Всё (или практически всё), что вы хотите знать про датчики кислорода
Здравствуйте, уважаемые посетители канала!
По просьбам трудящихся, делаю (не)большую статью про датчики кислорода. Постараюсь собрать всё, что обычно люди хотели бы знать про эти датчики, что полезно знать, что нужно знать обязательно. Поехали!
Содержание
Влияние герметичности выпускного коллектора на работу лямбда-зонда №1
А какие зонды брать, если нужна замена? Производители?
Введение
Датчики кислорода, также известные как лямбда-зонды, играют ключевую роль в обеспечении эффективности работы двигателя, снижении токсичности выхлопных газов и оптимизации расхода топлива. Они измеряют содержание кислорода в отработавших газах, помогая электронному блоку управления (ЭБУ) корректировать состав топливовоздушной смеси.
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 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.
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 – "богатая" смесь (избыток – топливо; недостаток – воздух);
- 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.
Типы датчиков кислорода
- Циркониевые датчики:
- Основной тип, основанный на диоксиде циркония (ZrO2). Работают как гальванический элемент, измеряя разность кислорода между атмосферой и выхлопными газами.
- Рабочая температура: около 300°C. Для быстрого прогрева оснащаются нагревательными элементами.
- Различают узкополосные (определяют только богатую или бедную смесь) и широкополосные (точно измеряют соотношение воздух/топливо) модели. Последние состоят из циркониевого 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.
- Титановые датчики:
- Используют диоксид титана (TiO2) как полупроводниковый материал. Эти датчики менее популярны из-за их более сложного сигнала и необходимости усилителя. Титановые лямбда-зонды не требуют наличия атмосферного воздуха, поскольку принцип их работы основан на изменении выходного напряжения, в зависимости от концентрации кислорода в выхлопе. Можно сказать, что они на данный момент практически не используются.
Принцип работы
Датчики работают в двух основных режимах:
- Разомкнутый контур (open loop): при холодном двигателе датчики не прогреты, и ЭБУ управляет смесью по заранее заданным параметрам.
- Замкнутый контур (closed loop): после прогрева датчики начинают передавать данные, и система впрыска топлива динамически корректирует смесь.
Узкополосный датчик выдает напряжение в диапазоне 0,2–0,9 В, где:
- <0,45 В - бедная смесь (много кислорода).
- >0,45 В - богатая смесь (мало кислорода).
- = 0,45 В - стехиометрическая смесь (идеальное соотношение)
Широкополосные датчики используют другой принцип - они измеряют ток, пропорциональный количеству кислорода, что дает более точные результаты.
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.
Хотелось бы отдельно отметить роль нижнего лямбда-зонда. Есть огромное заблуждение, что второй датчик используется лишь как индикатор исправности катализатора, что его можно просто "выпилить" из системы, перепрошить ЭБУ, поставить обманку и так далее, но это далеко не так на многих автомобилях! Подчеркну, что он часто используется для дополнительной корректировки состава смеси! Просто так вы его не "выпилите". Да, можно перепрошиться, внешне будет всё выглядеть нормально, но как правило в таких прошивках лишь установлена маска на ошибку по нижнему лямбда-зонду, никаких корректировок более не производится, и смесь формируется далеко не так, как планировалось инженерами на заводе, со всеми вытекающими последствиями, которые выстрелят спустя какое-то время
Диагностика и срок службы
Срок службы датчиков зависит от их типа и условий эксплуатации:
- Механические повреждения.
- Засорение продуктами сгорания топлива.
- "Отравление" маслом (масложор в двигателе).
- Некачественный бензин с высоким содержанием примесей.
Признаки неисправности лямбда-зонда:
- Индикация сигнальной лампы неисправности на приборной панели.
- Потеря мощности.
- Слабый отклик на педаль газа.
- Неровная работа двигателя на холостых оборотах.
- Едкий "выхлоп"
Ниже изобразил графики работы исправных лямбда-зондов в сочетании с исправным и неисправным катализатором (такие графики можно получить, подключившись к дата-стриму с ЭБУ любой подходящей программой и адаптером)
Тут стоит отметить, что процесс "дожигания" выхлопа катализатором сопровождается уменьшение кислорода, поэтому нормальное напряжение второй лямбды 0,7-0,9в. Чем выше напряжение, тем меньше кислорода, а значит катализатор "дожег" максимально выхлоп. На графике "исправного катализатора" изображена типичная ситуация для автомобиля с пробегом, когда катализатор уже не новый, но функции свои вполне выполняет, и именно такую картину вы можете увидеть на своём автомобиле. При этом, если вы видите на графике второго датчика кислорода абсолютно ровную линию - это повод задуматься о том, а есть ли катализатор вообще, а не стоит ли обманка и так далее. Даже новый катализатор никогда не выдаст абсолютно ровный график нижнего лямбда-зонда.
Диагностику лямбда-зондов\катализатора необходимо выполнять только после полного прогрева двигателя до рабочей температуры (88-90 градусов), и после небольшой поездки (15-20минут). Катализатор нужно прогреть! Для эффективной работы он должен выйти на рабочую температуру 700-900с, что возможно только после такой небольшой поездки, на холостых катализатор никогда не выйдет на свою полную рабочую температуру!
