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.
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:
- Если на выходе двигателя слишком мало кислородных молекул, то в топливной смеси явно не хватает воздуха – она слишком обогащенная.
- 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:
- 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.
- После выхода в рабочий режим включается подогреватель λ-зонда и циркониевый элемент начинает вырабатывать импульсы постоянного тока, воспринимаемые контроллером.
- 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.
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:
- Нестабильная работа двигателя на холостых оборотах.
- Повышенный расход топлива.
- Снижение мощности силового агрегата и рывки в процессе движения по причине загрязнения электродов свечей зажигания.
- «На горячую» двигатель заводится с трудом при нормальном холодном запуске.
- 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.
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.
Из статьи вы узнаете о том, что такое кислородный датчик. Признаки неисправности этого устройства заставят вас задуматься о замене его. Потому что первый признак – это значительное увеличение расхода бензина. О причинах такого поведения будет рассказано несколько ниже. А сначала стоит поговорить немного о истории создания этого устройства, а также о его принципах функционирования.
Необходимость в датчике кислорода
А теперь о том, для чего нужен в автомобиле кислородный датчик. Признаки неисправности его будут рассмотрены позже. При сгорании любого топлива необходим доступ кислорода. Без этого газа не может проходить процесс горения. Следовательно, в камеры сгорания обязательно должен попадать кислород. Как вы знаете, топливная смесь – это соединение бензина и воздуха. Если заливать чистый бензин в камеры сгорания, то двигатель попросту не будет работать. По тому, сколько кислорода остается в выхлопной системе, можно говорить, насколько качественно сгорает топливовоздушная смесь в цилиндрах мотора. Именно для измерения количества кислорода необходим лямбда-зонд.
Немного истории
Под конец 60-х впервые автоконструкторы начали пробовать устанавливать эти датчики на машины. Самые первые кислородные датчики были установлены на автомобилях Volvo. Датчик кислорода называется также лямбда-зондом. Дело в том, что есть в греческом алфавите буква «лямбда». А если обратиться к справочной литературе по двигателям внутреннего сгорания, то можно увидеть, что именно этой буквой обозначается коэффициент избытка воздуха в топливной смеси. И этот параметр позволяет измерить кислородный датчик (лямбда-зонд).
Принцип работы
Устанавливается кислородный датчик исключительно на инжекторные автомобили, в которых используются электронные блоки управления двигателем. Сигнал, вырабатываемый им, подается на блок управления. Этот сигнал используется микроконтроллером для того, чтобы произвести правильную регулировку смесеобразования. Он производит регулировку подачи воздуха в камеры сгорания. Конечно, на качество смеси влияет не только сигнал, поступающий от датчика кислорода, но также и от большинства других устройств, которые позволяют измерить нагрузку на двигатель, его обороты, а также скорость автомобиля, и прочее. Зачастую в автомобилях устанавливается два лямбда-зонда. Один — рабочий, а второй — для корректировки. Они устанавливаются до катколлектора и после. Обратите внимание на то, что тот лямбда-зонд, который монтируется после катколлектора, имеет дополнительный принудительный нагрев. Перед тем как очистить кислородный датчик, обязательно прочитайте требования, которые предъявляются его производителем.
Условия работы лямбда-зонда
Также стоит учесть, что наиболее эффективное функционирование этого датчика происходит при температурах от 300 градусов и выше. Именно для этой цели необходим электрический подогреватель. Он позволяет в режиме непрогретого двигателя поддерживать нормальное функционирование датчика кислорода. Чувствительный элемент датчика необходимо располагать непосредственно в потоке выхлопного газа. Таким образом, чтобы его электрод, находящийся с внешней стороны, обязательно омывался потоком. Внутренний же электрод необходимо располагать непосредственно в атмосферном воздухе. Само собой, содержание кислорода различное. И между этими двумя электродами начинает образовываться некоторая разность потенциалов. На выходе может появиться напряжение максимум 1 Вольт. Именно это напряжение подается на электронный блок управления. Тот, свою очередь, анализирует его сигнал, затем, согласно топливной карте, заложенной в нём, увеличивает или уменьшает время открытия форсунок, изменяет подачу воздуха в рампу.
Широкополосные
Имеется такое устройство, как широкополосный кислородный датчик. Признаки неисправности (УАЗ "Патриот" имеет такие же, как и любой другой автомобиль) датчика заключаются в том, что изменяется режим работы двигателя. Разница между обычным и таким устройством довольно большая. Дело в том, что у них совсем различные принципы функционирования и чувствительные части. А широкополосные лямбда-зонды более информативны, а это актуально для случаев, если двигатель работает в нестандартных режимах. Следовательно, чем богаче информация, тем более точные настройки будет производить электронный блок управления.
Как определить поломку
Стоит отметить, что датчики кислорода влияют на функционирование мотора очень сильно. Если вдруг лямбда-зонд приказывает долго жить, то двигатель, скорее всего, работать не будет. Когда происходит поломка лямбда зонда, на выходе не вырабатывается сигнал, либо же он изменяется непредсказуемым образом. Конечно, такое поведение сильно осложнит вашу повседневную жизнь. Выйти из строя датчик может буквально в любую минуту. По этой причине на автомобилях предусмотрены определенные функции, которые позволяют завести двигатель, а также добраться до станции техобслуживания, даже если датчик содержания кислорода неисправен.
Аварийная прошивка
Дело в том, что когда электронный блок управления видит поломку лямбда-зонда, он начинает работать не по той прошивке, которая заложена в нём по умолчанию, а по аварийной. В этом случае смесеобразование происходит по данным, полученным с других датчиков. Не участвует в этом процессе только кислородный датчик. Признаки неисправности этого устройства водитель заметит сразу же. К сожалению, смесь чересчур бедная, так как процентное содержание бензина больше, чем необходимо. Это позволяет добиться того, чтобы двигатель не остановился. Но если увеличить подачу воздуха, то велика вероятность того, что двигатель заглохнет. Однако в качестве предупреждения на большинстве автомобилей загорается в приборной панели лампа Check Engine, которая сигнализирует о неисправностях двигателя. Дословный перевод этой надписи – «Проверьте двигатель». Но и без нее можно определить поломку лямбда зонда. Дело в том, что расход топлива сильно растет по сравнению с нормальным режимом.
Заключение
Теперь вы знаете, что такое кислородный датчик (лямбда-зонд), какие у него свойства и особенности. В завершении хотелось бы упомянуть о том, что этот элемент очень требователен к тому, как его устанавливают. Обращайте внимание на то, чтобы между корпусом датчика и катколлектором не было щелей, иначе это приведет к преждевременному выходу из строя устройства. Кроме того, при эксплуатации датчик будет посылать неверные сведения на блок управления.
