Для более точного регулирования горючей смеси в зависимости от качества сгорания (наличия свободного кислорода) и более высокой степени очистки отработавших газов необходима регулировка коэффициента избытка воздуха, чтобы состав смеси был близок к стехиометрическому. С этой целью в двигателях применяют системы, основой которых является специальный датчик, определяющий наличие кислорода в отработавших газах (лямбда-зонд), устанавливаемый в выпускной системе (до нейтрализатора, если он установлен). Такие системы называют системами с обратной связью.
Датчик кислорода (триггерный (переключающийся) датчик) (рис. 8.1) представляет собой элемент из порошка двуокиси циркония, спеченного в форме пробирки, наружная и внутренняя поверхность которой покрыты пористой платиной или ее сплавом, что выполняет роль катализатора и токопроводящих электродов. Внешняя поверхность датчика покрыта тонким защитным слоем керамики. Двуокись циркония при высоких температурах приобретает свойство электролита, а датчик становится гальваническим элементом. Внешняя поверхность датчика соприкасается с отработавшими газами, а внутренняя с атмосферным воздухом.
Принцип работы датчика кислорода показан на рис. 8.2. На поверхности электродов 1 и 2 (пористая платина) всегда присутствует остаточный кислород, связанный с водородом, углеродом или азотом. При высоких температурах (более 350° С) в случае обогащения смеси в граничной зоне Е возникает недостаток кислорода. Отрицательно заряженные ионы кислорода начинают перемещаться к электроду 1, заряд на котором по отношению к электроду 2 становится отрицательным, что приводит к возникновению э.д.с.
Внутреннее сопротивление циркониевого датчика тем выше, чем ниже его температура. Поэтому генерирование э.д.с. датчиком начинается только при прогреве его до температуры 350° С. До этого времени потенциал на выходе датчика составляет 0,0…0,50 В – это опорное напряжение, подаваемое от входного каскада блока управления. Наличие опорного напряжения на входе блока позволяет определить готовность датчика к работе. На режимах пуска, прогрева холодного двигателя, ускорения и режиме максимальной мощности датчик не работает и состав смеси определяется блоком управления. Для расширения диапазона действия датчика и ускорения скорости его прогрева, особенно на режимах холостого хода и в условиях низких температур, применяют подогрев датчиков или их установку в непосредственной близости от двигателя.
При появлении в отработавших газах кислорода (коэффициент избытка воздуха λ больше единицы – бедная смесь) на контактах датчика падает напряжение (рис. 8.3).
Выходное напряжение датчика Uλ меняется от 0 до 1 В в течение очень короткого промежутка времени (несколько раз за 1 сек.) и свидетельствует о быстром реагировании как самого датчика, так и всей системы топливодозирования на установившихся режимах. Если оно увеличивается, тогда горючая смесь переходит в зону стехиометрического состава (от обедненной к обогащенной) и длительность впрыска (τупр) топлива форсункой впрыска изменяется. Таким образом, датчик работает в релейном режиме и позволяет применить его в системе автоматической стабилизации состава смеси в зоне стехиометрического состава. Упрощенный алгоритм работы системы с обратной связью (режим замкнутого контура или замкнутой петли) представлен на рис. 8.4.
Весь цикл непрерывно повторяется и состав смеси изменяется от значений λ=0,97…98 до значений λ=1,02…1,03. Исключение составляют следующие режимы: режим максимальной мощности (λ= 0,86…0,88), режим торможения двигателем (отключение подачи топлива, при этом смесь очень обедненная и λ значительно больше единицы), режим ускорения (обогащение смеси, адекватное скорости открытия дроссельной заслонки).
Согласно европейскому законодательству (Евро III, Евро IV), бортовая диагностика должна контролировать состояние нейтрализатора и при неисправности включать диагностическую лампу. Для выполнения этого условия на выходе из нейтрализатора устанавливают второй датчик кислорода.
Второй датчик также участвует в точной подстройке состава топливовоздушной смеси, компенсируя погрешность первого датчика, которую необходимо учитывать по мере его старения. Контроллеры некоторых фирм, сравнивая показания обоих датчиков, рассчитывают коэффициент старения нейтрализатора, на основе которого специалисты по диагностике строят свои прогнозы.
В качестве первого датчика согласно системе европейской бортовой диагностики (EOBD) предусматривается установка широкополосного кислородного PWM (широтно-импульсная модуляция) датчика перед катализатором (рис. 8.5).
