Cómo trabaja el sensor de Banda Ancha de oxigeno o sonda LAMBDA
Antes de que uno puede entender la circuitería de hardware y software de control de PWC, que ayuda a entender cómo funciona el sensor de oxígeno de banda ancha [WBO2] funciona (Estos sensores son también conocidos como sensores universales de oxígeno de escape de gas [UEGO]).
El controlador de precisión de banda ancha está diseñado para utilizar sensores de la última 'banda ancha' de oxígeno. Estos sensores, cuando impulsado por la electrónica del controlador de precisión de banda ancha, se puede medir la relación aire / combustible directamente. En lugar de cambiar de ida y vuelta de ricos a inclinarse, como convencionales "banda estrecha" diseños de gases de escape del sensor de oxígeno, el sensor de banda ancha produce una señal que es directamente proporcional a la relación aire / combustible producido por el controlador de inyección de combustible. El sensor de banda ancha oxígeno responde a cambios en la mezcla de aire / combustible en menos de 100 milisegundos.
El circuito de precisión controlador de banda ancha está destinado a ser utilizado para controlar directamente la mezcla de combustible, por lo que debe ser precisa y repetible. Cuando se sintoniza un motor en la carretera o en un dinamómetro, es deseable disponer de un medio de control del motor de aire-combustible (AFR), que también puede ser expresada en términos de lambda (λ). Durante estas sesiones de optimización, el motor / vehículo / parámetros ambientales se mantienen constantes con la excepción de la variable que se sintoniza. Metros de banda ancha utiliza una interfaz de usuario para obtener la corriente de AFR / lambda para que el sintonizador de motor se puede ajustar y optimizar la entrega de combustible.
El controlador de precisión de banda ancha es un dispositivo de retroalimentación mezcla. Un dispositivo de realimentación mezcla se utiliza para determinar la mezcla instantánea de un motor en marcha, donde estos parámetros se introducen en la ecuación alimentando en la ECU para
tiempo real corrección anchura del pulso del inyector. La principal demanda del sistema de captación es que la mezcla tiene que ser repetible en absolutamente todas las condiciones ambientales de las mismas lecturas de condiciones de frío extremo calor o congelación. Esta respuesta se introduce en la ecuación de combustible en la ECU para poner
en tiempo real la corrección de ancho de pulso del inyector. La principal demanda del sistema de captación es que la mezcla tiene que ser repetible en absolutamente todas las condiciones ambientales, las mismas lecturas de condiciones de frío extremo calor o congelación.
Además, la función de respuesta de los sensores de banda ancha UEGO depende de parámetros como el tipo de hidrocarburo, la temperatura de funcionamiento, la temperatura de escape, de escape, etc Si cualquiera de estos parámetros cambian, entonces el controlador necesita saber esto y ser capaz de corregir / compensar.
Bruce y Al comprar un medidor de 5 gases Horiba Horiba directamente desde, por lo que junto con el uso de las normas de gases primarios de gases de prueba, les permite saber exactamente lo que ve el sensor.
Realmente hay una diferencia entre un metro de ancho de banda EGO y un dispositivo de banda ancha que controla directamente la mezcla de combustible - el dispositivo de mezcla tiene que ser precisa en todo momento, o al menos ser capaz de notificar a la regulación de la mezcla que la señal no se encuentra dentro del Banco Mundial tolerancia. Control de la calefacción es muy importación. Funcionamiento en estado estacionario es fácil de controlar.
Los problemas vienen de eventos tales como la recuperación después de la aceleración, donde la temperatura del sensor pueden variar debido a cambios en el flujo de escape. Si la temperatura del sensor cambia, la bomba de corriente requerida para mantener los cambios de equilibrio y (todo lo demás permanece igual) - ya sea que usted tiene que mantener la temperatura del sensor regulados
o tienen factores de corrección - o ambos de (ver sección 5.1 de la hoja de datos de LSU un gráfico de temperatura con diferentes condiciones de funcionamiento del motor y el efecto de la temperatura de escape).
El tiro en la respuesta transitoria para el bucle de la bomba, la precisión de los circuitos de medición de la bomba en sí, etc y las cosas pueden ir mal - y en el momento equivocado. Conseguir una manija en todos estos efectos (y su magnitud) es importante para cualquier cosa que se mantiene una mezcla AFR. Y la única manera de conseguir un mango es comparar contra un sistema conocido calibrado y un montón de pruebas.
La banda ancha de aire / combustible sensor de la relación combina un sensor de oxígeno "de Nernst" célula del sensor de banda estrecha con una "bomba de oxígeno" para crear un dispositivo que proporciona una respuesta amplia gama de diferentes coeficientes aire / combustible. La célula de Nernst sentidos de escape de gas oxígeno en el mismo como una banda estrecha convencional sensor de O [SUB]2.[/SUB] Si hay una diferencia en los niveles de oxígeno a través del elemento sensor de ZrO [SUB]2,[/SUB] la corriente fluye desde un lado al otro y produce un voltaje.
El gas de escape de banda ancha sensor de oxígeno viene en muchas formas de construcción, pero son básicamente similares en la naturaleza. Se componen de dos partes: una celda de referencia de Nernst y una célula de oxígeno de la bomba, la co-existente en un paquete que contiene una cámara de referencia y el elemento calentador (utilizado para regular la temperatura de la Nernst / bomba).
El sensor de banda ancha sólo funciona en combinación con circuitos especializados de banda ancha de control que se ajustan tanto a la corriente de la célula de la bomba y el calentador. El controlador de banda ancha de precisión tiene la unidad de control requerido integrado en la electrónica de un sensor de banda ancha de oxígeno.
Antes de entrar profundamente en el funcionamiento de la bomba de Nernst y células, es importante entender lo que el sensor está en realidad tratando de medir. Para empezar, permite entender las reacciones químicas debido a la combustión.
