Как работает кислородный датчик в авто

Датчик кислорода: устройство, используемое для регистрации количества кислорода, остающегося в выхлопе двигателя автомобиля. Он расположен в выхлопной системе рядом с каталитическим нейтрализатором. На основе данных, полученных от кислородного датчика, электронный блок управления двигателем (ЭБУ) корректирует расчет оптимальной пропорции топливовоздушной смеси.Коэффициент избыточного воздуха в ее составе обозначается в автомобилестроении греческой буквой лямбда (λ), благодаря чему датчик получил второе название — лямбда-зонд.

Что такое коэффициент избытка воздуха λ

Перед изучением датчика кислорода и принципа его работы необходимо определить такой важный параметр, как коэффициент избытка воздуха в топливовоздушной смеси: что это такое, что на него влияет и почему измеряется датчиком.

В теории работы ДВС есть такое понятие, как стехиометрическое соотношение — это идеальное соотношение воздуха и топлива, при котором в камере сгорания цилиндра двигателя происходит полное сгорание топлива. Это очень важный параметр, на основании которого рассчитываются режимы топливной подачи и работы двигателя. Это соответствует 14,7 кг воздуха на 1 кг топлива (14,7: 1). Конечно, такое количество топливовоздушной смеси не попадает в цилиндр одновременно, это всего лишь пропорция, которая пересчитывается для реальных условий.

Коэффициент избытка воздуха (λ) — это соотношение между фактическим количеством воздуха, поступающего в двигатель, и теоретически необходимым (стехиометрическим) количеством для полного сгорания топлива. Проще говоря, это «насколько больше или меньше воздуха попало в цилиндр, чем должно быть».

По значению лямбды различают три типа топливовоздушных смесей:

• λ = 1 — стехиометрическая смесь;
• λ < 1 — «богатая» смесь (недостача воздуха; избыток топлива);
• λ > 1 — «бедная» смесь (избыток воздуха; недостаток топлива).

Современные двигатели могут работать со всеми тремя типами смесей, в зависимости от текущей деятельности (экономия топлива, интенсивный разгон, снижение концентрации загрязняющих веществ в выхлопных газах). С точки зрения оптимальных значений мощности двигателя коэффициент лямбда должен иметь значение около 0,9 («богатая» смесь), минимальный расход топлива соответствует стехиометрической смеси (λ = 1). Наилучшие результаты по очистке выхлопных газов также наблюдаются при λ = 1, так как эффективная работа каталитического нейтрализатора происходит при стехиометрическом составе топливовоздушной смеси.

Назначение лямбда-зонда

В современных автомобилях в стандартной комплектации используются два кислородных датчика (для рядного двигателя). Один перед катализатором (верхний лямбда-зонд) и второй после него (нижний лямбда-зонд). Разницы в конструкции верхнего и нижнего сенсоров нет, они могут быть одинаковыми, но выполняют разные функции.

Верхний или передний кислородный датчик определяет остаточный кислород в выхлопных газах. По сигналу этого датчика блок управления двигателем «понимает», на какой топливовоздушной смеси работает двигатель (стехиометрическая, богатая или обедненная). В зависимости от значений датчика кислорода и требуемого режима работы, ЭБУ регулирует количество топлива, которое подается в цилиндры. Обычно подача топлива регулируется в сторону стехиометрической смеси.

Следует отметить, что при прогреве двигателя сигналы датчиков блоком управления двигателем игнорируются, пока не будет достигнута рабочая температура.

Нижний или задний лямбда-зонд используется для дополнительной регулировки состава смеси и контроля работы каталитического нейтрализатора.

Как работает датчик кислорода

В современных автомобилях используются различные типы лямбда-зондов. Рассмотрим устройство и принцип работы самого популярного из них — датчика кислорода на диоксиде циркония (ZrO2). Датчик состоит из следующих основных элементов:

• Внешний электрод — контактирует с выхлопными газами.
• Внутренний электрод — контактирует с атмосферой.
• Нагревательный элемент — используется для нагрева лямбда-зонда и более быстрого доведения его до рабочей температуры (около 300 ° C).
• Твердый электролит — расположен между двумя электродами (оксид циркония).
• Корпус.
• Протектор наконечника — имеет специальные отверстия (перфорацию) для входа выхлопных газов.

