Лямбда-зонд

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск
Oxygen sensor.gif

Лямбда-зонд (λ-зонд) — датчик кислорода (например: в выпускном коллекторе двигателя или дымоходе отопительного котла). Позволяет оценивать количество оставшегося несгоревшего топлива или кислорода в выхлопных газах.

LambdasondeRB.jpg

Лямбда-зонд порогового типа действует по принципу гальванического элемента/твердооксидного топливного элемента с твердым электролитом в виде керамики из диоксида циркония (ZrO2). Керамика легирована оксидом иттрия, а поверх неё напылены токопроводящие пористые электроды из платины, одновременно являющейся катализатором окислительно-восстановительных реакций. Один из электродов омывается горячими выхлопными газами, а второй — воздухом из атмосферы (предположительно, трубок подвода воздуха к обратной стороне реальных датчиков не обнаружено, окислителем в топливной ячейке может являтся сам оксид циркония или другая добавка, расходующийся при работе и ограничивающий срок службы датчика). Эффективное измерение состава отработавших газов лямбда-зонд обеспечивает после разогрева до определенной температуры (для автомобильных двигателей 300—400 °C). Только в таких условиях циркониевый электролит приобретает проводимость, а гальваническая ячейка начинает работать. Наличие в выхлопных газах не окисленного топлива ведет к появлению на электродах гальванической ячейки выходного напряжения. Широко распостранённое заблуждение, отразившееся в русско-язычном названии — «датчик кислорода». На деле лямбда-зонд вышеописанного типа является датчиком не сгоревшего топлива — при наличии в окружающих газах одновременно и топлива и кислорода в стехиометрической пропорции (например при отсутствии горения в ДВС или просто погружение подогретого датчика в несгоревшую стехиометрическую газовоздушную смесь) — вырабатывается напряжение, трактующееся как «избыток топлива» контроллером управления ДВС. При отсутствии не сгоревшего топлива с внутренней стороны датчика — даже при погружении в чистый кислород — ячейка не вырабатывает ЭДС, выходная разность потенциалов равна нулю. Если на внутреннем платиновом электроде присутствует несгоревшее топливо, то появляется разность потенциалов 0.5-1.0 Вольта. При достижении стехиометрического состава горючей смеси, концентрация не сгоревшего топлива в выхлопных газах значительно падает, что сопровождается скачкообразным изменением э.д.с. датчика, которая фиксируется высокоомным входом измерительного устройства (бортового компьютера автомобиля).

Первые «лямбда-зонды» были резистивными, то есть изменяли свое сопротивление. Современные датчики работают как пороговые элементы.

Сигнал используется системой управления для поддержания оптимального (стехиометрического, около 14,7:1) соотношения топливной смеси. В стехиометрии — λ = (реальное к-во воздуха) / (необходимое к-во воздуха).

  • λ=1 — стехиометрическая (теоретически идеальная) смесь;
  • λ>1 — бедная смесь;
  • λ<1 — богатая смесь (избыток бензина, воздуха не хватает для полного сгорания).

Поскольку некоторое количество кислорода должно присутствовать в выхлопе для нормального дожигания СО и СН на катализаторе, для более точного регулирования используют второй датчик, расположенный за катализатором.

O2SENSOR.png

Широкополосный лямбда-зонд[править | править вики-текст]

Разновидность кислородного датчика.

Wbo2.png

Основная разница зонда с широким диапазоном измерения (например LSU 4 от Bosch) по отношению к обычным λ-зондам — это комбинация сенсорных ячеек и так называемых накачивающих ячеек. Ячейки разделены диффузионным зазором шириной от 0,01 до 0,05 мм. Состав его газового содержимого постоянно соответствует λ=1, что для сенсорной ячейки значит напряжение в 450 милливольт. Содержание газа в зазоре и вместе с ним напряжение сенсора поддерживаются посредством различных напряжений, прикладываемых к накачивающей ячейке. При бедной смеси и напряжении сенсора ниже 450 милливольт ячейка выкачивает кислород из диффузионной полости. Если смесь богатая и напряжение лежит выше 450 милливольт, ток меняет свое направление, и накачивающие ячейки транспортируют кислород в диффузионные расщелины. При этом интегрированный нагревающий элемент устанавливает температуру области от 700 до 800 градусов. Датчик типа LSU при погружении в несгоревшую смесь, содержащую одновременно и топливо и кислород, будет указывать «избыток воздуха», в отличие от порогового, сигнал которого надо интерпретировать «избыток топлива».

При отказе датчика система переходит в аварийный режим без коррекции содержания воздуха в смеси.

Одной из основных причин отказа датчика в автомобиле (в России) являлось его «отравление» тетраэтилсвинцом. По мере перехода на качественный неэтилированный бензин эта проблема уходит в прошлое. Производитель заявляет больший срок службы широкодиапазонных датчиков в сравнении с пороговыми как в нормальных условиях, так и в условиях отравления свинцом. Однако длительная работа на богатых смесях с выделением сажи, длительное отсутствие управляющих сигналов на датчике — запрещены при эксплуатации, резко снижают срок службы широкодиапазонного датчика. Выходной сигнал широкодиапазонного датчика зависит от его контроллера управления, может быть токовым или потенциальным. Например, выходной ток контроллера широкополосного датчика Ipn и соответствующие значения λ[1]:

Ipn, мА −5.000 −4.000 −3.000 −2.000 −1.000 −0.500 0.000 0.500 1.000 1.500 2.000 2.500 3.000 4.000
λ 0.673 0.704 0.753 0.818 0.900 0.948 1.000 1.118 1.266 1.456 1.709 2.063 2.592 5.211

Примечания[править | править вики-текст]

Ссылки[править | править вики-текст]