En primer lugar, darse cuenta de que para que ocurra la combustión, es necesario que haya
combustible (tales como hidrocarburos) y una fuente de
compuestos oxigenados (es decir, oxígeno y / o moléculas o moléculas parciales que contienen oxígeno). Además, hay
diluyentes que están presentes en la mezcla, pero que no contribuyen a la combustión real (por ejemplo, nitrógeno [N [SUB]2]).[/SUB] Esto es válido para cualquier evento de combustión, ya sea dentro de un motor de combustión interna o una pequeña fogata.
En segundo lugar, cada átomo se conserva en el proceso de combustión, por lo que es posible utilizar los componentes de escape de gas para reconstruir la cantidad de combustible y compuestos oxigenados antes de la combustión. Si este no era el caso, entonces los sensores de banda ancha de oxígeno no sería capaz de determinar pre-combustión relación aire / combustible.
Es posible expresar el evento de combustión como un equilibrio de los reactivos de entrada: combustible, compuestos oxigenados, y diluyentes (por ejemplo gasolina mezclado con aire) a los productos de combustión resultante (es decir, la composición del gas de escape). Nótese que este es un
equilibrio químico, lo que significa que cada elemento tiene que tenerse en cuenta en su equilibrio molecular, antes y después del evento de combustión. En otras palabras, si se conocen las proporciones de combustible, compuestos oxigenados y diluyentes que entran en el motor, se puede determinar la composición de las especies en los gases de escape. Y podemos ir hacia atrás. Si conocemos la especie en el tubo de escape, podemos determinar las proporciones de aire y combustible (tanto en cantidad molar y masa molecular).
Vamos a representar la composición química del combustible como la ingesta de carbono, hidrógeno, oxígeno y nitrógeno, en proporción de:
[SUP]C H O[/SUP] α β γ δ [SUP]N,[/SUP] con α, β, γ, y delta que representa la cantidad de cada uno de los elementos presentes (es decir, moles de cada elemento).
Por ejemplo, octano tiene una composición molecular de C [SUB]8[/SUB] H [SUB]18,[/SUB] por lo que hay 8 átomos de carbono y 18 átomos de hidrógeno, por lo que tenemos α = 8, β = 18, γ = 0, y δ = 0.
Otras moléculas de combustible tienen otras composiciones, obviamente.
Normalmente, los químicos trabajar con una cantidad llamada un
"topo", que es un número específico muy grande de átomos o moléculas de cualquier especie [tipo]. La combinación de un mol de átomo A, con dos moles de átomo B es la misma que la combinación de un átomo de A con dos átomos de B, muchas veces, muchas más.
Podemos combinar el combustible con el aire y escribir una sencilla
ecuación de balance para la combustión y el equilibrio de las cantidades molares antes y después de la combustión:
Los elementos en el lado izquierdo de la flecha representan el combustible / o diluyentes compuestos oxigenados que entran en el motor y los elementos de la derecha son las cantidades molares después del evento de combustión. Queremos resolver el ε desconocido, que es el molar relación aire-combustible (relación de equivalencia), y el ν coeficientes [SUB]1,[/SUB] ν [SUB]2, 3[/SUB] y ν que describen la composición del producto. La variable
[SUB]o[/SUB] x representa el porcentaje molar fraccionaria de oxígeno en el aire de admisión (0,21 es un valor comúnmente utilizado) y
x [SUB]n[/SUB] representa el porcentaje molar fraccionada de nitrógeno (0,79 a menudo se utiliza).
Tenga en cuenta que tenemos más incógnitas que ecuaciones, por lo que tendrá que usar algunas limitaciones conocidas para ayudar a resolver las incógnitas. Por un lado, los átomos se conserva (es decir, lo que entra tiene que salir), por lo que podemos escribir las siguientes relaciones (conocidas como las ecuaciones de equilibrio de los elementos):
La solución para las ecuaciones de balance (antes mencionados) son los siguientes:
Y a partir de esta se puede escribir la estequiométrica relación aire-combustible en masa como:
Nótese que la masa estequiométrica de aire-combustible es simplemente la inversa de la ecuación anterior. Además, la relación combustible-aire equivalencia se define como la real relación aire-combustible, dividido por el estequiométrica relación aire-combustible (nota que el recíproco de la presente se define como lambda):
Ahora, ya que se trata con gas de escape (es decir, temperatura baja en comparación con el caso de combustión real) y carbono-oxígeno proporciones menores que la unidad, se puede introducir CO y H2 en el equilibrio:
Es algo difícil de resolver esto, pero sabemos que algunas cosas se pueden hacer nuestra vida más fácil. En primer lugar, si la mezcla es pobre (es decir, φ <1) entonces ν [SUB]5[/SUB] y [SUB]6[/SUB] ν son cero. Para las mezclas ricas, ν [SUB]4[/SUB] = 0. Y, para el caso rico, se puede introducir el equilibrio watergas constante para la reacción:
que produce la constante
K [SUB]p:[/SUB]
donde
T es la temperatura en grados Kelvin.
Con esto, ν [SUB]5[/SUB] se puede evaluar como una solución a una cuadrática:
donde:
Con este resultado, una tabla que resume la solución para cada especie de gas pueden ser tabulados, ya sea para situaciones de pobre o rico:
Hay algunas cosas a tener en cuenta en todo esto. En primer lugar, el hidrocarburo / combustible se especifica como:
[SUP]C H[/SUP] α β γ [SUP]O N[/SUP] delta puede ser la combinación de dos o más hidrocarburos. Por ejemplo, cuando los combustibles se mezclan con el alcohol, la mezcla resultante se puede expresar como un hidrocarburo solo con subíndices equilibradas. Lo mismo es cierto para la inyección de agua o de inyección de óxido nitroso. Esto es una ventaja muy importante en el uso de un método matemático para determinar lambda - si el componente de combustible cambia es posible adaptar la respuesta de la banda ancha apropiadamente sin ninguna recalibración. Este no es el caso de los sistemas que dependen de una respuesta de banda ancha fija del sensor "curva". Y, si el controlador de banda ancha está conectado a una ECU (a través del bus CAN) y la ECU se controlar la introducción de agua o nitroso, es posible ajustar instantáneamente la curva de respuesta lambda para cualesquiera combinaciones ratiometric de hidrocarburos. Esto es un requisito importante para un controlador de mezcla.
