Кислородный датчик — устройство, предназначенное для фиксирования количества оставшегося кислорода в отработавших газах двигателя автомобиля. Он расположен в выпускной системе вблизи катализатора. На основе данных, полученных кислородником, электронный блок управления двигателем (ЭБУ) корректирует расчет оптимальной пропорции топливовоздушной смеси. Коэффициент избытка воздуха в ее составе обозначается в автомобилестроении греческой буквой лямбда (λ) , благодаря чему датчик получил второе название — лямбда-зонд.
Коэффициент избытка воздуха λ
Прежде чем разбирать конструкцию датчика кислорода и принцип его работы, необходимо определиться с таким важным параметром, как коэффициент избытка воздуха топливовоздушной смеси: что это такое, на что влияет и зачем его измеряет датчик.
В теории работы ДВС существует такое понятие как стехиометрическое отношение – это идеальная пропорция воздуха и топлива, при которой происходит полное сгорание топлива в камере сгорания цилиндра двигателя. Это очень важный параметр, на основании которого рассчитывается топливоподача и режимы работы двигателя. Оно равняется 14,7 кг воздуха к 1 кг топлива (14,7:1). Естественно, такое количество топливовоздушной смеси не поступает в цилиндр в один момент времени, это всего лишь пропорция, которая пересчитывается под реальные условия.
Зависимость мощности (P) и расхода топлива (Q) от коэффициента избытка воздуха
Коэффициент избытка воздуха (λ) – это отношение действительного количества воздуха, поступившего в двигатель, к теоретически необходимому (стехиометрическому) для полного сгорания топлива. Говоря простым языком, это «на сколько больше (меньше) воздуха поступило в цилиндр, чем должно было бы».
В зависимости от значения λ различают три вида топливовоздушной смеси:
- λ = 1 — стехиометрическая смесь;
- λ < 1 — «богатая» смесь (избыток — топливо; недостаток — воздух);
- λ > 1 — «бедная» смесь (избыток — воздух; недостаток — топливо).
Современные двигатели могут работать на всех трех типах смеси, в зависимости от текущих задач (экономия топлива, интенсивное ускорение, снижение концентрации вредных веществ в отработавших газах). С точки зрения оптимальных значений мощности двигателя, коэффициент лямбда должен иметь значение около 0,9 («богатая» смесь), минимальный расход топлива будет соответствовать стехиометрической смеси (λ = 1). Наилучшие результаты по очистке отработавших газов будут также наблюдаться при λ = 1, поскольку эффективная работа каталитического нейтрализатора происходит при стехиометрическом составе топливовоздушной смеси.
Назначение датчиков кислорода
Расположение кислородных датчиков в системе выхлопа Стандартно в современных автомобилях используется два датчика кислорода (для рядного двигателя). Один перед катализатором (верхний лямбда-зонд), а второй после него (нижний лямбда-зонд). Различий в конструкции верхнего и нижнего датчиков нет, они могут быть одинаковыми, но выполняют разные функции.
Верхний или передний кислородный датчик определяет содержание оставшегося кислорода в отработавших газах. По сигналу с данного датчика блок управления двигателем «понимает», на каком типе топливовоздушной смеси работает двигатель (стехиометрической, богатой или бедной). В зависимости от показаний кислородника и требуемого режима работы, ЭБУ корректирует количество топлива, подаваемого в цилиндры. Как правило, топливоподача корректируется в сторону стехиометрической смеси. Следует отметить, что при прогреве двигателя сигналы с датчика игнорируются ЭБУ двигателя до достижения им рабочей температуры. Нижний или задний лямбда-зонд используется для дополнительной корректировки состава смеси и контроля исправности работы каталитического нейтрализатора.
Конструкция и принцип работы кислородного датчика
Конструкция кислородного датчика Существует несколько видов лямбда-зондов, применяемых на современных автомобилях. Рассмотрим конструкцию и принцип работы наиболее популярного из них — датчика кислорода на основе диоксида циркония (ZrO2). Датчик состоит из следующих основных элементов:
- Наружный электрод — осуществляет контакт с выхлопными газами.
- Внутренний электрод — контактирует с атмосферой.
- Нагревательный элемент — используется для подогрева кислородного датчика и более быстрого вывода его на рабочую температуру (около 300 °C).
- Твердый электролит — расположен между двумя электродами (диоксид циркония).
- Корпус.
- Защитный кожух наконечника — имеет специальные отверстия (перфорацию) для проникновения отработавших газов.
