Зачем нужен "этот" лямбда-зонд
Автолюбитель пошел нынче грамотный — даже владельцев стареньких "Жигулей" не удивишь заморскими словечками ABS, ESP, Jetronic, катализатор, инжектор, лямбда-зонд… Последний термин, правда, больше волнует владельцев иномарок. Случается, в автомобиле вдруг "тяга" упала, он стал есть бензин: как не в себя, опять оштрафовали за СО, а причина всего этого неизвестна. На СТО мастера скажут: "Лямбда сдохла", предложат ее заменить, но цены! А не поможет, тогда что? Среди знакомых никто толком не знает, как к "лямбде" подступиться: "вещь в себе"… Действительно, лямбда-зонд — штука загадочная, но все же давайте попробуем в этой загадке разобраться.
Лямбда-датчик зондирует выхлоп
Зачем нужен лямбда-зонд
Жесткие экологические нормы давно узаконили применение на автомобилях каталитических нейтрализаторов (в обиходе — катализаторы) — устройств, способствующих снижению содержания вредных веществ в выхлопных газах. Катализатор вещь хорошая, но эффективно работает лишь при определенных условиях. Без постоянного контроля состава топливно-воздушной смеси обеспечить катализаторам "долголетие" невозможно — вот тут и приходит на помощь датчик кислорода, он же О2-датчик, он же лямбда-зонд (ЛЗ).
Название датчика происходит от греческой буквы l (лямбда), которая в автомобилестроении обозначает коэффициент избытка воздуха в топливно-воздушной смеси. При оптимальном составе этой смеси, когда на 14,7 части воздуха приходится 1 часть топлива, l равна 1 (график 1). "Окно" эффективной работы катализатора очень узкое: l=1±0,01. Обеспечить такую точность возможно только с помощью систем питания с электронным (дискретным) впрыском топлива и при использовании в цепи обратной связи лямбда-зонда.
Избыток воздуха в смеси измеряется весьма оригинальным способом — путем определения в выхлопных газах содержания остаточного кислорода (О2). Поэтому лямбда-зонд и стоит в выпускном коллекторе перед катализатором. Электрический сигнал датчика считывается электронным блоком управления системы впрыска топлива (ЭБУ), а тот в свою очередь оптимизирует состав смеси путем изменения количества подаваемого в цилиндры топлива. На некоторых современных моделях автомобилей имеется еще один лямбда-зонд. Расположен он на выходе катализатора. Этим достигается большая точность приготовления смеси и контролируется эффективность работы катализатора (рис. 1).
График 1. Зависимость мощности двигателя (P) и расхода топлива (Q) от коэффициента избытка воздуха (l)
Полное сгорание и максимальная мощность достигается при l=1.
Рис. 1. Схема l-коррекции с одним и двумя датчиками кислорода двигателя
1 — впускной коллектор; 2 — двигатель; 3 — блок управления двигателем; 4 — топливная форсунка; 5 — основной лямбда-зонд; 6 — дополнительный лямбда-зонд; 7 — каталитический нейтрализатор.
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 (рис.2). 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.
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 (график 2).
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.
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. 3).
Читайте также: Пневмостойки на лексус rx300
График 2. Зависимость напряжений лямбда-зонда от коэффициента избытка воздуха (l) при температуре датчика 500-800оС
А — условная точка средних показаний (Uвых " 0,5 В, при l=1,0). (Обогащение смеси (уменьшение О2 в выхлопе). Обеднение смеси (увеличение О2 в выхлопе).
Рис. 3. Конструкция датчика кислорода с подогревателем
1 — керамическое основание; 2, 8 — контакты НЭ; 3 — нагревательный элемент (НЭ); 4 — твердый электролит ZrO2 с напыленными платиновыми электродами; 5 — защитный кожух с прорезями; 6 — металлический корпус с резьбой крепления; 7 — уплотнительное кольцо; 9 — выводы датчика.
В этом случае ЭБУ начинает работать по усредненным параметрам, записанным в его памяти: при этом состав образующейся топливно-воздушной смеси будет отличаться от идеального. В результате появится повышенный расход топлива, неустойчивая работа двигателя на холостом ходу, увеличение содержания СО в отработавших газах, снижение динамических характеристик, но машина при этом остается на ходу. В некоторых моделях автомобилей ЭБУ реагирует на отказ лямбда-зонда очень серьезно и начинает так рьяно увеличивать количество подаваемого в цилиндры топлива, что запас горючего в баке "тает" на глазах, из трубы валит черный дым, СО "зашкаливает", а двигатель "тупеет" и на ближайшую СТО вам, скорее всего, придется добираться на буксире.
Перечень возможных неисправностей лямбда-зонда достаточно большой и некоторые из них (потеря чувствительности, уменьшение быстродействия) самодиагностикой автомобиля не фиксируются. Поэтому окончательное решение о замене датчика можно принять только после его тщательной проверки, которую лучше всего поручить специалистам. 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".
При сгоревшем или отключенном лямбда-зонде содержание СО в выхлопе возрастает на порядок: от 0,1 — 0,3% до 3 — 7% и уменьшить его значение не всегда удается, т. к. запаса хода винта качества смеси может не хватить. 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 практически невозможно.
Вообще 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 — свинец "отравляет" платиновые электроды лямбда-зонда за несколько бесконтрольных заправок.
Рис. 2. Схема датчика кислорода на основе диоксида циркония, расположенного в выхлопной трубе
1 — твердый электролит ZrO2; 2, 3 — наружный и внутренний электроды; 4 — контакт заземления; 5 — "сигнальный контакт"; 6 — выхлопная труба.
Рис. 4. Контактные выводы наиболее распространенных циркониевых лямбда-зондов
а — без подогревателя; б, с — с подогревателем.
* цвет вывода может отличаться от указанного.
Махнем не глядя!
Рекомендованный заводом-изготовителем лямбда-зонд и сходные по конструкции циркониевые датчики взаимозаменяемы. Возможна замена неподогреваемых датчиков на подогреваемые (но не наоборот!). Однако при этом может возникнуть проблема несовместимости разъемов и отсутствия в машине цепи питания для нагревателя лямбда-зонда. Недостающие провода можно проложить самостоятельно, а вместо разъема использовать стандартные автомобильные контакты.
Цветовая маркировка выводов лямбда-зондов может различаться, но сигнальный провод всегда будет иметь темный цвет (обычно — черный). "Массовый" провод может быть белым, серым или желтым (рис. 4). Титановые лямбда-зонды от циркониевых легко отличить по цвету "накального" вывода подогревателя — он всегда красный. При замене 3-контактного лямбда-зонда на 4-контактный необходимо надежно соединить с "массой" автомобиля провод заземления подогревателя и сигнальный "минус", а накальный провод подогревателя через реле и предохранитель подключить к "плюсу" аккумулятора.
Подключение напрямую к катушке зажигания нежелательно, т. к. в цепи ее питания может стоять понижающее сопротивление. Подключиться к контактам топливного насоса достаточно сложно. Лучше всего подключить реле подогревателя лямбда-зонда к замку зажигания.
Читайте также: Ролик ремня генератора гранта с кондиционером
Введение жёстких экологических норм подтолкнуло автопроизводителей использовать на автомобилях катализаторы. Это устройства, которые помогают снизить содержание токсичных веществ в выхлопных газах. Каталитический нейтрализатор – вещь полезная, но эффективно работает только при определённых условиях. Если не контролировать постоянно состав топливно-воздушной смеси, то катализаторы долго не прослужат.
И здесь приходит на помощь лямбда зонд или так называемый датчик кислорода (в английской литературе его называют Lambda probe или Oxygen sensor). Ниже рассмотрим подробнее, что такое лямбда зонд, как он работает и для чего используется.
Как работает лямбда зонд
Схема работы лямбда зонда
Как сказано выше, лямбда зонд это датчик кислорода. Он измеряет количество кислорода в выхлопных газах. Для корректного измерения ему нужно прогреться до температуры 300 – 400°С. Именно в таких условиях электролит, входящий в конструкцию кислородного датчика, приобретает проводимость. При этом разница в объёме атмосферного кислорода и кислорода, содержащегося в выхлопной трубе, приводит к возникновению выходного напряжения на электродах лямбда-зонда.
