П’ятидротові широкосмугові кисневі датчики використовуються у багатьох системах управління роботою двигуна (включаючи дизельні двигуни та бензинові двигуни з безпосереднім уприскуванням). Ці датчики розроблені для визначення рівня кисню у випускних газах для утримання співвідношення повітря/паливо між 8:1 і свіжим повітрям.

Головною перевагою даного типу датчика є те, що блок управління двигуном отримує можливість визначити, наскільки багатою або скудною є суміш, з обох сторін лямбда 1.

Цей датчик використовує ту саму технологію, що і більшість вузькосмугових датчиків. Його робота спирається на властивості діоксиду цирконію (ZiO2), який при високих температурах стає твердим електролітом.

У звичайному вузькосмуговому датчику платина діє як каталізатор, що розділяє молекули кисню (O2) на два атоми кисню. Кожен атом тоді притягує два електрони, щоб стати негативно зарядженими іонами. Різниця між вмістом кисню у відпрацьованих (випускних) газах двигуна іскрового запалювання і повітрі призводить до різниці потенціалів (РП), що викликає міграцію іонів кисню через ZiO2. Цей пристрій
називається комірка Нернста, і розроблений він таким чином, що при лямбда
1 (14,7:1) різниця потенціалів складає 450 мВ. Збагачена суміш збільшує різницю потенціалів, а збідніла суміш скорочує цю різницю. (Малюнок 1)

Що всередині
Датчик складається з двох комірок Нернста. Одна комірка вимірює різницю вмісту кисню між опорною коміркою і відбірною камерою; інша комірка відіграє роль насосу для перекачування кисню у відбірну камеру або з неї. Шляхом застосування напруги до комірки Нернста здійснюється перекачування кисню через пристрій. Зміна полярності змінить напрямок потоку струму, а отже і напрям потоку кисню.

Стратегія схеми управління полягає в підтримці напруги першої комірки на рівні 450 мВ. Це означає, що вміст кисню у відбірній камері відповідає стехіометричному співвідношенню (лямбда 1). Це здійснюється незалежно від вмісту кисню у випускних газах.

Функціонування
При співвідношенні Лямбда 1 вміст кисню у відбірній камері змушує чорно-жовту комірку Нернста продокувати напругу 450 мВ. Напруга штовхатиме проти 3В, представлених в опорній комірці для створення напруги 2,55 на жовтому дроті. Цей процес балансується схемою помпового контролю. Дві напруги є входами до операційного підсилювача А (операційний підсилювач виводить різницю напруг на двох входах). Операційний підсилювач А виводить 450 мВ. Операційний підсилювач B має один вхід 450 мВ від регульованого живлення і 450 мВ від операційного підсилювача A. Вихід операційного підсилювача B дорівнює 0V. Це положення називається застій.

Якщо концентрація кисню у випускних газах підвищується (збідніла суміш), то вона також збільшується і у відбірній камері. Це пов’язано з тим, що молекули кисню мігрують у відбірну камеру через дифузійний отвір (вирівнювання парціальних тисків). В результаті цього напруга, створювана чорно-жовтою коміркою Нернста знижується, напруга починає проштовхувати менш жорстко через 3 В, і напруга на жовтому дроті починає зростати. Різниця на входах до операційного підсилювача зменшується і вихід операційного підсилювача знижується. Це означає, що вихід операційного підсилювача B підніметься вище 0В. Це ініціює збільшення вихідної напруги PID драйвера. Тепер струм потече у червоно-жовту комірку Нернста. Потік умовного струму тепер буде від червоного до жовтого, проте фактичний потік електронів буде у зворотному напрямку, і в результаті цього атоми кисню будуть проштовхуватись через ZiO2 з відбірної камери, і рівень кисню знизиться до рівня застою.

Потік струму залежить від вмісту кисню. Чим більш збіднілою є суміш, тим більшою є концентрація кисню, вищою є напруга на червоному дроті, і сильнішим є потік струму у червоно-жовтій комірці Нернста. Струм у помповому контурі вимірюється за допомогою шунтуючого резистора і операційного підсилювача. Для калібрування датчика відповідно до виробничих допусків у ньому передбачений регулювальний резистор.

Якщо суміш стає більш збагаченою, то рівень кисню у відбірній камері починає знижуватись. Напруга чорно-жовтої комірки Нернста збільшиться і разом з тим збільшиться інтенсивність проштовхування через 3В. Це призведе до збільшення різниці напруг по комірці Нернста; отже, операційний підсилювач А видаватиме негативну напругу. PID драйвер реагує на це зменшенням продукованої ним напруги, яка тепер є нижчою за напругу на жовтому дроті, а отже напрям потоку струму тепер буде від жовтого до червоного. Потік електронів рухається у зворотньому напрямку, в результаті чого кисень перекачується у відбірну камеру, приводячи її знову у стан застою.

У збагаченій суміші вихідних газів зазвичай немає кисню, тож кисень вивільнюється з моноксиду вуглецю та вуглекислого газу.

Схема нагрівального елемента
Датчик потребує підтримання стабільної температури на рівні близько 760C; це досягається за допомогою використання схеми нагрівального елемента. Температура є важливою, тому що разом із зміною температури також змінюється опір пристрою. Напруга акумулятора і заземлення нагрівального елемента перемикаються модулем електронного контролю двигуна за допомогою PWM. Моніторинг температури здійснюється за допомогою імпульсів на колі Нернста. Потік струму імпульсу вимірюється як падіння напруги, через резистор і простий розрахунок за законом Ома
дає можливість визначити опір комірки і, у такий спосіб, температуру. PWM схеми нагрівального елемента регулюється для підтримання стабільної температури.

Несправний датчик може призвести до різноманітних проблем, пов’язаних зі
збільшенням споживання палива та рівня викидів автомобіля.

Повний асортимент кисневих датчиків febi можна знайти на: partsfinder.bilsteingroup.com.

febi є частиною bilstein group, «парасольного» бренду, що об’єднує в собі декілька інших потужних торгових марок.
Більш детальну інформацію можна отримати на: www.febi.com