Что такое датчик кислорода в автомобиле

6 августа 2019 0 Автор

Дата публикации: 25 ноября 2016 .
Категория: Автотехника.

Количество выбросов вредоносных веществ в атмосферу регулируются жесткими экологическими нормами большинства стран мира, включая РФ. Чтобы снизить уровень пагубных испарений были созданы каталитические нейтрализаторы (или как их еще называют катализаторы). Эти устройства снижают объем вредных веществ, которые попадают в воздух вместе с выхлопными газами, образующимися в процессе работы ДВС.

Несомненно, катализаторы являются необходимыми узлами автомобиля, однако эффективность их работы обусловлена определенными условиями. В процессе работы нейтрализатора необходимо контролировать состав топливно-воздушной смеси, иначе полезный элемент перестанет выполнять свои функции. Чтобы устройство работало как можно дольше используются специальные датчики кислорода, также известные как кислородные датчики, датчики концентрации О2 или лямбда-зонды (ЛЗ).

Что такое лямбда-зонд

Если говорить о том, за что отвечает лямбда-зонд, то проще всего охарактеризовать его как прибор, определяющий уровень кислорода, который содержится в отработанных газах.

Дело в том, недостаточный объем воздуха в топливной системе (λ > 1 – бедная смесь) обычно приводит к тому, что углеводороды и образовывающийся угарный газ не будут полностью окисляться. Если же кислорода будет, наоборот слишком много в этой смеси (λ

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.

Читайте также:  Opendiag не соединяется с эбу

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.

Автоликбез 25 августа 2017

В подавляющем большинстве современных автомобилей дозированием и подачей топлива в цилиндры занимается электронная система. Блок управления (другое название – контроллер) получает сигналы от нескольких датчиков и на основании этих показаний формирует смесь горючего с воздухом в оптимальных пропорциях. Ключевую роль в процессе играет λ-зонд, иначе – кислородный датчик, который периодически выходит из строя по разным причинам. Если вы желаете глубже вникнуть в суть данной проблемы, то первым делом стоит разобраться, что такое лямбда – зонд и зачем он ставится на авто.

Читайте также:  Расход топлива ваз 21074 карбюратор

Роль кислородного датчика в системе топливоподачи

Горение углеводородного топлива – бензина и солярки – в цилиндрах двигателя – процесс довольно сложный. Задачи электронного блока управления состоят в следующем:

  • эффективно сжигать горючее и добиваться максимального КПД силового агрегата;
  • обеспечить минимальный расход бензина;
  • изменять количество подаваемого топлива в зависимости от режима работы мотора.

Для полного сжигания бензина в цилиндрах двигателя его нужно смешать с воздухом в соотношении 1 : 14,7. Тогда практически все молекулы углерода подвергнутся окислению и образуют безвредный углекислый газ СО2, а водород после соединения с кислородом превратится в обычную воду (выделяется в виде пара). Не догоревший углерод тоже объединяется с кислородными частицами и дает на выходе угарный газ – СО. При правильной работе системы его доля невелика и составляет 1–1,5%.

Справка. Когда в силу разных причин расход топлива повышается, количество угарного газа на выходе из камер сгорания увеличивается от 3 до 10%. Визуально это выглядит как черный дым из выхлопной трубы.

Чтобы контроллер готовил оптимальную топливовоздушную смесь, он должен контролировать полноту ее сжигания. Тут и вступает в игру лямбда – зонд, который нужен для измерения количества свободного кислорода в выхлопе автомобиля и передачи информации в виде электрических импульсов на ЭБУ. Последний, сопоставив ее с показаниями других измерителей, отдает соответствующую команду форсункам.

Что дает измерение количества кислорода в выхлопных газах:

  1. Если на выходе двигателя слишком мало кислородных молекул, то в топливной смеси явно не хватает воздуха – она слишком обогащенная.
  2. И наоборот, превышение нормы указывает на бедную смесь в цилиндрах. При ее сжигании остается много воздуха, удаляемого вместе с выхлопом.

Блок управления отвечает за качество топливовоздушной смеси и корректирует соотношение компонентов по сигналам лямбда – зонда. Вот зачем нужен кислородный датчик в машинах, оборудованных инжектором.

Устройство измерителя и принцип действия

Внешне λ-зонд отдаленно напоминает свечу зажигания, только без керамического изолятора. На корпусе цилиндрической формы сделана резьба для вкручивания в выхлопную систему, а из верхней части выходят провода (от 1 до 4 в зависимости от конструкции). Внутри стального корпуса расположены такие детали:

  • гальванический элемент из керамики с твердым электролитическим составом;
  • на обе стороны гальванического элемента методом напыления нанесены электроды из платины;
  • камера с атмосферным воздухом;
  • контакты с заземляющим и основным проводом.

В конструкцию современных кислородных датчиков добавлен подогреватель, подключаемый к электросети в автомобиле двумя дополнительными проводами. Он разогревает электролит λ-зонда до 300–400 °С.

В датчиках О2 нового образца гальванический элемент изготовлен из диоксида циркония, чья проводимость зависит от температуры. Отсюда и необходимость в подогревателе. Старые датчики делались на основе двуокиси титана и действовали по другому принципу.

Теперь о том, как работает лямбда-зонд с циркониевым сердечником. Алгоритм следующий:

  1. При запуске двигателя измеритель не функционирует и участия в приготовлении смеси не принимает. Контроллер «знает», что холодному мотору нужна обогащенная смесь и готовит ее по сигналам датчиков положения коленвала и массового расхода воздуха.
  2. После выхода в рабочий режим включается подогреватель λ-зонда и циркониевый элемент начинает вырабатывать импульсы постоянного тока, воспринимаемые контроллером.
  3. В зависимости от количества кислорода в выхлопных газах напряжение датчика колеблется в диапазоне от 0,1 до 0,9 вольт. Напряжение падает – снижается уровень кислорода – блок управления подает меньше топлива (обедняет смесь). И наоборот, при усилении импульса контроллер переходит к обогащению.

Принцип работы лямбда-зонда с титановым элементом другой – он действует как терморезистор. Блок управления опрашивает измеритель несколько раз в секунду и фиксирует изменение сопротивления, на основании чего корректирует топливовоздушную смесь.

Где расположен λ-зонд?

Поскольку датчик измеряет количество кислорода в отработанных газах, его устанавливают на одну из секций выхлопного тракта. В зависимости от марки и модели авто измеритель вкручивается в выпускной коллектор непосредственно возле двигателя либо в первую секцию дымоотводящей трубы.

Читайте также:  Машина не греется больше 70 градусов

В связи с переходом на новые экологические нормы (начиная от Euro 3), схема контроля над выбросами автомобиля усложнилась. Дело в том, что следом за датчиком О2 в выпускном тракте установлен каталитический нейтрализатор – металлический бочонок с керамическими сотами, чья задача – дожигать вредные продукты работы мотора – угарный газ и окись азота. Данный элемент тоже со временем выходит из строя, что никак не сказывается на работе двигателя, а вот количество вредных выбросов резко увеличивается.

Чтобы контролировать техническое состояние нейтрализатора, производители начали ставить второй лямбда-зонд. Он вмонтирован в трубу после бочонка и проверяет количество кислорода в газах перед выходом в атмосферу.

Если контроллер «увидит», что разницы в показаниях двух измерителей нет, он включит на панели приборов табло Check Engine, а при компьютерной диагностике укажет на ошибку катализатора.

Молекулы воздуха, попавшие в нейтрализатор, должны соединиться с вредными газами, например, СО превращается в СО2. При нормальной работе системы второй зонд на выходе должен фиксировать уменьшение кислорода.

В машинах с мощными моторами на 6–12 цилиндров число датчиков О2 может достигать 4 шт. и более. Это объясняется просто: в подобных авто реализована система распределенного выхлопа с двумя трактами. Соответственно, на каждом из них стоит каталитический нейтрализатор и 2 λ-зонда.

Признаки и причины неисправности элемента

Поскольку лямбда-зонд в машине связан с контроллером, то в случае неполадок с датчиком ЭБУ включает сигнал Check Engine. Это происходит в следующих случаях:

  • измеритель дает некорректные показания, например, напряжение больше 0,9 В либо меньше 0,1 В;
  • произошел обрыв электрической цепи (перетерся или надломился провод, идущий к λ-зонду);
  • замыкание проводки;
  • механическое повреждение элемента вследствие езды по грунтовым дорогам;
  • датчик выработал свой ресурс, который лежит в пределах 40–80 тыс. км пробега авто.

Прошивка контроллера любого автомобиля имеет запасной алгоритм на случай поломки лямбда-зонда. Когда блок управления «замечает» неисправность измерителя, он исключает его из работы системы питания и руководствуется данными от остальных приборов – датчика температуры, скорости, детонации, положения дроссельной заслонки и коленчатого вала. Показания λ-зонда он принимает как усредненные, зафиксированные в его памяти ранее.

Поэтому наряду со включенным табло Check Engine на неисправность кислородного датчика указывают и другие симптомы:

  1. Нестабильная работа двигателя на холостых оборотах.
  2. Повышенный расход топлива.
  3. Снижение мощности силового агрегата и рывки в процессе движения по причине загрязнения электродов свечей зажигания.
  4. «На горячую» двигатель заводится с трудом при нормальном холодном запуске.
  5. Из выхлопной трубы валит черный от сажи дым.

Перечисленные проблемы – это следствие потери контроля над качеством сгорания топлива, вот почему лямбда – зонд так важен.

В некоторых ситуациях контроллер не зажигает надпись Check Engine и не переходит в аварийный режим, но указанные симптомы все равно проявляются. Это говорит о том, что датчик О2 начал банально «врать», из-за чего ЭБУ готовит топливную смесь неправильно.

Обнаружить виновника подобной неисправности в домашних условиях затруднительно – похожие признаки наблюдаются и при поломке других датчиков. Если вы столкнулись с такой ситуацией, лучше обратиться на автосервис к специалисту – электрику.

Причины некорректной работы λ-зонда могут быть следующие:

  • езда на этилированном бензине;
  • добавление в топливо и масло поддельных присадок;
  • использование при ремонте силового агрегата дешевых герметиков, содержащих неорганические растворители.

Из-за перечисленных действий в тракт выпуска дымовых газов попадают посторонние агрессивные пары, разрушающие электроды кислородного датчика, а вместе с ним и керамические соты нейтрализатора.

Рекомендации по устранению

Вышедший из строя лямбда – зонд подлежит замене, каких-либо методов ремонта не существует. Деталь недешевая, но от нее зависит «здоровье» и ресурс двигателя, поэтому лучше не экономить и не устанавливать различные эмуляторы – так называемые обманки. Они позволяют отключить сигнал Check, но не устраняют причину неполадок, а обманутый контроллер продолжает неправильно готовить смесь, что негативно влияет на работу мотора.