A continuación, se puede dividir el hidrocarburo / expresión de combustible por una constante, lo que hará que el subíndice de carbono igual a uno. Esto crea una relación H / C, una relación O / C, y una relación N / C - éstos se han visto en la literatura. Por ejemplo, el combustible C [SUB]8[/SUB] H [SUB]18[/SUB] (octanaje) puede ser normalizado para convertirse en C [SUB]1[/SUB] H [SUB]2,25[/SUB] = CH $ [SUB]2,25,[/SUB] donde la relación H / C es 2,25, la relación O / C es 0 (porque no hay ningún componente de oxígeno) y N / C de 0 (sin componente), y, por supuesto, el subíndice C es 1. Otro ejemplo es el combustible CH [SUB]3[/SUB] NO [SUB]2,[/SUB] que ya tiene un subíndice C, de 1, por lo que la relación H / C es 3, la relación N / C es 1 y la relación O / C es 2. Justo en cuenta que cualquiera de las formas de expresar el combustible es idéntico.
Nota: Para aquellos que estén interesados en experimentar con las ecuaciones anteriores, hemos desarrollado el programa Combal, una aplicación de PC que funciona bajo Windows. Básicamente se entra en las relaciones H / C y O / C, el equilibrio de gases de escape, y el lambda de destino, y genera los moles por ciento de cada una de las especies de gas. Un cheque de comparación con la ecuación de Brettschneider también se realiza. La aplicación se puede descargar desde:
www.bgsoflex.com / PTP / combal.zip Por último, hay dos componentes de los gases otros, CO y H [SUB]2,[/SUB] que también existen en el gas de escape. Se trata de partir de un balance conocido como el equilibrio agua-gas - más sobre esto más adelante en este documento, pero baste decir que es realmente importante en el funcionamiento del sensor de banda ancha.
¿Está usted confundido todavía? Si es así, no se preocupe. Todo lo que estamos delineando es que con el combustible de entrada conocida, diluyentes, y oxigenados, se puede predecir las concentraciones de gas en el tubo de escape. Y podemos ir hacia atrás - con componentes de los gases medidos es posible determinar la mezcla de entrada en términos de cualquiera de lambda o relación aire / combustible. Ir hacia atrás y volver a leer la sección de un par de veces, es importante para entender este aspecto.
Hay mucho más para el análisis no se muestra aquí - ver el Bowling y el papel Grippo en el método analítico para toda precisión el controlador de banda ancha para más información.
La célula de Nernst y la célula de la bomba de oxígeno están interconectados de tal manera que se necesita una cierta cantidad de corriente para mantener un nivel de oxígeno equilibrado en el hueco de difusión. La medición de este flujo de corriente permite que el controlador de banda ancha de precisión para determinar la exacta relación aire / combustible del motor está funcionando a.
La célula de la bomba puede consumir oxígeno o consumir combustible de hidrocarburo en la cavidad de células de la bomba, dependiendo de la dirección del flujo de células bomba de corriente
[SUB](bomba[/SUB] I).
En la operación del sensor normal, los gases de escape pasa a través de la brecha en la célula de difusión de la bomba. Ese gas de escape es a menudo ya sea rica o pobre de la estequiométrica. Cualquiera de estas condiciones es detectada por la célula de referencia que produce un voltaje (Vs) por encima o por debajo de la señal Vref, al igual que un sensor de banda estrecha).
La combustión es perfecta, aunque rara vez. A pesar de la correcta relación aire / combustible (AFR), la combustión puede seguir siendo incompleta, y CO, H [SUB]2,[/SUB] NO [SUB]x,[/SUB] e hidrocarburos (HC) se pueden formar. Esto puede ser causado por enfriamiento rápido (de la frente de la llama contra el "frío" superficies de la cámara de combustión), los volúmenes de hendiduras (por encima de los anillos entre el pistón y cilindro), y muchos otros factores.
Las cantidades relativas de estos "subproductos" cambiar con diferentes coeficientes aire / combustible sin embargo.
Cuando la mezcla de aire / combustible es rica, la celda de referencia produce una tensión alta
V [SUB]s[/SUB] (por encima de 0,450 voltios). El controlador de precisión Wideband reacciona para producir una corriente de la bomba
[SUB](bomba[/SUB] I) en una dirección para consumir el combustible libre. La célula bomba requiere un "negativo" de corriente que va desde cero hasta aproximadamente 2,0 miliamperios cuando la relación aire / combustible está cerca de 11:1.
Cuando la mezcla de aire / combustible es pobre, la celda de referencia produce una baja
V [SUB]s[/SUB] (inferior a 0,450 voltios). El controlador de precisión de banda ancha envía la bomba de corriente en la dirección opuesta a consumir oxígeno libre. La célula de la bomba requiere de una "positiva" de corriente que va desde cero hasta 1,5 miliamperios que la mezcla se convierte en el "aire libre".
Cuando la mezcla de aire / combustible es 14,7:1 (la relación estequiométrica para la gasolina), la célula de la bomba no requiere corriente de salida. Puesto que el oxígeno libre o combustible libre ha sido neutralizado por la corriente de la bomba, la señal
V [SUB]s[/SUB] retroalimentación va a alrededor de 0,450 voltios (el mismo que el valor Vref).
Para detectar una amplia gama de relaciones de aire / combustible, la bomba de oxígeno utiliza un cátodo calentado y el ánodo para tirar de algo de oxígeno de los gases de escape en una "difusión" entre los dos componentes. La bomba es accionada por dos PWM o puertos de procesador en polaridad opuesta (utilizando una configuración de puente H o accionamiento directo del procesador de puerto), y el controlador de precisión de banda ancha mide el tiempo cuando la celda de referencia pasa a través de 0,45 voltios. A continuación, puede ajustar el tiempo de PWM en el soporte de este punto, 0,45 voltios estequiométrica mover de un tirón.
