Блоки управления двигателем - теория, признаки неисправности
Проверка других элементов
- Проверка других элементов
- Screenshot_48.jpg (238.13 КБ) 125 просмотров
Цепи датчиков, генерирующих аналоговые сигналы, например датчика температуры воздуха на впуске (IAT), температуры охлаждающей жидкости (ЕСТ), массового расхода воздуха (MAF), положения педали акселератора (APS) и электромагнитного перепускного клапана проверяются на наличие обрыва, короткого замыкания и исправность посредством проверки напряжения при преобразовании аналогового сигнала в цифровой. ЭБУ выполняет самодиагностику при каждом включении зажигания.
Кислородные датчики
- Кислородные датчики
- Screenshot_49.jpg (42.34 КБ) 124 просмотра
Поток ионов в элементе Нернста
- Поток ионов в элементе Нернста
- Screenshot_50.jpg (214.54 КБ) 123 просмотра
Для снижения токсичности отработавших газов двигатели современных автомобилей оснащаются системами, контролирующими количество сгораемого топлива. С помощью сигнала обратной связи лямбда-датчика они призваны поддерживать состав топливо-воздушной смеси как можно ближе к стехиометрическому значению, которое считается оптимальным соотношением воздуха и топлива. Теоретически при таком составе все топливо должно сгореть. Для бензиновых двигателей это соотношение составляет 14,7:1. При изменении режимов работы двигателя и движения данное соотношение также изменяется. Оно бывает больше или меньше значения 14,7:1. В автомобилях KIA применяются различные типы кислородных датчиков. Все типы датчиков можно разделить на две группы:
– узкодиапазонные кислородные датчики;
– широкодиапазонные кислородные датчики.
К датчикам первой группы относятся, например, датчики с циркониевым и титановым элементами. Широкодиапазонный кислородный датчик, также называемый датчиком состава топливовоздушной смеси, используется как с дизельными, так и с бензиновыми двигателями.
Работа всех кислородных датчиков основана на электрохимическом принципе — принципе Нернста.
Элемент Нернста
Немецкий физик Вальтер Нернст (25 июня 1864 г. – 18 ноября 1941 г.) разработал термодинамические принципы гальванических элементов. Эти принципы были положены в основу кислородного датчика. За эту работу в 1920 г. Нернсту была присвоена Нобелевская премия. Принцип Нернста: напряжение датчика зависит от температуры датчика и степени концентрации кислорода в эталонном воздухе и отработавших газах.
Поток ионов в элементе Нернста
На поверхности пористого платинового электрода, на которую воздействуют отработавшие газы, происходит каталитическая конверсия свободных молекул кислорода с участием угарного газа, углеводородов и водорода. Датчик измеряет количество кислорода, оставшегося после конверсии. Количество оставшегося кислорода зависит от значения лямбда отработавших газов. Для работы датчика с диоксидом циркония оксиды должны быть активными. Чтобы сделать оксиды более активными, а работу датчика более стабильной, диоксид циркония смешивается с оксидом иттрия и нагревается до 450C.
Иттриевая присадка
Благодаря иттриевой присадке на поверхности циркониевого кристалла образуются дефекты — поры. В твердой двуокиси циркония некоторые ионы Zr4+ замещаются ионами Y3+. В результате образуются свободные молекулы кислорода, что позволяет анионам оксида, О2-, переместиться в твердый электролит.
Кислородный датчик с циркониевым элементом плоского типа
- Кислородный датчик с циркониевым элементом плоского типа
- Screenshot_51.jpg (194.22 КБ) 122 просмотра
Кислородный датчик с диоксидом циркония представляет собой гальванический кислородный элемент с твердым электролитом в виде непроницаемой керамической пластины с диоксидом циркония, стабилизированным оксидом иттрия. С одной стороны элемент подвергается воздействию окружающего воздуха, с другой — закрыт. На обеих сторонах керамического основания закреплены проницаемые платиновые электроды. Наружный платиновый электрод выполняет функцию катализатора, поддерживающего реакции в поступающих отработавших газах. Во избежание загрязнения в нем имеется пористый керамический слой. На внутреннюю сторону воздействует окружающий воздух, выполняющий роль эталона.
