Меню

Датчик концентрации кислорода схема

Устройство и принцип работы кислородного датчика

Кислородный датчик – устройство, предназначенное для фиксирования количества оставшегося кислорода в отработавших газах двигателя автомобиля. Он расположен в выпускной системе вблизи катализатора. На основе данных, полученных кислородником, электронный блок управления двигателем (ЭБУ) корректирует расчет оптимальной пропорции топливовоздушной смеси. Коэффициент избытка воздуха в ее составе обозначается в автомобилестроении греческой буквой лямбда (λ), благодаря чему датчик получил второе название – лямбда-зонд.

Коэффициент избытка воздуха λ

Прежде чем разбирать конструкцию датчика кислорода и принцип его работы, необходимо определиться с таким важным параметром, как коэффициент избытка воздуха топливовоздушной смеси: что это такое, на что влияет и зачем его измеряет датчик.

В теории работы ДВС существует такое понятие как стехиометрическое отношение – это идеальная пропорция воздуха и топлива, при которой происходит полное сгорание топлива в камере сгорания цилиндра двигателя. Это очень важный параметр, на основании которого рассчитывается топливоподача и режимы работы двигателя. Оно равняется 14,7 кг воздуха к 1 кг топлива (14,7:1). Естественно, такое количество топливовоздушной смеси не поступает в цилиндр в один момент времени, это всего лишь пропорция, которая пересчитывается под реальные условия.

Зависимость мощности (P) и расхода топлива (Q) от коэффициента избытка воздуха

Коэффициент избытка воздуха (λ) – это отношение действительного количества воздуха, поступившего в двигатель, к теоретически необходимому (стехиометрическому) для полного сгорания топлива. Говоря простым языком, это “на сколько больше (меньше) воздуха поступило в цилиндр, чем должно было бы”.

В зависимости от значения λ различают три вида топливовоздушной смеси:

  • λ = 1 – стехиометрическая смесь;
  • λ 1 – “бедная” смесь (избыток – воздух; недостаток – топливо).

Современные двигатели могут работать на всех трех типах смеси, в зависимости от текущих задач (экономия топлива, интенсивное ускорение, снижение концентрации вредных веществ в отработавших газах). С точки зрения оптимальных значений мощности двигателя, коэффициент лямбда должен иметь значение около 0,9 (“богатая” смесь), минимальный расход топлива будет соответствовать стехиометрической смеси (λ = 1). Наилучшие результаты по очистке отработавших газов будут также наблюдаться при λ = 1, поскольку эффективная работа каталитического нейтрализатора происходит при стехиометрическом составе топливовоздушной смеси.

Назначение датчиков кислорода

Стандартно в современных автомобилях используется два датчика кислорода (для рядного двигателя). Один перед катализатором (верхний лямбда-зонд), а второй после него (нижний лямбда-зонд). Различий в конструкции верхнего и нижнего датчиков нет, они могут быть одинаковыми, но выполняют разные функции.

Верхний или передний кислородный датчик определяет содержание оставшегося кислорода в отработавших газах. По сигналу с данного датчика блок управления двигателем “понимает”, на каком типе топливовоздушной смеси работает двигатель (стехиометрической, богатой или бедной). В зависимости от показаний кислородника и требуемого режима работы, ЭБУ корректирует количество топлива, подаваемого в цилиндры. Как правило, топливоподача корректируется в сторону стехиометрической смеси. Следует отметить, что при прогреве двигателя сигналы с датчика игнорируются ЭБУ двигателя до достижения им рабочей температуры. Нижний или задний лямбда-зонд используется для дополнительной корректировки состава смеси и контроля исправности работы каталитического нейтрализатора.

Конструкция и принцип работы кислородного датчика

Существует несколько видов лямбда-зондов, применяемых на современных автомобилях. Рассмотрим конструкцию и принцип работы наиболее популярного из них – датчика кислорода на основе диоксида циркония (ZrO2). Датчик состоит из следующих основных элементов:

  • Наружный электрод – осуществляет контакт с выхлопными газами.
  • Внутренний электрод – контактирует с атмосферой.
  • Нагревательный элемент – используется для подогрева кислородного датчика и более быстрого вывода его на рабочую температуру (около 300 °C).
  • Твердый электролит – расположен между двумя электродами (диоксид циркония).
  • Корпус.
  • Защитный кожух наконечника – имеет специальные отверстия (перфорацию) для проникновения отработавших газов.

Устройство наконечника лямбда-зонда

Внешний и внутренний электроды покрыты платиновым напылением. Принцип работы такого лямбда зонда основан на возникновении разности потенциалов между слоями платины (электроды), которые чувствительны к кислороду. Она возникает при нагревании электролита, когда через него происходит движение ионов кислорода от атмосферного воздуха и выхлопных газов. Напряжение, возникающее на электродах датчика, зависит от концентрации кислорода в отработавших газах. Чем она выше, тем ниже напряжение. Диапазон напряжений сигнала кислородного датчика находится в пределах от 100 до 900 мВ. Сигнал имеет синусоидальную форму, у которой выделяются три области: от 100 до 450 мВ – бедная смесь, от 450 до 900 мВ – богатая смесь, значение 450 мВ соответствует стехиометрическому составу топливовоздушной смеси.

Читайте также:  Датчик лямбда зонд 2105 инжектор

Ресурс кислородника и его неисправности

Лямбда-зонд – один из наиболее быстро изнашиваемых датчиков. Это связано с тем, что он постоянно контактирует с отработавшими газами и его ресурс напрямую зависит от качества топлива и исправности двигателя. Например, циркониевый кислородник имеет ресурс порядка 70-130 тысяч километров пробега.

Поскольку работа обоих кислородных датчиков (верхнего и нижнего) контролируется системой бортовой диагностики OBD-II, при выходе из строя любого из них будет зафиксирована соответствующая ошибка, а на панели приборов загорится контрольная лампа неисправности “Check Engine”. Диагностировать неисправность в данном случае можно с помощью специального диагностического сканера. Из бюджетных вариантов стоит обратить внимание на Scan Tool Pro Black Edition.

Сканер Scan Tool Pro Black Edition

Данный сканер корейского производства отличается от аналогов высоким качеством сборки и возможностью диагностики всех узлов и агрегатов автомобиля, а не только двигателя. Также он способен отслеживать показания всех датчиков (в том числе и кислородного) в режиме реального времени. Сканер совместим со всеми популярными диагностическими программами и, зная допустимые по вольтажу значения, можно судить об исправности датчика.

Сигнал исправного кислородного датчика

При исправной работе кислородного датчика характеристика сигнала представляет собой правильную синусоиду, демонстрирующую частоту переключений не менее 8 раз в течение 10 секунд. Если датчик вышел из строя, то форма сигнала будет отличаться от эталонной, либо его отклик на изменение состава смеси существенно замедлится.

Основные неисправности кислородного датчика:

  • износ в процессе эксплуатации (“старение” датчика);
  • обрыв электрической цепи нагревательного элемента;
  • загрязнение.

Все эти виды проблем могут быть спровоцированы использованием некачественного топлива, перегревом, добавлением различных присадок, попаданием в зону работы датчика масел и чистящих средств.

Признаки неисправности кислородника:

  • Индикация сигнальной лампы неисправности на приборной панели.
  • Потеря мощности.
  • Слабый отклик на педаль газа.
  • Неровная работа двигателя на холостых оборотах.

Виды лямбда-зондов

Помимо циркониевых используются также титановые и широкополосные датчики кислорода.

  • Титановые. Этот вид кислородников имеет чувствительный элемент из диоксида титана. Рабочая температура такого датчика начинается от 700 °C. Титановые лямбда-зонды не требуют наличия атмосферного воздуха, поскольку принцип их работы основан на изменении выходного напряжения, в зависимости от концентрации кислорода в выхлопе.
  • Широкополосный лямбда-зонд представляет собой усовершенствованную модель. Он состоит из цикрониевого датчика и закачивающего элемента. Первый измеряет концентрацию кислорода в отработавших газах, фиксируя напряжение, вызванное разницей потенциалов. Далее происходит сравнение показания с эталонной величиной (450 мВ), и, в случае отклонения, подается ток, провоцирующий закачивание ионов кислорода из выхлопа. Это происходит до тех пор, пока напряжение не станет равным заданному.

Лямбда-зонд является очень важным элементом системы управления двигателем, а его неисправность может привести к сложностям в управлении автомобилем и стать причиной повышенного износа остальных деталей двигателя. А поскольку он не подлежит ремонту, его необходимо сразу заменить на новый.

Источник

Устройство и схема подключения датчика лямбда зонда/кислорода, причины поломок

В современном технократическом мире существует потребность применения специальных устройств, называемых датчиками лямбда зондов, контролирующих концентрацию кислорода в отработанных газах двигателей внутреннего сгорания и котельных агрегатов. Тенденции к ужесточению экологических норм автомобильных выхлопов заставляют производителей автомобилей применять дублирующие датчики для более эффективной работы системы впрыскивания топлива и катализатора уходящих газов.

Описание и назначение устройств

Кислородные датчики, чаще всего, представляют собой гальваническую систему с твердотельным электролитом, который входит в рабочий режим при нагревании свыше 300˚C. Они изготавливаются с применением различных материалов в роли электролита, имеют конструкции в зависимости от назначения.

Название λ-зонды получили из-за обозначения данной греческой буквой коэффициента, отвечающего за избыток воздуха в двигателе внутреннего сгорания. При наилучшей пропорции топлива и воздуха в цилиндре двигателя (достигается максимальный КПД при минимальном расходе топлива), отношение расхода используемой воздушной смеси к стехиометрическому (оптимальному): λ = 1. При данном показателе двигатель автомобиля работает в экономном режиме и достигается наилучшая эффективность катализатора, устраняющего вредные вещества из выхлопных газов.

Назначение датчиков – контроль кислорода либо остаточного топлива в отработанных газах для функционирования ДВС и котлов в экономном режиме и минимизации вредных выбросов угарного газа, оксида азота, углеводородов при помощи автоматики.

В каких системах применяются

Кислородные датчики позволяют измерять объемную долю кислорода в газах, присутствующих после сгорания топлива в ДВС и котлах, работающих на твердом топливе либо метане.

Читайте также:  Приус 20 датчик температуры двигателя

λ- зонды применяются в приборах, измеряющих долю кислорода в уходящих газах котлов на ТЭС и других промышленных предприятиях для наилучшей регулировки КПД сгорания топлива при помощи подачи воздуха в топку, в зависимости от показаний приборов.

Наиболее широкое использование датчики получили в автомобильной промышленности для автоматической регулировки подачи бензиново-воздушной смеси в цилиндры двигателя.

Классификация, устройство и принцип действия

Датчики подразделяют на виды в зависимости от материала активных элементов, наличия системы подогрева, конструктивных особенностей и принципа действия. Рассмотрим существующие типы зондов.

Циркониевые

Для данного типа датчиков в качестве твердого электролита гальванической системы – керамической, проницаемой для ионов кислорода мембраны, служит диоксид циркония, который проявляет рабочие свойства при температуре свыше 300˚С. Наконечник из твердотельного циркония покрывается тонкой прослойкой оксида иттрия для лучшей проходимости атомов кислорода, а с внешней и внутренней стороны, частично покрывается тонким слоем платины, выполняющей функцию электродов. На примере рис.1 рассмотрим λ-зонд в разрезе.

  1. Провода: сигнальный и питания нагревателя.
  2. Контактная пластина нагревательного провода.
  3. Стальной корпус, соединенный с кожухом, вставляемым резьбой в гнездо отверстия выхлопной трубы.
  4. Циркониевый электролит с наружной и внутренней платиновыми электродными пластинами.
  5. Нагреватель.
  6. Керамический теплоизолирующий элемент.
  7. Контактная плоскость.
  8. Металлический корпус с отверстиями для попадания уходящих газов.

Принцип работы

Он довольно прост. Во внутренней камере рабочего элемента с платиновым электродом находится обычный воздух, имеющий стандартную (эталонную) проницаемость кислорода со своим давлением на стенки циркониевого наконечника при его нагреве до 350-400˚С.

На наружный платиновый электрод поступают выхлопные газы, делающие проницаемость переменной величиной, в зависимости от объема кислорода в этих газах. Разность потенциалов на электродах появляется вследствие перемещения ионов кислорода со стороны большего давления в сторону с меньшим давлением.

Резкий перепад напряжения (примерно от 850 мВ до 75 мВ) при изменении наличия кислорода в выхлопе от смеси с излишками топлива и недостатком кислорода (богатой, где λ 1), позволяет делать измерения с погрешностью около 5%.

Титановые

Рабочий элемент этого зонда – диоксид титана. Устройство датчика похоже на циркониевый, только не требует камеры с эталонной смесью воздуха. Принцип работы основан на изменении сопротивления материала при изменении объемной доли кислорода в выхлопе. Чем больше ионов кислорода, тем большее сопротивление возникает в рабочем элементе. Для функционирования системы необходима высокая температура нагрева двуокиси титана (свыше 600˚С) и постоянная подача питания на электронный блок управления – 5В.

Преимущества титановых зондов:

  • Прочность, небольшие размеры.
  • Отсутствие камеры с эталонной сравнительной смесью, что увеличивает их долговечность.
  • Быстрое достижение нагрева и рабочего состояния.

К недостаткам можно отнести более высокую цену, чем у циркониевых, что обусловило отказ производителей автомобилей применять их в современных моделях.

Широкополосные – LSU датчики

При помощи широкого диапазона измерения в областях с различным коэффициентом избытка воздуха (λ 1), кислородные зонды этой конструкции получили универсальное применение в разнообразных типах двигателей (газовых, дизельных, внутреннего сгорания с принудительным зажиганием) и отопительных установках. Широкополосное устройство более точно подает сигнал на электронный блок управления о соотношении наличия кислорода и топлива в уходящих газах ДВС, что позволяет лучше контролировать уровень выхлопов.

По внешнему виду зонд похож на циркониевый, но принцип действия немного другой. Работа системы основана на поддержании постоянной разности потенциалов между электродами в пределах 0,45 В, соответствующей коэффициенту избытка воздушной смеси, равной единице.

Датчик состоит из двух рабочих элементов – циркониевого, выполняющего измерительную функцию и элемента для введения либо выведения кислорода из системы. Между рабочими элементами расположено удлиненное отверстие, размером от 20 до 50 мкм. В отверстии размещены два электрода для измерения и регулировки (накачивающий) объемной доли кислорода. В измерительное отверстие вставлен барьер, отделяющий его от уходящих газов и, регулирующий закачку либо откачку кислорода из него. Циркониевый элемент соприкасается с внешней атмосферой благодаря небольшому приточному каналу.

Если смесь, подающаяся в двигатель, обедненная на топливо, то уходящие газы богаты на кислород и он выводится из отверстия для измерения с помощью плюсового напряжения на выводящий рабочий элемент. В противном случае, на элемент подается напряжение с противоположным знаком, кислород входит в измерительное отверстие.

Читайте также:  Как добавить датчик в стрелец

Электронная схема стремится удержать напряжение 0,45 В через, постоянно меняющееся напряжение на электродах элемента введения/выведения кислорода из системы, чтобы концентрация кислорода в отверстии соответствовала: λ = 1. В датчик вмонтирован нагреватель для достижения температуры 700˚С и выше, в зависимости от типа зонда.

Плюсы

Преимуществом широкополосных зондов можно считать:

  • Широкий диапазон измерений и регулировки кислорода в выхлопе.
  • Быстрый нагрев и приведение в рабочее состояние при запуске авто.
  • Широкий спектр применения.

Следует отметить, что лямбда зонды бывают с 2, 3, 4, 5 выводами. Устройства без подогрева обычно имеют 2 вывода – сигнальный и заземляющий. Широкополосные устройства имеют 5 и более выводов.

Методы диагностики

Диагностику датчиков желательно проводить каждые 10000 км пробега автомобиля либо при первых признаках неисправности зонда, которые описаны ниже.