Al igual que un sensor de banda estrecha convencional, el circuito de precisión controlador de banda ancha produce una señal de baja tensión cuando la relación aire / combustible va magra, y una señal de alta tensión cuando la mezcla es rica. Pero en lugar de cambiar abruptamente en estequiométrica, se produce un cambio proporcional en el voltaje. Se aumenta o disminuye en proporción a la riqueza relativa o delgadez de la relación aire / combustible. Con una relación estequiométrica de aire / combustible de 14.7:1, el sensor de banda ancha de O2 va a producir una velocidad constante de 0,450 voltios. Si la mezcla se va un poco más rico o un poco más delgado, el voltaje del sensor de salida sólo va a cambiar una pequeña cantidad en vez de aumentar o dejar caer de forma espectacular.
El resultado es un elemento sensor que puede medir con precisión de aire / combustible (AFR) de muy ricos (10:1) a extremadamente delgado (aire libre). Esto permite que el controlador de banda ancha de precisión para controlar la relación aire / combustible directamente. En lugar de cambiar la relación aire / combustible de ida y vuelta de los ricos a inclinarse para crear una mezcla equilibrada promedio, la moto acuática, simplemente puede añadir o restar el combustible necesario para mantener una relación de medición básica de 14.7:1 o cualquier otra proporción.
Otra diferencia entre el sensor de banda estrecha se encuentra en la mayoría de los automóviles y el sensor de oxígeno de banda ancha está en el circuito del calentador. La potencia del calentador está cerrado bucle controlado mientras que la medición se realiza, de modo que una resistencia nominal del sensor interno de R [SUB]i[/SUB] = 80 ohmios (medida con 1 a 4 kHz) se alcanza, esto corresponde a un sensor de temperatura de cerámica de aprox. 750 ° C cuando el sensor es nuevo. El controlador de precisión de banda ancha (PWC) circuito del calentador se modula para mantener una temperatura de funcionamiento constante de 1300 ° F a 1500 ° F (700 ° C a 800 ° C). El sensor es de unos 20 segundos para alcanzar la temperatura de funcionamiento de un arranque en frío.
El sensor incorpora una vatios 10 (3,2 ohmios a 20 ° C, 2,1 ohmios a -40 ° C) calentador que asegura que los sensores se mantiene a la temperatura de funcionamiento nominal de 750 ° C (~ 1400 ° F). La corriente al calentador está limitada por la circuitería de precisión controlador de banda ancha para evitar un calentamiento excesivo durante el calentamiento. El calentador del sensor nunca debe estar conectado directamente al voltaje de la batería, siempre debe ser controlado por el controlador de precisión de banda ancha. A partir de la calefacción del sensor antes de arrancar el motor no es aconsejable, dañará el sensor.
La operación máxima temperatura del gas de escape para el sensor es de hasta 850 ° C (1560 ° F). Si la temperatura del gas de escape máximo, es la potencia del calentador debe estar apagado, y la precisión de la señal del sensor se reduce. Gas de escape caliente con una temperatura por encima de la temperatura de funcionamiento de la cerámica da también una desviación de la temperatura de cerámica y la señal de salida del sensor. Gases de escape en frío, además de con gas a alta velocidad, puede conducir a un sensor de temperatura reducida de cerámica, si el control del calentador no es capaz de mantener la temperatura constante de cerámica. Esto conduce a una desviación de la señal de salida del sensor. Como regla general, un cambio de temperatura de los sensores de cerámica da una desviación de la señal de salida del sensor de:
[SUB](Bomba[/SUB] ΔI) / I [SUB]bombear[/SUB] de aprox. 6% .. 7% / 100K. Vamos a seguir adelante. Ahora vamos a intento de comprender el funcionamiento de la sección de célula de Nernst de la UEGO. La célula de Nernst es una célula electroquímica que consta de un conductor electrolito sólido sólo a los iones de oxígeno. Adjunto a este electrolito dos electrodos de platino. Un electrodo está expuesto a la atmósfera y el otro está expuesto a una cámara de referencia (más adelante).
En los electrodos, las reacciones siguientes situaciones:
Con esto ocurra la reacción, una corriente puede ser generada. Usando la ecuación de Nernst, se puede calcular la fem producida en una situación sin carga:
Donde
E es la
FEM generada
Nerstian,
R es la constante universal de los gases = 8,31 J * [SUP]K-1[/SUP] * mol [SUP]-1,[/SUP]
T es la temperatura de la celda en grados Kelvin,
F es la constante de Faraday = 96500 Cmol [SUP]-1,[/SUP]
Z es transportada por los electrones S [SUB]2[/SUB] = 4.
Debido a que existe un calentador de mantenimiento de la célula de Nernst a una temperatura elevada, existe un gradiente de temperatura que genera una tensión de offset. Podemos añadir este término a la expresión anterior, y en el proceso también se puede simplificar el cálculo mediante la conversión de la base e de logaritmos de base 10:
Ahora que sabemos el funcionamiento de la célula de Nernst, un poco en la construcción física está en orden. El sensor UEGO es de una "estructura plana" - esto significa que está en una forma rectangular en lugar de una forma simétrica dedal u otro - pensar en un sándwich plana de los componentes. En el sándwich, se encuentra el electrolito de Nernst que generalmente se construye a partir de itria zirconia estabilizado (YSZ), aunque existen otras formas. ¿Qué es el circonio estabilizado con itrio? Es zirconia (ZrO [SUB]2)[/SUB] con aproximadamente tres por ciento de moles sustituidos con itria (Y [SUB]2[/SUB] O [SUB]3).[/SUB] Debido a que cada dos iones de circonio se sustituyen con itrio, una vacante de oxígeno existe - esto permite que los iones de oxígeno adyacentes a "saltar" a estos sitios y en las temperaturas elevadas de esta actividad es la base para la producción de los campos electromagnéticos.
