Что такое отравление датчика кислорода
Обновлено: 13.05.2024
©А. Пахомов 2007 (aka IS_18, Ижевск)
На написание этого материала натолкнуло обилие вопросов на нашем форуме, связанных с непониманием (или недопониманием) принципа работы датчика кислорода, или лямбда-зонда.
Прежде всего, нужно идти от общего к частному и понимать работу системы в целом. Только тогда сложится правильное понимание работы этого весьма важного элемента ЭСУД и станут понятны методы диагностики.
Чтоб не углубляться в дебри и не перегружать читателя информацией, я поведу речь о циркониевом лямбда-зонде, используемом на автомобилях ВАЗ. Желающие разобраться более глубоко могут самостоятельно найти и прочитать материалы про титановые датчики, про широкополосные датчики кислорода (ШДК) и придумать методы их проверки. Мы же поговорим о самом распространенном датчике, знакомом большинству диагностов.
Итак, датчик кислорода. Когда-то очень давно он представлял собой только лишь чувствительный элемент, без какого-либо подогревателя. Нагрев датчика осуществлялся выхлопными газами и занимал весьма продолжительное время. Жесткие нормы токсичности требовали быстрого вступления датчика в полноценную работу, вследствие чего лямбда-зонд обзавелся встроенным подогревателем. Поэтому датчик кислорода ВАЗ имеет 4 вывода: два из них – подогреватель, один – масса, еще один – сигнал.
Из всех этих выводов нас интересует только сигнальный. Форму напряжения на нем можно увидеть двумя способами:
а) сканером
б) мотортестером, подключив щупы и запустив самописец.
Второй вариант, вообще говоря, предпочтительнее. Почему? Потому, что мотортестер дает возможность оценить не только текущие и пиковые значения, но и форму сигнала, и скорость его изменения. Скорость изменения – это как раз характеристика исправности датчика.
Итак, главное: датчик кислорода реагирует на кислород. Не на состав смеси. Не на угол опережения зажигания. Не на что-либо еще. Только на кислород. Это нужно осознать обязательно. Как именно это происходит, в подробностях описано здесь.
На сигнальный вывод датчика с ЭБУ подается опорное напряжение 0.45 В. Чтоб быть полностью уверенным, можно отключить разъем датчика и проверить это напряжение мультиметром или сканером. Все в порядке? Тогда подключаем датчик обратно.
Для более глубокого понимания добавлю, что при наличии небольшого опыта легко установить степень изношенности датчика. Это делается по крутизне фронтов перехода с богатой смеси на бедную и обратно. Хороший, исправный датчик реагирует быстро, переход почти что вертикальный (смотреть, само собой, мотортестером). Отравленный либо просто изношенный датчик реагирует медленно, фронты переходов пологие. Такой датчик требует замены.
Понимая, что датчик реагирует на кислород, можно легко уяснить еще один распространенный момент. При пропусках воспламенения, когда из цилиндра в выпускной тракт выбрасывается смесь атмосферного воздуха и бензина, лямбда-зонд отреагирует на большое количество кислорода, содержащееся в этой смеси. Поэтому при пропусках воспламенения очень возможно возникновение ошибки, указывающей на бедную топливо-воздушную смесь.
1. Нужно совершенно четко отличать неисправность ЭСУД от неисправности лямбда-зонда.
2. Проверить зонд можно, контролируя напряжение на его сигнальном выводе сканером или подключив к сигнальному выводу мотортестер.
3. Искусственно смоделировав обедненную или, наоборот, обогащенную смесь и отследив реакцию зонда, можно сделать достоверный вывод о его исправности.
5. Наличие ошибки, указывающей на дефект лямбда-зонда, отнюдь не является поводом для его замены.
Лямбда-зонд (λ-зонд) — датчик кислорода (например: в выпускном коллекторе двигателя или дымоходе отопительного котла). Позволяет оценивать количество оставшегося свободного кислорода в выхлопных газах.
