Датчик концентрации кислорода (λ-зонд)

Министерство образования и науки РФ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ (МАМИ)

 

Кафедра

«Автотракторное Электрооборудование»

 

 

 

 

Реферат

На тему:

«Датчик концентрации кислорода (λ-зонд)»

 

 

 

 

Выполнил:

студент,

Фирсов Иван Иванович

факультет ЭМиП

курс V

группа 9-ЗАЭ-5

 

 

Проверил:

профессор, д.т.н,

Еременко Владимир Григорьевич

 

 

 

 

 

 

Москва

 

2013

Содержание

 

1. Причины применения

 

2. Общее описание системы  с датчиком кислорода

 

3. Принципы работы и  конструкции датчиков

 

       3.1 ДК на диоксиде титана

 

       3.2 ДК на диоксиде циркония

 

4. Особенности эксплуатации

 

5. Вывод

 

6. Список литературы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Причины применения

 

Процесс сжигания углеводородного топлива, применяемого в системах питания автомобильных двигателей внутреннего сгорания (ДВС), описывается уравнением:

 

СmНn + (m + n/4)О2 = mСО2 + (n/2)Н2O

 

В идеальном случае, когда состав топливовоздушной смеси (ТВС) стехиометрический (λ = 1), при сжигании 1 кг топлива и 14,7 кг воздуха образуются вода и двуокись углерода. Эти вещества нетоксичны. В реальности даже при стехиометрическом составе ТВС её сгорание осуществляется не полностью, и образуются токсичные вещества. Сгорание богатой смеси (λ < 1) приводит к появлению избыточного количества СО, Н2 и СН, бедные смеси (λ > 1) приводят к образованию NOX, O2. На современных автомобилях вредные компоненты выхлопных газов нейтрализуются. Суть нейтрализации заключается в приведении состава ТВС возможно близко к λ = 1 и каталитическому превращению токсических веществ выхлопа в экологически безопасные соединения посредством специального устройства – каталитического нейтрализатора. Такая система содержит в своем составе один или два датчика концентрации кислорода (ДК), который часто также называется лямбда-зондом (λ-зонд).

 

 

Как можно увидеть из приведенных графиков, область эффективной работы системы катализа, – «Окно», очень узкая, но именно работа в этом «Окне» обеспечивает эффективную нейтрализацию более чем 80 % токсичных компонентов выхлопа. Обеспечить такую точность возможно только с помощью систем питания с электронным контролем процессов смесеобразования и подачи топлива при использовании в цепи обратной связи ДК. Такой алгоритм управления называется «лямбда-регулирование». Кроме очевидных экологических преимуществ, он также позволяет ощутимо повысить топливную экономичность автомобиля при максимализации, отдаваемой им мощности.

 

 2. Общее описание системы с датчиком кислорода

 

 

Регулирующий датчик кислорода установлен в выпускном коллекторе ДВС на расстоянии, гарантирующем надежное перемешивание выхлопных газов от разных цилиндров и перед каталитическим нейтрализатором. Датчик, расположенный в потоке отработанных газов (ОГ), непрерывно подает сигнал в блок управления, указывая концентрацию остаточного кислорода, находящегося в ОГ на данный момент и в зависимости от степени его отклонения от стехиометрического состава λ = 1, приведенного ко входу впускного коллектора, оказывает управляющее корректирующее воздействие на устройство подготовки ТВС. Устройство подготовки ТВС корректирует состав смеси и приводит его по сигналу блока управления к необходимому λ = 1. Подготовка топливно-воздушной смеси может выполняться посредством смесителя, инжектора, или, в случае дизеля, готовиться непосредственно в цилиндре двигателя.

Каталитический нейтрализатор представляет собой специализированный химический реактор, внутри которого находятся благородные металлы платина, родий и палладий. Когда токсичные вещества, - угарный газ, углеводород и оксид азота вступают с ними в контакт, они подвергаются ускоренным процессам превращения:

— Угарный газ и углеводороды становятся водой и углекислым газом (окисление).

— Оксиды азота превращаются в азот, кислород и углекислый газ (раскисление).

Современные катализаторы обеспечивают разложения вредных веществ более, чем на 95 процентов.

После катализатора иногда ставится еще один датчик кислорода. Этот датчик выполняет диагностическую функцию. Сравнивая показатели этих двух датчиков, можно сделать вывод о состоянии каталитического нейтрализатора, диагностировать неисправность и вовремя предупредить её.

 

В серийных автомобилях часто неоправданно использование линейных датчиков кислорода, а применение нашли релейно-пороговые датчики с порогом переключения, выполняемым технологически возможно близко λ = 1. Фактически в этом случае осуществляется поддержание состава смеси в некотором определенном коридоре между значениями условно соответствующими богатой и бедной смесям. Имеет место некоторый гистерезис,  и в системе в установившемся режиме присутствуют колебания частотой до нескольких Гц, определяемые собственной мерой инертности системы, а также быстротой реакции в петле обратной связи. Это не сказывается негативным образом на работе системы, если только коридор (фактически предельные отклонения от λ) не составляет порядок более предельно допустимой величины.

 

 

 

3. Принципы работы и конструкции датчиков.

  

Применяемые в современных автомобилях выполняются датчики кислорода, можно разделить на два типа:

— На диоксиде титана (TiO2), – резистивный элемент, у которого величина электрического сопротивления зависит от парциального давления кислорода в омываемых датчик выхлопных отработавших газах.

— На диоксиде циркония (ZrO2) , – химический источник тока (ХИТ) с зависимой от концентрации кислорода электродвижущей силой (ЭДС).

 

 

 

 

 

 

3.1. ДК на диоксиде титана

 

Кислородный датчик этого типа является пассивным преобразователем резистивного типа, в котором омическое сопротивление изменяется под воздействием изменения концентрации кислорода в окружающей его газовой среде. Резистивная часть датчика 1 выполнена из диоксида титана (TiO2), который представляет собой кристаллическую полупроводниковую керамику с высокой поверхностной чувствительностью к свободному кислороду при высокой температуре. Такая восприимчивость керамики к кислороду обусловлена наличием в её кристаллической решетке свободных связей, которые могут быть легко восстановлены ионами кислорода. Ионы кислорода О+ образуются в поверхностном слое под воздействием высокой температуры (более 350°С) в присутствии активного катализатора. Роль катализатора играют платиновые пластины – электроды 2 и 3, нанесенные в виде тонких пленок в вакууме на поверхность полупроводника. Ионы кислорода по отношению к полупроводнику ТiO2 являются "летучей" донорной примесью, и они легко покидают кристаллическую решетку при понижении внешнего парциального давления кислорода. Заполнение или освобождение узловых связей в кристаллической решетке ионами кислорода играет роль регулятора омического сопротивления полупроводника. Измерение сопротивления выполняется между электродами 2 и 3 условным омметром 4.

В диапазоне рабочих температур при высоком содержании кислорода диоксид титана становится менее токопроводящим, при низком содержании кислорода его проводимость увеличивается. Наблюдается резкий скачок изменения сопротивления при колебаниях состава смеси около стехиометрического. Этот скачок можно непосредственно привязать к используемым в блоке управления логическим уровням, не забывая, что богатым смесям (λ < 1) соответствует меньшее сопротивление, а бедным (λ > 1) – большее. На графике показана зависимость сопротивления практически применяемого термокомпенсированного датчика от температуры для богатой и бедной смесей. Рабочая температура датчика в этом случае составляет 750 °C, что является результатом компромисса между приемлемым быстродействием с одной стороны, и конструктивно-технологическими ограничениями с другой.

 

Конструкция окисно-титанового ДК.

 

 

Корпус 2 датчика выполнен в виде стального резьбового штуцера, вворачиваемого в специально предназначенное отверстие выпускного коллектора. Внутренний объем корпуса заполнен массой изолятора 3, долговременно выдерживающего высокие рабочие температуры без ухудшения диэлектрических и механических свойств. На стороне датчика, находящейся в потоке газов, размещается чувствительный элемент 1 в виде усеченной полусферы из кристаллического TiO2 с выполненными на ней контактно-каталитическими площадками из платины. На обратной стороне корпуса в приливе изолятора имеются контакты 4, служащие для подключения датчика к блоку управления. Контакты электрически соединены с чувствительным элементом посредством тонких проводников, пропущенных сквозь специальное отверстие в изоляторе. Отверстие это загерметизированно заливкой специальным компаундом 5. Чувствительный элемент дополнительно защищен от механических повреждений запрессованным в корпус стальным колпачком 6, имеющим, однако, отверстия для свободной циркуляции газа.      

 

Преимущества:

— Не требуется эталонная атмосфера (в отличие от окисно-циркониевого)

— Компактная конструкция

— Высокое быстродействие

Недостатки:

— Требует применение серьезных мер термокомпенсации

— Не генерирует собственной ЭДС, имеет низкую помехозащищенность

— Чувствителен к механическим воздействиям

— Значительному дрейфу и нестабильности электрических характеристик

— Восприимчив к токсичности ОГ

 

 

 

3.2. ДК на диоксиде циркония

 

Датчик кислорода этого типа, – ХИТ, состоит из двух платиновых электродов 2 и 3, а также твердого электролита 1 на основе диоксида циркония ZrO2 , сформованного в полый керамический закрытый с одной стороны цилиндр. Цилиндр имеет пористую структуру и нанесенные с обеих сторон в вакууме на его поверхность тонкие пленки платины также пористые. По газовым потокам электроды разобщены так, что один из них омывается выходными отработавшими газами, а другой контактирует с эталонной атмосферой (воздух окружающей среды). Таким образом, создается электрохимическая система, которая становится активной при температуре выше 350 °С.

