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

Мы вышлем его на почту:

Кислородные датчики. Часть 3.

10.08.11

При сгорании топлива, наряду с безвредными продуктами, такими, как вода, углекислый газ или азот, также образуются опасные вещества. Снижение выброса вредных веществ является задачей катализатора, который с конца 80-х годов применяется в каждом новом автомобиле, имеющем двигатель с принудительным зажиганием, а также минимум один кислородный датчик. Датчик гарантирует оптимальные условия эксплуатации катализатора.

Катализатор и кислородный датчик - команда, обеспечивающая чистый воздух.

Регулируемые катализаторы снижают содержание вредных веществ в отработавшем газе более чем на 95 процентов. Поскольку они делают безопасными три вида вредных веществ: HC, CO и NOx, их называют также "3-ходовыми катализаторами".

Внутренность катализатора покрыта благородными металлами платина, родий и палладиум. На этих покрытиях происходят сложные химические реакции: угарный газ (CO) и углеводороды (HC) окисляются в воду (H2O) и углекислый газ (CO2). Оксиды азота (NOx) становятся азотом (N2), сокращается содержание кислорода (O2) и углекислого газа (CO2).

Задача кислородного датчика - также называемого лямбда-зондом - состоит в том, чтобы обеспечивать оптимальные условия эксплуатации. Поскольку, только если существует определённое соотношение смеси топлива и воздуха, тогда катализатор может преобразовать почти все вредные газы.

Современные автомобили имеют минимум два кислородных датчика: один регулируемый датчик перед катализатором и один диагностический датчик после катализатора. Они измеряют количество остаточного кислорода в отработавшем газе. С помощью этой информации управление двигателя может регулировать состав смеси.

Основной принцип действия кислородного датчика

В зависимости от доли остаточного кислорода в отработавшем газе, датчик производит разные сигналы. Управление двигателя интерпретирует эти сигналы и регулирует карбюратор. Построенная на этом основном принципе, техника кислородных датчиков постоянно развивалась. До сегодняшнего дня она гарантирует низкий выброс вредных веществ и обеспечивает эффективный расход, а также долговечность катализатора.

Технологии кислородных датчиков

Различают три типа кислородных датчиков. Датчики из диоксида циркония и диоксида титана называют также кислородными датчиками перехода или "бинарными" датчиками, поскольку сигнал датчика здесь колеблется между двумя величинами.

Третья группа - это так называемые широкополосные кислородные датчики. Их также называют "линейными" кислородными датчиками, поскольку они измеряют и воспроизводят текущий переход между различными состояними смеси.

Кислородный датчик из диоксида циркония

Этот кислородный датчик состоит из твердотельного электролита на основе диоксида циркония. Данный материал становится проводящим для ионов кислорода, начиная с температуры от 300 °C.

Посредством электродов, которые расположены на элементе на внутренней стороне (эталонный воздух / окружающий воздух) и на стороне отработавших газов (измерительный газ), измеряется содержание кислорода в отработавшем газе.

Выходной сигнал генерируется ионами кислорода, проходящими через элемент и стремящимися компенсировать разницу в количестве кислорода (перепад парциального давления кислорода).

Кислородный датчик из диоксида циркония отличается следующими свойствами:

  • быстрая готовность к эксплуатации
  • термостойкость
  • нечувствительность к гидроудару
  • невосприимчивость к токсичности
  • высокая надёжность

В зависимости от автомобиля, эти датчики применяются как регулирующие и как диагностирующие датчики.

Принцип действия кислородного датчика из диоксида циркония

Элемент датчика из диоксида циркония имеет пальцевидную форму и полый внутри. Внутренняя часть контактирует с окружающим воздухом. Наружная сторона находится в потоке отработавшего газа. Обе стороны покрыты тонким, пористым слоем платины, действующей как электрод.

Если кислородный датчик достигает рабочей температуры, ионы кислорода начинают движение в связи с различной концентрацией кислорода. Из наружного воздуха ионы кислорода двигаются в направлении отработавшего газа, чтобы компенсировать кислород.

Вследствие разницы потенциалов на платиновых электродах возникает электрическое напряжение (U). Если смесь обеднённая, сигнал датчика составляет около 0,1 Вольт. Если смесь богатая, то эта величина равна 0,9 Вольт. Если лямбда=1, происходит специфический скачок напряжения на 0,8 Вольт.

 

Расположение кабеля

Кислородные датчики из диоксида циркония марки NTK имеют до четырёх кабелей.

Ненагреваемые датчики с контактом массы над резьбой обходятся одним сигнальным кабелем чёрного цвета. Ненагреваемые датчики с собственным контактом массы для электрического оборудования автомобиля имеют дополнительный, измерительный кабель серого цвета.

Нагреваемые датчики имеют три или четыре кабеля. В этом случае тоже чёрный кабель всегда переносит сигнал датчика. Два белых кабеля предназначены для энергоснабжения нагревателя. Если соединение на корпус осуществляется не через резьбу, то дополнительно имеется серый измерительный кабель для электрооборудования автомобиля.

 

 

Кислородный датчик из диоксида титана

Кислородный датчик из диоксида титана также является датчиком перехода. Диоксид титана имеет специальную особенность: электрическое сопротивление изменяется пропорционально доле кислорода в отработавшем газе. Измеренное сопротивление сообщает информацию о том, в каком рабочем состоянии находится двигатель.

Кислородный датчик из диоксида титана отличается следующими свойствами:

  • прочный и компактный
  • высокая скорость реакции
  • не требуется эталонный воздух
  • быстрое достижение рабочей температуры

В зависимости от автомобиля, эти датчики применялись как регулирующие и как диагностирующие датчики. Сейчас эти устройства больше не используются в заводской комплектации.

Принцип действия кислородного датчика из диоксида титана

Элемент из диоксида титана изменяет своё электрическое сопротивление пропорционально частичному давлению кислорода в смеси газа. При высоком содержании кислорода (λ > 1) диоксид титана становится менее токопроводящим, при низком содержании кислорода (λ < 1) его проводимость увеличивается.

Если на элементе возникает напряжение, то выходное напряжение изменяется соответственно концентрации кислорода в отработавшем газе. Рабочая температура этих кислородных датчиков составляет  700 °C. Только начиная с 850 °C датчик может разрушиться.

Ещё одно преимущество этого типа датчиков: Датчику из диоксида титана не нужен наружный воздух в качестве эталона и поэтому он реже выходит из строя.

 

Расположение кабеля

Кислородные датчики из диоксида титана марки NTK всегда имеют четыре кабеля. Для всех типов сигнальный кабель (-) чёрный, сигнальный кабель (+) жёлтый и соединительный кабель для нагревательного элемента (-) белый.

Только по цвету кабеля для нагревательного элемента (+) имеется два разных варианта: На кислородных датчиках типа 1 этот кабель красный, на типе 2 - серый.

Широкополосный кислородный датчик

С появлением требований по снижению расхода и выбросов, возникла необходимость эксплуатировать двигатели с регулированием за пределами стехиометрической рабочей точки. Для этой цели и были разработаны так называемые широкополосные датчики.

Эти линейные кислородные датчики могут генерировать сигнал пропорционально содержанию остаточного кислорода в отработавшем газе. Этот сигнал имеется в наличии при широком соотношении воздуха и топлива.

Выходной сигнал соответствует току накачки, который необходим для регулировки постоянного содержания кислорода в измерительной камере (лямбда = 1 соответствует
450 мВ). Чем больше отклонение проникающего отработавшего газа от этой величины, тем больше ток накачки и, таким образом, выходной сигнал датчика.

Широкополосный кислородный датчик имеет следующие преимущества:

  • быстрая готовность к эксплуатации
  • монолитный элемент с встроенным нагревателем
  • герметичная структура означает самогенерированный эталон кислорода
  • термостойкость
  • высокая надёжность

Эти датчики применяются в бензиновых двигателях в качестве регулирующего датчика, а сейчас всё чаще применяются и в дизельных автомобилях

Принцип действия широкополосного кислородного датчика

Широкополосные датчики имеют две ячейки - измерительную ячейку и ячейку накачки. С помощью измерительной ячейки измеряется содержание кислорода в отработавшем газе, находящемся в камере детекции и затем сравнивается с заданной величиной 450 мВ.

Если эта величина отличается, то ячейка накачки включает ток накачки, при этом в камеру детекции поступают ионы кислорода до тех пор, пока величина напряжения измерительной ячейки не будет снова соответствовать 450 мВ.

Этот ток накачки является измерительной величиной, которая почти линейно описывает точную лябда-величину смеси. При стехиометрической смеси эта величина равна нулю, поскольку частичное давление кислорода в камере детекции соответствует упомянутой заданной величине.

Расположение кабеля

Широкополосные кислородные датчики NTK имеют пять кабельных соединений. Нагревательный элемент снабжается током через жёлтый и синий кабель. Сигнал тока накачки (Ip+) протекает через белый кабель, сигнал измерительной ячейки (Vs+) - через серый кабель. Чёрный кабель создаёт измерительное соединение для ячейки накачки и измерительной ячейки.

 

Специальные датчики

Для современного применения часто необходимы специальные типы датчиков. Бензиновые двигатели с непосредственным впрыскиванием, мотоспорт или двухколёсный транспорт ставят особые требования к технике выхлопных газов.

 

 

  * * * * * 

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