Устройство и принцип работы кислородного датчика (лямбда-зонда)

Кислородный датчик (часто называется еще лямбда-зонд) используется для контроля объема кислорода в отработанном газе в выпускной системе, оставшемся в двигателе автомобиля. Он располагается около катализатора, на основе получаемой датчиком информации ЭБУ двигателя корректирует пропорции смеси до необходимого состояния.

Датчик кислорода. Основное назначение и область использования

Для рядного двигателя машины устанавливаются два таких сигнальных датчика. Один ставится перед катализатором, второй – после него. Конструктивно они ничем не отличаются, но выполняют разные задачи.

Верхний сенсор определяет объем кислорода, остающегося в отработанной газовой смеси. Сигнал зонда показывает силовому агрегату, какой тип смеси используется в данный момент (богатая, бедная или стехиометрическая). В зависимости от получаемой информации с зонда и требований к рабочему режиму ЭБ корректирует количество топлива, которое поступает в цилиндры. Надо отметить, что сигналы этого датчика игнорируются в момент, когда двигатель прогревается, то есть корректировать смесь не нужно.

Нижний сенсор, устанавливаемый после катализатора, применяется для контроля исправности нейтрализатора и дополнительной коррекции состава газа.

Конструктивное решение, принципы работы

Для транспортных средств используются сенсоры разных типов, но наиболее распространены устройства на основе диоксида циркония. Конструкция такого зонда включает в себя следующие конструктивные элементы:

• наружный защитный корпус;
• металлический кожух с перфорацией для забора отработанного газа;
• твердый электролит, который размещается между рабочими электродами;
• нагревательный элемент, необходимый для поддержки определенной температуры зонда и вывода его на рабочие значения (необходима температура в +300 градусов);
• внутренний электролит, контактирующий с атмосферным воздухом;
• наружный электролит, контактирующий с массой выхлопных газов.

Электроды устройства покрываются тонким слоем платины. Напыление выполняет функцию создания разницы потенциалов, так как платина чувствительна к кислороду. При нагреве активируется движение ионов воздуха, возникающее напряжение имеет параметры, зависящие от количества кислорода в отработанном газе. Чем выше концентрация кислорода, тем ниже возникающее напряжение. Датчик работает в диапазоне 100-900 мВ, получаемый сигнал синусоидальный. Показатели датчика разделяются на три области:

• бедная смесь – диапазон 100-450 мВ;
• богатая смесь – 450-900 мВ;
• стехиометрический состав – 450 мВ.

Показания считываются автоматически, при поступлении на электронный блок двигателя происходит коррекция в ту или иную сторону.

Рабочий ресурс. Какие неисправности встречаются чаще всего

Кислородный сенсор в процессе эксплуатации подвергается усиленному износу, что связано с условиями его использования и постоянным воздействием отработанных газов. Рекомендуется менять зонды при достижении определенного значения пробега, например, для циркониевых устройств делать это надо уже через 70-130 тыс. км пробега.

Для контроля работы зондов используется система бортовой диагностики OBD-II. То есть при любой ошибке на приборной панели загорается индикатор Check Engine, показывающий о неисправности. Определить, что именно стали причиной включения индикатора, можно при помощи специального автомобильного сканера. В каталоге интернет-магазина «Движком» сегодня можно подобрать специальное диагностическое оборудование и тестеры, при помощи которых можно самостоятельно контролировать исправность отдельных систем. Но при окончании рабочего ресурса и выявлении неисправности датчик придется заменить.

Определить нормальное функционирование зонда несложно, на экране появляется правильная синусоида, которая говорит о частоте переключений от 8 за 10 секунд. При нарушениях или полном выходе из строя форма сигнала будет отличной от установленной эталонной, число откликов замедляется.

К основным видам неисправностей относятся:

• естественный износ;
• загрязнение отдельных элементов;
• обрывы электроцепи, неисправность нагревательного элемента.

Причины – залив топлива низкого качества, перегрев, использование неподходящих присадок или попадание в зону контроля постоянных частиц, например, чистящих средств или масла. Чаще всего специалистами определяются следующие причины:

• топливо несоответствующего качества вызывает отложение на датчике слоя свинца, снижающего чувствительность, зонд достаточно быстро выходит из строя и восстановлению не подлежит;

• механические поломки в виде повреждений корпуса или обмотки, ремонту не подлежит;

• нарушение работы топливной системы, подача чрезмерного количества топливной смеси в форсунки, где она не сгорает полностью, вызывает накопления сажи, которую можно убрать вручную, но при постоянном накоплении отложений датчик придется быстро менять.

