Двигатели форд и навесное оборудование

Что нужно знать о лямбде (датчик кислорода)

Устройство:

1- металлический корпус с резьбой.
2 - уплотнительное кольцо.c 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 газов

Место установки датчика кислорода.
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 (ФМ-3)устанавливается два кислородных датчика - до нейтрализатора и после него (ST220 - два ката и 4 лямбды).

1. назначение, применение.
Для корректировки оптимальной смеси горючего с воздухом
применение приводит к повышению экономичности автомобиля, влияет на мощность двигателя, динамику, а также на экологические показатели.

Бензиновому двигателю для работы требуется смесь с определенным соотношением воздух-топливо. Соотношение, при котором топливо максимально полно и эффективно сгорает, называется стехиометрическим и составляет оно 14,7:1. Это означает, что на одну часть топлива следует взять 14,7 частей воздуха. На практике же соотношение воздух-топливо меняется в зависимости от режимов работы двигателя и смесеобразования. Двигатель становится неэкономичным. Это и понятно!

Таким образом датчик кислорода - это своеобразный переключатель (триггер), сообщающий контроллеру впрыска о качественной концентрации кислорода в отработавших газах. Фронт сигнала между положениями "Больше" и "меньше" очень мал. Настолько мал, что его можно не рассматривать всерьез. Контроллер принимает сигнал с ЛЗ, сравнивает его с значением, прошитым в его памяти и, если сигнал отличается от оптимального для текущего режима, корректирует длительность впрыска топлива в ту или иную сторону. Таким образом осуществляется обратная связь с контроллером впрыска и точная подстройка режимов работы двигателя под текущую ситуацию с достижением максимальной экономии топлива и минимизацией вредных выбросов.

Функционально лямбда-зонд работает, как переключатель и выдает опорное напряжение (0.45V) при низком содержании кислорода в выхлопных газах. При высоком уровне кислорода датчик О2 снижает снижает свое напряжение до ~0.1-0.2В. При этом, важным параметром является скорость переключения датчика. В большинстве систем впрыска топлива О2-датчик имеет выходное напряжение от от 0.04..0.1 до 0.7...1.0В. Длительность фронта должна быть не более 120мСек. Следует отметить, что многие неисправности лямбда-зонда контроллерами не фиксируются и судить о его исправной работе можно только после соответствующей проверки.

Лямбда-зонд действует по принципу гальванического элемента с твердым электролитом в виде керамики из диоксида циркония (ZrO2). Керамика легирована оксидом иттрия, а поверх нее напылены токопроводящие пористые электроды из платины. Один из электродов «дышит» выхлопными газами, а второй - воздухом из атмосферы. Эффективное измерение остаточного кислорода в отработавших газах лямбда-зонд обеспечивает после разогрева до температуры 300 - 400оС. Только в таких условиях циркониевый электролит приобретает проводимость, а разница в количестве атмосферного кислорода и кислорода в выхлопной трубе ведет к появлению на электродах лямбда-зонда выходного напряжения.

Для повышения чувствительности лямбда-зондов при пониженных температурах и после запуска холодного двигателя используют принудительный подогрев. Нагревательный элемент (НЭ) расположен внутри керамического тела датчика и подключается к электросети автомобиля

Элемент зонда, сделанный на основе диоксида титана не производят напряжение а меняет свое сопротивление (нас этот тип не касается).

При пуске и прогреве холодного двигателя управление впрыском топлива осуществляется без участия этого датчика, а коррекция состава топливо-воздушной смеси осуществляется по сигналам других датчиков (положения дроссельной заслонки, температуры охлаждающей жидкости, числа оборотов коленвала и др.). Особенностью циркониевого лямбда-зонда является то, что при малых отклонениях состава смеси от идеального (0,97 Ј l Ј 1,03) напряжение на его выходе изменяется скачком в интервале 0,1 - 0,9 В

Кроме циркониевых, существуют кислородные датчики на основе двуокиси титана (TiO2). При изменении содержания кислорода (О2) в отработавших газах они изменяют свое объемное сопротивление. Генерировать ЭДС титановые датчики не могут; они конструктивно сложны и дороже циркониевых, поэтому, несмотря на применение в некоторых автомобилях (Nissan, BMW, Jaguar), широкого распространения не получили.

2. Совместимость, взаимозаменяемость.
-принцип работы лямбда-зонда у всех производителей в общем одинаков. Совместимость чаще всего обусловлена на уровне посадочных размеров.
-различаются монтажными размерами и разъемом
-Можно купить оригинальный датчик б/у, что чревато пустыми тратами: на нем не написано, в каком он состоянии, а проверить вы его сумеете только на автомобиле

3. Виды.
а) с подогревом и без подогрева
б) кол-вом проводов: 1-2-3-4 т.е. соответственно и комбинацией с/без подогрева.
в) из разных материалов: циркониево-платиновые и подороже на основе двуокиси титана (TiO2)
Титановые лямбда-зонды от циркониевых легко отличить по цвету «накального» вывода подогревателя - он всегда красный.
г) широкополосная для дизелей и двигателей работающих на обедненной смеси.

4. Как и почему умирает.
- плохой бензин, свинец, железо забивают платиновые электроды за несколько "удачных" заправок.
- масло в выхлопной трубе - Плохое состояние маслосъемных колец
-попадание на нее моющих жидкостей и растворителей
-"хлопки" в выпуске разрушающие хрупкую керамику
-удары
- перегрев его корпуса из-за неправильно установленного угла опережения зажигания, сильно переобогащенной топливной смеси.
- Попадание на керамический наконечник датчика любых эксплуатационных жидкостей, растворителей, моющих средств, антифриза
- обогащенная топливно-воздушная смесь,
- сбои в системе зажигания, хлопки в глушителе
- Использование при установке датчика герметиков, вулканизирующихся при комнатной температуре или содержащих в своем составе силикон
- 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.
- Обрыв, плохой контакт или замыкание на "массу" выходной цепи датчика.

