Датчики детонации

Датчики детонации используются для обнаружения явления детонации при сгорании рабочей смеси в цилиндрах. Контроль за детонацией особенно актуален в современных двигателях с высокой компрессией, так как для их эффективной работы угол опережения зажигания близок к предельному, за которым начинается детонация.

Датчики детонации отличаются большим разнообразием по конструкции и физическим принципам работы, так как имеет место большое количество признаков проявления детонации. Соответственно, датчики могут размещаться на двигателе в различных местах. Обнаружение детонации можно производить различными способами: измерением давления непосредственно в цилиндре, измерением ионизационного тока через электроды свечи после воспламенения и т. д.

Наиболее распространен способ установления детонации с помощью пьезокварцевого вибродатчика (рисунок 29), все элементы которого крепятся к основанию 1, выполненному из титанового сплава. Пьезоэлектрический преобразователь состоит из двух включенных параллельно кварцевых пьезоэлементов. При возникновении детонации (вибрации) инерционная масса 3 воздействует на пьезоэлементы 2 с соответствующей частотой и усилием. В результате пьезоэффекта появляется переменный сигнал, который снимается с кварцевых пластин с помощью выводов из латунной фольги 4.

Рисунок 29 – Пьезоэлектрический вибродатчик

1 – основание; 2 – пьезоэлементы; 3 – инерционная масса; 4 – латунная фольга; 5 – крышка; 6 – кабель

Датчики кислорода (λ-зонды)

В идеальном случае, когда состав топливовоздушной смеси стехиометрический (λ =1), при сжигании 1 кг (1 л) топлива и 14,7 кг (10 м³) воздуха образуются вода и двуокись углерода. Эти вещества нетоксичны. Но даже при стехиометрическом составе топливовоздушной смеси ее 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 NO_x, О₂. На современных автомобилях вредные компоненты выхлопных газов нейтрализуются. Почти любая система нейтрализации содержит в своем составе датчик (или два датчика) концентрации кислорода, который в англоязычной литературе называется лямбда-зондом (λ -зонд).

В современных автомобильных двигателях, снабженных каталитическими нейтрализаторами, важно точно контролировать состав топливовоздушной смеси и поддерживать коэффициент избытка воздуха близким к единице. Для этого применяются датчики кислорода, устанавливаемые в системе отвода выхлопных газов и вырабатывающие сигнал, зависящий от концентрации кислорода в выхлопе. Этот сигнал используется в ЭБУ двигателя для коррекции длительности открывания форсунок, чем обеспечивается поддержание стехиометрического состава топливовоздушной смеси.

В таких случаях используются циркониевые и титановые датчики кислорода, которые реагируют на изменение содержания свободного кислорода в выхлопных газах скачкообразным изменением выходного сигнала в диапазоне значений 0,99…1,01 для коэффициента λ.

Бортовые диагностические автомобильные системы второго поколения OBD-II должны осуществлять постоянный мониторинг узлов, выход из строя которых приведет к увеличению выбросов токсичных веществ. Прямое измерение концентрации СО, СН и NO_x в выхлопных газах на серийных автомобилях экономически нецелесообразно. Вместо этого применяется система нейтрализации с двумя датчиками кислорода. Второй датчик кислорода устанавливается на выходе нейтрализатора и контролирует его исправность (рисунок 30).

Рисунок 30 – Датчики кислорода на входе (1) и выходе (2) каталитического нейтрализатора с соответствующими выходными сигналами

Система управления подачей топлива в двигатель является релейным стабилизатором стехиометрического состава топливовоздушной смеси, который (состав) колеблется около стехиометрического значения с частотой 4...10 Гц. Колебания отслеживаются первым, входным по отношению к каталитическому нейтрализатору, датчиком кислорода. Сигнал с первого датчика изменяется между значениями 0,1...0,9 В с частотой 4...10 Гц (в соответствии с изменениями концентрации кислорода в выхлопных газах). В исправном нейтрализаторе избыточный кислород участвует в химических реакциях, его концентрация в выхлопных газах уменьшается и в выходном сигнале второго датчика кислорода на выходе нейтрализатора практически нет колебаний (рисунок 31, 2). Чем более засорен или отравлен нейтрализатор, тем более похожи сигналы входного и выходного датчиков (рисунок 31, 1 и 3).