Внешний и внутренний электроды имеют платиновое покрытие. Принцип действия такого лямбда-зонда основан на возникновении разности потенциалов между чувствительными к кислороду слоями платины (электродами). Это происходит при нагревании электролита, когда через него проходят ионы кислорода из воздуха и выхлопных газов. Напряжение на электродах датчика зависит от концентрации кислорода в выхлопных газах. Чем она выше, тем ниже напряжение. Диапазон напряжения сигнала датчика кислорода составляет от 100 до 900 мВ. Сигнал имеет синусоидальную форму, в которой различают три диапазона: от 100 до 450 мВ — бедная смесь, от 450 до 900 мВ — богатая смесь, 450 мВ соответствуют стехиометрическому составу топливовоздушной смеси.

Продолжительность работы лямбда-зонда

Лямбда-зонд — один из датчиков, который изнашивается довольно быстро. Это связано с тем, что он постоянно контактирует с выхлопными газами, а его ресурс напрямую зависит от качества топлива и исправности двигателя. Например, кислородный датчик из циркония имеет ресурс от 70 до 130 000 километров пробега.

Поскольку работа обоих кислородных датчиков (верхнего и нижнего) контролируется бортовой диагностической системой OBD-II, при выходе из строя одного из этих датчиков регистрируется соответствующая ошибка и загорается дисплей «Проверьте двигатель» на панели приборов. В этом случае неисправность можно диагностировать с помощью специального диагностического сканера. Из «бюджетников» можно обратить внимание на Scan Tool Pro Black Edition.

Этот сканер корейского производства отличается от аналогов высоким качеством сборки и возможностью диагностики всех узлов и агрегатов автомобиля, а не только двигателя. Он также может отслеживать показания всех датчиков (включая кислород) в режиме реального времени. Сканер совместим со всеми распространенными диагностическими программами. Знание допустимых значений напряжения поможет вам оценить состояние датчика.

Если кислородный датчик работает правильно, характеристика сигнала представляет собой гладкую синусоидальную волну, которая показывает частоту переключения не менее 8 раз в течение 10 секунд. Если датчик вышел из строя, форма сигнала будет отличаться от эталонной формы или его реакция на изменение состава смеси значительно замедлится.

Основные неисправности лямбда-зонда:

• износ при работе (старение);
• неисправность нагревательного элемента;
• загрязнение.

Все эти типы проблем могут быть вызваны использованием некачественного топлива, перегревом, добавлением различных присадок, попаданием в рабочую зону датчика масел и моющих средств.

Признаки неисправности датчика:

• Активация лампа неисправности на приборной панели.
• Потеря мощности.
• Плохая реакция на педаль газа.
• Работа двигателя на холостом ходу с рывками.

Типы датчика кислорода

Помимо оксида циркония используются также широкополосные и титановые датчики кислорода.

1. Титановые. Этот вид сенсора имеет чувствительный элемент из диоксида титана. Рабочая температура такого датчика начинается с 700 ° C. Титановые лямбда-зонды не требуют атмосферного воздуха, так как их принцип действия основан на изменении выходного напряжения в зависимости от концентрации кислорода в выхлопных газах.
2. Широкополосный. Это улучшенная модель лямбда-зонда. Он состоит из цикрониевого датчика и закачивающего элемента. Первый измеряет концентрацию кислорода в выхлопных газах и регистрирует напряжение, вызванное разностью потенциалов. Затем измеренное значение сравнивается с эталонным значением (450 мВ), и в случае отклонения подается ток, в результате чего ионы кислорода впрыскиваются из выхлопных газов. Так продолжается до тех пор, пока напряжение не будет соответствовать заданному.

Лямбда-зонд — очень важный элемент системы управления двигателем и его неисправность может затруднить управление автомобилем и вызвать больший износ других частей двигателя. А поскольку он не подлежит ремонту, его нужно сразу же заменить на новый.