Датчик кислорода на шевроле нива где находится: Датчик кислорода на Шевроле Нива: где находится, замена

Современные компьютеризированные системы управления двигателем полагаются на входные данные от различных датчиков для регулирования производительности двигателя, выбросов и других важных функций. Датчики должны предоставлять точную информацию, в противном случае могут возникнуть проблемы с управляемостью, повышенный расход топлива и сбои в выбросах.

Одним из ключевых датчиков в этой системе является датчик кислорода. Его часто называют датчиком «O2», потому что O2 — это химическая формула кислорода (атомы кислорода всегда перемещаются парами, а не в одиночку).

Первый датчик O2 был представлен в 1976 году на Volvo 240. Следующие за ним автомобили в Калифорнии получили в 1980 году, когда правила Калифорнии по выбросам требовали снижения выбросов. Федеральные законы о выбросах сделали датчики O2 практически обязательными для всех автомобилей и легких грузовиков, построенных с 1981 года. И теперь, когда действуют правила OBD-II (автомобили 1996 года и новее), многие автомобили теперь оснащены несколькими датчиками O2, некоторые из них целых четыре!

Датчик O2 установлен в выпускном коллекторе для контроля количества несгоревшего кислорода в выхлопных газах, когда выхлопные газы выходят из двигателя.Контроль уровня кислорода в выхлопных газах — это способ измерения топливной смеси. Он сообщает компьютеру, является ли топливная смесь богатой (меньше кислорода) или бедной (больше кислорода).

На относительную насыщенность или обедненную смесь топливной смеси может влиять множество факторов, включая температуру воздуха, температуру охлаждающей жидкости двигателя, атмосферное давление, положение дроссельной заслонки, расход воздуха и нагрузку на двигатель. Есть и другие датчики, которые отслеживают эти факторы, но датчик O2 является главным монитором того, что происходит с топливной смесью. Следовательно, любые проблемы с датчиком O2 могут вывести из строя всю систему.

Петли

Компьютер использует вход кислородного датчика для регулирования топливной смеси, что называется «контуром управления с обратной связью». Компьютер ориентируется на датчик O2 и реагирует изменением топливной смеси. Это приводит к соответствующему изменению показаний датчика O2. Это называется работой «замкнутого контура», потому что компьютер использует вход датчика O2 для регулирования топливной смеси.Результатом является постоянное переключение от богатой к обедненной смеси, что позволяет каталитическому нейтрализатору работать с максимальной эффективностью, сохраняя при этом средний общий баланс топливной смеси для минимизации выбросов. Это сложная установка, но она работает.

Когда сигнал от датчика O2 не поступает, как в случае, когда холодный двигатель запускается впервые (или выходит из строя датчик 02), компьютер заказывает фиксированную (неизменную) богатую топливную смесь. Это называется операцией «разомкнутого контура», потому что входной сигнал от датчика O2 не используется для регулирования топливной смеси.Если двигатель не переходит в замкнутый цикл, когда датчик O2 достигает рабочей температуры, или выходит из замкнутого цикла из-за потери сигнала датчика O2, двигатель будет работать на слишком богатой смеси, что приведет к увеличению расхода топлива и выбросов. Плохой датчик охлаждающей жидкости также может предотвратить переход системы в замкнутый контур, потому что компьютер также учитывает температуру охлаждающей жидкости двигателя при принятии решения о переходе в замкнутый цикл.

Как это работает

Датчик O2 работает как миниатюрный генератор и вырабатывает собственное напряжение, когда нагревается.Внутри вентилируемой крышки на конце датчика, который ввинчивается в выпускной коллектор, находится циркониевая керамическая колба. Колба снаружи покрыта пористым слоем платины. Внутри колбы находятся две платиновые полоски, которые служат электродами или контактами.

Наружная часть колбы подвергается воздействию горячих газов в выхлопе, в то время как внутренняя часть колбы выходит изнутри через корпус датчика во внешнюю атмосферу. Кислородные датчики старого образца на самом деле имеют небольшое отверстие в корпусе, чтобы воздух мог попадать в датчик, но датчики O2 нового типа «дышат» через свои проводные разъемы и не имеют вентиляционного отверстия.В это трудно поверить, но небольшое пространство между изоляцией и проводом обеспечивает достаточно места для проникновения воздуха в датчик (по этой причине никогда не следует наносить смазку на разъемы датчика O2, поскольку она может блокировать поток воздуха). Проветривание датчика через провода, а не через отверстие в корпусе, снижает риск попадания грязи или воды, которые могут засорить датчик изнутри и вызвать его выход из строя. Разница в уровнях кислорода между выхлопным и наружным воздухом внутри датчика вызывает прохождение напряжения через керамическую грушу.Чем больше разница, тем выше значение напряжения.

Датчик кислорода обычно вырабатывает напряжение до 0,9 вольт, когда топливная смесь богатая и в выхлопных газах мало несгоревшего кислорода. Когда смесь бедная, выходное напряжение датчика упадет примерно до 0,1 вольт. Когда топливно-воздушная смесь сбалансирована или находится в точке равновесия около 14,7 к 1, датчик будет показывать около 0,45 вольт.

Когда компьютер получает сигнал обогащения (высокое напряжение) от датчика O2, он понижает топливную смесь, чтобы уменьшить показания датчика.Когда показания датчика O2 становятся бедными (низкое напряжение), компьютер снова меняет направление, заставляя топливную смесь обогащаться. Это постоянное движение топливной смеси вперед и назад происходит с разной скоростью в зависимости от топливной системы. Скорость перехода самая низкая на двигателях с карбюраторами с обратной связью, обычно один раз в секунду при 2500 об / мин. Двигатели с впрыском в корпус дроссельной заслонки несколько быстрее (2–3 раза в секунду при 2500 об / мин), а двигатели с многоточечным впрыском являются самыми быстрыми (5–7 раз в секунду при 2500 об / мин).

Датчик кислорода должен быть горячим (около 600 градусов или выше), прежде чем он начнет генерировать сигнал напряжения, поэтому многие датчики кислорода имеют внутри небольшой нагревательный элемент, чтобы помочь им быстрее достичь рабочей температуры. Нагревательный элемент также может предотвратить слишком сильное охлаждение датчика во время длительного простоя, что может привести к возврату системы в режим разомкнутого контура.

Датчики O2 с подогревом используются в основном в новых автомобилях и обычно имеют 3 или 4 провода.Старые однопроводные датчики O2 не имеют нагревателей. При замене датчика O2 убедитесь, что он того же типа, что и оригинальный (с подогревом или без него).

Новая роль датчиков O2 с OBDII

Начиная с нескольких автомобилей в 1994 и 1995 годах и всех автомобилей 1996 года и новее, количество кислородных датчиков на двигатель увеличилось вдвое. Второй датчик кислорода теперь используется после каталитического нейтрализатора для контроля его эффективности. На двигателях V6 или V8 с двойным выхлопом это означает, что можно использовать до четырех датчиков O2 (по одному для каждого ряда цилиндров и по одному после каждого преобразователя).

Система OBDII предназначена для контроля выбросов двигателя. Это включает в себя наблюдение за всем, что может вызвать увеличение выбросов. Система OBDII сравнивает показания уровня кислорода датчиков O2 до и после преобразователя, чтобы увидеть, снижает ли преобразователь загрязняющие вещества в выхлопных газах. Если он не видит изменений в показаниях уровня кислорода, это означает, что преобразователь не работает должным образом. Это приведет к включению контрольной лампы неисправности (MIL).

