Каков принцип действия датчика измерения концентрации кислорода

Про лямбда зонд

Датчик кислорода предназначен для определения концентрации кислорода в отработавших газах, состав которых зависит от соотношения топлива и воздуха в смеси, подаваемой в цилиндры двигателя. Информация, которую выдает датчик в виде напряжения (или изменения сопротивления), используется электронным блоком управления впрыском (или карбюратором) для корректировки количества подаваемого топлива.
Для полного сгорания 1 кг топлива необходимо 14,7 кг воздуха. Такой состав топливо-воздушной смеси называют стехиометрическим, он обеспечивает наименьшее содержание токсичных веществ в отработавших газах и, соответственно, эффективное их "дожигание" в каталитическом нейтрализаторе.
Для оценки состава топливо-воздушной смеси используют коэффициент избытка воздуха — отношение количества воздуха, поступившего в цилиндры, к количеству воздуха, теоретически необходимого для полного сгорания топлива. В мировой практике этот коэффициент называют лямбда. При стехиометрической смеси лямбда = 1, если лямбда < 1 (недостаток воздуха), смесь называют богатой, при лямбда >1 (избыток воздуха) смесь называют бедной.
Наибольшая экономичность при полностью открытой дроссельной заслонке бензинового двигателя достигается при лямбда=1,1-1,3. Максимальная мощность обеспечивается, когда лямбда =0,85-0,9.

В справочной литературе датчик может называться по-разному: кислородный датчик, регулятор "лямбда", лямбда-зонд, датчик концентрации кислорода в отработавших газах. Кислородные датчики бывают двух типов: электрохимические и резистивные. Первый тип датчиков работает по принципу элемента, вырабатывающего электрический ток. Второй — работает, как резистор, изменяя свое сопротивление от условий среды, в которой находится.
Наибольшее распространение в настоящее время получили электрохимические датчики кислорода. В них используется свойство диоксида циркония создавать разность электрических потенциалов (напряжение) при разной концентрации кислорода (в отработавших газах и окружающем воздухе).
При нормальной работе системы подачи топлива напряжение, вырабатываемое датчиком кислорода, может изменяться несколько раз в секунду. Это позволяет приготавливать и поддерживать необходимый состав топливной смеси практически на любом режиме работы двигателя.

Устройство датчика кислорода.

Устройство датчика кислорода:
1- металлический корпус с резьбой.
2 — уплотнительное кольцо.c 3 — токосъемник электрического сигнала.
4 — керамический изолятор.
5 — проводка.
6 — манжета проводов уплотнительная.
7 — токопроводящий контакт цепи подогрева.
8 — наружный защитный экран с отверстием для атмосферного воздуха.
9 — подогрев.
10 — наконечник из керамики.
11 — защитный экран с отверстием для отработавших газов.

Основная часть датчика — керамический наконечник, сделанный на основе диоксида циркония, на внутреннюю и наружную поверхности которого методом напыления наносится платина. Соединение наконечника и корпуса выполнено полностью герметичным во избежание попадания отработавших газов во внутреннюю полость датчика, сообщающуюся с атмосферой. Керамический наконечник находится в потоке отработавших газов, поступающих через отверстия в защитном экране. Эффективная работа датчика возможна при температуре не ниже 300-350’С. Поэтому, для быстрого прогрева после пуска двигателя, современные датчики снабжают электрическим нагревательным элементом, представляющим из себя керамический стержень со спиралью накаливания внутри. Датчики кислорода с различным количеством проводов: провод сигнала, провод "массы" сигнала, провод питания подогрева, провод "массы" подогрева. Датчики без нагревателя могут иметь один, или два сигнальных провода, датчики со встроенным электрическим нагревателем — три или четыре провода. Как правило, провода светлых цветов относятся к нагревателю, а темных — к сигнальному проводу. Все элементы датчика кислорода изготовлены из жаростойких материалов, так как его рабочая температура может достигать 950°С. Выходящие провода имеют термостойкую изоляцию.

Место установки датчика кислорода.

В связи с тем, что датчик кислорода может вырабатывать электрический сигнал только при температуре 300-350°С и выше, датчики без нагревателя устанавливаются в выпускном трубопроводе ближе к двигателю, а с нагревательными элементами — перед нейтрализатором.
В некоторых автомобилях в каталитическом нейтрализаторе установлен датчик температуры, который не следует путать с кислородным. Иногда устанавливается два кислородных датчика — до нейтрализатора и после него.

На каждом датчике кислорода, как правило, обозначено: наименование страны-изготовителя; наименование и (или) товарный знак изготовителя; условное обозначение типа.

Ресурс и периодичность контроля работоспособности

Датчики кислорода имеют неразборную конструкцию и не требуют обслуживания. Ресурс электрохимических датчиков кислорода составляет от 60 до 80 тыс. км пробега автомобиля при соблюдении условий эксплуатации, нарушение которых резко сокращает срок службы. Рекомендуется проверять датчики кислорода при каждом техническом обслуживании автомобиля.

