Spalanie paliwa w silniku powoduje zamianę energii chemicznej na energię mechaniczną. Dzięki temu możliwe jest wprawienie wału korbowego silnika w ruch obrotowy i dalsze napędzanie samochodu. Efektem ubocznym procesów spalania jest powstawanie dużej ilości ciepła oraz spalin.

Produktami spalania paliw są spaliny w których skład wchodzą: para wodna, dwutlenek węgla, azot, tlenek węgla, tlenki azotu i węglowodory. Trzy ostatnie są produktami szczególnie toksycznymi w związku z czym producenci silników wraz z  ustawodawstwem starają się je maksymalnie eliminować ze spalin.

Substancje trujące mają bardzo niewielki udział w składzie spalin (ok. 1,1% w składzie spalin silnika ZI i 0,2% w skaldzie spalin silnika ZS), a główny składnik spalin to dwutlenek węgla, woda i azot.

Aby mieć kontrolę nad składem mieszanki paliwowo-powietrznej, a co za tym idzie – nad składem spalin – konieczne stało się stosowanie konwerterów katalitycznych oraz czujników kontrolujących skład spalin i poprawne działanie katalizatora. Sterowanie składem mieszanki w skrócie można opisać w następujący sposób: jeśli w spalinach jest zbyt duża zawartość węglowodorów (HC), to oznacza, że silnik pracuje na zbyt bogatej mieszance.

Czujnik tlenu resztkowego w spalinach wykrywa niedobór tlenu i na podstawie tego odczytu sterownik silnika zubaża mieszankę paliwowo-powietrzną, aby jej skład był bliski składowi stechiometrycznemu. Jeśli w spalinach jest zbyt dużo tlenu, to znaczy, że silnik pracuje na zbyt ubogiej mieszance. Jest to korzystne ze względu na niższe zużycie paliwa i brak emisji węglowodorów, ale w tych warunkach spalanie ma wyższą temperaturę, co powoduje nadmierną emisję tlenków azotu (NOx).

Aby zmniejszyć emisję tlenków azotu konieczne jest zastosowanie układu recyrkulacji gazów spalinowych (układ EGR). Nie ma on za zadanie powtórnego „przepalenia” spalin. Doprowadzenie spalin do komory spalania obniża temperaturę spalania, co przyczynie się do zmniejszenia emisji związków azotu (NOx).

Aby móc określić prawidłowy skład spalin konieczne jest zaznajomienie się z zagadnieniem dotyczącym ilości powietrza potrzebnej do idealnego procesu spalania paliwa. Jeśli do spalania pewnej ilości paliwa zużyje się dokładnie taką ilość powietrza, jaka jest chemicznie potrzebna, to można powiedzieć, że mieszanka miała charakter stechiometryczny. To oznacza, że każdy atom tlenu doprowadzony z powietrzem wszedł w reakcję z węglowodorami paliwa w procesie spalania. Efektem tego są spaliny, w których nie ma tlenu resztkowego, ani niespalonych węglowodorów.

Teoretyczna masa powietrza potrzebna do spalenia 1 kg paliwa zależy od składu chemicznego paliwa i jest wielkością charakterystyczną dla każdego paliwa.

Teoretyczna masa powietrza potrzebna do spalenia wynosi:

• 6,47 kg powietrza potrzebnego do spalenia 1 kg metanolu (CH3OH),
• 9 kg powietrza potrzebnego do spalenia 1 kg alkoholu etylowego (C2H5OH),
• 14,6 kg powietrza potrzebnego do spalenia 1 kg oleju napędowego,
• 14,7 kg powietrza potrzebnego do spalenia 1 kg benzyny,
• 15,5 kg powietrza potrzebnego do spalenia 1 kg gazu LPG,
• 17,19 kg powietrza potrzebnego do spalenia 1 kg gazu CNG,
• 34,3 kg powietrza potrzebnego do spalenia 1 kg wodoru (H2).

W przypadku silników wysokoprężnych należy zwrócić uwagę na fakt, że w warunkach stechiometrycznych nie pracują one poprawnie. Typowe zakresy stosunku masy powietrza do masy paliwa w silnikach Diesla oscylują w granicach od 16:1 nawet do 70:1. Wynika to także z faktu, że silnik Diesla jest sterowany przez zmniejszanie, lub zwiększanie dawki wtryskiwanego paliwa i nie ma w nim regulacji przepustnicą ilości zasysanego powietrza.

Współczynnik nadmiaru powietrza (λ) to stosunek rzeczywistej ilości (masy) powietrza, w której spalane jest paliwo, do ilości potrzebnej do całkowitego spalenia paliwa (ilość stechiometryczna podana wyżej dla różnych paliw). W celu uzyskania całkowitego spalania konieczne jest zwykle doprowadzenie większej ilości powietrza, niż to wynika z równań stechiometrycznych, ponieważ paliwa posiadają dodatki i inne składniki, które też ulegają spaleniu

Jeśli wartość współczynnika lambda:

• λ = 1: oznacza, że w mieszance paliwowo-powietrznej jest dokładnie tyle tlenu, ile trzeba do spalenia paliwa. Mieszanka ma skład stechiometryczny.
• λ > 1: oznacza, że w mieszance paliwowo-powietrznej jest więcej tlenu niż jest potrzebne do spalenia paliwa, a więc część tlenu nie zostanie wykorzystana w procesie spalania. Jest to mieszanka uboga w paliwo.
• λ < 1: oznacza, że w mieszance paliwowo-powietrznej jest mniej tlenu niż jest potrzebne do spalenia paliwa. Jest to mieszanka bogata w paliwo.

Sondy szerokopasmowe najprościej zidentyfikować po ilości przewodów. Są przyłączone przynajmniej 5 przewodami i zawsze wyposażone są w element podgrzewający.

W szerokopasmowej sondzie lambda znajdują się komory:

• pomiarowa,
• detekcyjna,
• pompowa.

Aby kontrolować skład spalin konieczne jest zastosowanie tak zwanej sondy lambda, która jest czujnikiem tlenu resztkowego w spalinach. Początkowo stosowano sondy, które swoje właściwości diagnostyczne zyskiwały dopiero po pełnym rozgrzaniu się silnika i układu wydechowego w którym były zamontowane. To znacznie obniżało możliwości regulacji mieszanki na przykład przy niedogrzanym silniku.

Dziś powszechnie stosuje się czujniki szerokopasmowe, które mogą zmierzyć szerszy zakres zawartości tlenu w spalinach odpowiadający większym dysproporcjom stosunku tlenu do paliwa w mieszance paliwowo-powietrznej. Czujnik szerokopasmowy składa się z dwóch ogniw – jednego mierzącego, a drugiego pompującego. W pierwszym mierzona jest koncentracja tlenu w spalinach. Wartość pomiaru jest przez sondę podawana, jako sygnał napięciowy, który jest porównywany do napięcia referencyjnego o wartości 450 mV.

Ta wartość odpowiada mieszance stechiometrycznej dającej wartość λ=1. Jeśli wartość pomiaru odbiega od napięcie referencyjnego, to ogniwo pompujące dostarcza dodatkową ilość jonów tlenu do ogniwa pomiarowego lub pobiera jony tlenu z tego ogniwa. Operacja ta trwa tak długo, aż osiągnięty zostanie odczyt równy z wartością 450 mV. Wartość i polaryzacja napięcia potrzebna do osiągnięcia napięcia referencyjnego odpowiada koncentracji tlenu w mieszance paliwowo-powietrznej.

W ofercie firmy NGK SPARK PLUG pojawiły się nowe szerokopasmowe sondy lambda o oznaczeniu UAR seria 9000.

Ich cechami szczególnymi są:

• Czujnik szerokopasmowy – liniowy (5 przewodów);
• Znaczne poszerzenie pokrycia rynku (sondy UAR mogą być instalowane w samochodach z czujnikami innych marek – do tej pory czujniki NTK nie obejmowały tych zastosowań);
• Sondy mają inne kodowanie przewodów (jak niżej);
• Prąd pompowania ma inną wartość(jak niżej);
• Oporność podgrzewacza ma inną wartość.

Jak widać z powyższych wykresów sondy typu UAR 9000 charakteryzują się odmiennym przebiegiem charakterystyki prądu pompowania, który w okolicach wartości lambda λ=2,5 dla sondy typu UAR 9000 wynosi około 1,5 mA w odróżnieniu do sondy standardowej, której prąd pompowania wynosi ponad 2,5 mA. Zmianie uległo także kodowanie kolorami przewodów. Nowe kodowanie i porównanie go do kodowania sond standardowych przedstawiono w tabelach 1-3.

Więcej informacji technicznych NGK/NTK dostępnych jest TUTAJ.

Artykuł sponsorowany przez NGK Spark Plug