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).
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.
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.