20. Датчики кислорода ( - зонды)

Известны два типа датчиков, реагирующих на содержание кислорода. В одном из них чувствительным элементом является диоксид циркония ZrO₂, во втором – диоксид титанаTiO₂. Оба типа датчиков реагируют на парциальное давление кислорода, содержащегося в смеси газов.

Парциальным давлением газа называется давление, которое оказывал бы этот газ на стенки сосуда, в который он помещен, если бы этот газ занимал весь объем сосуда. Например, если атмосферное давление равно 1 бар, а в атмосфере содержится 21 % кислорода по объему, то его парциальное давление равно 0,21 бар.

Циркониевый датчик (рис. 1) имеет два электрода – внешний 4 и внутренний 5. Оба электрода выполнены из пористой платины или ее сплава и разделены слоем твердого электролита, которым является диоксид циркония ZrO₂с добавлением оксида иттрияY₂O₃для повышения ионной проводимости.

Рис. 1. Схема циркониевого датчика кислорода:

1. Электропроводное уплотнение.

2. Корпус.

3. Твердый электролит. 4. Внешний электрод. 5. Внутренний электрод

Среда, окружающая внутренний электрод 5, имеет постоянное парциальное давление кислорода (эталон). Внешний электрод омывается потоком отработанных газов выпускного тракта двигателя, в которых парциальное давление кислорода является величиной переменной.

Ионная проводимость твердого электролита, возникающая вследствие разности парциальных давлений кислорода на внешнем и внутреннем электродах, обусловливает появление разности потенциалов между ними (U_ВЫХ).

При низком уровне парциального давления кислорода в отработанных газах, когда двигатель работает на обогащенной смеси (1), датчик, как гальванический элемент, генерирует напряжение порядка 700 ‑ 1000 мВ. При переходе на обедненную смесь (1) парциальное давление кислорода в отработанных газах заметно увеличивается, что приводит к резкому падению напряжения на выходе датчика до 50 –100 мВ (рис. 2).

Такое резкое падение напряжения при небольшом изменении парциального давления кислорода, сопровождающее переход от обогащенной к обедненной смеси, позволяет определять состав смеси с погрешностью не более 5 %.

Конструкция датчика кислорода на основе диоксида циркония показана на рис. 3.

Принцип работы датчика кислорода на основе двуокиси титана TiO₂основан на изменении электропроводностиTiO₂при изменении парциального давления кислорода в выхлопных газах. Принципиальных отличий в его конструкции по сравнению с вышеописанным циркониевым датчиком нет. Чувствительный элемент из двуокиси титана, закрытый кожухом с отверстиями или прорезями, установлен в металлическом корпусе, от которого он защищен изолятором.

Контрольные вопросы

1. На каком принципе основана работа датчиков кислорода?

2. Зачем измеряется содержание кислорода в выхлопных газах ДВС?

21. Электромагнитные форсунки

Электромагнитные форсунки осуществляют впрыск топлива во всасывающий тракт двигателя и являются наиболее ответственными узлами системы впрыска, а их работа связана с одновременно протекающими гидромеханическими и электромагнитными процессами.

Форсунки открываются по сигналу системы управления двигателем и осуществляют дозированное распыливание топлива.

Обычно, форсунки имеют оригинальную конструкцию для каждой модели двигателя, в который они установлены, в связи с чем их конструктивные исполнения отличаются большим разнообразием.

Работа электромагнитной форсунки осуществляется в импульсном режиме при частоте срабатывания от 10 до 200 Гц в условиях повышенных температур и вибрации. При этом к ним предъявляются достаточно высокие требования по точности дозирования – не хуже 2‑5 % на протяжении всего срока службы. Т.е. форсунка в среднем должна за все время работы произвести около 600 млн. срабатываний. Это очень большое число для электромеханического устройства.

Сигнал на начало впрыскивания топлива подается на катушку индуктивности  (обмотку) 5 электромагнита (рис. 1).

В корпусе 4 размещен также запорный элемент 1, образующий вместе с седлом 10 клапан. Запорный элемент 1 прижат к седлу 10 пружиной возврата 6.

Когда на обмотку 5 через контакты 7 подается электрический сигнал в виде прямоугольного импульса определенной продолжительности, в обмотке 5 образуется электромагнитное поле, преодолевающее усилие пружины 6 и втягивающее якорь 3, а вместе с ним и закрепленный на якоре 3 запорный элемент 1. При этом последний отодвигается от седла 10, между ними образуется зазор, через который топливо под давлением впрыскивается во впускной тракт двигателя. После прекращения действия электрического сигнала, электромагнитное поле, создаваемое обмоткой 5, исчезает, и пружина 6 возвращает запорный элемент 1 в закрытое состояние (прижимает его к седлу 10).

Таким образом, количество впрыснутого через форсунку топлива зависит от длительности электрического импульса, давления топлива, расходной характеристики форсунки (ее гидравлического сопротивления) и инерционной массы ее подвижных частей, а также от инерционности электромагнитной системы.

В связи с этим в реальной системе моменты начала и окончания процесса впрыска не соответствует началу и окончанию действия управляющего электрического импульса. После его подачи к обмотке 5, в последней возникает ток самоиндукции, препятствующий нарастанию тока в электрической обмотке, и, соответственно, нарастанию магнитного потока, действующего на якорь 3. Из-за этого нарастание усилия, действующего на якорь 3, происходит с запозданием. Кроме того, сам якорь 3 вместе с пружиной 6 обладают определенной массой, и поэтому их перемещение запаздывает относительно действующих на них электромагнитных сил. В связи с изложенным, открытие клапана для впрыска топлива происходит с некоторым запозданием.

При практически мгновенном прекращении подачи электрического импульса на обмотку 5, явление самоиндукции не дает столь же мгновенно исчезнуть магнитному потоку, действующему на якорь 3. Это обстоятельство с учетом действия инерционных сил препятствует своевременному запиранию форсунки.

Быстродействие форсунки можно увеличить за счет уменьшения индуктивности обмотки 5, уменьшив количество ее витков. Однако, при этом возрастает сила тока и энергопотребление. Для устранения этого явления последовательно виткам обмотки 5 включают резистор, ограничивающий силу тока.

В электромагнитных форсунках используют различные формы запорных элементов 1: плоские (дисковые), конусные (штифтовые) и сферические (шариковые). При этом наибольшее распространение получили конусные конструкции. Обычно, ход запорного элемента составляет около 0,15 мм.

Контрольные вопросы

1. Какие требования предъявляются к электромагнитным форсункам и почему?

2. Опишите конструкцию электромагнитной форсунки и порядок ее работы?

3. От чего зависит количество топлива, впрыскиваемого электромагнитной форсункой?

4. С чем связана инерционность действия электромагнитной форсунки, и каким образом ее можно уменьшить?