Диагностика датчика

O2 невероятно надежны, учитывая условия эксплуатации, в которых они живут. Но датчики O2 изнашиваются, и в конечном итоге их необходимо заменять. Характеристики датчика O2 имеют тенденцию к снижению с возрастом, поскольку загрязняющие вещества накапливаются на наконечнике датчика и постепенно снижают его способность вырабатывать напряжение. Такое ухудшение состояния может быть вызвано различными веществами, которые попадают в выхлопные газы, такими как свинец, силикон, сера, масляная зола и даже некоторые топливные присадки.Датчик также может быть поврежден факторами окружающей среды, такими как вода, брызги дорожной соли, масла и грязи.

По мере того, как датчик стареет и становится вялым, время, необходимое для реакции на изменения в топливно-воздушной смеси, замедляется, что приводит к увеличению выбросов. Это происходит потому, что колебания топливной смеси замедляются, что снижает эффективность преобразователя. Эффект более заметен на двигателях с многоточечным впрыском топлива (MFI), чем с электронной карбюрацией или впрыском через корпус дроссельной заслонки, потому что соотношение топлива изменяется намного быстрее в приложениях MFI.Если датчик полностью умирает, результатом может быть фиксированная богатая топливная смесь. По умолчанию для большинства применений с впрыском топлива средний диапазон составляет три минуты. Это вызывает большой скачок расхода топлива, а также выбросов. А если преобразователь перегреется из-за богатой смеси, он может выйти из строя. Одно исследование EPA показало, что 70% автомобилей, не прошедших испытание на выбросы I / M 240, нуждались в новом датчике O2.

Единственный способ узнать, выполняет ли датчик O2 свою работу, — это регулярно проверять его.Вот почему на некоторых автомобилях (в основном импортных) есть световой индикатор с напоминанием об обслуживании датчика. Хорошее время для проверки датчика — это замена свечей зажигания.

Вы можете считать выходные данные датчика O2 с помощью сканирующего прибора или цифрового вольтметра, но переходы трудно увидеть, потому что числа сильно меняются. Вот где действительно сияет инструмент сканирования на базе ПК, такой как AutoTap. Вы можете использовать графические функции, чтобы наблюдать за изменениями напряжения датчиков O2. Программное обеспечение отобразит выходное напряжение датчика в виде волнистой линии, которая показывает как его амплитуду (минимальное и максимальное напряжение), так и его частоту (скорость перехода от богатого к бедному).

Хороший датчик O2 должен выдавать колеблющуюся форму волны на холостом ходу, при которой напряжение изменяется от почти минимального (0,1 В) до почти максимального (0,9 В). Искусственное обогащение топливной смеси путем подачи пропана во впускной коллектор должно привести к тому, что датчик среагирует почти немедленно (в течение 100 миллисекунд) и перейдет на максимальный (0,9 В) выходной сигнал. Создание обедненной смеси путем открытия вакуумной линии должно привести к падению выходного сигнала датчика до минимального (0,1 В) значения. Если датчик не переключается вперед и назад достаточно быстро, это может указывать на необходимость замены.

Если цепь датчика O2 разомкнута, закорочена или выходит за пределы допустимого диапазона, она может установить код неисправности и загореться контрольной лампой проверки двигателя или неисправности. Если дополнительная диагностика выявляет неисправность датчика, требуется его замена. Но многие датчики O2, которые сильно деградировали, продолжают работать достаточно хорошо, чтобы не установить код неисправности, но недостаточно хорошо, чтобы предотвратить увеличение выбросов и расхода топлива. Таким образом, отсутствие кода неисправности или контрольной лампы не означает, что датчик O2 работает правильно.

Замена датчика

Очевидно, что неисправный датчик O2 требует замены. Но также может быть полезно периодически заменять датчик O2 для профилактического обслуживания. Замена стареющего датчика O2, который стал медленно работать, может восстановить максимальную топливную эффективность, минимизировать выбросы выхлопных газов и продлить срок службы преобразователя.

Необогреваемые одно- или двухпроводные датчики O2 на автомобилях с 1976 по начало 1990-х годов можно заменять каждые 30 000–50 000 миль.Подогреваемые 3- и 4-проводные датчики O2 в приложениях с середины 1980-х до середины 1990-х годов можно менять каждые 60 000 миль. На автомобилях, оборудованных OBDII (1996 и новее), рекомендуется интервал замены 100 000 миль.

Датчик кислорода

Датчик кислорода или лямбда-датчик — это электронное устройство, которое измеряет долю кислорода (O ₂ ) в анализируемом газе или жидкости. Он был разработан компанией Robert Bosch GmbH в конце 1960-х годов под руководством доктора Х.Гюнтер Бауман. Оригинальный чувствительный элемент изготовлен из циркониевой керамики в форме наперстка, покрытой тонким слоем платины как на выхлопной, так и на контрольной сторонах. Датчик планарного типа появился на рынке в 1998 году (также впервые был разработан компанией Bosch) и значительно уменьшил массу керамического чувствительного элемента, а также включил нагреватель в керамическую структуру. Это привело к тому, что датчик сработал раньше и быстрее реагировал. Наиболее распространенное применение — измерение концентрации кислорода в выхлопных газах двигателей внутреннего сгорания автомобилей и других транспортных средств.Дайверы также используют подобное устройство для измерения парциального давления кислорода в дыхательном газе.

Ученые используют кислородные датчики для измерения дыхания или производства кислорода и используют другой подход. Датчики кислорода используются в анализаторах кислорода, которые находят широкое применение в медицине, таких как мониторы анестезии, респираторы и концентраторы кислорода.

Существует множество различных способов измерения кислорода, включая такие технологии, как диоксид циркония, электрохимические (также известные как гальванические), инфракрасные, ультразвуковые и совсем недавно лазерные методы.У каждого метода есть свои достоинства и недостатки.

Применение в автомобильной промышленности

Автомобильные кислородные датчики, в просторечии известные как датчики O ₂ , делают возможными современные электронные системы впрыска топлива и контроля выбросов. Они помогают определить в реальном времени, является ли соотношение воздух-топливо в двигателе внутреннего сгорания богатым или бедным. Поскольку датчики кислорода расположены в потоке выхлопных газов, они не измеряют напрямую воздух или топливо, поступающее в двигатель.Но когда информация от кислородных датчиков сочетается с информацией из других источников, ее можно использовать для косвенного определения соотношения воздух-топливо. Впрыск топлива, управляемый с обратной связью, изменяет выходную мощность топливной форсунки в соответствии с данными датчика в реальном времени, а не работает с заранее определенной (разомкнутой) топливной картой. Помимо обеспечения эффективной работы электронного впрыска топлива, этот метод контроля выбросов может снизить количество как несгоревшего топлива, так и оксидов азота, попадающих в атмосферу.Несгоревшее топливо представляет собой загрязнение в виде переносимых по воздуху углеводородов, в то время как оксиды азота (NO _x газы) являются результатом температуры камеры сгорания, превышающей 1300 кельвинов, из-за избытка воздуха в топливной смеси и способствуют образованию смога и кислоты. дождь. Volvo была первым производителем автомобилей, применившим эту технологию в конце 1970-х годов вместе с трехкомпонентным катализатором, используемым в каталитическом нейтрализаторе.

Датчик фактически не измеряет концентрацию кислорода, а измеряет разницу между количеством кислорода в выхлопных газах и количеством кислорода в воздухе.Богатая смесь вызывает потребность в кислороде. Это требование вызывает повышение напряжения из-за переноса ионов кислорода через слой датчика. Бедная смесь вызывает низкое напряжение, так как имеется избыток кислорода.

