Понедельник, 11.12.2017, 12:35
Регистрация RSS
Приветствую Вас, Гость
Статистика



Онлайн всего: 1
Гостей: 1
Пользователей: 0
Мини-чат
Ресурсы

Канал YOUTUBE autoscienceAiD

Профиль Google+ Autoscience

Группа Вконтакте Autoscience

Главная » 2014 » Декабрь » 14 » Лямбда-зонд
15:37
Лямбда-зонд

Принцип работы гальванических элементов

Гальванический элемент состоит из двух разных металлов, находящихся в растворе электролита. В растворе металлы могут образовывать ионы с разной интенсивностью и заряжаться с разной интенсивностью электронами. В результате между металлами возникает разность потенциалов.

Рис. 1. Гальванический элемент: 1 – первый электрод (металл №1); 2 – электролит; 3 – второй электрод (металл №2).

Пример применения:

  1. Аккумуляторная батарея автомобиля;
  2. Обогреваемый лямбда-зонд.

 

Принцип работы лямбда-зонда

Лямбда-зонд (λ-зонд) — датчик кислорода. Он позволяет оценивать количество оставшегося свободного кислорода в выхлопных газах для обеспечения эффективной (экономичной и экологичной) работы двигателя внутреннего сгорания.  Соотношение воздуха и топлива в топливно-воздушной смеси должно быть постоянным на всех режимах работы.

Обычные лямбда-зонды работают по тому же принципу, что и гальванический элемент, за исключением того, что в них содержится не жидкий, а твердый электролит, а именно – диоксид циркония (ZrO2). Начиная с 300°С этот керамический элемент пропускает ионы кислорода, но не пропускает электроны. Только в таких условиях циркониевый электролит приобретает проводимость, а разница в количестве атмосферного кислорода и кислорода в выхлопной трубе ведет к появлению на электродах лямбда-зонда выходного напряжения.

Твердый электролит – это материал, обладающий в широком интервале температуры ионной проводимостью, сравнимой с жидкими электролитами. Проводимость обусловлена тем, что в структуре твердых электролитов ионы обладают значительной подвижностью, т.е. не привязаны строго к определенным узлам кристаллической решетки. Они занимают промежуточное положение между кристаллом с регулярной структурой и жидким электролитом. Грубо говоря, можно сказать, что твердый электролит – «это ионная жидкость в кристалле». Этому представлению достаточно полно соответствуют такие часто используемые электролиты как ZrO2, стабилизированный CaO или Y2O3, который характеризуется кислород-ионной проводимостью.

Рис. 2. Зависимость напряжений лямбда-зонда от коэффициента избытка воздуха (l) при температурах датчика 500°С, 800°С, 900°С.

Для измерения количества кислорода в выхлопных газах в большинстве датчиков используется диоксид циркония (ZrO2) и два электрода. Электроды служат для возможности определения количества ионов O2 на каждой поверхности слоя твердого электролита ZrO2.

Рис. 3. Устройство лямбда-зонда и зависимость напряжений лямбда-зонда от содержания (в %) кислорода в топливо-воздушной смеси: 1 – защитное пористое покрытие (со стороны впускных газов); 2 – пористый электрод Pt (+ZrO2); 3 – твердый электролит ZrO(+Y2O3); 4– пористый электрод Pt (+ZrO2) (со стороны эталонного воздуха).

Одна сторона твердого электролита ZrOконтактирует с выхлопными газами, а другая сторона контактирует с эталонным воздухом. Разница в концентрации кислорода на каждой стороне твердого электролита создает перемещение ионов Oвнутри слоя ZrO2. Это означает, что сторона, контактирующая с эталонным воздухом всегда имеет стабильную концентрацию, а сторона, контактирующая с выхлопными газами будет иметь изменяемую концентрацию кислорода. Богатая топливо-воздушная смесь приводит к уменьшению содержания кислорода в выпускных газах, а бедная смесь – к увеличению содержания кислорода.

При богатой топливо-воздушной смеси электроны будут накапливаться на электроде, контактирующем с эталонным воздухом и на электродах твердого электролита ZrOсоздается разность потенциалов около 0.8 В (разница в концентрации кислорода 21%, т.к. при давление 1 атм. в воздухе содержится примерно 21% кислорода).

При бедной топливо-воздушной смеси (увеличивается содержание кислорода) распределение ионов Oв объеме твердого электролита ZrOбудет более равномерным. Это означает, что разность потенциалов между электродами будет ниже, приблизительно 0.1 В (разница в концентрации кислорода, примерно 0%).

Устройство и принцип работы лямбда-зонда можно рассмотреть на примере кислородной концентрационной ячейки с твердым электролитом (рис. 4). 

Рис. 4. Кислородная концентрационная ячейка с твердым электролитом

Ячейка состоит из двух систем – стандарта и образца, которые разделены керамикой (твердый электролит) с кислород-ионной проводимостью на основе диоксида циркония. В каждую из систем подведен инертный платиновый электрод. За счет разницы давлений кислорода в системах стандарта и образца возникает ток ионов кислорода через твердый электролит из системы с большим давлением в систему с меньшим. Этот процесс происходит за счет возможности свободного приема и отдачи электронов на инертных электродах согласно химической реакции: O2 + 4e– = 2O2. В свою очередь, ток ионов кислорода в твердом электролите прямо связан с ЭДС, возникающей на электродах, которую можно измерить вольтметром.

 

Разновидности лямбда-зондов

Широкополосный датчик представляет собой современную конструкцию лямбда-зонда. Он применяется в качестве входного датчика каталитического нейтрализатора. В широкополосном датчике значение "лямбда" определяется с использованием силы тока закачивания.

Основная разница такого зонда по отношению к обычным λ-зондам — это комбинация сенсорных ячеек и так называемых накачивающих ячеек. Ячейки разделены диффузионным зазором шириной от 0,01 до 0,05 мм. Состав его газового содержимого постоянно соответствует λ=1, что для сенсорной ячейки значит напряжение в 450 милливольт. Содержание газа в зазоре и вместе с ним напряжение сенсора поддерживаются посредством различных напряжений, прикладываемых к накачивающей ячейке. При бедной смеси и напряжении сенсора ниже 450 милливольт ячейка выкачивает кислород из диффузионной полости. Если смесь богатая и напряжение лежит выше 450 милливольт, ток меняет свое направление, и накачивающие ячейки транспортируют кислород в диффузионные расщелины. При этом интегрированный нагревающий элемент устанавливает температуру области от 700 до 800 градусов.

При отказе датчика система переходит в аварийный режим без коррекции содержания воздуха в смеси.

Широкополосный датчик позволяет получить несколько иную зависимость напряжений лямбда-зонда от содержания (в %) кислорода в топливо-воздушной смеси (рис. 5).

Рис. 5. Зависимость напряжений широкополосного лямбда-зонда от содержания (в %) кислорода в топливо-воздушной смеси.

Кроме циркониевых, существуют кислородные датчики на основе двуокиси титана (TiO2). При изменении содержания кислорода (О2) в отработавших газах они изменяют свое объемное сопротивление. Генерировать ЭДС титановые датчики не могут; они конструктивно сложны и дороже циркониевых, поэтому, несмотря на применение в некоторых автомобилях (Nissan, BMW, Jaguar), широкого распространения не получили.

Для повышения чувствительности лямбда-зондов при пониженных температурах и после запуска холодного двигателя используют принудительный подогрев. Нагревательный элемент (НЭ) расположен внутри керамического тела датчика и подключается к электросети автомобиля (рис. 6).

Рис. 6. Конструкция датчика кислорода с подогревателем.

 

Схема установки и условия работы лямбда-зонда

Лямбда-зонд устанавливается в выпускной системе. На отдельных моделях автомобилей применяется два кислородных датчика: один устанавливается до каталитического нейтрализатора, другой – после. Применение двух кислородных датчиков усиливает контроль за составом отработавших газов и обеспечивает эффективную работу нейтрализатора.

Рис. 7. Схема датчика кислорода на основе диоксида циркония, расположенного в выхлопной трубе: 1 – твердый электролит ZrO2; 2, 3 – наружный и внутренний электроды; 4 – контакт заземления; 5 – "сигнальный контакт"; 6 – выхлопная труба.

Рис. 8. Контактные выводы наиболее распространенных циркониевых лямбда-зондов: а – без подогревателя; б, с – с подогревателем.

Лямбда-зонд – наиболее уязвимый датчик автомобиля с системой впрыска. Его ресурс составляет 40 - 80 тыс. км в зависимости от условий эксплуатации и исправности двигателя. Плохое состояние маслосъемных колец, попадание антифриза в цилиндры и выпускные трубопроводы, обогащенная топливно-воздушная смесь, сбои в системе зажигания сильно сокращают срок его службы. Применение этилированного бензина категорически недопустимо.

Источники:

Просмотров: 2825 | Добавил: Zergoman | Теги: кислород, Датчик, датчик кислорода, лямбда-зонд | Рейтинг: 3.5/2
Всего комментариев: 0
Добавлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи.
[ Регистрация | Вход ]