Признаками неисправности лямбда-зонда являются:

• на панели начинает мигать индикатор неисправности двигательной системы;
• мощность падает, отклик на нажатие педали газа слабый;
• работа на холостых оборотах неровная;
• периодически наблюдается резкое повышение количества оборотов с отключением силового агрегата;
• топливо не сгорает полностью;
• наблюдается замедление сигналов от датчика, в работе электронных блоков есть перебои;
• двигатель работает рывками, появляются посторонние звуки;
• состав выхлопных газов меняется, становится более токсичным;
• расход топлива резко возрастает.

Правильная эксплуатация автомобиля и своевременное техобслуживание помогут избежать преждевременного выхода датчика из строя. Если все узлы будут поддерживаться в хорошем состоянии, рабочий ресурс лямбда-зонда можно продлить, избегая необходимости его частой замены.

Можно ли отремонтировать датчик, чтобы сэкономить на покупке? Большинство специалистов не рекомендуют это делать, так как восстановить полную функциональность в большинстве случаев не получится. Не советуют также ставить датчики б/у после полного обслуживания, так как они могут стать причиной серьезных проблем с двигателем. Альтернативой покупке оригинального датчика от официального производителя может стать универсальный. Сегодня многие компании-изготовители запчастей выпускают зонды, подходящие к разным маркам авто и допускаемые к установке официальными брендами. Стоимость их ниже, функциональность остается прежней. Но перед покупкой надо уточнить, можно ли использовать такой универсальный датчик или лучше не экономить и сразу купить зонд нужного бренда.

Виды датчиков

Для установки используются разные виды лямбда-зондов, среди которых:

• циркониевые;
• титановые;
• широкополосные.

Циркониевые зонды

Чаще всего используют устройства на основе диоксида циркония с опорным напряжением 450 мВ. Такой датчик работает по принципу гальванического элемента с платиновым напылением и керамическим твердым электролитом. Пористые платиновые экраны пропускают ионы кислорода, что создает определенное напряжение. Но для такой модели необходим обязательный нагрев до температуры от +350 градусов. В противном случае зонд просто не будет работать. Поэтому конструкция предусматривает наличие подогревателя с изолятором из керамики.

Принцип работы устройства достаточно простой. Отработанный газ через перфорацию наконечника поступает в датчик, контактирует с атмосферным воздухом. При этом возникает разница потенциалов за счет передвижения ионов кислорода между платиновыми экранами. Возникает напряжение, уровень которого и показывает о количественном содержании кислорода в системе. Данную информацию считывает электронный блок управления, который подает команду на коррекцию объема топливной смеси, поступающей в двигатель. Идеальным состоянием является стехиометрической, то есть на уровне 450 мВ.

Циркониевые зонды разделяются на несколько разновидностей в зависимости от конструктивного исполнения:

• однопроводные с одним сигнальным проводом, контакты осуществляются через корпус устройства (без нагрева);
• двухпроводная модель с замеляющим и сигнальным проводами (без нагрева);
• модели с нагревом – трех-, четырехпроводные устройства с заземляющими и управляющими проводами.

Титановые зонды

Визуально датчики этого типа напоминают циркониевые, но для изготовления основного рабочего элемента используется диоксид титана. В зависимости от количественных характеристик отработанных газов меняется значение сопротивления. При этом бедной смесь считается при показаниях 20 кОм, богатой – от 1 кОм. Эталонная атмосфера отсутствует, наличие нагревательного элемента обязательно, так как зонд для функционирования должен нагреваться до +700 градусов.

Конструкция достаточно сложная, чувствительная к температурным перепадам, стоимость подобного зонда высокая. По этим причинам серьезного распространения он не получил.

Широкополосные датчики

Такой тип устройства отличается от предыдущих наличием двух рабочих ячеек – насосной и измерительной. В измерительной камере поддерживается состав смеси λ=1 (рабочий диапазон 0,7-1,6), для чего используется специальная электронная система. Насосная камера контролирует содержание кислорода, например, при обедненной смеси она устраняет его излишки, при богатой – насыщается, для чего используется принцип диффузии. Датчик содержит нагревательный элемент, обеспечивающий поддержку рабочей температуры +600 градусов.

Несмотря на то, что циркониевые модели применяются чаще всего, наиболее эффективными являются широкополосные. Они не только определяют тип смеси, но и позволяют уточнить степень отклонения. Это делает работу зонда максимально точной и надежной. Кроме того, именно широкополосной датчик быстрее остальных реагирует на все изменения, что повышает эффективность работы силового агрегата.

Кислородный лямбда-зонд – один из важнейших элементов двигательной системы и контроля качества ее работы. Неисправность этого датчика может привести к преждевременному износу мотора, чрезмерному расходу топлива и другим поломкам. Поэтому за техническим состоянием зонда необходимо следить, проводить своевременную замену при окончании рабочего ресурса.