Лямбда-зонд — датчик кислорода

Кислородный датчик, или лямбда-зонд – электронный прибор, который замеряет долю содержания кислорода (O₂) в исследуемой жидкости или газе. Разработан компанией BOSCH в конце 60-х годов. Чувствительный элемент выполнен в форме наперстка который с обеих сторон покрыт тонким слоем платины. Выпускается со встроенным нагревателем или без него.

Планарный (плоский) лямбда зонд поступил на рынок в 1998 году и характеризуется значительно меньшей массой керамического чувствительного элемента, а также оборудуется встроенным нагревателем. В результате такой датчик быстрее приходит в рабочее состояние и обладает более высокой реакцией. Наиболее широко применяется для измерения концентрации кислорода в отработавших газах двигателей внутреннего сгорания.

Использование лямбда зонда в автомобилях

Автомобильный кислородный датчик, или лямбда датчик, позволил создать современные электронные системы впрыска топлива и контроля за составом отработавших газов. Лямбда зонд устанавливается в выхлопной системе автомобиля. Его показания  объединяются с показаниями других датчиков и, таким образом, косвенно удается определить состав топливовоздушной смеси, на которой работает двигатель. Это так называемая система контроля с обратной связью по замкнутому контуру (closed loop). Она позволяет намного быстрее определять и корректировать состав рабочей смеси, нежели это получается в системах контроля без обратной связи (open loop) – когда показания лямбда датчика игнорируются, или состав смеси определяется датчиком, установленным во впускном трубопроводе. Система контроля состава смеси по замкнутому контуру также дает возможность эффективно снижать количество выбросов продуктов неполного сгорания топлива  и оксидов азота в атмосферу. Продукты неполного сгорания топлива – это, в основном, углеводороды, а оксиды азота (NO_x) образуются в результате сгорания топлива при температуре выше 1000⁰C из-за избытка воздуха в топливной смеси. Подвешенные в воздухе углеводороды приводят к образованию смога, а выбросы оксидов азота вызывают осадки в виде кислотных дождей.

Лямбда зонд, скорее, не измеряет концентрацию кислорода, а показывает количество кислорода, требуемого для полного сгорания  топлива в двигателе. Работа двигателя на богатой смеси вызывает недостаток кислорода в выхлопных газах. Это приводит к повышению напряжения в чувствительном элементе лямбда датчика и означает недостаток кислорода в топливовоздушной смеси, поступающей в двигатель. Работа двигателя на бедной смеси наоборот, приводит к избытку кислорода в выхлопных газах, снижению напряжения лямбда датчика, и означает избыток кислорода в топливовоздушной смеси.

Современные двигатели внутреннего сгорания с искровым зажиганием оборудуются лямбда зондом и каталитическим нейтрализатором с целью снижения вредных выбросов. Для двигателей с искровым зажиганием основными вредными выбросами являются три компонента:

• углеводороды (образующиеся при неполном сгорании топлива в результате пропусков воспламенения или работе двигателя на богатой смеси);
• угарный газ - CO (образуется при работе двигателя на слегка обогащенной смеси);
• оксиды азота NO_x (доминируют в составе отработавших газов при работе на бедной смеси).

Информация от лямбда датчика, о содержании кислорода в выхлопных газах, поступает в электронный блок управления двигателем (ECU), который изменяет количество впрыскиваемого топлива для компенсации избытка воздуха или топлива в рабочей смеси. ECU пытается поддерживать постоянный состав смеси - с точным соотношением воздух/топливо в ней. Конечная цель – достижение компромисса между топливной экономичностью, мощностью и количеством вредных выбросов автомобиля. Такой компромисс достигается при стехиометрическом составе смеси. Неисправность лямбда датчика, - из-за естественного старения, работы на этилированном топливе или топливе содержащем кремний или силикаты – может привести к повреждению каталитического нейтрализатора и дорогостоящему ремонту.

Вмешательство в работу, или модификация сигнала, поступающего от лямбда-датчика к ECU, может пагубно отразиться на системе контроля за составом отработавших газов и даже причинить ущерб автомобилю. Когда двигатель работает на небольшой нагрузке (при малом открытии дроссельной заслонки или на постоянных оборотах) он управляется электроникой в режиме замкнутого контура, т.е. устанавливается обратная связь между ECU двигателя и кислородным датчиком. На основании показаний лямбда датчика электронный блок управления изменяет состав смеси, поступающей в двигатель. Такая обратная связь заставляет двигатель работать то на слегка обедненной, то на слегка обогащенной смеси. Так ECU пытается поддерживать стехиометрический состав смеси. Если сигнал от лямбда-датчика изменяется, и двигатель начинает работать на слегка обедненной смеси, - это улучшит топливную экономичность двигателя, но недостатками будет: повышенный выброс оксидов азота NO_x, высокая температура выхлопных газов, и большая вероятность пропусков воспламенения, что вызовет значительную потерю мощности двигателя. Если, в результате каких-либо изменений, двигатель начинает работать на обогащенной смеси, это приведет к кратковременному увеличению мощности (после чего  двигатель начнет «захлебываться» от большого количества несгоревшего топлива), при этом увеличивается расхода топлива, содержание углеводородов в отработавших газах, что приводит к чрезмерному нагреву каталитического нейтрализатора. Длительная работа двигателя на обогащенной смеси может привести к полному выходу из строя каталитического нейтрализатора.

Широкополосный лямбда-зонд

Этот датчик является комбинацией датчика «бедной смеси», использующего принцип предельного тока, и датчика на основе диоксида циркония. Так же как и двухэлементный датчик в сочетании с электродной системой управления с обратной связью, широкополосный датчик вырабатывает сигнал, который плавно растет в границах широкого диапазона 0,7 < λ < 1,4.

Элемент накачки и элемент концентрации выполнены из ZrO₂, и каждый из них покрыт двумя пористыми платиновыми электродами. Между элементами имеется зазор в 10…50 мкм.

Этот зазор связан с окружающим его отработавшим газом через специальное отверстие в твердом электролите и в тоже время представляет собой диффузионный барьер, который определяет предельный ток. Электронная схема управляет напряжением, подаваемым на элемент накачки так, что состав отработавшего газа остается постоянным при λ = 1. Это соответствует напряжению на элементе концентрации U = 450мВ. При отработавших газах, соответствующих бедной смеси, элемент датчика передает кислород из измерительного зазора наружу. С другой стороны, когда отработавшие газы соответствуют богатой смеси, кислород забирается из окружающего отработавшего газа путем разложения CO₂ и H₂O и передается в измеряющий зазор; при этом направление потока кислорода меняется на противоположное. Ток накачки пропорционален имеющейся или потребной концентрации кислорода. Встроенный нагреватель поддерживает рабочую температуру датчика на уровне минимум 600⁰C.

Виды регулирования лямбда-зондом

Двухступенчатое регулирование

Лямбда датчик на основе диоксида циркония с его характеристикой скачка напряжения при λ = 1 может быть использован для двухступенчатого управления. Скачок напряжения и пилообразный сигнал меняют направление при каждом скачке напряжения, что указывает на переход от богатой смеси к бедной или наоборот.

Типичная амплитуда колебаний этой регулируемой переменной должна быть в пределах 2-3% от ее среднего значения.

Типичные ошибки датчика при замерах вызываются изменениями состава отработавшего газа и могут быть компенсированы путем использования выборочного контроля.

Двухступенчатое регулирование с датчиком сравнения

Влияние нарушения момента скачка напряжения на точность измерений при λ = 1 сведено до минимума применением модифицированного покрытия поверхности. Тем не менее имеют место старение и влияние окружающей среды (загрязнение). Лямбда датчик, расположенный за каталитическим нейтрализатором, намного меньше подвержен такому влиянию. Принцип двухступенчатого контроля с датчиком сравнения базируется на том явлении, что контролируемое изменение качества смеси дополняется небольшим корректирующим воздействием со стороны контура управления.

Непрерывное регулирование посредством широкополосного датчика кислорода

При использовании широкополосного датчика кислорода возможно получение непрерывного контроля λ = 1 с постоянной, высокоустойчивой и очень низкой амплитудой параллельно с высокой динамической реакцией. При необходимости учета эксплуатационных характеристик двигателя (например, его прогрев), оптимизация выброса токсичных компонентов заключается в использовании возможностей присущих установленному значению λ ≠ 1 в дипазоне, соответствующем бедным смесям.

Есть вопросы? ЗАДАВАЙ!