Continuando con la discusión de la estructura plana, existe una interna "cavidad difusión" - esta cavidad es donde la muestra de gas de escape es "atrapado", así como cuando la bomba y la cara de Nernst secciones. ¿De qué manera el gas de llegar? Por un proceso de difusión, el gas de escape a muestrear entra en la cavidad. No quiero ser demasiado "geek" sobre el proceso de difusión, pero basta con decir que hay dos mecanismos de difusión:
- una es conocida como la difusión molecular, y
- el segundo es conocido como la difusión de Knudsen, o "poro fino" difusión.
Es muy importante tener en cuenta: la difusión de Knudsen depende de la temperatura - esto quiere decir que la porosidad de la cámara de pruebas (es decir, cuánto gas puede entrar / salida) depende de la temperatura del cabezal del sensor - esta es la razón de bombeo actual (se describe a continuación) es diferente para diferentes temperaturas, así como la dependencia de gases de escape. La bomba de oxígeno anterior - esto es lo que hace un run-of-the-mill sensor de oxígeno de una unidad de banda ancha de verdad - es en realidad otra célula de Nernst-tipo con una corriente externa aplicada a la misma.
Hablamos de la "cavidad" por encima de donde la muestra de gas de escape que existe y, por un lado es la célula de medición de Nernst. En el otro lado es la célula de la bomba - esta celda se utiliza para transportar oxígeno dentro y fuera de la cavidad de medición. En términos muy simples, si los gases de escape de la célula de medición es pobre, entonces hay un exceso de oxígeno (mezclas pobres significa un exceso de oxígeno). Podemos "pasar a la bomba" para eliminar el oxígeno de la cavidad de referencia - y con la supervisión adecuada información de la célula de medición de Nernst se puede bombear suficiente cantidad de oxígeno acaba de lograr un equilibrio estequiométrico (más o menos, cuando la célula de medición de Nernst lee 0.45 voltios o aproximadamente).
La mejor parte de todo: si controlar la bomba de corriente, se puede utilizar esto para determinar lambda (λ) y la corriente AFR bomba está relacionada con la cantidad de oxígeno bombeado a cabo como una función del tiempo como:
siendo
n los moles de O [SUB]2[/SUB] gas bombeado,
t para el tiempo y la corriente
i. Para hacer esta ecuación útil debe ser convertido a cambio de la presión parcial dentro de la cavidad de referencia. También tenga en cuenta que la difusión (explicado anteriormente) traerá en los gases de escape más en el tiempo - para lo que estamos haciendo es hacer un equilibrio con los comentarios de la célula de Nernst dictar medida de la cantidad de oxígeno a la bomba de distancia, todo el gas de escape, mientras que más está difundiendo pulg Nótese que la presión del gas de escape bajo la medición también afecta a la cantidad de difusión dentro y fuera de la cavidad de medición - esto es el efecto contrapresión famoso.
Hemos explicado el caso de exceso de oxígeno en la mezcla aire-combustible es pobre. ¿Cómo operar en el lado privado de oxígeno, o rica de aire / combustible lado de relación? Para este caso, el oxígeno es 'bombeado' en la cavidad de medición simplemente por la aplicación inversa de la corriente en el elemento de la bomba. Comentarios sobre la célula de medición de Nernst indica cuando equilibrio estequiométrico se ha logrado.
Ahora bien, algo debe estar molestando a su intestino la derecha alrededor ahora ...
La célula de la bomba funciona con el transporte de iones oxígeno, pero estamos en una situación donde no hay oxígeno en la mezcla aire-combustible (es decir, somos ricos). Si llegamos a ser mucho más rico, que todavía no tienen oxígeno. Súper ricos, y todavía nada de oxígeno. ¿Cómo puede haber una situación de retroalimentación en este caso?
Resulta que dentro de la cavidad de medición de difusión, las siguientes reacciones químicas se producen:
Así, la porción de oxígeno bombeo actúa para introducir el oxígeno en la cámara de difusión por la descomposición de la electrólisis del dióxido de carbono (CO [SUB]2)[/SUB] y agua (H [SUB]2[/SUB] O) en el gas de medición. Piénsalo de esta manera: tenemos el gas de escape atrapado en la cavidad que contiene la difusión de H [SUB]2[/SUB] y CO, y la bomba de oxígeno es la generación de O [SUB]2[/SUB] - se combinan para producir CO [SUB]2[/SUB] y agua. Si tenemos más H [SUB]2[/SUB] y CO en el gas de escape, O2 entonces más de la bomba se convierte - y, con el fin de aumentar la producción de O [SUB]2[/SUB] se aumenta la corriente de la bomba.
Y resulta que el H [SUB]2[/SUB] y CO están presentes en cantidades significativas para un rico AFR, y puede estar relacionada con lambda por la ecuación de equilibrio elemental para el combustible / o diluyentes compuestos oxigenados que se derivan de arriba.
Esto no es exactamente correcto, en el que estamos tratando con un balance de los gases y la bomba es en realidad una celda electroquímica (haga clic en los enlaces para información básica sobre el Principio de Le Chatelier para las reglas de balance de equilibrio, así como la
ley del gas ideal ), por lo que necesitamos el oxígeno en el H [SUB]2[/SUB] O y CO [SUB]2[/SUB] como donantes para la reacción - presente en la bomba obtiene su oxígeno. Es un equilibrio, y cambiando la cantidad de corriente bombeada en la bomba que puede cambiar el equilibrio. El equilibrio es accionado también por la reacción agua-gas, discutido más adelante.