Сигналы с PWM – это сигналы прямоугольной формы с постоянной частотой, но с переменным временем включения (рис. 8.6). Частота определяется количеством импульсов(колебаний/циклов) в секунду. Если число импульсов в секунду возрастает, то растет частота; если число импульсов в секунду убывает, частота уменьшается. Частота (буквенное обозначение измеряется в герцах (Гц). Под шириной импульса подразумевается длительность импульса включенного сигнала.
В широкополосном кислородном датчике значение лямбда определяется не по изменению напряжения, а по изменению силы тока. Однако происходящие при этом физические процессы остаются прежними. Преимуществом данного датчика является возможность измерения содержания кислорода в широких пределах изменения λ (рис. 8.7).
Широкополосный датчик может измерять коэффициент избытка воздуха лямбда в диапазоне 0,7 – 2,8, причем он выдает однозначный, непрерывный сигнал тока (так называемый ток накачки — ток, потребляемый элементом кислородной накачки. Это свойство широкополосного лямбда-зонда позволяет использовать его не только в системах управления бензиновых двигателей, работающих на почти стехиометрической (ни бедной, ни богатой) смеси (лямбда = 1), но и в системах управления бензиновых двигателей, работающих на обедненных смесях (лямбда >1). Широкополосный датчик состоит из гальванического элемента Нернста и элемента кислородной накачки, транспортирующего ионы кислорода (рис. 8.8).
Между элементом кислородной накачки 2 и гальваническим элементом Нернста 1 есть диффузионный зазор 3, в который поступают отработавшие газы. Он является областью измерения. Гальванический элемент Нернста с одной стороны связан каналом с наружным воздухом 9, а с другой стороны с областью измерения. Он работает как обычный триггерный лямбда-зонд, выдавая сигнал, соответствующий коэффициенту избытка воздуха в области измерения.
В область измерения с помощью элемента кислородной накачки 2 поступает такой приток ионов кислорода, чтобы коэффициент избытка воздуха лямбда в ней был равен 1. Электронный блок, запитываемый опорным напряжением, анализирует создаваемую гальваническим элементом Нернста разность потенциалов и управляет током накачки ионов кислорода с целью поддержания этой разности потенциалов на определенном неизменном уровне. Генерируемая таким образом величина тока накачки и является выходным сигналом лямбда-зонда, по которому судят о концентрации кислорода в отработавших газах.
При наличии отработавших газов с большим содержанием кислорода (работа двигателя на бедных смесях) элемент кислородной накачки управляется таким образом, что он откачивает ионы кислорода из области измерения. Управление осуществляет электронный блок, направление тока при этом положительное. При наличии отработавших газов с малым содержанием кислорода (работа двигателя на богатых смесях) элемент кислородной накачки управляется таким образом, что он накачивает ионы кислорода в измерительное пространство (электрический ток в обратную сторону), направление тока при этом отрицательное
В качестве второго датчика после нейтрализатора устанавливается триггерный кислородный датчик, описанный выше, который работает на принципе скачка напряжения (рис. 8.9). Недостаток этого датчика в том, что он может определить только, что λ > 1 или λ < 1.
В отдельных автомобилях нашли применение кислородные датчики, в которых вместо циркониевого элемента используется титановый. Принцип действия титанового датчика полностью отличается от принципа работы циркониевого датчика и заключается в изменении его проводимости при приложении напряжения в зависимости от содержания кислорода в отработавших газах. Титановый датчик не вырабатывает напряжение, а изменяет свое сопротивление в зависимости от изменений состава топливной смеси. Из электронного блока управления на титановый датчик поступает опорное напряжение (примерно 1 в) от эталонного источника тока с высоким выходным сопротивлением. Изменение состава топливно-воздушной смеси вызывает скачкообразное изменение сопротивления титанового датчика и, как следствие, скачкообразное изменение протекающего через него тока. Соответственно этому изменяется падение напряжения на включенном последовательно с датчиком сопротивлении. Вместо постепенного изменения выходного напряжения как в циркониевом датчике, этот датчик изменяет своё сопротивление скачкообразно от малого (менее 1 кОм) при богатой смеси, к большому (более 20 кОм) при обедненной смеси. Титановые зонды широко использовались в некоторых моделях Nissan, Mitsubishi, Chrysler.
Датчики кислорода бывают одно-, двух-, трех- и четырехпроводные. Однопроводные и двухпроводные датчики применялись в самых первых системах впрыска с обратной связью (лямбда-регулированием). Однопроводный датчик имеет только один провод, который является сигнальным. Земля этого датчика выведена на корпус и приходит на массу двигателя через резьбовое соединение. Двухпроводный датчик отличается от однопроводного наличия отдельного земляного провода сигнальной цепи. Недостатком таких датчиков является рабочий диапазон температуры датчика, который начинается от 300 °С. До достижения этой температуры датчик не работает и не выдает сигнала. Поэтому датчик такого типа устанавливается как можно ближе к цилиндрам двигателя, чтобы он подогревался и обтекался наиболее горячим потоком выхлопных газов. Процесс нагрева датчика затягивается и это вносит задержку в момент включения обратной связи в работу контроллера. Кроме того, использование метала выпускного трубопровода в качестве проводника сигнала (земля) требует нанесения на резьбу специальной токопроводящей смазки при установке датчика и увеличивает вероятность сбоя (отсутствия контакта) в цепи обратной связи. Указанных недостатков лишены трех- и четырехпроводные кислородные датчики. В трехпроводный датчик добавлен специальный нагревательный элемент, который включен как правило всегда при работе двигателя и, тем самым, сокращает время выхода датчика на рабочую температуру. Его можно устанавливать на удалении от выхлопного коллектора, рядом с катализатором. Однако остается один недостаток — токопроводящий выхлопной коллектор и необходимость в токопроводящей смазке. Этого недостатка лишен четырехпроводный датчик кислорода — у него два провода служат на подогрев, а два — сигнальные.
Дополнительно можно посмотреть фильм 8.1.
Датчик оксидов азота. Датчик оксидов азота или датчик NOx служит для обнаружения оксидов азота (оксида азота, диоксида азота, закиси азота и др.) в отработавших газах. Датчик используется в выпускной системе современных двигателей внутреннего сгорания: бензиновых двигателей с системой непосредственного впрыска, дизельных двигателей с системой избирательной каталитической нейтрализации. Он устанавливается за накопительным катализатором (бензиновые двигатели) или восстановительным катализатором (дизельные двигатели).
По сигналам датчика определяется соответствие настройки установленного перед нейтрализатором широкополосного датчика кислорода на стехиометрическую смесь, работоспособность нейтрализатора, необходимость регенерации нейтрализатора по оксидам азота и сере.
Датчик (рис. 8.10) содержит две камеры, две насосных ячейки накачки, несколько электродов и подогреватель.
Чувствительный элемент состоит из диоксида циркония, который пропускает отрицательные ионы кислорода, перемещаемые от отрицательного электрода к положительному, под действием приложенного к ним напряжения.
Действие датчика оксидов азота основано на измерении потока кислорода аналогично действию широкополосного датчика кислорода.
Первая (насосная) ячейка настроена на концентрацию кислорода, соответствующую стехиометрическому составу смеси (14,7 кг воздуха на 1 кг топлива, коэффициент избытка воздуха – 1,0). Сначала определяется коэффициент избытка воздуха в первой камере датчика при поступлении части потока отработавших газов в первую камеру датчика по величине потока ионов через твердый электролит между двумя электродами. Ввиду различной концентрации кислорода в отработавших газах и в базовой камере на электродах появляется разность напряжений. Блок управления датчиком регулирует напряжение (около 425 мВ), соответствующее коэффициенту избытка воздуха, равному единице. При отклонениях напряжения от заданного значения кислород перекачивается от одного электрода к другому. Необходимый для этого ток накачки используется как мера для определения коэффициента избытка воздуха.
После определения коэффициента избытка воздуха в первой камере, освобожденные от кислорода отработавшие газы перетекают из первой во вторую камеру.
Здесь молекулы оксидов азота разлагаются с помощью специального электрода на азот (N2) и кислород (O2). Под действием постоянно прилагаемого к электродам напряжения, равного 450 мВ, ионы кислорода движутся от внутреннего электрода к наружному. Поддерживаемый таким образом ток накачки является мерой концентрации кислорода во второй камере датчика. Величина тока накачки соответствует концентрации оксидов азота в отработавших газах.
Если количество задержанных в накопительном нейтрализаторе оксидов азота превысило уровень, соответствующий его насыщению, проводится цикл регенерации оксидов азота.