Ресурс датчика содержания кислорода в выхлопных газах обычно составляет от 30 до 70 тыс.км. и в значительной степени зависит от условий эксплуатации. Дольше служат, как правило, датчики с подогревом. Рабочая температура для них обычно 315-320°C.

Перечень возможных неисправностей лямбда-зонда:
-неработающий подогрев
-потеря чувствительности - уменьшение быстродействия

Причем это как правило самодиагностикой автомобиля не фиксируются.
Решение о замене датчика можно принять после его проверки на осцилографе.
Следует особо отметить, что попытки замены неисправного лямбда-зонда имитатором ни к чему не приведут - ЭБУ не распознает "чужие" сигналы, и не использует их для коррекции состава приготавливаемой горючей смеси, т.е. попросту "игнорирует".

Можно использовать и такой способ:
Если лямбда работала на нашем бензине более 2-3-х лет то можно не тратиться на ее проверку.
Ее стоит менять уже хотя бы по возрасту. Быстродействие все равно уже далеко от оптимального.

В автомобилях, система l-коррекции которых имеет два кислородных датчика, дело обстоит еще сложнее. В случае отказа второго лямбда-зонда (или "пробивки" секции катализатора) добиться нормальной работы двигателя сложно.

Как понять насколько работоспособен датчик?
Для этого потребуется осциллограф. Ну или специальный мотор-тестер, на дисплее которого можно наблюдать осциллограмму изменения сигнала на выходе ЛЗ. Наиболее интересными являются пороговые уровни сигналов высокого и низкого напряжения (со временем, при выходе датчика из строя, сигнал низкого уровня повышается (более 0,2В - криминал), а сигнал высокого уровня - снижается (менее 0,8В - криминал)), а также скорость изменения фронта переключения датчика из низкого в высокий уровень. Есть повод задуматься о предстоящей замене датчика, если длительность этого фронта превышает 300 мсек.
Это усредненные данные.

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

5. Как снять - установить.

Нужен подходящий ключ.
Для установки оптимально спец. высокая головка с прорезью для проводов и гранями снаружи.

Откручивать лучше на горячую, меньше риск сорвать прикипевшую резьбу.
Резьбовая часть как правило уже имеет спец смазку (высокотемпературную, токопроводящую). можно добавить и графитки.
Разъем надо поднять повыше оберегая от воды и грязи. Контакты смазать.
Если провода скручивались их тоже надо покрыть графиткой - окисляться не будут.
Насчет пайки надо хорошо подумать.
Дело в том что лямбда получает кислород по эл. проводам. Обратите внимание все разъемы лямбд непаянные а обжимные.
Полагаю лучше так и делать, обжимать-скручивать.

Снимать датчик стоит при работающем двигателе особого смысла нет. Он не так уж быстро остывает. А шанс получить пару ожогов есть реальный.
Просто пока трубопровод и датчик горячий.
После замены неплохо бы обнулить память путем снимания на 5-10 минут (-)клеммы с аккумулятора.

6. Для маргиналов. "Оживление" лямбды.

Во Владивостоке технология "оживления" лямбда-зонда уже отработана. Оказывается, достаточно продержать датчик десять минут в ортофосфорной кислоте при комнатной температуре, затем промыть водой - и он снова в строю. Правда, сигнал восстанавливается не сразу, а через час-полтора работы двигателя.
Для промывки датчик лучше вскрыть. На токарном стаже тонким резцом срезают у самого основания колпачок с отверстиями. Датчик (он представляет собой керамический стержень с напыленными платиновыми полосками) окунают в кислоту. Кислота разрушает нагар и свинцовую пленку на поверхности стержня. Важно не передержать датчик - могут разрушиться токопроводящие платиновые электроды. Зачищать его шкуркой или другим абразивом нельзя по той же причине. Очистив стержень от токопроводящей пленки, его промывают в воде и крепят колпачок каплей нержавеющей проволоки аргоновой сваркой.
Ученые из дальневосточного отделения РАН предлагают другой путь восстановления - более сложный и весьма надежный. Как известно из физики, плотность тока в газах определяется концентрацией ионов, их подвижностью и величиной заряда. В выхлопных газах ионы образуются от нагрева. Поскольку температура (стало быть, подвижность ионов) и напряженность поля (на электроды подается напряжение 1 В) известны, выходные его характеристики зависят лишь от концентрации ионов. Их замеряют осциллографом и частотомером (около 2 МГц). Далее на ультразвуковом диспергаторе в эмульсионном растворе проводится "мягкая зачистка" напыленных электродов. Возможен электролиз вязких металлов, осевших на их поверхности. При этом учитываются конструктивные особенности зонда и материал (металлокерамика или фарфор) с напылением малоинерционных металлов (платина, барий, цирконий и пр.). Восстановленный датчик испытывают приборами и устанавливают на автомобиль. Операцию можно проводить многократно.
Так российские инженеры и ученые доказали справедливость пословицы: "Голь на выдумки хитра", сумев разработать простую и остроумную технологию.

Информацию собрал и отредактировал MAIKLE.

Выхлопные газы любого автомобиля крайне негативно сказываются на окружающей среде, поэтому, чтобы как-то минимизировать приносимый вред, конструкторы разработали специальное устройство – каталитический нейтрализатор отработанных газов. Казалось бы, теперь все проблемы будут решены, но для нормальной и стабильной работы данного устройства требуется, чтобы каждый компонент топливовоздушной смеси находился в четко определенных рамках, причем на любых рабочих режимах. Тут на помощь и пришел датчик кислорода, или, как его называют в народе, «лямбда-зонд».

