Датчик кислорода (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.

 

Устройство датчика кислорода

устройство лябда зонда

1 — металлический корпус с резьбой
2 — уплотнительное кольцо
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

 

Принцип работы

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. 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.

Датчики кислорода 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 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.

Функционально датчик кислорода работает, как переключатель и выдает напряжение выше порогового (0.45V) при низком содержании кислорода в выхлопных газах. При высоком уровне кислорода датчик снижает это пороговое напряжение. При этом, важным параметром является скорость переключения. В большинстве систем впрыска топлива датчик кислорода имеет выходное напряжение от 40-100мВ. до 0.7-1В. Длительность фронта должна быть не более 120мСек.

Следует отметить, что многие неисправности датчика кислорода контроллерами не фиксируются и судить о его исправной работе можно только после соответствующей проверки осциллографом.

 

На Рис.3 показан сигнал нормально работающего датчика кислорода на прогретом двигателе, работающего на ХХ. Здесь и далее умышленно показаны только амплитудные характеристики сигнала, т.к. временные параметры на разных системах и двигателях могут иметь существенные различия.

На Рис.4 показан выходной сигнал еще работающего, но изрядно послужившего и практически забитого датчика кислорода На Рис.4 показан выходной сигнал еще работающего, но изрядно послужившего и практически забитого датчика кислорода. Данная осциллограмма зафиксировала падение амплитуды выходного сигнала ниже 0V, что говорит о неисправности датчика. Данная неисправность датчика чаще всего фиксируется системой самодиагностики и на приборной панели загорается лампочка «CHECK ENGINE», которая сигнализирует о неисправности.

На Рис.5 представлена наиболее распространенная «болезнь» датчиков кислорода, которая выражена в замедленной его реакции На Рис.5 представлена наиболее распространенная «болезнь» датчиков кислорода, которая выражена в замедленной его реакции. Время фронта сигнала (t) значительно превышает 120 мСек. Данная неисправность датчика неминуемо вызывает увеличенный расход топлива и заметное снижение динамики автомобиля, а система самодиагностики ее не зафиксирует, т.к. данный параметр не отслеживается контроллером.

а Рис.6-8 показаны осциллограммы «замерзших» датчиков На Рис.6-8 показаны осциллограммы «замерзших» датчиков, неисправности которых не фиксируются контроллером, т.к. амплитудные значения сигналов не выходят из заданного для них диапазона. Чаще всего это 0-1В. Таким образом,однозначно фиксируется только полное отсутствие сигнала и его минусовое значение, в этих случаях ошибка индицируется лампой «CHECK ENGINE».

Осциллограмма «замерзшего» датчика Однако, следует заметить, что в некоторых контроллерах предусмотрена возможность диагностики и обнаружения неисправности по косвенным признакам (соотношение показаний датчика скорости автомобиля или датчика положения коленвала, датчика положения дроссельной заслонки, расходомера воздуха и др.).

При обнаружении неисправности датчика кислорода, контроллер переходит в режим управления впрыском по усредненным параметрам и завышает обогащение топливной смеси в сравнении с обычным ее составом (~1:14.7).

 

Причины выхода из строя датчика кислорода

  • Применение этилированного бензина
  • Использование при установке датчика герметиков, вулканизирующихся при комнатной температуре или содержащих в своем составе силикон
  • Перегрев датчика из-за неправильно установленного угла опережения зажигания, переобогащения топливо-воздушной смеси, перебоев в зажигании и т.д. 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
  • Проверка работы цилиндров двигателя с отключением свечей зажигания
  • Попадание на керамический наконечник датчика любых эксплуатационных жидкостей, растворителей и моющих средств
  • Обрыв, плохой контакт или замыкание на «массу» выходной цепи датчика
  • Негерметичность в выпускной системе

 

Возможные признаки неисправности датчика кислорода

  • Неустойчивая работа двигателя на малых оборотах
  • Повышенный расход топлива
  • Ухудшение динамических характеристик автомобиля
  • Характерное потрескивание в районе расположения каталитического нейтрализатора после остановки двигателя
  • Повышение температуры в районе каталитического нейтрализатора или его нагрев до раскаленного состояния
  • На некоторых автомобилях загорание лампы «СНЕСК ЕNGINЕ» при установившемся режиме движения

 

Правила снятия и установки датчика

Демонтаж датчика, во избежание повреждений, производят только на холодном двигателе, перед этим отсоединяют провода датчика (при выключенном зажигании). Перед заменой датчика необходимо проверить его маркировку, которая должна соответствовать указанной в инструкции по эксплуатации автомобиля. Производят внешний осмотр, чтобы убедиться в отсутствии механических повреждений, проверить наличие уплотнительного кольца и проверить наличие на резьбовой части специальной противопригарной смазки.

Заворачивают от руки датчик кислорода до упора и затягивают с усилием 3,5-4,5 кгм. Соединение должно быть герметичным.
Соединяют электрический разъем (разъемы).

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.