Ремонт и техническое обслуживание автомобилей




Датчики состава выхлопных газов




Общие сведения

В современных автомобильных двигателях, снабженных каталитическими нейтрализаторами, необходимо постоянно контролировать состав топливовоздушной смеси и поддерживать коэффициент избытка воздуха λ близким к единице. Для этого применяются датчики кислорода (λ-зонды), устанавливаемые в системе выпуска отработавших газов вырабатывающие сигнал обратной связи для ЭБУ о величине парциального давления кислорода в выпускных газах (концентрации кислорода в ОГ).
датчики состава выхлопных газов По сигналам λ-зонда ЭБУ корректирует длительность подачи топлива, поддерживая тем самым установленный для данного режима состав топливовоздушной смеси.

В идеальном случае, когда состав топливовоздушной смеси стехиометрический (λ = 1), при сжигании 1 кг (1 л) топлива и 14,7 кг (10 м3) воздуха образуются вода и относительно безвредная двуокись углерода. Но из-за неполного сгорания стехиометрической смеси образуются токсичные вещества.
Более подробно о токсичных веществах, содержащихся в выхлопных газах двигателей, можно узнать на этой страничке.

Сгорание богатой смеси (λ < 1) приводит к появлению избыточного количества СО, Н2 и СН, бедные смеси (λ > 1) приводят к образованию NOx, O2.
Современные ЭСАУ двигателей включают датчик (или два датчика) концентрации кислорода, называемый иногда лямбда-зондом (λ-зонд), который передает в ЭБУ электрический сигнал о наличии кислорода в выхлопных газах.

Циркониевые и титановые датчики концентрации кислорода
в выхлопных газах

Известны два типа датчиков кислорода, в одном из них чувствительным элементом является диоксид циркония ZrО2, во втором – диоксид титана TiО2. Оба типа датчиков реагируют на разность концентрации кислорода в атмосфере и в выхлопных газах скачкообразным изменением выходного сигнала при λ = 0,99…1,01.
Циркониевый датчик является химическим источником тока с твердым электролитом. Датчик с чувствительным элементом из TiО2 является терморезистором, сопротивление которого изменяется под действием кислорода окружающей среды.
В современных ЭСАУ используются два датчика кислорода (рис. 23), первый устанавливается до нейтрализатора, второй – после и контролирует исправность нейтрализатора.

Благодаря использованию таких датчиков, состав топливовоздушной смеси колеблется около стехиометрического значения с частотой 4...10 Гц. Колебания отслеживаются первым датчиком кислорода, сигнал которого изменяется в пределах 0,1...0,9 В (с частотой 4...10 Гц в соответствии с изменениями концентрации кислорода в выхлопных газах).
В исправном нейтрализаторе избыточный кислород участвует в химических реакциях и его концентрация в выхлопных газах уменьшается, в выходном сигнале второго датчика кислорода на выходе нейтрализатора колебаний практически нет. Чем больше засорен нейтрализатор, тем более схожи сигналы входного и выходного датчиков.

сигнал кислородного датчика

Рис. 23. Сигналы датчиков кислорода на входе (1) и выходе (2) каталитического нейтрализатора

Циркониевый датчик (рис. 24) имеет два электрода – внешний 2 и внутренний 4. Электроды, выполненные из пористой платины или ее сплава, разделены слоем твердого электролита 3.
Электролитом является диоксид циркония ZrО2 с добавлением оксида иттрия Y2О3 для улучшения ионной проводимости.
Защитный колпачок 1 имеет прорези, благодаря чему внешний электрод 2 омывается отработавшими газами с переменным парциальным давлением кислорода.

Корпус 7 датчика имеет каналы 5, через которые внутренний электрод сообщается с атмосферным воздухом, имеющим практически постоянное парциальное давление кислорода.
Ионная проводимость твердого электролита, возникающая вследствие разности парциальных давлений кислорода на внешнем и внутреннем электродах, обусловливает появление разности потенциалов между ними.

Чувствительный элемент датчика становится активным только при его нагреве до температуры выше 350 ºС. До прогрева датчика работа двигателя осуществляется без учёта его сигнала, т.е. по не замкнутому циклу.
Современные конструкции подобных датчиков имеют спираль электроподогрева.

