A Térszobrászat egyik olvasója, Laci írta, hogy mikor az autóján ki akarta próbálni a hidrogénmeghajtást, akkor egy nem várt akadályba ütközött. Az autó kipufogórendszerében elhelyezett oxigénszonda (lambdaszonda) olyan jeleket adott a fedélzeti számítógépnek, ami jelentősen megváltoztatta a levegő/üzemanyag arányt. Mikor meg kikötötte a szondát, akkor a motor ugyan beindult, de egy rövid idő után mindig leállt. Az itt következő leírás arról szól, hogyan lehet "Kikötni" a szondát és helyette hamis jeleket küldeni a fedélzeti számítógépnek. Ez azért is fontos, mert ma már minden újabb autóban van oxigénszonda.
Az itt következő fordítás egy olyan weboldalról lett véve, mely a benzinhez kevert vízpára gyakorlati használhatóságát taglalja a kisebb fogyasztás érdekében, de mivel a vízautónál is hasonló probléma merül fel, így ez számunkra is fontos kérdés.
A modern autók kipufogórendszere oxigénszondával van ellátva, mely megmondja a fedélzeti számítógépnek, hogy mennyi üzemanyagot kell adagolnia minden egyes ciklusban. Amikor az égés folyamata javul az üzemanyag tökéletesebb gázosításakor, akkor a kipufogógázok oxigéntartalma megnövekszik. Ez ellentmondásosnak tűnik, hisz azt várhatnánk, hogy a tökéletes égés több oxigént fogyaszt. A valóságban azonban ennek épp az ellenkezője történik, azaz kevesebb nitrogén-oxid keletkezik, ami több szabad oxigént eredményez.
Hogyan működik az oxigénszonda
Közel az összes szenzor cirkónium-oxidból készül. Egy kerámiagömb van elhelyezve a forró kipufogó gázban, mely homorú és a belső felülete a kipufogó csövön kívül lévő atmoszférával érintkezik. Mind a két felület platinával van bevonva. A negatív töltésű oxigénatomok a platina felületéhez kapcsolódnak, ezáltal építve fel negatív töltést a teljes felületen. Amikor a forró kipufogó gázok nem, vagy csak kevés szabad oxigént tartalmaznak, akkor a gömb felületén a töltés kisebb lesz, mint a másik felületen. Ez feszültségkülönbséget eredményez, melyet a felületekhez erősített elektródákon mérhetünk. Az atmoszférával érintkező oldal az autó testéhez van kapcsolva, így a másik oldal automatikusan pozitív töltésű lesz, mivel ott kevesebb negatív töltésű oxigénatom van. Ez a szenzor úgy működik, mint egy elem, de csak akkor, mikor már felmelegedett néhány száz celziuszfokra. A kimeneti feszültség tehát a kipufogógáz oxigéntartalmától függ.
1.ábra. A szenzor jelének görbéje
Mint az 1.ábrán látható, a szenzor görbéje nem lineáris és hirtelen változik a stoichometrikus értéknél, vagyis amikor a levegő/benzin arány eléri a tökéletes égéshez szükséges 14,7 : 1 arányt. Sovány keveréknél a kimeneti feszültség közel nulla, míg dús keveréknél 1 volt körüli értéket produkál.
A középponton a levegő/benzin arány nagyon kis mértékű változása nagy feszültségváltozást idéz elő a szenzor kimenetén. Mivel a számítógép nem tudja a tökéletes arányt beállítani, így csak az átlagos értéket veszi figyelembe. A szenzor kimenete váltakozni fog a két véglet között. Ennek a váltakozásnak a sebessége attól függ, hogy a szenzor és a számítógép milyen gyorsan tudnak reagálni a változásokra. A tipikus arány másodpercenként 1 és 10 között változik.
A számítógép nyílt illetve zárt hurkú üzemmódban dolgozhat. A nyílt hurkú üzemmódban az oxigénszerzort figyelmen kívül hagyja, csak a többi szenzor (gázpedál pozíciója, levegőfolyam aránya, levegő hőmérséklete, motor sebessége stb.) alapján számolja ki a számítógép a levegő/benzin arányt. Akkor használja a számítógép a nyílt hurkú üzemmódot, mikor "gyanítja", hogy az oxigénszenzor nem működik. Emlékezzünk arra, hogy a szenzor forró kell legyen, ezért a számítógép az indulás után vár egy darabig, míg azt nem érzékeli, hogy az már jól működik. Ekkor zárt hurkú üzemmódba kapcsol, ahol az oxigénszenzor jelét veszi elsősorban figyelembe a számításoknál, míg a többi szenzor értéke csak kis mértékben van hatással az eredményre. Néhány számítógép arra is képes, hogy menet közben tanuljon, így idővel jóval pontosabb levegő/benzin arányt képes beállítani.
Van még egy alkalom, mikor az oxigénszenzort figyelmen kívül hagyja a számítógép. Hirtelen gyorsításnál, mikor a gázpedál jó háromnegyed részben megnyitja a szelepeket a keverék feldúsul, amikor pedig nagy sebességről lassítunk, akkor a keverék szegényebb lesz.
