氧化锆传感器与 λ = 1 的开关

把发动机的混合气从稀调到浓,记下氧化锆传感器的电压,找出化学计量点;再改变传感器温度和氧化钇含量,看哪些量会改变读数。

难度 ●●○ 约 25 分钟

实验目的 测出传感器电压随 λ 的变化曲线,定位跳变点,并解释电压为什么与温度有关、与氧空位的多少无关。
平衡尾气由 NIST-JANAF 数据算出 · 电压由能斯特方程算出

尾气里的氧传感器

传感器截面
尾气λ = 1.050空气p(O₂) = 0.2095 bar0.060 VY₂O₃–ZrO₂ 固体电解质开路:离子来回跳,但没有净电流
传感器电压
0.90.9511.051.1λ00.20.40.60.81E / V
平衡尾气中的 CO、H₂ 与 O₂
0.90.9511.051.1λ10⁻²⁴10⁻¹⁸10⁻¹²10⁻⁶0.1摩尔分数
  • CO
  • H₂
  • O₂

尾气平衡组成:CO₂ 11.91%,H₂O 13.40%,CO 1.7e-10%,H₂ 4.4e-10%,O₂ 0.9308%;p(O₂) = 9.31e-3 bar。

E = (RT/4F) ln[0.2095/p(O₂)] = 0.060 V——稀:空气多,尾气中剩下游离的氧。

8 mol % Y₂O₃ 使 3.70% 的氧位空着(Zr₁₋ₓYₓO₂₋ₓ/₂,x = 0.148):O²⁻ 就是跳进这些空位而移动的。

燃料按异辛烷 C₈H₁₈ 计。假定铂电极使尾气在传感器温度下达到 CO + ½O₂ ⇌ CO₂ 和 H₂ + ½O₂ ⇌ H₂O 的平衡,平衡常数由 NIST-JANAF 热力学函数(Chase 1998)算出;氮氧化物、未燃的燃料和响应时间都没有计入。参比侧是 p(O₂) = 0.2095 bar 的空气。晶格图是萤石结构的示意投影,空位数由组成算出;离子跳动的动画只是示意,开路时没有净的离子流。

操作步骤

  1. 传感器温度 900 K。从 λ = 1.05 开始,每次减小 0.01,记下电压,直到 λ = 0.95。
  2. 在 0.99 到 1.01 之间改用 0.001 的步长,找出电压跨过 0.45 V 的那一点。
  3. 把温度改成 700 K 和 1000 K,重复几个关键点。
  4. 最后把 Y₂O₃ 含量从 3 mol% 调到 10 mol%,观察空位数目和电压各怎样变化。

注意观察

  • 900 K 时,稀的一侧电压只有 0.06–0.09 V(λ = 1.05–1.01),浓的一侧 0.85–0.91 V(λ = 0.99–0.95);电压在 λ = 1 两侧千分之五以内几乎完成全部跳变。
  • 温度越高,浓的一侧电压越低(λ = 0.95 时 700 K 为 1.00 V,1000 K 为 0.86 V):燃烧平衡常数随温度减小,平衡氧分压升高。
  • 改变 Y₂O₃ 含量,空位比例随之改变,电压却完全不变:能斯特电压只取决于两侧氧的活度,电解质只要能导氧离子就行。

真实实验室

  • 传感器和排气管工作时有几百摄氏度,要等冷却后再拆装;在室内运转发动机必须把尾气排到室外——一氧化碳没有气味却致命。
  • 含铅汽油会毒化传感器的铂电极和尾气催化剂,这也是装有催化器的汽车只能用无铅汽油的原因之一。
  • 实际的控制器以约 0.45 V 为界判断浓稀,让混合气在化学计量点附近来回摆动;传感器老化后响应变慢,会被诊断系统发现。

全部实验