РАБОТА ЛЯМБДА-ЗОНДА: ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ
Оптимальное сгорание необходимо для обеспечения оптимальной степени конверсии катализатора. Для этой цели в бензиновых двигателях используется смесь 14,7 кг воздуха на 1 кг топлива (стехиометрическая смесь). Эта оптимальная смесь называется греческой буквой λ (лямбда). Лямбда — это отношение теоретического количества необходимого воздуха к фактическому количеству подаваемого воздуха:
λ = количество подаваемого воздуха: теоретическое количество воздуха = 14,7 кг: 14,7 кг = 1
Принцип работы лямбда-зонда основан на сравнительном измерении содержания кислорода. Это сравнение содержания кислорода в выхлопных газах (около 0,3–3%) с содержанием кислорода в окружающем воздухе (около 20,8%).
Если содержание кислорода в выхлопных газах составляет 3% (бедная смесь), то на основе разницы с содержанием кислорода в окружающем воздухе генерируется напряжение 0,1 В.
Если содержание кислорода в выхлопных газах менее 3% (богатая смесь), напряжение зонда увеличивается пропорционально увеличению разницы до значения 0,9 В. Остаточное содержание кислорода измеряется различными лямбда-зондами.
Как правило, работу лямбда-зонда проверяют при плановой проверке состава выхлопных газов. Поскольку он подвержен некоторому износу, необходимо регулярно проверять его исправность (приблизительно каждые 30 000 км) – например, в рамках периодических осмотров.
В связи с ужесточением правил по снижению выбросов выхлопных газов автомобилей были усовершенствованы и методы очистки выхлопных газов.
Двухпозиционный пальцевый зонд
Этот зонд состоит из полого циркониевого керамического элемента в форме пальца. Особенностью этого твердого электролита является то, что начиная с температуры около 300 °C он становится проницаемым для ионов кислорода. Обе стороны керамического элемента покрыты тонким пористым слоем платины, выполняющим роль электрода. Выхлопной газ обтекает керамический элемент снаружи, а внутренняя часть заполняется эталонным воздухом.
Из-за разницы в концентрации кислорода по обе стороны элемента, благодаря свойствам керамического материала, ионы кислорода проникают внутрь, что создает определенное напряжение. Это напряжение используется контроллером как сигнал, на основании которого корректируется состав смеси в зависимости от содержания кислорода в выхлопных газах.
Этот процесс — измерение остаточного содержания кислорода и обогащение или обеднение смеси — повторяется много раз в секунду, что позволяет получить стехиометрическую смесь (λ = 1) по мере необходимости.
В конце двухэтапного плана
Керамический элемент зондов этого типа изготовлен из диоксида титана по толстослойной технологии. Диоксид титана обладает тем свойством, что его сопротивление изменяется пропорционально концентрации кислорода в выхлопных газах. При высоком содержании кислорода (бедная смесь, λ > 1) его проводимость ниже, а при малом содержании кислорода (богатая смесь, λ < 1) – выше. Этот датчик не требует эталонного воздуха, но должен получать питание 5 В от контроллера через систему резисторов. Падение напряжения на этих резисторах создает сигнал, необходимый контроллеру.
Обе измерительные ячейки смонтированы в одинаковом корпусе. Защитная трубка предотвращает повреждение измерительных ячеек, вставленных в поток выхлопных газов.
Обогрев лямбда-зонда
Первые лямбда-зонды не обогревались, поэтому их приходилось монтировать вплотную к двигателю, чтобы как можно быстрее достичь рабочей температуры. Сегодня лямбда-зонды оснащены подогревом зонда. Это позволяет устанавливать щупы в местах, более удаленных от двигателя.
Преимущество:
они не подвергаются такой большой тепловой нагрузке. Нагрев зонда позволяет быстро достичь рабочей температуры, что делает время бездействия лямбда-регулирования очень коротким. Это предотвращает значительное охлаждение на холостом ходу, когда температура выхлопных газов недостаточно высока. Лямбда-зонды с подогревом имеют меньшее время срабатывания, что положительно влияет на скорость регулирования.
Широкополосный лямбда-зонд
Зонд сигнализирует о богатой или бедной смеси в диапазоне λ = 1. Широкополосный лямбда-зонд позволяет точно измерить коэффициент воздуха в диапазоне бедной смеси (λ > 1) и богатой (λ < 1). Он обеспечивает точный электрический сигнал и поэтому может регулировать любые заданные значения - например, в двигателях с воспламенением от сжатия, искровым зажиганием и обедненной смесью, а также в газовых двигателях и газовых нагревательных печах. Как и стандартный датчик, широкополосный лямбда-зонд имеет эталонный воздух. Он имеет дополнительную, вторую электрохимическую ячейку: ионный насос.