1. Принцип действия датчика кислорода

Когда автомобильный двигатель находится в активном состоянии, то концентрация кислорода внутри системы и снаружи (в окружающей среде) будет совершенной разной. Именно из-за этой разницы ионы кислорода двигаются в твердом электролите, а на электродах измерительного элемента возникает разность потенциалов, то есть появляется определенный сигнал кислородного датчика. Блок управления использует этот сигнал для поддержания в камере сгорания оптимального (стехиометрического) соотношения воздуха и топливной жидкости (практически идеальной считается пропорция 14,7:1, где первое значение – это количество воздуха, требуемого для максимально эффективного сгорания топливной смеси).

Кислородный датчик монтируется в отверстие, расположенное в корпусе выпускного коллектора. Однако, если конструкцией предусмотрено еще одно аналогичное устройство, то его ввинчивают в отверстие в приемной трубе, перед .

Вся работа лямбда-зонда основывается на принципе В. Нерста, немецкого ученного, который открыл возможность определения нормального электродного потенциала при помощи кислорода. Что касается рассматриваемого нами устройства, то находящиеся внутри датчика электроды помогают определить количество кислорода, присутствующего в выхлопных газах.

Обратите внимание! Максимальная рабочая эффективность лямбда-зонда будет достигаться лишь при температуре не меньше 300 °C. Именно поэтому устройство оснащается спиралью электроподогрева, создающей подходящий температурный режим до прогрева двигателя.

Кислородный датчик располагается в потоке отработанных газов таким образом, чтобы внешний электрод контактировал с газами, а внутренний – размещался в среде атмосферного воздуха. Исходя из разницы количества кислорода, между внутренними и внешними электродами образовывается электрический заряд, а его максимальная мощность находится на уровне 1 В. Это значение передается, а затем и обрабатывается компьютерным блоком управления работой силового агрегата.

После этого сигнал из блока перемещается на , а они, в свою очередь, определяют требуемое количество топлива. В зависимости от характера сигнала, количество бензина в топливно-воздушной смеси может либо увеличиться, либо уменьшиться. Надо сказать, что лямбда-зонд нашел свое применение не только в автомобильной промышленности, но и в других областях жизнедеятельности человека – в частности, там, где используются устройства для сжигания топлива (к примеру, водонагревательные котлы).

2. Виды кислородных датчиков

Автомобильные датчики кислорода разделяют на виды, исходя из нескольких критериев:

- конструктивных особенностей: 1, 2, 3, 4-х контактные датчики;

Способа крепления в выхлопной трубе: резьбовой и фланцевый;

Ширины измерений лямбды: узкополосные (определяют лямбду при величине >1) и широкополосные (определяют лямбду 0.7-1.6)

Кроме того, на современных транспортных средствах можно встретить датчики на основе двух различных составов. К первому относятся устройства на основе диоксида циркония, а ко второму – лямбда-зонды на основе оксида титана (титановые). Оба вида имеют одинаковый принцип работы, а разница лишь в конструкции.

Следует отметить, что количество проводов на датчике кислорода отображает особенности его внутреннего устройства. Так, одноконтактные устройства имеют всего один сигнальный провод, посредством которого и передаются генерируемые датчиком электроимпульсы. Двухконтактные конструкции состоят уже из двух проводов: сигнального и провода на «массу» (дублирует заземление через корпус). Именно заземляющий провод позволяет более точно оценивать показания сигнального провода.

Трехконтактные кислородные датчики оснащены одним сигнальным проводом, проводом на «массу», а также проводом, идущим на нагревательный элемент. Этот вид характеризуется определенными преимуществами: коротким временем достижения рабочей температуры (а это значит, что количество вредных выбросов при работе холодного мотора будет снижаться), более высоким сроком службы, простотой технического обслуживания.

В конструкцию четырехконтактных датчиков входит один сигнальный провод, один провод питания (идет на нагревательный элемент) и один провод заземления (функции зависят от особенностей устройства системы управления работой мотора). Четвертый провод – это либо еще одно заземление, либо питание для второго нагревательного элемента.

Узкополосные (двухуровневые) датчики кислорода – один из наиболее простых видов подобных устройств. Они имеют достаточно примитивную конструкцию и являются своеобразным генератором волнообразных сигналов. По сути, этот датчик – обыкновенный гальванический элемент, но только в роли электролита здесь представлены керамические соты, свободно пронизывающие ионы кислорода (для того, чтобы они стали полностью проводимыми, требуется нагрев до температуры в 400 °C). Узкополосный датчик может устанавливаться как перед нейтрализатором, так и за ним.

Широкополосный лямбда-зонд представлен в виде более современной конструкции, особенностью которой является возможность корректировки смесеобразования отдельно для каждого цилиндра мотора, и практически мгновенная реакция на изменение процессов, происходящих в двигателе. Этот фактор положительно сказывается на деятельности силового агрегата и в несколько раз снижает количество вредных веществ в выхлопе. Широкополосный лямбда-зонд играет роль входного датчика каталитического нейтрализатора.

3. Признаки неисправности лямбда-зонда

Поскольку от исправного состояния лямбда-зонда напрямую зависит эффективность работы силового агрегата в машине, то нет ничего странного в том, что неисправность этого устройства приведет к рабочим сбоям «сердца» автомобиля. Так, с поломкой датчика кислорода существенно ухудшается качество поступающей в камеру сгорания топливной смеси, которая, по сути, остается бесконтрольной.

Диагностировать какие-либо неполадки в работе лямбда-зонда бывает достаточно сложно, ведь он не ломается сразу, а просто перестает стабильно функционировать. Например, датчик может неправильно считывать показания, что, в свою очередь, способствует некорректной топливоподаче в цилиндры мотора. В тех случаях, когда система управления длительное время не получает информацию о содержании кислорода в отработанных газах, она переключается в режим использования средних показателей, при этом нарушая состав рабочей смеси.

Наиболее характерными симптомами неисправности датчика кислорода являются:

- повышенный расход топливной жидкости;

Нестабильная работа мотора на холостом ходу;

Превышение нормы угарного газа (СО) в выхлопе автомобиля;

Резкое снижение ходовых характеристик транспортного средства.