В современных двигателях внутреннего сгорания с искровым зажиганием используются кислородные датчики и каталитические нейтрализаторы для снижения выбросов выхлопных газов. Информация о концентрации кислорода отправляется в компьютер управления двигателем или ЭБУ, который регулирует количество топлива, впрыскиваемого в двигатель, чтобы компенсировать избыток воздуха или топлива.ЭБУ пытается поддерживать в среднем определенное соотношение воздух-топливо, интерпретируя информацию, которую он получает от датчика кислорода. Основная цель — компромисс между мощностью, экономией топлива и выбросами, и в большинстве случаев достигается за счет соотношения воздух-топливо, близкого к стехиометрическому. Для двигателей с искровым зажиганием (таких, как те, которые используют бензин, а не дизель), современные системы имеют дело с тремя типами выбросов: углеводороды (которые выделяются, когда топливо сгорает не полностью, например, при пропуске зажигания или работе богатый), оксид углерода (который является результатом работы в слегка обогащенном состоянии) и NO _x (которые преобладают, когда смесь бедная).Отказ этих датчиков в результате нормального старения, использования этилированного топлива или топлива, загрязненного, например, силиконом или силикатами, может привести к повреждению каталитического нейтрализатора автомобиля и дорогостоящему ремонту.

Вмешательство или изменение сигнала, который датчик кислорода отправляет в компьютер двигателя, может нанести ущерб контролю выбросов и даже повредить автомобиль. Когда двигатель работает в условиях низкой нагрузки (например, при очень плавном ускорении или поддержании постоянной скорости), он работает в «режиме с обратной связью».»Это относится к петле обратной связи между ЭБУ и кислородным датчиком (датчиками), в которой ЭБУ регулирует количество топлива и ожидает увидеть результирующее изменение в отклике датчика кислорода. Этот цикл заставляет двигатель немного работать обедненный и слегка богатый на последовательных контурах, так как он пытается поддерживать в среднем в основном стехиометрическое соотношение. Если модификации приводят к умеренно обедненной работе двигателя, будет небольшое увеличение экономии топлива, иногда за счет увеличения NO _x , намного более высокие температуры выхлопных газов, а иногда и небольшое увеличение мощности, которое может быстро перерасти в пропуски зажигания и резкую потерю мощности, а также возможное повреждение двигателя при сверхнизком соотношении воздух-топливо.Если в результате модификаций двигатель будет работать на обогащенной смеси, то произойдет небольшое увеличение мощности до определенного предела (после чего двигатель начнет заливаться из-за слишком большого количества несгоревшего топлива), но за счет снижения экономии топлива и увеличения количества несгоревших углеводородов. в выхлопе, что вызывает перегрев каталитического нейтрализатора. Продолжительная работа на богатых смесях может вызвать катастрофический отказ каталитического нейтрализатора (см. Обратную вспышку). ECU также управляет синхронизацией двигателя зажигания вместе с шириной импульса топливной форсунки, поэтому модификации, которые изменяют работу двигателя на слишком бедную или слишком богатую, могут привести к неэффективному расходу топлива, когда топливо воспламеняется слишком рано или слишком поздно в цикле сгорания.

Когда двигатель внутреннего сгорания находится под высокой нагрузкой (например, при полностью открытой дроссельной заслонке), выходной сигнал кислородного датчика игнорируется, и ЭБУ автоматически обогащает смесь для защиты двигателя, так как пропуски зажигания под нагрузкой с большей вероятностью могут привести к повреждению. Это называется двигателем, работающим в «режиме разомкнутого контура». В этом состоянии любые изменения на выходе датчика игнорируются. Во многих автомобилях (за исключением некоторых моделей с турбонаддувом) входные данные от расходомера воздуха также игнорируются, так как в противном случае они могут снизить производительность двигателя из-за слишком богатой или слишком бедной смеси и увеличить риск повреждения двигателя из-за детонация, если смесь слишком бедная.

Функция лямбда-зонда

используются для уменьшения выбросов транспортных средств, обеспечивая эффективное и чистое сжигание топлива двигателями. Роберт Бош ГмбХ представил первый автомобильный лямбда-зонд в 1976 году, ^[1] , и в том же году он был впервые использован Volvo и Saab. Датчики были введены в США примерно с 1980 г. и требовались на всех моделях автомобилей во многих странах Европы в 1993 г.

Измеряя долю кислорода в оставшемся выхлопном газе и зная, помимо прочего, объем и температуру воздуха, поступающего в цилиндры, ЭБУ может использовать справочные таблицы для определения количества топлива, необходимого для сжигания при стехиометрическом уровне. соотношение (14.7: 1 воздух: топливо по массе для бензина) для обеспечения полного сгорания.

Зонд

Чувствительный элемент представляет собой керамический цилиндр, покрытый внутри и снаружи пористыми платиновыми электродами; вся сборка защищена металлической сеткой. Он работает, измеряя разницу в кислороде между выхлопными газами и наружным воздухом, и генерирует напряжение или изменяет свое сопротивление в зависимости от разницы между ними.

Датчики работают эффективно только при нагревании до приблизительно 316 ° C (600 ° F), поэтому большинство новых лямбда-зондов имеют нагревательные элементы, заключенные в керамику, которые быстро нагревают керамический наконечник до температуры.Более старые датчики без нагревательных элементов в конечном итоге будут нагреваться выхлопными газами, но между запуском двигателя и достижением теплового равновесия между компонентами выхлопной системы проходит определенное время. Время, необходимое выхлопным газам для доведения датчика до температуры, зависит от температуры окружающего воздуха и геометрии выхлопной системы. Без нагревателя процесс может занять несколько минут. Есть проблемы загрязнения, которые приписываются этому медленному процессу запуска, включая аналогичную проблему с рабочей температурой каталитического нейтрализатора.

К зонду обычно подключаются четыре провода: два для лямбда-выхода и два для питания нагревателя, хотя некоторые автопроизводители используют общее заземление для чувствительного элемента и нагревателей, в результате чего получается три провода. Ранее датчики без электрического обогрева имели один или два провода.

Работа датчика

Циркониевый датчик

Лямбда-зонд из диоксида циркония или диоксида циркония основан на твердотельном электрохимическом топливном элементе, который называется ячейкой Нернста.Его два электрода обеспечивают выходное напряжение, соответствующее количеству кислорода в выхлопных газах по сравнению с количеством кислорода в атмосфере. Выходное напряжение 0,2 В (200 мВ) постоянного тока представляет собой «бедную смесь» топлива и кислорода, где количество кислорода, поступающего в цилиндр, достаточно для полного окисления монооксида углерода (CO), образующегося при сжигании воздуха и топлива, в диоксид углерода (CO ₂ ). Выходное напряжение 0,8 В (800 мВ) постоянного тока представляет собой «богатую смесь», в которой много несгоревшего топлива и мало остаточного кислорода.Идеальная уставка составляет приблизительно 0,45 В (450 мВ) постоянного тока. Здесь количество воздуха и топлива находится в оптимальном соотношении, которое составляет ~ 0,5% обедненной смеси от стехиометрической точки, так что выхлопные газы содержат минимальное количество окиси углерода.

Напряжение, создаваемое датчиком, не зависит от концентрации кислорода. Датчик наиболее чувствителен вблизи стехиометрической точки и менее чувствителен при очень бедной или очень богатой смеси.

Блок управления двигателем (ЭБУ) — это система управления, которая использует обратную связь от датчика для регулировки топливно-воздушной смеси.Как и во всех системах управления, важна постоянная времени датчика; способность ЭБУ управлять соотношением топливо-воздух зависит от времени отклика датчика. У изношенного или загрязненного датчика обычно более медленное время отклика, что может снизить производительность системы. Чем короче период времени, тем выше так называемый «перекрестный счет» ^[2] и тем быстрее реагирует система.

Датчик из диоксида циркония относится к типу «узкополосного», что относится к узкому диапазону соотношений топливо / воздух, на который он реагирует.