При запуске и прогреве холодного двигателя впрыск топлива происходит без использования данных от датчика кислорода, вместо этого состав топливно-воздушной смеси корректируется по сигналам других датчиков:
- числа оборотов коленвала;
- температуры охлаждающей жидкости;
- положения дроссельной заслонки.
Чтобы повысить чувствительность лямбда-зондов при низких температурах и после запуска холодного мотора, применяют принудительный подогрев. Внутри керамического тела датчика находится нагревательный элемент, который подключается к автомобильной электросети.
Читайте также: Датчик массового расхода воздуха или ДМРВ , что это такое, как работает и для чего нужно.
Зачем нужен лямбда зонд
Как выглядит лямбда зонд уже в автомобиле
Лямбда зонд используется для поддержания оптимального состава воздуха и топлива, поступающего в двигатель автомобиля. Оптимальным считается такой состав, когда на 14,6-14,8 части воздуха приходится одна часть топлива. Это можно обеспечить только при помощи систем питания с электронным впрыском и при использовании лямбда зонда в цепи обратной связи.
Замер переизбытка воздуха в смеси осуществляется довольно оригинальным способом – при помощи определения в отработавших газах содержания остаточного кислорода. Именно поэтому лямбда зонд установлен перед катализатором в выпускном коллекторе. Электрический сигнал датчика считывается электронным блоком управления (ЭБУ), а тот, в свою очередь, оптимизирует состав смеси, изменяя количество топлива, подаваемого в цилиндры двигателя.
На некоторых моделях автомобилей на выходе из катализатора расположен ещё один лямбда-зонд. Это позволяет достичь большей точности приготовления смеси и контролировать эффективность работы катализатора.
В зависимости от конструкции, различают два вида датчика:
- широкополосный – используется в качестве входного датчика;
- двухточечный – может устанавливаться и на входе, и на выходе из катализатора. Его принцип работы основан на измерении количества кислорода в атмосфере и выхлопных газах.
Видео о лямбда-зонде
Обманка лямбда зонда
Обманка лямбда зонда
Кислородный датчик подаёт сигнал тогда, когда он обнаружил изменения в содержании кислорода. Данный сигнал передаётся на контроллер, который его принимает и сравнивает полученную информацию с показателями, заложенными в памяти. Если полученные данные не совпадают с оптимальными значениями, то блок управления изменяет длительность впрыска. Этим достигаются следующие показатели:
- экономия топлива;
- максимальная эффективность работы двигателя;
- уменьшение объёма вредных выхлопов.
Но немногие автолюбители прислушиваются к этим рекомендациям и начинают вспоминать о датчике только при появлении проблем. В итоге большинство водителей видят на приборной панели загоревшийся индикатор Check Engine. Причиной этому, скорее всего, стал вышедший из строя либо некорректно работающий кислородный датчик. Решением данной проблемы станет обманка лямбда зонда, которая бывает механической и электронной.
Механическая обманка
При выборе обманки такого типа вместо катализатора устанавливают специальный проставок – деталь из теплоустойчивой стали или бронзы со строго определёнными размерами. В проставке высверливается отверстие малого диаметра, через которое отработавшие газы смогут в него попадать.
Газы взаимодействуют с керамической крошкой, которую предварительно покрывают каталитическим слоем и помещают внутри проставка. В результате такого взаимодействия осуществляется окисление CH и CO кислородом, после чего снижается концентрация вредных веществ на выходе.
Если на автомобиле установлены два кислородных датчика, то сигналы с них будут различаться, блок управления распознает изменение синусоиды сигнала и расценит это как штатную работу катализатора. Данный вариант является самым дешёвым.
Читайте также: Как вернуть электронный полис осаго
Читайте также: Что такое ЭБУ (Электронный блок управления) и как оно взаимодействует с лямбда-зондом и другими датчиками.
