Lambda davikliai

 

 Viena iš pažangiausių sričių, kur taikomos šiuolaikinės technologijos, yra mašinų gamyba. Pasaulyje nuolat griežtėja reikalavimai, kuriais siekiama sumažinti atmosferos taršą automobilių išmetimo dujomis. Siekiant šio tikslo yra taikomos vis naujesnės technologijos, tobulinamos automobilių kuro įpurškimo sistemos. Labiausiai paplitusi technologija yra deguonies daviklio panaudojimas išmetimo kolektoriuje, siekiant nustatyti išmetimo dujų sudėtį. Su šiuo davikliu dažnai susiduriama remonto dirbtuvėse ir diegiant dujinę įrangą. Deguonies daviklis naudojamas nuo 1976 m., nors teoriniai pagrindai buvo aiškinami XIX a. pab. Įžymus vokiečių mokslininkas elektrochemijos srityje Valteris Nernstas (Walther Nernst, 1864-1941), 1899 m. sudarė elektrocheminės kameros lygtį. Vėliau ji buvo pavadinta jo vardu – “Nernsto kamera” (“Nernst cell”). Jo išradimai yra kaitrinė šviesos lempa, elektroninis pianinas. V. Nernstas suformulavo trečią termodinamikos dėsnį. Jo veikla chemijos srityje 1920 m. buvo įvertinta Nobelio premija. Elektrodinaminės kameros esmė yra perteikiama V. Nernsto lygtimi:

 

U= T·k· ln (O2 pvz. / O2 mat. )

 

  Ši lygtis parodo, kad medžiagos koncentracija įtakoja elektros krūvio atsiradimą elektrocheminėje kameroje. Elektronų pasiskirstymas vyksta iš didesnės deguonies koncentracijos pusės į mažesnę. Pirmieji šią teoriją gaminant deguonies daviklius pritaikė praktikoje BOSCH firmos inžinieriai.

 

1976 m. pritaikius Nernsto teoriją, pavyko sukurti deguonies daviklį, panaudojant cirkonio dioksido plokštelę. Daviklis buvo pritaikytas matuoti deguonį automobilių išmetimo dujose, ir buvo pavadintas Lambda davikliu, žymimu graikiška raide λ. Šiuo metu šia raide žymimas oro ir kuro santykis dirbant vidaus degimo varikliui. Teorinių tyrimų pagrindu buvo nustatyta, kad optimaliausias santykis, sudarant degųjį mišinį yra 1:14,7, t.y. norint sudeginti 1 kg kuro, reikalinga 14,7 kg oro. Toks santykis buvo pavadintas stichiometriniu. Lambda (λ) koeficientas perteikiamas sekančia formule:

 

λ = sunaudotas oro kiekis (KS) / stichiometrinis oro kiekis (14,7)

 

λ koeficientas nustato oro perteklių arba trūkumą, kitaip tariant, nurodo kuro mišinio riebumą arba liesumą. Kai λ=1, paruoštas kuro mišinys yra idealus. Jeigu λ>1, tai mišinys liesas,kai λ<1, mišinys – riebus.

 

Deguonies daviklis išmetimų dujų vamzdyje: 1 – keramika, 2 – elektrodai, 3 – kontaktai, 4 – kontaktų korpusas, 5 – išmetimo vamzdis, 6 – skylėtas korpusas, 7 – išmetamos dujos, 8 – oras

 

  Pirmas Lambda daviklis BOSCH firmos buvo panaudotas 1976 m. VOLVO 240 automobilyje. Daviklis buvo sujungtas vienu laidu, ir buvo kaitinamas išmetimo dujomis. Jau pirmųjų daviklių panaudojimas žymiai sumažino kenksmingų medžiagų išmetimą. Tais pačiais metais Amerikos rinkoje buvo pateikta apie 10 mln. daviklių. O iki 1983 m. išleista iki 50 mln. daviklių. Šiuo metu BOSCH firma gamina apie 33 mln daviklių per metus. Kadangi Nernsto efektas pasireiškia tik aukštoje temperatūroje, daviklis ilgą laiką būdavo neveiksmingas, kol automobilio variklis pilnai neįkaisdavo.

  1982 m. išleisti Lambda davikliai su pakaitinimu. Į vidinę ertmę buvo integruotas kaitinimo elementas. Kaitinimo elemento panaudojimas leido žymiai pagreitinti daviklio darbo pradžią. Nuo 1990 metų praktiškai visuose automobiliuose įrengti Lambda davikliai. Išmetimo dujų kontrolę pagal Lambda daviklio parodymus atlieka įpurškimo kompiuteris. Žema deguonies daviklio įtampa: 0,1-0,3V reiškia aukštą deguonies kiekį išmetimo dujose. Tokius parodymus Įpurškimo kompiuteris interpretuoją kaip liesą mišinį. Kai įtampa yra 0,7-0,8V, toks mišinys traktuojamas kaip pariebintas. Kai mišinio sudėtis atitinka stichiometrinį, daviklis generuoja 0,45V įtampą.

 

Cirkonio daviklio diagrama

 

  Įpurškimo sistemoje kuro kiekio dozavimas atliekamas purkštukų pagalba. Esant liesam mišiniui, kompiuteris didina įpurškimo laiką ir atitinkamai pariebina mišinį. Degant tokiam mišiniui, išmetimo dujose sumažėja deguonies kiekis, o deguonies daviklio įtampa pasidaro aukšta 0,7-0,8V, o tai atitinka pariebintam mišiniui. Taigi kuro paruošimo procesas palaipsniui ir pastoviai keičiasi, siekiant išlaikyti kuro ir oro santykį 1:14,7. Pateikta diagrama rodo daviklių parametrų nuolatinę kaitą .Tokie davikliai vadinami “antgalio elementas” (Thimble). Apie 85% visų pagaminamų daviklių yra “Thimble” rūšies.

 

Cirkonio daviklio elementas

 

  Didelę įtaką lambda davikliui turi išmetimo dujų temperatūra. Kuo temperatūra aukštesnė, tuo didesnė daviklio įtampos amplitudė. Daviklis kokybiškai dirba esant 350oC temperatūrai. Kai daviklis naudojamas be pakaitinimo elemento, esant variklio laisvai eigai, daviklio parametrai ignoruojami. Esant nepriekaištingam variklio ir įpurškimo sistemos darbui, daviklio parametrai keičiasi 1-2 kartus per sekundę: nuo lieso iki riebaus.Gamintojas garantuoja daviklio darbą apie 150 000 km. Laikui bėgant daviklio parametrai silpsta, sumažėja jo įtampos amplitudė ir dažnis. Toks defektas pasireiškia netolygiomis, laisvomis apsukomis, padidėja kuro sąnaudos. Pagrindinė Lambda daviklio paskirtis palaikyti kuro mišinio paruošimą 0,98<λ<1,02 ribose. Davikliai kurie dirba tokiose ribose vadinami “siaurajuosčiais” arba “persijungimo” davikliais. Kaip matosi iš pateiktos diagramos, šiose ribose efektyviausiai dirba katalizatorius. Kenksmingų medžiagų HC, CO ir NO kiekis mažėja iki 98proc. Sugedus Lambda davikliui kuro mišinio paruošimas išsibalansuoja, mišinys tampa per liesas arba per riebus. Tokio mišinio sudegimas kenkia katalizatoriui. Esant liesam mišiniui, katalizatorius perkaista ir suyra. O riebus mišinys užkemša katalizatoriaus poras. Griežtėjant aplinkos užterštumo mažinimo reikalavimams, dauguma automobilių gamintojų įrengia papildomą l daviklį, esantį už katalizatoriaus.