Через небольшое отверстие в насосной ячейке выхлопные газы попадают в измерительную камеру (диффузионный слой). Для установки коэффициента воздуха (λ) концентрация кислорода сравнивается с концентрацией кислорода в эталонном воздухе. Чтобы получить измеримый сигнал для контроллера, на ионный насос подается определенное напряжение. Благодаря этому напряжению можно закачивать кислород из выхлопных газов в диффузионный слой и откачивать его. Контроллер регулирует напряжение накачки так, чтобы состав газа в диффузионном слое был постоянным и всегда соответствовал значению λ = 1. Когда смесь бедная, ионный насос перекачивает кислород наружу. Это генерирует положительный ток накачки. Когда смесь бедная, кислород из эталонного воздуха закачивается внутрь. Это создает отрицательный ток накачки. При λ = 1 ионы кислорода в диффузионном слое не транспортируются и ток накачки равен нулю. Полученный ток насоса анализируется контроллером, предоставляя ему информацию о коэффициенте воздуха и, следовательно, о составе смеси.
Использование нескольких лямбда-зондов
С момента внедрения систем EOBD возникла необходимость контролировать работу каталитического нейтрализатора. Для этого за каталитическим нейтрализатором устанавливается дополнительный лямбда-зонд. Он используется для определения способности накопления кислорода в каталитическом нейтрализаторе.
Принцип работы зонда после катализатора идентичен принципу работы зондов перед катализатором. Контроллер сравнивает амплитуды лямбда-зондов. Из-за способности кислорода накапливаться в каталитическом нейтрализаторе амплитуды напряжения зонда за каталитическим нейтрализатором очень малы. Когда способность аккумулирования кислорода каталитическим нейтрализатором снижается, амплитуды напряжения зонда за каталитическим нейтрализатором увеличиваются из-за повышенного содержания кислорода.
Амплитуда напряжения датчика после каталитического нейтрализатора зависит от текущей емкости каталитического нейтрализатора и изменяется в зависимости от нагрузки и частоты вращения. Поэтому при сравнении амплитуд напряжения щупов учитывают состояние нагрузки и скорость вращения. Если, несмотря на это, амплитуды напряжения обоих датчиков одинаковы, это означает, что катализатор достиг своей накопительной емкости, например, из-за старения.
ПОВРЕЖДЕННЫЙ ЛЯМБДА-ЗОНД: СИМПТОМЫ
- При выходе из строя лямбда-зонда могут возникнуть следующие симптомы:
- Высокий расход топлива
- Низкая мощность двигателя
- Высокие выбросы выхлопных газов (проверка состава выхлопных газов)
- Загорается лампочка «проверь двигатель»
- Сохранение кода неисправности
- Неисправность может иметь различные причины:
- Внутренние и внешние короткие замыкания
- Нет заземления или напряжения питания
- Перегрев
- Отложения или загрязнения
- Механическое повреждение
- Использование этилированного бензина или присадок.
- Защитная трубка или корпус зонда забиты остатками масла -Несгоревшее масло попало в выхлопную систему, например, из-за повреждения поршневых колец или маслосъемных колпачков.
- Всасывание постороннего воздуха, без эталонного воздуха -Датчик установлен неправильно, подача эталонного воздуха засорена.
- Повреждения из-за перегрева -Температура выше 950 °C из-за неправильного момента зажигания или люфта клапанов.
- Плохая проводимость контактов штекера -Окисление
- Сломанные проводные соединения -Плохо проложенные кабели, потертости, покусанная куницей
- Нет связи с землей -Окисление, коррозия выхлопной системы
- Механическое повреждение -Слишком высокий момент затяжки
- Химическое старение -Очень частая езда на короткие расстояния
- Свинцовые месторождения -Использование этилированного бензина
ДИАГНОСТИКА НЕИСПРАВНОСТЕЙ ЛЯМБДА-ЗОНДА:
Автомобили, оснащенные системой самодиагностики, могут обнаруживать ошибки, возникающие в цепи управления, и сохранять их в памяти ошибок. Обычно это обозначается световым индикатором. Для диагностики ошибок можно прочитать память ошибок с помощью диагностического тестера . Однако старые системы не способны определить, вызвана ли ошибка повреждением того или иного элемента или, например, неисправностью кабеля. В этом случае механик должен провести дополнительные проверки.
В рамках диагностики EOBD мониторинг лямбда-зондов расширен и включает следующие пункты:
- короткое замыкание провода,
- оперативная готовность,
- короткое замыкание на массу контроллера,
- замыкание на плюс,
- обрыв проводов и старение лямбда-зонда.
Для этого контроллер рассчитывает следующие данные:
- максимальное и минимальное обнаруженные значения напряжения зонда,
- время между нарастающим и спадающим фронтом,
- установка лямбда-регулятора в сторону богатой и бедной смеси,
- порог регулирования лямбды,
- напряжение зонда и продолжительность периода.
При запуске двигателя предыдущие минимальные значения удаляются в контроллере. и макс.при движении в пределах указанного для диагностики диапазона нагрузок и скоростей создаются мин.значения. и макс.
РАСЧЕТ ВРЕМЕНИ МЕЖДУ НАРАСТАЮЩИМ И СПАДАЮЩИМ ФРОНТАМИ
После того, как напряжение зонда превысит порог регулирования, начинает измеряться время между нарастающим и спадающим фронтами. Когда напряжение зонда падает ниже порога регулирования, измерение времени прекращается. Время между началом и окончанием измерения времени отсчитывается счетчиком.
ОБНАРУЖЕНИЕ СТАРОГО ИЛИ ОКИСНЕННОГО ЛЯМБДА-ЗОНДА
Если лямбда-зонд очень старый или был испорчен, например, присадками к топливу, это влияет на его сигнал. Сигнал зонда сравнивается с записанной формой сигнала. Плохой зонд распознается как ошибка, например, по продолжительности периода сигнала.
ПРОВЕРКА ЛЯМБДА-ЗОНДА ОСЦИЛЛОСКОПОМ, УНИВЕРСАЛЬНЫМ ИЗМЕРИТЕЛЕМ, ТЕСТЕРОМ ЛЯМБДА-ЗОНДА, ПРИБОРОМ ИЗМЕРЕНИЯ ВЫХЛОПНЫХ ГАЗОВ: ПОИСК НЕИСПРАВНОСТЕЙ
Перед каждой проверкой выполняйте визуальный осмотр, чтобы убедиться в отсутствии повреждений кабелей и вилок. Выхлопная система не должна давать течь.
Для подключения измерительных приборов рекомендуется использовать кабель с переходником. Обратите внимание, что лямбда-контроль не активен в определенных рабочих состояниях, например, при запуске холодного двигателя до достижения рабочей температуры и при полной нагрузке.
1 Проверка лямбда-зонда тестером выхлопных газов
Одним из самых быстрых и простых методов тестирования является измерение с помощью четырехкомпонентного тестера выхлопных газов.
Испытание проводится как предусмотренное законом испытание на состав выхлопных газов. Когда двигатель прогрет до рабочей температуры, при отсоединении шланга в качестве мешающего количества поступает посторонний воздух. Из-за изменения состава выхлопных газов изменяется значение лямбда, рассчитанное и отображаемое тестером выхлопных газов. При превышении определенного значения система подготовки смеси должна обнаружить это изменение и скорректировать его в течение определенного периода времени (как при проверке состава выхлопных газов, 60 секунд). После устранения мешающей величины значение лямбды должно вернуться к исходному уровню.
Всегда следуйте требованиям производителя относительно установки значения возмущения и значения лямбда.
Однако этот тест позволяет нам лишь определить эффективность лямбда-регулирования. Электрические испытания невозможны. При этом процессе существует опасность, что современные системы управления двигателем, несмотря на неэффективное лямбда-регулирование, смогут регулировать состав смеси за счет точного измерения нагрузки так, чтобы λ =
2 Проверка лямбда-зонда мультиметром
Для проверки следует использовать только высокоомные мультиметры с цифровым или универсальным индикатором.
Мультиметры с низким внутренним сопротивлением (чаще всего в случае с аналоговыми приборами) слишком сильно нагружают сигнал лямбда-зонда и могут привести к его выходу из строя. Из-за быстрых изменений напряжения сигнал лучше всего представить с помощью аналогового прибора.
Мультиметр подключается параллельно сигнальному кабелю (черный кабель, следуйте электрической схеме) лямбда-зонда. Диапазон измерения мультиметра устанавливается 1 или 2 В. После запуска двигателя на дисплее отображается значение от 0,4 до 0,6 В (опорное напряжение). После достижения рабочей температуры двигателя или лямбда-зонда постоянное напряжение начинает пульсировать в диапазоне от 0,1 до 0,9 В.
Чтобы гарантировать правильный результат измерения, двигатель должен работать со скоростью около 2500 об/мин. Это гарантирует, что даже в системах с необогреваемым лямбда-зондом сам датчик также достигнет рабочей температуры. Из-за недостаточной температуры выхлопных газов на холостом ходу существует опасность того, что необогреваемый датчик остынет и не будет выдавать никакого сигнала.
3 Проверка лямбда-зонда осциллографом
Сигнал лямбда-зонда лучше всего визуализировать с помощью осциллографа. Основное условие, как и в случае измерения мультиметром, – прогреть двигатель или лямбда-зонд до рабочей температуры.