Более того, если двигатель оснащен двумя лямбда-зондами, то он будет острее реагировать на их некорректную деятельность, а в некоторых случаях вообще может отказаться работать.

4. Почему лямбда-зонд выходит из строя

Обычно срок службы кислородного датчика составляет 30-70 тыс. км пробега автомобиля, но детальные цифры все же зависят от условий эксплуатации транспортного средства. Как показывает практика, более длительным сроком службы могут похвастаться устройства с подогревом, рабочая температура для которых составляет 315-320 °C. К возможным неисправностям кислородного датчика, в первую очередь, следует отнести неработающий подогрев и потерю чувствительности (уменьшение быстродействия), а вот список причин, повлекших за собой выход из строя данного устройства, достаточно обширный. В частности, в него входят:

- использование низкокачественного топлива, составляющие компоненты которого просто забивают платиновые электроды;

Попадание в выхлопную трубу масла и плохое состояние маслосъемных колец;

Попадание на керамический наконечник датчика различных моющих жидкостей, растворителей и антифриза;

Перегрев корпуса лямбда-зонда из-за неправильно выставленного угла опережения зажигания;

Сбои в системе зажигания и хлопки в выхлопной трубе;

Переобогащенная топливовоздушная смесь;

Использование при монтаже лямбда-зонда герметиков, которые вулканизируются при комнатной температуре;

- многократные попытки запуска силового агрегата через небольшие промежутки времени (в результате это приводит к накапливанию в выпускном трубопроводе остатков несгоревшего топлива, которое может воспламениться);

Плохой контакт, обрыв или замыкание на «массу» выходной цепи датчика.

Если не расписывать каждую причину в отдельности, то можно сказать, что основанием для выхода из строя кислородного датчика является:

- разгерметизация его корпуса;

Попадание вовнутрь воздуха и отработанных газов;

Перегрев лямбда-зонда (причина обычно кроется в низкокачественной покраске мотора и неправильной работе системы зажигания);

Неправильное или нестабильное электрическое питание, которое ведет к основному блоку управления;

Неправильные действия автовладельца (выражаются в использовании низкокачественного топлива и неаккуратных действиях при обслуживании автомобиля);

Различные механические повреждения, появившиеся в результате небрежной эксплуатации транспортного средства.

Следует отметить, что во всех перечисленных случаях (кроме последнего) поломка лямбда-зонда происходит постепенно, поэтому неопытные автовладельцы, которые не знакомы с этим устройством, вряд ли сразу заметят неисправность.

Процесс выхода из строя кислородного датчика можно разбить на несколько этапов:

1. Появление сбоев в работе (в определенных рабочих режимах силового агрегата датчик кислорода просто перестает подавать сигнал, что не может не дестабилизировать налаженность холостых оборотов). На этом этапе можно услышать нехарактерные для двигателя хлопки и увидеть загоревшуюся сигнальную лампочку на приборной панели.

2. Отказ в работе на непрогретом двигателе. Отмечается существенная потеря мощности, замедленная реакция на нажатие педали акселератора, «хлопки» из-под капота, неоправданное дерганье транспортного средства и перегрев силового агрегата.

Если вовремя не заметить проблему, то вполне возможно, что датчик разгерметизируется, а значит, последующая эксплуатация транспортного средства будет невозможной. Конечно, если вы не хотите получить куда более серьезную проблему – дорогостоящий ремонт силового агрегата. Основным признаком разгерметизации является потеря мощности, характерное постукивание в подкапотном пространстве и неприятный запах выхлопа. Также, заглянув под капот, вы можете заметить видимый осадок сажи в области свечей и на корпусе выпускных клапанов.

Чаще всего отремонтировать датчик кислорода просто невозможно, и об этом свидетельствуют многочисленные утверждения производителей автомобилей. Правда, нужно отметить, что завышенная стоимость данного узла у официальных дилеров напрочь отбивает желание его покупки, поэтому, в качестве альтернативного варианта, можно приобрести универсальное устройство, которое стоит значительно дешевле «родного» механизма и подходит практически к любой модели автомобилей. Также можно попытаться найти лямбда-зонд, который уже находился в использовании, но гарантийный период еще не истек, или же полностью заменить выпускной коллектор вместе с находящимся в нем датчиком.

Иногда встречаются случаи, когда из-за сильного загрязнения кислородный датчик работает с определенной погрешностью. Но для того, чтобы убедиться в своих догадках, придется проверить лямбда-зонд на специальном оборудовании, которое имеется в распоряжении сервисных центров. Если проверка подтвердит факт его полной работоспособности, тогда лямбда-зонд придется демонтировать, почистить и установить на прежнее место.

Для того чтобы снять кислородный датчик, поверхность его корпуса нагревают до 50 °C, а после того, как он окажется в ваших руках, с него необходимо будет снять защитный колпачок, и только выполнив это действие, можно переходить к непосредственной очистке. В качестве эффективного чистящего средства специалисты рекомендуют использовать ортофосфорную кислоту, способную справиться даже с самыми сложными горючими отложениями.

Завершающим этапом очистительных мероприятий (сразу после отмачивания устройства) должна стать его промывка в чистой воде, тщательная сушка и установка на свое место. Не стоит забывать и о смазке резьбы специальными герметизирующими средствами, которые помогут обеспечить полную герметичность.

В тех случаях, когда результаты диагностики показали необратимую поломку лямбда-зонда, его нужно заменить новым элементом. Только помните! Любой датчик должен сниматься и устанавливаться лишь с использованием специальных инструментов. Если же вы решили повторно установить то же устройство, тогда резьбу следует обработать специальной монтажной пастой. Постарайтесь избегать попадания монтажного состава на защитную трубку, так как в противном случае вы легко добьетесь рабочих сбоев устройства.

Нужно отметить и тот факт, что выпускаемые сегодня кислородные датчики заранее обрабатываются монтажной пастой, и все, что требуется при установке, – это соблюдать указанный производителем момент затяжки (обычно от 40 до 60Нм).

Как бы там ни было, но любой датчик кислорода требует к себе бережного отношения, а это означает, что механические повреждения или попадание в соединительный разъем контактного спрея, смазки или специальных промывочных жидкостей (используются при очистке мотора) должны быть полностью исключены.

Подписывайтесь на наши ленты в

Гальванический элемент состоит из двух разных металлов, находящихся в растворе электролита. В растворе металлы могут образовывать ионы с разной интенсивностью и заряжаться с разной интенсивностью электронами. В результате между металлами возникает разность потенциалов.

Рис. 1. Гальванический элемент: 1 - первый электрод (металл №1); 2 - электролит; 3 - второй электрод (металл №2).

Пример применения:

1. Аккумуляторная батарея автомобиля;
2. Обогреваемый лямбда-зонд.

Принцип работы лямбда-зонда

Лямбда-зонд (λ-зонд) — датчик кислорода. Он позволяет оценивать количество оставшегося свободного кислорода в выхлопных 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.

Обычные лямбда-зонды работают по тому же принципу, что и гальванический элемент, за исключением того, что в них содержится не жидкий, а твердый электролит, а именно - диоксид циркония (ZrO 2). Начиная с 300°С этот керамический элемент пропускает ионы кислорода, но не пропускает электроны. Только в таких условиях циркониевый электролит приобретает проводимость, а разница в количестве атмосферного кислорода и кислорода в выхлопной трубе ведет к появлению на электродах лямбда-зонда выходного напряжения.

Твердый электролит - это материал, обладающий в широком интервале температуры ионной проводимостью, сравнимой с жидкими электролитами. Проводимость обусловлена тем, что в структуре твердых электролитов ионы обладают значительной подвижностью, т.е. не привязаны строго к определенным узлам кристаллической решетки. Они занимают промежуточное положение между кристаллом с регулярной структурой и жидким электролитом. Грубо говоря, можно сказать, что твердый электролит - «это ионная жидкость в кристалле». Этому представлению достаточно полно соответствуют такие часто используемые электролиты как ZrO 2 , стабилизированный CaO или Y 2 O 3 , который характеризуется кислород-ионной проводимостью.

Рис. 2. Зависимость напряжений лямбда-зонда от коэффициента избытка воздуха (l) при температурах датчика 500°С, 800°С, 900°С.

Для измерения количества кислорода в выхлопных газах в большинстве датчиков используется диоксид циркония (ZrO 2) и два электрода. Электроды служат для возможности определения количества ионов O 2 на каждой поверхности слоя твердого электролита ZrO 2 .

Рис. 3. Устройство лямбда-зонда и зависимость напряжений лямбда-зонда от содержания (в %) кислорода в топливо-воздушной смеси: 1 - защитное пористое покрытие (со стороны впускных газов); 2 - пористый электрод Pt (+ZrO 2); 3 - твердый электролит ZrO 2 (+Y 2 O 3); 4- пористый электрод Pt (+ZrO 2) (со стороны эталонного воздуха).

Одна сторона твердого электролита ZrO 2 контактирует с выхлопными газами, а другая сторона контактирует с эталонным воздухом. Разница в концентрации кислорода на каждой стороне твердого электролита создает перемещение ионов O 2 внутри слоя ZrO 2 . Это означает, что сторона, контактирующая с эталонным воздухом всегда имеет стабильную концентрацию, а сторона, контактирующая с выхлопными газами будет иметь изменяемую концентрацию кислорода. Богатая топливо-воздушная смесь приводит к уменьшению содержания кислорода в выпускных газах, а бедная смесь - к увеличению содержания кислорода.

При богатой топливо-воздушной смеси электроны будут накапливаться на электроде, контактирующем с эталонным воздухом и на электродах твердого электролита ZrO 2 создается разность потенциалов около 0.8 В (разница в концентрации кислорода 21%, т.к. при давление 1 атм. в воздухе содержится примерно 21% кислорода).

При бедной топливо-воздушной смеси (увеличивается содержание кислорода) распределение ионов O 2 в объеме твердого электролита ZrO 2 будет более равномерным. Это означает, что разность потенциалов между электродами будет ниже, приблизительно 0.1 В (разница в концентрации кислорода, примерно 0%).

Устройство и принцип работы лямбда-зонда можно рассмотреть на примере кислородной концентрационной ячейки с твердым электролитом (рис. 4).

Рис. 4. Кислородная концентрационная ячейка с твердым электролитом

Ячейка состоит из двух систем - стандарта и образца, которые разделены керамикой (твердый электролит) с кислород-ионной проводимостью на основе диоксида циркония. В каждую из систем подведен инертный платиновый электрод. За счет разницы давлений кислорода в системах стандарта и образца возникает ток ионов кислорода через твердый электролит из системы с большим давлением в систему с меньшим. Этот процесс происходит за счет возможности свободного приема и отдачи электронов на инертных электродах согласно химической реакции: O 2 + 4e - = 2O 2 - . В свою очередь, ток ионов кислорода в твердом электролите прямо связан с ЭДС, возникающей на электродах, которую можно измерить вольтметром.

Разновидности лямбда-зондов

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.

Основная разница такого зонда по отношению к обычным λ-зондам — это комбинация сенсорных ячеек и так называемых накачивающих ячеек. Ячейки разделены диффузионным зазором шириной от 0,01 до 0,05 мм. Состав его газового содержимого постоянно соответствует λ=1, что для сенсорной ячейки значит напряжение в 450 милливольт. Содержание газа в зазоре и вместе с ним напряжение сенсора поддерживаются посредством различных напряжений, прикладываемых к накачивающей ячейке. При бедной смеси и напряжении сенсора ниже 450 милливольт ячейка выкачивает кислород из диффузионной полости. Если смесь богатая и напряжение лежит выше 450 милливольт, ток меняет свое направление, и накачивающие ячейки транспортируют кислород в диффузионные расщелины. При этом интегрированный нагревающий элемент устанавливает температуру области от 700 до 800 градусов.

