Лямбда-зонд - 14 січень 2018 - автоблог

Принцип роботи гальванічних елементів

Гальванічний елемент складається з двох різних металів, що знаходяться в розчині електроліту. У розчині метали можуть утворювати іони з різною інтенсивністю і заряджатися з різною інтенсивністю електронами. В результаті між металами виникає різниця потенціалів.

Мал. 1. Гальванічний елемент: 1 - перший електрод (метал №1); 2 - електроліт; 3 - другий електрод (метал №2).

1. Акумуляторна батарея автомобіля;
2. Обігрівається лямбда-зонд.

Принцип роботи лямбда-зонда

Лямбда-зонд (λ-зонд) - датчик кисню. Він дозволяє оцінювати кількість залишку вільного кисню у вихлопних газах для забезпечення ефективної (економічною і екологічною) роботи двигуна внутрішнього згоряння. Співвідношення повітря і палива в паливно-повітряної суміші має бути постійним на всіх режимах роботи.

Звичайні лямбда-зонди працюють за тим же принципом, що і гальванічний елемент, за винятком того, що в них міститься не рідкий, а твердий електроліт, а саме - діоксид цирконію (ZrO2). Починаючи з 300 ° С цей керамічний елемент пропускає іони кисню, але не пропускає електрони. Тільки в таких умовах цирконієвий електроліт набуває провідність, а різниця в кількості атмосферного кисню і кисню у вихлопній трубі веде до появи на електродах лямбда-зонда вихідної напруги.

Твердий електроліт - це матеріал, що володіє в широкому інтервалі температури іонною провідністю, порівнянної з рідкими електролітами. Провідність обумовлена ​​тим, що в структурі твердих електролітів іони мають значну рухливістю, тобто не прив'язані саме до певних вузлів кристалічної решітки. Вони займають проміжне положення між кристалом з регулярною структурою і рідким електролітом. Грубо кажучи, можна сказати, що твердий електроліт - «це іонна рідина в кристалі». Цьому поданням досить повно відповідають такі часто використовувані електроліти як ZrO2. стабілізований CaO або Y2 O3. який характеризується кисень-іонною провідністю.

Мал. 2. Залежність напруги лямбда-зонда від коефіцієнта надлишку повітря (l) при температурах датчика 500 ° С, 800 ° С, 900 ° С.

Для вимірювання кількості кисню у вихлопних газах в більшості датчиків використовується діоксид цирконію (ZrO2) і два електроди. Електроди служать для можливості визначення кількості іонів O2 на кожній поверхні шару твердого електроліту ZrO2.

Мал. 3. Пристрій лямбда-зонда і залежність напружень лямбда-зонда від змісту (в%) кисню в паливо-повітряної суміші: 1 - захисне пористе покриття (з боку впускних газів); 2 - пористий електрод Pt (+ ZrO2); 3 - твердий електроліт ZrO2 (+ Y2 O3); 4 пористий електрод Pt (+ ZrO2) (з боку еталонного повітря).

Одна сторона твердого електроліту ZrO2 контактує з вихлопними газами, а інша сторона контактує з еталонним повітрям. Різниця в концентрації кисню на кожній стороні твердого електроліту створює переміщення іонів O2 всередині шару ZrO2. Це означає, що сторона, що контактує з еталонним повітрям завжди має стабільну концентрацію, а сторона, що контактує з вихлопними газами матиме змінну концентрацію кисню. Багата паливо-повітряна суміш призводить до зменшення вмісту кисню у випускних газах, а бідна суміш - до збільшення вмісту кисню.

При багатою паливо-повітряної суміші електрони будуть накопичуватися на електроді, що контактує з еталонним повітрям і на електродах твердого електроліту ZrO2 створюється різниця потенціалів близько 0.8 В (різниця в концентрації кисню 21%, тому що при тиск 1 атм. В повітрі міститься приблизно 21 % кисню).

Пристрій і принцип роботи лямбда-зонда можна розглянути на прикладі кисневої концентраційної осередки з твердим електролітом (рис. 4).

Мал. 4. Киснева концентраційна комірка з твердим електролітом

Осередок складається з двох систем - стандарту і зразка, які розділені керамікою (твердий електроліт) з кисень-іонною провідністю на основі діоксиду цирконію. У кожну з систем підведений інертний платиновий електрод. За рахунок різниці тисків кисню в системах стандарту і зразка виникає струм іонів кисню через твердий електроліт з системи з великим тиском в систему з меншим. Цей процес відбувається за рахунок можливості вільного прийому і віддачі електронів на інертних електродах згідно хімічної реакції: O2 + 4e - = 2O2 -. У свою чергу, потік іонів кисню в твердому електроліті прямо пов'язаний з ЕРС, що виникає на електродах, яку можна виміряти вольтметром.

Різновиди лямбда-зондів

Широкосмуговий датчик являє собою сучасну конструкцію лямбда-зонда. Він застосовується в якості вхідного датчика каталітичного нейтралізатора. У широкополосном датчику значення "лямбда" визначається з використанням сили струму закачування.

При відмові датчика система переходить в аварійний режим без корекції змісту повітря в суміші.

Широкосмуговий датчик дозволяє отримати дещо іншу залежність напружень лямбда-зонда від змісту (в%) кисню в паливо-повітряної суміші (рис. 5).

Мал. 5. Залежність напружень широкосмугового лямбда-зонда від змісту (в%) кисню в паливо-повітряної суміші.

Крім цирконієвих, існують кисневі датчики на основі двоокису титану (TiO2). При зміні вмісту кисню (О2) у відпрацьованих газах вони змінюють своє об'ємне опір. Генерувати ЕРС титанові датчики не можуть; вони конструктивно складні і дорожче цирконієвих, тому, незважаючи на застосування в деяких автомобілях (Nissan, BMW, Jaguar), широкого поширення не отримали.

Для підвищення чутливості лямбда-зондів при знижених температурах і після запуску холодного двигуна використовують примусовий підігрів. Нагрівальний елемент (НЕ) розташований всередині керамічного тіла датчика і підключається до електромережі автомобіля (рис. 6).

Мал. 6. Конструкція датчика кисню з підігрівачем.

Схема установки і умови роботи лямбда-зонда

Лямбда-зонд встановлюється в випускний системі. На окремих моделях автомобілів застосовується два кисневих датчика: один встановлюється до каталітичного нейтралізатора, інший - після. Застосування двох кисневих датчиків підсилює контроль за складом відпрацьованих газів і забезпечує ефективну роботу нейтралізатора.

Мал. 7. Схема датчика кисню на основі діоксиду цирконію, розташованого у вихлопній трубі: 1 - твердий електроліт ZrO2; 2, 3 - зовнішній і внутрішній електроди; 4 - контакт заземлення; 5 - "сигнальний контакт"; 6 - вихлопна труба.

Мал. 8. Контактні висновки найбільш поширених цирконієвих лямбда-зондів: а - без підігрівача; б, с - з підігрівачем.