А что по замене лямбда-зонда?
В идеале - менять на полностью такой же лямбда-зонд, с таким же разъемом, не трогая проводку зонда вообще. Если же используется вариант с "аналогом"\универсальным датчиком, с заменой разъема, важно помнить одну деталь: как выше написано, лямбда-зонд (за исключением редкого типа - титанового) использует для своей работы сравнение с атмосферным воздухом. Не все это знают, но тот самый атмосферный воздух поступает в лямбда-зонд по специальным каналам в самой проводке датчика. Эти воздушные каналы очень маленькие, и находятся под изоляцией. Нередко люди по причине незнания просто "обрубают" провода, как-то что-то соединяют, спаивают, разрушая изоляцию, далее обильным количеством изоленты и термоусадки просто перекрывают эти самые воздушные каналы, полностью или не очень. Из-за этого лямбда-зонд будет работать некорректно, тем самым вводя в заблуждение тех, кто пытался что-то отремонтировать. Помните об этом! То же самое относится к случаям, когда проводка лямбда-зонда каким-то образом "падает" на выпускной коллектор. Такой лямбда-зонд необходимо выкидывать и менять на заведомо исправный, так как восстановить изоляцию в том виде, в котором она должна быть - практически невозможно, в данном случае.
Чистка датчиков кислорода
Если коротко - любая очистка лямбда-зонда приводит к ещё бОльшему ухудшению его характеристик, потому такую процедуру производить не имеет никакого смысла.
Проставка для лямбда-зонда №1
Часто слышал (и лично видел), как владельцы ставят себе проставки между техническим отверстием под лямбда-зонд и самим зондом специальную проставку, эдакий "тюнинг". Так вот, это не "тюнинг". Тут более уместно другое слово, которое лучше не говорить публично. Не занимайтесь подобной ерундой, вы ничего не тюнингуете.
Влияние герметичности выпускного коллектора на работу лямбда-зонда №1
На многих (не на всех) автомобилях герметичность выпускного коллектора играет важную роль в правильной работе верхнего лямбда-зонда. При определенных условиях возможен подсос воздуха в выпускной коллектор, что приводит к искажению показаний верхнего датчика кислорода, и как следствие - лишнее и чрезмерное обогащение смеси, что приводит к нестабильности работы двигателя, увеличению расхода топлива.
Ниже расположена фотография выпускного коллектора Chery Tiggo T11, красным изображены наиболее частые места образования микротрещин (это болячка данных автомобилей).
Как видно, эти микротрещины возникают в районе соединения с банкой катализатора (где над катализатором как раз располагается верхний датчик кислорода). Конкретно на данном автомобиле микротрещины образовываются настолько мелкие, что даже при запуске холодного мотора может не чувствоваться запах выхлопа под капотом, нет лишнего шума. Но после прогрева до практически рабочей температуры, возникает следующий эффект: водитель спокойно едет, немного начинает ускоряться, но резко бросает педаль газа, и в этот момент в выпускном тракте создается такое разрежение, которого достаточно для того, чтобы через эти микротрещины в выпускной коллектор начинал попадать атмосферный воздух. После нескольких таких "попаданий" коррекции уходят в сторону обогащения смеси, катализатор при этом не отрабатывает корректно, второй датчик кислорода это фиксирует. Самое интересное начинается далее: на верхнем датчике кислорода после полного прогрева до рабочей температуры начинает фиксироваться напряжение = 0.0 В, что приводит к возникновению следующих ошибок:
Подобное поведение наблюдается не только на данном автомобиле, Chery Tiggo просто приведён в качестве примера. Имейте в виду, что в вашем автомобиле тоже возможна такая ситуация, и не обязательно по причине наличия микротрещин. Банально - прогар прокладки коллектора.
Потому, не спешите приговаривать датчик(и) кислорода, если видите нерамномерные графики, низкие\высокие показания напряжений. Проверяйте герметичность выпускного коллектора.
А какие зонды брать, если нужна замена? Производители?
Примерно до 2022г такой вопрос не особо стоял - брали оригинал Bosch, их можно было без проблем купить. На данный момент это - проблема. Но к сожалению, именно Bosch - это лидер в производстве \ разработке лямбда-зондов.
Вообще, если отбросить проблемы с поставками\наличием, я всегда рекомендую Bosch, NGK/NTK, Denso, Delphi - более никаких. Всё остальное - это ширпотреб натуральный, они не "ходят" положенный срок, характеристики отличаются от требуемых (тот же отклик). Перекупы, например, ставят SAT, чтобы оно как-то поработало. А владелец потом мучается.
Потому, либо ищите Bosch, NGK/NTK, Denso, Delphi (в зависимости от того, что положено автомобилю), можно и с разборки. В случае покупки с разборки, лямбда-зонд не должен быть "намыт", и не должен быть чрезмерно загрязнён. Вот в таком виде брать точно не стоит:
А если он будет чрезмерно чистым - его отмывали растворителями, что губительно для лямбда-зонда.
Послесловие
Я надеюсь, что расписал все основные вопросы\проблемы по лямбда-зондам. Возможно, пост будет дополняться, о чём буду сообщать.