Поток ионов в элементе Нернста
Для снижения токсичности отработавших газов двигатели современных автомобилей оснащаются системами, контролирующими количество сгораемого топлива. С помощью сигнала обратной связи лямбда-датчика они призваны поддерживать состав топливо-воздушной смеси как можно ближе к стехиометрическому значению, которое считается оптимальным соотношением воздуха и топлива. Теоретически при таком составе все топливо должно сгореть. Для бензиновых двигателей это соотношение составляет 14,7:1. При изменении режимов работы двигателя и движения данное соотношение также изменяется. Оно бывает больше или меньше значения 14,7:1. В автомобилях KIA применяются различные типы кислородных датчиков. Все типы датчиков можно разделить на две группы:
– узкодиапазонные кислородные датчики;
– широкодиапазонные кислородные датчики.
К датчикам первой группы относятся, например, датчики с циркониевым и титановым элементами. Широкодиапазонный кислородный датчик, также называемый датчиком состава топливовоздушной смеси, используется как с дизельными, так и с бензиновыми двигателями.
Работа всех кислородных датчиков основана на электрохимическом принципе — принципе Нернста.
Элемент Нернста
Немецкий физик Вальтер Нернст (25 июня 1864 г. – 18 ноября 1941 г.) разработал термодинамические принципы гальванических элементов. Эти принципы были положены в основу кислородного датчика. За эту работу в 1920 г. Нернсту была присвоена Нобелевская премия. Принцип Нернста: напряжение датчика зависит от температуры датчика и степени концентрации кислорода в эталонном воздухе и отработавших газах.
Поток ионов в элементе Нернста
На поверхности пористого платинового электрода, на которую воздействуют отработавшие газы, происходит каталитическая конверсия свободных молекул кислорода с участием угарного газа, углеводородов и водорода. Датчик измеряет количество кислорода, оставшегося после конверсии. Количество оставшегося кислорода зависит от значения лямбда отработавших газов. Для работы датчика с диоксидом циркония оксиды должны быть активными. Чтобы сделать оксиды более активными, а работу датчика более стабильной, диоксид циркония смешивается с оксидом иттрия и нагревается до 450C.
Иттриевая присадка
Благодаря иттриевой присадке на поверхности циркониевого кристалла образуются дефекты — поры. В твердой двуокиси циркония некоторые ионы Zr4+ замещаются ионами Y3+. В результате образуются свободные молекулы кислорода, что позволяет анионам оксида, О2-, переместиться в твердый электролит.
Кислородный датчик с циркониевым элементом плоского типа
Кислородный датчик с диоксидом циркония представляет собой гальванический кислородный элемент с твердым электролитом в виде непроницаемой керамической пластины с диоксидом циркония, стабилизированным оксидом иттрия. С одной стороны элемент подвергается воздействию окружающего воздуха, с другой — закрыт. На обеих сторонах керамического основания закреплены проницаемые платиновые электроды. Наружный платиновый электрод выполняет функцию катализатора, поддерживающего реакции в поступающих отработавших газах. Во избежание загрязнения в нем имеется пористый керамический слой. На внутреннюю сторону воздействует окружающий воздух, выполняющий роль эталона.
Работа датчика с циркониевым элементом основана на электрохимическом принципе, принципе Нернста. При нагреве керамического электролита до температуры 350°C и более он начинает пропускать ионы кислорода. Один пористый платиновый электрод подвергается действию окружающего воздуха, другой — отработавших газов, поэтому существует разница в количестве ионов с разных сторон электролита, которая должна устраниться. В результате данной разности образуется поток ионов из атмосферного воздуха через керамику в отработавшие газы. Он и образует измеряемое напряжение. Кислородные датчики с циркониевым элементом не определяют наличие кислорода. Они генерируют напряжение, соответствующее разности его количества в атмосферном воздухе и отработавших газах. По мере изменения количества остаточного кислорода (всегда меньшего, чем эталонного значение) в отработавших газах изменяется выходное напряжение датчика с 0 до 1 В. Стехиометрическому составу топливовоздушной смеси 14,7:1 соответствует выходное напряжение датчика 0,45-0,5 В. Крайне важно понимать, что даже самые небольшие отклонения от стехиометрического состава топливовоздушной смеси приводят к резкому изменению напряжения датчика, соответствующего либо обогащенной, либо обеденной смеси. Именно поэтому такие датчики называются узкодиапазонными. Они генерируют сигнал пропорционально содержанию кислорода в отработавших газах в пределах узкого диапазона вокруг стехиометрического значения.
Узкодиапазонный кислородный датчик представляет собой переключатель, изменяющий свой сигнал с низкого значения на высокое и наоборот при каждом отклонении состава топливовоздушной смеси от стехиометрического значения. Рассчитывая среднее значение множества сигналов, ЭБУ двигателя/ЭБУ силовой передачи (РСМ) регулируют продолжи-тельность впрыска, чтобы среднее значение напряжения находилось на уровне 0,45 В. Именно поэтому при некорректно работающем или даже неисправном кислородном датчике код DTC выводится не сразу. ЭБУ отслеживает работу датчика при замкнутом контуре управления в течение определенного промежутка времени, после чего он определяет, что выходное напряжение датчика не изменяется или изменяется недостаточно быстро в пределах установленного диапазона. На это может потребоваться 3 5 минут движения с постоянной скоростью. Постоянная скорость движения обеспечивает удержание замкнутого контура управления в течение достаточного времени для получения верного среднего значения. При движении с непостоянной скоростью, например по городу, контур управления ЭБУ меняется вследствие ускорения и замедления. В результате каждого такого изменения контура управления сбрасывается среднее значение.
Датчик состава топливовоздушной смеси
Одним из требований нового стандарта NLEV (National Low Emission Vehicle) и калифор-нийских стандартов LEV (Low Emission Vehicle), ULEV (Ultra Low Emission Vehicle) и SULEV (Super Ultra Low Emission Vehicle) является точный контроль состава топливовоздушной смеси. Новое поколение кислородных датчиков получило название «широкодиапазонных» лямбда-датчиков или «датчиков состава топливовоздушной смеси». Они обеспечивают точную информацию о составе смеси в широком диапазоне значения, начиная от значения лямбда 0,7 (11:1) и заканчивая одним воздухом. Широкодиапазонный кислородный датчик — это 5 контактный датчик. Он определяет содержание кислорода точно так же, как и обычный кислородный датчик. Датчик имеет новейшую планарную конструкцию со специальным двусоставным сенсорным элементом для измерения содержания кисло-рода в отработавших газах. По сравнению с кислородным датчиком с циркониевым или титановым элементом широкодиапазонный датчик измеряет состав топливовоздушной смеси в более широком диапазоне.
Опорный элемент
Опорный элемент действует как обычный кислородный датчик с циркониевым элементом. В зависимости от состава смеси он генерирует напряжение. Низкое напряжение = обедненная смесь, высокое напряжение = обогащенная смесь.
Воздух
Как и в кислородном датчике с циркониевым элементом, одна сторона опорного элемента контактирует с атмосферным воздухом.
Насосный элемент
В зависимости от направления тока насосный элемент может излучать лишний кислород или забирать кислород из отработавших газов. Целью является поддержание в диффу-зионной камере значения лямбда 1.
Цепь нагревательного элемента
Нагревательный элемент доводит температуру широкодиапазонного кислородного датчика до рабочего значения 700-800°C в течение 10 секунд.
Резистор
Все широкодиапазонные кислородные датчики калибруются по отдельности, резистор, изготовленный заодно с корпусом разъема, подгоняется лазером под данное значение.
Опорный элемент измеряет состав топливовоздушной смеси как узкодиапазонный кисло-родный датчик. Для более точного измерения в насосном элементе имеются подогреваемые катод и анод для всасывания кислорода из отработавших газов в диффузионную камеру между опорным и насосным элементами. Опорный и насосный элементы соединены между собой проводом таким образом, что для поддержания баланса внутри диффузионной камеры требуется ток определенной силы.
Обедненная смесь
При обедненной смеси опорный элемент вырабатывает напряжение менее 450 мВ (VS).
Цепь управления ЭБУ двигателя/ЭБУ силовой передачи (РСМ) подает на насосный элемент «положительный» ток (IP). Для поддержания значения лямбда 1 в диффузионной камере насосный элемент всасывает из нее лишний кислород. Блок РСМ рассчитывает стехиометрическое значение на основании силы и направления тока.
Обогащенная смесь
При обогащенной смеси опорный элемент вырабатывает напряжение более 450 мВ (VS).
Цепь управления блока РСМ подает на насосный элемент «отрицательный» ток (IP). Для поддержания значения лямбда 1 в диффузионной камере насосный элемент всасывает кислород из отработавших газов и нагнетает его в диффузионную камеру. Блок РСМ рассчитывает стехиометрическое значение на основании силы и направления тока.
|
| Категория: Кислородные датчики и каталитический нейтрализатор | Добавил: admin (06.11.2016)
|
| Просмотров: 2215
| Рейтинг: 0.0/0 |
|