При одинаковой концентрации кислорода с обеих сторон электролита, датчик находится в равновесии и его разность потенциалов равна нулю. Если на одном из платиновых электродов концентрация кислорода изменяется, то появляется разность потенциалов, пропорциональная логарифму концентрации кислорода на рабочей стороне датчика. При достижении стехиометрического состава горючей смеси, концентрация кислорода в выхлопных газах падает в сотни тысяч раз, что сопровождается скачкообразным изменением э.д.с. датчика, которая фиксируется высокоомным входом измерительного устройства (бортового компьютера автомобиля).
Сигнал используется системой управления для поддержания оптимального (стехиометрического, около 14,7:1) соотношения топливной смеси. В стехиометрии — λ = (реальное к-во воздуха) / (необходимое к-во воздуха).
λ=1 — стехиометрическая (теоретически идеальная) смесь;
λ>1 — бедная смесь;
λПоскольку некоторое количество кислорода должно присутствовать в выхлопе для нормального дожигания СО и СН на катализаторе, для более точного регулирования используют второй датчик, расположенный за катализатором.
O2SENSOR.jpg
Широкополосный лямбда-зонд
Разновидность кислородного датчика.
Wbo2.jpg
Основная разница зонда с широкой панелью LSU 4 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.
Выход датчика кислорода из строя — это досадная неприятность. С неисправным регулирующим датчиком невозможно нормально эксплуатировать автомобиль, поскольку ЭБУ двигателя не может правильно корректировать состав топливовоздушной смеси.
Перед заменой неисправного датчика кислорода (лямбда-зонда) на новый необходимо по возможности выявить причину выхода из строя, чтобы ситуация не повторилась в скором времени. На причину повреждения датчика косвенно указывает внешний вид защитной крышки чувствительного элемента: той части датчика, которая непосредственно контактирует с выхлопными газами. Анализ возможного загрязнения по аналогии с анализом загрязнения на свечах зажигания поможет выявить системную проблему, приводящую к неисправности лямбда-зонда.
Типы загрязнений
В нормальном состоянии защитная крышка бывшего в работе зонда имеет тусклый металлический цвет, без каких-либо видимых отложений. Если в горячих газах, омывающих датчик, нет посторонних включений, а топливо сгорает полностью, то и загрязнений не будет. Такой внешний вид и должен стать основой при анализе.
Если же на защитной крышке виден налет, то по характеру этого налета часто можно понять причину неисправности датчика. Некоторые посторонние примеси в выхлопных газах негативно влияют на работу чувствительного элемента датчика и рано или поздно приводят к его выходу из строя. Рассмотрим виды возможных загрязнений и их причины:
• Загрязнение ОЖ. Зернистые отложения серо-белого, иногда зеленоватого цвета говорят о попадании антифриза в цилиндры, а затем и в выхлоп.
Попадание антифриза на датчик выводит из строя чувствительный элемент, да и само по себе говорит о серьезной неисправности двигателя: пробитой прокладке ГБЦ или даже трещине в блоке цилиндров. При наличии налета от антифриза на лямбда-зонде нужно немедленно устранить проблему.
• Загрязнение маслом. Отложения темно-серого, чаще черного цвета с характерным маслянистым блеском означают, что в цилиндры попало избыточное количество масла.
• Загрязнение при богатой смеси. Внешне похоже на загрязнение маслом, но без блеска. Черный матовый налет мелкой сажи.
Слишком богатая топливовоздушная смесь — это и чрезмерный расход топлива, и ухудшение динамики автомобиля. Причиной появления такого нагара на датчике может стать, например, неисправность топливной системы или засоренный воздушный фильтр. Обогащение может быть вызвано и отказом самого датчика, в частности выходом из строя подогревателя лямбда-зонда. Если ваш датчик имеет 3 провода или более (т. е. имеет подогрев), то стоит проверить и его.
• Загрязнение присадками. Характерный красный или белый налет сигнализирует о низком качестве топлива.
К сожалению, эта неисправность все еще возникает при эксплуатации на отечественном топливе. Некоторые компоненты присадок (в частности, ферроцен) могут загрязнять чувствительный элемент датчика. При длительной эксплуатации на некачественном топливе отложения накапливаются и приводят к безвозвратному выходу лямбды из строя. Если подобные отложения появились, необходимо задуматься о смене АЗС.
• Загрязнение свинцом. Блестящие отложения темно-серого цвета.
В нашей стране, как и во всем мире, этилированный бензин с добавлением тетраэтилсвинца (ТЭС) запрещен с 2003 года. Но если вы заметили свинцовые отложения на датчике, то здесь не обошлось без ТЭС. От заправки на АЗС с подобным топливом необходимо категорически отказаться. Свинец вреден не только для двигателя (загрязняет датчики, свечи, каталитический нейтрализатор), но и для здоровья. Соединения свинца токсичны и относятся к чрезвычайно ядовитым веществам.
Мы разобрали основные типы загрязнений, которые можно встретить на вышедших из строя датчиках кислорода. Понятно, что загрязнение — лишь косвенный признак, по которому нельзя наверняка судить о причине отказа датчика. Тем не менее характерный налет может помочь в диагностике некоторых общих проблем силовой установки.
Стоит помнить, что неисправный датчик с загрязнением уже не спасти. Устранив причину попадания в выхлоп посторонних примесей, необходимо заменить датчик на новый. Например, можно обратиться к электронному каталогу DENSO: здесь представлен внушительный ассортимент лямбда-зондов оригинального японского качества.
Многие задаются вопросом зачем он вообще нужен, и зачастую наслушавшись безграмотных советов доморощенных *чиптюнеров* стремятся его разными способами удалить из системы. Не буду долго лить всякую теоретическую воду напишу кратко:
-для владельца авто он позволяет экономить бензин как гласит запись из каталога бош (см. рис.) при исправном двигателе, системе управления ну и собственно лямбда зонде (далее ЛЗ) это реальная экономия до 15% топлива, нетрудно посчитать это 1,5 л на 10 л!
Рисунок 3. Датчик кислорода в выхлопной трубе
1. Керамическое покрытие
2. Электроды
3. Контакты
4. контакты корпуса
5. Выхлопная труба
6. Керамическая поддерживающая оболочка (пористая)
7. Отработавшие газы
8. Наружный воздух.
Датчик кислорода представляет собой гальваническую ячейку (ячейку Нернста) с твёрдым электролитом. В качестве электролита используется газонепроницаемая керамика из диоксида циркония (ZrO2), стабилизированного оксидом иттрия (YO). C одной стороны (снаружи) он сообщается с выхлопными газами, а с другой (изнутри) — с атмосферой. На внешнюю и внутреннюю сторону керамики нанесены газопроницаемые электроды из тонкого слоя платины.
Платиновый электрод на наружной стороне работает как миниатюрный катализатор, поддерживающий в прилегающем слое поступающих выхлопных газов химические реакции, этот слой в состояние стехиометрического равновесия. Сторона чувствительной керамики, обращенная к отработавшим газам, во избежание ее загрязнения покрыта слоем пористой шпинелевой керамики (Шпинель — минералогическое название тетраоксида диалюминия-магния). Металлическая трубка со щелями предохраняет керамику от ударов и чрезмерных тепловых воздействий. Внутренняя полость сообщается с атмосферой и служит в качестве референсной (опорной) стороны датчика.
Работа датчика основана на принципе ячейки Нернста (гальванической ячейки). Керамический материал пропускает ионы кислорода при температурах от 350oC и выше. Разница в количестве кислорода с разных сторон чувствительной зоны датчика приводит к образованию электрического потенциала (напряжения) между этими двумя поверхностями (внутренней и внешней). Величина напряжения служит показателем того, на сколько количество кислорода на этих двух поверхностях различается. А количество остаточного кислорода в выхлопных газах точно соответствует пропорции между топливом и воздухом, поступающими в двигатель.
Широкополосный λ-датчик кислорода
Рисунок . Конструкция широкополосного датчика кислорода непрерывного действия, установленного в выхлопной трубе.
1. Ячейка Нернста
2. Референсная ячейка
3. Подогреватель
4. Диффузионная щель
5. Насосная ячейка
6. Выхлопная труба
Эта конфигурация отличается от обычного датчика с двумя состояниями постоянным поддержанием стехиометрического соотношением воздух/топливо в диффузионной камере. Электронная схема модуляции напряжения питания поддерживает в измерительной камере состав газов, соответствующий λ=1. Для этого насосная ячейка при работе двигателя на бедной смеси и избытке кислорода в выхлопных газах удаляет кислород из диффузионной щели во внешнюю среду; а при богатой смеси и недостатке кислорода в выхлопных газах перекачивает ионы кислорода из окружающей среды в диффузионную щель. Направление тока для перекачивания кислорода в разные стороны тоже отличается.
