Чем отличается лямбда зонд верхний от нижнего

Добавил пользователь Алексей Ф.
Обновлено: 21.09.2024

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Какие бывают лямбда зонды, как устроены, как диагностировать неисправность кислородного датчика и методы проверки осциллографом. Давайте рассмотрим подробно в этой практической статье.

Существуют три типа кислородных датчиков, которые применяются в автомобилях. Циркониевый датчик. Титановый датчик. Широкополосный.

Лямбд-зонд устанавливается в выпускной трубе перед каталитическим нейтрализатором и непосредственно за катализатором. Кислородные датчики называются в обиходе первая и вторая лямбда в зависимости от места установки.

В V-образном двигателе могут быть установлены один или несколько датчиков.

Циркониевый датчик

Конфигурации проводов циркониевого лямбда-зонда:

Однопроводной кислородный датчик;
Двухпроводной кислородный датчик;
Трехпроводной кислородный датчик;
Четырехпроводной кислородный датчик.

Титановый датчик

Конфигурации проводов титанового лямбда-зонда:

Трехпроводной кислородный датчик;
Четырехпроводной кислородный датчик.

Циркониевый датчик

Циркониевый датчик производит сравнение содержания кислорода в системе выпуска отработавших газов с эталонным атмосферным газом, который содержится во внутренней камере. Отработавшие газы проходят над непроницаемой керамической наружной поверхностью датчика из диоксида циркония.

Эталонный атмосферный газ содержится во внутренней камере датчика. С обеих сторон керамической секции имеются электроды. Блок управления использует сгенерированное напряжение для определения топливовоздушного отношения. Бедная смесь (λ > 1). Богатая смесь (λ < 1 ).

Почему используется именно диоксид циркония? Диоксид циркония ZrO₂ — это бесцветные кристаллы, с высокой температурой плавления, что является значительным преимуществом при использовании под воздействием высоких температур выхлопных газов.

Внимание! