Датчик лямбда зонд за что отвечает

Введение жёстких экологических норм подтолкнуло автопроизводителей использовать на автомобилях катализаторы. Это устройства, которые помогают снизить содержание токсичных веществ в выхлопных газах. Каталитический нейтрализатор – вещь полезная, но эффективно работает только при определённых условиях. Если не контролировать постоянно состав топливно-воздушной смеси, то катализаторы долго не прослужат.

И здесь приходит на помощь лямбда зонд или так называемый датчик кислорода (в английской литературе его называют Lambda probe или Oxygen sensor). Ниже рассмотрим подробнее, что такое лямбда зонд, как он работает и для чего используется.

Как работает лямбда зонд

Схема работы лямбда зонда

Как сказано выше, лямбда зонд это датчик кислорода. Он измеряет количество кислорода в выхлопных газах. Для корректного измерения ему нужно прогреться до температуры 300 – 400°С. Именно в таких условиях электролит, входящий в конструкцию кислородного датчика, приобретает проводимость. При этом разница в объёме атмосферного кислорода и кислорода, содержащегося в выхлопной трубе, приводит к возникновению выходного напряжения на электродах лямбда-зонда.

При запуске и прогреве холодного двигателя впрыск топлива происходит без использования данных от датчика кислорода, вместо этого состав топливно-воздушной смеси корректируется по сигналам других датчиков:

• числа оборотов коленвала;
• температуры охлаждающей жидкости;
• положения дроссельной заслонки.

Чтобы повысить чувствительность лямбда-зондов при низких температурах и после запуска холодного мотора, применяют принудительный подогрев. Внутри керамического тела датчика находится нагревательный элемент, который подключается к автомобильной электросети.

Читайте также: Датчик массового расхода воздуха или ДМРВ , что это такое, как работает и для чего нужно.

Зачем нужен лямбда зонд

Как выглядит лямбда зонд уже в автомобиле

Лямбда зонд используется для поддержания оптимального состава воздуха и топлива, поступающего в двигатель автомобиля. Оптимальным считается такой состав, когда на 14,6-14,8 части воздуха приходится одна часть топлива. Это можно обеспечить только при помощи систем питания с электронным впрыском и при использовании лямбда зонда в цепи обратной связи.

Замер переизбытка воздуха в смеси осуществляется довольно оригинальным способом – при помощи определения в отработавших газах содержания остаточного кислорода. Именно поэтому лямбда зонд установлен перед катализатором в выпускном коллекторе. Электрический сигнал датчика считывается электронным блоком управления (ЭБУ), а тот, в свою очередь, оптимизирует состав смеси, изменяя количество топлива, подаваемого в цилиндры двигателя.

На некоторых моделях автомобилей на выходе из катализатора расположен ещё один лямбда-зонд. Это позволяет достичь большей точности приготовления смеси и контролировать эффективность работы катализатора.

В зависимости от конструкции, различают два вида датчика:

• широкополосный – используется в качестве входного датчика;
• двухточечный – может устанавливаться и на входе, и на выходе из катализатора. Его принцип работы основан на измерении количества кислорода в атмосфере и выхлопных газах.

Видео о лямбда-зонде

Обманка лямбда зонда

Обманка лямбда зонда

Кислородный датчик подаёт сигнал тогда, когда он обнаружил изменения в содержании кислорода. Данный сигнал передаётся на контроллер, который его принимает и сравнивает полученную информацию с показателями, заложенными в памяти. Если полученные данные не совпадают с оптимальными значениями, то блок управления изменяет длительность впрыска. Этим достигаются следующие показатели:

• экономия топлива;
• максимальная эффективность работы двигателя;
• уменьшение объёма вредных выхлопов.

Но немногие автолюбители прислушиваются к этим рекомендациям и начинают вспоминать о датчике только при появлении проблем. В итоге большинство водителей видят на приборной панели загоревшийся индикатор Check Engine. Причиной этому, скорее всего, стал вышедший из строя либо некорректно работающий кислородный датчик. Решением данной проблемы станет обманка лямбда зонда, которая бывает механической и электронной.

Механическая обманка

При выборе обманки такого типа вместо катализатора устанавливают специальный проставок – деталь из теплоустойчивой стали или бронзы со строго определёнными размерами. В проставке высверливается отверстие малого диаметра, через которое отработавшие газы смогут в него попадать.

Газы взаимодействуют с керамической крошкой, которую предварительно покрывают каталитическим слоем и помещают внутри проставка. В результате такого взаимодействия осуществляется окисление CH и CO кислородом, после чего снижается концентрация вредных веществ на выходе.

Если на автомобиле установлены два кислородных датчика, то сигналы с них будут различаться, блок управления распознает изменение синусоиды сигнала и расценит это как штатную работу катализатора. Данный вариант является самым дешёвым.

Читайте также: Что такое ЭБУ (Электронный блок управления) и как оно взаимодействует с лямбда-зондом и другими датчиками.

Обманка электронного типа

Такой тип обманки гораздо сложнее. В продаже имеются весьма технологичные обманки со встроенным микропроцессором. Они способны не просто обмануть блок управления, а обеспечить его корректную работу. Микропроцессор, установленный в таком устройстве, может оценить состояние выхлопных газов и сформировать сигнал, соответствующий сигналу со второго работающего датчика при исправном катализаторе.

Лямбда-зонд (λ-зонд) — датчик остаточного кислорода (например, в выпускном коллекторе двигателя или дымоходе отопительного котла). Позволяет оценивать количество оставшегося не сгоревшего топлива либо кислорода в выхлопных газах. Данные показания позволяют приготовлять оптимальную воздушно-топливную смесь, а также снижать количество вредных для человека побочных продуктов процесса сгорания.

Содержание

Узкополосный лямбда-зонд [ править | править код ]

Лямбда-зонд порогового типа действует по принципу гальванического элемента/твердооксидного топливного элемента с твердым электролитом в виде керамики из диоксида циркония (ZrO₂). Керамика легирована оксидом иттрия, а поверх неё напылены токопроводящие пористые электроды из платины, одновременно являющейся катализатором окислительно-восстановительных реакций. Один из электродов омывается горячими выхлопными газами (внешняя сторона датчика), а второй — воздухом из атмосферы (внутренняя сторона датчика). Эффективное измерение состава отработавших газов лямбда-зонд обеспечивает после разогрева до определенной температуры выше 300°C. Только в таких условиях циркониевый электролит приобретает проводимость, а гальваническая ячейка начинает работать. Для работы датчика атмосферный кислород нужен в очень небольшом количестве, поэтому, в целом герметичный для воды, датчик делается таким образом, чтобы кислород немного попадал внутрь со стороны проводки.

Если при работе двигателя и датчика ионы свободного кислорода присутствуют лишь с внутренней стороны элемента, то есть имеется лишь атмосферный кислород, то разогретая ячейка самостоятельно начинает генерировать ЭДС, а значит, на блок управления с датчика начинает поступать электрический ток с определённым напряжением. Это означает для ЭБУ автомобиля, что смесь была «богатой». На практике этому соответствует примерно 0,8-0,9 вольт. Если свободный кислород появляется в составе выхлопа с внешней стороны датчика, то выработка ЭДС снижается, а если кислорода достаточно много, то полностью прекращается, то есть кислород из выхлопа блокирует работу ячейки. Это означает для ЭБУ, что смесь была «бедной». На практике этому соответствует примерно 0,1-0,2 вольт. Если ЭДС стремится к нулю, то это означает что смесь абсолютно бедная, например в двигатель не поступает топливо. Напряжение с датчика 0,45 вольт считается оптимальным, и свидетельствует, что сжигаемая смесь обладает стехиометрическим соотношением топлива и воздуха.

Конструктивно, датчики делятся по числу проводов и наличию подогревательного элемента. Датчики без нагревательного элемента используют 1 или 2 провода, с нагревательным элементом — 3 или 4 провода. Первое поколение датчиков разогревалось лишь от выхлопных газов, поэтому начинало давать сигнал сравнительно поздно после старта двигателя. Появившиеся позже датчики с нагревательным элементом стали выводить датчик в рабочее состояние очень быстро, что отвечало возросшим требованиям экологии, а также позволяло использовать датчик, когда температуры выхлопных газов оказывалось недостаточно.

В начале работы, после запуска мотора, лямбда-зонд не выдаёт показаний, и ЭБУ вынужден использовать только карты впрыска, прописанные в нём. Это режим работы без обратной связи, и коррекции топливной смеси по лямбда-зонду в этом режиме нет. Когда с датчика появляется сигнал, то ЭБУ автомобиля переходит в режим работы с обратной связью, при котором исходные топливные карты корректируются с учётом показаний с лямбда-зонда в режиме реального времени.

Сигнал используется системой управления для поддержания оптимального (стехиометрического, около 14,7:1) соотношения воздушно-топливной смеси.

• λ=1 — стехиометрическая (теоретически идеальная) смесь;
• λ>1 — бедная смесь;
• λ [неизвестный термин] в катализаторе, для более точного регулирования может использоваться и второй лямбда-зонд, расположенный за катализатором или внутри него.

Кислородный датчик — устройство, предназначенное для фиксирования количества оставшегося кислорода в отработавших газах двигателя автомобиля. Он расположен в выпускной системе вблизи катализатора. На основе данных, полученных кислородником, электронный блок управления двигателем (ЭБУ) корректирует расчет оптимальной пропорции топливовоздушной смеси. Коэффициент избытка воздуха в ее составе обозначается в автомобилестроении греческой буквой лямбда (λ), благодаря чему датчик получил второе название — лямбда-зонд.

Коэффициент избытка воздуха λ

Прежде чем разбирать конструкцию датчика кислорода и принцип его работы, необходимо определиться с таким важным параметром, как коэффициент избытка воздуха топливовоздушной смеси: что это такое, на что влияет и зачем его измеряет датчик.

В теории работы ДВС существует такое понятие как стехиометрическое отношение – это идеальная пропорция воздуха и топлива, при которой происходит полное сгорание топлива в камере сгорания цилиндра двигателя. Это очень важный параметр, на основании которого рассчитывается топливоподача и режимы работы двигателя. Оно равняется 14,7 кг воздуха к 1 кг топлива (14,7:1). Естественно, такое количество топливовоздушной смеси не поступает в цилиндр в один момент времени, это всего лишь пропорция, которая пересчитывается под реальные условия.

Зависимость мощности (P) и расхода топлива (Q) от коэффициента избытка воздуха

Коэффициент избытка воздуха (λ) – это отношение действительного количества воздуха, поступившего в двигатель, к теоретически необходимому (стехиометрическому) для полного сгорания топлива. Говоря простым языком, это «на сколько больше (меньше) воздуха поступило в цилиндр, чем должно было бы».

В зависимости от значения λ различают три вида топливовоздушной смеси:

• λ = 1 — стехиометрическая смесь;
• λ 1 — «бедная» смесь (избыток — воздух; недостаток — топливо).

Современные двигатели могут работать на всех трех типах смеси, в зависимости от текущих задач (экономия топлива, интенсивное ускорение, снижение концентрации вредных веществ в отработавших газах). С точки зрения оптимальных значений мощности двигателя, коэффициент лямбда должен иметь значение около 0,9 («богатая» смесь), минимальный расход топлива будет соответствовать стехиометрической смеси (λ = 1). Наилучшие результаты по очистке отработавших газов будут также наблюдаться при λ = 1, поскольку эффективная работа каталитического нейтрализатора происходит при стехиометрическом составе топливовоздушной смеси.

Назначение датчиков кислорода

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:

• Наружный электрод — осуществляет контакт с выхлопными газами.
• Внутренний электрод — контактирует с атмосферой.
• Нагревательный элемент — используется для подогрева кислородного датчика и более быстрого вывода его на рабочую температуру (около 300 °C).
• Твердый электролит — расположен между двумя электродами (диоксид циркония).
• Корпус.
• Защитный кожух наконечника — имеет специальные отверстия (перфорацию) для проникновения отработавших газов.

Устройство наконечника лямбда-зонда

Внешний и внутренний электроды покрыты платиновым напылением. Принцип работы такого лямбда зонда основан на возникновении разности потенциалов между слоями платины (электроды), которые чувствительны к кислороду. Она возникает при нагревании электролита, когда через него происходит движение ионов кислорода от атмосферного воздуха и выхлопных газов. Напряжение, возникающее на электродах датчика, зависит от концентрации кислорода в отработавших газах. Чем она выше, тем ниже напряжение. Диапазон напряжений сигнала кислородного датчика находится в пределах от 100 до 900 мВ. Сигнал имеет синусоидальную форму, у которой выделяются три области: от 100 до 450 мВ — бедная смесь, от 450 до 900 мВ — богатая смесь, значение 450 мВ соответствует стехиометрическому составу топливовоздушной смеси.

Виды лямбда-зондов

Помимо циркониевых используются также титановые и широкополосные датчики кислорода.

• Титановые. Этот вид кислородников имеет чувствительный элемент из диоксида титана. Рабочая температура такого датчика начинается от 700 °C. Титановые лямбда-зонды не требуют наличия атмосферного воздуха, поскольку принцип их работы основан на изменении выходного напряжения, в зависимости от концентрации кислорода в выхлопе.
• Широкополосный лямбда-зонд представляет собой усовершенствованную модель. Он состоит из цикрониевого датчика и закачивающего элемента. Первый измеряет концентрацию кислорода в отработавших газах, фиксируя напряжение, вызванное разницей потенциалов. Далее происходит сравнение показания с эталонной величиной (450 мВ), и, в случае отклонения, подается ток, провоцирующий закачивание ионов кислорода из выхлопа. Это происходит до тех пор, пока напряжение не станет равным заданному.

Ресурс кислородника и его неисправности

Лямбда-зонд — один из наиболее быстро изнашиваемых датчиков. Это связано с тем, что он постоянно контактирует с отработавшими газами и его ресурс напрямую зависит от качества топлива и исправности двигателя. Например, циркониевый кислородник имеет ресурс порядка 70-130 тысяч километров пробега.

Поскольку работа обоих кислородных датчиков (верхнего и нижнего) контролируется системой бортовой диагностики OBD-II, при выходе из строя любого из них будет зафиксирована соответствующая ошибка, а на панели приборов загорится контрольная лампа неисправности «Check Engine». Диагностировать неисправность в данном случае можно с помощью специального диагностического сканера.

Сигнал исправного кислородного датчика

При исправной работе кислородного датчика характеристика сигнала представляет собой правильную синусоиду, демонстрирующую частоту переключений не менее 8 раз в течение 10 секунд. Если датчик вышел из строя, то форма сигнала будет отличаться от эталонной, либо его отклик на изменение состава смеси существенно замедлится.

Основные неисправности кислородного датчика:

• износ в процессе эксплуатации («старение» датчика);
• обрыв электрической цепи нагревательного элемента;
• загрязнение.

Все эти виды проблем могут быть спровоцированы использованием некачественного топлива, перегревом, добавлением различных присадок, попаданием в зону работы датчика масел и чистящих средств.

Признаки неисправности кислородника:

• Индикация сигнальной лампы неисправности на приборной панели.
• Потеря мощности.
• Слабый отклик на педаль газа.
• Неровная работа двигателя на холостых оборотах.

Неисправность датчика 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.