Осциллограф подключается к сигнальному кабелю. Установленный диапазон измерения зависит от используемого осциллографа. Если прибор оснащен автоматическим обнаружением сигнала, следует использовать эту опцию. Для ручной настройки установите диапазон напряжения от 1 до 5 В и настройку времени от 1 до 2 с.
Частота вращения двигателя снова должна составлять примерно 2500 об/мин.
Переменное напряжение отображается на дисплее в виде синусоидальной волны. По этому сигналу можно проанализировать следующие параметры:
Высота амплитуды (максимальное и минимальное напряжение до 0,1 до 0,9 В),
время отклика и продолжительность периода (частота примерно от 0,5 до 4 Гц).
4 Проверка лямбда-зонда тестером лямбда-зонда
Различные производители предлагают специальные тестеры лямбда-зондов для проверки датчиков. В этих устройствах работа лямбда-зонда индицируется светодиодами.
Устройство подключается как мультиметр или осциллограф к сигнальному кабелю щупа. После достижения щупом рабочей температуры и начала работы светодиоды начинают светиться попеременно – в зависимости от состава смеси и формы напряжения на щупе (от 0,1 до 0,9 В).
Вся информация по настройке приборов измерения напряжения относится к зондам из диоксида циркония (щупам ступенчатого напряжения). В случае датчиков из диоксида титана заданный диапазон напряжения изменяется от 0 до 10 В, а измеряемое напряжение колеблется от 0,1 до 5 В.
Проверка состояния защитной трубки
Всегда следуйте инструкциям производителя. Помимо электронного контроля, информацию об эффективности зонда может предоставить состояние защитной трубки сенсорного элемента:
ЗАЩИТНАЯ ТРУБА ПОКРЫТА ОБЯЗАТЕЛЬНЫМИ ОТЛОЖЕНИЯМИ САЖИ.
Двигатель работает на слишком богатой смеси -Датчик следует заменить и устранить причину слишком богатой смеси, чтобы предотвратить повторное загрязнение датчика сажей.
БЛЕСТЯЩИЕ ОТЛОЖЕНИЯ НА ЗАЩИТНОЙ ТРУБЕ
Использование этилированного бензина -Свинец разрушает элемент зонда. Датчик следует заменить и проверить каталитический нейтрализатор. Замените этилированный бензин неэтилированным топливом.
СВЕТЛЫЕ (БЕЛЫЕ ИЛИ СЕРЫЕ) ОТЛОЖЕНИЯ НА ЗАЩИТНОЙ ТРУБЕДвигатель сжигает масло и присадки в топливе -Зонд следует заменить и устранить причину подгорания масла.
НЕПРАВИЛЬНАЯ УСТАНОВКАНеправильная установка может привести к такому повреждению лямбда-зонда, что он перестанет работать должным образом. При установке используйте необходимый специальный инструмент и соблюдайте момент затяжки.
ПРОВЕРКА НАГРЕВАНИЯ ЛЯМБДА-ЗОНДА: ПОИСК НЕИСПРАВНОСТЕЙ
Вы можете проверить внутреннее сопротивление и напряжение питания нагревательного элемента.
Для этого отсоедините разъем лямбда-зонда. Со стороны лямбда-зонда измерьте сопротивление омметром, подключенным к обоим проводам нагревательного элемента. Оно должно быть от 2 до 14 Ом. Со стороны автомобиля измерьте напряжение питания с помощью вольтметра. Должно быть подключено напряжение > 10,5 В (напряжение бортовой сети).
ЗАМЕНА ЛЯМБДА-ЗОНДА
ПРИ ЗАМЕНЕ ЛЯМБДА-ЗОНДА ОБРАТИТЕ ВНИМАНИЕ НА СЛЕДУЮЩИЕ ПУНКТЫ:
- Если лямбда-зонд заменяется, при установке нового соблюдайте следующие пункты:
- Для разборки и сборки используйте только предназначенный для этой цели инструмент.
- Проверьте резьбу отверстия выхлопной системы на наличие повреждений.
- Используйте только смазку, поставляемую вместе с зондом или специально разработанную для данного применения.
- Избегайте контакта измерительного элемента зонда с водой, маслом, смазкой, чистящими средствами и средствами для удаления ржавчины.
- Соблюдайте моменты затяжки, указанные производителем лямбда-зонда и производителем автомобиля.
- При прокладке соединительного кабеля следите за тем, чтобы он не соприкасался с горячими или движущимися частями и не проходил по острым краям.
- По возможности проложите соединительный кабель нового лямбда-зонда так же, как кабель установленного на заводе датчика.
- Убедитесь, что соединительный кабель имеет достаточную слабину, чтобы предотвратить его разрыв из-за вибраций и движений выхлопной системы.
- Сообщите клиенту, что он не может использовать в своем топливе присадки на основе металлов или этилированный бензин.
- Не используйте лямбда-зонды, упавшие на пол или поврежденные.