Обманка электронного типа
Такой тип обманки гораздо сложнее. В продаже имеются весьма технологичные обманки со встроенным микропроцессором. Они способны не просто обмануть блок управления, а обеспечить его корректную работу. Микропроцессор, установленный в таком устройстве, может оценить состояние выхлопных газов и сформировать сигнал, соответствующий сигналу со второго работающего датчика при исправном катализаторе.
Лямбда-зонд (λ-зонд) — датчик остаточного кислорода (например, в выпускном коллекторе двигателя или дымоходе отопительного котла). Позволяет оценивать количество оставшегося не сгоревшего топлива либо кислорода в выхлопных газах. Данные показания позволяют приготовлять оптимальную воздушно-топливную смесь, а также снижать количество вредных для человека побочных продуктов процесса сгорания.
Содержание
Узкополосный лямбда-зонд [ править | править код ]
Лямбда-зонд порогового типа действует по принципу гальванического элемента/твердооксидного топливного элемента с твердым электролитом в виде керамики из диоксида циркония (ZrO2). Керамика легирована оксидом иттрия, а поверх неё напылены токопроводящие пористые электроды из платины, одновременно являющейся катализатором окислительно-восстановительных реакций. Один из электродов омывается горячими выхлопными газами (внешняя сторона датчика), а второй — воздухом из атмосферы (внутренняя сторона датчика). Эффективное измерение состава отработавших газов лямбда-зонд обеспечивает после разогрева до определенной температуры выше 300°C. Только в таких условиях циркониевый электролит приобретает проводимость, а гальваническая ячейка начинает работать. Для работы датчика атмосферный кислород нужен в очень небольшом количестве, поэтому, в целом герметичный для воды, датчик делается таким образом, чтобы кислород немного попадал внутрь со стороны проводки.
Если при работе двигателя и датчика ионы свободного кислорода присутствуют лишь с внутренней стороны элемента, то есть имеется лишь атмосферный кислород, то разогретая ячейка самостоятельно начинает генерировать ЭДС, а значит, на блок управления с датчика начинает поступать электрический ток с определённым напряжением. Это означает для ЭБУ автомобиля, что смесь была «богатой». На практике этому соответствует примерно 0,8-0,9 вольт. Если свободный кислород появляется в составе выхлопа с внешней стороны датчика, то выработка ЭДС снижается, а если кислорода достаточно много, то полностью прекращается, то есть кислород из выхлопа блокирует работу ячейки. Это означает для ЭБУ, что смесь была «бедной». На практике этому соответствует примерно 0,1-0,2 вольт. Если ЭДС стремится к нулю, то это означает что смесь абсолютно бедная, например в двигатель не поступает топливо. Напряжение с датчика 0,45 вольт считается оптимальным, и свидетельствует, что сжигаемая смесь обладает стехиометрическим соотношением топлива и воздуха.
Конструктивно, датчики делятся по числу проводов и наличию подогревательного элемента. Датчики без нагревательного элемента используют 1 или 2 провода, с нагревательным элементом — 3 или 4 провода. Первое поколение датчиков разогревалось лишь от выхлопных газов, поэтому начинало давать сигнал сравнительно поздно после старта двигателя. Появившиеся позже датчики с нагревательным элементом стали выводить датчик в рабочее состояние очень быстро, что отвечало возросшим требованиям экологии, а также позволяло использовать датчик, когда температуры выхлопных газов оказывалось недостаточно.
В начале работы, после запуска мотора, лямбда-зонд не выдаёт показаний, и ЭБУ вынужден использовать только карты впрыска, прописанные в нём. Это режим работы без обратной связи, и коррекции топливной смеси по лямбда-зонду в этом режиме нет. Когда с датчика появляется сигнал, то ЭБУ автомобиля переходит в режим работы с обратной связью, при котором исходные топливные карты корректируются с учётом показаний с лямбда-зонда в режиме реального времени.
Сигнал используется системой управления для поддержания оптимального (стехиометрического, около 14,7:1) соотношения воздушно-топливной смеси.
- λ=1 — стехиометрическая (теоретически идеальная) смесь;
- λ>1 — бедная смесь;
- λ [неизвестный термин] в катализаторе, для более точного регулирования может использоваться и второй лямбда-зонд, расположенный за катализатором или внутри него.
Источник:
