymagają
wzmocnienia w miejscu pomiaru oraz aktywne (hallotronowe) o małych sygnałach
pomiarowych.
Czujniki indukcyjne montuje się w korpusie silnika. Posiadają one magnes trwały,
połączony na dole z rdzeniem wykonanym z miękkiego materiału ferromagnetycznego.
Wokół rdzenia nawinięte są zwoje cewki. Czujnik oddzielony jest szczeliną powietrzną od
koła impulsowego wyposażonego w zęby, wręby i znak odniesienia (brak zęba). W
czujnikach jest wykorzystywane prawo indukcji elektromagnetycznej. Na skutek zmian pola
magnetycznego w czasie względnego przemieszczenia przewodnika (wirnik
ferromagnetyczny) występuje przepływ prądu w obwodzie elektrycznym. Linie pola
magnetycznego powstają nad oraz pod trzpieniem wnikając w wirnik. Wskutek obrotu, kiedy
ząb znajduje się naprzeciw czujnika, następuje wzmocnienie strumienia magnetycznego, zaś
w przypadku wrębu – osłabienie strumienia magnetycznego. Zmienne pole magnetyczne,
działając na cewkę, powoduje powstanie napięcia sinusoidalnopodobnego. Napięcie to
charakteryzuje się zależnością wielkości amplitudy od prędkości obrotowej (dla małych
prędkości obrotowych są to wartości rzędu kilku miliwoltów, dla wysokich obrotów
amplituda osiąga ponad 100 V). Dlatego też nie można dokonać tymi czujnikami pomiarów
30
zerowej liczby obrotów lub małych prędkości obrotowych (minimalna prędkość obrotowa to
30 obr/min). Z tego względu nazywamy je czujnikami dynamicznymi. Zasada działania
hallotronowych czujników prędkości obrotowej wału korbowego jest analogiczna do
czujników położenia wału korbowego i rozrządu. Czujniki położenia wału korbowego
(Crankshaft Position Sensor) są wykonywane w dwóch wariantach, jako indukcyjne i
hallotronowe. Czujniki hallotronowe położenia wału korbowego zaliczają się do czujników
magnetostatycznych, wyznaczają bowiem prędkości quasistatyczne. W przeciwieństwie do
czujników indukcyjnych, wraz ze wzrostem prędkości obrotowej nie wzrasta wartość
amplitudy napięcia pomiarowego, amplituda zależy tylko od natężenia pola magnetycznego.
Czujniki hallotronowe, ze względu na to, że zawierają elektroniczne komponenty mogą być
stosowane tylko w określonym zakresie temperatur. Dzięki ustaleniu położenia wału
korbowego możemy określić położenie tłoka w GMP.
Do ustalenia położenia wału rozrządu stosuje się zarówno czujniki indukcyjne jak
i hallotronowe. Czujniki hallotronowe działają na zasadzie współpracy z kołem impulsowym
z jednym znakiem odniesienia. Czujniki te zamocowane są w korpusie silnika. Czujnik
zbudowany jest z magnesu trwałego i przetwornika Halla, który umieszczony jest tak, aby
znajdować się między magnesem trwałym a wirującym kołem impulsowym. Kiedy czujnik
znajdzie się naprzeciwko zęba następuje wzrost strumienia magnetycznego, wskutek czego
powstaje napięcie Halla. Scalony układ rozpoznaje ten sygnał i przetwarza go na prostokątny.
a)
b)
Rys. 2. Czujnik położenia wału rozrządu [3]: a) budowa, 1 – przyłącze elektryczne, 2 – obudowa, 3 – korpus
silnika, 4 – pierścień uszczelniający, 5 – magnes trwały, 6 – układ Halla, 7 – koło impulsowe, b)
charakterystyka, L – wrąb, Z – ząb
Pomiar temperatury silnika sprowadza się do pomiaru temperatury cieczy chłodzącej.