Широкополосный циркониевый датчик

Вариант датчика из диоксида циркония, называемый «широкополосным» датчиком, был представлен Робертом Бошем в 1994 году и использовался на многих автомобилях ^[3] , чтобы удовлетворить постоянно растущие потребности в улучшении экономии топлива. , меньшие выбросы и одновременно улучшенные характеристики двигателя. Он основан на плоском элементе из диоксида циркония, но также включает электрохимический газовый насос. Электронная схема, содержащая контур обратной связи, управляет током газового насоса, чтобы поддерживать постоянную мощность электрохимической ячейки, так что ток насоса напрямую указывает на содержание кислорода в выхлопных газах.Этот датчик исключает цикличность обедненной смеси, присущую узкополосным датчикам, позволяя блоку управления гораздо быстрее регулировать подачу топлива и угол зажигания двигателя. В автомобильной промышленности этот датчик также называется датчиком UEGO (универсальный датчик кислорода в выхлопных газах). Датчики UEGO также обычно используются при настройке динамометрических стендов на вторичном рынке и в высокопроизводительном оборудовании для отображения воздуха и топлива водителя. Широкополосный циркониевый датчик используется в системах стратифицированного впрыска топлива, а теперь может также использоваться в дизельных двигателях, чтобы соответствовать предстоящим ограничениям выбросов EURO и ULEV.

Широкополосные датчики состоят из трех элементов:

• Ионно-кислородный насос
• Узкополосный циркониевый датчик
• Нагревательный элемент

Схема подключения широкополосного датчика обычно состоит из шести проводов:

• резистивный нагревательный элемент (два провода)
• датчик
• насос
• резистор калибровочный
• обычный

Датчик титана

Менее распространенный тип узкополосных лямбда-зондов имеет керамический элемент из диоксида титана (диоксида титана).Этот тип не генерирует собственное напряжение, но изменяет свое электрическое сопротивление в зависимости от концентрации кислорода. Сопротивление диоксида титана зависит от парциального давления кислорода и температуры. Поэтому некоторые датчики используются с датчиком температуры газа для компенсации изменения сопротивления из-за температуры. Значение сопротивления при любой температуре составляет около 1/1000 изменения концентрации кислорода. К счастью, при лямбда = 1 происходит большое изменение кислорода, поэтому изменение сопротивления обычно в 1000 раз между богатым и обедненным, в зависимости от температуры.

Поскольку диоксид титана является полупроводником N-типа со структурой TiO _{2- x} , дефекты x в кристаллической решетке проводят заряд. Таким образом, для богатого топливом выхлопа сопротивление низкое, а у бедного топлива — высокое. Блок управления питает датчик небольшим электрическим током и измеряет результирующее напряжение на датчике, которое варьируется от примерно 0 вольт до примерно 5 вольт. Подобно датчику из диоксида циркония, этот тип является нелинейным, поэтому его иногда упрощенно описывают как двоичный индикатор, показывающий либо «богатый», либо «обедненный».Датчики из диоксида титана дороже датчиков из диоксида циркония, но они также быстрее реагируют.

В автомобильной промышленности датчик диоксида титана, в отличие от датчика диоксида циркония, не требует эталонного образца атмосферного воздуха для правильной работы. Это упрощает проектирование узла датчика против загрязнения водой. Хотя большинство автомобильных датчиков являются погружными, датчики на основе диоксида циркония требуют очень небольшого притока эталонного воздуха из атмосферы. Теоретически жгут проводов датчика и разъем заделаны.Предполагается, что воздух, который просачивается через жгут проводов к датчику, исходит из открытого места в жгуте — обычно ЭБУ, который расположен в замкнутом пространстве, таком как багажник или салон автомобиля.

Расположение датчика в системе

Зонд обычно ввинчивается в резьбовое отверстие в выхлопной системе, расположенное после ответвления коллектора выхлопной системы комбайнов и перед каталитическим нейтрализатором. Новые автомобили должны иметь датчик до и после катализатора выхлопных газов, чтобы соответствовать U.S. правила, требующие, чтобы все компоненты выбросов проверялись на предмет отказа. Сигналы до и после катализатора отслеживаются для определения эффективности катализатора. Кроме того, некоторым каталитическим системам требуются короткие циклы обедненного (кислородсодержащего) газа для загрузки катализатора и содействия дополнительному окислительному восстановлению нежелательных компонентов выхлопных газов.

Датчик наблюдения

Соотношение воздух-топливо и, естественно, состояние датчика можно контролировать с помощью измерителя отношения воздух-топливо, который отображает считанное выходное напряжение датчика.

Неисправности датчика

Обычно срок службы ненагреваемого датчика составляет от 30 000 до 50 000 миль (от 50 000 до 80 000 км). Срок службы датчика с подогревом обычно составляет 100 000 миль (160 000 км). Отказ ненагреваемого датчика обычно вызван накоплением сажи на керамическом элементе, что увеличивает время его отклика и может привести к полной потере способности воспринимать кислород. У нагретых датчиков нормальные отложения выгорают во время работы и выходят из строя из-за истощения катализатора.Затем датчик имеет тенденцию сообщать о бедной смеси, ECU обогащает смесь, выхлоп обогащается монооксидом углерода и углеводородами, а экономия топлива ухудшается.

Этилированный бензин загрязняет кислородные датчики и каталитические нейтрализаторы. Большинство кислородных датчиков рассчитаны на определенный срок службы в присутствии этилированного бензина, но срок службы датчика будет сокращен до 15 000 миль в зависимости от концентрации свинца. Концы сенсоров, поврежденных свинцом, обычно имеют обесцвеченный или ржавый цвет.

Другой частой причиной преждевременного выхода из строя лямбда-зондов является загрязнение топлива силиконами (которые используются в некоторых уплотнениях и смазках) или силикатами (используются в качестве ингибиторов коррозии в некоторых антифризах). В этом случае отложения на датчике имеют цвет от блестящего белого до зернистого светло-серого.

Утечка масла в двигатель может покрыть наконечник зонда маслянистым черным отложением, что приведет к потере чувствительности.

Чрезмерно богатая смесь вызывает накопление черного порошкообразного осадка на датчике.Это может быть вызвано неисправностью самого датчика или проблемой в системе нормирования топлива.

Подача внешнего напряжения на датчики из диоксида циркония, например Проверив их с помощью омметра некоторых типов, можно повредить их.

У некоторых датчиков есть входное отверстие для воздуха в проводе, поэтому загрязнения из провода, вызванные утечками воды или масла, могут попасть в датчик и вызвать неисправность. ^[4]

Признаки неисправности датчика кислорода включают:

• Датчик света на приборной панели указывает на проблему
• Повышенный выброс выхлопных газов
• Повышенный расход топлива
• Неуверенность в разгоне
• Стойка
• Резкий холостой ход

Приложения для дайвинга

Датчик кислорода для дайвинга, который иногда называют анализатором кислорода или ppO ₂ метр , используется при подводном плавании с аквалангом.Они используются для измерения концентрации кислорода в смесях газов для дыхания, таких как найтрокс и тримикс. ^[5] Они также используются в механизмах контроля кислорода в ребризерах замкнутого цикла для поддержания парциального давления кислорода в безопасных пределах. ^[6] Датчик этого типа работает, измеряя электричество, вырабатываемое небольшим электрогальваническим топливным элементом.

Научные приложения

При исследованиях дыхания почвы датчики кислорода могут использоваться вместе с датчиками углекислого газа, чтобы помочь улучшить характеристики дыхания почвы.Обычно в датчиках почвенного кислорода используется гальванический элемент для создания потока тока, который пропорционален измеряемой концентрации кислорода. Эти датчики расположены на разной глубине, чтобы отслеживать истощение кислорода во времени, которое затем используется для прогнозирования скорости дыхания почвы. Как правило, эти почвенные датчики оснащены встроенным нагревателем для предотвращения образования конденсата на проницаемой мембране, поскольку относительная влажность в почве может достигать 100%. ^[7]

В морской биологии или лимнологии измерения кислорода обычно проводятся для измерения дыхания сообщества или организма, но также используются для измерения первичной продукции водорослей.Традиционный способ измерения концентрации кислорода в пробе воды заключался в использовании методов влажной химии, например метод титрования Винклера. Однако существуют коммерчески доступные датчики кислорода, которые с большой точностью измеряют концентрацию кислорода в жидкостях. Доступны два типа кислородных датчиков: электроды (электрохимические датчики) и оптоды (оптические датчики).

