Что такое датчик кислорода
Устройство и принцип работы кислородного датчика
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.
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:
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
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
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:
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.
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. Из бюджетных вариантов стоит обратить внимание на Scan Tool Pro Black Edition.
Данный сканер корейского производства отличается от аналогов высоким качеством сборки и возможностью диагностики всех узлов и агрегатов автомобиля, а не только двигателя. Также он способен отслеживать показания всех датчиков (в том числе и кислородного) в режиме реального времени. Сканер совместим со всеми популярными диагностическими программами и, зная допустимые по вольтажу значения, можно судить об исправности 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:
Все эти виды проблем могут быть спровоцированы использованием некачественного топлива, перегревом, добавлением различных присадок, попаданием в зону работы датчика масел и чистящих средств.
Признаки неисправности кислородника:
Виды лямбда-зондов
Помимо циркониевых используются также титановые и широкополосные датчики кислорода.
Лямбда-зонд является очень важным элементом системы управления двигателем, а его неисправность может привести к сложностям в управлении автомобилем и стать причиной повышенного износа остальных деталей двигателя. А поскольку он не подлежит ремонту, его необходимо сразу заменить на новый.
Что такое лямбда зонд (датчик кислорода)
Лямбда зонд (он же датчик кислорода) — специальное устройство, один из видов датчика. Задача — контроль объема кислорода в коллекторе силового узла.
С помощью устройства оценивается общий объем кислорода или несгоревшей топливной смеси в выхлопе транспортного средства.
Часто лямбда зонды устанавливаются в дымоходах отопительных котлов и прочих системах, где необходим кислородный контроль.
Назначение
Знание особенностей работы и назначения лямбда зонда весьма полезны для автолюбителя.
Во-первых, уже никто не сможет обмануть владельца транспортного средства, а во-вторых, в случае поломки можно самому поставить «диагноз».
Задача лямбда-зонда — создать условия для выполнения функций каталитическим нейтрализатором, который осуществляет фильтрацию выхлопа автомобиля.
По сути, катализатор снижает вредность выхлопа, а лямбда-зонда осуществляет контроль работы данного устройства.
Название зонда произошло от известной греческой буквы «лямбда», которой обозначается объем кислорода в подготовленной горючей смеси.
Величина лямбды составляет 14.7 единиц на одну единицу топлива. Пропорциональность обеспечивается, благодаря электронному впрыску топливной смеси и работе лямбда-зонда.
Назначение устройства зависит и от его позиции в транспортном средстве.
Как правило, датчик кислорода монтируется перед катализатором, что позволяет точно измерять уровень кислорода в горючей смеси, а в случае дисбаланса давать сигнал блоку управления впрыска.
Чтобы повысить эффективность работы, на новых моделях авто ставится не один, а два датчика, закрепляемые с одной и другой стороны катализатора.
Такая конструкция позволяет с большей точностью анализировать состав выхлопа.
Эволюция развития
Раньше датчики кислорода были резистивными, что снижало точность измерений и надежность самих устройств.
Современный лямбда-зонд работает как пороговое устройство. При этом сигнал, полученный от датчика, позволяет точно фиксировать уровень отношения кислорода в выхлопе и корректировать его.
Впервые лямбда-зонд был изготовлен в 1960 году предприятием Robert Bosch GmbH. Руководителем проекта был Гюнтер Бауман.
В серийное производство устройство поступило лишь через 16 лет (в 1976 году). Первыми производителями, которые занялись выпуском, стали компания Сааб и Вольво.
Основные типы устройств
Сегодня можно выделить несколько типов кислородных датчиков. Все они могут отличаться по нескольким критериям:
Каждый из типов устройств имеет свои особенности.
Одно контактные устройства.
Оборудованы одним сигнальным проводом. Именно по нему передается сигнал, генерируемый устройством.
2-контаткные датчики
Оборудуются двумя проводами. Один является сигнальным, а второй выполняет функцию заземления через корпус устройства.
С помощью заземляющего проводника можно точно определить показатели сигнального провода.
3-контактные
Здесь предусмотрен сигнальный провод, один «массовый» провод и третий провод, направляемый к нагревательному устройству.
Особенность таких датчиков — быстрое достижение нужной температуры, повышенный период службы устройства, а также меньшие требования к выхлопной системе.