При отказе датчика система переходит в аварийный режим без коррекции содержания воздуха в смеси.

Широкополосный датчик позволяет получить несколько иную зависимость напряжений лямбда-зонда от содержания (в %) кислорода в топливо-воздушной смеси (рис. 5).

Рис. 5. Зависимость напряжений широкополосного лямбда-зонда от содержания (в %) кислорода в топливо-воздушной смеси.

Кроме циркониевых, существуют кислородные датчики на основе двуокиси титана (TiO 2). При изменении содержания кислорода (О 2) в отработавших газах они изменяют свое объемное сопротивление. Генерировать ЭДС титановые датчики не могут; они конструктивно сложны и дороже циркониевых, поэтому, несмотря на применение в некоторых автомобилях (Nissan, BMW, Jaguar), широкого распространения не получили.

Для повышения чувствительности лямбда-зондов при пониженных температурах и после запуска холодного двигателя используют принудительный подогрев. Нагревательный элемент (НЭ) расположен внутри керамического тела датчика и подключается к электросети автомобиля (рис. 6).

Рис. 6. Конструкция датчика кислорода с подогревателем.

Схема установки и условия работы лямбда-зонда

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.

Рис. 7. Схема датчика кислорода на основе диоксида циркония, расположенного в выхлопной трубе: 1 - твердый электролит ZrO 2 ; 2, 3 - наружный и внутренний электроды; 4 - контакт заземления; 5 - "сигнальный контакт"; 6 - выхлопная труба.

Рис. 8. Контактные выводы наиболее распространенных циркониевых лямбда-зондов: а - без подогревателя; б, с - с подогревателем.

Лямбда-зонд - наиболее уязвимый датчик автомобиля с системой впрыска. Его ресурс составляет 40 - 80 тыс. км в зависимости от условий эксплуатации и исправности двигателя. Плохое состояние маслосъемных колец, попадание антифриза в цилиндры и выпускные трубопроводы, обогащенная топливно-воздушная смесь, сбои в системе зажигания сильно сокращают срок его службы. Применение этилированного бензина категорически недопустимо.

Источники:

VMTC, Electronic components and sensors, Moscow, June 2008.

https://ru.wikipedia.org/wiki/Лямбда-зонд

Лямбда-зонд. Агент экологической разведки

О назначении лямбда-зонда, или кислородного датчика, сегодня хотя бы приблизительно знает большинство автовладельцев. Пополнить багаж знаний позволит информация, предоставленная российским представительством группы компаний Bosch.

Принцип действия лямбда-зонда

При сгорании в бензиновом двигателе происходит физико-химический процесс, в ходе которого углеводородные молекулы топлива реагируют с кислородом, содержащимся в поступающем воздухе. Возникающие при этом химические соединения на 99% безвредны (азот, углекислый газ, водяной пар), но оставшийся процент содержит вредные элементы, такие, как угарный газ CO, несгораемые углеводороды HC и окиси азота NOx. Одной из целей развития автомобильных технологий является устранение этих компонентов эмиссии в максимально возможной степени. Ключевыми факторами при этом являются оптимизация процесса сгорания в двигателе и система очистки выхлопа.

Трехканальный каталитический конвертер по-прежнему остается наиболее эффективным средством преобразования HC и CO в безопасные воду и углекислый газ (окисление) и NOx в азот (восстановление) в бензиновых двигателях. В то же время катализатор работает только в узком диапазоне пропорций воздушно-топливной смеси, близком к 14,7:1 (λ=1). Если смесь перенасыщена топливом (λ«1), коэффициент преобразования NOx остается высоким, но CO и HC окисляются недостаточно. Если смесь слишком бедная (λ>1), ситуация меняется на противоположную.

Для поддержания оптимальной пропорции воздушно-топливной смеси необходим датчик, передающий сведения о составе выхлопных газов в систему управления двигателем. Именно для этого служит лямбда-зонд, измеряющий остаточное содержание кислорода в выхлопном газе и передающий эти данные в блок управления в форме электрического сигнала. В зависимости от сигнала воздушно-топливная смесь обогащается или обедняется. В дизельных двигателях лямбда-зонд выполняет другую функцию: вместе с массовым расходомером воздуха он помогает точно определять степень рециркуляции выхлопных газов для каждого рабочего режима.

Типы зондов

За последние тридцать лет получили распространение два типа лямбда-зондов - стоковые LSH и LSF и широкополосные LSU. В стоковых выхлопные газы проходят по внешней стороне керамического измерительного элемента, внутри которого находится эталонный воздух. В зависимости от остаточного содержания кислорода в выхлопе, на двух полюсах сенсорного элемента возникает разная концентрация молекул кислорода. Поскольку керамический датчик пропускает ионы кислорода, они могут перемещаться между двумя сторонами сенсорной ячейки, создавая электрическое напряжение. Стоковые датчики генерируют высокое напряжение (около 0,9 В) при насыщенной смеси (низкое содержание остаточного кислорода в выхлопных газах) и низкое (около 0,1 В) - при бедной смеси (высокое содержание кислорода). Скачок напряжения между отдельными уровнями происходит при λ=1. Классический стоковый зонд с подогревом или без представляет собой так называемый контактный датчик. В 1994 г. компания Bosch первой в мире начала на базе керамической планарной технологии серийный выпуск стоковых зондов, устойчивых к высоким температурам и воздействиям окружающей среды. Современное поколение зондов LSF4.2 отличается быстрым временем реагирования, готовностью к работе через 10 секунд после пуска двигателя и долгим сроком службы.

