Лямбда-зонд

Новый и старый кислородный датчик

Лямбда-зонд ( или λ-зонд, где λ относится к относительной дозировке , часто обозначаемой аббревиатурой λ), представляет собой датчик , измеряющий концентрацию кислорода . ​ Используется для проверки качества сгорания. Таким образом, при стехиометрическом сгорании количество кислорода, присутствующего в дымовых газах, равно нулю или незначительно, и в этом случае относительное воздушно-топливное отношение (λ) равно единице. Когда смесь слишком богата топливом, то λ < 1. ]

Автомобильный

Датчик кислорода с подогревом

В автомобилях внутреннего сгорания кислородный датчик расположен в выхлопной трубе непосредственно перед каталитическим нейтрализатором , чтобы он мог измерять концентрацию кислорода в выхлопных газах до того, как они претерпят какие-либо изменения. Измерение содержания кислорода отражает насыщенность смеси, величину, которую датчик преобразует в значение напряжения и передает в блок управления двигателем. ]

Выхлопные газы

Газы сгорания двигателя цикла Отто , взрыв (бензин), состоят примерно на 80 % из азота, который почти не участвует в химической реакции горения, на 14-16 % из углекислого газа или СО ₂ , а остальное - из воды (пар). , помимо небольшой доли загрязняющих веществ, основными из которых являются углеводороды (УВ) и окись углерода (СО). Остаточный кислород составляет примерно 0,3%. Его доля сильно варьируется в зависимости от дозировки .

Конституция

Работа в замкнутом цикле: 1 расходомер воздуха; 2 и 3 каталитический нейтрализатор; 4 форсунки; 5 передний лямбда-зонд; 6 задний лямбда-зонд; 7 приход бензина; 8 вход воздуха от фильтра; 9 выхлоп

Сам зонд состоит из керамической части и электродов из циркония или титана . Выхлопные газы соприкасаются с датчиком, и он получает информацию о доле остаточного кислорода после сгорания.

Операция: замкнутый цикл

Эта информация передается в электронный центр впрыска, и этот центр, таким образом, может регулировать количество топлива , впрыскиваемого в цилиндр , чтобы поддерживать отношение как можно ближе к 1/14,7, называемое стехиометрическим соотношением .

Измерение основано на количестве кислорода, оставшегося в газе, удаляемом из выхлопной трубы. Лямбда-зонд — один из основных датчиков коррекции в управляющей электронике , известный как лямбда-регулирование для каталитической очистки выбрасываемого газа, в народе называемый регулируемым каталитическим нейтрализатором. Датчик основан на двух разных принципах измерения: напряжение электролита ( зонд Вальтера Нернста ) и изменение электрического сопротивления керамического резистора (зонд сопротивления) .

Его основной областью применения является двигатель внутреннего сгорания , в основном впрыск топлива по циклу Отто , но он также используется для регулирования газа, выбрасываемого конденсационными котлами и дизельными двигателями .

Первая версия лямбда-зонда была разработана в 1976 году немецкой компанией Bosch и применялась на Volvo 240 . ]

Функция зонда Нернста

Одна сторона керамического датчика подвергается воздействию потока отработавших газов, а другая – эталонному уровню кислорода. В большинстве случаев используется окружающий воздух через отверстие в зонде или через воздуховод. Это предотвращает влияние на эталонное значение возможного загрязнения парами воды, масла или топлива. Если зонд загрязнится, количество кислорода в эталоне уменьшится, что приведет к снижению напряжения на зонде. В случае перекачиваемого эталона окружающий воздух не требуется, но эталон диоксида кислорода основан на потоке ионов из выхлопных газов.

При температурах выше 300 °C керамика зонда, изготовленная из диоксида циркония и иттрия , становится проводником отрицательных ионов кислорода. Разность концентраций вызывает диффузию ионов из откачиваемого газа. Атомы кислорода могут двигаться в керамике в виде двойных отрицательно заряженных ионов. Электроны, необходимые для ионизации атомов кислорода, поставляются электродами, которые являются электронными проводниками. Таким образом можно измерить напряжение зонда между платиновыми электродами, расположенными внутри и снаружи. Эта информация передается по проводке на электронный блок управления двигателем. Значение составляет для λ>1 ( бедная смесь , недостаток топлива или избыток воздуха) от 0 до 150 мВ, для λ<1 (богатая смесь, избыток топлива или недостаток воздуха) от 800 до 1000 мВ. Измеряемое напряжение описывается уравнением Нернста . В очень узком диапазоне около λ=1, называемом окном λ, характеристическая кривая чрезвычайно крутая. Напряжение в окне изменяется очень резко по отношению к топливно-воздушной смеси, вследствие чего эти колебания делают смесь стехиометрической или близкой к стехиометрической. В этой зоне значения CO и HC относительно низкие, а также NOx, что позволяет каталитическому нейтрализатору работать в наиболее благоприятных условиях.

