CC BY
170^бодаУ*
Особенности кислородного датчика системы управления транспортных двигателей
В.И. Ерохов, профессор МГМУ «МАМИ», д.т.н.
Приведены конструктивные и функциональные особенности кислородных датчиков транспортных двигателей, изложены принципы действия таких датчиков и основных их компонентов. Приведены принципиальные и конструктивные схемы функциональных элементов кислородных датчиков нового поколения, дана оценка их технической и экологической эффективности.
Ключевые слова: отработавшие газы, вредные вещества, каталитический нейтрализатор, кислородный датчик, система управления, оксид циркония, оксид иттрия, гальванический элемент, циркониевый датчик, титановый датчик, нанотехнология, широкополосный датчик.
Жесткие экологические нормы способствуют применению на автомобилях каталитических нейтрализаторов, содержащих датчик кислорода (Л-зонд), который выполняет основные функции управления в системе топливоподачи современного двигателя.
Принципиальная схема системы управления современного транспортного двигателя с обратной связью (рис. 1) содержит трехкомпонентный каталитический нейтрализатор 5, электронный блок управления (ЭБУ) 9, основной 4 датчик кислорода (Л-зонд), выполняющий обратную связь в системе управления через электрическую цепь 14 между поступающим топливным зарядом на входе в камеру сгорания и продуктами сгорания, и дополнительный 6 Л-зонд [1].
Датчик кислорода 4, установленный до нейтрализатора, является основным и обеспечивает корректирование топливоподачи в системе управления. Датчик кислорода 6, установленный после нейтрализатора 5, является диагностическим и позволяет вводить дополнительные коррективы в систему топливоподачи.
ЭБУ 9 принимает сигнал с основного Л-зонда 4 и сравнивает его со
значением, заложенным в памяти. Если сигнал Л-зонда 4 отличается от оптимального значения для текущего режима, то ЭБУ корректирует длительность впрыскивания топлива. Обратная связь Л-зонда 4 с ЭБУ 9 обеспечивает точную подстройку в системе топливоподачи.
Блок управления 9 по заданной программе увеличивает подачу по сигналам Л-датчика при наличии свободного кислорода до полного его расходования. Состав смеси с помощью Л-зонда 4 поддерживается близким к теоретическому. При пуске и прогреве холодного двигателя
Рис. 1. Принципиальная схема управления нейтрализацией современного двигателя с Х-зондом: 1 - впускной трубопровод; 2 - расходомер воздуха; 3 - двигатель; 4 - основной Х-зонд; 5 - нейтрализатор; 6 - диагностический дополнительный Х-зонд; 7 - выпускной трубопровод; 8 - электрическая цепь диагностического Х-зонда; 9 - ЭБУ; 10 - датчик частоты вращения КВ; 11 - датчик расхода воздуха; 12 - датчик температуры двигателя; 13 - электрическая цепь расходомера воздуха; 14 - электрическая цепь основного (первого) Х-зонда; 15 -электрическая цепь электромеханической форсунки (ЭМФ); 16 - ЭМФ; 17 - шланг подачи топлива; 18 - трубопровод подачи топлива
а б
Рис. 2. Схема датчика кислорода на основе диоксида циркония: а - устройство; б - схема размещения; 1 - керамический наконечник (керамическая основа 7г02 и У203+); 2 - защитный колпачок с отверстиями для ОГ; 3 - металлический корпус с резьбой крепления; 4 - керамический уплотнитель; 5 - керамический изолятор; 6 - манжета; 7 - контактные площадки; 8 - вывод нагревательного элемента датчика; 9 - токопроводящий контакт цепи подогрева; 10 - нагревательный элемент; 11 - наружный защитный экран с отверстием для атмосферного воздуха; 12 - токосъемник электрического сигнала; 13,16 - соответственно внутренний (+) и внешний (-) электроды; 14 - вольтметр; 15 - полость атмосферного воздуха; 17 - выпускной трубопровод
управление топливоподачеи осуществляется без участия Л-зонда, а ее коррекция при прогретом двигателе - по сигналам датчиков температуры 12 и нагрузки. Датчик Л-зонда в зависимости от содержания кислорода в ОГ выдает соответствующее напряжение и корректирует состав смеси, изменяя количество подаваемого в цилиндры топлива.
Датчики концентрации кислорода подразделяются на электрохимические и резистивные. Первый тип датчиков (рис. 2) работает по принципу элемента, вырабатывающего электрический ток на основе твердого электролита диоксида циркония &02), а второй - как резистор, изменяющий сопротивление цепи в зависимости от условий окружающей его среды. Первый тип датчика содержит диоксид циркония,второй - полупроводниковую керамику диоксида титана (ТЮ2) с использованием иттрия (О, платины (Р1:), палладия (Рф и других сложных соединений на основе алюминия (А1).
