Контур лямбда-регулирования

1.Принцип действия

Для того чтобы в системах, оснащенных только трехкомпонентным каталитическим нейтрализатором, поддерживался максимальный уровень преобразования всех трех токсичных компонентов отработавших газов эти компоненты должны находиться в химическом равновесии. Для этого необходимо обеспечивать состав рабочей смеси со стехиометрическим соотношением (a = 1,0). Поэтому «окно», в котором должно находиться соотношение топлива и воздуха в смеси, очень узкое. Единственным решением такой проблемы является применение замкнутого контура управления для регулирования этого соотношения в смеси. Разомкнутый контур управления достаточной точности дозирования топлива не обеспечит.

Двигатели с непосредственным впрыскиванием топлива работают на смесях, состав которых отклоняется от стехиометрического соотношения. Для регулирования состава рабочих смесей в этих системах может также использоваться замкнутый контур управления.

Лямбда-зонд 3а (рис.33) располагается в системе выпуска до переднего каталитического нейтрализатора 4. Сигнал зонда U_Sa подается на блок 7 управления двигателем. Для этих целей может использоваться двухточечный (двухточечное управление) или широкополосный (непрерывное лямбда-управление) лямбда-зонд. За основным каталитическим нейтрализатором 5 может находиться второй лямбда-зонд 3b (двухзондовое регулирование), в качестве которого всегда используется двухточечный зонд. Он вырабатывает сигнал U_Sb.

С помощью контура лямбда-управления могут распознаваться и корректироваться отклонения от определенного соотношения воздуха и топлива в смеси. Принцип управления базируется на измерении содержания остаточного кислорода в отработавших газах. Содержание остаточного кислорода является критерием состава рабочей смеси, поступающей в двигатель.

Двухточечный лямбда-зонд, установленный перед каталитическим нейтрализатором, подает при обогащенной смеси (a < 1) сигнал высокого, а при обедненной (a > 1) — низкого напряжения U_Sa. Так как при a = 1 возникает резкий скачок напряжения этого датчика, двухточечный лямбда-зонд может только показывать — обогащенная смесь или обедненная.

Выходной сигнал (напряжение) зонда в блоке управления двигателем преобразуется в бинарный сигнал, который является входным для замкнутого контура лямбда-управления, реализуемого с помощью программного обеспечения. Лямбда-управление непосредственно влияет на образование рабочей смеси и устанавливает точное соотношение в ней топлива и воздуха путем адаптации количества впрыскиваемого топлива. Регулируемая переменная может изменять значение в виде скачка или постепенно, управляя направлением изменения при каждом скачке напряжения зонда. Другими словами, резкое изменение регулируемой переменной приводит к изменению состава рабочей смеси. Это изменение сначала происходит резко, а затем постепенно. При высоком напряжении зонда (обогащенная смесь) регулируемая переменная обеспечивает изменение состава в сторону его обеднения, а при низком напряжении зонда (обедненная смесь) – в сторону обогащения смеси. С помощью этого так называемого двухточечного управления состав рабочей смеси может изменяться в диапазоне вблизи значения коэффициента избытка воздуха a=1.

Рисунок 33 – Функциональная схема замкнутого контура лямбда-управления:

1 - датчик массового расхода воздуха; 2 – двигатель; 3а - лямбда-зонд, расположенный до каталитического нейтрализатора предварительной очистки отработавших газов (двухточечный или широкополосный лямбда-зонд); 3b - двухточечный лямбда-зонд за основным каталитическим нейтрализатором (интегрированный с датчиком N0_Х, устанавливаемый только при необходимости на двигателях с непосредственным впрыскиванием топлива); 4 - каталитический нейтрализатор предварительной очистки отработавших газов (трехкомпонентный); 5 - основной каталитический нейтрализатор (при впрыскивании топлива во впускной трубопровод — трехкомпонентный, при непосредственном впрыскивании топлива — с накопителем NO_Х); 6 – форсунки; 7 - электронный блок управления двигателем; 8 – входные сигналы; U_S – напряжение зонда; U_V – напряжение включения форсунок; V_E – количество впрыскиваемого топлива

Типичный ошибочный сигнал лямбда-зонда, вызываемый изменениями состава рабочей смеси (богатая/ бедная), может компенсироваться путем использования ассимметричной характеристической кривой регулируемой переменной.

2.Конструкция и принцип действия лямбда-зондов

Двухступенчатый лямбда-зонд

Эти датчики используются в бензиновых двигателях с двухступенчатым лямбда-контролем. Они располагаются в выпускной трубе между выпускным трактом двигателя и каталитическим нейтрализатором отработавших газов и определяют содержание кислорода в отработавших газах, выходящих из каждого цилиндра двигателя. Благодаря нагреву лямбда-зонда, он может быть установлен на сравнительно большом расстоянии от двигателя, что позволяет двигателю работать на режиме полной нагрузки в течение долгого времени. Датчик типа LSF4 также применяется в системах снижения токсичности отработавших газов совместно с рядом других датчиков (например, в системе бортовой диагностики OBD II).