W tym celu stosuje się czujniki temperatury cieczy chłodzącej (Coolant Temperature
Sensor) [6]. Czujniki te mają zakres pracy od –40 do 130ºC. Działają na zasadzie termistora,
czyli rezystora zmieniającego swoją rezystancję w zależności od temperatury. Umieszczone
są w ściance, tak by rezystancja pomiarowa poprzez obudowę stykała się z cieczą w układzie
chłodzącym. Do rezystancji pomiarowej dołączone są przyłącza elektryczne. Istnieją dwa
typy elementów pomiarowych: NTC – Negative Temperature Coefficient o ujemnym
współczynniku temperaturowym oraz PTC – Positive Temperature Coefficient o dodatnim
współczynniku temperaturowym.
31
W czujnikach temperatury silnika stosuje się głównie rezystory NTC – zwykle
półprzewodnikowe z tlenków metali ciężkich i oksydowanych kryształów mieszanych. Mają
one silnie opadającą charakterystykę rezystancji: od kilkuset omów do kilkuset kiloomów w
funkcji temperatury (w zakresie od –40 do 850ºC).
Czujniki temperatury zasilane są napięciem 5V. Napięcie pomiarowe jest zamienianie
przez przetwornik A/D na sygnał cyfrowy i przekazywane do sterownika, gdzie dla wartości
napięcia zmierzonego jest odczytana temperatura z charakterystyki U = f(T), zapisanej w
pamięci sterownika.
Czujnik temperatury powietrza (Inlet Air Temperature) umiejscowiony jest w
przewodzie dolotowym. Działa na zasadzie termistora o ujemnym współczynniku
temperaturowym. Dokonuje on pomiaru temperatury powietrza zasilającego, dzięki czemu
możliwe jest obliczanie masy powietrza dostarczanego do cylindrów na podstawie pomiaru
gęstości powietrza w kanale dolotowym [2]. Dla stałego wydatku powietrza przy zmianie
temperatury następuje zmiana masy dostarczanego powietrza, co implikuje konieczność
zmiany dawki wtryskiwanego paliwa. Ponadto temperatura powietrza zasilającego wpływa na
regulację takich wartości jak ciśnienie doładowania czy recyrkulacja spalin. Czujnik
temperatury powietrza BOSCH ma zakres pomiarowy od –40 do 120°C.
Do pomiaru temperatury spalin stosuje się czujniki temperatury spalin (Exhaust Gas
Temperature Sensor). Montowane są one w miejscu występowania najwyższej temperatury
w układzie wylotowym. Mają zakres pomiarowy od –40 do 1000ºC. Na podstawie sygnału
z czujnika jest wykonywana regulacja dotycząca spalin.
Do określenia ilości powietrza pobieranego przez silnik stosuje się mierniki masy
powietrza zasilającego – przepływomierze (Air Flow Meters). Dane z tych czujników
pozwalają na ustalenie dawki wtryskiwanego paliwa. Mierniki masy dzielą się na:
przepływomierze klapkowe (mierzące ciśnienie spiętrzenia) i termoanemometry elektryczne.
Przepływomierz klapkowy (Vane Air Flow) umieszczony jest w kanale dolotowym
między filtrem powietrza i przepustnicą. Działa on na zasadzie pomiaru ciśnienia spiętrzenia.
Zbudowany jest z klapy spiętrzającej w głównym kanale połączonej z klapą kompensacyjną
(stanowiącą tłumik pneumatyczny). Do osi obrotu obydwu klap zamocowana jest sprężyna
powrotna, która napinana jest przez wieniec zębaty oraz suwak potencjometru. Przepływające
powietrze odchyla klapę spiętrzającą. Zamocowany do osi klapy suwak potencjometru
porusza się po ścieżce oporowej, powodując regulację napięcia, zależnego od wartości
kątowej. W celu dokładniejszego pomiaru wprowadzana jest korekcja temperaturowa (pomiar
czujnikiem temperatury powietrza zasilającego) oraz ciśnieniowa (pomiar ciśnienia
bezwzględnego w kolektorze dolotowym).