Широкополосные зонды, выпускающиеся с 1998 г., отличаются от стоковых более широким диапазоном измерения и производятся исключительно на базе планарной технологии. Принцип действия широкополосного зонда основан на постоянном поддержании значения λ=1 в измерительной камере при помощи насосного тока. Измерительная камера отделена от потока выхлопных газов пористым диффузионным барьером. При насыщенной смеси в измерительную ячейку накачивается кислород, для чего к насосной ячейке подводится «отрицательный» ток. При λ=1 насосный ток равен нулю. При обедненной смеси кислород выкачивается из измерительной ячейки «положительным» током.

Исходящий сигнал широкополосного зонда пропорционален остаточному содержанию кислорода в выхлопных газах. Такие датчики необходимы, прежде всего, в бензиновых двигателях с прямым впрыском на обедненных смесях, а также в газовых и дизельных двигателях, чтобы блок управления двигателем мог получать точные данные о составе смеси даже при λ>1. Последнее поколение широкополосных зондов Bosch, LSU4.9, поддерживает диапазон измерений при значениях от 0,7 до бесконечности, а также отличается высоким уровнем точности сигнала и временем реагирования менее 30 мс. Благодаря этому возможен индивидуальный контроль состава смеси для каждого цилиндра и, как следствие, более экономичная и экологичная работа двигателя. Полная готовность датчика к работе достигается в течение менее 10 секунд после пуска двигателя, что позволяет еще больше сократить вредные выбросы в фазе прогрева.

Текущие разработки

Лямбда-зонды Bosch© Фото: BoschСтоковые и широкополосные зонды еще долго будут использоваться в современных транспортных средствах, при этом выбор типа датчика автопроизводителем будет зависеть от конструкции двигателя и профиля требований. В некоторых случаях могут применяться комбинации зондов обоих типов. Например, с широкополосным датчиком перед катализатором и стоковым после него.

Лямбда-зонды непрерывно совершенствуются: в настоящее время специалисты Bosch разрабатывают передовой широкополосный датчик с расширенным диапазоном измерения, сокращенным временем реагирования и намного более долгим сроком службы. Новый зонд под условным названием LSU ADV должен поступить в серийное производство в 2007 г. По заявлениям Bosch, он способен обнаруживать остаточное содержание кислорода в выхлопных газах уже при λ=0,65, время реагирования составляет менее 30 мс, а в рабочее состояние зонд приходит всего за 5 секунд. Разработчики компании утверждают, что характеристики зонда LSU ADV делают возможными совершенно новые функции и способы применения, например мониторинг насоса дополнительного воздуха в фазе прогрева или монтаж зонда перед турбокомпрессором. Установка датчика рядом с двигателем позволяет еще точнее контролировать состав смеси индивидуально для каждого цилиндра. Другие направления совершенствования лямбда-зонда - повышение водостойкости и миниатюризация, связанная с постоянным сокращением монтажного пространства в современных автомобилях.

Справка

Группа компаний Bosch является ведущим международным производителем автомобильного и промышленного оборудования, потребительских и бытовых изделий. Объем продаж корпорации, штат которой насчитывает около 250 тысяч сотрудников, составил в 2005 финансовом году 41,5 млрд евро. Основанная Робертом Бошем (1861–1942) в 1886 году в Штутгарте под названием «Мастерская точной механики и электротехники», компания в настоящее время является крупнейшим концерном в области производства, сбыта и технического обслуживания, насчитывая около 270 дочерних компаний и свыше 12 тысяч сервисных центров в более чем 140 странах.

Особая учредительская структура группы компаний Bosch гарантирует ее финансовую независимость и свободу предпринимательства. Она позволяет компании осуществлять необходимые инвестиции, обеспечивающие ее будущее, а также выполнять все социальные обязательства, как было завещано ее основателем. 92% Robert Bosch GmbH принадлежат благотворительному фонду Robert Bosch Stiftung. Предпринимательская деятельность осуществляется компанией Robert Bosch Industrietreuhand KG.

В России в 1904 году было открыто одно из первых зарубежных представительств компании. В настоящее время Bosch представлена пятью компаниями и производственными филиалами в 14 городах Российской Федерации с общим штатом 1720 человек. Bosch представляет в России широкую линейку высококачественных продуктов: от автомобильных запчастей, диагностического оборудования и электроинструментов до бытовой техники, систем безопасности и промышленного оборудования.

В 2005 году консолидированные продажи на российском рынке увеличились с?248 млн до?287 млн. Общие продажи за прошедший финансовый год, включая показатели неконсолидированных предприятий, возросли с?321 млн до?402 млн.

Оптимальная работа автомобильного двигателя возможна только при работоспособности всех узлов и систем. При поломке одного из основных компонентов мотор может работать с перебоями, что будет доставлять неудобства автолюбителю. Что такое лямбда-зонд, в чем заключается его принцип действия, как произвести диагностику и очистку контроллера? Ответы на эти вопросы вы найдете ниже.

Характеристика лямбда-зонда

Что такое датчик кислорода или лямбда-зонд, где находится устройство, в чем заключается его принцип работы, какие функции выполняет этот регулятор? Для начала разберем основные характеристики — назначение, а также где может располагаться девайс.

Назначение и функции

Кислородный датчик представляет собой устройство сопротивления, этот девайс расположен перед катализатором, на впускном коллекторе. Данные, которые передает кислородный датчик, обрабатываются управляющим блоком и используются для поддержания необходимого состава топливовоздушной смеси. Лямбда-зонд передает сигнал на ЭБУ, если в камеры сгорания подается очень богатая или бедная горючая смеси. В соответствии с полученными данными, которые передает кислородный датчик, блок управления регулирует подачу воздуха и топлива для образования смеси.

Устройство и принцип работы

В чем заключается принцип работы кислородного датчика?

