Датчик кислорода
Bosch поставил 10 миллионов датчиков на рынок США в 1976 году, а к 1983 их количество достигло 50 миллионов. Сегодня Bosch ежегодно производит 33 миллиона датчиков кислорода.В 1982 Bosch выпустил подогреваемый датчик кислорода, достигающий полной работоспособности за 30 секунд от момента старта холодного двигателя. Такие датчики нагреваются до 400 oC и служат в среднем до 160 000 километров – вдвое больше, чем выпускавшиеся до него датчики без подогрева.В 1994 Bosch разработал датчик кислорода с планарной керамической структурой, выходящей на режим полной работоспособности уже через 10 секунд после старта двигателя.Современные датчики кислорода

Датчики кислорода (см. Рис. 1) сегодня востребованы благодаря постоянно растущим жестким требованиям по токсичности выхлопных газов, и идут рука об руку с каталитическими конвертерами. Один датчик кислорода установлен в выпускном коллекторе непосредственно перед катализатором. Иногда второй датчик устанавливается в выхлопной системе после каталитического конвертера для того, чтобы обеспечить его максимальную эффективность.
Получаемая с датчиков информация, показывает, насколько полно происходит сгорание топлива в камерах двигателя внутреннего сгорания. Оптимальные показания получаются, когда соотношение воздуха к топливу составляет 14.7 : 1. Стехиометрическое соотношение воздух/топливо – это когда на 1 килограмм бензина приходится 14.7 килограмм воздуха, теоретически необходимого для полного сгорания. Фактор избыточного количества воздуха (λ-“лямбда”) показывает отношение действительного количества воздуха (в смеси воздух+топливо) к теоретически необходимому. То есть λ = (действительная масса воздуха)/(теоретическая потребность в воздухе).

Рисунок 2. Диапазон регулирования и состав выхлопных газов.
1 – Без катализатора.
2 – С катализатором.
3 – Величина напряжения на выходе λ-датчика кислорода.
Рисунок 3. Датчик кислорода в выхлопной трубе
1. Керамическое покрытие
2. Электроды
3. Контакты
4. контакты корпуса
5. Выхлопная труба
6. Керамическая поддерживающая оболочка (пористая)
7. Отработавшие газы
8. Наружный воздух.

Отклонения от оптимального соотношения воздуха к топливу приводят к отклонениям в уровнях содержания токсичных газов в выхлопе. Избыток топлива приводит к образованию углеводородов (HC) и окиси углерода (CO). Избыток воздуха может вызывать рост уровня оксидов азота (NOx). Датчик (или датчики) кислорода могут различать отклонения отношения воздуха к топливу от идеального и подать сигнал системе управления двигателем подстроить процессы впрыска топлива и зажигания.

Рисунок 6. Рабочие слои планарного датчика кислорода.
1. Пористый защитный слой
2. Внешний электрод
3. Покрытие датчика
4. Внутренний электрод
5. Изоляция со стороны наружного воздуха
6. Слой изоляции
7. Нагреватель
8. Покрытие нагревателя
9. Контакты

Каталитический конвертер способен снижать содержание HC, CO и NOx в отработавших газах более чем на 98% при условии, что двигатель будет работать в достаточно узком диапазоне отношений воздух/топливо (<1%). Середина этого диапазона приходится на стехиометрическое соотношение воздух/топливо (см. Рис. 2). Система регулирования топливоподачи (в составе системы управления двигателем) использует сигнал “цепи обратной связи” от датчика кислорода, для поддержания оптимального качества смеси топлива с воздухом в диапазоне, соответствующем наиболее эффективной работе катализатора.

Устройство датчика

Датчик кислорода (см. Рис. 3) представляет собой гальваническую ячейку (ячейку Нернста) с твёрдым электролитом. В качестве электролита используется газонепроницаемая керамика из диоксида циркония (ZrO2), стабилизированного оксидом иттрия (YO). C одной стороны (снаружи) он сообщается с выхлопными газами, а с другой (изнутри) – с атмосферой. На внешнюю и внутреннюю сторону керамики нанесены газопроницаемые электроды из тонкого слоя платины.
Платиновый электрод на наружной стороне работает как миниатюрный катализатор, поддерживающий в прилегающем слое поступающих выхлопных газов химические реакции, этот слой в состояние стехиометрического равновесия. Сторона чувствительной керамики, обращенная к отработавшим газам, во избежание ее загрязнения покрыта слоем пористой шпинелевой керамики (Шпинель – минералогическое название тетраоксида диалюминия-магния). Металлическая трубка со щелями предохраняет керамику от ударов и чрезмерных тепловых воздействий. Внутренняя полость сообщается с атмосферой и служит в качестве референсной (опорной) стороны датчика.
Работа датчика основана на принципе ячейки Нернста (гальванической ячейки). Керамический материал пропускает ионы кислорода при температурах от 350oC и выше. Разница в количестве кислорода с разных сторон чувствительной зоны датчика приводит к образованию электрического потенциала (напряжения) между этими двумя поверхностями (внутренней и внешней). Величина напряжения служит показателем того, на сколько количество кислорода на этих двух поверхностях различается. А количество остаточного кислорода в выхлопных газах точно соответствует пропорции между топливом и воздухом, поступающими в двигатель.

Рисунок 4. Подогреваемый датчик кислорода.
1. Корпус датчика 2. Керамический трубчатый держатель 3. Провод 4. Защитная трубка со щелями 5. Слой активной чувствительной керамики 6. Контакт 7. Защитный колпачок 8. Елемент подогрева 9. Подпружиненый контакт нагревателя 10. Пружинная шайба
Рисунок 5. Планарный датчик кислорода
1. Защитная трубка 2. Керамическая герметизирующая вставка 3. Корпус датчика 4. Керамический трубчатый держатель 5. Планарный чувствительный элемент 6. Защитный колпачок 7. Провод подключения

Создаваемое в зависимости от количества остаточного кислорода напряжение составляет 0,800-1,000 Вольта для богатой смеси и всего 0,050-0,100 Вольт для бедной. Зона между бедной и богатой смесью соответствует 0,450-0,500 Вольтам.

Подогреваемый датчик кислорода

Керамический нагревательный елемент (см. Рис. 4) используется для подогрева чувствительного элемента пока двигатель холодный или если работает с малой нагрузкой . Под нагрузкой темпаратура чувствительного элемента зависит уже больше от температуры отработавших газов. Подогреваемый датчик кислорода даёт возможность всегда поддерживать оптимальное качество смеси и минимальный уровень вредных выбросов в атмосферу благодаря тому, что есть возможность поддерживать его температуру оптимальной постоянно.

Планарный λ-датчик кислорода

Основной принцип работы (см. Рис. 5) тот же самый, что и у подогреваемого датчика “пальчикового” типа и заключается в том, что датчик создаёт ступенчатое изменение выходного напряжения при переходе λ через единицу. Планарный датчик отличается от пальчикового следующим:
• твердотельный электролит выполнен в виде слоёв керамики
• весь датчик представляет собой герметичную керамическую конструкцию
• двухслойная защитная трубка предохраняет чувствительный елемент от чрезмерных тепловых и механических стрессов

Индивидуальные активные слои (см. Рис. 6) обычно выполняются по технологии шелкографии. Пакетирование ламинированных слоёв в различных конфигурациях позволят интегрировать нагреватель прямо в чувствительный элемент.

Широкополосный λ-датчик кислорода

Этот датчик также использует принцип ячейки Нернста, но устроен по-другому. Его конструкция подразумевает наличие двух камер (ячеек): измерительной и так называемой “насосной” (см. Рис. 7). Через маленькое отверстие в стенке насосной ячейки выхлопные газы попадают в измерительную камеру (диффузионную щель) в ячейке Нернста.

Рисунок 7. Конструкция широкополосного датчика кислорода непрерывного действия, установленного в выхлопной трубе.
1. Ячейка Нернста
2. Референсная ячейка
3. Подогреватель
4. Диффузионная щель
5. Насосная ячейка
6. Выхлопная труба

Эта конфигурация отличается от обычного датчика с двумя состояниями постоянным поддержанием стехиометрического соотношением воздух/топливо в диффузионной камере. Электронная схема модуляции напряжения питания поддерживает в измерительной камере состав газов, соответствующий λ=1. Для этого насосная ячейка при работе двигателя на бедной смеси и избытке кислорода в выхлопных газах удаляет кислород из диффузионной щели во внешнюю среду; а при богатой смеси и недостатке кислорода в выхлопных газах перекачивает ионы кислорода из окружающей среды в диффузионную щель. Направление тока для перекачивания кислорода в разные стороны тоже отличается.
Так как насосный ток пропорционален концентрации кислорода – он и является показателем величины λ-фактора отработавших газов.

Таким образом, если обычные датчики используют напряжение на ячейке Нернста для прямого измерения и определения одного из двух состояний (λ>1 или λ<1), то широкополосные датчики используют специальную схему, управляющую током “накачки” насосной ячейки. Величина этого тока и измеряется как признак содержания избыточного воздуха в выхлопных газах.
Так как работа датчика уже больше не зависит от ступенчасти в работе ячейки Нернста, то коэффициент избыточного воздуха (λ) может быть измерян в широких ределах от 0.7 до 4. Соответственно, контроль двигателя по λ может работать уже во всем спектре значений (а значит и режимов), а не только в одной точке около λ=1
Встроенный нагреватель обеспечивает рабочую температуру не ниже 600oC.

Замкнутая петля лямбдарегулирования

Рисунок 8. Схема замкнутой петли λ-регулирования качества смеси.
1. Датчик массового расхода воздуха
2. Двигатель
3a. Датчик кислорода 1
3b. Датчик кислорода 2
4. Катализатор
5. Форсунки инжектора
6. Электронный Блок Управления
Vv напряжение управления форсунками
Vs напряжение с датчика
Qe Количество впрыскиваемого топлива

Датчик кислорода передает сигнал (напряжение) электронному блоку управления (ЭБУ) двигателем. Этот сигнал используется системой для обогащения или обеднения смеси в соответствии с величиной напряжения с датчика (см. Рис. 8). Таким образом система обогащает бедную смесь, увеличивая количество впрыскиваемого топлива, и обедняет богатую, уменьшая количество топлива.

Информация и иллюстрации к статье предоставлены Bosch.
Оригинал на английском языке был опубликован в журнале Service Tech Magazine
Адаптированный перевод – Mobile Electronics

Статья о физических принципах, лежащих в основе работы датчика кислорода