Что такое датчик кислорода в двигателе

Датчик кислорода: в борьбе за оптимальный состав горючей смеси

В современных двигателях внутреннего сгорания присутствует система коррекции избытка кислорода в горючей смеси, основанная на датчике кислорода. О том, что такое датчик кислорода, каких типов он бывает, как устроен и работает, а также о верном выборе и замене этого датчика — читайте в данной статье.

Назначение датчика кислорода

Датчик кислорода (лямбда-зонд, датчик дожига, O₂ sensor) — компонент электронной системы управления двигателем; датчик системы лямбда-коррекции (коррекции избытка воздуха) в топливно-воздушной смеси, поступающей в цилиндры двигателя внутреннего сгорания.

Требования к экологической безопасности двигателей ужесточаются с каждым годом, поэтому инженерам приходится искать новые пути снижения концентрации опасных соединений в выхлопных газах. Сегодня эта задача решается комплексно — обеспечением оптимального состава топливно-воздушной смеси, при котором достигается наиболее полное ее сгорание, и внедрением в выхлопную систему каталитического нейтрализатора, который снижает концентрацию опасных веществ в отработавших газах. Эффективность работы нейтрализатора прямо связана с составом топливно-воздушной смеси: наибольшее количество (до 95% и более) несгоревших углеводородов, оксидов азота и угарного газа нейтрализуется только при объемном соотношении воздуха и топлива в горючей смеси 14,7:1.

Указанное соотношение является стехиометрическим, или идеальным, его условно принимают за единицу. Когда коэффициент больше единицы — смесь является бедной, в ней присутствует избыток воздуха. Когда коэффициент меньше единицы — смесь является богатой, в ней присутствует избыток топлива. Данный коэффициент обозначается греческими буквами α (альфа, используется в русскоязычной литература) и λ (лямбда, используется в иностранной литературе).

В современных моторах контроль и регулирование состава топливно-воздушной смеси обеспечивается системой коррекции избытка воздуха в ней по измерению концентрации остаточного кислорода в отработавших газах. В простейшем случае система состоит датчика кислорода (лямбда-зонда) в выпускном коллекторе (до входа в каталитический нейтрализатор), связанного с электронным блоком управления двигателем. Датчик измеряет содержание остаточного кислорода в выхлопе, и на основе этих измерений ЭБУ корректирует объем поступающего в камеры сгорания топлива. В более сложных системах используется дополнительный датчик кислорода на выходе из каталитического нейтрализатора.

Типы, конструкция и принцип работы датчика кислорода

Сегодня применяется два типа датчиков кислорода (лямбда-зондов):

• Гальванический (на основе диоксида циркония);
• Резистивный (на основе диоксида титана).

Оба датчика относятся к пороговому (узкодиапазонному) типу — вырабатываемый ими уровень или тип сигнала резко изменяется при незначительных отклонениях коэффициента лямбда от единицы.Работа датчиков основана на различных физических принципах, что обуславливает их конструкцию и функционирование в системе коррекции избытка кислорода.

Устройство и работа гальванического датчика кислорода

В основе датчиков этого типа лежит гальванический элемент с твердым электролитом (твердооксидный топливный элемент). Такой элемент выполнен в виде керамического стакана из диоксида циркония, легированного оксидом скандия или оксидом иттрия, с наружной и внутренней стороны имеющего пористое платиновое покрытие. Эта конструкция является гальваническим элементом, в котором керамический стакан выполняет функции твердого электролита, а платиновое покрытие — двумя электродами. Наружная часть элемента располагается в потоке отработавших газов, а ко внутренней части (внутрь стакана) подводится холодный атмосферный воздух (так называемая «опорная атмосфера»). При температурах от 400 °C такой элемент становится источником тока за счет химических реакций с участием проникающих в керамику ионов кислорода. И сила тока зависит от разницы концентрации кислорода на внутреннем и наружном электродах — именно этот факт используется для измерения остаточного кислорода в выхлопных газах.

Характеристики данного гальванического элемента таковы, что при λ=1 (оптимальная смесь) в нем возникает ток с напряжением около 0,5 В, но уже при незначительном изменении концентрации остаточного кислорода в выхлопных газах напряжение резко (скачком) изменяется. При λ=0,9 напряжение возрастает почти до 0,9 В, а при λ=1,1 — падает до 0,1 В. Данный сигнал поступает на ЭБУ, где обрабатывается и используется для управления системой подачи топлива.

Чувствительный элемент помещен в защитный кожух с прорезями и располагается на торце металлического корпуса датчика, на котором выполнена монтажная резьба (существуют датчики и с монтажным фланцем). Внутри корпуса располагается канал для подачи воздуха, проводники, изоляторы и другие детали. В некоторых датчиках дополнительно устанавливается одна или две электрических спирали для подогрева элемента до рабочей температуры. Если в автомобиле используется датчик без подогрева, то первые несколько минут после пуска мотора состав горючей смеси не корректируется, система лямбда-коррекции начинает работать только после прогрева. Датчики с подогревом требуют минимального времени на подготовку к работе и практически сразу обеспечивают коррекцию состава горючей смеси.

Датчик кислорода может иметь различное число выводов:

• 1 вывод — датчики без подогрева, в них присутствует только один сигнальный вывод, подключение к массе осуществляется через корпус прибора;
• 2 вывода — датчики без подогрева, в них один вывод является сигнальным, второй служит для подключения к массе;
• 3 вывода — датчики с подогревом; в них присутствует сигнальный вывод, вывод для подключения нагревательного элемента и общий массовый вывод;
• 4 вывода — датчики с подогревом, четвертый вывод может использоваться для подключения второго нагревательного элемента или подключения нагревательного элемента к массе.

Обычно подключение датчика осуществляется с помощью стандартного разъема, расположенного на жгуте выходящих из датчика проводов.

Устройство и функционирование резистивного датчика кислорода

В основе датчиков этого типа лежит резистивный элемент на основе пленок из диоксида титана, нанесенных на изолирующую подложку. Принцип действиядатчика прост и основан на свойстве диоксида титана при высоких температурах (от 200 °C, оптимальный режим — около 700 °C) изменять свое электрическое сопротивление в зависимости от парциального давления кислорода (то есть, от концентрации этого газа). Причем это изменение происходит скачкообразно: при обогащении топливной смеси (снижении концентрации кислорода) сопротивление составляет 1-10 кОм; при обеднении топливной смеси (повышении концентрации кислорода) сопротивление скачкообразно повышается на два порядка — до 1-10 МОм.

Датчик подключается к ЭБУ двигателя через измерительный мост, где выполняет функции одного из четырех резисторов. Сопротивления резисторов подобраны таким образом, что при λ=1 мост находится в балансе и сигнал на его выходе соответствует некоторой величине, которая условно принята за «ноль». При уменьшении концентрации кислорода сопротивление датчика резко падает и на выходе моста появляется напряжение 4-5 В. При увеличении концентрации кислорода сопротивление датчика резко возрастает и на выходе моста появляется напряжение около 0,2-0,4 В. Данные выходные напряжения поступают на ЭБУ, который вносит коррективы в работу системы впрыска топлива.

Конструктивно резистивные датчики аналогичны гальваническим, они тоже могут иметь нагревательный элемент и подключаться к ЭБУ с помощью одного, двух, трех или четырех проводов.

Вопросы выбора, проверки и замены датчика кислорода

Датчики кислорода работают в условиях повышенных температур и загрязнений, поэтому они обладают ограниченным ресурсом и требуют регулярной замены. Датчики без подогрева должны меняться после 50 тысяч км пробега, с подогревом — после 70 тысяч км пробега. Однако эти приборы могут выходить из строя раньше, это проявляется ухудшением работы двигателя — повышением расхода топлива, неустойчивым холостым ходом, повышением дымности выхлопа, падением мощности и другими признаками. Обычно неисправность датчика отображается кодом ошибки, но иногда система самодиагностики не может определить поломку. Самостоятельно выполнить диагностику датчика сложно, особенно для неспециалиста — эта работа требует применения специальных измерительных приборов (осциллографа), сканера и инструментов. Так что лучше проверку доверить специалистам.