Wśród termoanemometrów elektrycznych (Manifold Air Flow) można wyróżnić
drutowe i warstwowe [3]. Dokonują one pomiaru wydatku masowego powietrza. Czujniki
drutowe znajdują się w rurze pomiarowej z dwóch stron zamkniętej siatką. W środku znajdują
się (kolejno zgodnie z kierunkiem przepływu): rezystor kompensacji temperaturowej RK,
następnie rozciągnięty jest trapezowo drut platynowy o rezystancji RH. W skład czujnika
wchodzą także układ
regulacyjny (składający się z rezystorów wyrównawczych i
wzmacniacza) oraz rezystor pomiarowy RM. Na rezystorze kompensacyjnym jest mierzona
temperatura przepływającego powietrza (uwzględnienie gęstości), następnie to samo
powietrze przepływając dalej ochładza rezystor RH. Prąd IH przepływający przez rezystor RH
jest tak regulowany, aby różnica temperatur między ogrzewanym rezystorem i powietrzem
była stała. Pomiar prądu przepływającego przez ogrzewany rezystor RH jest miarą wydatku
masowego. Prąd IH jest wyznaczany poprzez pomiar napięcia na rezystorze pomiarowym RM.
Przepływomierz z termoanemometrem warstwowym to czujnik, w którym komponenty
pomiarowe umieszczone są na podłożu z płytki ceramicznej [3] lub szklanej [7]. Montuje się
go między filtrem i przepustnicą.
32
a)
b)
Rys. 3. Przepływomierze elektryczne [3]: a) schemat elektryczny przepływomierza z termoanemometrem
drutowym, b) budowa przepływomierza do rozpoznawania przepływów wstecznych, 1 – przyłącza elektryczne, 2
– rura pomiarowa lub obudowa filtra powietrza, 3 – układ elektroniczny odpowiedzialny za przekazywanie
sygnałów, 4 – przetwornik pomiarowy, 5 – obudowa, 6 – kanał pomiarowy, 7 – wylot pomiarowego strumienia
powietrza QM, 8 – wlot pomiarowego strumienia QM powietrza
Termoanemometry warstwowe mają także inne bardziej zaawansowane konstrukcje,
służące także do określania kierunku przepływu. Elementem pomiarowym jest płytka, na
środku której znajduje się element grzewczy: mikromechaniczna przepona utrzymywana w
stałej temperaturze. Po obu jej stronach umieszczone są rezystory pomiarowe. Kiedy w
układzie nie występuje przepływ, temperatury obydwu oporników są sobie równe. Wydatek
powietrza oblicza się na podstawie napięć na poszczególnych rezystorach pomiarowych i
przekształcenie na sygnały (od 0 do 5V), które są przekazywane do sterownika. W sterowniku
zapisana jest charakterystyka U = f(QML), gdzie QML to wydatek masowy powietrza, w której
określony jest również obszar dla przepływu wstecznego.
Czujniki ciśnienia w kolektorze dolotowym (Manifold Air Pressure) występują
w wariantach
konstrukcyjnych
jako
mikromechaniczne
i
grubowarstwowe.
Mikromechaniczne czujniki mierzą ciśnienie bezwzględne (czyli ciśnienie określone
względem próżni) w układzie dolotowym silnika doładowanego lub niedoładowanego. Na
podstawie pomiaru ciśnienia absolutnego jest obliczana masa czynnika. Czujniki wg BOSCH
dzielą się na [3]: z komorą próżni bazowej i z próżnią w komorze bazowej.