Причины преждевременного выхода из строя датчика кислорода

1. Применение этилированного бензина или несоответствующей марки топлива.
2. Использование при установке датчика герметиков, вулканизирующихся при комнатной температуре или содержащих в своем составе силикон.
3. Перегрев датчика из-за неправильно установленного угла опережения зажигания, переобогащения топливо-воздушной смеси, перебоев в зажигании и т. д.
4. Многократные (неудачные) попытки запуска двигателя через небольшие промежутки времени, что приводит к накапливанию несгоревшего топлива в выпускном трубопроводе, которое может воспламениться с образованием ударной волны.
5. Проверка работы цилиндров двигателя с отключением свечей зажигания.
6. Попадание на керамический наконечник датчика любых эксплуатационных жидкостей, растворителей и моющих средств.
7. Обрыв, плохой контакт или замыкание на "массу" выходной цепи датчика.
8. Негерметичность в выпускной системе.

Возможные признаки неисправности датчика кислорода
1. Неустойчивая работа двигателя на малых оборотах.
2. Повышенный расход топлива.
3. Ухудшение динамических характеристик автомобиля.
4. Характерное потрескивание в районе расположения каталитического нейтрализатора после остановки двигателя.
5. Повышение температуры в районе каталитического нейтрализатора или его нагрев до раскаленного состояния.
6. На некоторых автомобилях загорание лампы "СНЕСК ЕNGINЕ" при установившемся режиме движения.

Правила снятия и установки датчика

1. Демонтаж датчика, во избежание повреждений, производят только на холодном двигателе, перед этим отсоединяют провода датчика (при выключенном зажигании).
2. Перед заменой датчика необходимо проверить его маркировку, которая должна соответствовать указанной в инструкции по эксплуатации автомобиля.
3. Производят внешний осмотр, чтобы:
убедиться в отсутствии механических повреждений;
проверить наличие уплотнительного кольца; o проверить наличие на резьбовой части специальной противопригарной смазки.
4. Заворачивают от руки датчик кислорода до упора и затягивают с усилием 3,5-4,5 кгм. Соединение должно быть герметичным.
5. Соединяют электрический разъем (разъемы).
6. Проверяют работоспособность по контролируемым параметрам.

В некоторых случаях датчик крепится к выпускному трубопроводу с помощью специальной пластины. Между пластиной и выпускным трубопроводом должна находиться специальная герметизирующая прокладка.

Основные контролируемые параметры

Проверка параметров датчика кислорода осуществляется при достижении им рабочей температуры (350+50°С) с использованием газоанализатора, осциллографа, цифрового вольтметра и омметра.

Контролируются следующие параметры:

1. при значении Лямбда=0,9 (обогащенная горючая смесь) напряжение на сигнальном проводе должно быть не менее 0,65 В;
2. при значении лямбда=1,1 (обедненная горючая смесь) напряжение на сигнальном выводе должно быть не более 0,25 В;
3. время срабатывания при обедненной горючей смеси — не более 250 мс;
4. время срабатывания при обогащенной горючей смеси — не более 450 мс;
5. сопротивление при температуре 350 + 50 "С не более 10кОм.

Бензиновому двигателю для работы требуется смесь с определенным соотношением воздух-топливо. Соотношение, при котором топливо максимально полно и эффективно сгорает, называется стехиометрическим и составляет оно 14,7:1. Это означает, что на одну часть топлива следует взять 14,7 частей воздуха. На практике же соотношение воздух-топливо меняется в зависимости от режимов работы двигателя и смесеобразования. Двигатель становится неэкономичным. Это и понятно!

Коэффициент избыточности воздуха — L (лямбда) характеризует — насколько реальная топливно-воздушная смесь далека от оптимальной (14,7:1). Если состав смеси — 14,7:1, то L=1 и смесь оптимальна. Если L < 1, значит недостаток воздуха, смесь обогащенная. Мощность двигателя увеличивается при L=0,85 — 0,95. Если L > 1, значит налицо избыток воздуха, смесь бедная. Мощность при L=1,05 — 1,3 падает, но зато экономичность растет. При L > 1,3 смесь перестает воспламеняться и начинаются пропуски в зажигании. Бензиновые двигатели развивают максимальную мощность при недостатке воздуха в 5-15% (L=0,85 — 0,95), тогда как минимальный расход топлива достигается при избытке воздуха в 10-20%% (L=1,1 — 1,2). Таким образом соотношение L при работе двигателя постоянно меняется и диапазон 0,9 — 1,1 является рабочим диапазоном лямбда-регулирования. В то же время, когда двигатель прогрет до рабочей температуры и не развивает большой мощности (например работает на ХХ), необходимо по возможности более строгое соблюдение равенства L=1 для того, чтобы трехкомпонентный катализатор смог полностью выполнить свое предназначение и сократить объем вредных выбросов до минимума.

Датчик кислорода — он же лямбда-зонд — устанавливается в выхлопном коллекторе таким образом, чтобы выхлопные газы обтекали рабочую поверхность датчика. Материал его как правило циркониевый (используется керамический элемент на основе двуокиси циркония, покрытый платиной) — гальванический источник тока, меняющий напряжение в зависимости от температуры и наличия кислорода в окружающей среде. Конструкция его предполагает, что одна часть соединяется с наружним воздухом, а другая — с выхлопными газами внутри трубы. В зависимости от концентрации кислорода в выхлопных газах, на выходе датчика появляется сигнал. Уровень этого сигнала, для датчиков систем впрыска конца 80-х — начала 90-х годов, может быть низким (0,1…0,2В) или высоким (0,8…0,9В). Таким образом датчик кислорода — это своеобразный переключатель (триггер), сообщающий контроллеру впрыска о качественной концентрации кислорода в отработавших газах. Фронт сигнала между положениями "Больше" и "меньше" очень мал. Настолько мал, что его можно не рассматривать всерьез. Контроллер принимает сигнал с ЛЗ, сравнивает его с значением, прошитым в его памяти и, если сигнал отличается от оптимального для текущего режима, корректирует длительность впрыска топлива в ту или иную сторону. Таким образом осуществляется обратная связь с контроллером впрыска и точная подстройка режимов работы двигателя под текущую ситуацию с достижением максимальной экономии топлива и минимизацией вредных выбросов.

