Hapnikuandur

Hapnikuandur ehk lambdaandur on elektrooniline seade hapnikusisalduse mõõtmiseks gaasides või vedelikes.

Kasutusalad

Kõige laialdasemalt kasutatakse hapnikuandurit sõidukite heitgaasides sisalduva hapniku mõõtmiseks. Samalaadset seadet kasutavad sukeldujad sissehingatavas õhus hapniku hulga mõõtmiseks. Teadlased kasutavad hapnikuandureid hapniku tootmisel. Hapnikuandureid kasutatakse ka hapnikuanalüsaatorites, mida kasutatakse meditsiinis.

Ajalugu

Hapnikuanduri töötas välja Robert Bosch GmbH koostöös dr. Günter Baumaniga 1940. aastate lõpust kuni 1960. Algupärane andur oli sõrmkübarakujuline keraamiline tsirkooniumiühend, mis oli mõlemalt poolt kaetud õhukese plaatinakihiga. Esimest hapnikuandurit, mis oli mõeldud sõidukitele, esitleti 1976. aastal. Selles oli märgatavalt vähendatud tsirkooniumi kogust anduri tundliku osa ehituses ja lisatud kütteelement selle keraamilisse struktuuri. Need muudatused võimaldasid anduril saavutada sobiv töötemperatuur ja reageerida muutustele kiiremini. Esimesed hapnikuandurid paigaldati Volvodele ja Saabidele. Hapnikuandur tänapäevasel kujul leidis laialdasemat kasutamist Ameerika Ühendriikides umbes 1979. aastal ja alates 1993. aastast on see olnud kohustuslik mitmes riigis Euroopas.

Kasutus autotööstuses

Hapnikuandurid teevad võimalikuks saada sisepõlemismootorist kätte maksimaalne kasutegur nii, et see põhjustaks minimaalselt kahju ümbritsevale keskkonnale. Need aitavad reaalajas tuvastada kas mootoris põlev kütusesegu on rikas või lahja. Kuna hapnikuandur on paigaldatud väljalaskekollektori järgi summutitorus olevasse õõnsusse, ei mõõda see siiski mootorisse siseneva õhu ja kütuse suhet, vaid hapniku sisaldust heitgaasidest ja annab mootori juhtplokile signaali vastavalt kas mootorisse pihustatava kütusekoguse suurendamiseks või vähendamiseks. Nii on võimalik vältida liiga rikka segu korral hapniku puudulikkuse tõttu põlemata jäänud kütuseosade sattumist atmosfääri. Võrreldes selliste mootoritega, kus lambdaregulatsiooni ei toimu ja mootorisse pihustatava kütuse hulk sõltub peamiselt karburaatori seadekruvide asendist, töötavad hapnikuanduriga mootorid puhtamalt. 

Hapnikuandur ei mõõda tegelikult hapniku sisaldust heitgaasides vaid pigem heitgaasides ja õhus oleva hapnikuhulga erinevust. Rikka küttesegu korral tekitab hapnikuioonide puudumine heitgaasides anduri sisemise ja välimise elektroodide vahel pinge, lahja küttesegu korral pinge langeb.

Heitgaasides on ohtlikke komponente ainult 1%. Siiski ei saa seda alahinnata, sest näiteks 2-liitrise töömahuga auto, mis töötab tühikäigule lähedasel pöörlemissagedusel 1000 l/min, toodab 1000 liitrit heitgaase minutis. Siit võib järeldada, et kaheliitrine mootor toodab minutis juba 10 liitrit mürgiseid gaase.

Heitgaaside mürgised komponendid on järgmised:

1. CO-vingugaas. Rikka segu korral põleb osa kütuses sisalduvast süsinikust vingugaasiks. Vere punalibledega ühinemisel vähendab vingugaas vere hapniku sidumisvõimet ja võib põhjustada lämbumist.
2. HC-süsivesinikud. Lahja segu korral või õli sattumisel põlemiskambrisse sisaldavad heitgaasid põlemata jäänud kütuseosasid. Süsivesinikud mõjutavad närvisüsteemi ja võivad põhjustada peavalu, väsimust ja vähendada keskendumisvõimet.
3. NO_x-lämmastikoksiidid. Põlemisel suure rõhu ja temperatuuriga ühineb lämmastik hapnikuga ja moodustab pruunikaskollase gaasi. Lämmastikoksiidid tekitavad inimestel hingamisteede ärritust ja mürgistussümptomeid. Atmosfääris ühinevad lämmastikoksiidid vääveloksiididega ja muutuvad hapeteks.
4. Tahked osad. Tahked osad koosnevad peamiselt tahmast, mis tekib põlemisel eriti suure hapnikupuudujäägi korral. Bensiinimootorites tekib siiski tahma väga vähe.