Циркониевый датчик кислорода содержит металлический корпус 3 из нержавеющей стали, наконечник 1 из специальной керамики (диоксид циркония и иттрий), представляющий собой твердый электролит с платиновыми электродами, и керамический изолятор 5. Керамический наконечник 1 датчика снабжен внутренним 13
и наружным 16 платиновыми электродами. Электрод 13 находится в потоке отработавших газов (ОГ), поступающих к нему через отверстия в защитном колпачке 2, а электрод 16 - в полости 15 атмосферного воздуха.
Электроды 13 и 16 выполнены из пористой платины или ее сплава, разделены слоем твердого электролита (диоксид циркония) со стабилизирующими добавками оксида иттрия. Внутренний электрод 16 находится в полости атмосферного воздуха с постоянным парциальным давлением кислорода, а внешний 13 омывается ОГ, поступающими через отверстия в защитном колпачке.
Датчик имеет встроенный электрический подогреватель 10, обеспечивающий его нагрев до рабочей температуры независимо от температуры ОГ. Нагревательный элемент датчика представляет собой спираль, расположенную внутри его корпуса.
Пористая керамика на основе ZrO2, легированная оксидом иттрия, представляет собой твердый электролит, обеспечивающий прохождение ионов кислорода. Чем больше концентрация О2 в ОГ, тем меньше выходное напряжение на кислородном датчике. Диапазон рабочих температур обычных датчиков составляет 300...400 °С, диапазон выходного напряжения - 0,01.1,0 В.
Механизм возникновения напряжения в чувствительном циркониевом элементе кислородного датчика представляет собой сумму сложных для описания электрохимических реакций на границе Р1:^г02/Р1 твердого электролита элемента. Сущность процесса заключается в том, что за счет разного парциального давления 02 в атмосфере и в ОГ его ионы перемещаются и создают разность потенциалов.
Соединение наконечника 1 датчика и металлического корпуса 3 выполнено строго герметичным во избежание попадания ОГ во внутреннюю полость датчика, сообщающуюся с атмосферой.
Внешний электрод 16 Л-зонда находится в полости 15 атмосферного воздуха с постоянным парциальным давлением кислорода, а внутренний электрод 13, омываемый потоком ОГ, - в выпускной системе с изменяющимся давлением кислорода. Ионная проводимость твердого электролита, возникающая вследствие разности парциальных давлений кислорода на внутреннем и внешнем электродах, обусловливает появление между ними разности электрических потенциалов.
Обе стороны керамического наконечника 1 датчика покрыты тонким пористым слоем платины. Ионы
кислорода проходят через пористый элемент и оставляют электрический заряд на слое платины.
Активными элементами Л-зонда служат анионный твердый электролит, стабилизированный ZrO2 , и электроды 13 и 16 с пористой структурой. Металлический корпус заземлен на массу выпускного трубопровода, а внутренний электрод 13 с помощью электропроводки выведен на ЭБУ.
Чувствительный элемент Л-зонда обладает способностью вырабатывать электродвижущую силу (ЭДС) при двухстороннем контакте со средами, насыщенными ионами кислорода различной концентрации. Подобное свойство оксида циркония используется в Л-зонде для определения концентрации кислорода в ОГ двигателя. Датчик действует по принципу гальванического элемента с твердым электролитом в виде керамики из диоксида циркония. Керамика легирована оксидом иттрия, а поверх нее нанесены токопроводящие пористые платиновые электроды.
В корпусе датчика находится чувствительный элемент из оксида циркония. В зависимости от концентрации кислорода в ОГ датчик генерирует выходное напряжение, изменяющееся в диапазоне от 0,1 до 0,95 В. Для повышения чувствительности Л-зонда при пониженных температурах и после запуска холодного двигателя используют принудительный подогрев. Эффективное измерение остаточного кислорода в ОГ Л-зонд обеспечивает после разогрева до температуры
285...300 °С. В таких условиях циркониевый электролит приобретает проводимость, а разница в количестве атмосферного кислорода и кислорода во впускном трубопроводе ведет к появлению на электродах Л-зонда выходного напряжения.
При пуске и прогреве холодного двигателя управление впрыском топлива осуществляется без участия Л-зонда, а коррекция состава топли-вовоздушной смеси осуществляется по сигналам других датчиков (положения дроссельной заслонки, температуры охлаждающей жидкости, числа оборотов КВ). Особенностью циркониевого Л-зонда является то, что при малых отклонениях состава смеси от идеального (0,98< I >1,02) напряжение на его выходе изменяется скачком в интервале 0,1.0,95 В.
Измерительный элемент имеет напыление платины с внутренней и внешней сторон. Твердый электролит (керамика) - из смеси диоксида циркония ZrO2 и оксида иттрия Y2O3. Наконечник изготовлен на основе диоксида циркония с напылением платины на внутреннюю и наружную поверхности. Гальванический источник тока изменяет напряжение в зависимости от температуры и наличия кислорода в атмосфере и ОГ, обеспечивая на выходе датчика соответствующий сигнал в виде напряжения. Керамика легирована оксидом иттрия, а поверх нее напылены токопроводящие пористые электроды из платины. Для равномерного распределения платины и иттрия вдоль сотовой структуры наконечника (рис. 3) при его
изготовлении была применена современная нанотехнология.
Кислородный датчик (рис. 4) содержит Л-зонд и электрический разъем, соединенные между электрической проводкой. Цветовая маркировка выводов Л-зонда может различаться, но сигнальный провод всегда будет иметь темный цвет (обычно - черный). Массовый провод может быть белым, серым или желтым.
Основные элементы датчика кислорода изготовлены из жаростойких материалов, так как его рабочая температура может достигать 950 °С. Выходящие провода Л-зонда имеют термостойкую изоляцию. Датчик кислорода без нагревания устанавливают в выпускном трубопроводе ближе к двигателю, а с нагревательным элементом - перед нейтрализатором. Схема подключения кислородного датчика нейтрализатора приведена на рис. 5.
Схема подключения Л-зонда содержит сигнальный провод 1 (черный), соединенный с ЭБУ, провод заземления 2 (серый) датчика, провод питания 3 (белый) нагревателя 12 В и провод заземления 4 нагревателя (коричневый). Нагревательный элемент
Рис. 5. Контактные выводы наиболее распространенного циркониевого Х-зонда: 1 - сигнальный провод на ЭБУ (черный); 2 - провод заземления (серый); 3 - вывод провода питания (12 В) нагревателя (белый); 4 - провод заземления нагревателя (коричневый)
подключается к электросети автомобиля через контактный вывод 3 питания.
Датчики без нагревателя могут иметь один или два сигнальных провода, датчики со встроенным электрическим нагревателем - три или четыре провода. Как правило, провода светлых цветов относятся к нагревателю, а темных - к сигнальному проводу.
Сходные по конструкции циркониевые датчики Л-зонда взаимозаменяемы. В эксплуатации возможна замена неподогреваемых датчиков на подогреваемые, но не наоборот. Технологически могут возникнуть проблемы несовместимости разъемов и отсутствия в автомобиле цепи питания для нагревателя Л-зонда. Недостающие провода можно проложить самостоятельно, а вместо разъема использовать стандартные автомобильные контакты.
Датчик Л-зонда определяет парциальное давление кислорода в ОГ. При сгорании богатой смеси содержание кислорода относительно невысокое, и датчик создает достаточно высокое напряжение 785.1000 мВ. При обеднении смеси парциальное давление кислорода в ОГ сильно увеличивается, напряжение датчика уменьшается до 50.100 мВ. Датчик генерирует напряжение, изменяющееся в диапазоне 50.900 мВ. Выходное напряжение зависит от наличия 02 в ОГ и температуры чувствительного элемента датчика.
При низком уровне парциального давления кислорода в обогащенной смеси (Л<1) датчик генерирует высокое напряжение 700.1000 мВ. При переходе состава смеси через стехиометрическое значение в зоне обедненных смесей (Л>1) парциальное давление кислорода в ОГ заметно увеличивается, что приводит к резкому снижению напряжения на выходе датчика 50.100 мВ (рис. 6). Такая характеристика датчика позволяет определить стехиометрический
Рис. 6. Триггерный характер зависимости напряжения датчика кислорода от коэффициента избытка воздуха при температуре датчика 500.. .900 °С: А - условная точка стехиометрического состава (Овых= 0,5 В при X = 1,0); В - область регулирования; I - обогащение смеси при уменьшении кислорода в ОГ; II - обеднение смеси при увеличение кислорода в ОГ; Б - условная точка средних показаний (Овых= 0,5 В при X=1,0); 1 - 900 °С; 2 - 800 °С; 3 -500 °С
состав смеси с погрешностью не более ±0,5 %.
Датчик Л-зонда измеряет остаточное содержание кислорода в ОГ. Выходной сигнал в области обогащенной смеси принимает значения в диапазоне между 900 и 450 мВ и обнаруживает отчетливый скачок при Л=1. В результате электроника двигателя может распознать переход от богатой смеси к бедной. Высокое содержание кислорода характерно для бедной смеси (и=1,0 В), а низкое - для богатой.
По мере прогрева датчика сопротивление уменьшается и восстанавливается способность генерирования выходного сигнала. Для эффективной работы датчик должен иметь температуру не ниже 350 °С. Быстрый прогрев датчика после запуска двигателя обеспечивает подогревающий элемент. Включение или выключение подогревателя обеспечивает ЭБУ.
Измерительный элемент, помещенный в потоке ОГ, генерирует ЭДС, зависящую от их состава. Вблизи значения Л=1 напряжение зонда очень резко, почти скачком, меняется в пределах примерно 0,1.0,95 В.
При небольших отклонениях Л от идеального значения напряжение на выходе изменяется скачкообразно. По мере загрязнения датчика изменения уменьшаются. При полностью неисправном датчике напряжение равно 0,4 В.
Зависимость напряжения датчика кислорода от коэффициента избытка воздуха при различной его температуре имеет триггерный характер. ЭДС зонда чрезвычайно резко изменяется вблизи значения Л=1,0 рабочей смеси в цилиндре двигателя, реагируя даже на очень небольшие колебания состава смеси в сторону ее обогащения или обеднения.
