Датчики состава выхлопных газов

Процесс сжигания топлива описывается уравнением:

C_mH_n + (m + n/4)О₂ = mCO₂ + (n/2)Н₂О

В идеальном случае, когда состав ТВ-смеси стехиометрический (λ=1), при сжигании 1 кг (1 л) топлива и 14,7 кг (10 м³) воздуха образуются вода и двуокись углерода. Эти вещества нетоксичны. Но даже при стехиометрическом составе ТВ-смеси ее сгорание осуществляется не полностью и образуются токсичные вещества. Сгорание богатой смеси (λ < 1) приводит к появлению избыточного количества СО, Н₂ и СН, бедные смеси (λ > 1) приводят к образованию NO_X, О₂. На современных автомобилях вредные компоненты выхлопных газов нейтрализуются. Почти любая система нейтрализации содержит в своем составе датчик (или два датчика) концентрации кислорода, который в англоязычной литературе называется лямбда-зондом (λ-зонд).

Циркониевые и титановые датчики концентрации кислорода в выхлопных газах

В современных автомобильных двигателях, снабженных каталитическими нейтрализаторами, важно точно контролировать состав ТВ-смеси и поддерживать коэффициент избытка воздуха близким к единице. Для этого применяются датчики кислорода, устанавливаемые в системе отвода выхлопных газов и вырабатывающие сигнал, зависящий от концентрации кислорода в выхлопе. Этот сигнал используется в ЭБУ двигателя для коррекции длительности открывания форсунок, чем обеспечивается поддержание стехиометрического состава ТВ-смеси.

В таких случаях используются циркониевые и титановые датчики кислорода, которые реагируют на изменение содержания свободного кислорода в выхлопных газах скачкообразным изменением выходного сигнала в диапазоне значений 0,99...1,01 для коэффициента λ.



Бортовые диагностические автомобильные системы второго поколения OBD-II должны осуществлять постоянный мониторинг узлов, выход из строя которых приведет к увеличению выбросов токсичных веществ. Прямое измерение концентрации СО, СН и NO_X в выхлопных газах на серийных автомобилях экономически нецелесообразно. Вместо этого применяется система нейтрализации с двумя датчиками кислорода. Второй датчик кислорода устанавливается на выходе нейтрализатора и контролирует его исправность (рис. 2.16).



Система управления подачей топлива в двигатель является релейным стабилизатором стехиометрического состава ТВ-смеси, который (состав) колеблется около стехиометрического значения с частотой 4...10 Гц. Колебания отслеживаются первым, входным по отношению к каталитическому нейтрализатору, датчиком кислорода. Сигнал с первого датчика изменяется между значениями 0,1...0,9 В с частотой 4...10 Гц (в соответствии с изменениями концентрации кислорода в выхлопных газах). В исправном нейтрализаторе избыточный кислород участвует в химических реакциях, его концентрация в выхлопных газах уменьшается и в выходном сигнале второго датчика кислорода на выходе нейтрализатора практически нет колебаний (поз. 2 на рис. 2.17). Чем более засорен или отравлен -нейтрализатор, тем более похожи сигналы входного и выходного датчиков (поз. 1 и 3 на рис. 2.17).

Датчики кислорода для двигателей, работающих на обедненных смесях

Ужесточение требований к уменьшению количества токсичных веществ, выбрасываемых в атмосферу с выхлопными газами автомобиля, в частности возможное нормирование в ближайшее время содержания CO₂, а также повышение требований к топливной экономичности делают необходимым применение двигателей, более эффективно использующих топливо. Потенциально таким требованиям отвечают двигатели, работающие на обедненных смесях. Использование рабочих смесей с соотношением воздух/топливо 16:1...25:1, когда имеет место активное выгорание избыточного кислорода, может дать экономию топлива по меньшей мере на 10% и значительное уменьшение содержания NO_X и CO в выхлопных газах.

В двигателе, работающем на обедненной ТВ-смеси, требуется более точное регулирование ее состава и более мощная искра зажигания. Уже имеются такие автомобильные двигатели, выпускаемые серийно (например, на японских автомобилях Honda VTEC-E и Toyota Carina-E). Эти двигатели используют рабочие смеси с соотношениями воздух/топливо порядка 22:1, отвечают требованиям по экологии в Европе и США и обеспечивают экономию топлива до 25%. Необходимым элементом системы автоматического управления таким двигателем является аналоговый датчик кислорода с выходным сигналом, меняющимся не скачкообразно, а плавно в пропорции с содержанием кислорода в выхлопных газах (рис. 2.18).





Аналоговый датчик кислорода для двигателей с обедненными рабочими смесями является модернизацией обычного циркониевого датчика. Помимо обнаружения точки стехиометрического состава ТВ-смеси он способен выдавать рабочий сигнал, пропорциональный изменению соотношения воздух/топливо в ТВ-смеси от очень обогащенного (10:1) до очень обедненного (35:1).Конструкция одного из типов таких датчиков кислорода показана на рис. 2.19. Датчик выполнен из циркониевой керамики с платиновыми электродами. Он состоит из двух ячеек для перемещения ионов кислорода: ячейки I_p, куда закачиваются ионы кислорода, и ячейки V_s для обнаружения ионов кислорода. Через ячейку V_s проходит небольшой стабилизированный ток I_ср, переносящий ионы кислорода вправо и тем самым поддерживающий камеру О₂ заполненной кислородом. Содержание кислорода в этой камере является эталонным количеством для датчика. Выхлопные газы поступают в измерительную камеру, и на электродах ячейки V_s образуется падение напряжения, пропорциональное концентрации кислорода в выхлопе. Электронная схема формирует ток I_p через электроды ячейки, вызывая генерацию и перемещение ионов кислорода из атмосферного воздуха, поддерживая напряжение V_s на одном и том же уровне 0,45 В. Таким образом ток I_р становится мерилом соотношения воздух/топливо для рабочей смеси и формирует выходной аналоговый сигнал датчика в виде напряжения U_вых.

Влияние различных факторов на характеристики датчиков кислорода

При появлении некоторых веществ в выпускном коллекторе происходит изменение статических характеристик датчика кислорода (отравление) и преждевременный выход его из строя. Чаще всего это свинец (Pb) из этилированного бензина или кремний (Si) из силиконовых герметиков (рис. 2.20).



Кроме того, на динамические характеристики системы управления двигателем влияет конструкция датчика кислорода, его расположение, техническое состояние. Без защитного колпачка датчик на основе ZrO₂ способен переключаться за время менее 10 мс при температуре керамики 900°C. Большинство систем управления двигателем не нуждаются в таком быстродействии, и оно ограничивается.



Датчик кислорода размещается на расстоянии 0,2...2 м (обычно 1 м) от выпускных клапанов, чтобы газы из всех цилиндров равномерно перемешивались, а транспортное запаздывание не было слишком большим. Запаздывание составляет от 500 мс на холостом ходу до 20 мс под нагрузкой.

Газоанализаторы

Газоанализаторы предназначены для определения параметров выхлопных газов в стационарных условиях на испытательном стенде.

Статья скопирована с ресурса: ladaman

Как правило, определяют содержание следующих газов в выхлопе автомобиля: окиси углерода СО, двуокиси углерода CO₂, углеводорода СН, кислорода О₂. Газоанализатор выполняется в виде отдельного модуля с собственным дисплеем, но может подключаться через последовательный порт и к компьютерному мотор-тестеру. Помимо концентрации СО, CO₂, СН, О₂ газоанализатор может определять коэффициент избытка воздуха λ, и соотношение воздух/топливо. Показания могут сниматься до и после каталитического нейтрализатора. В табл. 2.10 значения, полученные с помощью газоанализатора для современного двигателя в отличном состоянии.

Таблица 2.10

	СО, [%]	НС, [млн⁻¹]	О2, [%]	CO₂, [%]	λ	Возд./топл.
До нейтрализатора	0,6	120	0,7	14,7	1,0	14,7
После нейтрализатора	0,2	12	0,1	15,3	1,0	14,7

Содержание окиси углерода, двуокиси углерода, углеводов определяется инфракрасными методами, с использованием свойств различных газов по-разному поглощать инфракрасное излучение. Содержание кислорода определяется электрохимическими методами, используется устройство, аналогичное датчику кислорода.

Рассмотрим схему измерения концентрации газа CO (рис. 2.21). Инфракрасный излучатель нагревается примерно до 900°C. Его лучи направляются рефлектором через вращающийся диск с отверстиями и далее через измерительную камеру в приемную камеру. В приемной камере, состоящей из двух герметичных полостей (1 и 2), которые сообщаются между собой по соединительному каналу, содержится определенная концентрация газа СО. Газ в приемной полости 1 поглощает инфракрасное излучение, его температура увеличивается и часть газа переходит в полость 2, что фиксируется расходомером. Вращение диска с отверстиями модулирует поток инфракрасного излучения, в результате газ в приемной камере периодически нагревается и охлаждается. Показания расходомера, фиксирующие переход газа CO из полости 1 в полость 2 и обратно представляют собой периодический разнополярный сигнал в виде напряжения. При введении в измерительную камеру выхлопных газов, содержащих СО, часть излучения в диапазоне, характерном для окиси углерода, будет поглощена и выходное напряжение расходомера изменится пропорционально содержанию CO в выхлопе.





По такой же методике определяют содержание СН и CO₂. В новейших газоанализаторах определяется и концентрация окислов азота NO_X.