Tlen pod kontrolą

Ani się obejrzeliśmy, gdy katalizator w motocyklu przestał być elementem kojarzonym z luksusem, a stał się koniecznością. Liczby mówią same za siebie: 85 proc. sprzedawanych w Europie motocykli ma dopalacz katalityczny. Z tego prawie 45 proc. to najbardziej zaawansowane katalizatory wielofunkcyjne, najskuteczniej radzące sobie ze szkodliwymi substancjami w spalinach. Konieczność dopalania gazów wydechowych w jednośladach pojawiła się wraz ze wzrostem popularności dwukołowych pojazdów. Jesteśmy świadkami procesu, w którym stały się one zauważalnymi trucicielami atmosfery. Stary Kontynent co roku wchłania kilka milionów jednośladów, ich negatywny wpływ na środowisko trzeba było wyhamować. Pierwsze normy czystości spalin dla samochodów pojawiły się w Europie w 1970 r., dla motocykli 10 lat później. Teraz jednak ten dystans zanika, producenci i importerzy dwukołowych pojazdów przestają być traktowani ulgowo. Od 2002 r. trzeba sprostać dość ostrej normie Euro 2, a od 2006 trzeba będzie spełnić niezwykle rygorystyczną normę Euro 3. Maksymalne dopuszczalne wartości szkodliwych substancji będą tak okrojone, że nie ma mowy o ich spełnieniu bez katalizatora: tlenek węgla 2,0 g zamiast 5,5 g, węglowodory 0,3 g zamiast 1,2 g, tlenki azotu 0,1 g zamiast 0,3 g. A trzeba jeszcze dodać, że od 2003 r. obowiązuje nowa, bardziej wnikliwa forma cyklu pomiarowego przy kontroli składu spalin w motocyklach.

Precyzja w cenie

W obliczu tych danych można łatwo stwierdzić, że zdecydowanie wzrośnie liczba modeli z katalizatorem wielofunkcyjnym. Obecnie jest ich w ofercie ponad 80 i są to zazwyczaj motocykle klas wyższych renomowanych firm. Wynika to z faktu, że tego typu układy katalityczne są sporo droższe od podstawowych, najprostszych katalizatorów. W katalizatorze wielofunkcyjnym, często błędnie nazywanym "regulowanym" (co wynika z tłumaczenia z języka niemieckiego), mamy bowiem do czynienia z systemem kontrolnym, który współpracuje z układem wtryskowym silnika. Taki system opiera się o specjalną sondę lambda. Proces spalania w silniku benzynowym charakteryzuje się pewną specyfiką, która widoczna jest w składzie gazów spalinowych. W tych momentach, gdy emisja węglowodorów i tlenku węgla jest niska, rośnie emisja tlenków azotu. Kiedy ilość związków azotu spada, wzrasta ilość węglowodorów i tlenku węgla. Jedynie w pewnym wąskim zakresie warunków pracy emisja wszystkich szkodliwych związków utrzymana jest na niskim poziomie. Jest to moment, który wyznacza współczynnik nadmiaru powietrza lambda. Wartość współczynnika wynosi 1, gdy na 1 kg spalanego paliwa przypada 14,7 kg powietrza (mieszanka stechiometryczna). Jeśli powietrza jest więcej, mieszanka jest zbyt uboga (rośnie zawartość tlenków azotu w spalinach), jeśli powietrza jest mniej, mieszanka jest zbyt bogata (rośnie zawartość węglowodorów i tlenku węgla). Konstruktorzy postanowili zadbać o to, aby utrzymywać stale warunki, w których wartość współczynnika lambda wynosi 1 (w praktyce od 0,97 do 1,03). Pomaga w tym sonda lambda wymuszająca ciągłą regulację składu mieszanki wprowadzanej do komór spalania.

Czujnik tlenu

To właśnie sonda określa, czy mieszanka ma optymalny skład, badając zawartość tlenu w spalinach. A zatem sondę lambda równie dobrze można nazwać czujnikiem tlenu, nie można jednak mówić o "regulowaniu katalizatora". Sygnały z sondy trafiają bowiem nie do dopalacza katalitycznego, ale do układu sterowania wtryskiem, który na podstawie tych sygnałów cały czas wprowadza korekcję dawek paliwa. Sonda lambda umieszczona jest w układzie wydechowym między silnikiem a katalizatorem. Przypomina nieco świecę zapłonową, zresztą jest trochę podobnie mocowana. Część robocza, mająca kontakt ze spalinami, wkręcona jest w rurę wydechową. Druga część ma kontakt z powietrzem atmosferycznym stanowiącym gaz odniesienia. Sonda zaczyna prawidłowe działanie dopiero po nagrzaniu do 300° C, bowiem dopiero wtedy ceramiczny element pomiarowy staje się przepuszczalny dla jonów tlenu zawartych w spalinach. Górna granica temperatury pracy sondy lambda wynosi ok. 800° C. Element ceramiczny oddziela platynowe elektrody sondy. Kiedy jony tlenu zaczynają przepływać przez ceramikę, na elektrodach pojawia się napięcie. Znając zależność napięcia na elektrodach konkretnej sondy od ilości tlenu w spalinach, możemy łatwo odczytać, jak przebiega spalanie w silniku (jaki jest skład mieszanki). Mikroprocesor około stu razy na sekundę analizuje ilość tlenu w spalinach, aby pięć razy na sekundę korygować skład mieszanki.

Więcej danych

Przy wprowadzaniu kolejnych, jeszcze bardziej rygorystycznych norm czystości spalin może okazać się, że w silnikach wielocylindrowych trzeba będzie stosować jedną sondę lambda dla jednego cylindra (takie rozwiązania już się stosuje). Wynika to z faktu, że zebranie danych o ilości tlenu przed katalizatorem stanowi jedynie wynik uśredniony dla silnika wielocylindrowego. W jednym cylindrze może być zbyt bogata mieszanka, w drugim zbyt uboga, a dla sondy wszystko będzie w porządku. Tylko pojedyncze sondy lambda pozwolą czuwać nad precyzyjnym tworzeniem mieszanki w każdej komorze spalania. Jest to o tyle ważne, że silników wielocylindrowych przybywa. Takie konstrukcje królują w motocyklach klas średnich i wyższych. Sonda lambda to urządzenie stosunkowo trwałe, którego żywotność ocenia się przeciętnie na 100000 km.

Trzeba jednak pamiętać, że mimo warstwy ochronnej na elektrodach i warstwie ceramicznej występują czynniki utrudniające odczyt zawartości tlenu w spalinach (sadza, parafina, resztki korozyjne). Dlatego od czasu do czasu, w odpowiedni sposób, trzeba oczyścić czujnik tlenu.