Лямбда-зонды бывают одно-, двух-, трех- и четырехпроводные. Однопроводные и двухпроводные датчики применялись в самых первых системах впрыска с обратной связью (лямбда-регулированием). Однопроводный датчик имеет только один провод, который является сигнальным. Земля этго датчика выведена на корпус и приходит на массу двигателя через резьбовое соединение. Двухпроводный датчик отличается от однопроводного наличием отдельного земляного провода сигнальной цепи. Недостатки таких зондов: рабочий диапазон температуры датчика начинается от 300 градусов. До достижения этой температуры датчик не работает и не выдает сигнала. Стало быть необходимо устанавливать этот датчик как можно ближе к цилиндрам двигателя, чтобы он подогревался и обтекался наиболее горячим потоком выхлопных газов. Процесс нагрева датчика затягивается и это вносит задержку в момент включения обратной связи в работу контроллера. Кроме того, использование самой трубы в качестве проводника сигнала (земля) требует нанесения на резьбу специальной токопроводящей смазки при установке датчика в выхлопной трубопровод и увеличивает вероятность сбоя (отсутствия контакта) в цепи обратной связи.

Указанных недостатков лишены трех- и четырехпроводные лямбда зонды. В трехпроводный ЛЗ добавлен специальный нагревательный элемент, который включен как правило всегда при работе двигателя и, тем самым, сокращает время выхода датчика на рабочую температуру. А так же позволяет устанавливать лямбда-зонд на удалении от выхлопного коллектора, рядом с катализатором. Однако остается один недостаток — токопроводящий выхлопной коллектор и необходимость в токопроводящей смазке.

Этого недостатка лишен четырехпроводный лямбда-зонд — у него все провода служат для своих целей — два на подогрев, а два — сигнальные. При этом вкручивать его можно так как заблагорассудится.

Несколько слов о взаимозаменяемости датчиков. Лямбда-зонд с подогревом может устанавливаться вместо такого же, но без подогрева. При этом необходимо смонтировать на автомобиль цепь подогрева и подключить ее к цепи, запитываемой при включении зажигания. Самое выгодное — в параллель к цепи питания электробензонасоса. Не допускается обратная замена — установка однопроводного датчика вместо трех- и более- проводных. Работать не будет. Ну и конечно необходимо, чтобы резьба датчика совпадала с резьбой, нарезанной в штуцере.

Как понять насколько работоспособен датчик? Ввобще-то для этого потребуется осциллограф. Ну или специальный мотор-тестер, на дисплее которого можно наблюдать осциллограмму изменения сигнала на выходе ЛЗ. Наиболее интересными являются пороговые уровни сигналов высокого и низкого напряжения (со временем, при выходе датчика из строя, сигнал низкого уровня повышается (более 0,2В — криминал), а сигнал высокого уровня — снижается (менее 0,8В — криминал)), а также скорость изменения фронта переключения датчика из низкого в высокий уровень. Есть повод задуматься о предстоящей замене датчика, если длительность этого фронта превышает 300 мсек. Это усредненные данные. В реальной жизни для оценки состояния лямбда-зонда необходимо провести цикл измерений. Не имея под рукой мотор-тестера или осциллографа определить неисправность лямбда-зонда можно пользуясь бортовой системой диагностики, существующей в контроллере системы впрыска, которая фиксирует в своей памяти случаи, когда сигнал с ЛЗ выходил за определенные пределы. Фиксация неисправностей производится при помощи запоминания специальных кодов, которые могут быть считаны в тестовом режиме. Однако не всегда можно с уверенностью поставить четкий диагноз о неисправности лямбда-зонда пользуясь только бортовой системой диагностики. Об этом стоит помнить! Не поленитесь съездить на диагностику. Но в некоторых случаях можно с большой степенью уверенности утверждать, что лямбда-зонд вышел из строя и подлежит замене.

На что менять? Самое лучшее — это менять датчик на такой, какой стоит в списке запчастей для Вашего автомобиля. В таком случае гарантия работоспособности системы после замены будет 100%. Но не всегда по финансовым соображениям выгодно гоняться за оригинальными каталожными датчиками. Ведь тот же Bosch выпускает лямбда-датчики и для других моделей. И они по принципу работы одинаковы, а внешне очень похожи. Ну и что, что каталожный номер будет стоять другой. При правильной установке и грамотном подборе можно сэкономить весьма кругленькую сумму, купив "жигулевский" датчик от фирмы Bosch за 10-20$ вместо точно такого же по сути, но фирменного за 100$ и работать он будет ничуть не хуже.