Природа возникающей активности указанной системы связана с высокотемпературным разложением молекул кислорода О2 на положительные ионы и свободные электроны (О2 → 2О+ + 2е). Такая реакция имеет место в порах твердого электролита за платиновыми электродами, где в присутствии катализатора и при высокой температуре кислород переходит в ионизированное состояние. Если концентрация кислорода с обеих сторон системы одинаковая, то разность электрических потенциалов на платиновых электродах равна нулю. С уменьшением концентрации кислорода в ОГ за счет выгорания О2 в цилиндрах ДВС, равновесие электрических зарядов нарушается, образуется движение ионов кислорода в электролите, на электродах 4 и 5 возникает электродвижущая сила (ЭДС) датчика, которая измеряется условным вольтметром 6 . Её полярность относительно наружного электрода датчика положительная. Зависимость же ЭДС от коэффициента избытка воздуха в рабочей смеси носит ярко выраженный «Триггерный» характер. Вблизи λ = 1 напряжение зонда очень резко - почти скачком и меняется в пределах примерно от 0,1 до 0,8 В. Это определяет рабочий диапазон – область регулирования систем с датчиком данного тапа. Рабочая температура датчика лежит в диапазоне от 500 °С до 900 °С. И выбирается исходя из соображений требуемого быстродействия и конструктивно-технологических факторов. Температурная стабильность параметров высока и, в принципе, не требует специальных дополнительных мер по своему улучшению. Однако, подогрев и термостатирование часто все же применяются, но не столько в угоду стабильности, сколько в целях минимизации времени приведения системы в рабочее состояние при переходных процессах.

 

Конструкция окисно-циркониевого датчика кислорода.

 

 

Корпус 1 датчика выполнен в виде стального резьбового штуцера, вворачиваемого в специально предназначенное отверстие выпускного коллектора. Чувствительный элемент 6 из диоксида циркония с выполненными на его внутренней и наружной поверхностях платиновыми электродами плотно посажен в корпус и имеет с ним надежный электрический контакт внешним электродом. Стальной колпачок 7 с отверстиями, защищает датчик от механических повреждений не нарушая приток газа. Уплотнение-изолятор 2 исключая замыкание контактного стержня 5 на корпус, выполняет также роль фильтра, через который внутренняя полость активного элемента 6 сообщается с атмосферой. Контактный стержень 5 обеспечивает передачу сигнала от внутреннего электрода активного элемента на соединительный кабель 3, не препятствуя процессам нормального газообмена. Соединительный кабель 3 служит для подключения датчика кислорода к блоку управления двигателем. Кожух 4 защищает датчик от вредного воздействии внешних факторов, и выполняет конструктивно-несущую функцию. Для сообщения внутреннего объема датчика с воздухом атмосферы в торцевой части кожуха выполнено несколько отверстий малого диаметра. 

 

Преимущества:

— Постоянство электрических характеристик в процессе эксплуатации

— Термостойкость и термостабильность

— Хорошая помехозащищенность

— Нечувствительность к гидроудару

— Малая восприимчивость к токсичности ОГ

Недостатки:

— Требует наличия эталонной атмосферы

— Технологически относительно сложен

— В производстве используются дорогие и дефицитные материалы

 

 

4. Особенности эксплуатации

 

Датчики кислорода имеют неразборную конструкцию и не требуют обслуживания. Ресурс ДК составляет от 30 до 80 тыс. км пробега автомобиля при соблюдении надлежащих условий эксплуатации, нарушение которых резко сокращает срок службы.

Как и любая деталь, кислородный датчик подвержен определённому износу и старению. С течением времени его технические характеристики изменяются в сторону ухудшения. Не в последнюю очередь из-за того, что датчик располагается в зоне горячих выхлопных газов, подвергается вибрации и воздействию агрессивных химических соединений.

Неисправный датчик или не посылает в блок управления сигнал вообще, или же параметры посылаемого сигнала не соответствуют пределам нормы. В результате блок управления двигателем, действует по аварийной программе, и не имея возможности определить, каков реальный состав сжигаемой смеси принудительно обогащает её сверх нормы. Тем самым обеспечивается возможность автомобиля двигаться. Но это имеет негативные последствия: повышается расход топлива в среднем на 15 %,  каталитический нейтрализатор катализатор больше не может корректно работать, в окружающий воздух попадает больше токсичных выбросов. Работая в таком режиме, катализатор быстро и необратимо выходит из строя.