Czujniki z komorą próżni bazowej (rys. 4a) są czujnikami ciśnienia bezwzględnego,
gdyż pomiar następuje względem próżni. Osłonięte są one od góry pokrywką. Pod nią
znajduje się uszczelniona komora, w której panuje próżnia. W komorze tej umieszczony jest
element pomiarowy. Chip elementu pomiarowego wraz z elektroniką jest umieszczony na
cokole. Na chipie krzemowym wytrawiona jest przepona, na której umieszczone są 4
tensometry. Od chipa wyprowadzone są przyłącza elektryczne. W cokole jest wykonany
otwór, przez który doprowadzane jest ciśnienie mierzone. Tensometry są połączone w układ
Wheatstone’a, tak aby na jednej gałęzi mostka znajdował się zarówno tensometr, który
podlega rozciąganiu i tensometr podlegający ściskaniu. Pod wpływem działającego ciśnienia
odkształcenia przepony mogą wynosić od 10 do 1000 μm, wskutek czego tensometry także
ulegają odkształceniom, co wpływa na zmianę ich rezystancji. Napięcie pomiarowe mierzone
jest pomiędzy dwiema gałęziami mostka Wheatstone’a. Sygnał napięciowy zostaje
wzmocniony we wzmacniaczu, poddany kompensacji temperaturowej oraz jego
charakterystyka zostaje zlinearyzowana. W pamięci sterownika znajduje się charakterystyka
zależności napięcia wyjściowego od ciśnienia. Napięcie podawane do sterownika
(przyjmujące wartości z zakresu od 0 do 5 V) zostaje przeliczone na ciśnienie.
33
a)
b)
Rys 4. Czujniki ciśnienia [3]: a) czujnik ciśnienia z komora próżni bazowej - budowa elementu pomiarowego, 1
– przyłącze elektryczne, 2 – komora próżni bazowej, 3 – przyłącze elektryczne, 4 – chip elementu pomiarowego,
5 – szklany cokół, 6 – pokrywka, 7 – doprowadzenie ciśnienia, b) przetwornik ciśnienia z próżnią w komorze
bazowej: 1 – żel ochronny, 2 – osłona komory żelowej, 3 – cokół szklany, 4 – podłoże z kompozytu, 5 – komora
próżniowa, 6 – chip przetwornika, 7 – połączenie mikromontażowe
Czujniki z próżnią w komorze bazowej (rys. 4b) składają się z komory żelowej,
obudowanej z boku osłoną. W żelu na cokole szklanym umieszczony jest chip. W chipie jest
wytrawiona przepona, a na przeponie umieszczone są 4 tensometry. Między chipem a
cokołem znajduje się komora próżniowa. Czujnik umieszczony jest na podłożu ceramicznym.
Ciśnienie, w przeciwieństwie do czujników z komorą w próżni bazowej, działa od góry.
Ciśnienie przeniesione przez żel działa bezpośrednio na tensometry, a nie przez przeponę.
Sygnał pomiarowy z układu mostkowego tensometrów to napięcie UM. Zostaje ono poddane
obróbce: wzmocnieniu, kompensacji temperaturowej oraz linearyzacji, aby jako sygnał
napięciowy zostać wysłane do sterownika, gdzie jest porównane i przeliczone na wartość
ciśnienia mierzonego.
Grubowarstwowe czujniki ciśnienia w kolektorze dolotowym (Manifold Air
Pressure) lub ciśnienia doładowania (Turbocharging Pressure Sensor), mające zakres od
20 do 400 kPa, są instalowane dodatkowo osobno lub w sterowniku silnika. W obudowie
znajduje się wkład uszczelniający, a w nim element pomiarowy, do którego doprowadza się
mierzone ciśnienie. Element pomiarowy zbudowany jest z membrany grubowarstwowej.
Pomiędzy membraną a podłożem ceramicznym znajduje się komora ciśnienia odniesienia. Na
membranie nad pęcherzem odniesienia umieszczone są tensometry aktywne, zaś na obrzeżach
membrany – bierne tensometry odniesienia, które wykonują kompensację temperaturową.
Tensometry połączone są w mostek, zasilany napięciem U0. Napięcie pomiarowe jest
mierzone pomiędzy gałęziami mostka. Układ analizy sygnału umieszczony jest na
grubowarstwowym kompozycie naniesionym na podłożu ceramicznym. Układ kompensacji
pobierając wartości prądu zasilającego wysyła sygnały modyfikujące napięcie pomiarowe.