Устройство наконечника лямбда-зонда Внешний и внутренний электроды покрыты платиновым напылением. Принцип работы такого лямбда зонда основан на возникновении разности потенциалов между слоями платины (электроды), которые чувствительны к кислороду. Она возникает при нагревании электролита, когда через него происходит движение ионов кислорода от атмосферного воздуха и выхлопных газов. Напряжение, возникающее на электродах датчика, зависит от концентрации кислорода в отработавших газах. Чем она выше, тем ниже напряжение. Диапазон напряжений сигнала кислородного датчика находится в пределах от 100 до 900 мВ. Сигнал имеет синусоидальную форму, у которой выделяются три области: от 100 до 450 мВ — бедная смесь, от 450 до 900 мВ — богатая смесь, значение 450 мВ соответствует стехиометрическому составу топливовоздушной смеси.
Виды лямбда-зондов
Помимо циркониевых используются также титановые и широкополосные датчики кислорода.
- Титановые. Этот вид кислородников имеет чувствительный элемент из диоксида титана. Рабочая температура такого датчика начинается от 700 °C. Титановые лямбда-зонды не требуют наличия атмосферного воздуха, поскольку принцип их работы основан на изменении выходного напряжения, в зависимости от концентрации кислорода в выхлопе.
- Широкополосный лямбда-зонд представляет собой усовершенствованную модель. Он состоит из цикрониевого датчика и закачивающего элемента. Первый измеряет концентрацию кислорода в отработавших газах, фиксируя напряжение, вызванное разницей потенциалов. Далее происходит сравнение показания с эталонной величиной (450 мВ), и, в случае отклонения, подается ток, провоцирующий закачивание ионов кислорода из выхлопа. Это происходит до тех пор, пока напряжение не станет равным заданному.
Ресурс кислородника и его неисправности
Лямбда-зонд — один из наиболее быстро изнашиваемых датчиков. Это связано с тем, что он постоянно контактирует с отработавшими газами и его ресурс напрямую зависит от качества топлива и исправности двигателя. Например, циркониевый кислородник имеет ресурс порядка 70-130 тысяч километров пробега.
Поскольку работа обоих кислородных датчиков (верхнего и нижнего) контролируется системой бортовой диагностики OBD-II, при выходе из строя любого из них будет зафиксирована соответствующая ошибка, а на панели приборов загорится контрольная лампа неисправности «Check Engine». Диагностировать неисправность в данном случае можно с помощью специального диагностического сканера.
Сигнал исправного кислородного датчика При исправной работе кислородного датчика характеристика сигнала представляет собой правильную синусоиду, демонстрирующую частоту переключений не менее 8 раз в течение 10 секунд. Если датчик вышел из строя, то форма сигнала будет отличаться от эталонной, либо его отклик на изменение состава смеси существенно замедлится.
Основные неисправности кислородного датчика:
- износ в процессе эксплуатации («старение» датчика);
- обрыв электрической цепи нагревательного элемента;
- загрязнение.
Все эти виды проблем могут быть спровоцированы использованием некачественного топлива, перегревом, добавлением различных присадок, попаданием в зону работы датчика масел и чистящих средств.
На автомобилях с электронным зажиганием для ограничения выброса вредных веществ в атмосферу устанавливают лямбда зонд, который реагирует на содержание углекислоты и других опасных примесей. Свое название этот элемент получил по букве греческого алфавита, которая выбрана для обозначения коэффициента избытка воздуха в топливовоздушной смеси.
Устанавливают кислородный датчик в магистрали выхлопа. Зная, что такое лямбда зонд в автомобиле и как он устроен, можно выбрать оптимальное решение при обнаружении неполадок.
Что такое лямбда зонд в машине и для чего он нужен
Назначение лямбда-зонда - контроль уровня вредных примесей в выхлопных газах. Этот элемента позволяет поддерживать содержание углекислоты в пределах 0,2 – 0,3 %. Основная функция - подача электрического сигнала в электронный блок управления силового агрегата. Это единственное, на что влияет лямбда зонд, но роль датчика нельзя преуменьшать.
Установкой кислородных датчиков в выхлопной трубе нового автомобиля занимается производитель. В дальнейшем при эксплуатации машины рекомендуются визуальная проверка и компьютерное тестирование лямбда-зонда не реже одного раза в год или после 10 – 15 тыс. км пробега. Если компонент будет поврежден или изношен, то придется его заменить. Если не получается замерить содержание кислорода, это может станет причиной поломки двигателя.
Устройство и принцип работы лямбда зонда
Лямбда зонд представляет собой обычный электрический элемент, через который проходят выхлопные газы. Устройство датчика кислорода предполагает наличие внутри корпуса токопроводящего элемента, электродов, сигнального контакта и заземления. Выходной электрический сигнал формируется при изменении напряжения в зависимости от состава выхлопного потока.
Работа датчика основана на принципе сравнения уровня кислорода в отработавших газах и атмосферном воздухе. Установка внутри трубы до и после каталитического нейтрализатора полностью исключает попадание вредных веществ за пределы системы. Электрическая схема в устройстве такого датчика кислорода задействуется только после разогрева до температуры 300 – 400 ºC, что необходимо для появления электропроводимости твердого электролита.
Принцип работы лямбда зонда позволяет выявить даже малейшее превышение норм по опасным веществам. Но даже при заправке горючего высокого качества с минимальным содержанием примесей через 100 – 150 тыс. км пробега датчики кислорода, а часто и катализаторы (нейтрализаторы), приходится менять.
Каких видов бывают лямбда зонды?
Независимо от того, как работает датчик кислорода и в какой части системы он установлен, для получения электрического сигнала о составе выброса внутри предусмотрен твердый электролитический элемент. В зависимости от типа этого компонента различают следующие виды зондов:
- циркониево-оксидные, способные определить количество воздуха в топливе в относительной величине (больше/меньше);
- датчики с высокой чувствительностью, способные точно определить соотношение компонентов топливной смеси (Denso);
- титановые, которые работают без доступа атмосферного кислорода.
На автомобили устанавливают датчики, предназначенные для конкретной марки или модели, а также изделия универсальной конструкции. Последние не комплектуют оригинальным разъемом – его, увы, приходится искать отдельно.
Информацию о составе выхлопа на контроллер подают и датчики других видов, которые отличаются количеством контактов (1- 6), способом установки (резьба/фланец), а также узко- или широкополосные модели по диапазону измерения (до коэффициента 1,6). Все варианты подключаются и работают по аналогичной схеме с передачей сигнала в ЭБУ для корректировки состава топливовоздушной смеси и объема впрыска топлива.
Распространённые причины неисправностей лямбда зонда и способы их устранения
Датчики содержания кислорода в топливовоздушной смеси со временем выходят из строя, что можно определить по нестабильной работе двигателя и увеличенному расходу горючего. Причины неисправности лямбда - это заправка топлива низкого качества, неполадки системы приготовления и подачи горючего, попадание на датчик спецжидкостей. Неполадки проявляется следующими признаками:
- резкий рост оборотов до максимальных значений и мгновенное отключение мотора;
- ухудшение качества подаваемой в цилиндры смеси, снижение полноты сгорания;
- колебания оборотов холостого хода;
- значительное снижение мощности при увеличении оборотов;
- сбои в работе электронных блоков из-за задержек в подаче сигналов с датчика;
- движение автомобиля рывками;
- появление в двигательном отсеке звуков, которые нехарактерны при нормальной работе мотора;
- поздний впрыск при нажатии педали.
Для восстановления работоспособности электроники и системы впрыска понадобится замена или правильная очистка лямбда зонда. При очистке нужно снять керамический наконечник и удалить загрязнения при помощи химических средств.
Заключение
Даже одна–две заправки топливом низкого качества могут стать причинами выхода из строя лямбда зонда. В таких случаях нарушается работа ЭБУ мотора, что и приводит к сбоям. Чтобы восстановить питание двигателя горючим и устранить неполадки, приходится заменять компонент, поскольку чистка считается малоэффективным способом.
Грамотных автолюбителей такими терминами как ABS, ESP, катализатор, инжектор не удивишь. В данной статье разберемся что такое лямбда зонд, для чего нужен и принцип его работы.
Жесткие экологические нормы узаконили применение на автомобилях каталитических нейтрализаторов – устройств, способствующих снижению содержания вредных веществ в выхлопных газах. Катализатор вещь хорошая, но эффективно работает лишь при определенных условиях. Без постоянного контроля состава топливно-воздушной смеси обеспечить катализаторам «долголетие» невозможно – тут приходит на помощь датчик кислорода, он же лямбда зонд.
Что это такое?
Название датчика лямбда зонд происходит от греческой буквы λ, которая в автомобилестроении обозначает коэффициент избытка воздуха в топливно-воздушной смеси. По сути, это датчик для измерения состава выхлопных газов, чтобы поддерживать оптимальный состав топлива и воздуха.При оптимальном составе этой смеси, когда на 14,7 части воздуха приходится одна часть топлива - лямбда равна 1. Обеспечить такую точность возможно только с помощью систем питания с электронным впрыском топлива и при использовании в цепи обратной связи лямбда-зонда.