Рисунок 31 – Выходной сигнал входного (1) и выходного (2 и 3) датчиков кислорода

Ужесточение требований к уменьшению количества токсичных веществ, выбрасываемых в атмосферу с выхлопными газами автомобиля, в частности возможное нормирование в ближайшее время содержания СО₂, а также повышение требований к топливной экономичности делают необходимым применение двигателей, более эффективно использующих топливо. Потенциально таким требованиям отвечают двигатели, работающие на обедненных смесях. Использование 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 NO_x и СО в выхлопных газах.

Циркониевый датчик (рисунок 32) имеет два электрода – внешний 4 и внутренний 5. Оба электрода выполнены из пористой платины или ее сплава и разделены слоем твердого электролита. Электролитом является диоксид циркония ZrO₂ с добавлением оксида иттрия Y₂О₃ для повышения ионной проводимости электролита. Среда, окружающая внутренний электрод, имеет постоянное парциальное давление кислорода. Внешний электрод омывается потоком отработавших газов в выпускной системе двигателя с переменным парциальным давлением кислорода. Ионная проводимость твердого электролита, возникающая вследствие разности парциальных давлений кислорода на внешнем и внутреннем электродах, обусловливает появление разности потенциалов между ними.

Рисунок 32 – Схема циркониевого датчика кислорода (λ -зонда)

1 – электропроводное уплотнение; 2 – корпус; 3 – твердый электролит; 4, 5 – внешний и внутренний электроды

При низком уровне парциального давления кислорода в отработавших газах, когда двигатель работает на обогащенной смеси (λ <1), датчик, как гальванический элемент, генерирует высокое напряжение (700-1000 мВ). При переходе на обедненную смесь (λ >1) парциальное давление кислорода в отработавших газах заметно увеличивается, что приводит к резкому падению напряжения на выходе датчика до 50-100 мВ. Такое резкое падение напряжения датчика (рисунок 33) при переходе от обогащенных к обедненных смесям позволяет определить стехиометрический состав смеси с погрешностью не более ±0,5%.

Рисунок 33 – Характеристика циркониевого датчика кислорода

Конструкция датчика кислорода на основе диоксида циркония показана на рисунке 34.

Рисунок 34 – Циркониевый датчик кислорода

1 – металлический корпус; 2 – уплотнение; 3 – соединительный кабель; 4 – кожух; 5 – контактный стержень; 6 – активный элемент из двуокиси циркония; 7 – защитный колпачок с прорезями

Принцип работы датчика кислорода на базе диоксида титана ТiO₂ основан на изменении электропроводности ТiO₂ при изменении парциального давления кислорода в выпускной системе. Конструкция датчика представлена на рисунке 35. Параллельно чувствительному элементу 1 датчика подключен термистор для компенсации влияния температуры на сопротивление соединения ТiO₂.

Рисунок 35 – Датчик кислорода на основе ТiO

1 – чувствительный элемент; 2 – металлический корпус; 3 – изолятор; 4 – входные контакты; 5 – уплотнение; 6 – защитный кожух

При появлении некоторых веществ в выпускном коллекторе происходит изменение статических характеристик датчика кислорода (отравление) и преждевременный выход его из строя. Чаще всего это свинец (Рb) из этилированного бензина или кремний (Si) из силиконовых герметиков (рисунок 36).

Рисунок 36 – Влияние различных факторов на характеристики датчика кислорода

Кроме того, на динамические характеристики системы управления двигателем влияет конструкция датчика кислорода, его расположение, техническое состояние. Без защитного колпачка датчик на основе ZrО₂ способен переключаться за время менее 10 мс при температуре керамики 900 ºС. Большинство систем управления двигателем не нуждаются в таком быстродействии, и оно ограничивается.

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 слишком большим. Запаздывание составляет от 500 мс на холостом ходу до 20 мс под нагрузкой.

Дата добавления: 2015-08-13