Датчики концентрації кисню

Вступ

Цілком природно, що в останні роки електронне вміст машин безперервно збільшується, оскільки все більше бортових механічних систем перетвориться в електричні, електронні та мехатронні системи. Це відбувається як для максимальної оптимізації та координації роботи двигуна та інших автомобільних систем, відповідальних за підвищення паливної ефективності та зниження емісії, так і в зв'язку з підвищеним попитом на більш комфортабельні автомобілі, чия надійність визначається безперервним посиленням норм емісії, стандартів безпеки і впливом ринкової ситуації . Значну частину автоелектроніки становлять датчики, необхідні для контролю коректного та узгодженого функціонування автомобільних систем. І попит на подібні пристрої, що відрізняються точністю і надійністю, буде постійно збільшуватися. Одна з найважливіших тенденцій у розвитку цифрових імпульсних датчиків швидкості та положення, що спостерігалася на рубежі століть, - перехід від пасивних аналогових (індуктивних) до цифрових (активним) пристроїв.

Робота систем контролю двигуна і емісії взаємопов'язана: практично всі датчики систем контролю двигуна працюють на обидві системи (в першу чергу датчик концентрації кисню, а також датчики масової витрати повітря і тиску).

Оптимізація процесів згоряння (паливна ефективність) надає можливість економити дорожчає бензинове паливо. Оптимальне згоряння дозволяє зменшувати емісію шкідливих вихлопних газів CO, HC і NOx, а також часток сажі, які утворюються при згорянні бензинового або дизельного палива, що контролюється датчиками зворотного зв'язку систем контролю двигуна і нейтралізації вихлопів.

Датчики концентрації кисню

Рис. 1. Примеры современных датчиков концентрации кислорода и газа: а–в — нагреваемый датчик концентрации кислорода с твердым электролитом ZrO2 Thimble Type Oxygen Sensor Bosch; а — конструкция датчика; б — конструкция и принцип работы сенсорной ячейки: 1 — сенсорная керамика; 2 — электроды; 3 — контакт; 4 — контакт разъема; 5 — выхлопная труба; 6 — защитное пористое керамическое покрытие; в — передаточная характеристика: а — богатая смесь, б — бедная смесь; Us — сенсорное напряжение; г — планарный нагреваемый датчик концентрации кислорода Bosch; д, е — универсальный нагреваемый датчик Bosch; д — внешний вид; е — конструкция и принцип работы: 1 — сенсорный элемент (комбинация ячейки Нернста и ячейки кислородного насоса); 2 — двойная защитная трубка; 3 — уплотнительное кольцо; 4 — уплотняющая прокладка; 5 — сенсорный корпус; 6— защитная гильза; 7 — держатель контакта; 8— контактный зажим; 9 — PTFE (PolyTetraFluoroEthylene) — трубка — фильтр для очистки входного кислорода от воды и загрязнений; 10 — PTFE-сформованная гильза; 11 — 5 соединительных проводов; 12 — уплотнение; ж, з— датчики концентрации кислорода Denso; з — датчик широкого диапазона; и — датчики на основе TiO2 (иллюстрация с сайта www.sparkplugs.com); к, л —датчики газа NOx и соотношения воздух/топливо SiemensVDO и NGK Spark Plugs.

Все більш суворі норми регулювання емісії, прийняті в багатьох країнах, зокрема в Європі (Euro IV і Euro V), створюють великий ринок для збуту датчиків контролю вихлопних газів, серед яких виділяються два типи:

1. датчики концентрації кисню oxygen sensors, або λ-зонди,

2. датчики оксиду азоту (NOx або nitrogen oxide sensors).

Основне завдання датчика концентрації кисню - контролювати ТВС двигуна по утриманню O2 у відпрацьованих газах, щоб при коефіцієнті надлишку повітря λ = 1 досягти стехіометричного співвідношення повітря / паливо, що відповідає суміші, в якій все паливо витрачається в процесі горіння. Для бензинових двигунів це співвідношення становить за вагою приблизно 14,7:1. Якщо повітря менше, паливо буде залишатися після згоряння - така суміш є багатою. Недолік багатої суміші - незгоріле паливо у вихлопних газах, яке стає джерелом забруднень. Якщо в ТВС в надлишку повітря, спостерігається викид кисню (бідна суміш). Це сприяє утворенню забруднень у вигляді оксиду азоту, і в деяких випадках викликає порушення роботи двигуна.

Активна керамічна частина (Zr O2) Thimble-датчика являє собою твердий електроліт в формі трубки, закритої на одному кінці, який нагрівається зсередини електрично. Електрично підігріваються (а не нагріваються вихлопним газом) датчики особливо зручні для вимірювання параметрів двигуна, що діє на збідненої паливної суміші; вони працездатні і під час прогріву двигуна.

При високій температурі (понад 350 ° C) електроліт стає провідним і реагує на вміст кисню в вихлопному газі, утворюючи характерний гальванічний заряд, який знімається з електродів, що покривають внутрішню і верхню поверхні кераміки, - шарів платини з мікропорами. Максимальне значення заряду відповідає λ = 1. Заряд перетвориться в вихідний ступеневу напруга датчика зазвичай від 0,1 до 0,9 В з 0,45 В при досягненні стехіометричного співвідношення. Типове опір становить 2-6,5 Ом. Даний тип датчика функціонує, порівнюючи чистий атмосферне повітря з вихлопами, тому дуже чутливий до різних забруднень - бруду, олії, від яких датчик необхідно захищати.

Для того щоб отримати аналоговий сигнал, пропорційний співвідношенню повітря / паливо, конструкція датчика широкого діапазону використовує дуальний сенсорний елемент, що включає осередок Нернста в планарному виконанні, як в датчику narrow range, але з додатковим шаром кисневого насоса і дифузійним зазором. Корпус має також опорну камеру і нагрівальний елемент. Якщо існує різниця в рівнях концентрації кисню через елемент ZrO2, в сенсорному елементі протікає струм, на основі якого формується сигнал напруги.

Датчики концентрації кисню на основі оксиду титану TiO2, що випускаються, наприклад, компанією NGK Spark Plugs, не здатні виробляти напругу самостійно. Замість цього варіюється опір елемента - в діапазоні 1-20 кОм. Це значна зміна може прочитуватися ECU, який генерує вихідну напругу, живлячи датчик TiO2 опорною напругою приблизно в 1 В. При багатою суміші опір датчика швидко падає, і рівень сигналу напруги в ECU стає високим; при бідній суміші опір швидко збільшується, а напруга в ECU переключається до низького рівня. Існують і нагріваються версії датчика на основі діоксиду титану, що дозволяє знизити опір датчика до 4-7 Ом.

Необхідно враховувати, що автомобілі обладнуються ECU, розрахованим або на використання датчика на основі діоксиду титану, або датчика на основі діоксиду цирконію. Ці датчики не взаємозамінні. Датчики на основі TiO2 більш надійні, оскільки здатні функціонувати в умовах сильних забруднень і не залежать від стану навколишнього повітря в опорній камері та інших факторів, важливих для датчиків на основі діоксиду цирконію, тому актуальні для автомобілів, експлуатованих в жорстких навколишніх умовах.

Впливом вихлопних газів (насамперед NOx), які викликають зміг і кислотні дощі, обумовлена розробка нових датчиків газу. Уряди багатьох країн вимагають від автовиробників не тільки зниження емісії цих газів, але й обмеження у вихлопних газах інших продуктів горіння - наприклад, CO, SOx, і CO2. Датчики газу детектируют зміст вихлопних газів і подають сигнали в керуючий блок для контролю ТВС і систему рециркуляції відпрацьованих газів Exhaust Gas Recirculation (EGR).

Для того щоб з'ясувати величину концентрації NOx, зазвичай використовуються дві вимірювальні камери. Перша камера за рахунок прикладання напруги до насосної осередку заповнюється киснем, концентрація якого визначається вимірювальної осередком і підтримується постійною. Друга сенсорна осередок вимірює іони кисню, виділені з NOx при дисоціації у другій камері, і виробляє сигнал (іонний струм кисню), пропорційний концентрації NOx. Уточнені методи дозволяють детектувати нульову концентрацію.

Як приклад можна привести інтелектуальний датчик з багатошаровим сенсорним елементом ZrO2, який розроблений спільно з NGK і випускається Siemens VDO. Датчик допускає як пряме вимірювання NOx, так і співвідношення повітря / паливо. Інтелектуальний датчик включає газовий сенсорний елемент і електронний блок, що генерує три сигнали: NOx, двійковий, лінійний. Дані передаються до ECU двигуна за допомогою шини CAN. Датчик характеризується незалежністю від системних постачальників і системи управління двигуном.

Висновок

Багато з альтернативних автомобілів поки існують тільки як концептуальне рішення, але очікувані нововведення випереджають інтенсивну розробку датчиків - наприклад, масової витрати газового палива, тиску, емісії, складу природного газу (Natural-gas composition sensor) та багатьох інших.

Таким чином, хоча сегмент автомобільних датчиків систем Powertrain та контролю емісії включає багато усталених рішень, що застосовуються багато років, інновації, особливо в галузі контролю емісії дизелів і датчиків для гібридів, створюють великі ринкові можливості для здійснення і збуту нових розробок на основі ІВ, MEMS і мультисенсорной платформи.

Надалі принципи конструювання нових датчиків більш високого рівня припускають об'єднання технологій, пошук нових нестандартних рішень.
Литература

1.   Сысоева С. Автомобильные цифровые магнитоуправляемые датчики угловой скорости и углового положения зубчатого ротора // Электронные компоненты. 2004. № 3.

2.   Сайт :www.sparkplugs.com