УДК 681.3.06
Вадим Фридрихович Яковлев, доцент
Петр Николаевич Стройкин, студент 2-ЭТ-8
Самарский государственный технический университет
Процесс сжигания топлива описывается уравнением:
CmHn + (m + n/4)O2 → mCO2 + (n/2)H2O
В идеальном случае при сжигании 1 кГ (1 л) топлива и 14,7 кГ (10 м3) воздуха образуются нетоксичные вещества – вода и двуокись углерода. Соотношение между массой воздуха и топлива 14.7 : 1 – стехиометрическое. Коэффициент избытка воздуха λ = (текущее соотношение воздух/топливо)/(стехиометрическое соотношение). Даже при стехиометрическом составе смеси сгорание осуществляется не полностью и образуются токсичные вещества. Сгорание богатой смеси (λ <1) приводит к появлению избыточного количества СО, Н2 и НС, бедные смеси (λ >1) приводят к образованию NОx, O2.
В современных автомобильных двигателях, снабженных каталитическими нейтрализаторами важно точно контролировать состав топливо – воздушной смеси и поддерживать коэффициент избытка воздуха на постоянном уровне (λ = 1) для уменьшения содержания токсичных веществ в выхлопе. Для этого применяются датчики кислорода (λ-датчики), устанавливаемые в системе отвода выхлопных газов, вырабатывающие сигнал, зависящий от концентрации кислорода в выхлопе. Этот сигнал используется в электронном блоке управления (ЭБУ) двигателя для коррекции длительности открывания форсунок и поддержания тем самым стехиометрического состава топливо – воздушной смеси.
В основном используются циркониевые и титановые датчики кислорода, их работа основывается на том факте, что содержание свободного кислорода в выхлопном газе резко меняется в диапазоне значений λ = 0.99 ÷ 1.01.
На рисунке 1 показан в сечении циркониевый датчик кислорода.
Рис.1.Датчик кислорода на основе окиси циркония
В циркониевых датчиках из окиси циркония ZrO2 стабилизированной иттрием Y2O3 выполнен керамический колпачок, способный генерировать напряжение в зависимости от соотношения концентраций кислорода в выхлопных газах и атмосферном воздухе. Внутренняя и внешняя поверхности керамического колпачка покрыты слоем (толщина 10 микрон) пористой платины, выполняющей функции электрода и окисляющего катализатора. Наружный слой платины работает в выхлопном газе и защищен от эрозии слоем пористой керамики толщиной 100 микрон и перфорированным металлическим колпачком. Внутренний слой платины работает в атмосферном воздухе, он находится в корпусе датчика кислорода.
При высоких температурах в диапазоне 300…900˚С ионы кислорода могут проходить через циркониевую керамику между двумя платиновыми электродами, приводя к появлению на этих электродах небольшого напряжения.
Когда внешний электрод находится в атмосфере выхлопных газов, образующихся при сжигании обогащенной топливо – воздушной смеси, содержание свободного кислорода здесь мало. Кроме того платиновый электрод действует как катализатор, связывая свободный кислород (СО + О →СО2). Концентрация кислорода у наружного электрода, таким образом, очень низкая, тогда как у внутреннего электрода, окруженного воздухом она высокая. Атомы кислорода захватывают по четыре электрона на внутреннем электроде и переносят их через циркониевую керамику на внешний электрод. Этот механизм создает разность потенциалов между электродами около 0.8 В, являющуюся выходным сигналом для датчика кислорода.
При сжигании обедненной смеси концентрация кислорода у наружного электрода высокая. Даже окисляющая способность платинового электрода – катализатора не влияет существенно на концентрацию ионов кислорода, которая теперь практически одинакова для обоих электродов. Эта ситуация приводит к нулевому выходному напряжению датчика кислорода. Таким образом выходной сигнал циркониевого датчика кислорода является ступенчатым, с уровнями 0.8 В и 0 В, переключение происходит когда смесь имеет стехиометрический состав. При рабочей температуре 600 градусов датчик реагирует на изменение состава топливо – воздушной смеси менее чем за 50 мс.
В титановых датчиках двуокись титана TiO2 является полупроводником, способным выдерживать высокие температуры, его электрическое сопротивление зависит от концентрации кислорода. Датчик представляет собой небольшое количество TiO2 (полупроводник n-типа) на керамической основе, помещенный перед каталитическим нейтрализатором. Когда концентрация кислорода в выхлопных газах низкая (богатая смесь), сопротивление этого титанового резистора мало, несколько Ом. При увеличении концентрации кислорода (бедная смесь) сопротивление быстро растет, достигая значения более 10 кОм. Титановый резистор соединяют последовательно с сопротивлением 50 кОм, образуя датчик кислорода со ступенчатым выходным сигналом и переходом между уровнями когда топливо – воздушная смесь имеет стехиометрический состав.
Оба этих типа датчиков могут работать только при относительно высоких температурах, более 300 градусов, они устанавливаются на входе каталитического нейтрализатора, где выхлопные газы такие температуры имеют. При пуске двигателя, пока датчики не прогрелись, обратная связь в автоматической системе стабилизации стехиометрического состава топливо – воздушной смеси разомкнута, количество токсичных веществ в выхлопе автомобиля не оптимально. Для ускорения приведения датчиков кислорода в рабочее состояние они снабжаются электрическими подогревателями, включающимися при пуске холодного двигателя.
Современные бортовые диагностические автомобильные системы осуществляют постоянный мониторинг узлов, выход из строя которых приведет к увеличению выбросов токсичных веществ. Прямое измерение концентрации СО, НС и NOx в выхлопных газах слишком дорого для серийных автомобилей. Вместо этого применяется второй датчик кислорода на выходе нейтрализатора для контроля его исправности (Рис.2).
Рис.2.Датчики кислорода на входе (1) и выходе (2) каталитического нейтрализатора с соответствующими выходными сигналами
Рис.3.Выходной сигнал входного датчика кислорода (сверху) и выходного (снизу) датчиков кислорода
Система управления подачей топлива в двигатель является релейным стабилизатором стехиометрического состава топливовоздушной смеси, который колеблется около стехиометрического значения с частотой 4 – 10 Гц, что отслеживается сигналом с входного по отношению к каталитического нейтрализатора датчика кислорода (Рис.3). Этот сигнал колеблется между уровнями 0.1 – 0.9 В на частоте 4 – 10 Гц в соответствие с изменениями концентрации кислорода в выхлопном газе. В исправном нейтрализаторе кислород участвует в химических реакциях, его концентрация в выхлопном газе уменьшается, поэтому в выходном сигнале датчика кислорода на выходе нейтрализатора практически нет колебаний (Рис.3). Чем более неисправен (отравлен) нейтрализатор, тем более похожи сигналы входного и выходного датчиков, что распознается программным обеспечением ЭБУ.
Литература
1. Соснин Д.А., Яковлев В.Ф.Новейшие автомобильные электронные системы. М.: Солон-Пресс, 2005. 256 с.
2. Ютт В.Е., Электрооборудование автомобилей, 2-е издание. М.: Транспорт, 2003. 365 с.
3. Ribbens W. B. Understanding automotive electronics.Burlington,USA: Newnes publications, 2009. 481 с.