Нагревательный элемент, который монтируется в системе, имеет мощность 12 или 18 Вт.
4-контактные
В них предусмотрено четыре провода:
Может быть такое положение контактов.
К примеру, его можно использовать в качестве заземления или же для питания нагревательного элемента.
Особенность современных лямбда-зондов в том, что они взаимозаменяемы и имеют схожую конструкцию.
К примеру, можно менять датчики с подогревом на устройства без подогрева. При этом возможны проблемы с разъемами или невозможностью запитать устройство.
В случае нехватки проводов их можно проложить самостоятельно, а в качестве разъема использовать контакты автомобиля.
Маркировка может отличаться, но провод подачи сигнала всегда окрашивается в черный цвет.
«Масса» может быть желтой, серой или белой.
Устройство современных датчиков кислорода
В составе датчика кислорода есть два электрода — внутренний и внешний.
Первый делается из циркония, а второй — из платинового напыления, что делает его более чувствительным к воздействию кислорода.
Лямбда-зонд смонтирован таким образом, чтобы он пропускал весь объем отработавших газов транспортного средства.
В процессе прохождения газов внешний электрод оценивает уровень кислорода в отработавших газах, что приводит к изменению потенциала между электродами.
Чем больше объем кислорода, тем выше уровень напряжения. Рабочая температура циркония, которым покрыт электрод — 300-1000 градусов Цельсия.
Вот почему датчики кислорода конструктивно дополняются подогревателями, необходимыми в момент пуска.
Датчики бывают двух типов — двухточечными и широкополосными. Внешне они похожи, но отличаются конструкцией и принципом действия.
Так, 2-точечный датчик состоит из двух электродов. Его задача — фиксация коэффициента повышенного объема воздуха в топливной смеси.
Что касается широкополосного устройства, то это более современная конструкция. Главная его особенность — применение силы тока закачивания.
При этом конструктивно широкополосный датчик состоит из двух керамических устройств — закачивающего и 2-точечного.
Принцип действия
В кислороде присутствуют отрицательно заряженные ионы. Они собираются на электродах из платины и при достижении нужной температуры датчика (где-то 400 градусов Цельсия) создается разность потенциалов (напряжение).
Если смесь слишком обеднена, то объем кислорода в газах будет высоким, и наоборот, если смесь обогащена, то кислорода будет мало.
В первом случае напряжение равно 0,2-0,3 Вольта, а во втором — 0,7-0,9 Вольта.
Система управления мотора поддерживает уровень напряжения около 0,4-0,6 Вольт, то есть уровень лямбда равен 1.0.
В процессе движения происходит изменение режимов работы мотора, что способствует корректировке параметра напряжения в обе стороны. При этом узкополосный датчик может улавливать лишь те параметры, которые выше нуля.
Лямбда-зонд, который установлен после катализатора, имеет такой же принцип действия.
После обработки газов катализатором, уровень кислорода остается неизменным. Это, в свою очередь, позволяет поддерживать оптимальную разницу потенциалов в пределах 0.4-0.6 Вольта.
Широкополосный лямбда-зонд: главные отличия, принцип работы
Широкополосный датчик для измерения уровня кислорода — лямбда-зонд, который монтируется в современных авто.
Его особенность — выполнение функций катализатора на входе в устройство. Измерение необходимых параметров происходит благодаря использованию силы входного тока.
Главное отличие широкополосного датчика заключается в том, что в его составе есть два рабочих элемента — закачивающий и 2-точечный керамический обогреватель.
В процессе закачивания кислород пропускается через соответствующий элемент под действием силы тока.
Принцип действия широкополосного зонда построен на поддержании напряжения в пределах 450 мВ.
Сама разность потенциалов появляется между электродами двухточечного элемента. Достижение нужного напряжения гарантируется, благодаря изменению силы тока закачивания.
Если объем кислорода в выхлопе снижается, то напряжение между электродами растет, а ЭБУ получает соответствующую команду.
После этого формируется сигнал требуемой силы тока, что приводит к выравниванию напряжения.
Сила тока анализируется в ЭБУ, после чего блок управления воздействует на систему впрыска.
Нормальная работа датчика кислорода возможна при температуре в 300 градусов Цельсия, которая достигается с помощью нагревателя.
