Закрыть
Войдите используя аккаунт ДП:
Запомнить меня
Вы можете войти как участник:

Мы вышлем его на почту:

Кислородные датчики. Часть 1.

12.07.11

При сгорании топлива, наряду с безвредными продуктами, такими, как вода, углекислый газ или азот, также образуются опасные вещества: угарный газ, оксиды азота и углеводороды.

Уже многие годы политика и промышленность борются против выбросов вредных веществ. Так, уже с конца 80-х годов каждый новый автомобиль с двигателем, имеющим принудительное зажигание, снабжён регулируемым катализатором, снижающим выделение вредных веществ.

Выполнение этой задачи поддерживается, среди прочего, кислородным датчиком. Он гарантирует катализатору оптимальные условия эксплуатации.

Рост числа автомобилей с регулируемыми катализаторами.

Из приблизительного количества 162 миллиона зарегистрированных в Европе автомобилей, имеющих двигатель с принудительным зажиганием, на сегодняшний день уже 135 миллионов оснащены регулируемым катализатором. К тому же, всё больше новых мотоциклов снабжаются катализатором. Поскольку для них также установлены предельные значения и предписан регулярный анализ отработавших выхлопных газов.

Эффективная очистка отработавших газов с помощью инновативной техники.

Уже в 80-е годы компания NGK, разработавшая кислородные датчики марки NTK, стала пионером в этой области. То, что очистка отработавших выхлопных газов стала с тех пор более эффективной, не в последнюю очередь, заслуга передовой технологии и неустанных исследований.

Например, применение в кислородных датчиках высокоэффективного керамического нагревателя позволяет очень быстро достигать готовности к эксплуатации. Керамические детали постоянно совершенствуются с целью обеспечения ещё лучшего результата измерения и соблюдения строгих европейских норм. Дополнительно были разработаны другие типы датчиков для специального назначения, такие, как кислородные датчики, электрическое сопротивление которых изменяется в зависимости от состава смеси или широкополосные датчики.

Основные сведения об отработавших газах

При сгорании различных типов топлива возникают отработавшие газы, которые содержат как безвредные, так и опасные вещества. Для снижения содержания вредных веществ применяется катализатор. Предельные значения содержания вредных веществ в выбросах указаны в так называемым  европейских нормах.

Для обеспечения оптимальных условий эксплуатации катализатора в автомобилях имеется, как минимум, один кислородный датчик. Он регулирует идеальное соотношение смеси воздуха и топлива. Потому что только в идеальной смеси ("стехиометрический диапазон") катализатор может конвертировать почти все вредные газы.

Отработавшие газы и вредные вещества

Отработавшими газами называют газообразные отходы, образующиеся в процессе сгорания. В случае с двигателями внутреннего сгорания укоренилось понятие "отработавший газ".

Моторный отработавший газ, наряду с безвредными продуктами, такими, как водяной пар, углекислый газ и азот, содержит также опасные для человека и/или окружающей среды вещества: угарный газ (CO), углеводороды (HC) и оксиды азота (NOx).

Эти вредные вещества представляют собой только малую часть от общего объёма выбросов современного двигателя. Всего 1,1 % в двигателе с принудительным зажиганием и 0,2 % в дизельном двигателе. Большую часть отработавших газов составляют азот, вода и углекислый газ.

Тем не менее, важно, чтобы обезвреживалось даже сравнительно небольшое количество вредных веществ. Чтобы значительно снизить содержание этих вредных веществ, был разработан Трёхходовой катализатор.

Угарный газ (CO)

Угарный газ (также называемый моноксидом углерода) - это газ без цвета, запаха и вкуса. Соединение из углерода и кислорода возникает при неполном сгорании углеродосодержащих субстанций и представляет собой сильное удушающее отравляющее вещество. При вдыхании этот газ проникает в кровь и препятствует связываю кислорода красными кровяными тельцами. При концентрации угарного газа во вдыхаемом воздухе всего 1,28 процента, в течение 1-2 минут наступает смерть от удушья.

Угарный газ тяжелее, чем воздух и скапливается вблизи пола. В закрытых автопарковках концентрация этого газа может быть довольно высокой. Здесь часто устанавливают специальные датчики, измеряющие содержание CO в воздухе.

При наличии небольшой концентрации в воздухе - от 70 до 100 ppm (ppm = parts per million = частей на миллион) - отмечаются симптомы, напоминающие простуду. От 150 до 300 ppm - появляется тошнота, головокружение и рвота. От 400 ppm - потеря сознания, с поражением мозга и смерть. Здоровые взрослые люди переносят до 50 ppm в течение длительного времени, у детей и больных людей уже при этой концентрации может возникнуть недомогание.

Углеводороды (HC)

Углеводороды - это химические соединения, состоящие только из углерода (C) и воды (H). Они присутствуют в нефти, природном газе и угле в большом количестве, там они представляют собственно "энергоноситель". Некоторые соединения углеводородов вызывают рак.

Под воздействием солнечного света углеводороды и оксиды азота превращаются в озон. Это опасное, вредное вещество, раздражающее слизистые, вызывающее головные боли и тошноту, находится в нижних слоях атмосферы. С 1995 года озон считается "веществом, доказанно вызывающим рак". Высокая концентрация озона в воздухе приводит к серьёзному нарушению вегетации.

Оксиды азота (NOx)

Оксиды азота (или окислы азота) - это газообразные оксиды азота (N). Для обозначения используется аббревиатура NOx, поскольку существует множество возможных соединений, с различным количеством атомов: N2O, NO, N2O3, NO2 и т.д.

Если эти оксиды вступают в реакцию с водой (также в виде тумана), образуются кислоты, раздражающие слизистую и частично способные вызвать поражение лёгких. Единственное исключение: называемый "веселящим газом" монооксид азота (N2O). Это парниковый газ, он разрушает защитный озоновый слой в верхних слоях атмосферы.

 

 

Вредные вещества в двигателе с принудительным зажиганием

Вредные вещества в дизельном двигателе 

 

Евро-нормы

Так называемые Евро-Нормы (классы токсичности) устанавливают предельные значения для выброса вредных веществ новых автомобилей. При налогообложении автомобиля важную роль играет выброс вредных веществ. Поскольку ставка налога ориентируется по классификации различных Евро-норм. В разрешение на право пользования транспортным средством внесён учётный шифр, сообщающий классификацию автомобиля в отношении выброса вредных веществ.

Законодательные предписания становятся всё строже: Европейский парламент снова установил новые предельные значения для выброса вредных веществ автомобилями. 1 сентября 2009 года вступила в силу норма Euro 5. Одновременно ЕС уже установила стандарты для автопромышленности в смысле Euro 6 (с 2014 года).

 

Эмиссионные показатели для автомобилей с двигателем, имеющим принудительное зажигание.

 

Эмиссионные показатели для автомобилей с дизельным двигателем.

 

Действующие предельные значения, 2-колёсный транспорт.

Катализатор

В химии катализатором является вещество, влияющее на скорость реакции, не расходуясь при этом. В автомобильных катализаторах тоже происходят реакции. Различают регулируемые и нерегулируемые катализаторы. Химические процессы, протекающие в них, идентичны.

Внутри катализаторов находятся благородные металлы платина, родий и палладий. Как только вредные вещества угарный газ, углеводород и оксид азота вступают с ними в контакт, они молниеносно преобразуются:

- Угарный газ и углеводороды становятся водой и углекислым газом (окисление).
- Оксиды азота превращаются в азот, кислород и углекислый газ (раскисление).

Поскольку речь идёт о преобразовании трёх групп вредных веществ, говорят о трёхходовом катализаторе. Современные, регулируемые катализаторы достигают раскисления вредных веществ более, чем на 95 процентов.

Катализатор, регулируемый
Чтобы катализатор мог преобразовать как можно больше вредных веществ, необходимо специальное соотношение воздуха и топлива в двигателе. При этом 14,7 кг воздуха должно приходиться на 1 кг бензина. Теперь в дело вступает кислородный датчик: Вместе с управлением двигателя датчик образует Контур регулирования, который следит за тем, чтобы всегда сжигалась только эта Идеальная смесь. Поэтому говорят о катализаторе с "лямбда-регулированием" - т.е., о регулируемом катализаторе.

