Принади автомобілізації безперечні, як і пов’язані з цим глобальним явищем проблеми. У відпрацьованих газах бензинового двигуна можна знайти чимало різноманітних токсичних компонентів, але керує традиційною тріадою:

– СО – окис вуглецю, чадний газ;
– СН – незгорілі вуглеводні;
– NOх – оксиди азоту.

Інженери протиставили цій небезпечній трійці дуже важливий пристрій, що входить до системи випуску, – каталітичний нейтралізатор газів, що відпрацювали. Інакше кажучи, гази, пройшовши через цей пристрій, з агресивно-токсичних перетворюються на порівняно безпечні, нейтральні. Щоб нейтралізатор міг ефективно «облагоджувати» гази, що надходять до нього, вміст кожного компонента в них повинен укладатися в досить вузькі рамки, відповідні згорянню в циліндрах стехіометричної робочої суміші палива і повітря. Нагадаємо, що її склад характеризується так званим коефіцієнтом надлишку повітря l (іноді – у радянській літературі, наприклад, – замість l писали іншу грецьку букву – a). Якщо l більше 1,0 – суміш збіднена, бідна тощо. І навпаки – суміш із l менше 1,0 – збагачена, багата тощо. Якщо повітря рівно стільки, скільки потрібно для повного згоряння палива, суміш називають стехіометричною – на рис. 1 це область значень l поблизу 1.

Мал. 1. Залежність ефективності нейтралізатора від складу робочої суміші у циліндрах двигуна. Щоб ефективність була не нижче 80%, коливання складу щодо оптимального не повинні перевищувати 1%.

Але як забезпечити таку високу точність та одночасно стабільність паливоводозування? Відомо, що карбюраторні мотори при всій їхній простоті за цим пунктом не проходять.

Мета була досягнута з появою електронної системи автоматичного регулювання з датчиком кисню у газах, що відпрацювали – по-іншому, лямбда-зондом. Цей датчик – найважливіший елемент зворотного зв’язку в системі паливоводозування на сучасних автомобілях, що дозволяє підтримувати стехіометричний склад на режимах роботи двигуна з точністю до ±1%.

На сучасних європейських автомобілях найчастіше можна побачити датчики кисню двох типів. До першого віднесемо датчики на основі діоксиду цирконію (цирконієві), до другого – датчики на основі оксиду титану (титанові). Цирконієвий зонд показаний схематично на рис. 2. Вимірювальний елемент, поміщений у потік відпрацьованих газів, генерує ЕРС, яка залежить від їх складу. Цю залежність ілюструє рис. 3 – вона має “тригерний” характер. Інакше кажучи, ЕРС зонда надзвичайно різко змінюється поблизу значення l=1,0 робочої суміші в циліндрі двигуна, реагуючи навіть дуже слабкі коливання складу у бік збагачення чи збіднення. Власне вимірювальний елемент – це трубочка з одним закритим кінцем (пальчиковий тип – див. рис. 2) або платівка (планарний тип). Принцип роботи один, різниця тільки в конструкції – надалі, щоб не плутатися, маємо на увазі пальчиковий тип.

Мал. 2. Схема цирконієвого датчика кисню: 1 – труба випускної системи; 2 – корпус датчика; 3 – контактні майданчики; 4 – керамічний захисний шар; 5 – зовнішній та внутрішній електроди; 6 – керамічна основа (ZrO2 та Y2O3). US – вихідна напруга.

Мал. 3. «Тригерний» характер залежності напруги зонда від коефіцієнта надлишку повітря у робочій суміші. Поблизу значення коефіцієнта 1,0 напруга зонда дуже різко, майже стрибком, змінюється в межах приблизно 0,1–0,8 В.

Показаний на рис. 2 вимірювальний елемент (ІЕ) має напилення благородного металу – платини із внутрішньої та зовнішньої сторін. Усередині ж – «твердий електроліт» (кераміка) із суміші діоксиду цирконію ZrO2 та оксиду ітрію Y2O3. Працює за принципом гальванічного елемента з твердим електролітом: після досягнення температури 300-350 ° С кераміка починає проводити іони кисню. (Корисно пам’ятати, що це мінімально можлива температура функціонування ІЕ, тоді як під час роботи реального двигуна температура датчика близько 600°С. Обмежена і максимальна робоча температура – ​​близько 900–1000°С залежно від типу датчика, перегрів загрожує його ушкодженням.)< /p>

Як працює датчик кисню? Очевидно, що при роботі двигуна концентрація кисню всередині випускної системи та зовні її, у навколишньому повітрі, зовсім різна. Ось ця різниця і змушує іони кисню рухатися у твердому електроліті, внаслідок чого на електродах ІЕ з’являється різниця потенціалів – сигнал так