Αισθητήρας λ

Κατασκευή του αισθητήρα λ

Ο αισθητήρας λ είναι ένας ηλεκτρολύτης σε στερεά μορφή και αποτελείται από ένα κεραμικό αεροστεγές σώμα, το οποίο είναι κλειστό στο ένα άκρο του. Το υλικό κατασκευής του σώματος του ηλεκτρολύτη είναι το οξείδιο του Ζιρκονίου (ZrO₂), το οποίο στερεώνεται (σταθεροποιείται) με τη βοήθεια ενός υλικού από οξείδιο του Υτρίου (Υ₂Ο₂).
Το σώμα του αισθητήρα λ καλύπτεται και στις δυο πλευρές του (εσωτερικά και εξωτερικά) από ηλεκτρόδια, κατασκευασμένα από σπογγώδη πλατίνα (λευκόχρυσο). Η πλευρά της πλατίνας που εκτίθεται στα καυσαέρια καλύπτεται από ένα πορώδες κεραμικό στρώμα από οξείδιο του αργιλίου (Al₂O₃). Το υλικό αυτό τοποθετείται για την προστασία της πλατίνας από τις φθορές που προκαλούν οι επικαθήσεις των καυσαερίων. Στο εξωτερικό μέρος του τμήματος του αισθητήρα που είναι εκτεθειμένο στα καυσαέρια υπάρχει ένας ατσάλινος σωλήνας, για την προστασία του αισθητήρα από μηχανικές καταπονήσεις, τις οποίες προκαλούν τα σωματίδια που υπάρχουν στα καυσαέρια. Ο σωλήνας αυτός φέρει αυλακώσεις, μέσα από τις οποίες εισέρχονται τα καυσαέρια και οδηγούνται προς το ηλεκτρόδιο (-) της εξωτερικής πλευράς.
Στο τμήμα του αισθητήρα που είναι εκτεθειμένο στον ατμοσφαιρικό αέρα υπάρχει μια οπή (τρύπα). Από αυτήν την οπή εισέρχεται ο αέρας στο εσωτερικό του αισθητήρα και έρχεται σε επαφή με το ηλεκτρόδιο (+) της εσωτερικής πλευράς του.
Το ηλεκτρόδιο (-) γειώνεται μέσω μιας επαφής στο σωλήνα της εξάτμισης, ενώ το ηλεκτρόδιο (+) συνδέεται με τον ακροδέκτη του αισθητήρα, μέσω ενός ηλεκτροδίου σύνδεσης.
Ο αισθητήρας λ μοιάζει εξωτερικά με ένα μπουζί και τοποθετείται στην πολλαπλή εξαγωγής ή και πάνω στον καταλύτη. Πάνω στον καταλύτη τοποθετείται πριν την είσοδο των καυσαερίων στον κεραμικό μονόλιθο. Ο αισθητήρας λ είναι το βασικό εξάρτημα των κλειστών συστημάτων ρύθμισης. Γι’ αυτό και τα κλειστά συστήματα ρύθμισης έχουν την ονομασία LAMBDA – CLOSED – LOOP – CONTROL.

Λειτουργία

Ο αισθητήρας λ (μαζί με τον καταλυτικό μετατροπέα) φροντίζει, ώστε τα ποσοστά των ρύπων στα καυσαέρια να παραμένουν κάτω από τα επιτρεπτά όρια τιμών. Επειδή τοποθετείται στο σύστημα της εξάτμισης του αυτοκινήτου, είναι διαρκώς εκτεθειμένος σε υψηλές θερμοκρασίες, σε χημικές επιδράσεις και σε μηχανικές καταπονήσεις (δονήσεις). Γι’ αυτό το λόγο φθείρεται εύκολα και πρέπει να ελέγχεται σε τακτά χρονικά διαστήματα. Αν ο αισθητήρας λ δε λειτουργεί σωστά, τότε οι τιμές των ρύπων θα ξεπεράσουν κατά πολύ τις επιτρεπτές τιμές. Ο λήπτης λ παρέχει τις πληροφορίες ανατροφοδότησης στον εγκέφαλο του συστήματος τροφοδοσίας (ηλεκτρονικά ρυθμιζόμενο καρμπυρατέρ ή ηλεκτρονικό σύστημα ψεκασμού – injection) και σε συνδυασμό με τον καταλύτη επιτυγχάνει μείωση των εκπομπών καυσαερίων.
Η κυριότερη προϋπόθεση για τον περιορισμό των ρύπων στα καυσαέρια, σε κινητήρα που είναι εφοδιασμένος με τριοδικό καταλυτικό μετατροπέα, είναι να λειτουργεί ο κινητήρας στη στοιχειομετρική αναλογία (λ=1) ή με πολύ μικρή (μικρότερη του 1%) απόκλιση από αυτή. Αυτό δεν είναι δυνατό να επιτευχθεί ακόμα και σε κινητήρα, ο οποίος διαθέτει το πλέον σύγχρονο σύστημα ψεκασμού του καυσίμου μείγματος, αν δεν υπάρχει ένα κλειστό σύστημα το οποίο να ρυθμίζει συνέχεια το μείγμα αέρα-καυσίμου, ανάλογα με τις τιμές των ρύπων στα καυσαέρια.
Ο προσδιορισμός των τιμών των ρύπων στα καυσαέρια από τον αισθητήρα λ γίνεται με έμμεσο τρόπο. Δηλαδή, δε μετράει απευθείας τις τιμές τους, αλλά τις προσδιορίζει μετρώντας τη συγκέντρωση των μορίων του οξυγόνου, που περιέχονται στα καυσαέρια. Έτσι αν ανιχνεύσει μεγάλη ποσότητα οξυγόνου, αυτό σημαίνει ότι το μείγμα που κάηκε ήταν «φτωχό» (λ>1), ενώ αν ανιχνεύσει ελάχιστη ως μηδενική ποσότητα οξυγόνου, αυτό σημαίνει ότι το μείγμα που κάηκε ήταν «πλούσιο» (λ<1). Επειδή, λοιπόν, ο αισθητήρας λ μετράει την ποσότητα του οξυγόνου στα καυσαέρια λέγεται και αισθητήρας οξυγόνου. Αρχικά μάλιστα λεγόταν αισθητήρας οξυγόνου αερίων εξαγωγής (Exhaust Gas Oxygen Sensor – EGO sensor).
Η ποσότητα του οξυγόνου που περιέχεται στα καυσαέρια είναι ανάλογη με τη σύσταση του καυσίμου μείγματος, το οποίο έχει εισαχθεί στον κινητήρα και έχει καεί. Άρα, ο αισθητήρας λ μετρά εκ των υστέρων και με έμμεσο τρόπο τη σύσταση του μείγματος αέρα-βενζίνης.
Στις υψηλές θερμοκρασίες, όταν τα μόρια του οξυγόνου έλθουν σε επαφή με την πλατίνα, τότε ιονίζονται. Αν οι συγκεντρώσεις των μορίων του οξυγόνου στα ηλεκτρόδια είναι διαφορετικές, τότε εμφανίζεται μια τάση (διαφορά δυναμικού) μεταξύ τους. Τότε μέσα από το κεραμικό σώμα του αισθητήρα, το οποίο στις υψηλές θερμοκρασίες γίνεται αγώγιμο, διέρχονται ιόντα οξυγόνου, δηλαδή συμπεριφέρεται σαν ηλεκτρολύτης.
Αν λοιπόν το καύσιμο μείγμα που κάηκε ήταν πλούσιο, τότε δεν θα υπάρχουν μόρια του οξυγόνου στα καυσαέρια, ενώ, αν το μείγμα ήταν φτωχό θα είναι αρκετά. Και στις δυο περιπτώσεις πάντως, τα μόρια του οξυγόνου θα είναι λιγότερα από αυτά του ατμοσφαιρικού αέρα, επομένως θα εμφανίζεται μια τάση μεγαλύτερης ή μικρότερης τιμής ανάμεσα στα ηλεκτρόδια. Σε κάθε περίπτωση, η τάση αυτή μεταφέρεται ως πληροφορία (σήμα) της κατάστασης του καυσίμου μείγματος στην ηλεκτρονική μονάδα ελέγχου, η οποία με τη σειρά της δίνει εντολή στο σύστημα τροφοδοσίας για διόρθωση της σύστασής του στη στοιχειομετρική (λ=1).
Η εφαρμογή της ηλεκτρονικής τεχνολογίας στο αυτοκίνητο έδωσε τη δυνατότητα ανάπτυξης των συστημάτων, μέσω των οποίον γίνεται αυτόματα ο έλεγχος των τιμών των ρύπων που περιέχονται στα καυσαέρια και η ρύθμιση της αναλογίας του καυσίμου μείγματος.

Ανοικτά συστήματα ρύθμισης

Ανοικτά συστήματα ρύθμισης είναι αυτά στα οποία η ποσότητα έγχυσης του καυσίμου είναι ανεξάρτητη από την περιεκτικότητα των ρύπων στα καυσαέρια.
Αντιπροσωπευτικό παράδειγμα ανοικτού συστήματος ρύθμισης είναι αυτό με μη ρυθμιζόμενο καταλυτικό μετατροπέα, δηλαδή χωρίς αισθητήρα λ, σε αυτοκίνητο αντιρρυπαντικής τεχνολογίας. Ακόμα και όταν το σύστημα τροφοδοσίας είναι ελεγχόμενο από ηλεκτρονική μονάδα (εγκέφαλο), επειδή δεν υπάρχει αισθητήρας λ δεν είναι δυνατή η πληροφόρηση για την κατάσταση των καυσαερίων, προκειμένου να γίνονται ρυθμίσεις της σύστασης του καυσίμου μείγματος.
Σ’ αυτά τα συστήματα η ηλεκτρονική μονάδα ελέγχου, προκειμένου να προβεί σε ρυθμίσεις της αναλογίας του καυσίμου μείγματος παίρνει πληροφορίες από άλλους αισθητήρες.

Κλειστά συστήματα ρύθμισης

Σε ένα κλειστό σύστημα ρύθμισης, ο αισθητήρας λ είναι βασικό εξάρτημα του βρόχου ανατροφοδότησης.
Σ’ αυτά τα συστήματα η ρύθμιση της ποσότητας έγχυσης του καυσίμου γίνεται με βάση (εκτός των άλλων παραμέτρων) και τις πληροφορίες που στέλνει στην ηλεκτρονική μονάδα ελέγχου ο αισθητήρας λ, σχετικά με την περιεκτικότητα μορίων οξυγόνου στα καυσαέρια (πλούσιο-φτωχό μείγμα).
Με αυτό τον τρόπο επιτυγχάνεται ακριβής ρύθμιση του καυσίμου μείγματος, με αποτέλεσμα ο βαθμός απόδοσης του καταλυτικού μετατροπέα να υπερβαίνει το 90%.
Τα κλειστά συστήματα ρύθμισης, στην αρχή της λειτουργίας τους συμπεριφέρονται σαν ανοιχτά, επειδή ο αισθητήρας λ δεν έχει φτάσει ακόμα στη θερμοκρασία κανονικής λειτουργίας του.

Λειτουργία του αισθητήρα σε φτωχό μείγμα καυσίμου

Ας υποθέσουμε ότι το μείγμα καυσίμου που κάηκε ήταν φτωχό, που σημαίνει ότι στα καυσαέρια υπάρχει μεγάλη ποσότητα μορίων οξυγόνου. Τότε και στα δυο ηλεκτρόδια από πορώδη πλατίνα θα εισέρχεται μεγάλος αριθμός μορίων οξυγόνου.
Λόγω της υψηλής θερμοκρασίας που επικρατεί στο χώρο της εξαγωγής των καυσαερίων, η πλατίνα ιονίζει τα μόρια οξυγόνου τόσο του ατμοσφαιρικού αέρα, όσο και των καυσαερίων. Επομένως, στο ηλεκτρόδιο (+) που έρχεται σε επαφή με τον ατμοσφαιρικό αέρα θα υπάρχουν λίγο περισσότερα ιόντα, σε σχέση με το ηλεκτρόδιο (-) που είναι σε επαφή με τα καυσαέρια. Αποτέλεσμα αυτού είναι να αναπτύσσεται μια τάση πολύ μικρής τιμής (της τάξης των 100 mV) μεταξύ των ηλεκτροδίων και μέσω του πορώδους σώματος του αισθητήρα, το οποίο στις υψηλές θερμοκρασίες (πάνω από 350 οC) γίνεται αγώγιμο, να διέρχονται ελάχιστα φορτία.
Η τάση (αναλογικό σήμα) των 100 mV μεταφέρεται από τον αισθητήρα, μέσω του θετικού ηλεκτροδίου, στην ηλεκτρονική μονάδα ελέγχου του συστήματος τροφοδοσίας, η οποία «μεταφράζει» την πληροφορία αυτή ως καύση φτωχού μείγματος.
Τότε η ηλεκτρονική μονάδα ελέγχου, προκειμένου να διορθώσει την αναλογία αέρα καυσίμου στη στοιχειομετρική, στέλνει έναν παλμό (ψηφιακό σήμα) μεγαλύτερου πλάτους, σε σχέση με τον προηγούμενο, στους ηλεκτρομαγνητικούς εγχυτήρες (μπεκ), αυξάνοντας τη διάρκεια ψεκασμού του καυσίμου.
Η αύξηση της διάρκειας του παλμού (τάσης ελέγχου) προς τους εγχυτήρες (μπεκ) από την ηλεκτρονική μονάδα ελέγχου έχει ως αποτέλεσμα την έγχυση μεγαλύτερης ποσότητας καυσίμου μείγματος.

Λειτουργία του αισθητήρα σε πλούσιο μείγμα

Στο πλούσιο μείγμα η ποσότητα της βενζίνης είναι περισσότερη απ’ ότι στη στοιχειομετρική αναλογία. Έτσι, στους κυλίνδρους του κινητήρα θα καεί ολόκληρη σχεδόν η ποσότητα του οξυγόνου.
Στο ηλεκτρόδιο του αισθητήρα λ, που έρχεται σε επαφή με τα καυσαέρια (εξωτερικό ηλεκτρόδιο) δημιουργούνται ελάχιστα ιόντα οξυγόνου, αφού υπάρχουν πολύ λίγα μόρια οξυγόνου για να ιονιστούν. Αντίθετα στο ηλεκτρόδιο που έρχεται σε επαφή με τον ατμοσφαιρικό αέρα (εσωτερικό ηλεκτρόδιο) υπάρχει πλήθος ιόντων οξυγόνου (όπως και στην περίπτωση του φτωχού μείγματος).
Λόγω αυτής της μεγάλης διαφοράς συγκέντρωσης ηλεκτρικών φορτίων στα δυο ηλεκτρόδια αναπτύσσεται μια ηλεκτρική τάση περίπου 800 mV (από 750 έως 900 mV). Τότε, παρατηρείται μεγάλη κίνηση ιόντων από το εσωτερικό ηλεκτρόδιο (+), μέσω του πορώδους στρώματος του αισθητήρα, προς το εξωτερικό ηλεκτρόδιο (-).
Η τάση των 800 mV μεταφέρεται στην ηλεκτρονική μονάδα ελέγχου ως πληροφορία πλούσιου μείγματος. Η ηλεκτρονική μονάδα ελέγχου αφού επεξεργαστεί αυτό το σήμα στέλνει στους ηλεκτρομαγνητικούς εγχυτήρες (μπεκ) έναν παλμό ελέγχου μικρού πλάτους, προκειμένου να μειωθεί ο χρόνος έγχυσης του καυσίμου και το καύσιμο μείγμα να οδηγηθεί στη στοιχειομετρική αναλογία.

Χαρακτηριστική καμπύλη λειτουργίας

Το σήμα (τάση) εξόδου του αισθητήρα λ είναι συνάρτηση της τιμής του λόγου λ και εξαρτάται επίσης από τη θερμοκρασία καυσαερίων. Σε θερμοκρασία περίπου 600ᵒC, αν το μείγμα είναι φτωχό (λ>1), ο αισθητήρας παράγει ένα σήμα (τάση) περίπου 100 mV, ενώ αν το μείγμα είναι πλούσιο, τότε παράγει ένα σήμα περίπου 800 mV. Στη στοιχειομετρική αναλογία (λ=1) του καυσίμου μείγματος ή σε τιμές πάρα πολύ κοντά σε αυτή (λ=1), ο αισθητήρας λ στέλνει ένα σήμα 400 mV, το οποίο αναγνωρίζει η ηλεκτρονική μονάδα ελέγχου ως σήμα στοιχειομετρικής αναλογίας του καύσιμου μείγματος.

Θερμοκρασία λειτουργίας

Η θερμοκρασία του περιβάλλοντος του αισθητήρα λ είναι καθοριστικής σημασίας για τη σωστή λειτουργία του, αφού επηρεάζει τόσο την ικανότητα ιονισμού των μορίων του οξυγόνου από τα ηλεκτρόδια πορώδους πλατίνας, όσο και την αγωγιμότητα του κεραμικού σώματος (ZrO₂).
Σε θερμοκρασίες κάτω των 300 οC, ο χρόνος απόκρισης του (μη θερμαινόμενου) αισθητήρα είναι περίπου 3 λεπτά της ώρας, ενώ σε κανονικές συνθήκες θερμοκρασίας (π.χ. 600 οC) ο χρόνος αυτός περιορίζεται σε τιμές κάτω των 50 δευτερολέπτων. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο τα κλειστά συστήματα ρύθμισης λειτουργούν σαν ανοιχτά στις χαμηλές θερμοκρασίες.
Σε θερμοκρασίες μεγαλύτερες των 850 οC, το κεραμικό σώμα του αισθητήρα καταστρέφεται ή στην καλύτερη περίπτωση μειώνεται ο χρόνος απόκρισης του. Μπορεί όμως για πολύ μικρό χρονικό διάστημα να λειτουργήσει μέχρι τους 950 οC. Για να φτάνει γρήγορα ο αισθητήρας στη θερμοκρασία κανονικής λειτουργίας του, έχει προστεθεί σ’ αυτόν μια ηλεκτρική αντίσταση (θερμαντικό στοιχείο). Έτσι στην περίπτωση κρύας εκκίνησης ή όταν ο κινητήρας λειτουργεί με μικρό φορτίο όπου η θερμοκρασία των καυσαερίων είναι χαμηλή, η ηλεκτρική αντίσταση βοηθάει τον αισθητήρα να αποκτήσει την απαιτούμενη θερμοκρασία σε πολύ σύντομο χρονικό διάστημα.
Έτσι, ο χρόνος απόκρισης του θερμαινόμενου αισθητήρα περιορίζεται στα 30 έως 40 δευτερόλεπτα κατά την κρύα εκκίνηση του κινητήρα.
Ο θερμαινόμενος αισθητήρας λειτουργεί κανονικά τουλάχιστον για 100.000 Km κίνησης αυτοκινήτου. Από την έξοδό του αναχωρούν τρεις αγωγοί (ή τέσσερις με τον αγωγό γείωσης). Ο ένας αγωγός μεταφέρει το σήμα εξόδου του αισθητήρα στην ηλεκτρονική μονάδα ελέγχου και οι υπόλοιποι δυο χρησιμοποιούνται για την τροφοδοσία της ηλεκτρικής αντίστασης με τάση 12 V.

Έλεγχος λειτουργίας

Ο έλεγχος του αισθητήρα λ μπορεί να πραγματοποιηθεί με ένα ευαίσθητο ψηφιακό βολτόμετρο υψηλής ακρίβειας (mV) και μικρού σφάλματος ή με ειδικές φορητές συσκευές ελέγχου ή με την διαγνωστική μονάδα (εγκέφαλος) που χρησιμοποιείται στα συνεργεία, όταν βέβαια υπάρχει η δυνατότητα ελέγχου του αισθητήρα λ.

Τοποθέτηση

Η θέση τοποθέτησης του αισθητήρα λ καθορίζεται από τις θερμοκρασίες στις οποίες πρέπει να λειτουργεί και από την αντοχή του στις υψηλές θερμοκρασίες.
Όπως αναφέραμε στις προηγούμενες ενότητες, ο αισθητήρας λ στις χαμηλές θερμοκρασίες (κάτω των 300 οC) δεν παρουσιάζει την απαιτούμενη ταχύτητα απόκρισης, ενώ στις πολύ υψηλές (πάνω από 850 οC) υπάρχει πολύ μεγάλος κίνδυνος καταστροφής του. Στην περίπτωση τοποθέτησης μακριά από την πολλαπλή εξαγωγής (π.χ. στην είσοδο του καταλυτικού μετατροπέα), σε κρύο ξεκίνημα του κινητήρα, όπου η θερμοκρασία στη θέση αυτή είναι χαμηλή για κάποια λεπτά της ώρας, ο αισθητήρας θα καθυστερεί να λειτουργεί κανονικά (ως κλειστό σύστημα ρύθμισης), δηλαδή δεν θα παρουσιάζει την απαιτούμενη ταχύτητα απόκρισης. Επάνω στην πολλαπλή εξαγωγής, ο αισθητήρας θερμαίνεται πολύ γρήγορα και παρουσιάζει μεγάλη ταχύτητα απόκρισης. Αυτό οφείλεται στο ότι ακόμα και στο κρύο ξεκίνημα του κινητήρα, η θερμοκρασία των καυσαερίων στην πολλαπλή εξαγωγής είναι πολύ υψηλή (υπέρθερμα καυσαέρια).
Οι θερμοκρασίες όμως στην πολλαπλή εξαγωγής κάποια στιγμή θα υπερβούν την οριακή για τον αισθητήρα τιμή των 850 οC, οπότε αυτός θα καταστραφεί. Η θέση κοντά στην πολλαπλή εξαγωγής είναι μια ενδιάμεση λύση, αφού ο αισθητήρας δεν κινδυνεύει να καταστραφεί από υπερθέρμανση και ο χρόνος απόκρισής του είναι ικανοποιητικός. Η τοποθέτηση ηλεκτρικής αντίστασης (θερμαντικού στοιχείου) στον αισθητήρα έλυσε το πρόβλημα της καθυστερημένης απόκρισής του. Έτσι η θέση τοποθέτησής του πλέον εξαρτάται μόνο από τα χαρακτηριστικά του κινητήρα (π.χ. κυβισμός, ιπποδύναμη κ.λ.π.). Γενικά, η επιλογή του σημείου τοποθέτησης του αισθητήρα λ γίνεται μετά από ανάλογη έρευνα, που κάνει κάθε κατασκευαστής.

Συνδεσμολογία

Ο αισθητήρας λ, όπως αναφέραμε σε προηγούμενες ενότητες, αποτελεί βασικό εξάρτημα του βρόχου ανατροφοδότησης για τη ρύθμιση της αναλογίας του καυσίμου μείγματος. Συνδέεται μέσω ενός αγωγού με την ηλεκτρονική μονάδα ελέγχου και την πληροφορεί, στέλνοντας ένα αναλογικό σήμα (τάση), το οποίο είναι ανάλογο της σύστασης του μείγματος που κάηκε.
Η ηλεκτρονική μονάδα ελέγχου, αφού επεξεργαστεί το σήμα αυτό (δηλαδή το μετατρέψει σε ψηφιακό) το συγκρίνει με ένα σήμα σταθερής τιμής (συνήθως 400 mV), το οποίο είναι καταχωρημένο στη μνήμη της. Στη συνέχεια στέλνει σήμα (παλμό) προς τους ηλεκτρομαγνητικούς εγχυτήρες (μπεκ) για αύξηση ή μείωση του χρόνου έγχυσης του καυσίμου, προκειμένου να διορθωθεί η αναλογία του στη στοιχειομετρική (λ=1).