Пристрій і принцип роботи кисневого датчика

Кисневий датчик - пристрій, призначений для фіксування кількості залишився кисню в відпрацьованих газах двигуна автомобіля. Він розташований в випускний системі поблизу каталізатора. На основі даних, отриманих кіслородніком, електронний блок керування двигуном (ЕБУ) коригує розрахунок оптимальної пропорції паливо-повітряної суміші. Коефіцієнт надлишку повітря в її складі позначається в автомобілебудуванні грецькою буквою лямбда (λ), Завдяки чому датчик отримав другу назву - лямбда-зонд.

Коефіцієнт надлишку повітря λ

Перш ніж розбирати конструкцію датчика кисню і принцип його роботи, необхідно визначитися з таким важливим параметром, як коефіцієнт надлишку повітря паливо-повітряної суміші: що це таке, на що впливає і навіщо його вимірює датчик.

В теорії роботи ДВС існує таке поняття як стехіометричне відношення - це ідеальна пропорція повітря і палива, при якій відбувається повне згоряння палива в камері згоряння циліндра двигуна. Це дуже важливий параметр, на підставі якого розраховується топлівоподача і режими роботи двигуна. Воно дорівнює 14,7 кг повітря до 1 кг палива (14,7: 1). Природно, така кількість паливоповітряної суміші не надходить в циліндр в один момент часу, це всього лише пропорція, яка перераховується під реальні умови.

Коефіцієнт надлишку повітря (λ) - це відношення дійсної кількості повітря, що надійшло в двигун, до теоретично необхідного (стехиометрическому) для повного згоряння палива. Говорячи простою мовою, це "на скільки більше (менше) повітря надійшло в циліндр, ніж мало б".

Залежно від значення λ розрізняють три види паливо-повітряної суміші:

• λ = 1 - стехіометрична суміш;
• λ <1 - «багата» суміш (виділення - розчинна; дефіцит - повітря);
• λ> 1 - "бідна" суміш (надлишок - повітря, вада - паливо).

Сучасні двигуни можуть працювати на всіх трьох типах суміші, в залежності від поточних завдань (економія палива, інтенсивне прискорення, зниження концентрації шкідливих речовин у відпрацьованих газах). З точки зору оптимальних значень потужності двигуна, коефіцієнт лямбда повинен мати значення близько 0,9 ( "багата" суміш), мінімальний витрата палива буде відповідати стехиометрической суміші (λ = 1). Найкращі результати з очищення відпрацьованих газів будуть також спостерігатися при λ = 1, оскільки ефективна робота каталітичного нейтралізатора відбувається при стехиометрическом складі паливо-повітряної суміші.

Призначення датчиків кисню

Стандартно в сучасних автомобілях використовується два датчика кисню (для рядного двигуна). Один перед каталізатором (верхній лямбда-зонд), а другий після нього (нижній лямбда-зонд). Відмінностей в конструкції верхнього і нижнього датчиків немає, вони можуть бути однаковими, але виконують різні функції.

Верхній або передній кисневий датчик визначає зміст залишився кисню в відпрацьованих газах. За сигналом з даного датчика блок керування двигуном "розуміє", на якому типі паливо-повітряної суміші працює двигун (стехиометрической, багатою чи бідною). Залежно від показань кіслородніка і необхідного режиму роботи, ЕБУ коригує кількість палива, що подається в циліндри. Як правило, топлівоподача коригується в бік стехиометрической суміші. Слід зазначити, що при прогріванні двигуна сигнали з датчика ігноруються ЕБУ двигуна до досягнення нею робочої температури. Нижній або задній лямбда-зонд використовується для додаткового коректування складу суміші і контролю справності роботи каталітичного нейтралізатора.

Конструкція і принцип роботи кисневого датчика

Існує кілька видів лямбда-зондів, що застосовуються на сучасних автомобілях. Розглянемо конструкцію і принцип роботи найбільш популярного з них - датчика кисню на основі діоксиду цирконію (ZrO2). Датчик складається з наступних основних елементів:

• Зовнішній електрод - здійснює контакт з вихлопними газами.
• Внутрішній електрод - контактує з атмосферою.
• Нагрівальний елемент - використовується для підігріву кисневого датчика і більш швидкого виведення його на робочу температуру (близько 300 ° C).
• Твердий електроліт - розташований між двома електродами (діоксид цирконію).
• Корпус.
• Захисний кожух наконечника - має спеціальні отвори (перфорацію) для проникнення відпрацьованих газів.

Зовнішній і внутрішній електроди покриті платиновим напиленням. Принцип роботи такого лямбда зонда заснований на виникненні різниці потенціалів між шарами платини (електроди), які чутливі до кисню. Вона виникає при нагріванні електроліту, коли через нього відбувається рух іонів кисню від атмосферного повітря і вихлопних газів. Напруга, що виникає на електродах датчика, залежить від концентрації кисню у відпрацьованих газах. Чим вона вища, тим нижче напруга. Діапазон напруг сигналу кисневого датчика знаходиться в межах від 100 до 900 мВ. Сигнал має синусоїдальну форму, у якій виділяються три області: від 100 до 450 мВ - бідна суміш, від 450 до 900 мВ - багата суміш, значення 450 мВ відповідає стехиометрическому складу паливо-повітряної суміші.

Ресурс кіслородніка і його несправності

Лямбда-зонд - один з найбільш швидко зношуються датчиків. Це пов'язано з тим, що він постійно контактує з відпрацьованими газами і його ресурс безпосередньо залежить від якості палива і справності двигуна. Наприклад, цирконієвий кіслороднік має ресурс близько 70-130 тисяч кілометрів пробігу.

Оскільки робота обох кисневих датчиків (верхнього і нижнього) контролюється системою бортової діагностики OBD-II, при виході з ладу будь-якого з них буде зафіксована відповідна помилка, а на панелі приладів загориться контрольна лампа несправності "Check Engine". Діагностувати несправність в даному випадку можна за допомогою спеціального діагностичного сканера. З бюджетних варіантів варто звернути увагу на Scan Tool Pro Black Edition.

Даний сканер корейського виробництва відрізняється від аналогів високою якістю збірки і можливістю діагностики всіх вузлів і агрегатів автомобіля, а не тільки двигуна. Також він здатний відстежувати показання всіх датчиків (в тому числі і кисневого) в режимі реального часу. Сканер сумісний з усіма популярними діагностичними програмами і, знаючи допустимі по вольтажу значення, можна судити про справність датчика.

При справній роботі кисневого датчика характеристика сигналу являє собою правильну синусоїду, яка демонструвала б частоту перемикань не менше 8 разів протягом 10 секунд. Якщо датчик вийшов з ладу, то форма сигналу буде відрізнятися від еталонної, або його відгук на зміну складу суміші істотно сповільниться.

Основні несправності кисневого датчика:

• знос в процесі експлуатації ( "старіння" датчика);
• обрив електричного кола нагрівального елементу;
• забруднення.

Всі ці види проблем можуть бути спровоковані використанням неякісного палива, перегрівом, додаванням різних присадок, попаданням в зону роботи датчика масел і чистячих засобів.

Ознаки несправності кіслородніка:

• Індикація сигнальної лампи несправності на приладовій панелі.
• Втрата потужності.
• Слабкий відгук на педаль газу.
• Нерівна робота двигуна на холостих обертах.

Види лямбда-зондів

Крім цирконієвих використовуються також титанові і широкосмугові датчики кисню.

• Титанові. Цей вид кіслородніков має чутливий елемент з діоксиду титану. Робоча температура такого датчика починається від 700 ° C. Титанові лямбда-зонди не вимагають наявності атмосферного повітря, оскільки принцип їх роботи заснований на зміні вихідної напруги, в залежності від концентрації кисню у вихлопі.
• Широкосмуговий лямбда-зонд являє собою вдосконалену модель. Він складається з цікроніевого датчика і закачувати елемента. Перший вимірює концентрацію кисню в відпрацьованих газах, фіксуючи напруга, викликане різницею потенціалів. Далі відбувається порівняння показання з еталонною величиною (450 мВ), і, в разі відхилення, подається струм, що провокує закачування іонів кисню з вихлопу. Це відбувається до тих пір, поки напруга не стане рівним заданому.

Лямбда-зонд є дуже важливим елементом системи управління двигуном, а його несправність може призвести до складнощів в управлінні автомобілем і стати причиною підвищеного зносу інших деталей двигуна. А оскільки він не підлягає ремонту, його необхідно відразу замінити на новий.