Современный человек уже не представляет своей жизни без транспорта. Конечно, автомобили имеют множество преимуществ, особенно нынешние, которые имеют большое количество опций и возможностей. Все же наряду с плюсами, есть один значимый недостаток - автомобиль выбрасывает в атмосферу вредные токсичные вещества, среди которых окись углерода (СО), несгоревшие углероды (СН) и окислы азота (NOх). Все перечисленные компоненты, не только загрязняют окружающую среду, но и отрицательно сказываются на здоровье людей. Обычно эти вещества попадают в воздух вместе с выхлопными газами.
Известно, что инженеры решили противопоставить токсичным веществам, попадающим вместе с выхлопными газами в атмосферу, каталитический нейтрализатор отработавших газов, который является одним из важных устройств в системе каждого автомобиля. При помощи этого механизма выхлопные газы, пройдя его систему очистки, становятся менее опасными для окружающей среды и число токсичных веществ значительно уменьшается. Стоит отметить, что для выполнения эффективной работы нейтрализатора необходимо, чтобы каждый компонент содержался в небольших количествах. Обычно этот показатель должен быть равным коэффициенту стехиометрической рабочей смеси топлива и воздуха, которая сгорает в цилиндрах. Напомним, что в этой смеси много воздуха. Известно, что в советских учебниках коэффициент избытка воздуха обозначали греческой буквой а, сегодня –I. Например, если избыток воздуха составляет более 1.0, то эта смесь считается бедной. В противном случае, когда I меньше 1.0, эта смесь считается богатой, обогащенной. Стехиометрической смесью называют в том случае, когда в цилиндре содержится достаточное количество воздуха, при котором пойдет нормальный процесс сгорания топлива.
Обеспечить высокую точность и стабильность дозирования топлива не просто. Например, карбюраторные моторы в этом смысле значительно отстают. Все же инженерам удалось решить эту проблему с появлением лямбда-зонда – электронной системы автоматического регулирования, в которую встроен датчик кислорода отработавших газов. Сегодня этот датчик представляет собой важнейший элемент, которым оснащены все современные автомобили. Именно он отвечает за обратную связь в системе топливодозирования, а так же поддерживает стехиометрический состав с точностью до ±1% независимо от того, на каком режиме работы установился двигатель.
Сегодня автопроизводители устанавливают в автомобили циркониевые или титановые датчики. Первые датчики работают на основе диоксида циркония, а вторые – на основе оксида титана. На рис. 2 видно, что измерительный элемент находится в потоке отработавших газов. Именно он генерируют ЭДС, которая зависит от состава газов, что можно просмотреть на рис. 3. Стоит отметить, что ЭДС зонда при значении I=1,0 рабочей смеси резко изменяется в цилиндре двигателя, она даже реагирует на слабые изменения в составе смеси в сторону ее обеднения или, наоборот, обогащения. Сам измерительный элемент может быть пальчикового типа, который представлен как раз на рис. 2, или планарного, то есть, в виде пластинки. Независимо от вида, элементы имеют один и тот же принцип работы. Мы будем рассматривать пальчиковый тип, или по-другому трубочку с закрытым концом.
Измерительный элемент, представленный на рис. 2, имеет напыления платины с внешней и внутренней сторон. Внутренняя часть элемента изготовлена из керамики, в состав которой входит оксид иттрия (Y2O3) и диоксид циркония (ZrO2). Известно, что керамика работает по принципу гальванического элемента с твердым электролитом, то есть, когда температура становится около 350°С, керамика начинает проводить ионы кислорода. Стоит напомнить, что данная температура является минимальной, так как на самом деле температура датчика установленного в реальном двигателе достигает 600°С. Максимальная температура может доходить до 1000°С. Перегрев датчика может отрицательно сказаться на его работе.
Принцип работы датчика кислорода заключается в следующем:
- Во-первых, стоит отметить, что концентрация кислорода в самом датчике и атмосфере абсолютно разная. Именно эта разница способствует передвижению ионов кислорода в твердом электролите
- Во-вторых на электродах ИЭ срабатывает сигнал датчика кислорода
На рис. 4 можно увидеть, как сигнал ИЭ зависит от температуры. По рисунку можно сделать вывод, что реакции на бедные и богатые смеси существенно отличаются. Все же после понижения 300°С эта разница заметно уменьшается. В итоге, эта зона становится нерабочей.
Известно, что датчик устанавливают всегда близ мотора. Именно в этой части он будет быстрей прогреваться после начала работы двигателя. Стоит отметить, что долгая поездка на всех пределах мощности двигателя может пагубно сказаться на работе датчика.
Сегодня датчики кислорода оснащены системой электроподогрева, которая работает от управления электронным блоком, изменяющая ток нагревателя. Таким образом, ЭБУ полностью контролирует работу цепей нагревателя, а также их исправность.
В конце несколько слов стоит сказать о титановых зондах. Они имеют в своем составе оксид титана, который изменяет свое сопротивление в зависимости от того, сколько количества кислорода содержится в цилиндре. Этот датчик, в отличие от вышеописанного, не нуждается в связи с внешним или атмосферным воздухом. Дело в том, что у этого датчика минимальная температура составляет 500°С по сравнению с циркониевым вариантом. Принцип его работы можно увидеть на рис. 5. По иллюстрации видно, что сигнал этого датчика способен без усиления привязаться к уровню +5 В, который используется в ЭБУ.
.jpg)
В этом случае наблюдается аналогичный резкий скачок напряжения выходного сигнала, когда наблюдаются перепады в составе смеси, то есть, когда прослеживается обедненная или обогащенная реакция. Все же по сравнению с циркониевым датчиком, в этом варианте датчика высокий сигнал соответствует бедной смеси, а низкий сигнал, наоборот, - богатой.
