Диагностика. Датчики кислорода. Горный воздух

СО – окись углерода, угарный газ; СН – несгоревшие углеводороды; NOх – окислы азота. Инженеры противопоставили этой опасной троице очень важное устройство, входящее в систему выпуска, – каталитический нейтрализатор отработавших газов. Иначе говоря, газы, пройдя через это устройство, из агрессивно-токсичных превращаются в сравнительно безопасные, нейтральные. Чтобы нейтрализатор мог эффективно «облагораживать» поступающие в него газы, содержание каждого компонента в них должно укладываться в довольно узкие рамки, соответствующие сгоранию в цилиндрах стехиометрической рабочей смеси топлива и воздуха. Напомним, что ее состав характеризуется так называемым коэффициентом избытка воздуха l (иногда – в советской литературе, например, – вместо l писали другую греческую букву – a). Если l больше 1,0 – смесь обедненная, бедная и т.д. И наоборот – смесь с l меньше 1,0 – обогащенная, богатая и т.д. Если воздуха ровно столько, сколько требуется для полного сгорания топлива, смесь называют стехиометрической – на рис. 1 это область значений l вблизи 1,0.

Но как обеспечить столь высокую точность и одновременно стабильность топливодозирования? Известно, что карбюраторные моторы при всей их простоте по этому пункту не проходят.

Цель была достигнута с появлением электронной системы автоматического регулирования с датчиком кислорода в отработавших газах – по-другому, лямбда-зондом. Этот датчик – важнейший элемент обратной связи в системе топливодозирования на современных автомобилях, позволяющей поддерживать стехиометрический состав на установившихся режимах работы двигателя с точностью до ±1%.

[caption id="attachment_185708" align="aligncenter" width="150" caption="Рис. 2. Схема циркониевого датчика кислорода:

1 – труба выпускной системы;

2 – корпус датчика; 3 – контактные площадки;

4 – керамический защитный слой; 5 – внешний и внутренний электроды; 6 – керамическая основа (ZrO2 и Y2O3). US – выходное напряжен"]

[/caption]

На современных европейских автомобилях чаще всего можно увидеть датчики кислорода двух типов. К первому отнесем датчики на основе диоксида циркония (циркониевые), ко второму – датчики на основе оксида титана (титановые). Циркониевый зонд показан схематично на рис. 2. Измерительный элемент, помещенный в поток отработавших газов, генерирует ЭДС, зависящую от их состава. Эту зависимость иллюстрирует рис. 3 – она имеет «триггерный» характер. Иначе говоря, ЭДС зонда чрезвычайно резко меняется вблизи значения l=1,0 рабочей смеси в цилиндре двигателя, реагируя даже на очень слабые колебания состава в сторону обогащения или обеднения. Собственно измерительный элемент – это трубочка с одним закрытым концом (пальчиковый тип – см. рис. 2) или пластинка (планарный тип). Принцип работы один, разница только в конструкции – в дальнейшем, чтобы не путаться, будем подразумевать пальчиковый тип.

Показанный на рис. 2 измерительный элемент (ИЭ) имеет напыление благородного металла – платины с внутренней и внешней сторон. Внутри же – «твердый электролит» (керамика) из смеси диоксида циркония ZrO2 и оксида иттрия Y2O3. Работает по принципу гальванического элемента с твердым электролитом: по достижении температуры 300–350°С керамика начинает проводить ионы кислорода. (Полезно помнить, что это минимально возможная температура функционирования ИЭ, тогда как при работе реального двигателя температура датчика около 600°С. Ограничена и максимальная рабочая температура – около 900–1000°С в зависимости от типа датчика, перегрев грозит его повреждением.)

Как же работает датчик кислорода? Очевидно, что при работе двигателя концентрация кислорода внутри выпускной системы и снаружи ее, в окружающем воздухе, совершенно разная. Вот эта разница и заставляет ионы кислорода двигаться в твердом электролите, в результате чего на электродах ИЭ появляется разность потенциалов – сигнал датчика кислорода.

Зависимость сигнала ИЭ от температуры показана на рис. 4: как видите, реакции на богатые и бедные смеси различаются очень сильно, но при падении температуры ниже 300°С разница постепенно уменьшается – эта зона уже нерабочая.

Чтобы датчик после пуска двигателя быстрей прогревался, его размещают возможно ближе к мотору, но все же с учетом ограничений по максимальной температуре. Особенно «критична» длительная езда с полной мощностью двигателя.

Современные датчики кислорода – с электроподогревом, которым управляет электронный блок управления двигателем, меняя ток нагревателя. (Соответственно, ЭБУ контролирует и исправность цепи нагревателя, что очень важно.)

А теперь – несколько слов о титановых зондах. В их работе используется свойство оксида титана изменять свое сопротивление в зависимости от концентрации кислорода. Этому датчику связь с наружным воздухом не требуется. Рабочая температура значительно выше, чем у циркониевого, – начинается с 500°С. Выходная характеристика – на рис. 5. Привлекает то, что сигнал этого датчика можно сразу (обойдясь без усиления) привязать к используемому в ЭБУ уровню +5 В.

Мы рассмотрели самые общие вопросы, касающиеся роли датчика кислорода. А как он выполняет свои функции в реальной жизни? Об этом – в следующей беседе.