Megjegyzés: Az egyik Olvasó, Gyula, a következő megjegyzéseket fűzte a fenti sorokhoz:
"Azt írják a cikkben, hogy a szonda jele a legfontosabb jel a komputer számára. Központi befecskendezőnél a fordulatszám a fő információ, a többi szenzornak a jele csak un. korrekciós jel. Szelektív befecskendezés esetén a légelnyerés mérő adja az alapjelet, a többi csak korrigál. A légelnyerés mérőt egy helyen légtömegmérőnek hívják, ez az elnevezés azonban csak részben igaz. A torló csappantyús szerkezetek légtérfogatot mérnek, a motort a 14,6 liter levegő – 1 liter benzin viszonyra állítják be. A hőhuzalos, hőfilmes mérőszerkezetek viszont tömeget mérnek: 14,6 kg levegő – 1 kg benzin. Mindjárt másképp fest a dolog, mert van különbség. Persze ezek csak apró részletek, ettől még mehet az autó. A normális viszony tömegben van kifejezve."
Most pedig nézzük meg, hogyan lehet az oxigénszenzort "Kikötni" úgy, hogy a fedélzeti számítógép ne vegyen észre semmit.
A rendszer működési elve
A fedélzeti számítógép egy periodikusan változó jelet vár, melynek értéke megközelítőleg nulla és plusz egy volt között váltakozik. Ennek hatására a keverék arányát úgy módosítja, hogy a szondán mérhető jel átlaga 0,5 V körül legyen.
A szenzor jele nem négyszög alakú, hanem inkább egy elsimított háromszöghöz hasonlítható. A számítógépnek nem fontos a pontos jelalak, az csak az átlagfeszültséget igyekszik tartani.
Az elektromos keverékvezérlő az oxigénszenzor kimenete és a fedélzeti számítógép bemenete között helyezkedik el.
Ez a készülék négyszögjeleket állít elő, de ami mégfontosabb, az az, hogy a feszültség határértéke kisebb, mint 0,5 V. Mikor a szenzor kimenete a küszöbérték felett van (mely elég alacsony értékre, mondjuk 0,1 V-ra lett beállítva), akkor az eszköz magas jelet küld a számítógépnek. Amikor pedig a szenzor jele a küszöbérték alá esik, akkor az eszköz alacsony jelet küld a számítógépnek. A számítógép tehát ennek megfelelően állítja a keverék arányát, de most már a 0,5 V-os küszöbérték helyett 0,1 V-os szenzorjelet használ.
Az elektronika leírása
Az áramkör lelke az LM3914-es soros LED meghajtó IC. Az érzékenységét úgy állítjuk be, hogy annak teljes tartománya 500 mV. Ha dúsabb keveréket szeretnénk kapni, akkor az érzékenységet nagyobbra kell állítani, mondjuk 700 mV-ra. Nem javasoljuk azonban, hogy az érzékenységet túl magasra állítsad, mivel akkor előfordulhat, hogy a szenzor kimenete soha nem éri el az adott kimeneti feszültséget. Ekkor a számítógép csak tovább dúsítaná a keveréket, ami a CO szűrő begyulladását és megolvadását eredményezné. Ne kockáztassál meg egy tüzet az ülésed alatt! De az is lehet, hogy a számítógép egyszerűen figyelmen kívül hagyná a szenzort és átváltana nyílt hurkú üzemmódba.
2.ábra. Az elektromos keverékvezérlő kapcsolási rajza
Az IC-t kezeld gondosan és mindenképpen használj IC foglalatot.
Ezt az IC-t használjuk arra, hogy mintát vegyen a szenzor kimeneti feszültségéből és hogy választható küszöbértékű kimeneti jeleket adjon. Az R1-es trimer potméterrel állíthatjuk be az érzékenységet. Legyen ez most 500 mV. Ekkor minden LED kimenet 50 mV-nyira van egymástól, de mi nem kapcsolunk a kimenetekhez LED lámpákat, sőt a szükségtelen kimeneteket teljesen üresen hagyjuk. A műszerfalon lévő forgó kapcsolóval választjuk ki, hogy melyik kimenetet használjuk. Nekünk csak 2-3 kimenetre van szükségünk. Ha akarod, ezt a forgó kapcsolót akár ki is hagyhatod és az általad kiválasztott kimenetet közvetlenül a 2,7 kOhmos ellenállásra csatlakoztathatod. A műszerfalon lévő KI/BE kapcsoló egy kétállapotú kapcsoló. Minden kondenzátor elektrolit típusú, az ellenállások 1/4 W-osak.