Катализатор, нерегулируемый
В начале 80-х годов стали применяться нерегулируемые катализаторы. Они работают не так эффективно и постоянно, как регулируемые катализаторы, поэтому двигатель чаще отклоняется от идеального соотношения воздуха и топлива.

 

Положение монтажа кислородного датчика

Как правило, считается: Чтобы катализатор действовал оптимально, соотношение воздуха и топлива в камере сгорания должно быть точно согласовано. Важную роль в этом играют кислородные датчики.

Современные автомобили имеют минимум два кислородных датчика. Один регулирующий датчик расположен перед катализатором и - с момента введения бортовой диагностики On-Board (OBD) - один диагностический датчик находится за катализатором.

Контур регулирования Лямбда

Регулирующий датчик измеряет количество остаточного кислорода в ещё не обработанном выхлопном газе. При этом генерируется сигнал датчика, привлекающий управление двигателя (также называемое "ECU" = "Engine Control Unit") для изменения с помощью карбюратора состава смеси.

Диагностирующий датчик измеряет количество остаточного кислорода в обработанном выхлопном газе. Посредством сигнала этого датчика управление двигателя распознаёт отклонения в работе, связанные с выхлопами, и генерирует соответствующее сообщение для водителя.

Идеальная смесь

Идеальное соотношение воздуха и топлива в двигателе с принудительными зажиганием составляет 14,7 кг воздуха на 1 кг топлива. Её называют "стехиометрической смесью". При этом количество воздуха, поступившее при сгорании, точно соответствует теоретической потребности в воздухе.

Идеальное состояние смеси обозначается греческой буквой лямбда (λ). Только, если это соотношение имеется в наличии, тогда гарантировано полное сгорание и катализатор может почти полностью преобразовывать опасные выхлопы в безвредные газы. Величина лямбда соответствует 1.

Сегодня почти все, работающие на бензине, двигатели с принудительным зажиганием эксплуатируются на этой смеси. При других типах топлива соотношение воздуха и топлива меняется.

 

 

Коэффициент избытка воздуха

Конечно, существуют также и рабочие состояния за пределами лямбда = 1. Так называемый коэффициент избытка воздуха содержит информацию о текущем соотношении смеси воздуха и топлива.

Если, например, в смеси содержится больше топлива, то это насыщенная смесь – двигатель работает с недостатком воздуха. Коэффициент избытка воздуха составляет лямбда < 1.

Если топлива сравнительно мало и относительно много воздуха, то это обеднённая смесь. В камере сгорания имеется излишек воздуха. Соответствующий коэффициент избытка воздуха составляет лямбда > 1.

Так называемый коэффициент избытка воздуха содержит информацию о текущем соотношении смеси

Топливо

Топливо или горючее представляет собой химические соединения, при сгорании которых высвобождается энергия, используемая для генерирования привода. Область применения - средства передвижения, четырёх- и двухколёсные, а также самолёты и суда. Широко распространено топливо для карбюраторных двигателей, дизель, LPG (сжиженный углеводородный газ) и природный газ.

 

Топливо для карбюраторных двигателей

Топливо для карбюраторных двигателей - это топливо для двигателей с принудительным зажиганием. Сегодня в обиходе используется слово бензин, хотя "автомобильный бензин" было бы более правильно. Бензин, который автоводители заливают на автозаправках, дистиллируется из сырой нефти. Произведённое таким путём базовое топливо имеет октановое число всего от 50 до 70 ROZ. Для современных двигателей необходимы октановые числа от 95 ROZ. Поэтому базовое топливо из сырой нефти "улучшается" путём добавления других химических соединений с высокой детонационной стойкостью.

Ещё предлагающейся в Германии обычный бензин с октановым числом 91 ROZ в других странах уже пропал с рынка. Однако, следует ожидать, что марки Super и Super Plus (95 ROZ или 98 ROZ) вытеснят обычный бензин.

Дизельное топливо

Дизельное топливо, называемое также дизелем или дизельным моторным маслом, представляет собой смесь из различных углеводородов и изготавливается из газойля, добываемого из сырой нефти путём дистилляции. Своё название топливо получило в честь Рудольфа Дизеля, изобретателя дизельного двигателя. Дизель и экстра-лёгкий мазут (EL) имеют аналогичные характеристики разгонки, поэтому они взаимозаменяемы в технически простых машинах. До 90-х годов оба топлива даже были идентичны, только мазут окрашивался в красный цвет, поскольку по причинам управления его нельзя использовать в дизельном двигателе. Для современных двигателей это уже не подходит, поскольку мазут содержит до 2000 мг/кг серы, а дизель почти 10 мг/кг. Сегодняшние двигатели и системы очистки ОГ были бы серьёзно повреждены мазутом.

Также, как и в двигателе с принудительным зажиганием, в базовое топливо дизель добавлены присадки для ускорения воспламенения. Они повышают воспламеняемость топлива, которая указывается в цетановом числе. Дизель с высоким цетановым числом имеет короткий промежуток времени между впрыскиванием и самовоспламенением топлива.

Как правило, дизель содержит больше тяжёлых компонентов, чем бензин. Из-за дизеля усиленно образуется копоть, данное топливо способствует осаждению тонкой пыли в районах городских аггломераций - поэтому были разработы пылевые дизельные фильтры и обозначены экологически защищённые зоны. Конечно, особые требования предъявляются также к двигателю и свечам накаливания.

Сжиженный углеводородный газ (LPG - Liquified Petroleum Gas)

LPG является смесью газов (бутан/пропан) и называется сжиженным газом или автомобильным газом. Он становится всё более популярным в качестве альтернативного топлива для карбюраторных двигателей. Данное топливо сгорает экологически чище, чем бензин и поэтому меньше облагается налогом. Выброс вредных веществ, в частности, оксидов азота, составляет всего одну пятую сгорания бензина. Выброс O2 меньше на 15 процентов, а несгоревших углеводородов меньше на половину.

Уже 7 миллионов автомобилей в Европе переоборудованы на эксплуатацию на бензине и сжиженном газе. В этом случае к двигателю и зажиганию предъявляются особые требования. Поскольку LPG сгорает при более высокой температуре, необходимы более стойкие и качественные свечи зажигания. С другой стороны, это топливо обладает более высокой детонационной стойкостью, чем бензин - его труднее воспламенить. Поэтому рекомендуется применение свечей зажигания из благородного металла, поскольку для них требуется пониженное напряжения зажигания.

Природный газ (Compressed Natural Gas, CNG)

Природный газ - это горючий газ, добываемый из подземных месторождений и является, так сказать, побочным продуктом при добыче нефти. В его основной составной части содержится метан, а также часто присутствует много углеводородов.

Поскольку природный газ содержит меньше загрязнений, чем горючие ископаемые, он сгорает чище. Поэтому это топливо пользуется налоговыми льготами. С середины 90-х годов автомобильная промышленность серийно производит модели на природном газе, однако, сеть специализированных заправок в Германии довольно слабо развита. В октябре 2007 насчитывалось около 760 заправок.

Октановое число
Октановое число обозначает детонационную стойкость топлива для карбюраторных двигателей. В свою очередь, детонационная стойкость является свойством топлива, выражающееся в том, что топливо не может неконтролированно сгорать вследствие самовоспламенения (т.е. "детонировать"), а возгорается под воздействием искры зажигания, впрыскивания или компрессии.

Экономия топлива

Сколько топлива потребляет Ваш автомобиль, зависит от Вас. Если соблюдать пару основных правил, можно легко снизить потребление топлива автомобилем. Попробуйте и Вы будете удивлены.

 

10 наиболее важных советов по экономии топлива:

- Не разогревайте двигатель - начинайте движение сразу после запуска двигателя и после прохождения расстояния, равного одной длине автомобиля, переключайтесь на вторую передачу.