Итак: Вы походили по магазинам и купили заветный кусочек металла с проводами…

Внимание: Кислородный датчик содержит очень хрупкие керамические ячейки. Во избежание повреждения новый ЛЗ не следует ронять, стучать по нему…

Порядок замены ЛЗ таков:
• Отсоединить кабель ЛЗ от электропроводки.
• Снять старый ЛЗ используя подходящий ключ. Лучше если это будет высокая головка или накидной — так вероятность повредить грани приржавленного ЛЗ будет меньше. Снимать датчик стоит при работающем двигателе. Т.е. пока трубопровод и датчик горячий. В противном случае есть вероятность отломать датчик или сорвать резьбу, т.к. металл сжимается и выворачивать очень трудно. Выкручивайте датчик до тех пор, пока из отверстия не пойдет дымок. Потом глушите машину и откручивайте совсем.
• Отрезать аккуратно провода от старого ЛЗ и соединить с проводами нового, которые тоже придется отрезать от колодки. Схема соединения зависит от того — какой ЛЗ Вы купили. Но обычные цвета и предназначение проводов даны чуть ниже, на картинках.
• Провода подогрева белого цвета (полярность не имеет значения), а сигнальный провод — черный.
• Четвертый (незадействованный ранее) провод стоит вывести и надежно прикрутить к массе двигателя. Проверить также соединение двигателя с массой корпуса.
• Вкрутить новый ЛЗ. Если он четырехпроводный, то токопроводящая смазка не нужна. Достаточно графитовой — для смазки резьбовых соединений.
• Соединение проводов не стоит осуществлять скруткой проводов — этот вариант ненадежен и долго не проживет. Самое лучшее — это спаять все положенные провода и хорошенько заизолировать. Паять провода стоит до того, как ЛЗ установлен в трубе, т.е. на столе.
• После замены рекомендуется обнулить память контроллера путем снимания на несколько секунд (-)клеммы с аккумулятора. Только подумайте предварительно — не отключатся ли у вас какие нибудь электроприборы типа магнитол, CD-чейнджеров и пр. и не встанут ли они после этого на код. Это важно.

Датчик кислорода:назначение,виды,устройство,фото,принцип работы

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.

Типы датчиков кислорода

Циркониевый датчик стоит впереди катализатора и сам генерирует напряжение, либо отрицательное, либо положительное. Опорное напряжение такого датчика составляет 0,45 В, которое отклоняется либо до 0,9 В, либо до 0,1 В. Главное отличие такого датчика от титанового является именно тот факт, что циркониевый самостоятельно генерирует напряжение.

При ремонте стоить помнить, что к такому датчику ни в коему случае нельзя припаивать какие попало провода, потому что именно в изоляции проложены каналы для прохождения эталонного воздуха. Если такового не будет, то датчик попросту не будет правильно работать.

Широкополосный датчик – это новейшая конструкция лямбда-зонда на данный момент. Его устройство позволяет не просто определять бедную или богатую смесь на входе в цилиндры, но так же и определять степень отклонения. Именно такие параметры сделали его более точным, в то же время широкополосный кислородный датчик быстрее реагирует на изменения состава выхлопных газов.

Всем известно, что любой кислородный датчик начинает работать только после 350 градусов. Здесь же для более быстрого достижения рабочей температуры устанавливается нагревательных элемент.

Циркониевый

Одна из наиболее распространённых моделей. Создана на основе диоксида циркония (ZrO2).

Циркониевый датчик кислорода действует по принципу гальванического элемента с твёрдым электролитом в виде керамики из диоксида циркония (ZrO2)

Керамический наконечник с диоксидом циркония с обеих сторон покрыт защитными экранами из токопроводящих пористых платиновых электродов. Свойства электролита, пропускающего ионы кислорода, проявляются при нагреве ZrO2 выше 350°C. Лямбда-зонд не будет работать, не прогревшись до нужной температуры. Быстрый нагрев осуществляется за счёт встроенного в корпус нагревательного элемента с керамическим изолятором.

Выхлопные газы поступают к наружной части наконечника через специальные просветы в защитном кожухе. Атмосферный воздух попадает внутрь датчика через отверстие в корпусе или пористую водонепроницаемую уплотнительную крышку (манжету) проводов.

Разница потенциалов образуется за счёт передвижения ионов кислорода по электролиту между наружным и внутренним платиновыми электродами. Напряжение, образующееся на электродах, обратно пропорционально количеству О2 в выхлопной системе.

Напряжение, которое образуется на двух электродах, обратно пропорционально количеству кислорода

Относительно сигнала, поступающего от датчика, блок управления регулирует состав ТВС, стараясь приблизить её к стехиометрической. Напряжение, поступающее от лямбда-зонда, ежесекундно меняется по несколько раз. Это даёт возможность регулировать состав топливной смеси независимо от режима работы ДВС.

По количеству проводов можно выделить несколько типов циркониевых устройств:

1. В однопроводном датчике существует единственный сигнальный провод. Контакт на массу осуществляется через корпус.
2. Двухпроводное устройство оснащено сигнальным и заземляющим проводами.
3. Трёх- и четырёхпроводные датчики снабжены системой нагрева, управляющим и заземляющим проводами к ней.

Циркониевые лямбда-зонды в свою очередь разделяются на одно-, двух-, трёх- и четырёхпроводные датчики

Титановый

Визуально похож на циркониевый. Чувствительный элемент датчика создан из диоксида титана. В зависимости от количества кислорода в выхлопных газах скачкообразно меняется объёмное сопротивление датчика: от 1 кОм при богатой смеси до более 20 кОм при бедной. Соответственно, меняется проводимость элемента, о чём датчик сигнализирует блоку управления. Рабочая температура титанового датчика — 700°C, поэтому наличие нагревательного элемента обязательно. Эталонный воздух отсутствует.