- Кислородный датчик с циркониевым элементом плоского типа
- Screenshot_52.jpg (171.88 КБ) 122 просмотра
Работа датчика с циркониевым элементом основана на электрохимическом принципе, принципе Нернста. При нагреве керамического электролита до температуры 350°C и более он начинает пропускать ионы кислорода. Один пористый платиновый электрод подвергается действию окружающего воздуха, другой — отработавших газов, поэтому существует разница в количестве ионов с разных сторон электролита, которая должна устраниться. В результате данной разности образуется поток ионов из атмосферного воздуха через керамику в отработавшие газы. Он и образует измеряемое напряжение. Кислородные датчики с циркониевым элементом не определяют наличие кислорода. Они генерируют напряжение, соответствующее разности его количества в атмосферном воздухе и отработавших газах. По мере изменения количества остаточного кислорода (всегда меньшего, чем эталонного значение) в отработавших газах изменяется выходное напряжение датчика с 0 до 1 В. Стехиометрическому составу топливовоздушной смеси 14,7:1 соответствует выходное напряжение датчика 0,45-0,5 В. Крайне важно понимать, что даже самые небольшие отклонения от стехиометрического состава топливовоздушной смеси приводят к резкому изменению напряжения датчика, соответствующего либо обогащенной, либо обеденной смеси. Именно поэтому такие датчики называются узкодиапазонными. Они генерируют сигнал пропорционально содержанию кислорода в отработавших газах в пределах узкого диапазона вокруг стехиометрического значения.
Узкодиапазонный кислородный датчик представляет собой переключатель, изменяющий свой сигнал с низкого значения на высокое и наоборот при каждом отклонении состава топливовоздушной смеси от стехиометрического значения. Рассчитывая среднее значение множества сигналов, ЭБУ двигателя/ЭБУ силовой передачи (РСМ) регулируют продолжи-тельность впрыска, чтобы среднее значение напряжения находилось на уровне 0,45 В. Именно поэтому при некорректно работающем или даже неисправном кислородном датчике код DTC выводится не сразу. ЭБУ отслеживает работу датчика при замкнутом контуре управления в течение определенного промежутка времени, после чего он определяет, что выходное напряжение датчика не изменяется или изменяется недостаточно быстро в пределах установленного диапазона. На это может потребоваться 3 5 минут движения с постоянной скоростью. Постоянная скорость движения обеспечивает удержание замкнутого контура управления в течение достаточного времени для получения верного среднего значения. При движении с непостоянной скоростью, например по городу, контур управления ЭБУ меняется вследствие ускорения и замедления. В результате каждого такого изменения контура управления сбрасывается среднее значение.
Датчик состава топливовоздушной смеси
- Датчик состава топливовоздушной смеси
- Screenshot_53.jpg (160.24 КБ) 121 просмотр
Одним из требований нового стандарта NLEV (National Low Emission Vehicle) и калифорнийских стандартов LEV (Low Emission Vehicle), ULEV (Ultra Low Emission Vehicle) и SULEV (Super Ultra Low Emission Vehicle) является точный контроль состава топливовоздушной смеси. Новое поколение кислородных датчиков получило название «широкодиапазонных» лямбда-датчиков или «датчиков состава топливовоздушной смеси». Они обеспечивают точную информацию о составе смеси в широком диапазоне значения, начиная от значения лямбда 0,7 (11:1) и заканчивая одним воздухом. Широкодиапазонный кислородный датчик — это 5 контактный датчик. Он определяет содержание кислорода точно так же, как и обычный кислородный датчик. Датчик имеет новейшую планарную конструкцию со специальным двусоставным сенсорным элементом для измерения содержания кисло-рода в отработавших газах. По сравнению с кислородным датчиком с циркониевым или титановым элементом широкодиапазонный датчик измеряет состав топливовоздушной смеси в более широком диапазоне.
Опорный элемент
Опорный элемент действует как обычный кислородный датчик с циркониевым элементом. В зависимости от состава смеси он генерирует напряжение. Низкое напряжение = обедненная смесь, высокое напряжение = обогащенная смесь.
Воздух
Как и в кислородном датчике с циркониевым элементом, одна сторона опорного элемента контактирует с атмосферным воздухом.
Насосный элемент
В зависимости от направления тока насосный элемент может излучать лишний кислород или забирать кислород из отработавших газов. Целью является поддержание в диффу-зионной камере значения лямбда 1.
Цепь нагревательного элемента
Нагревательный элемент доводит температуру широкодиапазонного кислородного датчика до рабочего значения 700-800°C в течение 10 секунд.
Резистор
Все широкодиапазонные кислородные датчики калибруются по отдельности, резистор, изготовленный заодно с корпусом разъема, подгоняется лазером под данное значение.
