2.5.2. Датчики кислорода для двигателей, работающих на обедненных смесях

Ужесточение требований к уменьшению количества токсичных вешеств, выбрасываемых в атмосферу с выхлопными газами автомобиля, в частности возможное тюрмирование в ближайшее время содержания СОз, а также повышение требований к топливной экономичности делают необходимым применение двигателей, более эффективно иснользуюших топливо. Потенциально таким требованиям отвечают двигатели, работающие на обедненных смесях. Ис1Юльзование рабочих смесей с соотношением воздух/топливо 16:1...25:1, когда имеет место активное выгорание избыточного кислорода, может дать экономию топлива по меньшей мере на 10% и значительное уменьшение содержания N0, и СО в выхлопных газах.

В двигателе, работающем на обедненной ТВ-смеси, требуется более точное регулирование ее состава и более мощная искра зажигания. Уже имеются такие автомобильные двигатели, выпускаемые серийно (напри.мер, на японских авто.мобилях 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 и обеспечивают эконо.мию топлива до 25%. Необходимым элементом системы автоматического управления таким двигателем является аналоговый датчик кислорода с выходны.м сигнаюм, меняющимся не скачкообразно, а плавно в пропорции с содержанием кислорода в выхлопных газах (рис. 2.18).

Аналоговый датчик кислорода для двигателей с обедненными рабочи.ми смесями является модернизацией обычного циркониевого датчика. Поми.мо обнаружения точки стехиометрического состава ТВ-смеси он способен выдавать рабочий сигнал, пропорциональный изменению соотношения воздух/топливо в ТВ-смеси от очень обогашешюго (10:1) до очень обедненного (35:1).

Конструкция одного из типов таких датчиков кислорода показана на рис. 2.19. Датчик выполнен из циркониевой керамики с платиновыми электродами. Он состоит из двух ячеек для перемещения ионов кислорода: ячейки /р, куда закачиваются ионы кислорода, и ячейки К, для обнаружения ионов кислорода. Через ячейку проходит небольшой стабилизированный ток /,р, переносяпшй ионы кислорода вправо и те.м самым поддерживающий камеру заполненной кислородом. Содержание кислорода в этой ка.мере является эталонным количеством для датчика. Выхлопные газы поступают в измерителы1ую камеру, и на электродах ячейки К, образуется падение напряжения, пропорциона..1ьное концентрации кислорода в выхлопе. Электронная схе.ма формирует ток Ур через электроды ячейки, вызывая генерацию и перемещение ионов кислорода из атмосферного воздуха, поддержи-

Отношение воздух/топливо

Рис. 2.18. Сигнал аналогового датчика кислорода

Ячейка р

Атмосферный воздух

Камера Ог

Выходное напряжение

Рис. 2.19. Конструкция и электронная схема датчика кислорода для ДВС, работающего

на обедненных ТВ-смесях

вая напряжение V, на одном и том же уровне 0,45 В. Таким образом ток / становится мерилом соотношения воздух/топливо д,чя рабочей смеси и формирует выходной аналоговый сигнал датчика в виде напряжения t/ ,.

2.5.3. Влияние различных факторов на характеристики датчиков кислорода

При появлении некоторых веществ в выпускном коллекторе происходит изменение статических характеристик датчика кислорода (отравление) и преждевременный выход его из строя. Чаще всего это свинец (РЬ) из этилированного бензина или кремний (Si) из силиконовых гсрметиков (рис. 2.20).

1200

I 600

400 200 О

-200

-400

0,98 0,99 1,00 1,01

Коэффициент избытка воздуха

1,02

1,03

Рис. 2.20. Влияние различных факторов на характеристики датчика кислорода

Измерительная камера Выхлопные / Ячейка Vs газы

Кроме того, на динамические характеристики системы управления двигателем влияет конструкция датчика кислорода, его расположение, техническое состояние. Без защитного колпачка датчик на основе ZrOj способен переключаться за время менее 10 мс при температуре кера.мики 900 °С. Большинство систем управления двигателем не нуждаются в таком быстродействии, и оно 0-раничивается.

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 слишко.м большим. Запаздывание составляет от 500 мс на холостом ходу ;ю 20 .мс 1Юд нагрузкой.

2.5.4. Газоанализаторы

Газоанализаторы предназначены для определения пара.метров выхл01тых газов в стационарных условиях на испытательном стенде.

Как правило, определяют содержание следующих газов в вьшюпе автомобиля: окиси углерода СО, двуокиси углерода COj, углеводорода СН, кислорода О. Газоанализатор выполняется в виде отдельного модуля с собственны.м дисплеем, по может подк-лючаться через последовательный порт и к компьютерному .мотор-тестеру. Помимо концентрации СО, СО2, СН, О2 газоанализатор может определять коэффициент избытка воздуха X и соотношение воздух/топливо. Показания могут сниматься до и после каталитического нейтрализатора. В табл. 2.10 значения, полученные с ио.мощью газоаншшзатора дш современного двигателя в отличном состоянии.

Таблица 2.10

До

; нейтрализатора

I После нейтрализатора

! 0,2

со, [%] НС, [млн-1] Ог, [%] СО2, [%]

15,3

14,7 , 1,0

Возд./топл.

14,7

14,7

Инфракрасный излучатель

Измерительная камера

Содержание окиси углерода, двуокиси углерода, углеводов определяется инфракрасны.ми методами, с использованием свойств различных газов но-раз-но.му поглощать инфракрасное излучение. Содержание кислорода определяется электрохимическими методами, используется устройство, анаюгичиос датчику кислорода.

Расс.мотри.м схему измерения концентрации газа СО (рис. 2.21). Инфракрасный излучатель нагревается примерно до 900 °С. Его лучи направляются рефлектором через вращающийся диск с отверстиями и далее через измерительную камеру в приемную камеру. В приемной камере, состоящей из двух герметичных полостей (1 и 2), которые сообщаются между собой по соединительному кана-

Расходомер

Рис. 2.21. Измерение концентрации СО