- Езжайте всегда на возможно более высокой передаче. Как правило, на скорости 30 можно переключаться на третью передачу, при 40 на на четвёртую, а при 50 - на пятую передачу. Движение с малым числом оборотов не вредит двигателю.

- При ускорении не повышайте передачи. Переключайтесь заблаговременно и добавьте больше газа.

- Не гоните по автомагистрали - при скорости более 100 километров в час потребление топлива резко увеличивается. Равномерное движение при скорости между 100 и 130 км/ч позволяет избежать частого торможения и ускорения, таким образом, снижая потребление топлива вдвое.

- Двигаясь под уклон, не давите на газ. Если из-за тормозного действия двигателя Вы двигаетесь слишком медленно, переключитесь на следующую передачу и используйте этот темп, насколько возможно.

- Отключайте двигатель не только на железнодорожных переездах, но и при длительном ожидании на светофоре. Уже начиная от 30 секунд Вы экономите топливо. (Внимание: Не отключать двигатель во время движения!)

- По возможности, откажитесь от дополнительного оборудования, например, кондиционера, а имеющееся оборудование используйте экономно.

- Проверьте свой багажник и выбросите лишний груз.

- Регулярно проверяйте давление шин. Ориентируйтесь на рекомендованное давление для полной загрузки.

- При следующей замене масла воспользуйтесь маловязким моторным маслом, при замене шин установите шины с пониженным сопротивлением качению.

Штекер для кислородных датчиков

Штекер связывает соединительные кабели кислородного датчика с кабелями электроники двигателя. Оригинальное исполнение штекерного соединения очень важно, поскольку сигнал кислородного датчика должен беспрепятственно переноситься на управление двигателя.

Электрический сигнал элемента датчика представляет собой малое напряжение между 0 и 1 В, с исчезающим измерительным током в несколько микроампер. Питание напряжением нагревательного элемента происходит чаще всего от напряжения аккумулятора (12 В), здесь протекают мощные потоки в много ампер, особенно при запуске двигателя и при холодном кислородном датчике.

Эту разницу должны компенсировать контактные детали штекера. По соображением надёжности контактные детали на контактной стороне часто покрываются золотом, а со стороны кабельного соединения - оловом. Контактные детали должны быть коррозионностойкими и надёжно переносить потоки различной силы.

 

Присоединение штекера и кабеля

Другим важным фактором является правильное соединение штекера с кабелем кислородного датчика.

Это выполняется с помощью так называемого "обжима", когда контактная деталь и кабель сжимаются специальным инструментом. При этом "высота обжима" имеет решающее значение для прочной посадки кабеля, а также для хорошой электропроводности.

Корпус штекера

Корпус штекера обеспечивает надёжное уплотнение против проникновения воды, а также предотвращает отсоединение штекерных контактов и разрыв штекерного соединения. При этом используется термопласт (пластик), который частично усилен стекловолокном для повышения прочности. Основные критерии здесь - хорошие механические и электрические характеристики, устойчивость против химикатов, стойкость против старения и высоких температур.

Почему нужен оригинальный штекер?

Ряд важных показателей может быть гарантирован только оригинальным штекером от производителя, который адаптирует свою продукцию к свойствам кислородных датчиков и к положению его монтажа.

Применение оригинальных штекеров, по сравнению с применением временных кабельных соединений или "старого штекера" при замене кислородного датчика имеет следующие преимущества:

- точная длина кабеля и простое присоединение к прибору управления двигателем
- не нужны дополнительные инструменты
- исключается перепутывание кабелей (макс. 4)
- надёжность, аналогичная состоянию нового автомобиля
- не нужны дополнительные рабочие узлы в автомастерской
- NGK/NTK применяет для всех кислородных датчиков только штекеры оригинального исполнения

 

  * * * * * 

Это материал был предоставлен для публикации  компанией NGK.

Уже в 80-е годы компания NGK, разработавшая кислородные датчики марки NTK, стала пионером в этой области. То, что очистка отработавших выхлопных газов стала с тех пор более эффективной, не в последнюю очередь, заслуга передовой технологии и неустанных исследований.

Понравилось?

Ликбез