- Датчик состава топливовоздушной смеси
- Screenshot_54.jpg (203.13 КБ) 121 просмотр
Опорный элемент измеряет состав топливовоздушной смеси как узкодиапазонный кисло-родный датчик. Для более точного измерения в насосном элементе имеются подогреваемые катод и анод для всасывания кислорода из отработавших газов в диффузионную камеру между опорным и насосным элементами. Опорный и насосный элементы соединены между собой проводом таким образом, что для поддержания баланса внутри диффузионной камеры требуется ток определенной силы.
Обедненная смесь
При обедненной смеси опорный элемент вырабатывает напряжение менее 450 мВ (VS).
Цепь управления ЭБУ двигателя/ЭБУ силовой передачи (РСМ) подает на насосный элемент «положительный» ток (IP). Для поддержания значения лямбда 1 в диффузионной камере насосный элемент всасывает из нее лишний кислород. Блок РСМ рассчитывает стехиометрическое значение на основании силы и направления тока.
Обогащенная смесь
При обогащенной смеси опорный элемент вырабатывает напряжение более 450 мВ (VS).
Цепь управления блока РСМ подает на насосный элемент «отрицательный» ток (IP). Для поддержания значения лямбда 1 в диффузионной камере насосный элемент всасывает кислород из отработавших газов и нагнетает его в диффузионную камеру. Блок РСМ рассчитывает стехиометрическое значение на основании силы и направления тока.
Противосажевый фильтр каталитического типа
- Противосажевый фильтр каталитического типа
- Screenshot_55.jpg (57.81 КБ) 120 просмотров
Назначение противосажевого фильтра
- Назначение противосажевого фильтра
- Screenshot_56.jpg (227.41 КБ) 119 просмотров
Назначение противосажевого фильтра
При сгорании топлива образуются следующие вещества: углекислый газ (CO2), угарный газ (CO), углеводороды (HC), оксиды азота (NOХ) и сажа. Максимально полное сгорание топлива и, следовательно, снижение доли вредных веществ в отработавших газах обеспечивается за счет высокоточного управления впуском воздуха и впрыском топлива. В результате очистки отработавших газов из них удаляется максимально возможное количество остаточных вредных веществ. Нейтрализатор окислительного типа для дизельных двигателей снижает достаточное высокое содержание оксидов азота (NOХ) в отработавших газах. Он преобразует оксиды азота в азот, который является одним из элементов воздуха. С внедрением систем впрыска топлива с общей топливной рампой (CRDI) выброс твердых частиц на один автомобиль снизился, однако вследствие высокого давления впрыска оставшиеся твердые частицы стали крайне небольшими и, следовательно, более опасными для людей. Для соответствия стандартам с жесткими требованиями по содержанию в отработавших газах твердых частиц (EURO 4, 25 мг/км) на авто-мобили с двигателями объемом 2,0 л и более устанавливаются противосажевые фильтры.
Твердые частицы (РМ)
Данный термин появился в 1987 году, когда Управление по охране окружающей среды США разработало национальный стандарт качества воздуха в отношении твердых частиц (кратко — стандарт РМ). Данный стандарт кардинально изменил процесс определения выброса вредных веществ. С появлением стандарта основное внимание переключилось с определения количества вредных веществ в целом на вдыхаемые вредные вещества. В настоящее время самое существенное влияние на загрязнение воздуха и здоровье людей оказывают именно твердые частицы. Они становятся причиной проблем с дыханием (например, кашля), астмы и даже рака легких. Чем меньше твердые частицы (менее 0,1 микрона в диаметре), тем глубже они проникают в легкие. В твердых частицах содержатся следующие вещества:
– растворимые органические частицы: несгоревшие частицы топлива, частицы масла;
– твердые частицы: пыль, сажа, дым, туман и другие мельчайшие твердые частицы, находящиеся в воздухе;
– сульфаты: кислота или вода, например.