Принцип действия датчика заключается в способности керамического элемента пропускать ионы кислорода при минимальной температуре 250 °С. Если содержание кислорода на двух поверхностях датчика значительно отличается, свойства датчика обеспечивают изменение напряжения на его выводе, и смесь корректируется в сторону Л=1. Ионы кислорода проходят через элемент и оставляют электрический заряд на слое платины. Платиновый слой играет роль электрода. Ионная проводимость твердого электролита, возникающая в результате разности парциальных давлений 02 на внешнем и внутреннем электродах, обусловливает появление разности потенциалов между электродами.
При сгорании обогащенной горючей смеси в цилиндрах двигателя практически весь содержащийся в продуктах сгорания 02 поглощается в ходе каталитической реакции. В результате разница концентраций ионов кислорода на наружной и внутренней поверхностях трубки оказывается очень большой и влияет на величину ЭДС чувствительного элемента.
Уровень сигнала может быть низким (0,1.0,2 В) или высоким (0,8...0,95 В). Существуют также
I ..ifffflrmnTr,,-. Д|Дн4Д1<
«Транспорт на альтернативном топливе» № 6 (36), декабрь 2013 г.
то ¿ко
г ив
И ~ 20
0
0,90 0.94 0.98 1.02 а
Рис. 7. Эффективность работы трехкомпонентного каталитического нейтрализатора ОГ:
1 - N0^; 2 - СН; 3 - СО; 4 - область эффективной работы
датчики, сигнал на выходе у которых изменяется от 0,1 до 4,9 В. Это изменение сигнала при Л=1 позволяет ЭБУ обрабатывать его. Если температура датчика выше 360 °С, то в момент перехода через точку стехиометрии выходной сигнал датчика переключается между низким (100.200 мВ) и высоким (700.800 мВ) уровнями.
При достижении датчиком рабочих температур свыше 300 °С он выдает быстро изменяющееся напряжение в диапазоне 10.1000 мВ. Когда датчик находится в холодном состоянии, он или не выдает напряжения, или выдает медленно изменяющееся напряжение, которое использовать нельзя. В холодном состоянии внутреннее электрическое сопротивление датчика очень высоко.
В ДВС с искровым зажиганием температура ОГ составляет на режиме холостого хода в среднем 285.315 °С, при 50%-ной от номинальной величины нагрузке 530.600 °С, а при полной нагрузке 750....800 °С.
Область эффективной работы катализатора имеет очень узкий диапазон и составляет ±0,01Л (рис. 7). Подобная точность может быть обеспечена только с помощью систем питания с электронным (дискретный) впрыском топлива и при использовании в цепи обратной связи Л-зонда.
Степень превращения вредных веществ (ВВ) зависит от реакционно-кинетических свойств используемого катализатора. На входе катализатора температура реакции соответствует температуре ОГ, а на выходе заметно увеличивается. В холодном состоянии выходной сигнал датчика отсутствует.
Стартовые качества каталитического нейтрализатора оценивают по времени достижения 50%-ной его активности с момента холодного запуска ДВС. Продолжительность выхода двигателя на рабочий режим составляет 20 с.
Селективность нейтрализатора, характеризующая его способность инициировать определенный химический процесс путем направленного воздействия на отдельные компоненты ОГ, обеспечивает активирование только тех реакций между компонентами ОГ и кислородом, в результате которых получают нетоксичные соединения (рис. 8, таблица).
Приведенная закономерность нейтрализации ОГ имеет ярко выраженные три области - химическая кинетика, диффузия и массоперенос. Диффузионные процессы в меньшей степени влияют на процессы нейтрализации. При низкой температуре скорость химической реакции слабо зависит от диффузии. Каталитический процесс окисления различных компонентов ОГ обусловлен диффузией молекул ОГ к рабочей поверхности катализатора и их окислением на его поверхности.
Сопротивление противодавления ОГ перед нейтрализатором составляет 80 гПа и не более 25 % общего сопротивления выпускной системы. Наблюдение за работой нейтрализатора в течение 1200 ч эксплуатации в различное время года показало, что эффективность очистки газов за указанный период несколько ухудшилась: содержание СО возросло в 1,05.1,14; NОx - в 1,14.1,15; СН - в 1,44.1,31; твердых частиц - в 2,49.2,50 раза. После промывки каталитических блоков в
Содержание вредных веществ в ОГ при применении разработанного / -зонда
Вещество Концентрация, % Степень
До нейтрализации После нейтрализации очистки, %
СО 0,06 0,01 85
1\1Ох 0,002 0,001 95
Альдегиды 0,0144 0,003 98
ЭО, 0,008 0 100
растворе нашатырного спирта и моющем растворе эффективность очистки нейтрализатора восстанавливается на 85.90 %.
Скорость химической реакции определяется диффузией в порах наконечника. В каналах сложной формы формируются различные течения газа. Мелкомасштабное турбулентное перемешивание обусловливает более интенсивный перенос вещества у поверхности. Вблизи поверхности преобладает молекулярный перенос массы.
Сущность процессов каталитической нейтрализации заключается во взаимодействии компонентов ОГ между собой или с избыточным 02. Восстановление NOx оксидом углерода может быть представлено химическими реакциями:
2Ж)+2СО —»21Ч3 + 2С02; (1) 2ЫО+5Н2 ->1/2Ы,+Н,0; (2) 2М)+Н2"->ад + Н20; (3) 21»Ю+5СО + Н20 —»
Наличие в ОГ свободного водорода сопровождается протеканием химической реакции
2М) + 5Н, -*2МН3+2Н20.(5) В окислительном катализаторе протекает ряд побочных химических реакций:
СО + Н20 —» С02 + Н2;
Н2 + ЫО^Н2 + + Н20+1/2Ы2";
2С0 + 02 —>2С02;
СО+ 1/20, ->С02;
СшН„ + {т + л/4)0, —> т С02 + (л/2) Н мО; СШН„ +02 —> Н;0 + С0,; Н,+(1/2)0,
(4)
(6)
(7)
(8)
(9)
(10)
(11) (12)
(13)
вещества (платина, иттрий), добавление которых в небольших количествах к Л-зонду и катализатору увеличивает их активность и селективность. Активность Л-зонда и катализатора - это отношение скорости накопления продукта реакции к сумме скоростей всех превращений исходного вещества
где Свх - концентрация вредных веществ на входе; Свых - концентрация вредных веществ на выходе; ДС=Свх-Свь|х - разность между входящей и выходящей концентрациями.
'-пик = Сдщс + (Сдве) —
(14)
^ ^ДВСк >
(15)
где А - величина ОГ, которая не подвергается нейтрализации; СДВС - концентрация нейтрализуемого вредного компонента ДВС; кс - величина, характеризующая каталитическую поверхность; I - длина канала; t - температура каталитической поверхности; с - активная поверхность.
Внутреннее сопротивление циркониевого датчика тем выше, чем ниже его температура. Поэтому генерирование ЭДС этим датчиком начинается только при прогреве датчика до температуры 300.400 °С. Потенциал на выходе датчика 0,45.0,50 В представляет собой опорное напряжение, подаваемое от входного ЭБУ.
Напряжение и внутреннее сопротивление Л-зонда зависят от температуры. Надежное регулирование возможно при температуре выше 350 °С (необогреваемый Л-зонд) или 200 °С (обогреваемый Л-зонд). В ЭБУ поступают сигналы датчика кислорода, преобразуемые в команду для параметра ЭБУ, обогащающего или обедняющего горючую смесь. Датчик образует двухуровневый сигнал напряжением 0.1000 мВ. Оптимальные значения направляемых в ЭБУ сигналов составляют 50.100 мВ и 850.950 мВ.
На современных европейских автомобилях чаще всего можно увидеть датчики кислорода двух типов. К первому относятся датчики на основе диоксида циркония (циркониевые), ко второму - датчики на основе оксида титана (титановые). В титановых зондах используется свойство оксида титана изменять сопротивление в зависимости от концентрации кислорода. Этому датчику связь с наружным воздухом не требуется, рабочая температура у него значительно выше, чем у циркониевого, - начинается с 500 °С (рис. 9). Привлекает то, что сигнал этого датчика можно сразу, обойдясь без усиления, привязать к используемому в ЭБУ уровню +5 В.
Резкий скачок напряжения выходного сигнала происходит при колебаниях состава смеси, когда его
Селективность катализатора проявляется в его способности промоти-ровать реакции (1.4), (7), (8) раньше реакции (9). Кроме того, реакции (1) и (3) должны предшествовать (10). Промоторы (от латинского рготоуеге - продвигаю) представляют собой
значение достигает стехиометричес-кого. Но в противовес циркониевому датчику у титанового низкий сигнал соответствует богатой смеси, а высокий - бедной. Продолжительность прогрева нейтрализатора не должна превышать 2 мин. Начало регулирования качества смеси зависит от температуры охлаждающей жидкости двигателя. При температуре 20 °С регулирование состава смеси начинается через 2 мин. Скорость химических реакций и последующий выброс ВВ в значительной степени определяются температурным режимом ДВС.
Блок управления двигателя использует кислородный датчик перед катализатором для регулирования соотношения топливо/воздух в цилиндре.
Система постоянного Л-регули-рования рассчитывает коэффициент регулирования, исходя из разницы между заданным значением и значением, измеренным Л-сигналом широкополосного датчика перед катализатором. Сигнал данного коэффициента регулирования модулируется также вынужденной амплитудой прямоугольной формы. В результате могут быть обеспечены оптимальная работа катализатора в зоне преобразования и динамическая проверка Л-зонда перед катализатором. При регулировании учитываются также воздействия, зависящие от рабочей точки двигателя. Коэффициент регулирования учитывается системой предварительной подготовки смеси при расчете количества подаваемого топлива.
