УДК 681.3.06

Вадим Фридрихович Яковлев, доцент

Ярослав Вячеславович Чирясов, студент 2-ЭТ-8

Самарский государственный технический университет

Ужесточение требований к уменьшению количества токсичных веществ в выхлопных газах автомобиля, в частности возможное нормирование содержания СО₂, делает необходимым применение двигателей, более эффективно использующих топливо. Потенциально таким требованиям отвечают двигатели, работающие на обедненных смесях. Использование рабочих смесей с соотношением воздух/топливо 16:1…25:1 означает выгорание избыточного кислорода, может дать экономию топлива, по меньшей мере, на 10%, уменьшает содержание NO_x  и CO в выхлопных газах.

В двигателе с обедненной смесью требуется более точное регулирование состава топливо – воздушной смеси, более мощная искра зажигания. Уже имеются автомобильные двигатели, работающие на обедненных смесях, производимые серийно, например, на японских машинах Honda VTEC-E  и Toyota Carina-E. Эти двигатели используют рабочие смеси с соотношениями воздух/топливо порядка 22:1, отвечают требованиям по экологии в Европе и США, обеспечивают экономию топлива до 25%. Необходимым элементом системы управления таким двигателем является датчик кислорода с выходным сигналом, меняющимся плавно в пропорции с содержанием кислорода в выхлопных газах.

Датчик кислорода для двигателей с обедненными рабочими смесями является модернизацией обычного циркониевого датчика, но помимо обнаружения точки стехиометрического состава топливо – воздушной смеси он способен выдавать пропорциональный рабочий сигнал при изменении соотношения воздух/топливо смеси от очень обогащенного 10:1 до очень обедненного 35:1.

Конструкция одного из типов таких датчиков кислорода показана на рисунке 1, датчик выполнен из циркониевой керамики с платиновыми электродами. Он состоит из двух ячеек для перемещения ионов кислорода: ячейки I_p, куда закачиваются ионы кислорода и ячейки  V_s для обнаружения ионов кислорода. Через ячейку V_s проходит небольшой ток,  переносящий ионы кислорода вправо (Рис.1), поддерживающий камеру O₂ заполненной кислородом. Содержание кислорода в этой камере является эталонным количеством для датчика. Выхлопной газ поступает в измерительную камеру, на электродах ячейки V_s падает напряжение, пропорциональное концентрации кислорода в выхлопе. Электронная схема подает ток на электроды ячейки I_p, вызывая перемещение ионов кислорода из атмосферного воздуха, поддерживая напряжение V_s на одном и том же уровне 0.45 В. Таким образом ток I_p становится мерилом соотношения воздух/топливо для рабочей смеси.

Рис.1.Конструкция датчика кислорода двигателей, работающих на обедненных смесях

На рисунке 2 представлена типичная зависимость между выходным напряжением датчика кислорода для бедных смесей и отношением воздух/топливо.

Рис.2. Выходные характеристики датчика кислорода.

При появлении некоторых веществ в выпускном коллекторе происходит изменение статических характеристик датчика кислорода (отравление) и постепенный выход его из строя. Чаще всего это свинец (Pb) из этилированного бензина или кремний (Si) из силиконовых герметиков (Рис.3).

Рис.3.Влияние различных факторов на характеристики датчика кислорода

На динамические характеристики системы управления двигателем влияет конструкция датчика кислорода, его расположение, техническое состояние. Без защитного колпачка датчик на основе ZrO₂ способен переключаться за время менее 10 мс при температуре керамики 900˚С. Большинство систем управления двигателем не нуждаются в таком быстродействии.

Датчик кислорода размещается на расстоянии 0.2…2 м (обычно 1 м) от выпускных клапанов, чтобы газы из всех цилиндров равномерно перемешивались, а транспортное запаздывание не было слишком большим. Запаздывание составляет от 500 мс на холостом ходу до 20 мс под нагрузкой.

Имеется несколько конструкций датчиков концентрации кислорода:

• Датчик с одним проводом. По этому проводу выходной сигнал поступает в ЭБУ. В качестве второго провода используется масса автомобиля.
• Датчик с двумя проводами. Здесь измерительная земля не связана с массой, используется для этого второй провод.
• Датчик с тремя проводами, имеющими следующее назначение: измерительный сигнал, два провода для питания электронагнревателя датчика. В качестве измерительной земли используется масса автомобиля.
• Датчик с четырьмя проводами. Нагреватель, и датчик подключены отдельно от массы.

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.

Все статьи автора «Яковлев Вадим Фридрихович»