При низком уровне парциального давления кислорода в отработавших газах, когда двигатель работает на обогащенном составе горючей смеси (λ < 1), датчик как гальванический элемент генерирует напряжение 0,7…1,0 В.
При переходе на обедненный состав горючей смеси (λ > 1) парциальное давление кислорода в отработавших газах увеличивается, что приводит к резкому падению напряжения UВых на выводах датчика до 0,05…0,1 В (рис. 24, в) и ЭБУ по этому сигналу корректирует время продолжительности впрыска бензина в сторону его увеличения.
Резкое падение напряжения на выходе датчика при переходе от обогащенного к обедненному составу горючей смеси позволяет определить ее стехиометрический состав с погрешностью порядка 0,5%.

гальванический датчик концентрации кислорода или λ-зонд

Рис. 24. Гальванический датчик концентрации кислорода (λ-зонд):
а) конструкция датчика; 1 - защитный колпачок с прорезями; 2 - наружный электрод; 3 - активный элемент (ZrO2); 4 - внутренний электрод; 5 - воздушный канал; 6 - токопроводящая уплотнительная шайба; 7 - металлический корпус; 8 - контактная шайба; 9 - изолятор; 10 - контактный стержень; 11 - кожух; 12 - клемма положительного электрода;
б) схема гальванического датчика; 1 - внутренний электрод; 2 - электролит (ZrO2); 3 - наружный электрод; 4 - корпус; 5 - электропроводное уплотнение; 6 - контакт электрода; PʹO2 - парциальное давление кислорода в отработавших газах; PʹʹO2 - парциальное давление кислорода в воздухе;
в) типичная характеристика циркониевого датчика;
г) образец фрагмента осциллограммы с гальванического датчика

Кислородный датчик влияет на процесс смесеобразования, обеспечивая замкнутый цикл регулирования состава топливо-воздушной смеси только на режимах работы двигателя, при которых λ > 0,9.
В случаях значительного обогащения топливовоздушной смеси коррекция ее состава по концентрации кислорода в отработавших газах как правило не осуществляется (на режимах пуска и прогрева холодного двигателя, разгона автомобиля и полной нагрузки).
Типичные параметры циркониевого датчика:

  • при λ = 0,9 напряжение на выходе с датчика не менее 0,65 В;
  • при λ = 1,1 напряжение на выходе с датчика не более 0,25 В;
  • время срабатывания при обеднении горючей смеси – не более 250 мс;
  • время срабатывания при обогащении горючей смеси – не более 450 мс;
  • сопротивление при температуре 350±50 ˚С не более 10 кОм.




Датчики кислорода для двигателей, работающих на обедненных смесях (широкополосные)

Постоянное ужесточение требований к содержанию токсичных веществ выбрасываемых в атмосферу с выхлопными газами, делают необходимым применение двигателей, работающих на обедненных и бедных топливовоздушных смесях (λ =1,05…1,50). Для таких двигателей требуется более точное регулирование состава горючей смеси.
Необходимым элементом ЭСАУ такого двигателя является аналоговый датчик кислорода с выходным сигналом, меняющимся не скачкообразно, а плавно в пропорции с содержанием кислорода в выхлопных газах (рис. 26 б).
Подобные «широкополосные» датчики кислорода являются модернизацией обычного циркониевого датчика. Кроме определения стехиометрического состава топливовоздушной смеси они способны выдавать рабочий сигнал в широком диапазоне λ = 0,68…2,38.

Конструкция одного из таких датчиков кислорода показана на рис. 25. Датчик выполнен из циркониевой керамики с платиновыми электродами и состоит из двух ячеек для перемещения ионов кислорода: ячейки IP, куда закачиваются ионы кислорода, и ячейки VS. для обнаружения ионов кислорода.
Через ячейку VS проходит небольшой стабилизированный ток Iср, переносящий ионы кислорода вправо и тем самым поддерживающий камеру O2 заполненной кислородом.

Содержание кислорода в этой камере является эталонным количеством для датчика.
Выхлопные газы поступают в измерительную камеру, и на электродах ячейки VS образуется падение напряжения, пропорциональное концентрации кислорода в выхлопе.
Электронная схема формирует ток IР через электроды ячейки, вызывая генерацию и перемещение ионов кислорода из атмосферного воздуха, поддерживая напряжение VS на одном и том же уровне 0,45 В.

Таким образом ток IР является мерой соотношения воздух/топливо для горючей смеси и формирует выходной аналоговый сигнал датчика в виде напряжения UВых.

устройство широкополосного датчика концентрации кислорода или λ-зонда

Рис. 25. Принципиальное устройство (а) и электронная схема датчика кислорода, работающего на обедненных ТВ-смесях;
б) Сигнал аналогового датчика кислорода

***

Датчики угловых и линейных перемещений и положений



Главная страница


Специальности

Учебные дисциплины

Олимпиады и тесты