Изучаем датчик кислорода

Проблемы с Лямбда-зонд, изучаем, решаем.

НАЗНАЧЕНИЕ И ПРИНЦИП РАБОТЫ

Лямбда зонд – это устройство, предназначенное для контроля состава выхлопных газов. С помощью него определяется объем кислорода, оставшийся после сгорания топлива, а полученные данные по сигнальным проводам передаются на ЭБУ автомобиля. Для чего это нужно?

Дело в том, что работа систем выпуска отработанных газов и топливной тесно взаимосвязаны.

Связующим звеном в этой цепи является электронный блок управления, который не только получает данные от датчика кислорода в виде электрических импульсов, но и передает на его сигнальный вывод опорное напряжение 0.45 вольт (это важно).

ЭБУ, получая данные от датчика кислорода, корректирует, в зависимости от режимов работы двигателя (на холодную, в прогретом состоянии, под нагрузкой и без нее, и т.д.), качество топливовоздушной смеси поступающей в цилиндры двигателя, которая может быть обогащённой, бедной, обедненной и т.д. Корректировка происходит за счет изменения времени открытия топливных форсунок.

Правильное соотношение топлива и воздуха для определенных условий работы двигателя, при которых горючая смесь сгорает полностью, называется стехиометрической топливовоздушной смесью.

Также существует такое понятие как коэффициент избытка воздуха или уровень лямбда.

В идеальных условиях, когда все пропорции топлива и воздуха соблюдены правильно (14,7 частей воздуха и 1 часть топлива) этот коэффициент равен 1.

Если смесь обедненная (15:1 и выше), то уровень лямбда будет больше 1, если обогащенная (ниже 14:1), меньше.

Представим, что лямбда зонд неисправен и передает ошибочные данные на ЭБУ. В результате для разных режимов работы двигателя будет формироваться неправильная топливовоздушная смесь, а это минимум большой расход топлива и потеря мощности.

Дальше идет экологическая составляющая, без которой на современных автомобилях никуда, речь идет про каталитический нейтрализатор.

При сгорании топлива образуется ряд токсических компонентов, увеличенное количество которых в выхлопных газах негативно влияет на эффективность работы катализатора.

К основным токсическим веществам можно отнести:

Несгоревшие углеводороды — CH; Угарный газ и окись кислорода — CO; Окись азота – Noх. Ошибки в работе лямбда зонда, и как следствие, неправильное сгорание топлива, приводит к увеличению содержания вредных веществ в выхлопных газах, а с таким количеством катализатор уже не в состоянии справиться.

Существует такое понятие, как «медленный датчик», это когда время его срабатывания превышает 120 мСек и по этой причине ЭБУ не успевает подготовить правильную топливную смесь, отсюда и повышенная токсичность отработанных газов. Но об этом ниже.

Получается, что лямбда зонд является важным устройством, от работы которого зависит насколько правильно будет формироваться стехиометрический состав топливовоздушной смеси при тех или иных режимах работы силового агрегата.

Когда он исправен погрешность в формировании стехиометрического состава равна ±1% и это очень важно, а когда нет, эта цифра увеличивается.

ТИПЫ ДАТЧИКОВ И ТЕМПЕРАТУРНЫЕ РЕЖИМЫ ИХ РАБОТЫ

На рынке представлены два типа датчиков кислорода – титановые и циркониевые.

Первые изготовлены на основе диоксида титана, а вторые – диоксида циркония.

Отличают их между собой только конструктивные особенности, принцип работы одинаковый.

Титановые датчики в последнее время практически не используются, ранее устанавливались на некоторые марки автомобили, встречаются сейчас очень редко. Циркониевые наоборот, получили широкое распространение.

Основа устройства – керамический элемент, выполненный из указанных выше диоксида циркония (ZrO2) или диоксида титана (Tio2), покрытый платиновой сеткой.

Одна часть элемента расположена в выхлопной трубе и контактирует с выхлопными газами, а другая снаружи, контактирует с атмосферным воздухом через места соединения проводов.

Температура, при которой лямбда зонд начинает функционировать, варьирует от 300 до 400 °С, опасный предел 900 – 1000 °С, за которым устройство может перегреться и выйти из строя. Рабочий температурный режим в движении – около 600 °С.

В современных лямбда зондах, но не во всех, конструктивно предусмотрен нагревательный элемент, который при запуске мотора на холодную прогреет устройство до рабочей температуры в 300 – 400 °С.

Отличительная особенность – наличие трех или четырех проводов, два из которых белого цвета (на японских авто могут быть черного) идут на подогреватель.

Такие устройства могут устанавливаться в выхлопной трубе на значительном расстоянии от двигателя, так как им не нужен интенсивный прогрев выхлопными газами.

В двух или одно проводных датчиках кислорода подогреватели отсутствуют, поэтому устанавливаются они как можно ближе к двигателю, как правило в выпускном коллекторе, но так, чтобы лямбда зонд не вышел из строя от перегрева.

У многих типов датчиков, особенно установленных на немецкие автомобили, но, кроме японских, черный провод является сигнальным, а серый (может быть не всегда) является сигнальной массой.

На датчиках кислорода, установленных на японские автомобили, провода имеют индивидуальную цветовую гамму для каждой модели, поэтому этот момент нужно каждый раз уточнять.

Но один плюс все же есть, лямбда зонды, идущие на замену вышедшим из строя аналогам, касается только японских авто, имеют постоянную цветовую гамму проводов: сигнальный — синего, а не черного цвета, сигнальная масса белого, а не серого цвета, а на подогреватель идут два черных провода, а не белые, как обычно.

Почему именно 300 °С? Именно после превышения данного показателя керамический элемент устройства, который смело можно назвать твердым электролитом, начинает пропускать через себя ионы кислорода, которые собираются на электродной сетке из платины.

Представьте себе условно две 5-литровые емкости (канистры), наполненные водой, стоящие на одном уровне и соединенные друг с другом шлангом, посередине которого находится краник.

Если просто открыть краник, куда потечет вода? Правильно, никуда. А если поднять одну из канистр, то куда? Правильно, в ту канистру, которая находится ниже.

Схожий принцип работает и в случае с лямбда зондом. Открытие крана – это превышение температуры на керамическом элементе выше 300 °С.

А перетекание ионов кислорода по нему обеспечивается благодаря формированию на его концах разности потенциалов (поднятие одной или другой канистры), чем больше разность, тем сильнее напряжение (чем выше емкость, тем сильнее течет вода).

На той стороне датчика, которая контактирует с атмосферным воздухом (эталонным), содержание кислорода небольшое и, как правило, меняется только при изменении условий эксплуатации автомобиля (горы, карьеры и так далее), потенциал там маленький, но он присутствует постоянно.

А на той стороне устройства, которое вкручено во выхлопную трубу, объем кислорода может варьировать от малого до значительного.

Но нужно понимать, что в выхлопных газах небольшое количество O2 считается нормой, так как это обеспечивает полное догорание топлива в выхлопном коллекторе и защищает катализатор в случае сильного переобогащения топливной смеси (несгоревшее топливо выбрасывается в коллектор и догорает там).

Если в выхлопных газах количество O2 будет равно содержащемуся кислороду в атмосфере, то разность потенциалов будет отсутствовать (если это ассоциировать с канистрами, то они будут находиться на одном уровне), а опорное напряжение, поступающее от блока управления будет ровно 0,45 вольтам — уровень лямбда равен 1.

Допустим, объем кислорода в выхлопных газах значительно ниже атмосферного.

Благодаря разности потенциалов образуется электрический ток, который течет от внутренней стороны гальванического элемента, контактирующей с эталонным воздухом, к внешней (значение «+»). Его величина повышает опорное напряжение с 0,45 вольт от 0,5 до 0,8-0,9.

ЭБУ видит, что смесь обогащена (уровень лямбда меньше 1), и производит корректировку.

Если показатели уровня кислорода в выхлопных газах высокие (больше атмосферных), то изменится разность потенциалов, электрический ток будет течь в другую сторону (значение «-») снизив опорное напряжение до 0,1 – 0,3 вольт. ЭБУ будет видеть, что топливная смесь поступает в цилиндры обедненной — уровень лямбда больше 1.

ТИПЫ УСТРОЙСТВ

Циркониевые датчики кислорода (титановые мы упускаем) бывают двух типов — пороговые и широкополосные.

Последние типы устройств обычными методами проверить непросто, так как они сложные в устройстве, устанавливаются на последние модели автомобилей. Схема подключения показана ниже.

Более подробно что такое лямбда зонд, эволюция его развития, какие типы бывают читайте здесь https://autotopik.ru/obuchenie/918-lyambda-zond.html, в данном материале останавливаться на этом мы не будем.

РАЗЛИЧИЯ И ВЗАИМОЗАМЕНЯЕМОСТЬ ТИТАНОВОЙ И ЦИРКОНИЕВОЙ ЛЯМБДЫ

Это касается различий титановой и циркониевой лямбды. Работа их основана на разных принципах. Циркониевая генерирует ЭДС при обнаружении остаточного кислорода в выхлопных газах.

Титановая лямбда изменяет свое сопротивление при обнаружении остаточного кислорода в выхлопных газах. В соответствии с этим включение их в бортовую сеть различное.

Подключение циркония через разъем, в котором два пина — подогрев, один пин — сигнал (напряжение в вольтах от 0,1 в до 0,9В в зависимости от количества кислорода в выхлопных газах) и один пин — масса лямбды.

Подключение титана через разъем, в котором два пина — подогрев, один пин — сигнал лямбды (напряжение в вольтах от 0,1 в до 0,9В, которое меняется в зависимости от изменения сопротивления лямды от количества кислорода в выхлопных газах) и один пин это опорное напряжение +1В, которое подается на лямбду от ЭБУ. Выходной сигнал лямбды, что циркониевой, что титановой — всегда напряжение, которое сравнивается в ЭБУ с опорным напряжением, на компараторе, равным 0,45В.

ВЫВОД: Замен титановой лямбды на циркониевую возможен без применения всяких дополнительных электронных устройств. В этом случае надо использовать трех проводную циркониевую лямбду.

Возможно использовать четырех проводную лямбду, но при этом надо проверить прозванивается ли массовый провод на массу лямбды, если прозванивается, его можно обрезать, если не звониться, то подключаем его на массу автомобиля.

ПРИЗНАКИ НЕИСПРАВНОСТИ

Признаки неисправности лямбда зонда могут быть следующие:

Повышается расход топлива; «Плавают» обороты мотора на холостых; Сбои в работе катализатора, сильное нехарактерное нагревание устройства, потрескивание после остановки, повышенный уровень токсичности в выхлопных газах (резкий неприятный запах); Появление «СНЕСК ЕNGINЕ» на панели приборов. Если не работает лямбда зонд как ведет себя машина?

Неустойчиво работает двигатель; Пропала динамика набора скорости, ощущаются рывки автомобиля. К сожалению, данные признаки могут указывать и на другие проблемы. Но проверку рекомендуют начинать именно с датчика кислорода хотя бы с его внешнего осмотра.

Развернутую информацию по этой теме можно получить здесь https://autotopik.ru/remont/923-priznaki-neispravnostey-lyambda-zonda.html.

ПРИЧИНЫ ВЫХОДА ИЗ СТРОЯ

Причины поломки лямбда зонда могут быть следующие:

Обрыв проводов, идущих к датчику, плохой контакт; Механическое повреждение, приведшее к деформации устройства и, как следствие, разрушение гальванического элемента; Перегрев датчика в результате нарушений в работе систем топливной, зажигания или неправильного тюнинга двигателя; Закоксованность верхнего слоя с платиновым покрытием, в результате чего ионы кислорода не улавливаются датчиком. Происходит по причине износа деталей цилиндропоршневой группы и выброса в коллектор большого количества масла или другие причины (смотрите ниже); Закоксованность сопла форсунки в результате чего игла полностью не садится на свое место и не перекрывает отверстие. По этой причине в цилиндры постоянно приникает топливо вне зависимости от такта, происходит переизбыток бензина, который в результате сгорания выделяет большой объем угарного газа, который, в свою очередь, и оседает в виде сажи на рабочей поверхности датчика кислорода; Использование плохого топлива приводит к образованию на платиновой поверхности свинцовых блестящих вкраплений, которые перекрывают доступ ионам кислорода к гальваническому элементу. Предвестник проблемы – отклонение цвета дыма из выхлопной трубы от нормы; Проникновение отработанных горячих газов вовнутрь лямбда зонда в результате разгерметизации его корпуса; Попадание охлаждающей жидкости в цилиндры двигателя, признак — белый дым из выхлопной трубы, в результате чего на керамическом элементе также возникают отложения, мешающие взаимодействию ионов кислорода с платиновым покрытием; Естественный износ – менять лямбда зонд нужно своевременно. После 50 000 – 70 000 км пробега – неподогреваемые устройства, через, 100 000 км – подогреваемые. Планарные можно менять через 150 000. ПРОВЕРКА ЛЯМБДА ЗОНДА НА ИСПРАВНОСТЬ

Способов проверки существует несколько, сделать все можно и своими руками, не обращаясь в автосервис.

Лямбда зонд можно проверить:

Простым внешним осмотром; С помощью аналогового или цифрового вольтметра; Используя тестер, он же мультиметр, лучше взять аналоговый, он информативнее; Применив осциллограф или мотор-тестер. ВАЖНО: входное сопротивление указанных выше приборов не должно быть менее 1 мегаом.