На замену следует использовать только те типы и модели датчиков, что рекомендованы автопроизводителем. Другой лямбда-зонд, даже если он и встанет в выхлопную трубу, может давать неверные показания и лишь ухудшить работу двигателя. Замену нужно выполнять в соответствии с инструкцией по ремонту автомобиля, при этом следует использовать уплотнительные кольца и затягивать датчик с установленным усилием, в противном случае может возникнуть утечка газов или повреждение прибора. Если датчик подобран и заменен правильно, двигатель будет эффективно работать на всех режимах соответствовать экологическим требованиям.

Кислородный датчик

Кислородный датчик (другие названия — лямбда-зонд, датчик концентрации кислорода) служит для определения количества кислорода в отработавших газах.

Для обеспечения эффективной (экономичной и экологичной) работы двигателя внутреннего сгорания соотношение воздуха и топлива в топливно-воздушной смеси должно быть постоянным на всех режимах работы. Это достигается использованием кислородного датчика в выпускной системе. Сам процесс управления содержанием кислорода в выхлопных газах называется лямбда-регулирование.

Так, при недостатке воздуха в топливно-воздушной смеси, углеводороды и угарный газ полностью не окисляются. С другой стороны, при избытке воздуха оксиды азота полностью не разлагаются на азот и кислород.

Лямбда-зонд устанавливается в выпускной системе. На отдельных моделях автомобилей применяется два кислородных датчика: один устанавливается до каталитического нейтрализатора, другой – после. Применение двух кислородных датчиков усиливает контроль за составом отработавших газов и обеспечивает эффективную работу нейтрализатора.

В зависимости от конструкции различают два вида кислородных датчиков: двухточечный и широкополосный.

Двухточечный датчик устанавливается как перед нейтрализатором, так и за ним. Датчик фиксирует коэффициент избытка воздуха в топливно-воздушной смеси (λ) по величине концентрации кислорода в отработавших газах.

Двухточечный датчик представляет собой керамический элемент, имеющий двухсторннее покрытие из диоксида циркония. Измерение осуществляется электрохимическим способом. Электрод одной стороной контактирует с выхлопными газами, друго — с атмосферой.

Принцип действия двухточечного кислородного датчика основан на измерении содержания кислорода в отработавших газах и атмосфере. При разной концентрации кислорода в отработавших газах и атмосфере на концах электрода создается напряжение. Чем выше содержание кислорода (обедненная топливно-воздушная смесь), тем ниже напряжение, чем ниже содержание кислорода (обогащенная топливно-воздушная смесь), тем выше напряжение.

Электрический сигнал от кислородного датчика поступает в электронный блок управления системы управления двигателем. В зависимости от величины сигнала блок управления воздействуют на исполнительные органы подконтрольных ему систем автомобиля.

Широкополосный датчик представляет собой современную конструкцию лямбда-зонда. Он применяется в качестве входного датчика каталитического нейтрализатора. В широкополосном датчике значение «лямбда» определяется с использованием силы тока закачивания.

В отличие от двухточечного датчика широкополосный датчик состоит из двух керамических элементов — двухточечного и закачивающего. Под закачиванием понимается физический процесс, при котором кислород из отработавших газов проходит через закачивающий элемент под воздействием определенной силы тока.

Принцип работы широкополосного датчика основан на поддержании постоянного напряжения (450 мВ) между электродами двухточечного элемента за счет изменения силы тока закачивания.

Снижение концентрации кислорода в отработавших газах (обогащенная топливно-воздушная смесь) сопровождается ростом напряжения между электродами двухточечного керамического элемента. Сигнал от элемента подается в электронный блок управления, на основании которого создается ток, определенной силы, на закачивающем элементе.

Ток, в свою очередь, обеспечивает закачку в измерительный зазор и напряжение достигает нормативного значения. Величина силы тока при этом является мерой концентрации кислорода в отработавших газах. Она анализируется электронным блоком управления и преобразуется в управляющие воздействия на исполнительные устройства системы впрыска.

При обеднении топливно-воздушной смеси работа широкополосного датчика осуществляется аналогичным образом. Отличие состоит в том, что под действием тока происходит выкачивание кислорода из измерительного зазора наружу.