Л-зонд измеряет разность концентрации кислорода в окружающем воздухе и потоке ОГ. Выходной сигнал зонда представляет собой непосредственно величину коэффициента избытка воздуха в ОГ. Посредством обогрева зонда выполняется анализ коэффициента избытка воздуха при температуре ОГ 150 °С. Широкополосный Л-зонд LSU4.9 плавно измеряет
соотношение масс воздуха, начиная от значения Л=0,65. Это возможно, поскольку линейно протекающий ток накачки служит показателем для блока управления. Широкополосный зонд (рис. 10) [2] оснащен двумя ячейками: ячейкой накачки 8 и сенсорной ячейкой (концентрационный элемент Нернста) 7. С помощью тока накачки в измерительную камеру накачиваются ионы кислорода, создавая при этом напряжение 450 мВ между электродами в основном воздушном канале и измерительной камере. Ток накачки является показателем для значения Л.
Температура 80 °С в ДВС достигается через 1 мин после его пуска. По содержанию остатка О2 в ОГ датчик определяет Л, информирует ЭБУ и рассчитывает продолжительность открытия ЭМФ, обеспечивая в следующем рабочем цикле близкий к стехиометрическому состав горючей смеси Л=0,97...1,03. Нормальная работа таких датчиков в значительной мере зависит от температуры. ЭБУ
подает напряжение на нагреватель до момента, когда датчик начинает генерировать быстроменяющееся напряжение рабочего режима.
После прогрева датчика до рабочей температуры между электродами Р^г02/Р1 возникает напряжение, величина которого определяется разностью содержания кислорода в ОГ двигателя (0,1.2,0 %) и наружном воздухе (21 %).
Датчик кислорода представляет собой надежный электрохимический прибор. Его задача состоит в определении остатков кислорода в ОГ. Показания датчика используют для корректировки подачи топлива.
Электрохимическая реакция в датчике, сопровождающаяся появлением тока, может быть представлена зависимостью
1 = С-
А,
Р5
• 1п
I
1 -ШР)
. (16)
О:
Т I
где I - ток, протекающий через чувствительный элемент; С - постоян-
ная величина; й0
коэффициент
Рис. 10. Широкополосный Х-зонд:
I - отработавшие газы; 2 - выпускной трубопровод; 3 - нагреватель; 4 - электронная плата регулировки; 5 - основная ячейка с воздушным каналом; 6 - диффузионная щель; 7 - концентрационный элемент Нернста; 8 - ячейка накачки кислорода с внутренним и внешним электродами накачки; 9 - пористый защитный слой; 10 - отверстие для подачи газа;
II - пористый диффузионный барьер: ~1 - регулируемый ток накачки; ир - регулируемое напряжение накачки; ин - напряжение нагрева; ию1 - опорное напряжение 450 мВ Х=1,0; и - напряжение датчика
2
диффузии слоя; Т - абсолютная температура; р0 - парциальное давление кислорода у атмосферного электрода; р - абсолютное давление; 5 - площадь поверхности электродов; I - глубина диффузионного слоя.
Диффузионный слой состоит из молекул, радиус пор которых составляет (Ю0...1000)Л>1. Этот слой ограничивает молекулярную диффузию, вызываемую парциальным давлением кислорода.
Чем больше концентрация кислорода в ОГ, тем меньше выходное напряжение на кислородном датчике. Зависимость выходного напряжения кислородного датчика от разницы содержания кислорода в ОГ и атмосфере описывается формулой
(17)
\ги1 У
где К - универсальная газовая постоянная; Г - постоянная Фарадея; р™ -парциальное давление кислорода
ОГ
в атмосфере, Па; Ро. - парциальное давление кислорода в ОГ, Па.
Управление по сигналу Л-зонда сопровождается периодическим изменением состава горючей смеси, причем колебания этой величины относительно Л=1 не превышают ±0,03. Колебания Л и инерционность системы на переходных режимах приводят к тому, что реальная величина коэффициентов преобразования составляет 90 %. Основной Л-зонд начинает работать при t=300 °С, поэтому для ускорения применяют его электрический подогрев.
Температура активации находится в пределах 250.350 °С. Продолжительность разогрева достигает нескольких минут и зависит от типа автомобиля (рис. 11). Холодный катализатор практически не обеспечивает эффективность химических реакций.
В данной работе предложена технология подогрева катализатора с мощным электрическим сопротивлением. Мощность подогревателя
составляет от 0,5 до 2.4 кВт в зависимости от величины сопротивления от 0,05 до 0,35 Ом. Элемент в 1,5 кВт разогревает катализатор до 400 °С за 10 с. В современных системах применяют цеолитовую ловушку СН, задерживающую углеводороды при пуске и после прогрева до 220 °С направляющую их на нейтрализацию. В качестве контрольной величины применяют увеличение противодавления ОГ со стороны нейтрализатора (не более 25 % от первоначального значения).
При изменении содержания кислорода в отработавших газах кислородные датчики на основе диоксида титана (TiO2) изменяют свое объемное сопротивление. Датчики конструктивно сложны и дороже циркониевых. Л-зонды применяют в некоторых автомобилях (Nissan, BMW, Jaguar). Однако широкого распространения они не получили.
