Лямбда-зонд

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

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

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

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. Эффективное измерение состава отработавших газов лямбда-зонд обеспечивает после разогрева до определенной температуры (для автомобильных двигателей 300—400 °C[источник?]). Только в таких условиях циркониевый электролит приобретает проводимость, а гальваническая ячейка начинает работать. Для работы датчика атмосферный кислород нужен в очень небольшом количестве, поэтому, в целом герметичный, датчик делается таким образом, чтобы воздух немного попадал внутрь со стороны проводки[источник?].

Если при работе двигателя и датчика ионы свободного кислорода присутствуют лишь с внешней стороны элемента, то есть имеется лишь атмосферный кислород, то разогретая ячейка начинает генерировать ЭДС. Это означает для ЭБУ автомобиля, что смесь была «богатой». На практике этому соответствует примерно 800 милливольт. Если свободный кислород появляется в составе выхлопа, то выработка ЭДС снижается, а если кислорода достаточно много, то полностью прекращается, то есть кислород из выхлопа блокирует работу ячейки. Это означает для ЭБУ, что в смесь была «бедной». На практике этому соответствует примерно 200 милливольт. Если ЭДС стремится к нулю, то это означает что смесь абсолютно бедная, например двигатель заглох. Считается что ЭДС, соответствующее 450 милливольт, является оптимальным, свидетельствующим, что сжигаемая смесь обладает стехиометрическим соотношением топлива и воздуха.[источник?]

Конструкционно, циркониевые датчики делятся по числу проводов и наличию подогревательного элемента. Датчики без нагревательного элемента используют 1 или 2 провода, с нагревательным элементом — 3 или 4 провода. Первое поколение датчиков разогревалось лишь от выхлопных газов, поэтому начинало давать сигнал сравнительно поздно. Появившиеся затем датчики с нагревательным элементом стали выводить датчик в рабочее состояние очень быстро, что отвечало требованиям экологичности. Плюс к этому появилась возможность устанавливать датчик дальше от выпускного коллектора, продлевая ему срок эксплуатации.[источник?]

В начале работы, после запуска мотора, ЭБУ использует только карты впрыска, прописанные в нём[источник?]. Это режим работы без обратной связи — коррекции топливной смеси по лямбда-зонду в этом режиме нет. Когда с датчика появляется сигнал, то ЭБУ автомобиля переходит в режим работы с обратной связью, при котором исходные топливные карты корректируются с учётом показаний с лямбда-зонда в режиме реального времени.

Сигнал используется системой управления для поддержания оптимального (стехиометрического, около 14,7:1[источник?]) соотношения топливной смеси. {{{1}}}[источник?].

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

Работа датчика не линейна, показания отклоняются от оптимального очень быстро, поэтому ЭБУ вынужден постоянно корректировать смесь[источник?]. При этом двигатель почти не работает на идеальном стехиометрическом составе смеси, но смесь всегда стремится к достижению идеальной пропорции. Это считалось достаточным для соблюдения требований экологии.[источник?] При этом, лямбда-зонд не сообщает о том, сколько собственно кислорода в выхлопных газах, он сигнализирует о том, есть ли свободный кислород в выхлопе или нет. Факт наличия свободного кислорода и означает, что топлива в смеси должно быть больше, поскольку часть кислорода не вступила в реакцию. И наоборот, если кислорода нет или очень мало, то требуется уменьшить подачу топлива, тем более что если топлива окажется слишком много, то это приведёт к появлению сажи и так называемого «грязного» выхлопа.

В реальности, достичь и удерживать идеальную стехиометрическую смесь невозможно, так как существует множество факторов, влияющих на потребление воздуха самим двигателем, на точность и скорость измерений всех датчиков, на точность впрыска топлива и т. д. Поэтому, целью является не само достижение стехиометрического соотношения, а стремление к этому, путём постоянной коррекции смеси и пребывания поочередно то в условно-бедном, то в условно-богатом состоянии, не отдаляясь от оптимального состава. График вольтажа с датчика при этом обычно имеет вид синусоиды. Принцип цикла таков: датчик сообщил, что смесь бедная — ЭБУ добавляет топлива — датчик сообщает, что смесь стала богатой — ЭБУ уменьшает подачу топлива; и так постоянно. Изменение подачи топлива обычно определяется двумя переменными в ЭБУ — «долгая» коррекция и «краткая» коррекция. Краткая коррекция позволяет смеси следовать за датчиком сиюсекундно. Долгая коррекция вычисляется ЭБУ на основании анализа краткой коррекции, и нужна для того чтобы сдвигать всю коррекцию, фактически подстраиваясь под особенности и состояние конкретного образца мотора. Каждая коррекция может изменять впрыск обычно в пределах 10 %. Сумма долгой и краткой коррекции поэтому лежит обычно в пределах ±20 % от значений, прописанных в топливной карте. Если регулировка смеси выходит за возможный диапазон, то обычно ЭБУ сигнализирует об ошибке с помощью индикатора «check engine».[источник?]

ЭБУ обычно использует режим работы с обратной связью до 80 % мощности мотора. Далее ЭБУ прекращает режим коррекции, так как возникает вероятность неправильной коррекции, что может нанести больший вред мотору, нежели не совсем точное соблюдение состава смеси. При этом, согласно картам впрыска, смесь обогащается.[источник?]

Поскольку некоторое количество кислорода должно присутствовать в выхлопе для нормального дожигания СО и СН на катализаторе, для более точного регулирования может использоваться и второй лямбда-зонд, расположенный за катализатором.[источник?]

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 своё 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».[источник?]

При отказе датчика система переходит в аварийный режим без коррекции содержания воздуха в смеси[источник?].

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.[источник?][значимость факта?]

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.[источник?]

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]