Эффективная работа кислородного датчика осуществляется при температуре 300°С. Для скорейшего достижения рабочей температуры лямбда-зонд оборудуется нагревателем.

Устройство лямбда-зонда (кислородного датчика)

Строгие экологические нормы (которые, к тому же, постоянно ужесточаются) требуют постоянного контроля токсичности выхлопа автомобиля. За параметрами следит блок управления двигателем, регулируя степень обогащения топливной смеси. Для правильной работы этого компьютера требуются специальные датчики.

Система, в которой установлены кислородные датчики, функционирует следующим образом:

1. В начале выхлопной трубы находится катализатор, снижающий токсичность отработанных газов.
2. Перед катализатором размещен датчик кислорода (лямбда зонд), который анализирует неочищенный состав выхлопа. Этот элемент помогает формировать правильную смесь. Если для поддержания требуемой мощности двигателя расход топлива слишком большой, компьютер дает команду на снижение количества бензина.
3. После каталитического нейтрализатора находится второй датчик О2. Он отвечает в основном за оценку токсичности выхлопа. Его показания также меняют настройки обогащения топливной смеси.

Становится понятно, что датчик лямбда зонда влияет не только на экологию, а также на мощность автомобиля и расход топлива.

Важно! Речь идет о системе с двумя лямбдами. Автомобили, в которых установлен один кислородный датчик, встречаются сейчас относительно редко. Следует знать, что пара лямбд (до и после катализатора) устанавливается на выходе из каждого выпускного коллектора. Если у вас двигатель V6, V8 или V10, с двумя коллекторами – количество датчиков удваивается.

Ресурс лямбды составляет 50-100 тысяч километров, в зависимости от условий эксплуатации, особенности самого датчика и ряда других факторов. Это достаточно дорогой расходник, его замена ощутима для кошелька.

Как работает датчик концентрации кислорода

Принцип действия рассматриваемого элемента основан на изменении электрического потенциала между электродами, при различном содержании кислорода в анализируемом воздухе. Один электрод – внешний, выполнен с применением платины (это оправдывает высокую стоимость). Второй – внутренний, из циркония. Эти металлы при прохождении атомов кислорода, формируют некоторый потенциал, увеличивающийся при повышении концентрации О2.

Для нормальной работы датчика требуется температура от 300 до 1000 °C. Пока двигатель не прогрелся, система не функционирует должным образом. Мощность силовой установки избыточна, токсичность выхлопа – высокая. Для моментальной готовности лямбды, внутренний электрод нагревается. К нагревателю подводятся дополнительные провода питания.

Универсальный кислородный датчик может иметь различную конструкцию – широкополосный, двухточечный, коаксиальный. Принцип анализа концентрации О2 один и тот же.

Неисправность лямбда зонда приводит к серьезным проблемам в работе двигателя. Поэтому не стоит игнорировать поломку. И тем более, нельзя самостоятельно пытаться отремонтировать датчики. Даже если Вы знаете, где находится лямбда зонд, его легко повредить при демонтаже. В условиях высоких температур резьба намертво прикипает. А использовать стандартный накидной ключ невозможно, по причине длинных проводов, выходящих из датчика.

Обратившись в сервис «Ваш глушитель», Вы получите грамотную диагностику и профессиональный ремонт без повреждения хрупких лямбда зондов. Наши мастера знают все неисправности датчика кислорода, и смогут устранить поломку с минимальными финансовыми затратами. Не обязательно сразу менять деталь, некоторые дефекты подлежат ремонту. Специалисты нашего сервиса по ремонту выхлопных систем помогут Вам сэкономить на ремонте.

Датчик кислорода (лямбда-зонд или λ-зонд) Lambda Sensor

1,2Hz.Проверка выходного сигнала Датчика кислородаИзмерение напряжения выходного сигнала датчика кислорода блок управления двигателем производит относительно сигнальной «массы» датчика. Сигнальная «масса» двух- и четырёх-проводных датчиков кислорода BOSCH выведена через отдельный провод (провод серого цвета идущий от датчика) на разъём датчика. Сигнальная «масса» одно- и трёх-проводных датчиков кислорода BOSCH соединена с металлическим корпусом датчика и при установке датчика автоматически соединяться с «массой» автомобиля через резьбовое крепление датчика. Выведенная через отдельный провод на разъём датчика сигнальная «масса» датчика кислорода в большинстве случаев так же соединена с «массой» автомобиля. Встречаются блоки управления двигателем, где провод сигнальной «массы» датчика кислорода подключен не к «массе» автомобиля, а к источнику опор. напряжения. В таких системах, измерение напряжения выходного сигнала датчика кислорода блок управления двигателем производит относительно источника опор. напряжения, к которому подключен провод сигнальной «массы» датчика кислорода. Для просмотра осциллограммы напряжения выходного сигнала датчика кислорода, разъём осциллографического щупа должен быть подключен к любому из аналоговых входов №1-4 USB Autoscope II, чёрный зажим типа «крокодил» осциллографического щупа должен быть подсоединён к «массе» двигателя диагностируемого автомобиля, пробник щупа должен быть подсоединён параллельно сигнальному выводу датчика (провод чёрного цвета идущий от датчика). Схема подключения к датчику кислорода BOSCH (на основе оксида циркония). – точка подключения чёрного зажима типа «крокодил» осциллографического щупа; – точка подключения пробника осциллографического щупа. В окне программы «USB Осциллограф», необходимо выбрать подходящий режим отображения, в данном случае «Управление => Загрузить настройки пользователя => Lambda». Когда лямбда-зонд прогревается до рабочей температуры, его выходное электрическое сопротивление значительно снижается, и он приобретает способность отклонять опор. напряжение, поступающее от блока управления двигателем через резистор с постоянным электрическим сопротивлением. В большинстве блоков управления двигателем, значение опор. напряжения равно 450mV. Такой блокуправления двигателем считает лямбда-зонд готовым к работе только после того, как вследствие прогрева датчик приобретает способность отклонять опор. напряжение в диапазоне более чем ±150…250mV. Осциллограмма напряжения выходного сигнала исправного датчика кислорода BOSCH. Пуск прогретого до рабочей температуры двигателя. Время прогрева лямбда-зонда до рабочей температуры равно

30S. Опор. напряжение на сигнальном проводе лямбда-зонда некоторых блоков управления двигателем может иметь другое значение. Например, для блоков управления производства Ford оно равно 0V, а для блоков управления двигателем производства Daimler Chrysler – 5V.Типовые неисправности Датчика кислородаНизкая частота переключения выходного сигнала датчика кислорода указывает на увеличенный диапазон отклонения состава топливо-воздушной смеси от стехиометрического. Осциллограмма напряжения выходного сигнала неисправного датчика кислорода BOSCH. Двигатель работает на холостом ходу. Частота переключения сигнала занижена и составляет

0,6Hz.Снижение частоты переключения выходного сигнала лямбда-зонда может быть вызвана возросшим временем перехода выходного напряжения зонда от одного уровня к другому из-за старения или химического отравления датчика. Неисправность может привести к раскачке частоты вращения двигателя на режиме холостого хода и к потере «приёмистости» двигателя. Ресурс датчика содержания кислорода в отработавших газах составляет 20 000…80 000 km. Из-за старения, выходное электрическое сопротивление лямбда-зонда снижается при значительно более высокой температуре чувствительного элемента до значения, при котором датчик приобретает способность отклонять опор. напряжение. Из-за возросшего выходного электрического сопротивления, размах выходного напряжения сигнала лямбда-зонда уменьшается. Стареющий лямбда-зонд легко можно выявить по осциллограмме напряжения его выходного сигнала на таких режимах работы двигателя, когда поток и температура отработавших газов снижаются. Это режим холостого хода и малых нагрузок. Практически, стареющий лямбда-зонд всё ещё работает на движущемся автомобиле, но как только нагрузка на двигатель снижается (холостой ход), размах сигнала быстро начинает уменьшаться вплоть до пропадания колебаний. [Осциллограмма напряжения выходного сигнала неисправного датчика кислорода BOSCH. Двигатель работает на холостом ходу. Переключения выходного сигнала отсутствуют. Напряжение выходного сигнала стареющего лямбда-зонда при работе двигателя на холостом ходу становится почти стабильным, его значение становится близким опор. напряжению 300…600mV.