Лямбда-регулирование

Для более точного регулирования горючей смеси в зависимости от качества сгорания (наличия свободного кислорода) и более высокой степени очистки отработавших газов необходима регулировка коэффициента избытка воздуха, чтобы состав смеси был близок к стехиометрическому. С этой целью в двигателях применяют системы, основой которых является специальный датчик, определяющий наличие кислорода в отработавших газах (лямбда-зонд), устанавливаемый в выпускной системе. Такие системы называют системами с обратной связью.

Датчик кислорода представляет собой элемент из порошка двуокиси циркония, спеченного в форме пробирки, наружная и внутренняя поверхность которой покрыты пористой платиной или ее сплавом, что выполняет роль катализатора и токопроводящих электродов. Внешняя поверхность датчика покрыта тонким защитным слоем керамики. Двуокись циркония при высоких температурах приобретает свойство электролита, а датчик становится гальваническим элементом. Внешняя поверхность датчика соприкасается с отработавшими газами, а внутренняя с атмосферным воздухом.

Датчик кислорода

Рис. Датчик кислорода:
1 – твердый электролит двуокиси циркония; 2 – платиновый наружный электрод; 3 – платиновый внутренний электрод; 4 – контакты; 5 – корпусной контакт; 6 – выпуск отработавших газов

Принцип работы датчика кислорода показан на рисунке. На поверхности электродов 1 и 2 (пористая платина) всегда присутствует остаточный кислород, связанный с водородом, углеродом или азотом. При высоких температурах (более 350° С) в случае обогащения смеси в граничной зоне Е возникает недостаток кислорода. Отрицательно заряженные ионы кислорода начинают перемещаться к электроду 1, заряд на котором по отношению к электроду 2 становится отрицательным, что приводит к возникновению э.д.с.

Принцип работы датчика кислорода

Рис. Принцип работы датчика кислорода

Внутреннее сопротивление циркониевого датчика тем выше, чем ниже его температура. Поэтому генерирование э.д.с. датчиком начинается только при прогреве его до температуры 350° С. До этого времени потенциал на выходе датчика составляет 0,0…0,50 В – это опорное напряжение, подаваемое от входного каскада блока управления. Наличие опорного напряжения на входе блока позволяет определить готовность датчика к работе. На режимах пуска, прогрева холодного двигателя, ускорения и режиме максимальной мощности датчик не работает и состав смеси определяется блоком управления. Для расширения диапазона действия датчика и ускорения скорости его прогрева, особенно на режимах холостого хода и в условиях низких температур, применяют подогрев датчиков или их установку в непосредственной близости от двигателя.

При появлении в отработавших газах кислорода (коэффициент избытка воздуха λ больше единицы – бедная смесь) на контактах датчика падает напряжение.

Выходной сигнал датчика кислорода

Рис. Выходной сигнал датчика кислорода

Выходное напряжение датчика Uλ меняется от 0 до 1 В в течение очень короткого промежутка времени (несколько раз за 1 сек.) и свидетельствует о быстром реагировании как самого датчика, так и всей системы топливодозирования на установившихся режимах. Если оно увеличивается, тогда горючая смесь переходит в зону стехиометрического состава (от обедненной к обогащенной) и длительность впрыска (τупр) топлива форсункой впрыска изменяется. Таким образом, датчик работает в релейном режиме и позволяет применить его в системе автоматической стабилизации состава смеси в зоне стехиометрического состава. Упрощенный алгоритм работы системы с обратной связью (режим замкнутого контура или замкнутой петли) представлен на рисунке.

Упрощенный алгоритм работы системы λ-коррекции

Рис. Упрощенный алгоритм работы системы λ-коррекции

Весь цикл непрерывно повторяется и состав смеси изменяется от значений λ=0,97…98 до значений λ=1,02…1,03. Исключение составляют следующие режимы: режим максимальной мощности (λ= 0,86…0,88), режим торможения двигателем (отключение подачи топлива, при этом смесь очень обедненная и λ значительно больше единицы), режим ускорения (обогащение смеси, адекватное скорости открытия дроссельной заслонки).

В силу различных причин (изменения характеристик датчика кислорода и технического состояния двигателя, нестабильности топлива и др.) с течением времени изменения только одной коррекции времени впрыска для управления питанием двигателя оказывается недостаточно. Чтобы учесть изменения, влияющие на работу топливной системы, в последних электронных системах питания, электронный блок управления подстраивается под возникающие изменения (самообучение системы). В связи с этим для корректирования состава смеси кроме коэффициента коррекции λ применяются еще два коэффициента λ1 – аддитивный коэффициент коррекции самообучения и λ2 – мультипликативный коэффициент коррекции самообучения. Первый коэффициент корректирует работу двигателя на режиме холостого хода, второй – на режиме частичных нагрузок. Если неисправности двигателя или отдельных элементов системы питания, возникшие в процессе эксплуатации автомобиля, определяются с помощью сканирующего прибора и устраняются, тогда коэффициенты λ, λ1, λ2 возвращаются к номинальным значениям.

Согласно требованиям Евро III и Евро IV система самодиагностики должна реги­стрировать пропуски воспламенения смеси. Из-за них резко повышается содержа­ние вредных веществ в отработавших газах – в первую очередь несгоревших угле­водородов. Дожигание чрезмерного количества углеводородов перегревает нейтрализатор и может вывести его из строя. При уровне пропусков воспламенения двигателе свыше 4% (на каждые 100 рабочих циклов – более 4 пропусков) со­держание несгоревших паров топлива в отработавших газах становится выше допускаемых норм.

В случае появления пропусков воспламенения электронный блок управления фиксирует повы­шенную неравномерность вращения коленчатого вала, по показаниям датчика его положения следующим образом. Например, двигатель с порядком воспламенения в цилиндрах 1-3-4-2 работает в установив­шемся режиме, причем первый и третий цилиндры в порядке, а в четвертом вос­пламенения нет. Время полуоборота пер­вого и третьего цилиндров одинаковое, а у четвертого оно больше – вращение коленчатого вала за­медляется. Во втором исправном цилиндре начинается ускорение вращения. Электронный блок управления фиксирует сбой в работе двигателя и помечает его как пропуск.

Для подсчета пропусков у каждого ци­линдра свой счетчик: SUM1, SUM2, SUM3, SUM4. Вычислить неисправный цилиндр блоку управления помогает датчик положения распределительного вала. Допустим, обнаружен пропуск воспламе­нения в третьем цилиндре, тогда значение SUM3 увеличивается на единицу и т.д. Подсчет продолжается в течение 1000 оборотов коленчатого вала (допустимо, если счетчик накопит за это время пять пропусков), потом результат обнуляется и от­счет возобновляется.

Система самодиагностики в комплек­тации Евро III следит за пока­заниями счетчиков. Если их сумма превы­сит отметку 2,5% – будет зафиксирована неисправность и записан код ошибки Р0300. Коды Р0301, Р0302, Р0303, Р0304 указывают неисправность конкретного цилиндра.

В паре со счетчиком SUM работает еще один – SUMKAT. Его задача – фиксировать пропуски во всех цилиндрах, влияющие на работоспособность нейтрализатора. При обнаружении одного пропуска пока­зание счетчика изменяется не на единицу, как в предыдущем случае, а на большую величину, зависящую от режима работы двигателя. Мини­мальный скачок составляет 30 единиц, а максимальный – 250. Подсчет пропусков прекращается через каждые 200 оборо­тов коленчатого вала – и показание обнуляется. Если за такой цикл показание SUMKAT превысит 1000, то будет зафиксирована неисправность и в память контроллера записаны коды Р0300, Р0301…304.

Для того чтобы предупредить водителя о неисправности, на панели автомобиля начинает мигать контрольная лампа (Сheck engine), пре­дупреждая водителя о нештатной ситуа­ции и после небольшой за­держки отключится форсунка в неисправ­ном цилиндре. При многочисленных про­пусках сразу в двух цилиндрах контрол­лер отключит оба – в любом случае пере­грев нейтрализатора недопустим.

В ряде случаев самодиагностика мо­жет ошибаться по объективным причи­нам. Так, движение автомобиля по неров­ному покрытию означает неравномерное вращение колес, а с ними и коленчатого вала. Чтобы толчок колеса из-за неровностей дороги блок управления не посчитал за пропуск воспламенения, в мо­торном отсеке некоторых автомобилей, удовлетворяющих нормам Евро III, рядом с верх­ней опорой стойки устанавливают «датчик неровной дороги».

Согласно европейскому законодатель­ству (Евро III, Евро IV), бортовая диагности­ка должна контролировать состояние ней­трализатора и при неисправности вклю­чать диагностическую лампу. Для выпол­нения этого условия на выходе из нейтра­лизатора устанавливают второй датчик кисло­рода.

Второй датчик также участву­ет в точной подстройке состава топливовоздушной смеси, компенсируя погреш­ность первого датчика, которую необхо­димо учитывать по мере его старения. Контроллеры некоторых фирм, сравнивая показания обоих датчиков, рассчитывают коэффициент старения нейтрализатора, на основе которого специалисты по диаг­ностике строят свои прогнозы.

В отдельных автомобилях нашли применение кислородные датчики, в которых вместо циркониевого элемента используется титановый. Принцип действия титанового датчика полностью отличается от принципа работы циркониевого датчика и заключается в изменении его проводимости при приложении напряжения в зависимости от содержания кислорода в отработавших газах. Титановый датчик не вырабатывает напряжение, а изменяет свое сопротивление в зависимости от изменений состава топливной смеси. Из электронного блока управления на титановый датчик поступает опорное напряжение (примерно 1 в) от эталонного источника тока с высоким выходным сопротивлением. Изменение состава топливно-воздушной смеси вызывает скачкообразное изменение сопротивления титанового датчика и, как следствие, скачкообразное изменение протекающего через него тока. Соответственно этому изменяется падение напряжения на включенном последовательно с датчиком сопротивлении. Вместо постепенного изменения выходного напряжения как в циркониевом датчике, этот датчик изменяет своё сопротивление скачкообразно от малого (менее 1 кОм) при богатой смеси, к большому (более 20 кОм) при обедненной смеси. Титановые зонды широко использовались в некоторых моделях Nissan, Mitsubishi, Chrysler.

1 Звезда2 Звезды3 Звезды4 Звезды5 Звезд (3 оценок, среднее: 5,00 из 5)

1 комментарий к записи “Лямбда-регулирование

  1. Пидор:

    Отличная статья

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.