Lambda-anturi

Kohteesta Wikipedia
Loikkaa: valikkoon, hakuun
Volvo 240:n lambda-anturi

Lambda-anturi on happitunnistin, joka on sijoitettu pakoputken alkuun.[1] Se on yksi moottorinohjausjärjestelmän keskeinen osa. Se mittaa pakokaasun jäännöshapen määrää ja välittää siitä tiedon moottorinohjausjärjestelmälle, joka osaa muuttaa ilman ja polttoaineen seoksen moottorille sopivaksi.[2] Toimiakseen oikein anturi vaatii korkean lämpötilan.[3] Lambda-anturi on yleistynyt katalysaattorin mukana, ja se on tärkeä esimerkiksi typen oksidien määrän vähentämisessä.[4] Lambda-anturi parantaa myös moottorin hyötysuhdetta.[2] Kapeakaistaiset lambda-anturit perustuvat joko zirkoniumdioksidin ZrO2 tai titaanidioksidin TiO2 sähköisiin puolijohteisiin. Nämä anturityypit toimivat kuitenkin eri tavalla, eivätkä ne ole keskenään vaihtokelpoisia.[5][6] On myös laajakaistaisia lambda-antureita, jotka niinikään perustuvat zirkoniumdioksidin käyttöön.[7]

Lambda-anturia käytetään myös mm. voimalaitoksissa ja pienemmissäkin lämminvesi- ja höyrykattiloissa palamisilman määrän säätöön. Savukaasujen poistoon sijoitettu anturi antaa polttimen tai polttimien ohjaukselle jatkuvasti tiedon palamisprosessin todellisesta ilmakertoimesta jolloin automatiikka osaa korjata sen oikealle tasolle. Perinteisesti polton ilmakerroin on nostettu säätöjä tehtäessä "varmasti riittäväksi", lambdaa jatkuvasti tarkkailemalla voidaan ilmamäärää pienentää jolloin kattilan häviöt pienenevät ja hyötysuhde paranee kattilan läpi menevän ilmamäärän pienetessä ja vähentäessä savukaasuhäviöitä.

Lambda[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Kreikkalaista kirjainta lambda (λ) käytetään merkitsemään normalisoitua ilman ja polttoaineen seoksen suhdetta.[8]

  • Kun λ = 1, kyseessä on stoikiometrisesti optimaalinen seos, jonka täydellisestä palamisesta ei jää ylimääräistä happea eikä polttoainetta.
  • Kun λ > 1, kyseessä on laiha seos, jonka palamisesta jää yli jäännöshappea.
  • Kun λ < 1, kyseessä on rikas seos, jonka palamisesta jää yli palamatonta polttoainetta.

Lambda-anturin tyyppejä[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Lambda-antureita on nykyään monen tyyppisiä eri käyttötarkoitusten mukaan. Enimmäkseen ne pohjautuvat zirkoniumdioksidiin, mutta niitäkin on monen tyyppisiä.[9] Zirkoniumdioksidiin pohjautuvat lambda-anturit ovat itsessään korkean impedanssin (heikkovirtaisia) jännitelähteitä.[10] Titaanidioksidia hyödyntävät lambda-anturit ovat harvinaisia.[11]

Pakokaasulämmitteinen ZrO2 anturi mallia "sormustin"[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Boschin alkuperäinen lambda-anturi vuodelta 1976 muistuttaa muodoltaan sormustinta suojaputken sisällä.[12] Siinä on lämmittämätön zirkoniumdioksidielementti.[13] Toimiakseen oikein sen tulee lämmetä vähintään 300 °C lämpötilaan.[14]

Vastuslämmitteinen ZrO2 anturi[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Tämä lambda-anturi muistuttaa rakenteeltaan pakokaasulämmitteistä anturia, mutta lisäksi siinä on lämmitysvastus, jonka avulla huolehditaan anturin pysymisestä oikeassa käyttölämpötilassa.[15] Vastuslämmityksen ansiosta päästöt kylmäkäynnistyksen ja tyhjäkäynnin aikana vähenevät.[16]

Vastuslämmitteinen TiO2 anturi[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Titaanidioksidiin perustuva lambda-anturi on myös vastuslämmitteinen. Se näkyy moottorinohjauselektroniikalle muuttuvana resistanssina. Pakokaasun happipitoisuus lisää titaanidioksidielementin resistanssia jyrkästi.[17][18][19] Titaanidioksidianturilla on joitain erityisiä ominaisuuksia, jotka erottavat sen muista. Se sietää hyvin lyijyttymistä, millä oli merkitystä lyijyllisen bensiinin aikana.[20] Se on myös nopeampi kuin zirkoniumdioksidiin pohjautuva anturi.[21] Mielenkiinto tämäntyyppisiin lambda-antureihin ei ole laantunut.[22]

Litteä ZrO2 anturi[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Tämäntyyppinen litteä anturi on kevyempi ja lämpenee nopeammin kuin aikaisemmat zirkoniumdioksidianturit. Se on myös aiempiin malleihin verrattuna vähemmän herkkä likaantumiselle.[23]

Laajakaistainen ZrO2 anturi[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Aiemmat lambda-anturien mallit ovat jyrkkiä toiminnaltaan pisteen λ = 1 ympäristössä, mistä syystä niitä onkin luonnehdittu digitaalisiksi. Ne ilmaisevat seoksen olevan joko rikas tai laiha. Moottorin säädössä on enemmän hyötyä anturista, joka mittaa pakokaasun happipitoisuutta laajemmalla alueella, mistä syystä sellaista anturia kutsutaan laajakaistaiseksi.[24] Laajakaistainen anturi on rakenteeltaan monimutkaisempi kuin aiemmat anturimallit, mutta perustuu edelleen zirkoniumdioksidiin.[25] Tämäntyyppiset lambda-anturit ovat tulleet välttämättömiksi pakokaasunormien tiukentuessa.[26]

Lähteet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Viitteet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

  1. Just Lambda. Lainaus: "The Oxygen Sensor (also known as Lambda Sensor) is located in the exhaust manifold and measures the amount of unburned oxygen in your engine's exhaust. Based on the amount of oxygen, it sends a signal to your engine computer which then adjusts the air/fuel mixture for optimum engine performance and emission control."
  2. a b Bosch. Lainaus: "Bosch lanseerasi happitunnistimen (lambdasondi) 25 vuotta sitten. Tämä merkitsi pakokaasujen puhdistuksen teknistä läpimurtoa. Happitunnistin teki mahdolliseksi säätää polttoaine/ilmaseosta ja ohjata katalysaattoria - samalla tuloksena parempi käyttötalous ja puhtaammat pakokaasut."
  3. Autotieto.net. Lainaus: "Lambda-anturi vaatii tehokkaasti toimiakseen n. 300 °C lämpötilan ja siksi sijoitettu pakoputkeen lähelle moottoria. Lambda-anturin sisällä voi olla erillinen lämmitysvastus, jolla varmistetaan anturin nopea lämpeneminen toimintakuntoon kaikissa olosuhteissa."
  4. RVS.fi. Lainaus: "Jo vuonna 1976 pakokaasupäästöjä pystyttiin rajoittamaan merkittävästi tämän teknologian avulle. Ensimmäiset autot, joissa lambda-antureja kokeiltiin olivat Amerikan markkinoille tarkoitetut Volvomallit 240 ja 260. Käytännössä lähes kaikki nykyiset moottorit varustetaan lambda-anturilla, joka useimmiten sijaitsee etummaisessa pakoputkessa (ns. ”downpipe”) tai katalysaattorin yhteyteen."
  5. FAE.es. Lainaus: "FAE produces Oxygen Sensors made of Zirconia with narrow band responses, and Titania Oxygen Sensors with narrow band response. These 2 types of Oxygen Sensors are not replaceable each other, because they work differently."
  6. NGK Spark Plug (Australia). Lainus: "Due to their different properties Titania and Zirconia sensors should not be interchanged under any circumstance."
  7. NGK Spark Plugs UK. Lainaus: "Also known as a UEGO, wide band or linear sensor, the easiest way to identify this type of NTK sensor (apart from the part number) is by the number of lead wires – they usually require at least five and are always heated types. The sensor is of layered constructed with two ceramic substrate components, a Zirconia detection element and an Alumina heating element."
  8. Moos et al. s. 3440. Lainaus: "In order to ensure an optimized catalyst efficiency with respect to hydrocarbons, carbon monoxide, and nitrogen oxides, the engine has to be operated stoichiometrically at λ = 1, with λ being the normalized air-to-fuel-ratio."
  9. Olympic Imported Parts.
  10. Lambda Power. (Page 6: Zirconia Sensors) Lainaus: "This arrangement acts like a tiny battery, and it is this (very small) voltage that is measured by the engine ECU using a high-impedance input."
  11. Olympic Imported Parts. Lainaus: "Titania O2 sensors are used on less than 1% of O2 sensor-equipped vehicles"
  12. NGK Spark Plug Europe. (Zirconium dioxide lambda sensor) Lainaus: "The zirconium dioxide sensor element is finger-shaped and hollow. The interior has contact with the ambient air. The outside lies in the exhaust flow."
  13. Olympic Imported Parts. Lainaus: "Bosch introduced this design in 1976 for feedback fuel control on automotive engines. The zirconia ceramic "thimble" is encased in a protective tube which extends into the exhaust manifold. Slots in the protective tube allow hot exhaust gases to reach the thimble. Reference outside air for the interior of the thimble comes from a hole in the sensor shell, or through the wiring connector. Unheated O2 sensors rely only on the heat of the exhaust gases to reach operating temperature, therefore they might cool off while the engine is idling and revert back to a fixed air/fuel ratio setting."
  14. NGK Spark Plug Europe. (Zirconium dioxide lambda sensor) Lainaus: "This lambda sensor is comprised of a zirconium-dioxide-based solid electrolyte. This material is conductive for oxygen ions at temperatures of 300 °C or higher."
  15. Olympic Imported Parts. Lainaus: "Introduced by Bosch in 1982, this sensor adds a heater element to the original design so that the sensor achieves operating temperature in 30-60 seconds, instead of being heated by exhaust gases."
  16. Olympic Imported Parts. Lainaus: "The heater reduces cold start emissions, as well as prevents the sensor from cooling off at idle."
  17. NGK Spark Plug Europe. (Titanium dioxide lambda sensor) Lainaus: "The titanium dioxide lambda sensor is also a discrete-level sensor. Titanium dioxide has a special characteristic: The electrical resistance changes proportionally to the oxygen content in the exhaust air. In the process, the measured resistance provides information about the operating state of the engine."
  18. Olympic Imported Parts. Lainaus: "Titania sensors use a different type of ceramic and instead of generating a voltage signal that changes with the air/fuel ratio, the sensor's electrical resistance changes. The resistance is less than 1000 ohms when the air/fuel ratio is rich, and more than 20,000 ohms when the air/fuel ratio is lean. The ECU provides a base reference voltage and then rmonitors the sensor return voltage as the sensor's resistance changes."
  19. Tomco, 1994. Lainaus: "The Titania changes resistance in relation to how much oxygen is in the exhaust. When the exhaust gas contains excess oxygen (engine is running lean), the resistance of the Titania is high. In an extremely lean mixture it can be over 20,000 OHMS. When the exhaust gas has little or no oxygen (engine running rich), the resistance of the Titania is low. In an extremely rich condition this could be lower than 1,000 OHMS."
  20. Lambda Power. (Page 7: Titanium (Titania) Sensors) Lainaus: "Titania sensors were initially used because they are less susceptible to lead poisoning than the Zirconia types."
  21. Pico Technology. Lainaus: "Titania is also used in the manufacturer of another type of lambda sensor that offers a faster switching time than the more common Zirconia sensor."
  22. Moos et al. s. 3439. Lainaus: "It is shown that although in the past 40 years there have always been several research groups working concurrently with resistive oxygen sensors, novel ideas continue to emerge today with respect to improvements of the sensor response time, the temperature dependence, the long-term stability or the manufacture of the devices themselves using novel techniques for the sensitive films. Materials that are the focus of this review are metal oxides; especially titania, titanates, and ceria-based formulations."
  23. Olympic Imported Parts. Lainaus: "Introduced by Bosch in 1997, this O2 sensors uses a laminated flat strip of conductive ceramic, electrodes, insulation, and heater. This sensor is smaller and lighter, and more difficult to contaminate. The new heater uses less electricity and brings the sensor to the proper temperature in 10 seconds."
  24. NGK Spark Plug Europe. (Broadband lambda sensor) Lainaus: "These linear lambda sensors are capable of issuing a signal proportional to the residual oxygen content of the exhaust air. This signal is available over a broad air-fuel ratio."
  25. Olympic Imported Parts. Lainaus: "The newest O2 sensor technology from Bosch builds upon the planar design and adds the ability to actually measure the air/fuel ratio directly for the first time. Instead of switching back and forth like all previous sensor designs, the new wide-band O2 sensor produces a signal that is directly proportional to the air/fuel ratio."
  26. Lambda Power. (Page 8: Wideband sensors) Lainaus: "Wideband sensors have only become necessary as engine management systems have evolved to the point where a more accurate sensor is required to meet low-emission vehicle targets - the old style of sensors had their characteristic 'switching point' for various historical reasons. The wideband sensor is an absolute requirement for lean-burn and fuel ionising mixture control strategies (eg. Volkswagen FSi) as well as diesel vehicles. The wideband sensor allows the ECU to gauge how well combustion is occurring right down to very lean mixtures."

Aiheesta muualla[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Tämä tekniikkaan liittyvä artikkeli on tynkä. Voit auttaa Wikipediaa laajentamalla artikkelia.