Титановый датчик изменяет свое сопротивление скачкообразно от менее 1 кОм (при богатой смеси) до более 20 кОм (при обедненной смеси). Такие датчики выпускаются обычно пленочного типа, причем пленка из TiO2 может быть выполнена путем напыления диэлектрика и может наноситься непосредственно на электрод, а также на керамику.
Титановые датчики на практике применяются реже и представляют собой резисторы, сопротивление
которых изменяется в зависимости от температуры и наличия О2 в окружающей среде. Кислород, содержащийся в ОГ, реагирует с датчиком, создавая разность потенциалов на его выходе. Она изменяется от 0,1 В (высокое содержание О2 - бедная смесь) до 0,9 В (малое содержание кислорода - богатая смесь). Генерировать ЭДС датчики на основе ТЮ2 не могут.
Чувствительным элементом титановых датчиков являются преобразователи резистивного типа, то есть их проводимость изменяется вследствие физико-химического взаимодействия с кислородом ОГ. Эти датчики основаны на принципе изменения проводимости диоксида титана.
Питание нагревательного элемента подается из системы электропитания автомобиля при включенном зажигании в виде стабильного напряжения 450 мВ с очень малым током. Холодное состояние датчика не выдает напряжения. По мере подогрева датчика обеспечивается быстрое изменение напряжения, перекрывающее стабильное опорное напряжение ЭБУ.
ТЮ2 является полупроводником, электрическая проводимость которого зависит от парциального давления кислорода в газовой смеси и от ее температуры. При комнатной температуре сопротивление ТЮ2 очень велико. При повышении температуры кислород из ТЮ2 переходит из
200 15В хв~
Г ююо хп/оаШ. с
Рис. 11. Изменение температуры в катализаторе в зависимости от продолжительности прогрева двигателя с момента запуска: 1 - температура ОГ на входе в нейтрализатор; 2 - температура металлического блока; 3 - температура керамического блока
I ,.ifffflTmTTTr„- Д|Дн4Д1<
«Транспорт на альтернативном топливе» № 6 (36), декабрь 2013 г.
твердой в газовую фазу, в результате диоксид титана получает п-проводи-мость. Зависимость сопротивления р диоксида титана от парциального давления кислорода и температуры дает уравнение [3]
р = Ариоушт), (18)
где А - постоянный коэффициент; Е - энергия активации; п - показатель изменения парциального давления кислорода в широком диапазоне, близкий к 4.
При термодинамическом равновесии, когда состав смеси приближается к стехиометрическому, парциальное давление кислорода в ОГ очень резко уменьшается, в результате чего при переходе от бедной рабочей смеси к богатой происходит сильное падение электрического сопротивления ТЮ2.
Обеспечение рабочей температуры таких датчиков осуществляют путем нагревания электрическим током вольфрамовой пленки на изоляционном элементе, которая защищена слоем глинозема (А1203). Мощность датчика нагревателя составляет 8 Вт. Чувствительные элементы современных титановых кислородных датчиков представляют собой многослойную изоляционную подложку из глинозема, между слоями которой располагаются элементы из диоксида титана ТЮ2.
Титановые датчики обладают высокими чувствительностью к содержанию кислорода в ОГ и подвижностью дефектов кристаллической решетки, играющей основную роль в механизме взаимодействия чувствительного элемента с кислородом, значительной пористостью ТЮ2 и отличными каталитическими свойствами. Недостатком таких датчиков является сравнительно большой коэффициент термического сопротивления.
Сигнал от датчика (при отсутствии О2 - 800 мВ, при 1,5 % О2 - 0 мВ) поступает в электронный блок управления, где он преобразуется во вторичный сигнал. Л-зонд начинает работать при температуре около 300 °С, а наиболее
Рис. 12. Изменение температуры охлаждающей жидкости с момента запуска двигателя: 1 - с системой управления термостатом; 2 - при использовании традиционного термостата
эффективная работа происходит при 850.900 °С. При температуре выше 900 °С даже кратковременная работа может вызвать начало разрушения защитного слоя электродов. Изменение температуры охлаждающей жидкости ДВС с момента его запуска приведено на рис. 12.
Реакции на богатые и бедные смеси различаются очень сильно (рис. 13), но при падении температуры ниже 300 °С разница постепенно уменьшается - эта зона уже нерабочая.
Чувствительный элемент датчика кислорода находится в потоке ОГ. Для работы Л-зонда этот элемент датчика должен иметь температуру более 150 °С. Включение подогревателя обеспечивает реле электробензонасоса. На вход Л-зонда ЭБУ подает опорное напряжение 0,45 В. При достижении рабочей температуры сигнал с ДК изменяется в пределах 0,1.0,8 В в зависимости от состава ОГ. Отсутствие 02 в ОГ (результат сгорания богатой смеси) вызывает появление на выводах напряжения низкого уровня 0,1.0,2 В.
Циркониевый элемент становится токопроводящим для ионов кислорода, начиная с температуры 300 °С. Диоксид циркония при высокой температуре приобретает свойство электролита, а датчик становится гальваническим элементом.
ЭБУ начинает работать по усредненным параметрам, записанным в его памяти. В результате появится повышенный расход топлива, неустойчивая работа двигателя на холостом ходу, увеличение содержания СО в ОГ, снижение динамических характеристик, но машина при этом остается на ходу.
При сгоревшем или отключенном Л-зонде содержание СО в ОГ возрастает на порядок - от 0,1.0,3 до 3.7 % - и уменьшить его не всегда удается, так как запаса хода винта может не хватить. В автомобилях, система коррекции которых имеет два кислородных датчика, распознавание отказа имеет сложный характер. В случае отказа второго Л-зонда или нарушения герметичности секции катализатора добиться нормальной работы двигателя практически невозможно.
1000
%
==г 800
1 600 I 400
| 200
1 *
;
ЮО 200 300 ш 500 600 Тетерсщра датчика кислорода °С
Рис. 13. Зависимость выходного сигнала зонда от температуры: 1 - реакция на богатые смеси; 2 - реакция на бедные смеси
Титановые Л-зонды от циркониевых легко отличить по цвету на-кального вывода подогревателя - он всегда красный. При замене трехконтактного Л-зонда на четырехконтактный необходимо надежно соединить с корпусом автомобиля провод заземления подогревателя и сигнальный «минус», а подогреваемый провод датчика через реле и предохранитель необходимо подключить к «плюсу» аккумулятора.
Датчик Л-зонда - наиболее уязвимый элемент автомобиля с системой впрыска. Плохое состояние маслосъемных колец, попадание антифриза в цилиндры и выпускные трубопроводы,обогащенная топлив-но-воздушная смесь, сбои в системе зажигания сильно сокращают срок его службы. Применение этилированного бензина категорически недопустимо - свинец «отравляет» платиновые электроды Л-зонда за несколько бесконтрольных заправок. Перегрев или плохие контакты в электропроводке также отрицательно сказываются на его долговечности. Срок службы кислородного датчика составляет 60.80 тыс. км, а каталитического нейтрализатора - 150 тыс. км.
Датчик, установленный перед катализатором, измеряет содержание кислорода в ОГ даже при удалении катализатора. Он будет продолжать измерять параметры как при наличии, так и при отсутствии катализатора и не будет влиять на сигналы Л-зонда. На показатели влияет только количество кислорода в ОГ.
Современные конструкции Л-зон-дов отличаются резьбовой частью, наличием подогрева, числом проводов и соединительным разъемом. Если у датчика три провода и резьба 18x1,5 мм, то он является полностью заменяемым.
/пер, ГЦ
Рис. 14. Осциллограмма основного (а) и дополнительного (б) Х-зондов
Предложена технология контроля датчика кислорода в эксплуатации при достижении им рабочей температуры (350±50 °С) с использованием газоанализатора, осциллографа (рис. 14), цифрового вольтметра и омметра.
Неисправности кислородного датчика сопровождаются потерей приемистости двигателя и ухудшением его динамики. Одновременно наблюдается повышенный расход топлива, неустойчивая работа двигателя на малых оборотах, сопровождающаяся горением или миганием контрольной лампы (СИескЕпдте) при установившемся режиме двигателя. Работоспособность Л-зонда проверяют с помощью осциллографа или Л-тестером. Подобный метод встречается редко на отечественных автосервисных предприятиях, но он более точен при диагностировании кислородного датчика.
Таким образом, разработан метод расчета и выбора основных параметров кислородного датчика, обеспечивающего высокую точность приготовления горючей смеси и контроля эффективности работы каталитического нейтрализатора. Предложенная конструкция датчика кислорода
обладает высоким уровнем технических решений.
Основные контролируемые параметры разработанного Л-зонда: при значении Л=0,9 (обогащенная горючая смесь) напряжение на сигнальном выводе должно быть не менее 0,65 В; при значении Л=1,1 (обедненная горючая смесь) напряжение на сигнальном выводе должно быть не менее 0,25 В; продолжительность срабатывания при обедненной горючей смеси - не более 250 мс; продолжительность срабатывания при обогащенной смеси - не более 450 мс; сопротивление при температуре 350±50 °С - не более 10 кОм.
Литература
1. Ерохов В.И. Системы впрыска бензиновых двигателей (конструкция, расчет, диагностика), учеб. для вузов.
- М.: Горячая линия, 2011. - 567 с.
2. Двигатели на природном газе с блоком управления EGCA. Электрооборудование. Фирма MAN Truck Bus Aktiengtseltschaft, 2011. - 166 с.
3. Лещенко В.П. Кислородные датчики. - М.: Легион-Автодата, 2003.
- 112 с.
НИ ЙЯЯВВР Л Фв вя# J^tefet Щ фЩ
«Транспорт на альтернативном топливе» № 6 (36), декабрь 2013 г.
