Различают три типа кислородных датчиков. Датчики из диоксида циркония и диоксида титана называют также кислородными датчиками перехода или «бинарными» датчиками, поскольку сигнал датчика здесь колеблется между двумя величинами.
Третья группа — это так называемые широкополосные кислородные датчики. Их также называют «линейными» кислородными датчиками, поскольку они измеряют и воспроизводят текущий переход между различными состояними смеси.
Кислородный датчик из диоксида циркония
Этот кислородный датчик состоит из твердотельного электролита на основе диоксида циркония. Данный материал становится проводящим для ионов кислорода, начиная с температуры от 300 °C.
Посредством электродов, которые расположены на элементе на внутренней стороне (эталонный воздух / окружающий воздух) и на стороне отработавших газов (измерительный газ), измеряется содержание кислорода в отработавшем газе.
Выходной сигнал генерируется ионами кислорода, проходящими через элемент и стремящимися компенсировать разницу в количестве кислорода (перепад парциального давления кислорода).
Кислородный датчик из диоксида циркония отличается следующими свойствами:
быстрая готовность к эксплуатации
термостойкость
нечувствительность к гидроудару
невосприимчивость к токсичности
высокая надёжность
В зависимости от автомобиля, эти датчики применяются как регулирующие и как диагностирующие датчики.
Принцип действия кислородного датчика из диоксида циркония
Элемент датчика из диоксида циркония имеет пальцевидную форму и полый внутри. Внутренняя часть контактирует с окружающим воздухом. Наружная сторона находится в потоке отработавшего газа. Обе стороны покрыты тонким, пористым слоем платины, действующей как электрод.
Если кислородный датчик достигает рабочей температуры, ионы кислорода начинают движение в связи с различной концентрацией кислорода. Из наружного воздуха ионы кислорода двигаются в направлении отработавшего газа, чтобы компенсировать кислород.
Вследствие разницы потенциалов на платиновых электродах возникает электрическое напряжение (U). Если смесь обеднённая, сигнал датчика составляет около 0,1 Вольт. Если смесь богатая, то эта величина равна 0,9 Вольт. Если лямбда=1, происходит специфический скачок напряжения на 0,8 Вольт.
Расположение кабеля
Кислородные датчики из диоксида циркония марки NTK имеют до четырёх кабелей.
Ненагреваемые датчики с контактом массы над резьбой обходятся одним сигнальным кабелем чёрного цвета. Ненагреваемые датчики с собственным контактом массы для электрического оборудования автомобиля имеют дополнительный, измерительный кабель серого цвета.
Нагреваемые датчики имеют три или четыре кабеля. В этом случае тоже чёрный кабель всегда переносит сигнал датчика. Два белых кабеля предназначены для энергоснабжения нагревателя. Если соединение на корпус осуществляется не через резьбу, то дополнительно имеется серый измерительный кабель для электрооборудования автомобиля.
Кислородный датчик из диоксида титана
Кислородный датчик из диоксида титана также является датчиком перехода. Диоксид титана имеет специальную особенность: электрическое сопротивление изменяется пропорционально доле кислорода в отработавшем газе. Измеренное сопротивление сообщает информацию о том, в каком рабочем состоянии находится двигатель.
Кислородный датчик из диоксида титана отличается следующими свойствами:
прочный и компактный
высокая скорость реакции
не требуется эталонный воздух
быстрое достижение рабочей температуры
В зависимости от автомобиля, эти датчики применялись как регулирующие и как диагностирующие датчики. Сейчас эти устройства больше не используются в заводской комплектации.
Принцип действия кислородного датчика из диоксида титана
Элемент из диоксида титана изменяет своё электрическое сопротивление пропорционально частичному давлению кислорода в смеси газа. При высоком содержании кислорода (λ > 1) диоксид титана становится менее токопроводящим, при низком содержании кислорода (λ < 1) его проводимость увеличивается.
Если на элементе возникает напряжение, то выходное напряжение изменяется соответственно концентрации кислорода в отработавшем газе. Рабочая температура этих кислородных датчиков составляет
700 °C. Только начиная с 850 °C датчик может разрушиться.
Ещё одно преимущество этого типа датчиков: Датчику из диоксида титана не нужен наружный воздух в качестве эталона и поэтому он реже выходит из строя.
Расположение кабеля
Кислородные датчики из диоксида титана марки NTK всегда имеют четыре кабеля. Для всех типов сигнальный кабель (-) чёрный, сигнальный кабель (+) жёлтый и соединительный кабель для нагревательного элемента (-) белый.
Только по цвету кабеля для нагревательного элемента (+) имеется два разных варианта: На кислородных датчиках типа 1 этот кабель красный, на типе 2 — серый.
Широкополосный кислородный датчик
С появлением требований по снижению расхода и выбросов, возникла необходимость эксплуатировать двигатели с регулированием за пределами стехиометрической рабочей точки. Для этой цели и были разработаны так называемые широкополосные датчики.
Эти линейные кислородные датчики могут генерировать сигнал пропорционально содержанию остаточного кислорода в отработавшем газе. Этот сигнал имеется в наличии при широком соотношении воздуха и топлива.
Выходной сигнал соответствует току накачки, который необходим для регулировки постоянного содержания кислорода в измерительной камере (лямбда = 1 соответствует
450 мВ). Чем больше отклонение проникающего отработавшего газа от этой величины, тем больше ток накачки и, таким образом, выходной сигнал датчика.
Широкополосный кислородный датчик имеет следующие преимущества:
быстрая готовность к эксплуатации
монолитный элемент с встроенным нагревателем
герметичная структура означает самогенерированный эталон кислорода
термостойкость
высокая надёжность
Эти датчики применяются в бензиновых двигателях в качестве регулирующего датчика, а сейчас всё чаще применяются и в дизельных автомобилях.
Принцип действия широкополосного кислородного датчика
Широкополосные датчики имеют две ячейки — измерительную ячейку и ячейку накачки. С помощью измерительной ячейки измеряется содержание кислорода в отработавшем газе, находящемся в камере детекции и затем сравнивается с заданной величиной 450 мВ.
Если эта величина отличается, то ячейка накачки включает ток накачки, при этом в камеру детекции поступают ионы кислорода до тех пор, пока величина напряжения измерительной ячейки не будет снова соответствовать 450 мВ.
Этот ток накачки является измерительной величиной, которая почти линейно описывает точную лябда-величину смеси. При стехиометрической смеси эта величина равна нулю, поскольку частичное давление кислорода в камере детекции соответствует упомянутой заданной величине.
Расположение кабеля
Широкополосные кислородные датчики NTK имеют пять кабельных соединений. Нагревательный элемент снабжается током через жёлтый и синий кабель. Сигнал тока накачки (Ip+) протекает через белый кабель, сигнал измерительной ячейки (Vs+) — через серый кабель. Чёрный кабель создаёт измерительное соединение для ячейки накачки и измерительной ячейки.