Так как насосный ток пропорционален концентрации кислорода — он и является показателем величины λ-фактора отработавших газов.
Рисунок . Схема замкнутой петли λ-регулирования качества смеси.
1. Датчик массового расхода воздуха
2. Двигатель
3a. Датчик кислорода 1
3b. Датчик кислорода 2
4. Катализатор
5. Форсунки инжектора
6. Электронный Блок Управления
Vv напряжение управления форсунками
Vs напряжение с датчика
Qe Количество впрыскиваемого топлива
Датчик кислорода передает сигнал (напряжение) электронному блоку управления (ЭБУ) двигателем. Этот сигнал используется системой для обогащения или обеднения смеси в соответствии с величиной напряжения с датчика (см. Рис. 8). Таким образом система обогащает бедную смесь, увеличивая количество впрыскиваемого топлива, и обедняет богатую, уменьшая количество топлива.
Диагностика
Лямбда-зонд сравнивает уровень содержания кислорода в выхлопных газах и в окружающем воздухе и представляет результат этого сравнения в форме аналогового сигнала. Применяются двухуровневые зонды, чувствительный элемент которых выполнен из оксида циркония либо из оксида титана, но на их смену приходят широкополосные лямбда-зонды. При условии сгорания стехиометрической топливо-воздушной смеси, напряжение выходного сигнала лямбда-зонда равно 445…450mV.
Но расстояние от выпускных клапанов газораспределительного механизма двигателя до места расположения датчика и значительное время реакции чувствительного элемента датчика приводят к некоторой инерционности системы, что не позволяет непрерывно поддерживать стехиометрический состав топливо-воздушной смеси. Практически, при работе двигателя на установившемся режиме, состав смеси постоянно отклоняется от стехиометрического в диапазоне ±2…3% с частотой 1…2раза в секунду. Этот процесс чётко прослеживается по осциллограмме напряжения выходного сигнала лямбда-зонда.
осциллограмма напряжения выходного сигнала исправного лямбда-зонда BOSCH.
Двигатель работает на холостом ходу. Частота переключения сигнала составляет ~1,2Hz.
Осциллограмма напряжения выходного сигнала неисправного лямбда-зонда BOSCH.
Осциллограмма напряжения выходного сигнала неисправного лямбда-зонда BOSCH. Двигатель работает на холостом ходу. Переключения выходного сигнала отсутствуют. Напряжение выходного сигнала стареющего лямбда-зонда при работе двигателя на холостом ходу становится почти стабильным, его значение становится близким опорному напряжению 300…600mV.
Уровень содержания кислорода в камере с атмосферным воздухом при этом оказывается значительно выше уровня содержания кислорода в выхлопных газах, вследствие чего зонд генерирует напряжение 1V положительной полярности. В случае разгерметизации лямбда-зонда, в камеру с атмосферным воздухом проникают отработавшие газы с низким содержанием кислорода. На режиме торможения двигателем (закрытая дроссельная заслонка при вращении двигателя с высокой частотой, подача топлива при этом отключена), в выхлопную систему двигателем выбрасывается почти чистый атмосферный воздух. В таком случае, уровень содержания кислорода в выхлопной системе резко возрастает и уровень содержания кислорода в атмосферной камере зонда оказывается значительно ниже уровня содержания кислорода в отработавших газах, вследствие чего зонд генерирует напряжение 1V отрицательной полярности. Блок управления двигателем в таком случае считает лямбда-зонд исправным, так как вскоре после пуска двигателя и прогрева, датчик отклонил опорное напряжение и снизил его до ~0V.