Vahel, näiteks kiirendamisel, võib mootori juhtplokk ignoreerida andurist tulevat signaali, et saavutada maksimaalne võimsus.

Liigid

1. Tsirkoonium-hapnikuanduris on kaks elektroodi ja nende vahel ZrO-keraamika. Sisemine elektrood on ühendatud juhtmete kaudu isolatsiooni välisõhuga ja välimine elektrood heitgaasidega. Rikka küttesegu korral on heitgaasides hapnikusisaldus väike. hapnikuioonide hulga erinevuse tõttu tekib anduri sisemise ja välimise elektroodide vahel pinge. Lahja küttesegu korral sisaldavad ka heitgaasid hapniku ja pinge kaob. Anduri töötamiseks peab temperatuur olema 600 °C. Töösoojuse kiiremaks saavutamiseks on andurile lisatud soojustakisti. Tsirkoonium-hapnikuandur kuulub kitsaribaliste hapnikuandurite hulka, mis tähendab, et selle mõõteala ei ole lai.
2. Titaan-hapnikuandurites kasutatakse titaanoksiidist valmistatud elementi, mille takistus sõltub heitgaasi hapnikusisaldusest. Hapnikusisalduse suurenemisel takistus suureneb ja vastupidi. Kuna takistus sõltub ka temperatuurist, siis reguleeritakse anduri temperatuuri soojustakistiga. Anduri tööks on vajalik 600 °C kõrgem temperatuur. Titaan-hapnikuandurit kasutatakse vähe. Titaananduri eelis võrreldes tsirkooniumanduriga on see, et ta ei vaja võrdlusõhku atmosfäärist, mis teeb ta vastupidavamaks ilmastikuolude suhtes.
3. Lineaarne ehk laiaribaline hapnikuandur on tsirkooniumanduri variatsioon, mis on kasutusel lahja ja stöhhiomeetrilise kütteseguga mootorites. Anduri elemendis on kaks kihti: pumbakiht ja nerst-kiht. Kihtide vahel on kaks kanalit millest üks on elektrijuhtmete kaudu välisõhuga ühenduses olev võrdluskanal ja teine heitgaasidega ühenduses olev difusioonkanal. Pumbakihi abil püütakse hoida võrdus- ja võrdluskanali hapnikusisalduse erinevus muutumatuna. Hapniku ioonide liikumist juhitakse pumbakihi vooluga mis on ühtlasi ka anduri signaaliks. Töötemperatuur 750 °C saavutatakse kiiresti soojendustakisti abil, mida juhib mootori juhtplokk impulsisuhte muutmisega (PWM- (pulse-width modulation) reguleering). Lineaarsel hapnikuanduril on kuus juhet.

Anduril esinevad rikked

Hapnikuanduri eluiga on tavaliselt 160 000 km sõiduki läbisõitu. Hapnikuanduri vananedes selle reaktsioonikiirus väheneb ning mootori juhtplokile edastatav signaal ei kajasta enam hetke tegelikku õhu ja kütuse suhet.

Enneaegse anduri riknemise võib põhjustada pliid sisaldava kütuse kasutamine ja silikoone sisaldavate ainete sattumine mootorisse. Sellised ained võivad sattuda mootorisse valede tihendusainete kasutamisel mootori koostamisel. Mootoriõli lekkimisel silindrisse võib anduri tundlik osa kattuda õlise kihiga, mis aeglustab anduri reaktsioonikiirust, pideva rikka küttesegu kasutamine põhjustab anduri pinnale nõekihi tekke, mis lõpuks rikub anduri tundliku elemendi.

Rikkis anduri sümptomid:

1. mootori häiretule süttimine armatuurlaual;
2. suurenenud kütusekulu;
3. tugevalt haisevad heitgaasid;
4. ebapiisav kiirendus;
5. mootori ebaühtlane töö;
6. mootori väljasuremine.

Kirjandus

1. http://www.bosch-presse.de/presseforum/?locale=en
2. http://en.wikipedia.org/wiki/Oxygen_sensor
3. "Autoelektroonika". V. Tiitsu, M. Vatanen