Электроды

Электрод Кларка — наиболее часто используемый датчик кислорода для измерения растворенного в жидкости кислорода.Основной принцип заключается в том, что катод и анод погружены в электролит. Кислород поступает в датчик через проницаемую мембрану путем диффузии и восстанавливается на катоде, создавая измеримый электрический ток.

Между концентрацией кислорода и электрическим током существует линейная зависимость. С помощью двухточечной калибровки (0% и 100% насыщение воздухом) можно измерить кислород в образце.

Одним из недостатков этого подхода является то, что кислород потребляется во время измерения со скоростью, равной диффузии в датчике.Это означает, что датчик необходимо перемешивать, чтобы получить правильные измерения и избежать застоя воды. С увеличением размера сенсора увеличивается потребление кислорода, а вместе с ним и чувствительность перемешивания. В больших датчиках также имеет место дрейф сигнала во времени из-за расхода электролита. Однако датчики типа Кларка могут быть очень маленькими с размером наконечника 10 мкм. Потребление кислорода таким микросенсором настолько мало, что он практически нечувствителен к перемешиванию и может использоваться в застойных средах, таких как отложения или внутри тканей растений.

Оптоды

Оптод кислорода — это датчик, основанный на оптическом измерении концентрации кислорода. Химическая пленка приклеивается к концу оптического кабеля, и флуоресцентные свойства этой пленки зависят от концентрации кислорода. Флуоресценция максимальна при отсутствии кислорода. Когда молекула O ₂ проходит, она сталкивается с пленкой и гасит фотолюминесценцию. При данной концентрации кислорода будет определенное количество молекул O ₂ , сталкивающихся с пленкой в ​​любой момент времени, и свойства флуоресценции будут стабильными.

Отношение сигнала (флуоресценции) к кислороду нелинейно, и оптод наиболее чувствителен при низкой концентрации кислорода. То есть чувствительность уменьшается с увеличением концентрации кислорода в соответствии с соотношением Штерна – Фольмера. Однако оптодные датчики могут работать во всем диапазоне от 0% до 100% насыщения кислородом в воде, и калибровка выполняется так же, как и с датчиком типа Кларка. Кислород не потребляется, и, следовательно, датчик нечувствителен к перемешиванию, но сигнал стабилизируется быстрее, если датчик перемешать после помещения в образец.Этот тип электродных датчиков может использоваться для мониторинга производства кислорода в реакциях расщепления воды на месте и в реальном времени. Платинированные электроды позволяют осуществлять мониторинг производства водорода в устройстве для разделения воды в реальном времени. Кальзаферри и его сотрудники очень широко использовали этот тип электродов для исследований фотоэлектрохимического расщепления воды. ^{[ необходима ссылка ]}

См. Также

Список литературы

Внешние ссылки

Признаки неисправного датчика кислорода (O2)

Владеть автомобилем — это здорово; все это знают.Автомобиль — это своего рода ответственность перед владельцем. Чтобы ваша машина оставалась в хорошем состоянии, вы должны правильно ее обслуживать. Что это на самом деле означает?

Ремонт автомобилей — это обширная тема. Например, очевидные вещи включают очистку автомобиля, а также проверку масла.

Далее, есть более сложные вопросы, которые некоторые автовладельцы должны доверить профессиональному механику; Однако есть некоторые вещи, на которые может и должен обратить внимание каждый водитель.Ваш кислородный датчик — одна из таких вещей.

Что такое датчик кислорода

Перво-наперво; для тех, кто не совсем уверен, что такое кислородный датчик, давайте кратко объясним его назначение. На внутренней стороне выхлопной трубы находится наконечник датчика кислорода; датчик кислорода отслеживает процентное содержание кислорода в выхлопных газах.

Итак, здесь есть два потенциально проблемных случая:

Слишком мало кислорода (смесь слишком богатая)

Слишком много кислорода (смесь слишком бедная)

Ни один из этих сценариев не является достаточно хорошим; в любом случае кислородный датчик отправит сигнал в блок управления двигателем (ECU) с сообщением, чтобы отрегулировать количество топлива, которое поступает в ваш двигатель.

Итак, почему так важно иметь исправный кислородный датчик? Потому что неправильная смесь кислорода и бензина может увеличить выбросы загрязняющих веществ из выхлопных газов и нанести вред окружающей среде. Более того, ваш каталитический нейтрализатор может быть поврежден, что приведет к дополнительному ремонту и затратам.

Признаки неисправности датчика O2

Большинство водителей легко замечают, когда что-то меняется в работе их автомобиля; особенно те, кто ездит каждый день. Это, конечно, хорошо; заметив проблему с самого начала, ее легче решить.

Вот список типичных симптомов неисправности датчика кислорода, которые могут указывать на неисправность датчика O2. Если вы заметили что-либо из этого во время вождения автомобиля, рекомендуется проверить, правильно ли работает ваш кислородный датчик.

1. Индикатор проверки двигателя

Ярко-оранжевый индикатор «проверьте двигатель» — один из первых признаков, которые вы заметите, если датчик кислорода не работает должным образом. Однако проблема в том, что этот свет может иметь несколько значений; возможно, это всего лишь указывает на незакрепленную крышку бензобака.

Поскольку может быть непонятно, почему загорается этот индикатор, лучше всего обратиться к профессионалу, который более внимательно изучит проблему и определит основную причину.

2. Ваш двигатель нечетко звучит

Если вы заметили, что ваш автомобиль работает нерегулярно или двигатель звучит грубо, возможно, проблема с датчиком кислорода. Когда смесь в вашем автомобиле (кислород и топливо) слишком бедная или слишком богатая, двигатель становится менее эффективным.

Неисправный датчик может легко нарушить некоторые функции двигателя, такие как синхронизация двигателя, соотношение воздух-топливо и интервалы сгорания.Это то, что заставляет ваш двигатель звучать грубо или работать непредсказуемо.

3. Плохой газовый пробег

Как мы уже упоминали, когда соотношение топлива к кислороду слишком бедное или слишком богатое, ваш двигатель становится менее эффективным. Это сказывается на расходе топлива. Если вы заметили, что тратите на топливо больше, чем обычно, возможно, датчик кислорода неисправен. Вы, вероятно, заметите постепенное увеличение затрат, поскольку кислородные датчики в большинстве случаев со временем становятся менее эффективными.

4.Ошибка проверки на выбросы

Большинство отказов при проверке выбросов происходит из-за неисправного датчика кислорода. Если вы слишком долго откладываете замену датчика, вы можете в конечном итоге заплатить тысячи долларов, чтобы ваша машина снова работала нормально. Кроме того, в вашей машине может появиться неприятный запах, похожий на запах тухлых яиц. Кроме того, неисправный датчик кислорода может подвергнуть вас воздействию окиси углерода. Если у вас неисправен кислородный датчик, очень важно заменить его раньше, чем позже.

Когда заменять датчик кислорода

Если вашему автомобилю не более 15 лет, подумайте о замене датчика каждые 60 000–90 000 миль.Все кислородные датчики со временем выходят из строя; они выносят большой износ. Помните, что замена сенсора принесет вам большую пользу. Ваш автомобиль станет более экологичным, так как уменьшится выброс вредных веществ в атмосферу. Кроме того, ваш двигатель будет работать без сбоев.