Функция датчика сопротивления

Датчик сопротивления используется очень часто.

Датчик состоит из полупроводниковой керамики на основе диоксида титана . Носители заряда создаются бескислородными участками, которые служат донорами. Когда кислород приближается, пустые позиции заполняются, что уменьшает количество свободных носителей. Проводимость обеспечивают не ионы кислорода, а кислород.

Электропроводность σ в рабочем диапазоне описывается уравнением Аррениуса с энергией активации E _A :

${\ displaystyle \ sigma = A \ cdot e ^ {- {\ frac {E_ {A}} {k \ cdot T}}} \ cdot p (O) ^ {- 1/4}}$

Сигнал формируется делителем напряжения с постоянным электрическим сопротивлением.

Использование в двигателях

Volvo 240 — первый автомобиль с лямбда-зондом.

На двигателях Otto датчик обычно ввинчивается в выхлоп перед каталитическим нейтрализатором. В автомобилях со строгими законодательными требованиями к чистоте откачиваемого газа и самодиагностике используется несколько датчиков. В двигателях с V-образными цилиндрами по одному датчику на ряд цилиндров или даже по одному на цилиндр для выборочной регулировки цилиндров.

Система управления двигателем способна постоянно регулировать количество впрыскиваемого топлива таким образом, чтобы состав выхлопных газов имел лямбда-фактор около 1. Таким образом одновременно выполняются два требования: двигатель получает смесь, очень близкую к идеальной при все время и условия работы каталитического нейтрализатора обеспечены.

В современных двигателях Otto с турбонаддувом датчик расположен после турбонагнетателя .

Операция

Правильный лямбда-фактор является важным параметром для контроля сгорания и чистоты газов, удаляемых трехкомпонентным каталитическим нейтрализатором. В автомобильном мире лямбда-зонд сначала завоевал американский рынок из-за важных правовых ограничений в отношении выбросов, а затем приобрел важную роль в Европе.

В классическом двигателе Отто для измерения дозировки используется подогреваемый кислородный датчик HO2S (зонд Нернста) или датчик λ=1 . Сигнал датчика постоянно колеблется между высоким значением и низким значением. Это происходит из-за поведения сигнала зонда при переходе между богатой смесью (λ<1) и обедненной смесью (λ>1). Сигнал лямбда-зонда делает характерный скачок в своем сигнале напряжения при упомянутых переходах между значениями 0,8 - 0,9 В при богатой смеси (λ<1) и 0,1-0,2 В при обедненной смеси (λ>1) .

Сборка

Первые лямбда-зонды монтировались как пальцевые . Сам датчик имеет форму шапочки с откачиваемым газом снаружи и эталонным воздухом внутри.

Планарные датчики с несколькими слоями, в которые уже встроена функция нагрева, становятся все более распространенными.

Керамический элемент окружен защитной трубкой. Функция заключается в том, что датчик поддерживает нужную температуру и при этом не допускает механических повреждений. Чтобы газ мог проникнуть в трубку, в ней есть небольшие отверстия.

Регламент

Лямбда-зонд постоянно сравнивает остаточное содержание кислорода в газе с содержанием кислорода в воздухе и отправляет результат в виде аналогового электрического сигнала на электронный блок управления, который на основании этой информации вместе с другими параметрами посылает управляющий сигнал для изменения состава смеси, что обычно в двигателях Отто представляет собой не что иное, как адаптацию количества впрыскиваемого материала или лямбда-регулирование. В автомобилях с бортовой системой диагностики необходимо проверить функцию регулирования лямбда-зонда и контрольного датчика электронного блока управления. Этот контроль происходит спорадически. Электронный блок управления контролирует:

1. диапазон напряжения (максимум 300 милливольт в датчике регулирования)
2. амплитуда ширины импульса
3. частота регулирования
4. прерывание нагревательного змеевика
5. контакт с землей

В случае неисправности электронный блок управления активирует значок OBD.

Дизельные двигатели и так называемые двигатели Отто на легкой смеси не работают или работают в исключительных случаях в окне λ. Особенно дизельный двигатель представляет собой классическую концепцию легкой смеси, которая всегда работает с избытком воздуха (λ>1). Дизельные двигатели, которые выбрасывают слишком темную смесь через выхлопную трубу, обычно требуют обслуживания, имеют проблемы или впрыскиваемая смесь была изменена с помощью «чип-тюнинга». Для регулирования дизельных двигателей и двигателей Отто на легкой смеси нельзя использовать датчик со значением λ=1, так как невозможно оценить поведение сигналов на легкой или тяжелой смеси.

Широкополосный гидролокатор

Для этого был создан широкополосный гидролокатор . Сборка такого зонда более сложная: он состоит из слоев со встроенными нагревателями. Принцип измерения основан на 3 частях:

• диффузионный канал (синий) между выходом газа и измеряемым газом ячейки Нернста,
• насосная ячейка (розовая) поровну между выходом газа и измеряемым газом из ячейки Нернста,
• ячейка Нернста (зеленая) между измеряемым газом и эталонным газом (воздух).

На измеряемый газ из ячейки Нернста влияет не только откачиваемый газ, но и диффузионный канал откачиваемого потока. Перекачиваемый поток регулируется таким образом, что поток кислорода, генерируемый электрическим током насосной ячейки, уравновешивает поток кислорода из диффузионного канала; таким образом, газ остается в λ=1. Перекачиваемый поток нагнетается при заряженной смеси ионов кислорода в дозируемом газе ячейки Нернста и откачивается, если смесь легкая. В зависимости от характеристик потока можно определить лямбду откачиваемого газа. Регулирование потока — это задача электронного чипа в электронном блоке управления двигателем. Датчик NOx используется в автомобилях с накопительным каталитическим нейтрализатором NOx. Сборка и принцип действия этих зондов аналогичны широкополосным лямбда-зондам.

Нагрев зонда

Поскольку температура холодного двигателя значительно ниже 300 °C, датчик (и, следовательно, система управления) не работает (или работает ограниченно). Вот почему сегодня все зонды имеют встроенный нагревательный элемент, чтобы зонд достиг нужной температуры. Благодаря этому они гарантируют правильную работу датчика даже на этапе прогрева двигателя. Оптимальная рабочая температура для зондов с λ=1 составляет от 550 до 700 °C. Широкополосные варианты работают при температурах на 100–200 °C выше.

Электрические аспекты

Во избежание помех и сбоев в работе чувствительного элемента управления, вызванных колебаниями напряжения, общая масса автомобиля больше не используется для нагрева и напряжения датчика, а отдельный кабель для массы и сигналов подключается непосредственно к электронному блоку управления.

Контрольный зонд

В двигателях Otto последнего поколения второй датчик используется для контроля работы каталитического нейтрализатора и располагается за ним. Электронный блок управления двигателем может сравнивать значения датчика перед каталитическим нейтрализатором со значениями контрольного датчика. Если каталитический нейтрализатор в идеальном состоянии, происходит последующая реакция контрольного датчика на сигнал первого датчика. Если каталитический нейтрализатор больше не находится в идеальном состоянии, он может потерять способность накапливать кислород, что приведет к уменьшению расстояния между датчиком каталитического нейтрализатора и контрольным датчиком. Электронный блок управления сообщит об этой проблеме в виде сигнала ошибки, который хранится в памяти, а на панели приборов будет активирован значок .

Контрольный датчик, помимо диагностики каталитического нейтрализатора, может повысить точность первого лямбда-регулирования и достоверность первого датчика в рамках самодиагностики.

Применение в домашнем отоплении

С помощью лямбда-зонда, расположенного в дымоходе конденсационного котла, можно измерять содержание кислорода и, таким образом, регулировать смесь, чтобы избежать чрезмерного использования воздуха, что может привести к чрезмерному потреблению энергии системой. , отопление.

Смотрите также

• электронный распределительный щит
• анализатор выхлопных газов