Zostaje ono wzmocnione we wzmacniaczu, a stamtąd jako napięcie wyjściowe jest wysyłane
do sterownika silnika.
Czujniki ciśnienia atmosferycznego (Barometric Pressure Sensors) to
mikromechaniczne czujniki ciśnienia oraz grubowarstwowe czujniki ciśnienia. Ich zakres
wynosi od 60 do 115 kPa. Montuje się je w sterowniku lub blisko silnika. Na ich podstawie,
przy uwzględnieniu gęstości powietrza otoczenia, następuje korekcja regulacji sterowania
silnika.
Drgania powstające w silniku przy występowaniu spalania stukowego są wykrywane
dzięki piezoelektrycznym czujnikom spalania stukowego (Knock Sensor). Czujniki takie są
umieszczone w dłuższym boku kadłuba. Czujnik jest zbudowany z pierścienia
piezoceramicznego, na który działa masa drgająca. Pod wpływem spalania stukowego w
34
wyniku działania ciśnienia w cylindrach powstają siły, które indukują drgania. Masa drgająca
czujnika reaguje na pierścień piezoelektryczny. Powoduje to przemieszczenie ładunku
elektrycznego wewnątrz elementu piezoelektrycznego, dzięki czemu między dwiema
warstwami płytki powstaje napięcie i przekazywane jest przez płytki stykowe do sterownika.
Sondy lambda (Lambda Sensors / Exhaust Oxygen Sensors) to czujniki zawartości
tlenu w spalinach [1]. Stosuje się je w celu regulacji mieszanki paliwowo-powietrznej.
Montuje się je w rurze wylotowej, badając w ten sposób spalanie we wszystkich cylindrach
jednocześnie. Pozwala to na obniżenie zawartości składników toksycznych w spalinach.
Firma NGK/NTK produkuje sondy lambda, różniące się elementami ceramicznymi:
tytanowe, cyrkonowe i szerokopasmowe. Sonda cyrkonowa jest wyposażona w palcowy
element wykonany z dwutlenku cyrkonu, zaczyna on przewodzić jony tlenu od 300ºC.
Dlatego też sonda cyrkonowa jest sondą podgrzewaną, co pozwala na wcześniejsze
rozpoczęcie pracy sondy. We wnętrzu elementu palcowego znajduje się powietrze
referencyjne. W miarę zmiany stężenia tlenu w spalinach następuje przepływ jonów tlenu.
Obie warstwy elementu są pokryte warstwą platynową, która stanowi elektrodę. Dzięki temu
przepływ jonów powoduje zmianę napięcia. Tytanowa sonda lambda nie wymaga powietrza
referencyjnego. Generuje ona sygnał napięcia, który odpowiada zmianom oporu. Jej zasada
działania polega na tym, iż oporność tlenku tytanu zmienia się wraz ze zmianą składu spalin.
Większa zawartość tlenu w spalinach powoduje zmniejszenie zdolności przewodzenia tlenku
tytanu. Temperatura pracy sondy wynosi od 200 do 700ºC. Dla mieszanek bogatych – opór
jest mały, rzędu 100Ω–10kΩ, natomiast dla mieszanek ubogich opór jest wysoki rzędu
100kΩ– MΩ. Szerokopasmowe sondy NGK/NTK to liniowe sondy z rozszerzonym oknem
lambda. Sygnał jest analizowany w szerokim zakresie. Jest on proporcjonalny do zawartości
tlenu w spalinach, rozpoznawane są w ten sposób wartości stechiometryczne i
niestechiometryczne, co wpływa na optymalizację mieszanki paliwowo-powietrznej [9].
