2019 április 23 - kedd

2.4.1.10. Oxigénszonda

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.

sense 2.4.1.10. Oxigénszonda

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.

controller 2.4.1.10. Oxigénszonda

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.

muv_eros 2.4.1.10. Oxigénszonda

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:

Hozzászólok!

A weblap további használatával Ön beleegyezik a sütik használatába. További információ

A süti beállítások ennél a honlapnál engedélyezett a legjobb felhasználói élmény érdekében. Amennyiben a beállítás változtatása nélkül kerül sor a honlap használatára, vagy az "Elfogadás" gombra történik kattintás, azzal a felhasználó elfogadja a sütik használatát.

Bezárás