Любой универсальный лямбда-зонд включает в свою конструкцию такие составляющие:

1. Корпус универсального регулятора, который обычно выполнен из металла. На корпусе переднего верхнего или нижнего регулятора также имеется резьба, с помощью которой лямбда-зонд устанавливается в посадочное место. В корпусе также будет отверстие, позволяющее обеспечить вентиляция регулятора.
2. Уплотнительная резина, позволяющая обеспечить герметичность.
3. Керамический изолятор.
4. Наконечник, выполненный из керамики.
5. Контакты для подключения к бортовой сети.
6. Защитный щиток, на котором имеется отверстие для выпуска отработанных газов.
7. Нагревательный компонент устройства.
8. Спираль, которая монтируется в отдельном резервуаре.

Будь то первый или второй кислородный датчик, устройство изготавливается из термостойкого материала. Это важно, поскольку регулятор функционирует под нагревом, при повышенных температурах. Устройство может относится к одному из нескольких видов, которые отличаются между собой по количеству контактов — одно-, двух-, трех- и четырехпроводные.

Диагностический датчик концентрации кислорода используется для обеспечения правильного расчета нужного объема горючего для определенного объема воздушного потока, подающегося в цилиндры. Устройство выполняет расчет этих значений в соответствии с экологической, а также экономической точки зрения. Это также важно, поскольку в настоящее время к транспортным средствам предъявляются жесткие требования в плане экологической безопасности. Диагностический датчик концентрации кислорода позволяет снизить вред для окружающей среды, основываясь на количестве содержащихся вредоносных для экологии веществ в выхлопных газах.

Причины и симптомы неисправностей

Если в работе регулятора есть неисправности, это может привести к более нестабильной работе двигателя.

По каким причинам кислородный датчик может выйти из строя:

1. В электроцепи произошел обрыв, в частности, в месте подключения устройства к сети. Также причина может заключаться в плохом контакте контроллера или их окислении.
2. Замыкание в работе девайса.
3. Загрязнение — одна из самых часто встречаемых проблем. Такая неисправность, как правило, обусловлена регулярной заправкой транспортного средства низкокачественным горючим.
4. Термические перегрузки регулятора. Такие проблемы, как правило, обусловлены неполадками в работе системы зажигания.
5. Постоянное использование автомобиля по бездорожью может привести к серьезным вибрациям и, как следствие, повреждению регулятора.
6. Лямбда-зонд может перестать функционировать в результате попадания в цилиндры двигателя, а также во впускные магистрали антифриза.
7. Выход из строя нагревателя датчика кислорода. Обычно эта проблема обусловлена износом устройства.
8. Еще одной причиной, по которой устройство может отказаться работать, является работа двигателя на обогащенной топливовоздушной смеси.

В том случае, если объем монооксида углерода увеличится до 3% и выше вместо нормативных 0.1-0.3%, это говорит о поломке контроллера. При такой проблеме регулятор демонтируется с помощью съемника и меняется (съемник можно приобрести в любом автомагазине). Съемник представляет собой ключ, позволяющий значительно проще демонтировать устройство. Но если съемника нет, можно обойтись и без него.

Предлагаем более подробно ознакомиться с причинами, которые позволят выявить неисправность девайса:

• повысился расход горючего;
• плавающие обороты при работе двигателя, в частности, на холостом ходу;
• при наборе скорости ощущаются рывки;
• появились сбои в работе катализатора;
• возросла концентрация вредных веществ и токсинов в отработанных газах.

Фотогалерея «Схемы лямбда-зонда»

1. Распиновка датчика кислорода 2. Схема обманки второй лямбды

Инструкция по очистке кислородного датчика своими руками

Теперь расскажем о том, как производится диагностика и чистка кислородного датчика. Начнем с проверки устройства.

Диагностика

Прежде чем приступить к проверке, нужно прогреть регулятор, для этого следует запустить двигатель и дать ему поработать около 10 минут. Это позволит обеспечить наиболее оптимальную проводимость электролита, а также образование выходного напряжения на датчике. Процедура диагностики осуществляется без отключения зонда, на запущенном и прогретом двигателе. Сам процесс диагностики осуществляется с применением осциллографа, поскольку такое оборудование позволяет получить самый точный результат.

Если нормированный параметр напряжения отличается от полученного в ходе диагностике, то зонд подлежит замене. Значение напряжения должно составлять не менее 10.5 В при включенном зажигании. При пониженном напряжении необходимо произвести диагностику качества подключения датчика и разъемов, кроме того, следует убедиться в том, что сам аккумулятор не разряжен.

Также следует проверить и сопротивление девайса, для этого надо будет отключить разъем. В идеале значение сопротивления должно варьироваться в районе 2-14 Ом, однако данный показатель зависит от конкретного девайса (автор видео о самостоятельной диагностике — канал v_i_t_a_l_y).

Очистка

Если зонд выходит из строя, то, как правило, он подлежит замене, но в некоторых случаях от проблемы можно избавиться путем очистки девайса . Перед тем, как почистить, необходимо отключить лямбда-зонд и демонтировать, процедура очистки актуальна в том случае, если под защитным колпачком девайса имеются отложения.

Итак, как выполнить прочистку своими руками:

1. От регулятора нужно отключить питание.
2. Используя съемник, контроллер извлекается из посадочного места. Если съемника нет, демонтируйте девайс руками.
3. Непосредственно сама процедура очистки с помощью ортофосфорной кислоты. Сам девайс следует поместить в емкость с кислотой примерно на 10-20 минут. За это время кислота должна успеть удалить все отложения и окисления, не нарушив целостность электродов. Для большей эффективности очистки можно демонтировать защитный колпачок, которые необходимо демонтировать на токарном станке.
4. Когда процедура очистки будет завершена, регулятор надо будет промыть водой, а также просушить.

Если после выполненных действий работоспособность регулятора не удалось восстановить, девайс подлежит замене. Меняя контроллер, убедитесь в том, что разъемы на заменяемых девайсах одинаковые.

Видео «Замена лямбды в автомобиле Hyundai Accent своими руками»

В ролике ниже представлена подробная инструкция по самостоятельной замене кислородного контроллера в автомобиле Hyundai Accent (автор видео — канал oasex).