Из-за своей сложной конструкции, дороговизны и привередливости к перепадам температуры большое распространение датчик не получил.

Кроме циркониевых, существуют также кислородные датчики на основе двуокиси титана (TiO2)

Широкополосный

Конструктивно отличается от предыдущих 2 камерами (ячейками):

• Измерительной;
• Насосной.

В камере для измерений с использованием электронной схемы модуляции напряжения поддерживается состав газов, соответствующий λ=1. Насосная ячейка при работающем моторе на обеднённой смеси устраняет лишний кислород из диффузионного зазора в атмосферу, при богатой смеси — пополняет диффузионное отверстие недостающими ионами кислорода из внешнего мира. Направление тока для перемещения кислорода в разные стороны меняется, а его величина пропорциональна количеству О2. Именно значение тока и служит детектором λ выхлопных газов.

Температура, необходимая для работы (не менее 600°C), достигается за счёт работы нагревательного элемента в датчике.

Широкополосные датчики кислорода детектируют лямбду от 0,7 до 1,6

Основные положения и функции Кислородного датчика :
Теория.

Жесткие экологические нормы во многих странах мира, стали диктовать количество выбросов вредных веществ, тем самым узаконили применение на автомобилях каталитических нейтрализаторов (в обиходе – катализаторы) – устройств, способствующих снижению содержания вредных веществ в выхлопных газах автомобилей с двигателем внутреннего сгорания. Катализатор — нужный и ответственный узел автомобиля, но эффективно работает лишь при определенных условиях. Без постоянного контроля состава топливно-воздушной смеси катализатор умрёт ( потеряет свои основные свойства и функции) очень быстро – для того чтобы, как можно дольше продлить его жизнь и приходит на помощь датчик кислорода, он же О2-датчик, он же лямбда-зонд (ЛЗ).

Название датчика происходит от греческой буквы L (лямбда), которая в автомобилестроении обозначает коэффициент избытка воздуха в топливно-воздушной смеси. При оптимальном составе этой смеси, когда на 14,7 части воздуха приходится 1 часть топлива (речь идет о объемном соотношении величин), L равна 1 (график 1). «Окно» эффективной работы катализатора очень узкое: L=1±0,01. Обеспечить такую точность возможно только с помощью систем питания с электронным (дискретным) впрыском топлива и при использовании в цепи обратной связи лямбда-зонда. Таким образом, Лямбда зонд создан и поставлен инженерами для информирования компьютера, инжекторного автомобиля об отклонении от нормы соотношения топливно воздушной смеси.

Избыток воздуха в смеси измеряется весьма оригинальным способом ( причем этот способ не является обходным путем, а дает уверенно точные показания ) – определения в выхлопных газах содержания остаточного кислорода (О2). Поэтому лямбда-зонд и стоит в выпускном коллекторе перед катализатором.

Электрический сигнал датчика считывается электронным блоком управления системы впрыска топлива (ЭБУ), а тот в свою очередь оптимизирует состав смеси путем изменения количества подаваемого в цилиндры топлива. Таким образом, происходит регулировка не воздуха, а именно топлива, относительно воздуха, тем самым достигается максимальный процент сгорания топлива в цилиндрах, максимально эффективная работа катализатора, и как следствие максимальный крутящий момент двигателя автомобиля.

Причем на большинстве современных моделях автомобилей имеется еще один лямбда-зонд, так же возможна установка дополнительных датчиков работающих в связке (например датчик температуры катализатора, расположен он на выходе катализатора). Этим достигается большая точность приготовления смеси и контролируется эффективность работы катализатора (рис. 1).

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.

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.

Принцип работы кислородного датчика на языке автомобилистов ( основные моменты):

Кислород содержит отрицательно заряженные ионы, которые собираются на платиновых электродах, и когда датчик достигает температуры около 400°C, любая разность потенциалов образует электрическое напряжение. В случае если смесь бедная, содержание кислорода в отработавших газах высокое. При сравнении с содержанием кислорода в атмосфере существует только очень маленькая разность потенциалов, и, как следствие, возникает небольшое напряжение (около 0,2–0,3 В).

В случае если смесь богатая, то содержание кислорода в отработавших газах низкое. Создается большая разность потенциалов, поэтому возникает относительно более высокое напряжение (0,7–0,9 В). Система управления двигателем будет непрерывно подстраивать длительность импульсного сигнала под форсунки с целью выйти на среднее напряжение, составляющее около 0,4–0,6 В при значении лямбда около 1.0. Поскольку в процессе движения режимы работы двигателя постоянно изменяются, значение напряжения колеблется в обе стороны от среднего значения.

Поэтому данный датчик в силу своей неспособности определить небольшие изменения в содержании кислорода известен как узкополосный. Датчик, установленный после каталитического нейтрализатора отработавших газов, действует по тому же способу, что и датчик перед ним, но с одним очень большим отличием. После того, как газы были обработаны каталитическим нейтрализатором, содержание кислорода в них остается на неизменном уровне. Это обеспечивает постоянное напряжение около 0,4–0,6 В. Теперь система управления двигателем может эффективно отслеживать работу каталитического нейтрализатора отработавших газов.

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.

Электронная проверка лямбда зонда

Узнать о состоянии лямбда зонда можно путем его проверки на профессиональном оборудовании. Для этого используется электронный осциллограф. Некоторые специалисты определяют работоспособность кислородного датчика при помощи мультиметра, однако, он способен только констатировать или же опровергнуть факт его поломки.

Проверяется устройство во время полноценной работы двигателя, так как в состоянии покоя датчик не сможет полностью передать картину своей работоспособности. В случае даже незначительного отхождения от нормы, лямбда зонд рекомендуется заменить.

Замена лямбда зонда

В большинстве случаев такая деталь, как лямбда зонд не подлежит ремонту, о чем свидетельствуют утверждения о невозможности произведения ремонта от многих автомобильных производителей. Однако, завышенная стоимость такого узла у официальных дилеров отбивает всякую охоту его приобретения. Оптимальным выходом из сложившейся ситуации может стать универсальный датчик, который стоит гораздо дешевле родного аналога и подходит практически всем автомобильным маркам. Также в качестве альтернативы можно приобрети датчик бывший в использовании, но с продолжительностью гарантийного периода или же полностью выпускной коллектор с установленным в него лямбда зондом.

Однако, бывают случаи, когда лямбда зонд функционирует с определенной погрешностью из-за сильного загрязнения в результате оседания на нем продуктов сгорания. Для того чтобы убедиться, что это действительно так, датчик необходимо проверить у специалистов. После того как проверка лямбда зонда состоялась и подтвержден факт его полной работоспособности, его нужно снять, почистить и установить обратно.

Для того чтобы демонтировать датчик уровня кислорода, необходимо прогреть его поверхность до 50 градусов. После снятия, с него снимается защитный колпачок и только после этого можно приступать к очистке. В качестве высокоэффективного очищающего средства рекомендуется использовать ортофосфорную кислоту, которая с легкостью справляется даже с самыми стойкими горючими отложениями. По окончании процедуры отмачивания, лямбда зонд ополаскивается в чистой воде, тщательно просушивается и устанавливается на место. При этом не стоит забывать о смазке резьбы специальным герметиком, который обеспечить полную герметичность.

Устройство автомобиля очень сложное, поэтому он нуждается в постоянной поддержке работоспособности и проведении своевременных профилактических работ. Поэтому в случае возникновения подозрений о неисправности лямбда зонда, необходимо незамедлительно произвести диагностику его работоспособности и в случае подтверждения факта выхода из строя, заменить лямбда зонд. Таким образом, все важнейшие функции транспортного средства будут сохранены на прежнем уровне, что станет гарантом отсутствия дальнейших проблем с двигателем и прочими важными элементами автомобиля.

Вопрос — ответ

В: Чем отличаются специальные и универсальные датчики?
O: Эти датчики имеют разные способы установки. Специальные датчики уже имеют контактный разъем в комплекте и готовы к установке. Универсальные датчики могут не комплектоваться разъемом, поэтому нужно использовать разъем старого датчика.

B: Что произойдет, если выйдет из строя датчик кислорода?
O: В случае выхода из строя датчика кислорода ЭБУ не получит сигнала о соотношении топлива и воздуха в смеси, поэтому он будет задавать количество подачи топлива произвольно. Это может привести к менее эффективному использованию топлива и, как следствие, увеличению его расхода. Это также может стать причиной снижения эффективности катализатора и повышения уровня токсичности выбросов.

B: Как часто необходимо менять датчик кислорода?
O: DENSO рекомендует заменять датчик согласно указаниям автопроизводителя. Тем не менее следует проверять эффективность работы датчика кислорода при каждом техобслуживании автомобиля. Для двигателей с длительным сроком эксплуатации или при наличии признаков повышенного расхода масла интервалы между заменами датчика следует сократить.

Ассортимент кислородных датчиков

• 412 каталожных номеров покрывают 5394 применения, что соответствует 68 % европейского автопарка.
• Кислородные датчики с подогревом и без (переключаемого типа), датчики соотношения «воздух — топливо» (линейного типа), датчики обедненной смеси и титановые датчики; двух типов: универсальные и специальные.
• Регулирующие датчики (устанавливаемые перед катализатором) и диагностические (устанавливаемые после катализатора).
• Лазерная сварка и многоэтапный контроль гарантируют точное соответствие всех характеристик спецификациям оригинального оборудования, что позволяет обеспечить эффективность работы и надежность при длительной эксплуатации.

В DENSO решили проблему качества топлива!

Вы знаете о том, что некачественное или загрязненное топливо может сократить срок службы и ухудшить эффективность работы кислородного датчика? Топливо может быть загрязнено присадками для моторных масел, присадками для бензина, герметиком на деталях двигателя и нефтяными отложениями после десульфуризации.

При нагреве свыше 700 °C загрязненное топливо выделяет вредные для датчика пары. Они влияют на работу датчика, образуя отложения или разрушая его электроды, что является распространенной причиной выхода датчика из строя. DENSO предлагает решение этой проблемы: керамический элемент датчиков DENSO покрыт уникальным защитным слоем оксида алюминия, который защищает датчик от некачественного топлива, продлевая срок его службы и сохраняя его рабочие характеристики на необходимом уровне.