К чему приводит неисправность зонда?
Первая неприятность, к которой приводит выход из строя зонда — повышение «прожорливости» авто и ухудшение общей динамики.
Главная причина — искажение показаний датчика, что приводит к отклонению отношения кислорода и топлива.
В случае выхода из строя одного датчика машина остается на ходу (здесь многое зависит от самого транспортного средства).
Есть модели, в которых отказ механизма приводит к расходованию топлива в больших объемах. Как следствие, может понадобиться срочный ремонт.
В случае поломки лямбда-зонда его замена должна производиться только на аналогичный механизм.
Если же установить устройство другого типа, то бортовой компьютер транспортного средства может попросту не воспринимать сигналы нового датчика.
При поломке сразу двух датчиков авто и вовсе оказывается обездвиженным.
Причины поломки
Стоит отметить, что датчик кислорода имеет повышенную чувствительность к поломкам.
Причиной выхода из строя может стать:
Решается проблема посредством установки нового датчика. Что касается ремонта, то при таких поломках он бесполезен.
3. Чрезмерные объемы топлива, подаваемые в цилиндры мотора, попросту не успевают сгорать и вылетают в систему выхлопа в виде сажи.
Через время черный налет скапливается на узлах системы выхлопа машины и на датчике кислорода в том числе. Как следствие, лямбда зонд начинает работать неправильно.
В качестве «лечения» можно использовать специальные очистители и тряпки, позволяющие убрать загрязнения. Если же датчик забивается регулярно, то лучше его поменять.
Как выявить поломку?
Распознать неисправность лямбда зонда можно по следующим признакам:
Также важно знать как проверить лямбда зонд на исправность.
Можно ли отключать лямбда зонд?
Отключение датчика кислорода — дело нескольких минут для специалиста. Только вот польза такой работы вызывает большие сомнения.
С момента отключения лямбда зонда ЭБУ переходит на средние параметры подачи топлива в двигатель, что сказывается на надежности и расходе топлива (как правило, в худшую сторону).
Кроме этого, в случае отключения датчика кислорода может понадобиться и перепрошивка самого ЭБУ автомобиля, ведь постоянно будет «вылазить» ошибка.
Поэтому если лямбда зонд вышел из строя его желательно заменить.
Обманка лямбда зонда: что это?
При замене катализатора пламегасителем или демонтаже устройства сигналы двух лямбда зондов будут идентичны. Это, в свою очередь, неизбежно приведет к ошибкам.
Проблема решается путем установки обманки лямбда зонда.
Она бывает двух видов:
По своей конструкции это проставка, выполненная из бронзы и имеющая определенные размеры. Внутри узла есть специальная крошка с каталитическим напылением, которая помогает вредным веществам догореть.
Такая обманка представляет собой прибор на основе микропроцессора, анализирующего весь процесс прохода выхлопных газов и осуществляющего обработку данных с первого датчика.
Задача — обеспечить корректную работу системы управления мотором в условиях, когда катализатор поломан или удален.
Несмотря на свою компактность, лямбда зонд является одним из наиболее важных узлов автомобиля. Он не только снижает вредность выброса, но и отвечает за ряд других функций.
Отсутствие данного устройства может стать причиной повышения расхода топлива, ухудшения динамики мотора или полной невозможности эксплуатации автомобиля.
Лямбда зонд
Лямбда зонд, так же называемый датчик кислорода или просто лямбда – это специальный контроллер, измеряющий наличие и количество остаточного кислорода в автомобильных выхлопных газах. Назначение данного устройства – предоставлять электронной системе управления впрыском топлива данные о качестве и полноте сгорания топлива. Она нужна для создания оптимальных условий работы катализатора выхлопа.
Применение катализаторов обусловлено жесткими экологическими нормами, предъявляемыми к автомобильным выхлопам, поскольку данные устройства способствуют снижению содержания там углекислоты. Но для полноценного функционирования нужно, чтобы в цилиндрах сгорало строго определенное количество воздуха с минимальной долей отклонения. Для обеспечения настолько точного регулирования сгорающего состава применяются системы питания с регулируемым электроникой впрыском. Датчик кислорода (лямбда-зонд) в них играет роль контролера в выпускном тракте.