Итак, как только вы увидите лампочку «проверьте двигатель» или заметите нестабильную работу двигателя на холостом ходу, недостаточный расход топлива или запах тухлых яиц, позвоните своему механику. Крайне важно, чтобы вы не игнорировали симптомы неисправности датчика кислорода и реагировали, как только заметите обычные предупреждающие знаки.

определение датчика кислорода и синонимы датчика кислорода (английский)

Датчик кислорода или лямбда-зонд — это электронное устройство, которое измеряет долю кислорода (O ₂ ) в газе или жидкости. проанализированы.

Он был разработан компанией Robert Bosch GmbH в конце 1960-х годов под руководством доктора Гюнтера Баумана. Оригинальный чувствительный элемент изготовлен из циркониевой керамики в форме наперстка, покрытой тонким слоем платины как на выхлопной, так и на контрольной сторонах.Датчик планарного типа появился на рынке в 1998 году (также впервые был разработан компанией Bosch) и значительно уменьшил массу керамического чувствительного элемента, а также включил нагреватель в керамическую структуру. Это привело к тому, что датчик сработал раньше и быстрее реагировал.

Наиболее распространенное применение — измерение концентрации кислорода в выхлопных газах двигателей внутреннего сгорания автомобилей и других транспортных средств. Дайверы также используют подобное устройство для измерения парциального давления кислорода в дыхательном газе.

Ученые используют кислородные датчики для измерения дыхания или производства кислорода и используют другой подход. Датчики кислорода используются в анализаторах кислорода, которые находят широкое применение в медицине, таких как мониторы анестезии, респираторы и концентраторы кислорода.

также используются в системах предотвращения пожаров с пониженным содержанием кислорода для постоянного контроля концентрации кислорода внутри защищаемых объемов.

Существует множество различных способов измерения кислорода, включая такие технологии, как диоксид циркония, электрохимические (также известные как гальванические), инфракрасные, ультразвуковые и совсем недавно лазерные методы.У каждого метода есть свои достоинства и недостатки.

Применение в автомобильной промышленности

Автомобильные кислородные датчики, в просторечии известные как датчики O ₂ , делают возможными современные электронные системы впрыска топлива и контроля выбросов. Они помогают определить в реальном времени, является ли соотношение воздух-топливо в двигателе внутреннего сгорания богатым или бедным. Поскольку датчики кислорода расположены в потоке выхлопных газов, они не измеряют напрямую воздух или топливо, поступающее в двигатель.Но когда информация от кислородных датчиков сочетается с информацией из других источников, ее можно использовать для косвенного определения соотношения воздух-топливо. Впрыск топлива, управляемый с обратной связью, изменяет выходную мощность топливной форсунки в соответствии с данными датчика в реальном времени, а не работает с заранее определенной (разомкнутой) топливной картой. Помимо обеспечения эффективной работы электронного впрыска топлива, этот метод контроля выбросов может снизить количество как несгоревшего топлива, так и оксидов азота, попадающих в атмосферу.Несгоревшее топливо представляет собой загрязнение в виде переносимых по воздуху углеводородов, в то время как оксиды азота (NO _x газы) являются результатом температуры камеры сгорания, превышающей 1300 кельвинов, из-за избытка воздуха в топливной смеси и способствуют образованию смога и кислоты. дождь. Volvo была первым производителем автомобилей, применившим эту технологию в конце 1970-х годов вместе с трехкомпонентным катализатором, используемым в каталитическом нейтрализаторе.

Датчик фактически не измеряет концентрацию кислорода, а измеряет разницу между количеством кислорода в выхлопных газах и количеством кислорода в воздухе.Богатая смесь вызывает потребность в кислороде. Это требование вызывает повышение напряжения из-за переноса ионов кислорода через слой датчика. Бедная смесь вызывает низкое напряжение, так как имеется избыток кислорода.

В современных двигателях внутреннего сгорания с искровым зажиганием используются кислородные датчики и каталитические нейтрализаторы для снижения выбросов выхлопных газов. Информация о концентрации кислорода отправляется в компьютер управления двигателем или ЭБУ, который регулирует количество топлива, впрыскиваемого в двигатель, чтобы компенсировать избыток воздуха или топлива.ЭБУ пытается поддерживать в среднем определенное соотношение воздух-топливо, интерпретируя информацию, которую он получает от датчика кислорода. Основная цель — компромисс между мощностью, экономией топлива и выбросами, и в большинстве случаев достигается за счет соотношения воздух-топливо, близкого к стехиометрическому. Для двигателей с искровым зажиганием (таких, как те, которые используют бензин, а не дизель), современные системы имеют дело с тремя типами выбросов: углеводороды (которые выделяются, когда топливо сгорает не полностью, например, при пропуске зажигания или работе богатый), оксид углерода (который является результатом работы в слегка обогащенном состоянии) и NO _x (которые преобладают, когда смесь бедная).Отказ этих датчиков в результате нормального старения, использования этилированного топлива или топлива, загрязненного, например, силиконом или силикатами, может привести к повреждению каталитического нейтрализатора автомобиля и дорогостоящему ремонту.

Вмешательство или изменение сигнала, который датчик кислорода отправляет в компьютер двигателя, может нанести ущерб контролю выбросов и даже повредить автомобиль. Когда двигатель работает в условиях низкой нагрузки (например, при очень плавном ускорении или поддержании постоянной скорости), он работает в «режиме с обратной связью».»Это относится к петле обратной связи между ЭБУ и кислородным датчиком (датчиками), в которой ЭБУ регулирует количество топлива и ожидает увидеть результирующее изменение в отклике датчика кислорода. Этот цикл заставляет двигатель немного работать обедненный и слегка богатый на последовательных контурах, так как он пытается поддерживать в среднем в основном стехиометрическое соотношение. Если модификации приводят к умеренно обедненной работе двигателя, будет небольшое увеличение экономии топлива, иногда за счет увеличения NO _x , намного более высокие температуры выхлопных газов, а иногда и небольшое увеличение мощности, которое может быстро перерасти в пропуски зажигания и резкую потерю мощности, а также возможное повреждение двигателя при сверхнизком соотношении воздух-топливо.Если в результате модификаций двигатель будет работать на обогащенной смеси, то произойдет небольшое увеличение мощности до определенного предела (после чего двигатель начнет заливаться из-за слишком большого количества несгоревшего топлива), но за счет снижения экономии топлива и увеличения количества несгоревших углеводородов. в выхлопе, что вызывает перегрев каталитического нейтрализатора. Продолжительная работа на богатых смесях может вызвать катастрофический отказ каталитического нейтрализатора (см. Обратную вспышку). ECU также управляет синхронизацией двигателя зажигания вместе с шириной импульса топливной форсунки, поэтому модификации, которые изменяют работу двигателя на слишком бедную или слишком богатую, могут привести к неэффективному расходу топлива, когда топливо воспламеняется слишком рано или слишком поздно в цикле сгорания.

Когда двигатель внутреннего сгорания находится под высокой нагрузкой (например, при полностью открытой дроссельной заслонке), выходной сигнал кислородного датчика игнорируется, и ЭБУ автоматически обогащает смесь для защиты двигателя, так как пропуски зажигания под нагрузкой с большей вероятностью могут привести к повреждению. Это называется двигателем, работающим в «режиме разомкнутого контура». В этом состоянии любые изменения на выходе датчика игнорируются. Во многих автомобилях (за исключением некоторых моделей с турбонаддувом) входные данные от расходомера воздуха также игнорируются, так как в противном случае они могут снизить производительность двигателя из-за слишком богатой или слишком бедной смеси и увеличить риск повреждения двигателя из-за детонация, если смесь слишком бедная.