Por último, lambda (λ), lo que todos queremos saber, se relaciona con todos los componentes de los gases de escape en relación simplista conocida como la
ecuación de Brettschneider:
Todo esto dice es que hay combinaciones conocidas de las cantidades de gases de escape (ya sea en términos de moles o en la presión parcial) que se relacionan directamente con lambda. Estos incluyen H [SUB]2[/SUB] y CO
Así que, armados con todo este conocimiento, podemos escribir una ecuación que relaciona la corriente de la bomba en comparación con los componentes del gas de escape, entonces se pega esto en la ecuación Brettschneider (o una forma más avanzada - ver el Bowling y el papel Grippo). Por el lado mezcla pobre donde hay exceso de oxígeno, la ecuación de bomba de corriente es:
Así, la bomba de corriente requerida [SUB]p[/SUB] I es simplemente la presión parcial de O [SUB]2[/SUB] en la cámara de difusión, multiplicado por un coeficiente de calibrado [SUB]o2[/SUB] K. Recuerde, esto es la presión parcial de oxígeno no, la cantidad molar, por lo que la masa elemental necesita estar involucrado.
Por el lado mezcla rica, donde no hay oxígeno, el sensor mide la cantidad de CO y H [SUB]2[/SUB] en el gas de escape (presión parcial):
Tenga en cuenta los signos menos. La corriente de la bomba se aplica es la inversión de polaridad como para que el oxígeno de la bomba un generador de oxígeno, no un oxígeno "tonto".
Nótese también que en el lado rico, el sensor UEGO reacciona con los hidrocarburos no quemados también. Sin embargo, en la combustión normal, la cantidad de hidrocarburos no quemados se encuentran en las partes por millón región, mientras que los moles de CO y H [SUB]2[/SUB] son sustancialmente mayores (como en el 10 a 20% rango).
Medición de la resistencia de la célula de Nernst
El control preciso de la temperatura de la sonda de banda ancha UEGO es un requisito absoluto durante la operación. Los cambios en la temperatura de la sonda UEGO resultará en un cambio en la bomba de corriente requerida (a partir de la diferencia de difusión dentro y fuera de la cavidad de medición), por lo que el control de la temperatura para permitir que las correcciones que deben aplicarse a las mediciones. El sesnor de banda ancha no tiene ningún tipo de medida directa de la temperatura (termistor es decir, termopar, etc.)
Sin embargo, el control de la resistencia de la celda de referencia produce una representación cerca de la temperatura de la sonda - la resistencia de la celda de referencia varía con la temperatura. La celda de referencia de Nernst tiene una alta resistencia a bajas temperaturas (es decir, temperatura ambiente) y una resistencia de aproximadamente 80-100 ohmios a temperatura normal de funcionamiento. Así, mediante el control de la resistencia interna de la celda de referencia, es posible determinar una temperatura exacta UEGO sonda, sin la necesidad de un elemento sensor de temperatura externa.
Hay varios métodos disponibles para medir la resistencia de la celda de referencia, incluyendo desactivar el circuito de la bomba y la aplicación de una corriente constante conocida a través de la celda de referencia y midiendo la tensión resultante, finalmente volver a habilitar el circuito de la bomba. Este método requiere de varios conmutadores analógicos para aplicar la actual y restablecer el circuito de servo de la bomba cuando haya terminado. Además, si un sesgo se aplica a la célula de Nernst, a continuación, una corriente de polaridad opuesta con la misma duración necesita ser aplicada con el fin de "reset" la polarización en la célula. El único problema con este método es que es "intrusivo" para el bucle de realimentación de la Nernst / bomba.
Otro método consiste en aplicar una forma de onda de alta frecuencia para el circuito de la bomba y medir la desviación resultante en CEM. La resistencia de la celda de referencia es determinado por AC-acoplamiento de una onda cuadrada de amplitud y frecuencia conocida a través de una resistencia en serie, y la medición de la amplitud de la onda resultante de CA. Esta forma de onda está siempre presente, y puesto que es a una frecuencia alta con respecto a la respuesta de la Nernst / bucle de realimentación de la bomba, por lo esencialmente promedios. Este es el método empleado en la PLP.
El funcionamiento del circuito es muy simple. Un conocido de onda cuadrada fuente de 5 voltios de pico a pico y en una frecuencia de 1 a 3 KHz (generada por el DSP) se capacitivamente acoplado al terminal de celda de referencia positiva. En general actual está limitada por una resistencia en serie (resistencia más R [SUB]i[/SUB] interna) a 500 microamperios pico a pico, o ± 250 microamperios alrededor del punto de [SUB]polarización[/SUB] V (V [SUB]sesgo[/SUB] se establece en 2,5 voltios para permitir la operación de la bomba bipolar) - este valor de ajuste a las especificaciones se indica en el Bosch LSU 4.2 hoja de datos. La señal de corriente alterna genera un voltaje correspondiente alternando con valor basado en la resistencia interna R [SUB]i.[/SUB] Por ejemplo, si R [SUB]i[/SUB] = 100 ohmios, y luego 500 microamperios (PP), multiplicado por 100 ohmios rinde 50 milivoltios PP, o ± 25 mV alrededor del punto de [SUB]polarización[/SUB] V. En realidad, la resistencia en serie de límite de corriente y R [SUB]i[/SUB] formar un circuito divisor resistivo impulsado por un potencial de voltaje.
Para medir la tensión, un condensador se utiliza para bloquear el desplazamiento de CC (es decir, voltaje de la celda de referencia) y pasar la señal alterna. Una etapa de ganancia se introduce y el voltaje se alimenta en un puerto A / D en un procesador. Obsérvese que esta señal es una señal de CA, de modo muestreo ADC necesita para correlacionar con la polaridad de la señal de onda cuadrada aplicada - esto se conoce como rectificación síncrona. Un método alternativo sería el uso de un circuito puente rectificador para recuperar las oscilaciones positivo / negativo y, a continuación del filtro antes de la aplicación al canal ADC.
Combustible con plomo
Sensores de oxígeno de banda ancha están diseñados para una vida útil de 100.000 millas (160.000 kilómetros) en condiciones normales de funcionamiento. Sustitución sólo es necesario si el sensor ha fallado debido a las condiciones de operación inusuales, daño físico, o la contaminación. Por ejemplo, una junta de culata soplado podría permitir silicio para introducir el gas de escape y contaminar el sensor. Aceite quemado en la cámara de combustión, debido a las guías de válvulas con fugas o anillos puede permitir fósforo para introducir el gas de escape y contaminar el sensor.
Dependiendo del contenido de plomo del combustible utilizado, el tiempo de vida útil esperado es:
- de 0,6 g Pb / l: 20.000 km (12.000 millas)
- de 0,4 g Pb / l: 30.000 km (18.000 millas)
- de 0,15 g Pb / l: 60.000 km (36.000 millas)
En general, cuando se utiliza gasolina con plomo, el sensor deberá ser reemplazado cuando se producen problemas funcionales, por ejemplo, la velocidad de ralentí inestable, problemas de conducción. Las siguientes pruebas se puede hacer para una revisión aproximada de la función de sensor:
- Reasonableness of the signal check in rich exhaust gas: sensor signal should indicate rich
- Reasonableness of the signal check in "free-air": sensor signal should indicate very air lean
- Heater cold resistance at room temperature, with a multimeter between grey and white cable (H+, H-), and the sensor not connected to the Precision Wideband Controller, should be 2.5 to less than 10 ohms
How the Wide Band Sensor Works
Ajuste de aire / combustible
¿Qué números se utilizan?
por Julian Edgar
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De gestión del motor programable permite la selección de los muy bien cualquier relación aire / combustible y cualquier tiempo de encendido en cualquier punto de carga y de revoluciones. ¿Pero cuáles son las "correctas" ajustes que se deben utilizar? Es poco probable que usted va a hacer una canción llena de gestión programable a ti mismo (que realmente necesita un banco de pruebas y un aire de banda ancha / metro combustible) pero aquí hay una guía para los ajustes que den buenos resultados de los combustibles.
Medición de aire / combustible
Antes de un sistema de gestión programable puede ser efectivamente sintonizado, la relación aire / combustible tiene que ser medido. Como se describe más adelante, la relación aire / combustible tendrá que varían en diferentes condiciones, y así el medidor necesita ser preciso a través de una amplia gama de proporciones. Aunque el sensor de oxígeno se encuentra en los sistemas de gestión de fábrica de todos los coches pueden determinar escenarios ricos / magra, no es suficientemente preciso para ser utilizado en la afinación de gestión programable.
Aire / combustible se mide típicamente mediante un llamado "banda ancha" aire / combustible sensor de la relación. Esto es por lo general sólo un sensor de oxígeno normal que es un poco más lineal en su comportamiento lejos del 14.7:1 "punto de conmutación '(donde la tensión de salida del sensor cambia de repente de alto a bajo) que un sensor de oxígeno típica. sensores más sofisticados utilizan UEGO o diseños de la bomba de oxígeno, pero en los talleres de ajuste todavía son casi desconocidos.
Además de esta medición de alta velocidad, algunos talleres utilizar un analizador de gas velocidad más lenta, el registro de sus resultados durante dinamómetro de alimentación se ejecuta de modo que puedan comparar las lecturas con el sistema sensor de oxígeno. La desventaja de los analizadores de gas es que son demasiado lentos para obtener los resultados instantáneos que son necesarios cuando se sintonizan en tiempo real. Sin embargo, para establecer el estado de equilibrio de carga de la luz-mezclas de cruceros, por ejemplo, un analizador de gas está bien.
La mayoría de los talleres de alta velocidad de aire / combustible ratio de metros de leer demasiado rica
en el extremo rico. Todos los medidores serán capaces de leer alrededor de mezclas de 14.7:1 a la luz de carga, cierre de crucero de bucle - pero eso mismo medidor puede leer una relación de plena demasiado rica en 10:1 de aire / combustible. Metros suelen leer demasiado rica, porque la compensación de temperatura del gas de escape es pobre. Mezclas de todo 9-10:1 (es decir, ultra ricos) hará que el coche para soplar el humo negro, pero incluso cuando los medidores de los talleres se muestra esa cifra, el humo se ve en raras ocasiones. Sin embargo, una lectura del medidor más rica que la realidad es en muchos sentidos un medidor de seguro - el sintonizador no pondrá en marcha el coche peligrosamente delgada. Sin embargo, una pregunta clave de sintonizadores es: ¿cuánto tiempo ya que sustituye el aire / sensor de la relación de combustible?
Requisitos de la relación
Un motor bien afinado utilizado en condiciones normales de la carretera tiene una relación aire / combustible que varía constantemente. Con cargas ligeras, pobre de aire / combustible se utilizan, mientras que cuando el motor está obligado a desarrollar un poder sustancial, más rico (es decir, el número más bajo) de aire / combustible se utilizan.
Bosch afirman que la mayoría de los motores de encendido por chispa de desarrollar su potencia máxima a relaciones aire / combustible de 12.5:1 - 14:01 economía, el combustible máximo a 16.2:1 - 17.6:1 y buenas transiciones de carga de aproximadamente 11:1 - 12,5:1 .
Sin embargo, en aplicaciones prácticas, la relacion de aire / combustible a máxima potencia son a menudo más rico que el citado 12,5:1, especialmente en motores de inducción forzada donde se utiliza el exceso de combustible para que se enfríe la combustión y para evitar la detonación.
No hay una relación aire / combustible, donde todas las emisiones se reducen al mínimo. En una relación aire / combustible de óxidos de 14,7:1 de pico de nitrógeno, mientras que los hidrocarburos y monóxido de carbono (CO) aumento sustancialmente como los Richens relación aire / combustible.