Место установки лямбда-зонда
Для максимально эффективного измерения остатков воздуха в сгоревшей смеси датчик кислорода лямбда зонд монтируется в выпускном коллекторе, располагаясь как можно ближе к катализатору. Информация с него считывается электронным блоком управления топливной системой, которая при необходимости увеличивает или уменьшает интенсивность впрыска топлива в цилиндры.
Современные автомобили оборудованы еще одним лямбда-зондом, размещаемым на выходе катализатора, что позволяет еще больше повысить точность приготовления смеси.
Схема лямбда зонда
Принцип действия
По принципу работы кислородные датчики бываю нескольких типов:
На основе оксида циркония.
На основе оксида титана. При изменении состава выхлопа реагирует изменением электрического сопротивления.
Широкополосный. Изменяется напряжение и полярность тока. Реагирует не только на отклонения состава рабочей смеси, но и на его численное значение.
Работа лямбда зонда основывается на применении гальванического элемента, снабженного парой электродов. Один из них обвевается выхлопными газами, а другой – чистым атмосферным воздухом. В работу датчик лямбда зонд включается только после разогрева до 300 и более градусов, когда циркониевый электролит становится проводником, а различие в количествах поступающего кислорода из выхлопной трубы и атмосферы приводит к появлению напряжения на электродах.
Во время пуска и прогрева двигателя кислородный датчик в управлении топливным впрыском не участвует, а коррекция осуществляется через другие сигнализаторы (датчики температуры системы охлаждения, положения дросселя, числа оборотов и прочими).
Помимо нагреваемых циркониевых, существуют холодные контроллеры на основе двуокиси титана. Они не генерируют электричество, а изменяют сопротивление воздушному потоку, что и становится сигналом для систем управления впрыском. Такой лямбда датчик кислорода хорош тем, что начинает работать сразу после пуска двигателя, но он не получил широкого распространения из-за сложности конструкции и дороговизны. Встретить лямбда зонд данного типа можно на некоторых моделях Nissan, BMW и Jaguar.
Причины выхода из строя
Датчик кислорода может начать работать неправильно или вовсе сломаться по целому ряду причин, среди которых:
По мере службы датчика, замедляется его реакция на изменение состава топливной смеси. Возраст датчика наиболее заметен на моторах с непосредственным впрыском. Датчик лямбда зонд прослужит гораздо меньше положенного при плохом состоянии маслосъемных колец, а также в результате попадание в цилиндры антифриза.
Когда лямбда датчик кислорода выходит из строя, содержание углекислоты в выхлопе резко повышается от значения в 0,1-0,3% до 3%, а часто и 7%. Если кислородный датчик не работает, снизить это значение без его ремонта или замены очень сложно. Даже в моделях с двумя зонтами при выходе из строя одного из них, для нормализации работы потребуется серьезное изменение настроек электроники.
Признаки выхода лямбда-зонда из строя
О том, что датчик кислорода сломался, говорят такие признаки:
С заменой неисправного датчика не стоит затягивать, иначе чревато выходом из строя катализатора.
Чтобы лямбда зонд внезапно не вышел из строя, его нужно регулярно заменять, примерно через каждые 50-80 тыс. километров не подогреваемые датчики; 100 тыс. – подогреваемые и каждые 160 тыс. км – планарные. Но прежде чем выбрасывать старую лямбду конечно же нужно проверить лямбда-зонд и узнать его реальное состояние
Это не защитит от поломок вследствие механического повреждения или засорения, но спасет от поломки из-за износа.
Своевременная замена лямбда-зонда, это:
Кроме очистки в кислоте и проверке разъёма питания, датчик лямбда зонда, ремонту не поддается.
Устранение неисправностей
Официально технологии ремонта лямбда-зондов нет. То есть, если поломка не в контактной сети, то устройство подлежит замене. Подпольными СТО практикуется восстановление датчиков, переставших работать из-за отложения нагара под защитным колпачком, путем удаления налета. Делается это с помощью промывки датчика в ортофосфорной кислоте, не уничтожающей его электроды.
Мойка помогает далеко не всегда, и если датчик после нее не заработал, его все же придется заменить.
Подпишись на наш канал в Я ндекс.Дзене
Еще больше полезных советов в удобном формате