Мультиметром

Очень часто причиной нерабочего состояния кислородного зонда является повреждение спирали нагревателя либо контакта с нагревателем. Так ли это, легко проверить мультиметром, переключив его в режим работы омметра. Обычно 3 и 4 контакт (в 4-х проводном датчике) подходят к нагревательному элементу. Значение сопротивления должно быть в пределах 4,5 – 5,5 Ом. Если показания превышают данное значение, то зонд требует замены, так как нагревательный элемент вышел из строя.

Для проверки сигнала, поступающего на электронный блок, нужно завести автомобиль, нажать на педаль газа, чтобы подержать двигатель в высокооборотном режиме в течение некоторого времени. Сигнальный провод зонда (обычно черный) подключаем к плюсовому щупу мультиметра, а минусовой щуп, соединяем с «землей», переключаем прибор в режим вольтметра (2000 мВ). При удержании педали газа и резком отпускании, показания прибора должны быть в пределах от 1000 мВ до 100 мВ. Если показания остаются неизменными в пределах 400 – 500 мВ при манипуляции с педалью газа, то зонд неисправен.

Осциллографом

Качество проверки осциллографом проявляется в возможности узнать временной промежуток изменения сигнала выходного напряжения. Для проверки необходимо подсоединить осциллограф к проводу, дающему сигнал на электронный блок (черному). Далее нужно завести двигатель и подождать прогрева до 70˚С. По мере прогрева датчика до 400˚С, прибор начнет показывать волнообразный график. При работе двигателя на оборотах около 3000, прибор должен показывать ровный волнообразный график с нижним пределом уровня сигнала (не менее 0,1 В) и высоким (не более 0,8 — 1 В).

Если на экране прочерчивается график в крайних (верхней или нижней) точках, а также в положении около 0,6 В при максимальной работе двигателя, то λ – зонд неисправен.

Основные причины выхода из строя

Причин поломки датчика кислорода может быть много, среди них, конечно же, и качество применяемого топлива. Рассмотрим главные:

  • Повреждение или встряска зонда вследствие неаккуратной езды (наезда на препятствие, яму).
  • Перегрев зонда из-за неисправности в блоке зажигания.
  • Засорение керамической поверхности продуктами сгорания некачественного бензина.
  • Неисправность в работе двигателя (попадание масла в выхлоп).
  • Замыкание в проводах датчика.

Поломка датчика может происходить постепенно, переводя работу двигателя в режим неправильной работы. На современных машинах стоит второй зонд после катализатора, что улучшает качество работы ДВС и защиту атмосферы от продуктов сгорания топлива.

Нюансы подключения

При поломке устройства, можно установить датчик, который рекомендует завод-изготовитель или похожий циркониевый зонд. Вот основные правила:

  • Цвета проводов датчика различаются, но цвет подающего сигнал на электронную схему, всегда темный.
  • «Земля» бывает желтого, белого, серого оттенков.
  • Для подключения 4-проводного зонда на место 3-проводного – соединяются с «землей» автомобиля провода заземления нагревателя и минусовой сигнальной системы. Провод нагревателя через релейную схему подсоединяется к плюсовому полюсу аккумулятора.

Подключение нового зонда лучше сделает специалист из автосервиса.

Советы и рекомендации

При первых признаках неправильной работы лямбда датчика (машина начинает резко дергаться при начале движения, не так быстро срабатывает педаль газа, на панели должны высвечиваться предупредительные сообщения, перегрев двигателя во время работы, неприятные токсичные газы из выхлопной трубы), необходимо определиться с некоторыми вопросами:

  • Точная установка неисправности зонда.
  • Правильный подбор нового датчика.
  • Не следует поддаваться желанию установить датчик, бывший в употреблении (неизвестен его остаточный ресурс), если хотите сберечь двигатель в хорошем состоянии.
  • Не нужно пытаться разобрать устройство, оно сделано герметично и не ремонтируется.

Желательно покупать оригинальный зонд либо универсальный (для двигателей определенного производителя).

Источник

Adblock
detector