 

Katalizatorius

 

  Taip nuolat stebimas katalizatoriaus darbo efektyvumas. Katalizatoriui dirbant kokybiškai, daviklio išėjimo įtampa keičiasi 0,45-0,55V ribose.

Išmetamųjų dujų sudėtis 

  Norint nustatyti katalizatoriaus efektyvumą, kai kurie gamintojai taiko specialų testą: esant laisvoms apsūkoms, paeiliui keičiamas kuro mišinys nuo lieso iki riebaus. Pagal Lambda daviklio, esančio už katalizatoriaus, parodymus, nustatomas jo efektyvumas. Kuo mažesni daviklio įtampos pasikeitimai, tuo geriau veikia katalizatorius.

 

 

 

 

  Jeigu įtampa keičiasi panašiai kaip ir daviklio esančio prieš katalizatorių, katalizatoriaus darbas neefektyvus.

 

 

 

Lambda davikliai „Planar“

  1994 m. firma BOSCH sukūrė deguonies daviklį panaudoję ploną cirkonio plokštelę.

 

Planarinis daviklis

1 – gaubtas, 2 – tarpinė, 3- korpusas, 4 – keramikos laikiklis, 5 – sensoriaus elementas, 6- apsauginis gaubtas

 

  Cirkonio plokštelės storis yra 1,5 mm. Čia taip pat naudojamas Nernsto efektas. Kartu su matavimo elementu integruojama ir pakaitinimo plokštelė.

Planarinio deguonies daviklio sudėtis

1 – apsauginis sluoksnis, 2 – išorinis sluoksnis, 3 – keramika, 4 – vidinis elektrodas, 5 - keramika, 6 - izoliacija, 7- kaitinimo elementas, 8- kaitinimo elemento pagrindas, 9- kontaktai.

 

  Sulipdžius visus daviklio sluoksnius, jis lieka vis tiek labai plonas, lyginant su davikli “Thimble” (“antgalis”). “Planar” daviklis dėl tokios konstrukcijos labai greitai įšyla ir pradeda dirbti po 15-20 s, o tai neleidžia susidaryti apnašoms. Davikliai “Planar” pasižymi kompaktiškumu ir patikimumu. Šiuo metu jie labiausiai paplitę automobilių gamyboje. Šių daviklių charakteristika tokia pat, kaip ir persijungimo daviklių “siaurajuosčių”. Daugiausia jie naudojami AUDI, VW automobiliuose. Deguonies sulyginimui daviklis gauna per išorines angas. 2004 m. apie 30 proc. naujų automobilių buvo pagaminti su “Planar” davikliais. Iki 2008 m. bendras kiekis automobilių su tokiais davikliais sudarys apie 75 proc. “Planar” davikliui susidėvėjus, jis gali būti keičiamas tik tokios pat konstrukcijos davikliu.

 

Titaniniai deguonies davikliai

  Titano davikliai pagaminti titano dioksido (TiO2) pagrindu. Tokio tipo davikliai yra mažiau paplitę automobilių pramonėje.

 

Titaninis daviklis

 

  Čia aktyvusis elementas yra titano dioksidas. Kai aktyvi daviklio medžiaga yra veikiama skirtingos deguonies koncentracijos, keičiasi daviklio vidinė varža. Esant pariebintam mišiniui daviklio varža sumažėja iki 1000 W, o pasikeitus mišiniui į liesą daviklio varža staigiai šokteli iki 20000 W. Dažniausiai daviklis jungiamas prie atraminės įtampos 5V. Veikiančio daviklio darbą atvaizduoja žemiau pateikta diagrama:

 

Titaninio daviklio diagrama

 

  Pagal pateiktą diagramą, žemą įtampą atitinka riebus mišinys. Aukštą įtampą atitinka liesas mišinys.

  Šio daviklio stichiometrinis taškas atitinka 2,5V. Titaniniai davikliai pasižymi patikimu darbu ir greita reakcija į kuro mišinio pasikeitimą. Skirtingai nuo cirkoninio daviklio, titaninio daviklio viduje yra kalibracinė deguonies kapsulė, kurios atžvilgiu matuojamas deguonis išmetimo dujose. Tokia konstrukcija garantuoja stabilų daviklio darbą, nepriklausomai nuo jo aplinkos užterštumo. Titaninius daviklius naudoja ne daugiau 10 proc. automobilių gamintojų, kadangi naudojamos brangios gamybos technologijos. Atskirti titaninį daviklį nuo kitų lengva pagal raudoną signalinį laidą:

 

 

  Titaniniai davikliai dirba esant 700-800°C temperatūroje, ir gaminami tik su pakaitinimu. Pakaitinimo varža 4-7 W.

  Vieni pirmųjų titaninius daviklius pradėjo naudoti “Nissan”, “Jeep Cherokee” automobilių gamintojai. Kai kuriuose “Nissan” modeliuose naudojami ir titaniniai, ir cirkoniniai davikliai, kurių negalima sukeisti. Šiuo metu titaniniai davikliai naudojami kai kuriuose BMW, “Volvo”, “Ford”, “GM”, “Jaguar”, “Rover”, “SAAB”, “Alfa Romeo” automobiliuose.

 

Plačiajuosčiai deguonies davikliai

  Šiuo metu iš visų kitų labiausiai išsiskiria “plačiajuosčiai” deguonies davikliai. Šie davikliai dar vadinami oro ir kuro santykio davikliais. Jie pasižymi plačiomis matavimo savybėmis. Kuro - oro santykio matavimo riba siekia 1:10 iki 1:18, tai atitinka λ=0,5 ir λ=2.2

 

Plačiajuosčio daviklio charakteristika

 

  Tuo tarpu siaurajuosčiai davikliai matuoja ribose 0,98<λ<1,02. “Plačiajuosčiai” davikliai leidžia panaudoti naujausias technologijas kuro įpurškimo sistemose. Pirmieji plačiajuosčius daviklius sukūrė NTK firma, pagal HONDA koncerno užsakymą. Tokių daviklių panaudojimas leido pasiekti išskirtinius rezultatus, ypač paliesinto kuro mišinio technologijoje, kuri naudojama HONDA automobiliuose. Daviklio panaudojimas atveria naujas galimybes “tiuningo” firmoms. Jo panaudojimas leidžia tiksliai nustatyti kuro kiekio dozavimą, gerinant variklio galingumo charakteristiką. Amerikoje gaminami prietaisai plačiajuosčių daviklių pagrindu. Šie prietaisai rodo momentinį mišinio santykį. Kiek efektyvus darbas plačiajuosčio daviklio, tiek sudėtinga jo diagnostika. Daviklio technologija tokia: matuojama įpurškimo bloko srovė, kuria įpurškimo blokas valdo deguonies daviklį. Tokiu atveju, prijungti išorinę įrangą galimybių nėra. Efektyviausia įranga nustatyti daviklio parametrus yra sisteminis kodų nuskaitytuvas. Jis nuskaito daviklio duomenis iš įpurškimo kompiuterio, esant daviklio gedimams. “Plačiajuostis” daviklis dirba kitaip negu “siaurajuostis”. “Plačiajuosčio” daviklio parametrai atitinka kuro-oro mišinio santykį. Nežiūrint į daviklio išskirtines savybes, jo parodymai gali suklaidinti įpurškimo kompiuterį. Esant oro nutekėjimui išmetimo kolektoriuje arba gedimams įpurškimo sistemoje, daviklio parametrai neatitinka tikrovės. Čia ypatingai reikalingas kvalifikuotas darbas. Daviklis dirba esant 700-800^oC temperatūrai. Pakaitinimo grandinė šiame daviklyje taip pat yra kitokia. Pakaitinimas valdomas tiesiogiai iš įpurškimo kompiuterio, impulso-pločio moduliacijos pagalba. Tai leidžia įpurškimo kompiuteriui tiksliai nustatyti gedimus pakaitinimo sistemoje. “Planar” technologija garantuoja greitą daviklio pakaitinimą. Pradeda dirbti per 20 s, nuo variklio užkurimo. Šiuo metu plačiajuosčius daviklius gamina NTK ir BOSCH firmos. Tokio daviklio vidutinė rinkos kaina  - 200 eurų. Davikliai naudojami AUDI, VW, VOLVO, “Porsche Carrera”, GM automobiliuose.

 

  Plačiajuostis daviklis susideda iš kelių cirkonio dioksido sluoksnių.

 

Plačiajuosčio daviklio schema

 

  Išskirtina tai, kad yra “kamera-siurblys” (“pump-cell”), kuri tiesiogiai sujungta su išmetimo dujomis mažu kanalu. Iš vienos pusės matavimo kameros yra kamera-siurblys, iš kitos pusės yra kalibracinė deguonies kapsulė. Įpurškimo bloko paskirtis palaikyti kameroje-siurblyje stichiometrinį mišinį: λ=1.  Įpurškimo blokas tai atlieka srovės pagalba, kuri prijungta prie kameros siurblio. Keičiant esamos srovės amplitudę ir poliškumą, vyksta jonizacijos procesas kameros-siurblio atžvilgiu. Srovė keičiasi tol, kol  kameroje-siurblyje  deguonies kiekis netampa λ=1. Tokiu atveju, srovės dydis proporcingas kuro-oro mišiniui. Plačiajuosčiai davikliai prie įpurškimo kompiuterio jungiasi 6 kontaktais, kurie užtikrina jo funkcionalumą.

 

„Toyota“ plačiajuosčiai deguonies davikliai

Plačiajuosčiai davikliai dažnai naudojami “Toyota” automobiliuose. Pagal savo parametrus “Toyota” davikliai atitinka BOSCH ir NTK firmos daviklius. Konstruktyvi technologija visiškai skiriasi nuo šių firmų daviklių. Priešingai nei BOSCH, “Toyota” daviklis yra srovės generatorius. Keičiantis išmetimo sistemoje deguonies kiekiui, keičiasi daviklio išėjimo srovė. Šią srovę matuoja įpurškimo kompiuteris. Konstruktyvaus daviklio ypatumas yra cirkonio dioksido (CRO₂) kamera, prie kurios pajungta nedidelė įtampa 0,3V. Prie vienos pusės matavimo kameros prijungtas potencialas 3V, prie kitos  3,3V. Iš tos pusės, kur patenka išmetimo dujos, kamera padengta difuziniu sluoksniu. Kai išmetimo dujose deguonies kiekis yra  stichiometrinis λ=1, kameros potencialas ir difuzinio sluoksnio potencialai yra lygūs ir neturi įtakos vienas kitam.

Kai išmetimo dujose keičiasi deguonies kiekis, tarp difuzinio sluoksnio ir kameros vyksta jonizacijos procesas. Jo metu vyksta deguonies molekulių skilimas ir atsiranda laisvieji elektronai, kurie įtakoja srovės atsiradimą. Šios srovės reikšmė proporcinga deguonies kiekiui išmetimo dujose. Tokia daviklio konstrukcija apsunkina jo diagnostiką ir gedimo nustatymą. Norint diagnozuoti “Toyota” automobilius, rekomenduojama naudoti prietaisą MASTERTECH. Šis prietaisas interpretuoja srovės reikšmę į įtampos reikšmę. Srovės atitikimai AFR koeficientui pateikti diagramoje:

 

 

  Šie davikliai plačiai naudojami „Toyota“ ir LEXUS automobiliuose ir negali būti keičiami kitų firmų davikliais. „Toyota“ automobiliuose taip pat naudojami ir siaurajuosčiai davikliai.