Конструкция и принцип работы
- Конструкция и принцип работы
- Screenshot_57.jpg (210.23 КБ) 118 просмотров
В автомобилестроении широко применяются два типа противосажевых фильтров: противосажевый фильтр для дизельных двигателей (DPF) и противосажевый фильтр каталитического типа (CPF). Противосажевый фильтр DPF изготавливается отдельно от нейтрализатора окислительного типа, а фильтр CPF выполнен заодно с нейтрали-затором. Фильтры DPF и CPF задерживают содержащиеся в отработавших газах частицы сажи с помощью пористого фильтрующего элемента. Фильтрующий элемент может быть изготовлен из различного пористого материала, чаще всего это волокно или порошок. Волокно и порошок включают в себя керамические частицы, обычно кордиерит и карбид кремния (SiC). Фильтр имеет канальную структуру, каналы закрыты с обоих концов пористыми заглушками. Отработавшие газы проходят через пористые керамические стенки. Противосажевые фильтры характеризуются высокой степенью задержки (> 95%) частиц всех размеров. Обычно противосажевые фильтры приводят к повышению расхода топлива. Причиной тому служит регенерация (подвпрыск) и противодавление отработавшим газам, создаваемое противосажевым фильтром. Однако, в эксплуатации это практически незаметно.
Циклы движения и регенерация фильтра
- Циклы движения и регенерация фильтра
- Screenshot_58.jpg (236.58 КБ) 117 просмотров
Отложения твердых частиц (сажи) на стенках фильтра приводят к разнице давления, вызванной проходом отработавших газов. Таким образом, эти частицы повышают перепад давления. Для предотвращения чрезмерного противодавления выпуску отработавших газов в дизельных двигателях необходимо периодически сжигать отложившие частицы при высоком перепаде давления. Этот процесс называют регенерацией. Функция контроля перепада давления и осуществление процесса регенерации возложена на ЭБУ двигателя/ЭБУ силовой передачи. Частицы сажи сгорают при высокой температуре. Температуру отработавших газов можно повысить различными, но не противоречащими друг другу способами.
Городской цикл движения
Городской цикл движения характеризуется низкой температурой отработавших газов — примерно 200°C. В этом цикле движения в отработавших газах преобладают следующие вредные вещества: углеводороды (HC) и угарный газ (CO). Они окисляются при прохождении через нейтрализатор окислительного типа. В результате очистки из выхлопной трубы выходят только углекислый газ (СО2) и пар.
Загородный цикл движения
Для загородного цикла движения характерна температура отработавших газов, равная 300 450°C. Частицы сажи скапливаются в задней части противосажевого фильтра, как показано на рисунке 1. В этом цикле движения образуется оксид азота. При соответ-ствующей температуре, которая характерна, например, для движения с высокой скоростью, оксид азота взаимодействует с содержащимся в отработавших газах кислородом. Хими-ческая реакция образования диоксида азота (NO2) из оксида азота происходит в нейтра-лизаторе. NO2 — это химически активный газ. Как показано красной линией на рисунке 2, можно снизить отложение сажи или даже сжечь ее. Оксид азота — промежуточный продукт сгорания сажи — окисляется в нейтрализаторе и превращается в диоксид азота.
- Циклы движения и регенерация фильтра
- Screenshot_59.jpg (244.94 КБ) 117 просмотров
Движение по автомагистралям
При движении по автомагистралям температура отработавших газов превышает 600°C. На рисунке 3 изображен фильтр, заполненный сажей. Благодаря высокой скорости движе-ния температура отработавших газов достаточно высока для сжигания сажи. Сжигание сажи начинается в передней части фильтра (показано красными линиями). В результате образуется промежуточный продукт — угарный газ (СО). В нейтрализаторе он окисляется и превращается в углекислый газ (СО2). При этом температура повышается, что способ-ствует дальнейшему сжиганию сажи. Чем ближе к задней части фильтра, тем активнее протекает процесс сгорания. В этом режиме движения происходит полная регенерация фильтра без вмешательства системы управления двигателем.
Динамическая регенерация
Для повышения температуры отработавших газов до 600°C в городском цикле движения необходимо специальное управление двигателем. На рисунке 4 изображен фильтр, задняя часть которого забита сажей. В городском цикле движения реакции с диоксидом азота (NO2) недостаточно для удаления сажи. Для повышения температуры отработавших газов систе¬ма управления двигателем производит два дополнительных подвпрыска. Сажа накаляется и сгорает (см. рисунок 5). При сгорании, как обычно, образуется углекислый газ (СО2). Угар¬ный газ (СО) окисляется в нейтрализаторе. Образующееся при реакции тепло способствует дальнейшему сгоранию сажи. В таких условиях происходит полная регенерация фильтра.
Обзор системы
- Обзор системы
- Screenshot_60.jpg (174.32 КБ) 116 просмотров
Система каталитического противосажевого фильтра (CPF) включает в себя два датчика температуры отработавших газов (EGTS) и один датчик перепада давления (DPS). По сигналам датчиков осуществляется контроль степени засорения противосажевого фильтра и активируется цикл регенерации.