A bemeneti RC kör szűri a szenzor jelét. Mivel az áramkör minden eleme – beleértve a bemeneti áramkört és az IC-t is – nagy ellenállású, így a bemenet fogékony a különböző indukált zajokra, különösen a gyújtórendszer okozhat problémákat. Amíg a szenzor nem melegszik fel, addig az áramkör hibás jeleket adhat, ezért egy késleltető áramkört alkalmazunk, ami a kimenetet néhány percig alacsony jelszinten tartja, így szimulálva a hideg szenzort. A szenzornak már hibátlanul kell működnie, mikor elkezdjük küldeni a jeleket a számítógépnek. A leggyakoribb probléma – mikor nem rendelkezünk ezzel a késleltetővel – az, hogy a kimenet magas szinten lesz a különböző zajok miatt. A számítógép ebből arra következtet, hogy a szenzor működik, mivel magas jeleket ad, ezért lecsökkenti az üzemanyag mennyiségét, hogy a jelet alacsonyszintre hozza. Mikor ez történik, akkor egy nagyon szegény keveréket kapunk, ami viszont rendkívül rossz gyorsulást eredményez.
A műszerfalon lévő KI/BE kapcsoló nagyon fontos. Ez nem a tápfeszültséget kapcsolja rá az eszközre, hanem engedélyezi, hogy a szenzor jele közvetlenül kapcsolódjon a számítógépre, kihagyva az elektronikánkat. Ez nagyon fontos dolog, mivel amint arra gyanakszunk, hogy a készülékünk nem működik helyesen vagy nem ad olyan teljesítményt, amit elvártunk, akkor azt egyszerűen kihagyhatjuk.
A műszerfalon lévő LED nem csak azt mutatja, hogy a készülék működik, hanem a számítógépre menő jel feszültségszintjének a szabályozójaként is funkcionál. A LED világít, mikor a jel magas szinten van, így a LED helyes állapota az állandó villogás.
A cikket nem fordítottam le teljesen, ennyi már elég ahhoz, hogy a vízautó szemszögéből megvizsgáljuk az oxigénszonda hatását.
Mint olvashattuk, az oxigénszonda jelét használja fel a számítógép a megfelelő levegő/üzemanyag arány beállításához. Az itt ismertetett áramkört arra használják, hogy a benzinhez adagolt vízpára esetén a kipufogórendszerben megnövekedett oxigéntartalom hatására a számítógép ne dúsítsa a keveréket.
A hidrogénmotoroknál azonban a kipufogógáz oxigénszintje jóval magasabb a benzinmotorokéhoz képest, mivel a kibocsátott égéstermék vízgőz, O2, NOx, tehát ott az oxigénszondán nagyon kis feszültségek jelennek meg. Ez azzal magyarázható, hogy az atmoszféra oxigéntartalma és a kipufogógáz oxigéntartalma között nincs már jelentős különbség. Ezek szerint az 1.ábrán bemutatott görbe alsó részén lesz állandóan a feszültség, valahol nulla és 0,1 V között.
Az érzékenység megnövelésére a bemeneten használhatunk egy műveleti erősítőt, ami mondjuk ötszörös feszültségerősítést végez.
3.ábra. Feszültségerősítő
A 3.ábrán egy általános célú, nem invertáló feszültségerősítő kapcsolási rajzát láthatod. Az R1 és R2 értékével állíthatjuk be az erősítés értékét a következő egyenlet szerint:
Uki = Ube * ( R1 + R2 ) / R1
Használhatunk az R1 és R2 helyett egy potmétert, így az erősítési tényezőt pontosan beállíthatjuk. Ha ötszörös feszültségerősítést szeretnénk, akkor az ( R1 + R2 ) / R1 kifejezést 5-tel kell egyenlővé tenni. Adjunk R1-nek egy értéket, legyen a tipikusan használt 10 kOhm. Ekkor R2 értéke:
R2 = (5 * R1) – R1 = (5 * 10000) – 10000 = 40000 Ohm
Egy másik számolási mód szerint R2 = ( N – 1 ) * R1, ahol N az erősítési tényező.
Ekkor a szondán megjelenő maximális 100 mV-os feszültségimpulzusok az erősítés után 500 mV-os jelet szolgáltatnak az LM3914-nek. A szenzor 10 mV-nyi változása okoz tehát az IC kimenetei között egy-egy lépést. Ha mondjuk azt szeretnénk, hogy az optimális L/H arány 100:1 legyen és ez az érték tegyük fel 0,05 V-os feszültséget generál a szondán, akkor az IC 15.kimeneti lábát kell a 2,7 kOhmos ellenállásra kötni. Ha az optimális L/H aránynál a feszültség 0,04 V, akkor az IC 16.lábát használjuk, ha pedig mondjuk 0,04 V az optimális L/H aránynál a feszültség, akkor az IC 14.lábát.
A következő táblázat az IC kimeneteinek a lábkiosztását mutatja be.
Szonda kimeneti feszültsége |
IC lábszáma |
10 mV
|
1. láb
|
20 mV
|
18. láb
|
30 mV
|
17. láb
|
40 mV
|
16. láb
|
50 mV
|
15. láb
|
60 mV
|
14. láb
|
70 mV
|
13. láb
|
80 mV
|
12. láb
|
90 mV
|
11. láb
|
100 mV
|
10. láb
|
Természetesen a pontos értékek autótípusonként és szondatípusonként változnak, ezért azt mindenképpen kísérletekkel kell beállítani.
Az oxigénszonda működési elvét angolul itt olvashatod el, az áramkörről és annak leírásáról pedig itt olvashatsz.
Kapcsolódó kísérletek: