Лямбда регулирование, катализатор и ГБО — Экономичные Технологии
В связи с жесткой конкуренцией и ужесточением экологических норм автопроизводители вынуждены постоянно совершенствовать свои автомобили. Двигатели, оснащенные карбюратором, уже не обеспечивали желаемой экономичности, экологичности и мощности автомобиля.
Это обусловлено невозможностью точной настройки карбюратора на различных режимах. Поэтому производителями при первой возможности была внедрена электронная система управления впрыском под управлением 8-ми битного микропроцессора с тактовой частотой 4 мгц в 1979г.
Это произошло через 8 лет после появления первого в мире 4-х битного микропроцессора 4004.
На данный момент, система управления двигателем является довольно сложной в плане количества датчиков и исполнительных механизмов, сложных математических моделей записанных в виде программы блока управления.
Переход на более точную систему управления стал возможным не только благодаря появлению микропроцессора. Пригодился и опыт построения автоматизированных систем на промышленных предприятиях накопленный десятилетиями.
На тот момент в ВУЗах уже давно появился предмет, без которого уже немыслима автоматизация процессов — Теория автоматического управления (ТАУ).
ТАУ — это наука, которая позволяет просчитать уровень и скорость воздействия сразу на некоторое количество элементов управления для получения предсказуемо точного результата в отведенное время. На основании ТАУ для промышленности была создана и теория управления двигателем.
В процессе развития электронных систем управления двигателем улучшалась их точность, а вместе с ними и характеристики двигателей.
Для того, что бы следовать все более жестким экономическим и экологическим параметрам, увеличивается количество узлов системы управления двигателем, улучшается точность их изготовления, увеличивается вычислительная мощность блоков управления двигателем для того, что бы использовать более точные и сложные модели управления и математику.
Так как механические элементы системы имеют допуски изготовления и свойство изнашиваться, то понадобился датчик, который мог бы прояснить реальную картину по соотношению воздух — топливо. Так с конца 1970-х годов в автомобилях начали применять датчики кислорода (лямбда зонды).
Познавательная книга по теории управления.
Зачем нужен лямбда зонд? (датчик кислорода)
Лямбда зонд позволяет постоянно отслеживать количество кислорода в выхлопных газах и вводить корректировку впрыска топлива для достижения лучшей экономичности и экологичности двигателя.
Циркониевый лямбда зонд
Самый распространенный вариант — циркониевый лямбда зонд, который выдает сигнал о бедной или богатой смеси. Если смесь богатая — лямда зонд выдаст напряжение более 0,45В, если бедная — менее 0,45В.
Понятие бедной и богатой смеси связано с соотношением массы всасываемого в цилиндры двигателя воздуха к массе топлива. Условно соотношение выражается числом лямбда (уровень избытка кислорода).
Например, при числе λ (лямбда) = 1, соотношение массы воздуха к массе топлива составляет 14,7 кг воздуха / 1 кг топлива, что является наиболее экологичным соотношением. Такую пропорцию еще называют «стехиометрической смесью».
Таким образом, в простой системе управления с лямбда зондом, состав топливно-воздушной смеси постоянно колеблется возле λ = 1. Это происходит из-за того, что система управления пытается максимально приблизится к λ=1, а чувствительный элемент циркониевого лямбда зонда может показать только больше или меньше.
Циркониевый лямбда зонд обладает еще некоторыми важными параметрами, которые используются в более продвинутых системах управления с целью соответствия экологическим нормам евро-4 и выше.
Например, по внутреннему сопротивлению чувствительного элемента, выходного напряжения и сопоставляя эти параметры с другими параметрами системы, можно судить о концентрации вредных химических элементов в выхлопе (CH, CO, H2) и температуре чувствительного элемента датчика кислорода.
Таким образом, системой управления могут быть предприняты меры по улучшению экологических показателей мотора.
Широкополосный лямбда зонд
Существуют 2 основных типа широкополосных лямбда зондов, которые отличаются по принципу считывания информации.
- 4-х проводный. Используется на автомобилях Toyota, Lexus, Subaru, Suzuki.
- 5-ти проводный (возможен 6-й провод для калибровочного резистора) имеет дополнительную камеру — кислородный насос. Используется обычно на немецких автомобилях.
У этих датчиков кислорода есть общая особенность — они не просто показывают бедную или богатую смесь, а способны измерить состав смеси в большом диапазоне.
Это позволяет более точно удерживать требуемый состав смеси. Так же становится возможным удерживать состав смеси λ не равный 1.
Это может потребоваться на переходных режимах или частичных нагрузках, что позволяет добиться лучшей экономичности и улучшить другие показатели.
Принцип работы этих датчиков подробно описан во многих источниках. Поэтому останавливаться на нем мы не будем.
Задний лямбда зонд (за катализатором)
Для того, что бы понять смысл заднего лямбда зонда, кратко остановимся на работе катализатора. Автомобильный катализатор — устройство, которое преобразовывает выхлопные газы до относительно безвредного состояния.
Главным образом в катализаторе догорает недогоревшее в моторе топливо ( 2CO + O2 → 2CO2) и разложение оксида азота (2NOX → XO2 + N2), который получается при температурах горения выше положенного и избытке кислорода.
Реакции в нейтрализаторе возможны при его температуре примерно от 300 до 800 градусов. Так же на эффективность его работы и срок службы сильно влияет состав топливно — воздушной смеси, который удерживается передним лямбда зондом.
Если горючая смесь будет богаче, то упадет эффективность нейтрализации СО и СН, если беднее — NOX.
Для того, что бы автомобиль всегда соответствовал нормам Евро-3 и выше, в выхлопную систему за катализатором был внедрен контролирующий датчик, который «подсказывает» водителю о выходе из строя катализатора. В этом случае на панели приборов загорается индикатор Check engine, а мотор переходит в аварийный режим работы.
Для еще большей эффективности каталитической реакции, в автомобилях с нормами евро-4 и выше, используются и показания заднего лямбда зонда B1S2. В таких автомобилях показания используются не только для диагностики, но и для более точной коррекции топливной смеси для того, что бы увеличить эффективность нейтрализации газов.
Работа заднего лямбда зонда
Катализатор производит разложение оксида азота на азот и кислород. Производится и связывание свободного кислорода с недогоревшим топливом (из СО получаем СО2). В катализаторе так же протекает множество других сложных реакций.
Как следует из описанного выше, содержание кислорода за катализатором заметно меньше, чем его содержание до катализатора.
Способность катализатора накапливать и отдавать кислород определяет инерционность изменения содержания кислорода после катализатора.
Поэтому основным показателем