Az Anyukám is érteni fogja rovatomban több mint egy évtizede vizsgálgatunk közelebbről kisebb nagyobb járműrendszereket, alkatrészeket, de a kipufogó tájékán még nem nagyon jártunk. Ideje kicsit részletesebben foglalkozni a kipufogó szenzoraival, azon belül is a nitrogén-oxid (NOx) érzékelőkkel. Annál is inkább, mert sok, főképp EURO6 norma szerinti motor nélkülözhetetlen tartozéka, viszonylag gyakran hibásodik meg és baromi drága.

Mercedes-Benz gyári nitrogén-oxid szenzor még a dobozában

Miért X?

Amikor az autókkal kapcsolatban NOx-ról beszélünk, még véletlenül sem a népszerű magyar együttesre gondolunk. Összefoglaló néven így írjuk le a nitrogén-oxid és a nitrogén-dioxid molekulaképletét. A két vegyület képlete NO ésNO₂, de mivel egyszerre szeretnénk mindkettőre hivatkozni, ezért az oxigénatomok számát X-szel jelöljük.

Alapvető tudnivalók

A motorvezérlőnek a motorból távozó gázok összetételét valós időben kell a lehető legpontosabban ismernie ahhoz, hogy optimális mennyiségű tüzelőanyagot tudjon juttatni a motorba a beszívott (vagy turbóval benyomott) levegőhöz. Ezt a célt szolgálja a legtöbbek által csak lambda-szondaként ismert jeladó, ami hivatalos nevén oxigén-szenzor. Ennek jelentőségével és működésének legalapvetőbb fortélyaival már évekkel ezelőtt megismerkedhettek olvasóim, érdemes esetleg visszaolvasni.

Akkoriban úgy gondoltam, nem szükséges mélyebben belemenni abba, hogy milyen fizikai-kémiai reakciók zajlanak le egy ilyen szenzorban, de ha azt szeretnénk megtudni, hogy miért kerül olyan sokba egy-egy ilyen szenzor, akkor muszáj látunk, hogyan is működnek. Megpróbálom a lehető legegyszerűbben elmagyarázni, ehhez pedig a dieselnet.com egyik remek írását is felhasználom.

Csak oxigénmérésre van technológiánk

Legalább is elérhető árú… A nitrogén-oxid szenzorok a 2000-es évek első felében jelentek meg az autókban, elsőként a dízelmotoros járművekben. Az EURO 6-os normák bevezetésével egy idő után használatuk megkerülhetetlenné vált, mert a közvetlen befecskendezésű benzinmotorok kipufogórendszereibe is bekerültek nitrogénoxid csapdák. Működésük ezeknek sem egyszerű, de lényegük, hogy amíg a benzinmotor szegény keverékkel működik, addig viszonylag nagy mennyiségű NOx távozik a füstgázokkal. Mivel a nitrogénoxidok, különösen a nitrogén-monoxid különösen káros a tüdőre, muszáj kordában tartani a mennyiségüket. Ezt a NOx-ot fogja meg a katalizátor. (Okosoknak: a nitrogén-oxidok a bárium vegyületekkel lépnek reakcióba, így maradnak meg a katalizátorban.) Amikor viszont odalépünk egy kicsit és benzinben gazdag keverékkel közlekedünk, akkor redukció zajlik, nitrogén és víz keletkezik belőle, a katalizátor pedig újra üres lesz. A korszerű benzinmotoros autók tulajdonosai időnként tapasztalhatják, hogy látszólag indokolatlanul 2-3 literrel is megnövekedik a fogyasztás, na, akkor van a redukció, a regenerálás.

A csomagolásban a szenzorfejen műanyag védőburkolat van

Szóval vannak nitrogén-oxid szenzoraink, de ezek a gázban lévő nitrogén mennyiséget csak indirekt módon képesek mérni. Igazából ezek is oxigénszintet mérnek.

Nagy levegő!