Избыток воздуха в смеси измеряется весьма оригинальным способом – путем определения в выхлопных газах содержания остаточного кислорода (О 2). Поэтому лямбда зонд и стоит в выпускном коллекторе перед катализатором. Электрический сигнал датчика считывается электронным блоком управления системы впрыска топлива (ЭБУ). Тот в свою очередь оптимизирует состав смеси путем изменения количества подаваемого в цилиндры топлива.
На некоторых моделях автомобилей имеется еще один лямбда-зонд. Расположен он на выходе катализатора. Этим достигается большая точность приготовления смеси и контролируется эффективность работы катализатора.
Принцип работы
Схема лямбда зонда на основе диоксида циркония, расположенного в выхлопной трубе.
1 – твердый электролит ZrO2; 2, 3 – наружный и внутренний электроды; 4 – контакт заземления; 5 – «сигнальный контакт»; 6 – выхлопная труба.
Эффективное измерение остаточного кислорода в отработавших газах лямбда-зонд обеспечивает после разогрева до температуры 300 – 400°С. Только в таких условиях циркониевый электролит приобретает проводимость. Разница в количестве атмосферного кислорода и кислорода в выхлопной трубе ведет к появлению на электродах лямбда-зонда выходного напряжения.
При пуске и прогреве холодного двигателя управление впрыском топлива осуществляется без участия этого датчика, а коррекция состава топливо-воздушной смеси осуществляется по сигналам других датчиков (положения дроссельной заслонки, температуры охлаждающей жидкости, числа оборотов коленвала).
Особенность циркониевого лямбда-зонда - при малых отклонениях состава смеси от идеального напряжение на его выходе изменяется скачком в интервале 0,1 - 0,9 В.
Зависимость напряжения лямбда-зонда от коэффициента избытка воздуха при температуре датчика 500-800°С
Для повышения чувствительности лямбда-зондов при пониженных температурах и после запуска холодного двигателя используют принудительный подогрев. Нагревательный элемент расположен внутри керамического тела датчика и подключается к электросети автомобиля.
Если не работает
В этом случае ЭБУ начинает работать по усредненным параметрам , записанным в его памяти: при этом состав образующейся топливно-воздушной смеси будет отличаться от идеального. В результате появится повышенный расход топлива , неустойчивая работа двигателя на холостом ходу, увеличение содержания СО в выхлопе, снижение мощности. Но машина при этом остается на ходу.Перечень неисправностей лямбда зонда достаточно большой и некоторые из них самодиагностикой автомобиля не фиксируются. Поэтому окончательное решение о замене датчика можно принять только после его тщательной проверки, которую лучше поручить специалистам. Отметим, что попытки замены неисправного устройства имитатором или применение обманок ни к чему не приведут. ЭБУ не распознает «чужие» сигналы и не использует их для коррекции состава приготавливаемой горючей смеси, т.е. попросту «игнорирует».
Лямбда зонд – наиболее уязвимый датчик машины. Его ресурс составляет 60 – 120 000 км в зависимости от условий эксплуатации и исправности двигателя. Особенно чувствителен к качеству топлива – после нескольких плохих заправок он "умирает" и больше не работает.
Лямбда зонд – особый кислородный датчик или лямбда –контроллер позволяющий контролировать и измерять количественное наличие остаточного кислорода в выхлопных газах автомобилей.
Главное направление данного устройства – отслеживание и передача электронной системе управления данных о полноте сгорания топлива и качестве, путем впрыска топлива. Именно за счет этого обеспечиваются оптимальные условия работы катализатора выхлопа.
Предпосылками для применения катализаторов стали жесткие экологические нормы, предъявляемые к автомобильным выхлопам, поскольку задача данных устройств в снижении углекислоты. Чтобы полноценно функционировать необходимо, равномерное сгорание в цилиндрах сгорало строго определенного количества воздуха с минимальным процентом отклонения.
Такое точное регулирование сгораемого топлива обеспечивается за счет системы питания с регулируемым электроникой впрыском. Лямбда-зонд – это датчик кислорода, который берет в выпускном тракте на себя функцию контролера.
Место установки лямбда-зонда
Для максимального продуктивного измерения показателей остатка воздуха в сгоревшей смеси датчик кислорода лямбда зонд необходимо монтировать в выпускном коллекторе, расположив около катализатора.
Считывание информации будет осуществляться через блок управления топливной системой, которая контролирует увеличение или уменьшение интенсивности впрыска топлива в цилиндры.
В современных автомобилях есть дополнительный лямбд-зонд, располагаемый в месте выхода катализатора. Это необходимо для увеличения точности приготовления смеси.
Принцип действия
Кислородные датчики по принципу работы функционируют:
- На основе оксида циркония.
- На основе оксида титана. В этом случае, если изменяется состав выхлопа, то изменяется электрическое сопротивление
- Широкополосный. С ним связан изменение напряжения и полярности тока. Его особенность в способности реагировать не только на отклонения в составе рабочей смеси, но и на его численное значение.
Основывается работа лямбда зонда на использовании особого гальванического элемента, в которой расположена пара электродов. Для одного из них обвивание идет выхлопными газами, а для другого характерно чистым атмосферным воздухом.
Рабочий механизм датчика лямбда зонд запускается после разогрева до 300 и более градусов, в том момент, когда проводником становится циркониевый электролит, а количественное различие поступающего кислорода из выхлопной трубы и атмосферы направлено на появление напряжения на электродах.
Когда запускается и прогревается двигатель, кислородный датчик не оказывает влияние на управление топливным впрыском, а корректировку осуществляют другие сигнализаторы (датчики температуры системы охлаждения, положения дросселя, числа оборотов и прочие).
Кроме нагреваемых циркониевых, на основе двуокиси титана бывают холодные контроллеры. Они созданы не для генерирования электричества, а направлены на изменение сопротивления воздушного потока, что служит основной сигнальной картой для систем управления впрыском.
Преимущество такого лямбда датчик кислорода в том, что его работа начинается сразу после пуска двигателя, но широкого распространения он не получил, так как выполнен в сложной конструкции и дорого обходится. Встречается лямбда зонд данного типа в моделях BMW, Nissan, и Jaguar.
Причины выхода из строя
Датчик кислорода может прийти в неисправности или начать неправильно работать по ряду причин:
- если произошел в питающей или контрольной электро цепи разрыв;
- было замыкание;
- если при использовании топлива с присадками, произошло засорение. Наиболее пагубными становятся свинец, силикон, сера;
- вследствие регулярных термических перегрузок, связанных с проблемами зажигания;
- произошло после поездок по бездорожью механическое повреждение.
У всякого датчика есть свой срок службы и чем он больше, тем медленнее становится его реакция на изменение состава топливной смеси. Возраст датчика можно хорошо увидеть на моторах с непосредственным впрыском. Необходимо учитывать, что если плохое состояние маслосъемных колец или произошло попадание в цилиндры антифриза, то датчик лямбда зонд не выдержит положенного срока и будет подлежать замене.
Следует обратить внимание на показатели лямбда датчик кислорода. Определить, что они выходит из строя можно по содержанию углекислоты в выхлопе, которая резко повышается от значения в 0,1-0,3% до 3%, а часто и 7%. Если обнаружено, что кислородный датчик не работает, то сложно снизить его значение без ремонта или замены.
Аналогичные сложности могут возникнуть и в моделях с двумя зонтами, если пришел в неисправность хоть один из них, для рабочей среды понадобится поработать над серьезным изменением настроек электроники.
Признаки выхода лямбда-зонда из строя
Определить неисправность датчик кислорода можно по следующим признакам:
- неисправный датчик нужно незамедлительно менять, иначе чревато выходом из строя катализатора;
- ухудшилась разгонная динамика;
- обнаружен прерывистый холостой ход;
- происходят скачки расхода топлива;
- растет токсичность выхлопа, параметры которой определить без специального оборудования невозможно.
Чтобы лямбда зонд неожиданно не стал несправным, его необходимо регулярно менять, не подогреваемые датчики примерно через каждые 50-80 тыс. километров; подогреваемые через 100 тыс. и планарные каждые 160 тыс. км. Но, торопиться с выбрасывание старой лямбды не нужно. Для этого необходимо проверить лямбда-зонд на его реальное состояние.
Рекомендовано проверять лямбда датчика и систему, регулирующую топливную смесь, каждые 30 тыс. км. Это не будет защитой от поломок вследствие механического повреждения или засорения, но предотвратит поломки из-за износа.
Своевременная замена лямбда-зонда это:
- экономия до 15% топлива;
- снижение до минимума токсичности выхлопа;
- возможность продлить ресурсы катализатора;
- возможность улучшить динамические характеристики автомобиля.
Устранение неисправностей
Официально технология ремонта лямбда-зондов не разработана. Это означает, что в случае поломки не в контактной сети, устройство следует незамедлительно заменить.
У подпольных СТО есть практика восстановление датчиков, которые перестали работать из-за отложения нагара под защитным колпачком, через технологию удаления налета.
Осуществляется это через промывку в ортофосфорной кислоте датчика, которая не оказывает уничтожающего влияния на электроды. Такая мойка не всегда эффективна, и если датчик после нее не пришел в рабочий механизм, он на 100 % подлежит замене.