В: Почему на некоторых автомобилях устанавливаются два кислородных датчика?
O: Многие современные автомобили дополнительно кроме датчика кислорода, расположенного перед катализатором, оснащаются и вторым датчиком, установленным после него. Первый датчик является основным и помогает электронному блоку управления регулировать состав топливовоздушной смеси. Второй датчик, установленный после катализатора, контролирует эффективность работы катализатора, измеряя содержание кислорода в выхлопных газах на выходе. Если весь кислород поглощается химической реакцией, происходящей между кислородом и вредными веществами, то датчик выдает сигнал высокого напряжения. Это означает, что катализатор работает нормально. По мере износа каталитического нейтрализатора некоторое количество вредных газов и кислорода перестает участвовать в реакции и выходит из него без изменений, что отражается на сигнале напряжения. Когда сигналы станут одинаковыми, это будет указывать на выход из строя катализатора.

В: Почему состав топливовоздушной смеси нужно постоянно регулировать?
O: Соотношение «воздух — топливо» крайне важно, поскольку оно влияет на эффективность работы каталитического нейтрализатора, который снижает содержание оксида углерода (CO), несгоревших углеводородов (CH) и оксида азота (NOx) в выхлопных газах. Для его эффективной работы необходимо наличие определенного количества кислорода в выхлопных газах. Датчик кислорода помогает ЭБУ определить точное соотношение «воздух — топливо» в смеси, поступающей в двигатель, передавая в ЭБУ быстроизменяющийся сигнал напряжения, который меняется в соответствии с содержанием кислорода в смеси: слишком высокого (бедная смесь) или слишком низкого (богатая смесь).

ЭБУ реагирует на сигнал и изменяет состав топливовоздушной смеси, поступающей в двигатель. Когда смесь слишком богатая, впрыск топлива уменьшается. Когда смесь слишком бедная — увеличивается. Оптимальное соотношение «воздух — топливо» обеспечивает полное сгорание топлива и использует почти весь кислород из воздуха. Оставшийся кислород вступает в химическую реакцию с токсичными газами, в результате которой из нейтрализатора выходят уже безвредные газы.

Лямбда-зонд

Лямбда зонд— один из многочисленных датчиков автомобиля, фиксирующий объем кислорода (02), оставшегося после сжигания горючей смеси в камере сгорания. Находится в системе выпуска возле катализатора (спереди и сзади), передает данные в ЭБУ для корректировки пропорции подготовленного горючего. Ниже рассмотрим, что это за устройство, для чего оно необходимо, и как работает. Отдельно разберемся с коэффициентом лямбда (λ) и его параметром, рассмотрим основные виды и особенности узла.

1. Что такое лямбда-зонд (кислородный датчик), назначение
2. Коэффициент избытка воздуха λ
3. Конструкция и принцип работы кислородного датчика
4. Ресурс лямбда-зонда и его неисправности
5. Виды кислородных датчиков
6. Итог

Что такое лямбда-зонд (кислородный датчик), назначение

Кислородный датчик (λ-зонд) — устройство, предназначенное для определения количества 02 в выхлопных газах. Обеспечивает эффективную работу ДВС, благодаря передаче сведений о содержании кислорода в блок управления. Последний, в свою очередь, корректирует состав топливовоздушной смеси.

При дефиците воздуха в топливе окисление угарного газа / углеводородов происходит не полностью, а при избытке оксиды азота не делятся на азот и кислород.

Интересно, что до прогрева двигателя до рабочей температуры сигналы с лямбда-датчика не принимаются ЭБУ из-за высокой погрешности. При этом в конструкции машины предусмотрено два таких элемента— передний и задний.

Первый установлен до катализатора и контролирует содержание О2в выхлопе, а второй — за ним. Лямбда зонд после катализатора применяется для корректировки состава и проверки работоспособности каталитического нейтрализатора. При этом основные функции берет на себя передний кислородный датчик.

Коэффициент избытка воздуха λ

При анализе работе двигателя часто применяется термин «стехиометрическое соотношение». Под ним подразумевается оптимальное соотношение кислорода и горючего, при котором подготовленная смесь полностью сгорает. На базе этого показателя рассчитываются режимы ДВС и особенности подачи горючего.

Идеальным считается отношение 14,7 к 1. Понятно, что 14,4 кг воздуха попадают в цилиндр не сразу, а в определенный временной промежуток.

Коэффициент λ показывает отношение реального объема кислорода, поступающего в цилиндр, к идеальному параметру (указан выше). Простыми словами, он показывает отклонение текущего количества воздуха от оптимального параметра.

С учетом полученного λ выделяется три варианта:

• 1 — идеальное соотношение;
• меньше 1 — дефицит кислорода и переизбыток бензина;
• больше 1 — нехватка бензина и чрезмерное количество воздуха.

Современные ДВС способны работать во всех случаях, но отклонение от нормы сказывается на многих параметрах: ускорение, экономичность, уменьшение концентрации вредных компонентов и т. д. Оптимально, чтобы коэффициент λ был около 0,9-1.

Конструкция и принцип работы кислородного датчика

Лямбда датчик— сравнительно простой узел, состоящий из нескольких элементов, обеспечивающих измерение нужного параметра и его передачу в ЭБУ. Для примера рассмотрим λ-зонд на базе диоксида циркония. Он состоит из следующих компонентов:

• два электрода с платиновым напылением: внешний и внутренний, контактирующие с отработавшими газами (ОГ) и окружающим воздухом соответственно;
• нагреватель — подогревает устройство и быстрей доводит его 300-градусной рабочей температуры;
• электролит — находится между электродами;
• кожух — имеет перфорированную структуру для попадания ОГ;
• проводка для передачи данных в ЭБУ.

Принцип работы датчика (лямбда зонда) построен на появлении разности потенциалов между электродами с платиновым напылением, отличающимися высокой чувствительностью к О2.

Напряжение появляется при нагреве электролитической жидкости, когда через нее идут кислородные ионы от ОГ и окружающего воздуха. Параметр разности потенциалов меняется с учетом объема О2в измеряемом материале.

При измерении возможны следующие варианты:

• 0,1-0,45 В — обедненная смесь;
• 0,45-0,9 В — обогащенный состав.

Оптимальным значением, соответствующим стехиометрическому параметру, является 0,45 В. Полученные данные направляются в ЭБУ, который анализирует поступившие сведения, а после дает команду системе впрыска на регулирование состава.

Ресурс лямбда-зонда и его неисправности

В процессе эксплуатации автомобиля λ-зонд находится под постоянно нагрузкой и подвержен износу. Из-за измерения качества ОГ его срок службы зависит от качества заливаемого горючего и исправности ДВС. В среднем кислородный датчик служит от 70 до 120 тысяч километров с возможной погрешностью в большую или меньшую сторону.

При поломке любого из λ-зондов ЭБУ фиксирует проблему и выдает ошибку с последующим зажиганием «CheckEngine» на приборной панели. Для выявления неисправности лямбда-зонда нужен сканер для диагностики, к примеру, Scan Tool Pro BlackE dition. В его функции входит проверка разного оборудования, а не только ДВС. Главное, что он контролирует показания датчиков в онлайн-режиме.

Если λ-зонд исправен, кривая имеет вид синусоиды, меняющей полярность где-то раз в одну секунду. В случае поломки форма сигнала меняется, или скорость отклика становится много меньше. К основным поломкам датчика стоит отнести:

• естественный износ;
• попадание внутрь грязи;
• повреждение цепей питания нагревателя.

Причиной рассмотренных проблем может быть низкое качество бензина, перегрев, добавление неправильных присадок, замасливание детали и т. д. Распознать неисправность можно по появлению ошибки на приборной панели, снижении мощности, медленной реакции на акселератор и колебаниях оборотов при работе на холостых.

Особенность устройства в том, что оно редко подлежит ремонту, а лучший выход —замена лямбда зонда.При выборе устройства необходимо смотреть на рекомендации производителя и выбирать только совместимое оборудование.

Виды кислородных датчиков

1. При выборе λ-зонда необходимо знать, что они бывают нескольких видов, отличающихся по конструктивным особенностям и эффективности работы. К основным типам стоит отнести:
2. Устройства без нагревателя. Бывают 1- и 2-проводными. Встречались в старых моделях автомобилей. В 1-проводной конструкции применяется только один провод для подачи сигнала, а в 2-проводном — общий («земля») и основной. Такие устройства монтируются непосредственно возле выхода из ДВС. Недостаток — неудобное расположение и долгий набор рабочей температуры.
3. Λ-зонд с нагревателем — 3-х или 4-проводный датчик с устройством, обеспечивающим быстрое достижение нужной температуры. Нагреватель представлен в виде сопротивления, которое греется при прохождении тока. Сами датчики стоят на выходе системы выхлопа и работают в оптимальном режиме. Во всех современных лямбда-устройствах предусмотрены нагревательные элементы.
4. Плоскостные. В качестве активных компонентов применяется глинозем и цирконий. Такая конструкция способствует быстрому нагреву, снижении массы и точным данным. Среднее время нагрева — 5-13 секунд.
5. FLO и UFLO—датчик с ускоренным разогревом со специальным нагревателем, обеспечивающим более быстрый набор нужной температуры. Для ее достижения нужно не больше 20 с, что позволяет уменьшить загрязнение от выхлопа.
6. На базе диоксида титана. Такие λ-зонды, как правило, применялись на машинах Ниссан в 80-90-х годах и ряде других машин из Европы. Сегодня они не устанавливаются.
7. Широкополосные — 5-проводные датчики с новой технологией контроля. Отличаются более высокой точностью, высокой скоростью регулировки и быстрым управлением зажиганием.
8. Оригинальные —устанавливаются конкретными производителями и имеют индивидуальный каталожный номер. При их покупке нужно быть внимательным, чтобы избежать ошибки.
9. Универсальные — подходят для всех авто, если учесть тип ДВС и модель λ-зонда. Иногда требуется внесение правок в проводку и разъем для подключения мотора. При наличии сомнений в выборе лучше купить лямбда зонд, который рекомендуется заводом-изготовителем (оригинальный вариант),

Важность кислородного датчика в автомобиле трудно переоценить, ведь от его работы зависит правильность подготовки рабочей смеси и главные параметры авто: экономичность, динамика, приемистость и другие.

Кроме того, неисправность этого узла может привести к выходу из строя других важных элементов двигателя и необходимости дорогостоящего ремонта. Вот почему при первых признаках неисправности λ-зонда нужно провести его диагностику, а при выявлении поломки сделать замену.