A NOx-szenzor három térrészből tevődik össze. A szenzor első (valójában nulladik) kamrája egy mikroszkopikus tér, ahova passzív módon, diffúzióval jut be a kipufogógázban lévő oxigén. Volt egy német bácsi, akit Adolf Eugen Fick-nek hívtak és a XIX. században élt. Ő írta le, hogy a diffúzió miképpen zajlik le: a nagyobb koncentrációjú hely felől a kisebb felé diffundálnak a molekulák, ionok.A NOx szenzor mérőkamrájába a kipufogócsőben áramló gázokból az ismert és állandó geometriájú diffúziós nyíláson keresztül kerül be meghatározott mennyiségű oxigén. Ebben a kamrában igyekszünk fenntartani az állandó oxigénszintet. Az igazából első kamrának nevezhető térrészben ezt az oxigént szivattyúzzuk ki. A kiszivattyúzáshoz szükséges áramerősség pedig arányos a bejutó oxigénével, na innen tudjuk mennyi volt benne – Mármint O₂. Ezen a ponton tehát a vizsgált gázunk már elvileg nem tartalmaz tiszta oxigént. Huhh!

A második kamra

Innen második kamrába érkezik a gázunk, ami tehát tartalmaz oxigént, nitrogén-oxidot és -dioxidot, szén-monoxidot, szén-dioxidot, szénhidrogéneket, hidrogént, vizet (vízgőzt) és nitrogént. A második cellában arra van szükségünk, hogy a tiszta oxigént kiszivattyúzzuk a keverékből.

A szenzorfej sematikus ábrája (Forrás: hella.com)

A cella fala egy ittriummal stabilizált cirkónium-dioxid anyagú kerámia (YSZ), ami valójában egy elektrolit. Hosszú kutatómunka eredménye volt annak az anyagnak a megtalálása, amely, magas hőmérsékleten képes átengedni a cellában keletkező oxigénionokat. Itt meg is érkeztünk az első költségnövelő helyhez, ezeket az anyagokat ugyanis bőven 1.000 celsius fok felett gyártják.

„Apró részletek”

Ahogyan említettem, az ilyen szondák megfelelő működéséhez legalább 400 fokos hőmérséklet szükséges, ezért a szondákat muszáj fűteni. A YSZ fal mindkét felületére (az egyik a kipufogógázzal, a másik a környezeti levegővel érintkezik) elektródákat helyeznek. Na és miből gyártják ezeket a gyakorlatilag mikroszkopikus vastagságú elektródákat? Hát persze, hogy platinából. Ez bírja majd a magas igénybevételt hosszabb távon is.

Az elektródákon feszültségkülönbség keletkezik amikor az oxigénionok áramolni kezdenek a kerámián keresztül, ez nyilván mérhető, de ezekből az úgy nevezett passzív cellákból igazából csak annyi tudható, hogy a vizsgált gázkeverék oxigénben gazdag, vagy szegény, valódi mennyiségi mérésre nem alkalmas.

A szonda közelképe

Ellentétben az aktív cellákkal, amikor az elektródákra meghatározott feszültséget kapcsolunk (aminek hatására elektrokémiai reakció során az oxigénmolekulák ionizálódnak) és ezzel az oxigénionok áramlási irányát meg tudjuk fordítani, vagyis most már a kipufogógázból mennek kifelé az ionok. Ha azt hallod, hogy oxigénszivattyú, nos az erre a megoldásra vonatkozik, gyakorlatilag kiszivattyúzzuk az oxigént a kipufogógázból. Pontosan ez játszódik a lambda-szondákban is. Az oxigénszivattyús megoldással már egészen pontosan meghatározható a gázban lévő oxigén mennyisége, nem csak szegény-dús döntést tudunk hozni, ezért ezeket a szondákat szélessávúnak nevezzük.

Hogy mi történik a harmadik szobában és mennyibe kerül a szenzor(ok) cseréje, arról cikkünk következő részében írunk részletesen!