Рис. 2. 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 более строгие нормы регулирования эмиссии, принятые во многих странах, в частности в Европе (Euro IV и Euro V), создают обширный рынок для сбыта датчиков контроля выхлопных газов, среди которых выделяются два типа (рис. 2):
датчики концентрации кислорода oxygen sensors, или λ-зонды,
датчики оксида азота (NOx или nitrogen oxide sensors) [9–11].
Основная задача датчика концентрации кислорода — контролировать ТВС двигателя по содержанию O2 в отработавших газах, чтобы при коэффициенте избытка воздуха λ = 1 достичь стехиометрического соотношения воздух/топливо, соответствующего смеси, в которой все топливо расходуется в процессе горения. Для бензиновых двигателей это соотношение составляет по весу примерно 14,7:1. Если воздуха меньше, топливо будет оставаться после сгорания — такая смесь является богатой. Недостаток богатой смеси — несгоревшее топливо в выхлопных газах, которое становится источником загрязнений. Если в ТВС в избытке воздух, наблюдается выброс кислорода (бедная смесь). Это способствует образованию загрязнений в виде оксида азота, и в некоторых случаях вызывает нарушение работы двигателя.
Обычный стехиометрический датчик — также известный как switching oxygen sensor, heated exhaust gas oxygen (HEGO) sensor, lambda sensor, или датчик узкого диапазона narrow range sensor, — способен распознавать богатые или бедные смеси, индицируя сигналами On/Off присутствие или отсутствие кислорода в выхлопных газах, но не его сумму.
Компания Bosch — мировой технологический лидер в производстве датчиков oxygen sensor — более 20 лет назад, в 1976 году создала ненагреваемый датчик. Последующие уникальные разработки компании были направлены на повышение эффективности, надежности (в разработках Bosch применяется специальный водоустойчивый, теплостойкий соединитель; датчики также защищены от загрязнений и устойчивы к вибрациям двигателя) и облегчения инсталляции. В 1982 году Bosch впервые представила нагреваемый датчик Thimble Type Oxygen Sensor, в 1997 году — планарный датчик концентрации кислорода.
Активная керамическая часть (ZrO2) Thimble-датчика представляет собой твердый электролит в форме трубки, закрытой на одном конце, который нагревается изнутри электрически (рис. 2а–б). Электрически подогреваемые (а не нагреваемые выхлопным газом) датчики особенно удобны для измерения параметров двигателя, действующего на обедненной топливной смеси; они работоспособны и во время прогрева двигателя.
При высокой температуре (свыше 350 °C) электролит становится проводящим и реагирует на содержание кислорода в выхлопном газе, образуя характерный гальванический заряд, который снимается с электродов, покрывающих внутреннюю и верхнюю поверхности керамики, — слоев платины с микропорами. Максимальное значение заряда соответствует λ = 1. Заряд преобразуется в выходное ступенчатое напряжение датчика (рис. 2в) обычно от 0,1 до 0,9 В с 0,45 В при достижении стехиометрического соотношения. Типичное сопротивление составляет 2–6,5 Ом. Данный тип датчика функционирует, сравнивая чистый атмосферный воздух с выхлопами, поэтому очень чувствителен к различным загрязнениям — грязи, маслу, от которых датчик необходимо защищать.
Хотя датчик характеризуется высокой долговременной стабильностью, керамический элемент — критичная часть любого такого датчика, подверженная старению и снижающая срок его службы. Так, для ненагреваемых датчиков срок замены составлял 30–50 тыс. миль, нагреваемых (до середины 1990-х) — 60 тыс. миль (например, Cheap Oxygen Sensor), а для большинства современных датчиков срок замены, рекомендуемый OBDII, — 100 тыс. миль.
Керамический элемент планарного или пластинчатого датчика Bosch создается печатанием множественных слоев — защитного, изолирующего, адгезивного и проводящего — на различных керамических слоях (рис. 2г). Эти слои спрессовываются и спекаются, что позволяет получить элемент, меньший по весу, но более жесткий, прочный и надежный, с большим сроком службы. Сопротивление планарных датчиков достигает 12–15 Ом.
По информации с сайта Bosch, в автомобилях, выпускающихся в последние годы, планарные датчики составляют не менее 30%, а в 2007-м их число достигнет 50%.
Оба типа датчиков — с твердым электролитом и планарные — выпускает и компания Denso Corporation (рис. 2ж, з). В датчиках Honeywell применяются два диска из ZrO2, ограничивающие между ними пространство для малой герметичной камеры. Один из дисков функционирует как обратимый кислородный насос для заполнения и опустошения камеры, второй измеряет коэффициент различия в давлении и генерирует соответствующее напряжение.
Сегодня, в соответствии с новыми нормами, датчики должны более точно определять соотношение воздух/топливо, температуру и суммарную концентрацию загрязняющих веществ в выхлопном газе. Так, сумма кислорода, необходимая для оптимальной работы двигателя, зависит от многих факторов — температуры воздуха, двигателя, барометрического давления, режима работы двигателя и т. д. Существует широкий диапазон применения новых разработок: бензиновый двигатель с непосредственным впрыском, бензиновый двигатель SULEV (Super-Ultra-Low-Emission-Vehicle), дизельный двигатель. Кстати, датчики, предназначенные для дизельных двигателей, должны иметь высокие характеристики обедненного диапазона.
К появлению многочисленных новых разработок датчиков контроля эмиссии приводит и появление автомобилей следующего поколения — гибридных, в которых обычный двигатель внутреннего сгорания комбинируется с электродвигателем, и машин, работающих на природном газовом или водородном топливе (fuel cell vehicles), также нуждающихся в датчиках и системах рециркуляции.
Потребностью в более точных датчиках с интеллектуальными признаками обусловлены новые разработки Bosch, которые синхронно обеспечивают прецизионные сигналы. Wide-range Oxygen Sensor (датчик широкого диапазона), предложенный Bosch в 2001 году, индицирует не только присутствие, но и сумму кислорода в отработавших газах. Эти датчики также известны как air/fuel ratio sensors, linear oxygen sensors, или universal exhaust gas oxygen (UEGO) sensors (рис. 2д, е).
Для того чтобы получить аналоговый сигнал, пропорциональный соотношению воздух/топливо, конструкция датчика широкого диапазона использует дуальный сенсорный элемент, включающий ячейку Нернста в планарном исполнении, как в датчике narrow range, но с дополнительным слоем кислородного насоса и диффузионным зазором. Корпус имеет также опорную камеру и нагревательный элемент. Если существует разница в уровнях концентрации кислорода через элемент ZrO2, в сенсорном элементе протекает ток, на основе которого формируется сигнал напряжения.
Датчики концентрации кислорода на основе оксида титана TiO2 (рис. 2и), выпускаемые, например, компанией NGK Spark Plugs, не способны вырабатывать напряжение самостоятельно. Вместо этого варьируется сопротивление элемента — в диапазоне 1–20 кОм. Это значительное изменение может прочитываться ECU, который генерирует выходное напряжение, питая датчик TiO2 опорным напряжением приблизительно в 1 В. При богатой смеси сопротивление датчика быстро падает, и уровень сигнала напряжения в ECU становится высоким; при бедной смеси сопротивление быстро увеличивается, а напряжение в ECU переключается к низкому уровню. Существуют и нагреваемые версии датчика на основе диоксида титана, что позволяет понизить сопротивление датчика до 4–7 Ом.
Необходимо учитывать, что автомобили оборудуются ECU, рассчитанным либо на использование датчика на основе диоксида титана, либо датчика на основе диоксида циркония. Эти датчики не взаимозаменяемы. Датчики на основе TiO2 более надежны, поскольку способны функционировать в условиях сильных загрязнений и не зависят от состояния окружающего воздуха в опорной камере и прочих факторов, важных для датчиков на основе диоксида циркония, поэтому актуальны для автомобилей, эксплуатируемых в жестких окружающих условиях.
Влиянием выхлопных газов (прежде всего NOx), которые вызывают смог и кислотные дожди, обусловлена разработка новых датчиков газа. Правительства многих стран требуют от автопроизводителей не только снижения эмиссии этих газов, но и ограничения в выхлопных газах других продуктов горения — например, CO, SOx, и CO2. Датчики газа детектируют содержание выхлопных газов и подают сигналы в управляющий блок для контроля ТВС и систему рециркуляции отработавших газов Exhaust Gas Recirculation (EGR).
Для того чтобы выяснить величину концентрации NOx, обычно используются две измерительные камеры. Первая камера за счет прикладывания напряжения к насосной ячейке заполняется кислородом, концентрация которого определяется измерительной ячейкой и поддерживается постоянной. Вторая сенсорная ячейка измеряет ионы кислорода, выделенные из NOx при диссоциации во второй камере, и вырабатывает сигнал (ионный ток кислорода), пропорциональный концентрации NOx. Уточненные методы позволяют детектировать нулевую концентрацию.
Компания NGK Spark Plugs разработала концепции одновременного использования датчиков NTK как переключательного типа, так и датчиков широкого диапазона, а кроме того, возможность комбинирования NOx и oxygen sensors.
В качестве примера можно привести интеллектуальный датчик с многослойным сенсорным элементом ZrO2, который разработан совместно с NGK и выпускается Siemens VDO (рис. 2к). Датчик допускает как прямое измерение NOx, так и соотношения воздух/топливо. Интеллектуальный датчик включает газовый сенсорный элемент и электронный блок, генерирующий три сигнала: NOx, двоичный, линейный. Данные передаются к ECU двигателя посредством шины CAN. Датчик характеризуется независимостью от системных поставщиков и системы управления двигателем.