Функция лямбда-зонда

используются для уменьшения выбросов транспортных средств, обеспечивая эффективное и чистое сжигание топлива двигателями. Роберт Бош ГмбХ представил первый автомобильный лямбда-зонд в 1976 году, ^[1] , и в том же году он был впервые использован Volvo и Saab. Датчики были введены в США примерно с 1979 года и требовались на всех моделях автомобилей во многих странах Европы в 1993 году.

Измеряя долю кислорода в оставшемся выхлопном газе и зная, помимо прочего, объем и температуру воздуха, поступающего в цилиндры, ЭБУ может использовать справочные таблицы для определения количества топлива, необходимого для сжигания при стехиометрическом уровне. соотношение (14.7: 1 воздух: топливо по массе для бензина) для обеспечения полного сгорания.

Зонд

Чувствительный элемент представляет собой керамический цилиндр, покрытый внутри и снаружи пористыми платиновыми электродами; вся сборка защищена металлической сеткой. Он работает, измеряя разницу в кислороде между выхлопными газами и наружным воздухом, и генерирует напряжение или изменяет свое сопротивление в зависимости от разницы между ними.

Датчики работают эффективно только при нагревании до приблизительно 316 ° C (600 ° F), поэтому большинство новых лямбда-зондов имеют нагревательные элементы, заключенные в керамику, которые быстро нагревают керамический наконечник до температуры.Более старые датчики без нагревательных элементов в конечном итоге будут нагреваться выхлопными газами, но между запуском двигателя и достижением теплового равновесия между компонентами выхлопной системы проходит определенное время. Время, необходимое выхлопным газам для доведения датчика до температуры, зависит от температуры окружающего воздуха и геометрии выхлопной системы. Без нагревателя процесс может занять несколько минут. Есть проблемы загрязнения, которые приписываются этому медленному процессу запуска, включая аналогичную проблему с рабочей температурой каталитического нейтрализатора.

К зонду обычно подключаются четыре провода: два для лямбда-выхода и два для питания нагревателя, хотя некоторые автопроизводители используют общее заземление для чувствительного элемента и нагревателей, в результате чего получается три провода. Ранее датчики без электрического обогрева имели один или два провода.

Работа датчика

Циркониевый датчик

Планарный циркониевый датчик (схематическое изображение)

Лямбда-зонд из диоксида циркония или диоксида циркония основан на твердотельном электрохимическом топливном элементе, который называется ячейкой Нернста.Его два электрода обеспечивают выходное напряжение, соответствующее количеству кислорода в выхлопных газах по сравнению с количеством кислорода в атмосфере. Выходное напряжение 0,2 В (200 мВ) постоянного тока представляет собой «бедную смесь» топлива и кислорода, где количество кислорода, поступающего в цилиндр, достаточно для полного окисления монооксида углерода (CO), образующегося при сжигании воздуха и топлива, в диоксид углерода (CO ₂ ). Выходное напряжение 0,8 В (800 мВ) постоянного тока представляет собой «богатую смесь», в которой много несгоревшего топлива и мало остаточного кислорода.Идеальная уставка составляет приблизительно 0,45 В (450 мВ) постоянного тока. Здесь количество воздуха и топлива находится в оптимальном соотношении, которое составляет ~ 0,5% обедненной смеси от стехиометрической точки, так что выхлопные газы содержат минимальное количество окиси углерода.

Напряжение, создаваемое датчиком, не зависит от концентрации кислорода. Датчик наиболее чувствителен вблизи стехиометрической точки и менее чувствителен при очень бедной или очень богатой смеси.

Блок управления двигателем (ЭБУ) — это система управления, которая использует обратную связь от датчика для регулировки топливно-воздушной смеси.Как и во всех системах управления, важна постоянная времени датчика; способность ЭБУ управлять соотношением топливо-воздух зависит от времени отклика датчика. У изношенного или загрязненного датчика обычно более медленное время отклика, что может снизить производительность системы. Чем короче период времени, тем выше так называемый «перекрестный счет» ^[2] и тем быстрее реагирует система.

Датчик из диоксида циркония относится к типу «узкополосного», что относится к узкому диапазону соотношений топливо / воздух, на который он реагирует.

Широкополосный циркониевый датчик

Планарный широкополосный циркониевый датчик (схематическое изображение)

Вариант датчика из диоксида циркония, называемый «широкополосным» датчиком, был представлен Робертом Бошем в 1994 году и использовался на многих автомобилях ^[3] , чтобы удовлетворить постоянно растущие потребности в улучшении экономии топлива. , меньшие выбросы и одновременно улучшенные характеристики двигателя. Он основан на плоском элементе из диоксида циркония, но также включает электрохимический газовый насос.Электронная схема, содержащая контур обратной связи, управляет током газового насоса, чтобы поддерживать постоянную мощность электрохимической ячейки, так что ток насоса напрямую указывает на содержание кислорода в выхлопных газах. Этот датчик исключает цикличность обедненной смеси, присущую узкополосным датчикам, позволяя блоку управления гораздо быстрее регулировать подачу топлива и угол зажигания двигателя. В автомобильной промышленности этот датчик также называется датчиком UEGO (универсальный датчик кислорода в выхлопных газах).Датчики UEGO также обычно используются при настройке динамометрических стендов на вторичном рынке и в высокопроизводительном оборудовании для отображения воздуха и топлива водителя. Широкополосный циркониевый датчик используется в системах стратифицированного впрыска топлива, а теперь может также использоваться в дизельных двигателях, чтобы соответствовать предстоящим ограничениям выбросов EURO и ULEV.

Широкополосные датчики состоят из трех элементов:

• Ионно-кислородный насос
• Узкополосный циркониевый датчик
• Нагревательный элемент

Схема подключения широкополосного датчика обычно состоит из шести проводов:

• резистивный нагревательный элемент (два провода)
• датчик
• насос
• резистор калибровочный
• обычный

Датчик титана

Менее распространенный тип узкополосных лямбда-зондов имеет керамический элемент из диоксида титана (диоксида титана).Этот тип не генерирует собственное напряжение, но изменяет свое электрическое сопротивление в зависимости от концентрации кислорода. Сопротивление диоксида титана зависит от парциального давления кислорода и температуры. Поэтому некоторые датчики используются с датчиком температуры газа для компенсации изменения сопротивления из-за температуры. Значение сопротивления при любой температуре составляет около 1/1000 изменения концентрации кислорода. К счастью, при лямбда = 1 происходит большое изменение кислорода, поэтому изменение сопротивления обычно в 1000 раз между богатым и обедненным, в зависимости от температуры.

Поскольку диоксид титана является полупроводником N-типа со структурой TiO _{2- x} , дефекты x в кристаллической решетке проводят заряд. Так, для выхлопа с высоким содержанием топлива (более низкая концентрация кислорода) сопротивление низкое, а для выхлопа с обедненным топливом (более высокая концентрация кислорода) сопротивление высокое. Блок управления питает датчик небольшим электрическим током и измеряет результирующее падение напряжения на датчике, которое варьируется от примерно 0 вольт до примерно 5 вольт.Подобно датчику из диоксида циркония, этот тип является нелинейным, поэтому его иногда упрощенно описывают как двоичный индикатор, показывающий либо «богатый», либо «обедненный». Датчики из диоксида титана дороже датчиков из диоксида циркония, но они также быстрее реагируют.

В автомобильной промышленности датчик диоксида титана, в отличие от датчика диоксида циркония, не требует эталонного образца атмосферного воздуха для правильной работы. Это упрощает проектирование узла датчика против загрязнения водой. Хотя большинство автомобильных датчиков являются погружными, датчики на основе диоксида циркония требуют очень небольшого притока эталонного воздуха из атмосферы.Теоретически жгут проводов датчика и разъем заделаны. Предполагается, что воздух, который просачивается через жгут проводов к датчику, исходит из открытого места в жгуте — обычно ЭБУ, который расположен в замкнутом пространстве, таком как багажник или салон автомобиля.