Двухступенчатые лямбда-зонды сравнивают концентрацию остаточного кислорода в отработавших газах с содержанием контрольной атмосферы внутри этого датчика. Затем они определяют состав рабочей смеси в отработавших газах — богатая (a < 1) или бедная (a > 1). Резкое изменение характеристической кривой этих датчиков позволяет регулировать состав рабочей смеси до a = 1 (рис.34).

Рисунок 34 – Двухступенчатый лямбда-зонд (характеристическая кривая напряжения для рабочей температуры 600°С):

а – богатая смесь (недостаток воздуха); б – бедная смесь (избыток воздуха)

Датчик LSH25 трубчатого (пальцевого) типа

Твердый электролит представляет собой газонепроницаемый керамический материал 1 (рис. 35) и состоит из диоксида циркония и оксида иттрия. Внутренние и наружные поверхности имеют покрытия из пористой платины, которые служат электродами 2. Датчик выполнен в форме трубки, закрытой с одного конца (палец). Платиновый электрод на наружной поверхности керамического тела входит в выпускную трубу 5 и действует как нейтрализатор в миниатюре. Воздействующие на этот электрод отработавшие газы 7 проходят химическую обработку и доводятся до стехиометрического равновесия (a = 1). Дополнительно на стороне, подвергающейся воздействию отработавших газов, нанесен пористый керамический слой (слой шпинели) для защиты от загрязнения. Металлическая трубка с прорезями защищает керамическое тело от механических ударных нагрузок (толчков) и от тепловых ударов. Несколько пазов специальной формы в защитной трубке, с одной стороны, позволяют эффективно защищать керамическое тело от тепловых и химических нагрузок, а с другой стороны, препятствуют резкому падению температуры керамического элемента датчика при холодных отработавших газах. «Открытая» внутренняя камера датчика изолирована от потока отработавших газов и сообщается с окружающим воздухом 8, который выполняет роль контрольного газа.

Рисунок 35 – Расположение лямбда-зонда трубчатого (пальцевого) типа в выпускной трубе:

1 – керамический элемент зонда; 2 – электроды; 3 – контакты; 4 – контакт корпуса; 5 – выпускная труба; 6 - керамический защитный слой (пористый); 7 – отработавшие газы; 8 – атмосферный воздух; U_S – напряжение зонда

Лямбда-зонды применяются обогреваемые и необогреваемые.

1.Необогреваемый трубчатый (пальцевый) лямбда-зонд LS21 (рис.36).

Керамическая опорная труба 6 и тарельчатая пружина 7 поддерживают активный, пальцевый керамический элемент 2 в корпусе зонда 3 и герметизируют его. Контактный элемент 4 между опорной трубой и активным керамическим элементом зонда обеспечивает контакт с соединительным кабелем 8.

Металлическое уплотнительное кольцо соединяет внешний электрод с корпусом зонда. Полнокомплектная внутренняя конструкция зонда удерживается на своем месте защитной металлической гильзой, которая также играет роль опоры для тарельчатой пружины.

Эта защитная гильза также защищает внутреннюю часть зонда от загрязнения. Соединительный кабель подключен путем обжатия с выступающей наружу частью контакта и защищен от влажности и механического повреждения термостойким колпачком.

Рисунок 36 - Необогреваемый трубчатый (пальцевый) лямбда-зонд LS21:

1 – защитная труба; 2 – активный керамический элемент зонда; 3 – корпус зонда; 4 – контактный элемент; 5 - защитная оболочка; 6 – керамическая опорная труба; 7 – тарельчатая пружина; 8 – соединительный кабель

Для того чтобы изолировать продукты сгорания в отработавших газах от керамического элемента зонда, на корпусе зонда со стороны отработавших газов помещена защитная труба особой формы. Шлицы в защитной трубе выполнены таким образом, что защищают особенно эффективно от термических и химических нагрузок.

2.Обогреваемый трубчатый (пальцевый) лямбда-зонд LSH24 (рис.37).

Рисунок 37 - Обогреваемый трубчатый (пальцевый) лямбда-зонд LSH24:

1 – корпус зонда; 2 – керамическая опорная труба; 3 – соединительный кабель; 4 – защитная труба со шлицами; 5 – активный керамический элемент зонда; 6 – контактный элемент; 7 – защитная гильза; 8 – нагревательный элемент; 9 – зажимные соединения нагревательного элемента; 10 – тарельчатая пружина

Такой зонд снабжен электронагревательным элементом 8. При низких нагрузках двигателя (например, при пониженных температурах отработавших газов) температура керамического элемента 5 определяется электронагревателем, а при высоких нагрузках — температурой отработавших газов. В зависимости от мощности электронагревательного элемента, температура отработавших газов (порядка 150…200°С) снижается для доведения температуры керамического элемента зонда до оптимальной величины. Благодаря электронагреву зонд нагревается так быстро, что его рабочая температура достигается уже в течение 20…30 с после пуска двигателя и, следовательно, начинает работать замкнутый контур управления. Нагревание зонда обеспечивает постоянную оптимальную рабочую температуру (при превышении функциональной температурной границы в350°С), что также позволяет достичь более низких и устойчивых показателей токсичности отработавших газов.