Univerza v Ljubljani

FAKULTETA ZA ELEKTROTEHNIKO

Tržaška cesta 25

Ljubljana

SEMINARSKA NALOGA pri predmetu merilni pretvorniki

LAMBDA SONDA

Mentor: doc.dr. Peter Zajec Študent: Gregor Pirc

Ljubljana, maj 2008

1

KAZALO: stran: 1.Uvod.........................................................................................................................................3 2.Osnovno delovanje...................................................................................................................4 3. Sestava goriva.........................................................................................................................4 3.1.Sestava izpušnih plinov.....................................................................................................5 4. Zaznavalo lambda...................................................................................................................7 4.1.Ogrevana lambda sonda....................................................................................................8 4.2.Zgradba dvotočkovne lambda sonde................................................................................9 4.3. Lambda sonda za dizelske motorje……………………………………………………..9 4.4. Planarna lambda sonda…………………………………………………………………9 5. Manjša poraba z rednimi pregledi………………………………………………………….10 5.1.Testiranje……………………………………………………………………………….11 6.Področje uporabe sonde…………………………………………………………………….12 7.Zaključek……………………………………………………………………………………13 8.Literatura in viri…………………………………………………………………………….14

2

1. UVOD V današnjem času, sta lambda sonda in katalizator obvezni sestavni del našega avtomobila. Strogi predpisi v Evropski uniji in v svetu, zahtevajo ekološka vozila, z čimmanj izpusti strupenih snovi. Vzrok so tudi izpusti toplogrednih plinov, ki segrevajo ozračje ter višanje cen goriv na trgu. Zato je zelo pomembno, da uporabljamo vozila, ki čimmanj onesnažujejo okolje in hkrati tudi manj porabijo, saj le tako bomo prispevali k čistejšemu okolju. S pomočjo določenih ukrepov in naprav, lahko zmanjšamo izpuste plinov pri motorjih z notranjim izgorevanjem na minimalne vrednosti. Trenutna kombinacija lambda sonde in katalizatorja je še vedno najboljša rešitev za kontrolo in čiščenje izpušnih plinov.

3

2. OSNOVNO DELOVANJE V začetku 90. let so uvedli obvezno opremo pri bencinskih motorjih- katalizator, ki deluje še bolj optimalno skupaj z kombinacijo lambda sonde. Ukinili so tudi uporabo osvinčenega bencina in tako prispevali k čistejšemu okolju in boljšemu delovanju katalizatorjev. Z razpoložljivimi vžigalnimi sistemi in sistemi za vbrizgavanje goriva se lahko dosežejo majhne emisije škodljivih komponent. Te komponente še bolj zmanjšamo s pomočjo katalizatorja, pri katerem igra ključno vlogo lambda sonda. Lambda regulacija pomeni da se motorju dovaja pravilno razmerje med zrakom in gorivom (zrak 14,7/gorivo 1) in da ta deluje v otpimalnem ozkem območju imenovanem katalizatorsko okno . Da se dovaja pravilno razmerje goriva in zraka mora biti ta mešanica stalno merjena in glede na meritve se mora to razmerje pravilno korigirati. Kot merilno zaznavalo se uporablja lambda sonda, ki ima lastnost da ravno pri prehodu iz revne zmesi v bogato in obratno sproži napetostni skok, ki poda informacijo o kakovosti zmesi računalniku. Vgrajena je za izpušnim kolektorjem in pred katalizatorjem, na tej lokaciji ujame pline iz vseh valjev motorja. Delovanje temelji na načelu galvanske celice, na osnovni razlike koncentracij kisika s trdim elektrolitom.

1.Boscheva lambda sonda 3. SESTAVA GORIVA NAFTA: Nafta in njeni derivati so pomemben energetski vir in danes bi si težko predstavljali življenje brez njih. Surova nafta je zmes približno petstotih spojin, v katerih prevladujejo ogljikovodiki (95 % do 98 %). Vsebuje pa tudi nezaželene primesi kot so žveplove, dušikove in kisikove spojine. Sestava je odvisna od nahajališča surove nafte (od sestave usedlin, kjer je nastala). Surove nafte ne moremo uporabljati neposredno, zato jo v rafinerijah predelajo v uporabne proizvode z želenimi lastnostmi. MOTORNI BENCIN: Pri destilaciji nafte dobimo surovi bencin, ki bi slabo poganjal bencinske motorje, pa še premalo ga nastane glede na vhodno količino nafte. S katalitičnim krekingom iz plinskega olja dobimo več bencina, ki je boljše kakovosti. Bencin je zmes številnih ogljikovodikov in ima spremenljivo sestavo. Zato njegove kakovosti ne morejo določati po sestavi, temveč le po obnašanju v bencinskem motorju. Kvaliteta motornega bencina je odvisna od tega, koliko je mogoče stisniti zmes njegovih hlapov in

4

zraka v avtomobilskem motorju, ne da bi prišlo do samovžiga. Pri stiskanju se plini segrevajo in ker nastopi samovžig v motorju še preden preskoči električna iskra, tak motor nepravilno deluje (»klenka«). Kvaliteto bencina določajo na osnovi stisljivosti zmesi hlapov bencina in zraka ( ne da bi prišlo do samovžiga) za izbrani bencin v primerjavi s stisljivostjo zmesi hlapov izooktana in zraka. V kakovostnem bencinu prevladujejo aciklični ogljikovodiki z razvejano verigo, cikloalkani in areni. Kakovost bencina določamo z oktanovim številom. Tako ima npr. oktanovo število 95 bencin, ki se obnaša pri stiskanju tako kot zmes 95% izooktana in 5% heptana. Kvaliteto bencina pa so zviševali tudi z dodatki svinčenega tetraetila in na ta način povečali oktanovo število (motorni bencin 98 ; osvinčeni motorni bencin). Dodatek svinčevega tetraetila zviša oktanovo število bencina, preprečuje prezgodnji vžig in istočasno v motorju ščiti sedeže ventilov. Vendar pri zgorevanju osvinčenega bencina v motorjih nastajajo strupene svinčeve spojine, ki prehajajo v ozračje in v tla ob cestah. Dež jih spira v prepustne zemeljske plasti in tako pridejo celo v podtalnico. Velik korak k zmanjševanju onesnaževanja okolja z izpušnimi plini so naredili z vgrajevanjem katalizatorjev v vozila. V katalizatorju se izpušni plini, ki jih sestavljajo dušikovi oksidi, ogljikov monoksid in ogljikovodiki, z oksidacijo spremenijo v dušik, ogljikov dioksid in vodo. Da bi preprečili nevarno zastrupljanje okolja, izdelujejo avtomobilske motorje s katalizatorjem ki delujejo le na neosvinčeni motorni bencin. Kakovost tekočih goriv je odvisna od sestave surove nafte in od postopkov, ki so bili uporabljeni pri pridobivanju posameznih frakcij. Določena je z zahtevami za posamezno lastnost goriva. Zahteve za kakovost tekočih goriv so opredeljene v tehnični zakonodaji. Z vse večjo ekološko ozaveščenostjo so se postopno zniževale mejne vrednosti za vsebnost žvepla, svinca in benzena v gorivih.

NEOSVINČENI MOTORNI BENCIN Standard delež žvepla (%m/m) delež svinca (mg/l) delež žvepla (%V/V) SIST EN 228-1995 0,05 13 5,0 SIST EN 228-2000 0,05 13 5,0 SIST EN 228-2001 0,015 5 1,0 Leto 2005 0,005 - - 3.1. SESTAVA IZPUŠNIH PLINOV: Gorivo je sestavljeno predvsem iz ogljikovodikov. Končna produkta pri popolnem zgorevanju ogljikovodikov s kisikom sta le vodna para in nestrupen ogljikov dioksid. Pri zgorevanju goriva v motorju poleg vodne pare in ogljikovega dioksida vendarle nastajajo tudi škodljive sestavine. Celo ob pravilni nastavitvi motorja zgorevanje zmesi ni popolno, tako da izpušni plini vsebujejo škodljive snovi. Pri srednji obremenitvi in vrtilni frekvenci je delež škodljivih snovi v izpušnem plinu približno 1% celotne količine plina. ŠKODLJIVE SNOVI : Na delež posameznih škodljivih snovi v izpušnih plinih močno vpliva razmernik zraka λ (lambda). Pri teoretičnem mešalnem razmerju znaša razmik zraka λ = 1. Razmernik zraka pomeni razmerje med dejansko vsesano in teoretično potrebno količino zraka.

5

2. Sestava izpušnih plinov Pri zračnem primanjkljaju 5 % do 10 % (λ = 0,95 do 0,9; bogata zmes) bencinski motorji dosežejo svojo največjo moč. Takšna sestava zmesi je večinoma pri polni obremenitvi motorja. Gorivo pri pomanjkanju zraka ni dovolj izkoriščeno, njegova specifična poraba naraste, delež škodljivih snovi v izpušnih plinih je sorazmerno velik.

Slika 3. Moč motorja in poraba goriva pri različnih razmerjih zraka Pri presežku zraka okrog 10% (λ = 1,1; revna zmes) bencinski motorji dosegajo najnižjo porabo goriva, moč motorja je manjša in njegova temperatura zaradi daljšega zgorevanja višja. Pri takšni sestavi zmesi sta delež ogljikovega monoksida in nezgorelih ogljikovodikov majhna, vendar pa je v izpušnih plinih zelo visok delež dušikovih oksidov. Ogljikov monoksid (CO) : Zelo strupen plin. Njegov delež med škodljivmi snovmi v izpušnih plinih je velik. Ogljikov monoksid nastaja pri nepopolnem zgorevanju ogljika zaradi pomanjkanja kisika; v izpušnih plinih je njegov delež tem večji, čim bogatejša je zmes goriva in zraka. Vendar nastaja ogljikov monoksid tudi ob zgorevanju s presežkom zraka zaradi nepopolnega mešanja goriva z zrakom.

6

Nezgorele ogljikovodike: Spojine ogljika in vodika sestavljajo različne kemične spojine. Nekaj jih je kancerogenih, dražijo sluznice in povzročajo smrad. Nezgorele spojine ogljikovodikov, enako kot ogljikov monoksid, nastajajo pri nepopolnem zgorevanju zmesi goriva in zraka pri premajhni količini zraka. Poleg tega v določenih delih zgorevalnega prostora ostajajo tudi nezgorele spojine ogljikovodikov, do katerih še ni prišel plamen, npr. ob reži med vročim zgornjim delom bata in stenami valja. Dušikovi oksidi (Nox): So skupina različnih oksidov dušika (dušikov monoksid, dušikov dioksid, didušikov oksid). Vsi dušikovi oksidi so strupeni plini, ki nastajajo v zgorevalnem prostoru predvsem pri vosikem tlaku in temperaturi. Svinčeve spojine: Delujejo kot močan strup na celice v krvi in mozgu. Nastajajo le pri zgorevanju goriva v bencinskih motorjih, ki vsebujejo svinec kot dodatek proti klenkanju. Določanje mejhnih vrednosti izpušnih plinov: V splošnem dobimo mejne vrednosti izpušnih plinov z vožnjo na merilni napravi z valji. Pri takšnih testnih vožnjah simuliramo značilne vozne razmere in analiziramo pri tem nastale škodljive snovi. Evropski test za osebna vozila dopustne celotne mase 2500 kg. Prvi del testa ustreza vožnji v mestnem prometu s hitrostmi od 0 do 50 km/h. Program je treba izpeljati štirikrat brez odmora v 13 minutah. Sledi drugi del, ki ustreza vožnji zunaj mesta in traja 7 minut, največja hitrost znaša 120 km/h. Med celotnim testom zbirajo izpušne pline pri natančno določenih pogojih, nato pa sledi analiza škodljivih snovi. Mejne vrednosti znašajo neodvisno od delovanega prostora 2,72 g/km za ogljikov monoksid in skupaj 0,97 g/km za ogljikovodike in dušikove okside. 4. ZAZNAVALO LAMBDA Zaznavalo lambda sestavlja keramično telo, prepustno za pline, ki je znotraj in zunaj prevlečeno s tanko plastjo platine, ki je prav tako prepustna za pline. Kot zaščita proti nečistoči zaradi zgorelih ostankov je zunanja plast platine prevlečena s porozno keramično plastjo. Keramično telo je proti udarcem dodatno zaščiteno s kovinsko cevjo z več zarezami. Zunanja ploskev zaznavala je izpostavljena izpušnim plinom, prek platinaste plasti pa je povezan z ohišjem zaznavala ( minus). Notranja ploskev je povezan z atmosferskim zrakom, prek platinaste plasti pa je povezana z nazven speljanim priključkom ( plus). Delovanje: Zaznavalo lambda je postavljeno v tok izpušnih plinov in je vgrajeno pred katalitičnim pretvornikom; glede na sestavo izpušnih plinov pošlje zaznavalo lambda ustrezni napetostni signal krmilniku v elektronski krmilni enoti. Krmilna enota določi in pošlje ustrezni signal napravi za vbrizgavanje ( npr. šobam za vbrizgavanje), tako da se sestava zmesi spremeni glede na razmernik zraka λ = 1. Prilagojena sestava zmesi ustvari ustrezno sestavo izpušnih plinov.

7

Napetostni signal, ki ga pošlje zaznavalo lambda, je neodvisen od preostalega kisika v izpušnih plinih. V njih je kljub presežku goriva (bogata zmes) še nek delež kisika, npr. pri λ = 0,95 okrog 0,2 do 0,3 volumskih % kisika. Keramična snov zaznavala je pri temperaturi približno 300 °C prevodna za kisikove ione. Pri različnih velikih deležih kisika na zračni izpušni strani zaznavala nastane električna napetost, napetost zaznavala, ki pri revni zmesi znaša okrog 100 mV. V območju λ = 1 se ta napetost skokovito spremeni in pri bogati zmesi znaša 800 mV do 1000 mV. Izrazita sprememba napetosti v območju λ = 1 omogoča, da zaznavalo že pri majhnih odklonih od razmernika zraka λ = 1 ugotovi spremenjen delež kisika v izpušnih plinih. Poleg kisikovega deleža v izpušnih plinih je za napetost zaznavala pomembna tudi temperatura keramičnega telesa, saj njegova prevodnost za kisikove ione narašča s temperaturo. Pri temperaturi 300 °C ostane zaznavalo izklopljeno, ker bi se prepočasi odzivalo. Pri optimalni delovni temperaturi okrog 600 °C pa se odzove že v času 50 ms. Najvišja temperatura zaznavala ne sme presegati 800 do 900 °C ker čene pride do okvare naprave.

Slika 4. Napetost na zaznavalu lambda pri različnih vrednostih razmernika zraka 4.1. Ogrevana lambda sonda Po zagonu motorja mora zaznavalo lambda po možnosti čim hitreje doseči svojo najnižjo obratovalno temperaturo okrog 300 °C. Zaradi skrajšanja te faze v zaznavalo navadno vgradimo ogrevalno telo, ki že po 20 do 30 s po zagonu motorja ogreje keramiko na zahtevano temperaturo. Med obratovanjem ogrevalno telo vzdržuje zaznavalo lambda na optimalni delovni temperaturi. Pri tej sondi se vzdržuje delovna temperatura pri majhnih motornih obremenitvah s pomočjo električnega gretja, pri višjih pa s temperaturo izpuha.

4.Zgradba ogrevane lambda sonde

8

4.2. Zgradba dvotočkovne lambda sonde Trdni elektrolit iz enostransko zaprtega, za plin prepustnega keramičnega telesa iz cirkonijevega oksida, ki je stabiliziran z itrijevim oksidom. Površina telesa je z obeh s trani preoblečena s tanko, za plin neprepustno plastjo platine. Dodatno je s strani sonde, ki je izpostavljena izpuhu, nanešena zaščitna keramična plast, ki varuje sondo pred mehanskimi obremenitvami in termošokom. Notranji odprti del sonde je v povezavi z atmosferskim zrakom, ki služi kot referenčni plin. 4.3. Lambda sonda za dizelske motorje Ta nova tehnologija omogoča čistejše dizelske motorje. Sonda je podobno kot pri bencinskih motorjih, ugrajena v izpušni sistem in zaznava cirkulacijo izpušnih plinov, začetni vbrizg goriva pri injektorjih in pritisk turbine. Vse informacije o izgorevanju v motorju podaja elektronski enoti za uravnavanje. V primerjavi z navadnim dizelskim motorjem je nov Bosch-ov sistem boljši saj pripomore k manjšim izpustom, porabi in zmanjševanju napak na motorju, npr. v avtomobilih pri nepravilnem izgorevanju se hitro zazna in popravi napaka, tako da motor deluje nazaj optimalno.

5. Prikaz delovanja dizelske lambda sonde (Bosch) 4.4. Planarna lambda sonda Planarna lambda sonda je po svoji funkciji enaka dvotočkovni ogrevani palični lambda sondi. Razlikuje se po temu da : - elektrolitsko telo je sestavljeno iz keramičnih folij - keramični tesnilni obroč nosi zaznavalni element v ohišju - dvostenska zaščitna cev, ščiti zaznavalni element pred termičnimi in mehanskimi poškodbami

9

6. Slika planarne sonde 5. MANJŠA PORABA Z REDNIMI PREGLEDI Lambda sonde so izpostavljene ekstremnim pogojem delovanja. Pravilno delovanje lambda sond je temelj za zanesljivo delovanje motorja in gospodarno porabo goriva, nizko stopnjo onesnaževanja in ustrezne emisijske vrednosti. Boscheve lambda sonde so prepričljive zaradi svoje dolge življenjske dobe, brezhibnega delovanja in optimalne združljivosti z motorji. Redno preverjanje in menjava sta torej izjemno pomembna. Za voznike motornih vozil obstajajo številni dobri razlogi, da ohranjajo lambda sonde v vrhunskem stanju:

- do 15 % večji prihranek goriva v primerjavi z rabljeno lambda sondo - preprečevanje poškodb katalizatorja ki lahko predstavlja velik strošek - usklajenost s strogimi standardi glede emisij - boljša zmogljivost motorja

Prihranite denar na vsaki vožnji: Povprečno število 14 000 km 14 000 km prev. km / letno Povprečna poraba 10,4 9,0 l goriva na 100 km

etna poraba goriva 1.456 l 1.260 l L C ena enega litra goriva 1,25 € 1,25 € Letni strošek za gorivo 1 820,00 € /letno 1 575,00 € /letno

Pravilna investicija: 15 % nižja poraba goriva ali prihranek pribl. 250 € na leto (s 14.000 prevoženimi km/leto in ceno goriva 1,25 € /liter)

10

5.1. TESTIRANJE Sondo testiramo z osciloskopom, ki nam pokaže delovanje sonde. Napetostni signal na izhodu sonde je odvisen od staranja lambde sonde. Pri izrabljeni sondi se frekvenca in amplituda signala zmanjšujeta. Zelo je opazna premaknitev spodnje konice amplitude napetosti iz 100 mV na 500mV. To daje slabšo regulacijo goriva v primeru revnejše zmesi. Zmanjša se tudi frekvenca ki nam daje slabšo odzivnost regulacije mešanice. Maksimalne kratkotrajne obremenitve so lahko nekje do 930 °C. Leta 1976 ko so bile izdelane prve Boscheve sonde so zdržale od 50.000 do 80.000 km, zdaj pa imajo sonde daljšo življensko dobo, okrog 160.000 in več, čeprav ni nikjer zagotovljeno da zdržijo toliko, ene že po nekaj tisoč km odpovedo. Zato je pomembna tudi kontrola in vzdrževanje. Ker je sonda izpostavljena negativnim vplivom iz okolice, lahko pride do njene okvare ki povzroči negativno delovanje katalizatorja in nepravilno delovanje motorja. Ob rednih pregledih je pomembno da se pregleda če je vrh sonde vedno čist, da je pot plinov skozi sondo prosta, saj na vrhu nastajajo obloge ki so posledice ogljika, svinca ali prevelike mešanice plinov.

6. Testiranje sonde z osciloskopom

7. Izrabljena lambda sonda

11

8. Lokacija lambda sonde v izpušnem kanalu pri novem avtomobilu 6. PODROČJE UPORABE SONDE Poleg naštete avtomobilske industrije se lambda sonda uporablja tudi pri energetiki. Zaradi vse strožjih predpisov in standardov glede emisij, se vsako leto bolj, gleda na porabo goriv in njihove negativne učinke izpustov v okolje. Zaradi tega je potreba po zmanjševanju izpustov vedno večja. Lambda sondo se uporablja tudi pri kotlih na tekoča goriva in pri sodobnih kotlih na biomaso. Sistem izgorevanja v kotlu je drugačen kot v avtomobilu. Da bi avtomobilsko sondo vzeli iz avtomobila in jo postavili v kotel in tako rešili problem, bi bilo zelo lepo, a tam so stvari malce drugačne. Kotel je sestavljen iz dveh delov. V prvem kotlu poteka uplinjanje trdih goriv, v drugem pa popolno izgorevanje. Plamen s pomočjo kontroliranega dovajanja primarnega zraka vodimo vertikalno skozi gorilno šobo in dodajamo primarni zrak, ko plamen pride v gorilno komoro se zavrtinci in v dotiku z razbeljeno gorilno komoro zgorijo še preostali lesni plini. Lambda regulacija skrbi za krmiljenje ventilatorja in motornih loput za dovajanje zgorevalnega primarnega in sekundarnega zraka. Sonda pošilja podatke o zgorevalnih parametrih, regulacija pa skrbi da bi te parametre v teoriji, čimbolj približala dejanskim. Enostavnejša regulacija krmili ventilator s pomočjo sonde za tipanje temperaturnih dimnih plinov. Lopute za primarni in sekundarni zrak pa se vodijo ročno. Regulacija dovajanja zraka skrbi za nizke vrednosti emisij ki so že tako v mejah normale. Izkoristki kotlov so nekje od 85 do 90% kar je zelo dober podatek. Na ta faktor vpliva tudi kvaliteta in vlažnost goriva.

9. Sodobna peč na trda goriva

12

7. ZAKLJUČEK Lamba sonda je tehnološko dovršena naprava, ki vsekakor pripomore k zmanjšani porabi goriv in tako k zmanjševanju izpustov. Poleg tega, vsako leto strožji ukrepi, zahtevajo čistejše avtomobile, z manj emisij in v industriji proizvodne obrate ki imajo manj negativnih okoljskih vplivov. Od leta 1976 ko je prvič stopila na tržišče do zdaj, se je predcej izboljšala tehnologija uravnavanja izgorevanja, ki je dolgoročno pripomogla k večjemu varčevanju z energijo. Brez nje si težko predstavljamo nove čistejše tehnologije.

13

8. LITERATURA IN VIRI LITERATURA: - Barry Hollembeak; Today`s Technician: Automotive Fuels and Emissions Classroom Manual; Thomson Delmar Learning, 2005 - Max Bohner; Motorno vozilo ; Tehniška založba Slovenije, Ljubljana 1997 -V.A.W. Hillier; Delovanje motornega vozila, Tehniška založba Slovenije, Ljubljana 1994 - Tom Denton; Automobile electrical and electronic sistems, Elsiever Butterworth-Heinemann, Oxford 2004 VIRI: - www.google.com - www.wvterm.si - www.bosch.si - www.bosch.com - www.bmwslo.com - www.avtomobilizem.si

14