Расположение датчика в системе

Зонд обычно ввинчивается в резьбовое отверстие в выхлопной системе, расположенное после ответвления коллектора выхлопной системы комбайнов и перед каталитическим нейтрализатором.Новые автомобили должны иметь датчик до и после катализатора выхлопных газов, чтобы соответствовать нормам США, требующим, чтобы все компоненты выбросов проверялись на предмет отказа. Сигналы до и после катализатора отслеживаются для определения эффективности катализатора. Кроме того, некоторым каталитическим системам требуются короткие циклы обедненного (кислородсодержащего) газа для загрузки катализатора и содействия дополнительному окислительному восстановлению нежелательных компонентов выхлопных газов.

Датчик наблюдения

Соотношение воздух-топливо и, естественно, состояние датчика можно контролировать с помощью измерителя отношения воздух-топливо, который отображает считанное выходное напряжение датчика.

Неисправности датчика

Обычно срок службы ненагреваемого датчика составляет от 30 000 до 50 000 миль (от 50 000 до 80 000 км). Срок службы датчика с подогревом обычно составляет 100 000 миль (160 000 км). Отказ ненагреваемого датчика обычно вызван накоплением сажи на керамическом элементе, что увеличивает время его отклика и может привести к полной потере способности воспринимать кислород. У нагретых датчиков нормальные отложения выгорают во время работы и выходят из строя из-за истощения катализатора.Затем датчик имеет тенденцию сообщать о бедной смеси, ECU обогащает смесь, выхлоп обогащается монооксидом углерода и углеводородами, а экономия топлива ухудшается.

Этилированный бензин загрязняет кислородные датчики и каталитические нейтрализаторы. Большинство кислородных датчиков рассчитаны на определенный срок службы в присутствии этилированного бензина, но срок службы датчика будет сокращен до 15 000 миль в зависимости от концентрации свинца. Концы сенсоров, поврежденных свинцом, обычно имеют обесцвеченный или ржавый цвет.

Другой частой причиной преждевременного выхода из строя лямбда-зондов является загрязнение топлива силиконами (которые используются в некоторых уплотнениях и смазках) или силикатами (используются в качестве ингибиторов коррозии в некоторых антифризах). В этом случае отложения на датчике имеют цвет от блестящего белого до зернистого светло-серого.

Утечка масла в двигатель может покрыть наконечник зонда маслянистым черным отложением, что приведет к потере чувствительности.

Чрезмерно богатая смесь вызывает накопление черного порошкообразного осадка на датчике.Это может быть вызвано неисправностью самого датчика или проблемой в системе нормирования топлива.

Подача внешнего напряжения на датчики из диоксида циркония, например Проверив их с помощью омметра некоторых типов, можно повредить их.

У некоторых датчиков есть входное отверстие для воздуха в проводе, поэтому загрязнения из провода, вызванные утечками воды или масла, могут попасть в датчик и вызвать неисправность. ^[4]

Признаки неисправности датчика кислорода включают:

• Датчик света на приборной панели указывает на проблему
• Повышенный выброс выхлопных газов
• Повышенный расход топлива
• Неуверенность в разгоне
• Стойка
• Резкий холостой ход

Приложения для дайвинга

Анализатор кислорода для дыхательных газов для дайвинга

Датчик кислорода для дайвинга, который иногда называют анализатором кислорода или ppO ₂ метр , используется при подводном плавании с аквалангом.Они используются для измерения концентрации кислорода в смесях газов для дыхания, таких как найтрокс и тримикс. ^[5] Они также используются в механизмах контроля кислорода в ребризерах замкнутого цикла для поддержания парциального давления кислорода в безопасных пределах. ^[6] Датчик этого типа работает, измеряя электричество, вырабатываемое небольшим электрогальваническим топливным элементом.

Научные приложения

При исследованиях дыхания почвы датчики кислорода могут использоваться вместе с датчиками углекислого газа, чтобы помочь улучшить характеристики дыхания почвы.Обычно в датчиках почвенного кислорода используется гальванический элемент для создания потока тока, который пропорционален измеряемой концентрации кислорода. Эти датчики расположены на разной глубине, чтобы отслеживать истощение кислорода во времени, которое затем используется для прогнозирования скорости дыхания почвы. Как правило, эти почвенные датчики оснащены встроенным нагревателем для предотвращения образования конденсата на проницаемой мембране, поскольку относительная влажность в почве может достигать 100%. ^[7]

В морской биологии или лимнологии измерения кислорода обычно проводятся для измерения дыхания сообщества или организма, но также используются для измерения первичной продукции водорослей.Традиционный способ измерения концентрации кислорода в пробе воды заключался в использовании методов влажной химии, например метод титрования Винклера. Однако существуют коммерчески доступные датчики кислорода, которые с большой точностью измеряют концентрацию кислорода в жидкостях. Доступны два типа кислородных датчиков: электроды (электрохимические датчики) и оптоды (оптические датчики).

Электроды

Измеритель растворенного кислорода для лабораторного использования.

Электрод Кларка — наиболее часто используемый датчик кислорода для измерения растворенного в жидкости кислорода.Основной принцип заключается в том, что катод и анод погружены в электролит. Кислород поступает в датчик через проницаемую мембрану путем диффузии и восстанавливается на катоде, создавая измеримый электрический ток.

Между концентрацией кислорода и электрическим током существует линейная зависимость. С помощью двухточечной калибровки (0% и 100% насыщение воздухом) можно измерить кислород в образце.

Одним из недостатков этого подхода является то, что кислород потребляется во время измерения со скоростью, равной диффузии в датчике.Это означает, что датчик необходимо перемешивать, чтобы получить правильные измерения и избежать застоя воды. С увеличением размера сенсора увеличивается потребление кислорода, а вместе с ним и чувствительность перемешивания. В больших датчиках также имеет место дрейф сигнала во времени из-за расхода электролита. Однако датчики типа Кларка могут быть очень маленькими с размером наконечника 10 мкм. Потребление кислорода таким микросенсором настолько мало, что он практически нечувствителен к перемешиванию и может использоваться в застойных средах, таких как отложения или внутри тканей растений.

Оптоды

Оптод кислорода — это датчик, основанный на оптическом измерении концентрации кислорода. Химическая пленка приклеивается к концу оптического кабеля, и флуоресцентные свойства этой пленки зависят от концентрации кислорода. Флуоресценция максимальна при отсутствии кислорода. Когда молекула O ₂ проходит, она сталкивается с пленкой и гасит фотолюминесценцию. При данной концентрации кислорода будет определенное количество молекул O ₂ , сталкивающихся с пленкой в ​​любой момент времени, и свойства флуоресценции будут стабильными.

Отношение сигнала (флуоресценции) к кислороду нелинейно, и оптод наиболее чувствителен при низкой концентрации кислорода. То есть чувствительность уменьшается с увеличением концентрации кислорода в соответствии с соотношением Штерна – Фольмера. Однако оптодные датчики могут работать во всем диапазоне от 0% до 100% насыщения кислородом в воде, и калибровка выполняется так же, как и с датчиком типа Кларка. Кислород не потребляется, и, следовательно, датчик нечувствителен к перемешиванию, но сигнал стабилизируется быстрее, если датчик перемешать после помещения в образец.Этот тип электродных датчиков может использоваться для мониторинга производства кислорода в реакциях расщепления воды на месте и в реальном времени. Платинированные электроды позволяют осуществлять мониторинг производства водорода в устройстве для разделения воды в реальном времени. Кальзаферри и его сотрудники очень широко использовали этот тип электродов для исследований фотоэлектрохимического расщепления воды. ^{[ необходима ссылка ]}

См. Также

Список литературы