Выходное напряжение зонда напряжением ~0V свидетельствует о близком уровне содержания кислорода в отработавших газах и в разгерметизированой атмосферной камере зонда. На блок управления двигателем поступает сигнал зонда низкого уровня, что является для него свидетельством обеднённой топливовоздушной смеси. Вследствие этого, блок управления двигателем обогащает топливовоздушную смесь. Таким образом, разгерметизация лямбда-зонда приводит к значительному обогащению топливовоздушной смеси. При этом многие системы самодиагностики выявить данную неисправность зонда не способны.
Широкополосный лямбда-зонд Выходной сигнал широкополосного лямбда-зонда в отличие от двухуровневых зондов несёт сведения не только о направлении отклонения состава рабочей смеси от стехиометрического, но и о его численном значении. Анализируя уровень выходного сигнала широкополосного лямбда-зонда, блок управления двигателем рассчитывает численное значение коэффициента отклонения состава рабочей смеси от стехиометрического состава, что, по сути, является коэффициентом лямбда.
Для широкополосных зондов производства BOSCH Выходное напряжение чувствительного элемента зонда (чёрный провод относительно жёлтого провода) изменяется в зависимости от уровня содержания кислорода в отработавших газах и от величины и полярности электрического тока, протекающего по кислородному насосу зонда (красный провод относительно жёлтого). Блок управления двигателем генерирует и подаёт на кислородный насос зонда электрический ток, величина и полярность которого обеспечивает поддержание выходного напряжения чувствительного элемента зонда на заданном уровне (450 mV). Если бы двигатель работал на топливовоздушной смеси стехиометрического состава, то блок управления двигателем установил бы на красном проводе напряжение равное напряжению на жёлтом проводе, и ток протекающий через красный провод и кислородный насос зонда был бы равен нулю.
При работе двигателя на обеднённой смеси, блок управления двигателем на красный провод подаёт положительное напряжение относительно жёлтого провода, и через кислородный насос начинает течь ток положительной полярности. При работе двигателя на обогащенной смеси, блок управления изменяет полярность напряжения на красном проводе относительно жёлтого провода, и направление тока кислородного насоса так же изменяется на отрицательное. Величина тока кислородного насоса устанавливаемая блоком управления двигателем зависит от величины отклонения состава топливовоздушной смеси от стехиометрического состава. В электрическую цепь кислородного насоса включен измерительный резистор, падение напряжения на котором и является мерой уровня содержания кислорода в отработавших газах.
Проблемы
Проблема заключается в следующем, цена на новый ЛЗ сейчас очень высока. На рынках в магазинах сейчас очень часто попадаются бракованные, поддельные ЛЗ, в случае установки его в выпуск, обратно вернуть его уже весьма проблематично.
Из того что испытывалось, нагрев строительным феном ЛЗ до 350 С с подачей опорного напряжения 0,45 в никакой реакции (способ найден в инете!) на ламповом оссцилоскопе с высоким входным сопротивлением.
Но порадовало одно у чуствительного элемента ЛЗ есть емкость где то в районе 50-80 Пикофарад.
Другой более надежный способ рожденный опытом это берем газовый паяльник и нагреваем чуствительный элемент при этом разьем лямды подключен к эбу и смотрим на отклонение напряжения от опорного, в небольших пределах мы увидим отклонение что косвенно потверждает его исправность.
Меня интересуют варианты безустановочной диагностики ЛЗ. Буду рад любым идеям, даже самым бредовым на первый взгляд.
43. Кислородный датчик
43.1. Провод от кислородного датчика и его фишка.
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 катализатор умрёт очень быстро – вот тут и приходит на помощь датчик кислорода, он же О2-датчик, он же лямбда-зонд (ЛЗ).
График 1. Зависимость мощности двигателя (P) и расхода топлива (Q) от коэффициента избытка воздуха (L)
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).
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.
Как это работает
Рис. 2. Схема датчика кислорода на основе диоксида циркония, расположенного в выхлопной трубе
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 < L < 1,03) напряжение на его выходе изменяется скачком в интервале 0,1 - 0,9 В (график 2).
График 2. Зависимость напряжений лямбда-зонда от коэффициента избытка воздуха (L) при температуре датчика 500-800оС
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).
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.
Рис. 4. Контактные выводы наиболее распространенных циркониевых лямбда-зондов
а – без подогревателя; б, с – с подогревателем.
* цвет вывода может отличаться от указанного.
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.
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: