5 laidų deguonies davikliai

5 laidų juostos deguonies davikliai naudojami daugumoje variklio valdymo sistemų, įskaitant dyzelinius bei tiesioginio įpurškimo benzininius variklius. Jie skirti deguonies lygio matavimui išmetamosiose dujose – taip palaikomas tinkamas kuro ir oro mišinio santykis. Šis daviklis reikalingas tam, kad variklio valdymo blokas galėtų tinkamai nustatyti kuro ir oro mišinio riebumo laipsnį, išreikštą lambda dydžiu.

Šiame daviklyje naudojama tokia pati technologija kaip ir siauros juostos davikliuose. Ji paremta tam tikra cirkonio oksido (ZiO₂) savybe – aukštoje temperatūroje ši medžiaga tampa kietuoju elektrolitu.

Įprastame siauros juostos daviklyje, veikiant platinai, vykdomas deguonies molekulių padalinimas į du deguonies atomus. Kiekvienas atomas pritraukia du elektronus – atsiranda du neigiami jonai. Skirtumas tarp išmetamosiose dujose (iš kibirkštimi uždegamo variklio) ir ore esančio deguonies sukuria potencialų skirtumą, dėl kurio deguonies jonai pereina per cirkonio dioksidą (ZiO₂). Įrenginys vadinamas Nernsto elektrochemine kamera ir yra sukurtas taip, kad kai lambda=1 (14,7:1), potencialų skirtumas sudaro 450 mV. Riebus mišinys padidina potencialų skirtumą, o liesas mišinys jį sumažina (1 pav.).

Įrenginio struktūra

Daviklį sudaro dvi Nernsto elektrocheminės kameros. Viena kamera matuoja deguonies lygių skirtumą, susidarantį tarp gryno oro ir matavimo kamerų. Kita kamera atlieka siurblio vaidmenį – deguonis juda į matavimo kamerą arba iš jos. Nernsto kameroje įjungus įtampą, per įrenginį gali tekėti deguonis. Poliškumo sukeitimas privers srovę tekėti priešinga kryptimi – tuo pačiu pasikeis ir deguonies srauto kryptis.

Pagrindinis valdymo grandinės uždavinys – palaikyti pirmosios kameros įtampą ties 450 mV. Tai reiškia, kad matavimo kameroje deguonies lygis turi atitikti stoichiometrinį (lambda=1) santykį. Tai atliekama nepriklausomai nuo deguonies koncentracijos išmetamosiose dujose.

Veikimas

Kai lambda dydis lygus vienetui, dėl matavimo kameroje esančio deguonies juodoje -geltonoje Nernsto kameroje pasiekiama 450 mV įtampa. Įtampos veikimas yra priešingas 3 V įtampai, esančiai gryno oro kameroje. Tokiu būdu geltonajame laide atsiranda 2,55 V įtampa. Procesas subalansuojamas naudojant siurblio valdymo grandinę. Dvi įtampos – tai du įeinantys operacinio stiprintuvo A signalai (stiprintuvo išėjimo signalas – dviejų įeinančių įtampų skirtumas). Operacinio stiprintuvo A išėjimo įtampa sudaro 450mV. Vienas operacinio stiprintuvo B išėjimas sudaro 450 mV (iš reguliuojamo šaltinio, taip pat 450 mV iš operacinio stiprintuvo A). Siurblio B išėjimo įtampa 0 V atitinka stazinę būseną.

Išmetamosiose dujose pakilus deguonies lygiui (liesas mišinys), matavimo kameroje deguonies lygis pakyla taip pat. Tai vyksta dėl to, kad deguonies molekulės pereina į atitinkamo slėgio aplinką. Reiškinys sukelia geltonos - juodos Nernsto kameros įtampos kritimą. Dėl šios priežasties ši įtampa veikia silpniau prieš 3 V įtampa – padidėja įtampa geltonajame laide. Operacinio stiprintuvo A įėjimo įtampa sumažėja tam tikru skirtumu, todėl paties stiprintuvo A įtampa nukrinta taip pat. Tai reiškia, kad operacinio stiprintuvo B išėjimo įtampa pakyla virš 0 V. Dėl šios priežasties PID reguliatoriuje išėjimo įtampa pakyla. Raudonoje - geltonoje Nernsto kameroje srovė tekėti negali. Įprastinė srovės kryptis yra iš raudono į geltoną laidą, tačiau iš tikrųjų elektronai juda priešinga kryptimi. Deguonies atomai iš matavimo kameros juda per cirkonio dioksidą (ZiO₂). Tokiu būdu siekiama sukurti stazinės būsenos deguonies lygį.

Srovės stipris priklauso nuo deguonies koncentracijos. Kuo liesesnis mišinys, tuo didesnė deguonies koncentracija. Šiuo atveju raudono laido įtampa bus aukštesnė – srovės stipris raudonoje - geltonoje Nernsto kameroje bus taip pat didesnis. Siurblio grandinėje srovės stipris matuojamas naudojant šunto rezistorių ir operacinį stiprintuvą. Siekiant tinkamo daviklio paklaidų kalibravimo komponente įdiegtas derinimo rezistorius.

Didėjant mišinio stiprumui matavimo kameros deguonies lygis krinta. Juodos - geltonos Nernsto kameros įtampa pradeda didėti – ji pradeda veikti stipriau prieš priešingą 3 V įtampą. Tai padidina Nernsto kamerų įtampos skirtumą – stiprintuvo išėjime atsiranda neigiama įtampa. PID reguliatorius reaguoja sumažindamas savo išėjimo įtampą taip, kad ji būtų mažesnė už geltono laido įtampą – srovė pradeda tekėti iš geltono į raudoną laidą. Elektronų srautas juda priešinga kryptimi. Viso to rezultatas – deguonis nukreipiamas į matavimo kamerą ir grįžtama į stazinę būseną.

Esant riebiam mišiniui, išmetamosiose dujose deguonies paprastai neaptinkama, todėl šiuo atveju deguonis išlaisvinamas iš anglies monoksido ir anglies dioksido.

Šildytuvo grandinė

Daviklis turi palaikyti stabilią temperatūrą ties 760 °C – tai pasiekiama pasitelkiant šildytuvo grandinę. Temperatūra itin svarbi – ji lemia įrenginio varžą. Šildytuvui maitinimas tiekiamas iš akumuliatoriaus. Įžeminimas perjungiamas per variklio valdymo modulį (ECM), naudojant PWM moduliaciją. Temperatūra stebima pagal Nernsto kameros pulsaciją. Impulso srovė matuojama kaip įtampos kritimas rezistoriuje. Pagal Omo dėsnį apskaičiuojama kameros varža, tada apskaičiuojama temperatūra. PWM moduliacija šildytuvo grandinėje nureguliuojama taip, kad visada būtų palaikoma stabili temperatūra.

Sugedęs daviklis gali sukelti įvairių problemų dėl to, pavyzdžiui, padidės kuro suvartojimas ir emisijos. Visą „Ferdinand Bilstein“ deguonies daviklių asortimentą galima rasti internete: partsfinder.bilsteingroup.com.

„Febi“ prekinis ženklas – tai „Bilstein“ grupės dalis. Ši grupė vienija kelis gerai žinomus prekinius ženklus. Daugiau informacijos galite rasti: www.febi.com, o naujienas sekite facebook.com/febi.bilsteinLT.