1. Arranque y ralentí
La cantidad de combustible que necesita ser añadido durante el arranque mejor se puede determinar por experimentación. Este enriquecimiento se puede configurar con sólo una variable unidimensional basado en la temperatura del refrigerante del motor, o puede ser capaz de ser controlado de una manera más sofisticada. Ejemplos de estos últimos incluyen post-inicio de enriquecimiento y tiempo de decaimiento de enriquecimiento. El arranque en frío es una de las más sucias veces en lo que respecta a las emisiones, y por lo que si los requisitos de emisiones que se cumplan, una ECU sofisticado con el enriquecimiento a partir de múltiples y los mapas de decaimiento deben ser utilizados. Reducir el enriquecimiento de arranque en frío, pero el enriquecimiento de la aceleración en frío reducirá la cantidad total de emisiones. Algunos sistemas de fábrica abrir la derivación de aire frío inactivo durante la deceleración, presumiblemente para actuar como una forma de inyección de aire de escape.
La relación aire / combustible necesario para un buen reposo dependerá de la eficiencia de combustión del motor y el árbol de levas (s) utilizado. Algunos motores con cámaras calientes requerirá una relación aire / combustible tan rico como 12-12.5:1 para un buen reposo, mientras que otras se ejecutarán felizmente en 13-13.5:1. Motores con cámaras calientes que están equipados con sistemas de inyección secuencial de gestión se pueden ejecutar más magros mezclas de inactividad que los sistemas que utilizan el fuego banco o grupo. Los motores que se pueden configurar para funcionar en circuito cerrado en la marcha lenta se utiliza una relación aire / combustible de alrededor de 14.7:1, cuando haya calentado totalmente, aunque todavía por lo general inactivo mejor con un poco más rica de aire / combustible. Sin embargo, mantener el motor de aire / combustible tan cerca como sea posible estequiométrica se beneficiarán emisiones porque el convertidor gato funciona más eficientemente en esta relación.
2. Crucero
Carga ligera condiciones de crucero permitir el uso de mezcla pobre de aire / combustible. Las proporciones de 15-16:1 puede utilizarse en motores con levas estándar, mientras que los motores con levas calientes requerirá un aire más rico 14:01 / combustible. Si una función específica crucero magra está disponible, de aire / combustible de 17 o 17.5:1 se puede utilizar, normalmente en el avance del encendido estándar de carga ligera. Sin embargo, correr demasiado pobre una mezcla de crucero hará que el convertidor de gato a recalentarse. Si un gas de escape y Dyno sonda de temperatura está disponible, el crucero relación aire / combustible se puede inclinó hacia fuera hasta que la temperatura del gas de escape se hace excesiva para estas condiciones de carga (por ejemplo 600 grados C +), o el par comienza a disminuir de manera significativa. Recuerde, un motor en un coche de carretera pasarán más tiempo en el crucero de la luz de carga que en cualquier condición de explotación. La relación aire / combustible utilizado en estas condiciones por lo tanto, determinará en gran medida la economía de combustible promedio de ganado, sobre todo en la carretera.
3. De carga de alta
Un motor de aspiración natural debe ejecutar una relación aire / combustible de alrededor del 12 - 13:01 en el par máximo. La exacta relación aire / combustible se puede determinar mediante pruebas de dinamómetro, con la relación de seleccionados sobre la base de la que da un mejor par motor. Rich de aire / combustible se puede utilizar para controlar la detonación, y esto es una estrategia empleada normalmente en los motores de inducción forzada. Así, en un motor de inducción forzada, la mezcla debe ser sustancialmente más rico: 11,6 - 12.3:1 en un coche impulsado turbo y tan rica como 11:01 en un motor de aspiración forzada a convertirse sin ser descomprimido. Como es también el caso para la sincronización del encendido, la relación aire / combustible debe variar con un par, en lugar de con el poder.
La mayoría de fábrica de coches de inducción forzada ejecutar mezclas muy ricas completos de carga, con 10:1 de ser común. Esto se hace por razones del motor y del gato convertidor de seguridad - en caso de un inyector se vuelve ligeramente bloqueado, o la temperatura de admisión de aire se eleva a niveles muy altos. Estos vehículos normalmente se desarrollan más potencia si se asomó. Tenga en cuenta que las pruebas de emisiones no tienen lugar a plena potencia, las emisiones de carga tan lleno puede ser alta sin problemas legales.
En el rango de operación del motor de un par máximo de potencia máxima, un motor de aspiración natural debe ser un poco más delgado alrededor de 13:1, con el motor de inducción forzada de fábrica de 12:1 y un motor sobrealimentado del mercado de accesorios estancia en aproximadamente 11:1.
4. Aceleración
Durante la aceleración del motor requiere una mezcla más rica que durante el funcionamiento en estado estacionario, con el combustible extra proporcionada por el enriquecimiento de la aceleración. Bajo una fuerte aceleración, la relación aire / combustible, por lo general se reducirá 1 - 1,5 relaciones de su nivel estático. La cantidad de enriquecimiento de aceleración que se requiere normalmente se encuentra por ensayo y error, y esto se hace mejor en la carretera en lugar de el banco de pruebas. El enriquecimiento de aceleración se inclinó hacia fuera hasta un punto plano se produce, a continuación, sólo el suficiente combustible para deshacerse de la parte plana se debe agregar. Este enfoque suele dar la más aguda respuesta. Nótese que tanto el enriquecimiento de aceleración sobre-rico o más pobre-resultará en partes planas, y que una mayor cantidad de enriquecimiento de aceleración que se necesita en las velocidades del motor inferiores a velocidades más altas.
5. En plazo
En la carretera que van los vehículos, enleanment desaceleración se utiliza para reducir las emisiones y mejorar la economía de combustible. Normalmente, esto toma la forma de inyector de cierre, con el cierre a menudo se producen a mitad de revoluciones (por ejemplo, 3000-4000 rpm) y la operación de re-inyección a partir de 1200-1800 rpm. Alto rpm inyector de cierre puede, en algunos casos, tienen el potencial de causar una condición pobre momentánea.
Conclusión
¿Cómo un coche conduce en la carretera es una parte importante muy maldita de ser dueño de un coche modificado - y en tanto el poder que se desarrolla y la facilidad de conducción de la, relación aire / combustible son un ingrediente muy importante.
http://autospeed.com/cms/title_Tuning-AirFuel-Ratios/A_1595/article.html