Firma BOSCH produkuje sondy wąskopasmowe, które dzielą się na palcowe
(ogrzewane i nieogrzewane) oraz planarne a także sondy szerokopasmowe. W palcowych
sondach wąskopasmowych na platynowej elektrodzie zewnętrznej następuje doprowadzenie
spalin do stanu stechiometrycznego. Przestrzeń wewnętrzna sondy lambda jest połączona z
powietrzem atmosferycznym, pełniącym funkcję gazu porównawczego. Napięcie między
elektrodami jest wartością pomiarową. Na tej podstawie jest ustalana zawartość tlenu w
spalinach.
a)
b)
Rys. 5. Wąskopasmowa sonda lambda [1, 7]: a) schemat, 1 – elektrolit, 2 – elektrody, 3 – zestyki, 4 – obudowa,
5 – rura wylotowa spalin, 6 – warstwa ochronna, b) charakterystyka
Elementem pomiarowym planarnej sondy lambda firmy BOSCH jest płytka
warstwowa. Zbudowana jest ona następująco: od góry znajduje się ochronna warstwa
35
ceramiczna, pod nią umieszczone są warstwy elektrody zewnętrznej i wewnętrznej,
oddzielone folią przetwornika. Elektroda wewnętrzna styka się z kanałem gazu odniesienia,
którym może być w zależności od modelu sondy powietrze lub tlen. Oddzielony jest on
warstwą izolacyjną od elementu grzejnego umieszczonego na folii. Rozwiązanie
konwencjonalne (LSF4 BOSCH) polega na tym, iż pod wpływem rozkładu tlenu na jony
wytwarza się prąd zarówno na elektrodzie zewnętrznej w otoczeniu spalin jak i w kanale
powietrza. Powoduje to powstawanie napięcia, które jest wartością pomiarową i stanowi o
zawartości tlenu w spalinach. Dla małych zawartości tlenu, czyli dla współczynnika λ < 1
napięcie wyjściowe wynosi od 800 do 1000 mV. Dla dużych zawartości tlenu, czyli dla λ > 1
napięcie osiąga 100 mV.
4. PODSUMOWANIE
Obecne wymogi dotyczące emisyjności spalin implikują konieczność coraz większej
dokładności pomiarów parametrów pracy silnika spalinowego. Zastosowanie czujników w
systemach wtryskowo-zapłonowych pozwala na coraz dokładniejsze sterowanie pracą silnika
spalinowego. Rozwój elektroniki i zastosowanie jej w systemach wtryskowo-zapłonowych do
sterowania pracą silnika spalinowego o zapłonie iskrowym pozwala na zminimalizowanie emisji
składników toksycznych zawartych w spalinach przy zachowaniu zoptymalizowanej mocy i
momentu obrotowego.
LITERATURA
[1]
Kasedorf J.: Układy wtryskowe i katalizatory, WKiŁ, Warszawa 1998.
[2]
Kneba Z., Makowski S.: Zasilanie i sterowanie silników. WKiŁ, Warszawa 2004.
[3]
Informator techniczny BOSCHA. Czujniki w pojazdach samochodowych. WKiŁ, Warszawa
2002.
[4]
Informator techniczny BOSCHA. Sterowanie silników o zapłonie iskrowym. Układy
Motronic. WKiŁ, Warszawa 2004.
[5]
Informator techniczny BOSCHA. Sterowanie silników o zapłonie iskrowym. Zasada
działania. WKiŁ, Warszawa 2008.
[6]
http://www.auto-online.pl/elektron/index.htm
[7]
http://www.auto-online.pl/serwis/poradnik/elek_autom/czujniki/przeplyw.htm
[8]
http://www.diaaut.home.pl/r5421c2x_pliki/image004.gif
[9]
http://www.ngkntk.pl/fileadmin/e_learning/menu.html?lang=pl
CHARACTERISTICS OF SENSORS FOR IGNITION AND INJECTION
SYSTEMS FOR NEW GENERATION COMBUSTION ENGINES
A classification and description of sensors used in injection and ignition systems for
a new generation spark ignition combustion engines are presented in this paper.
36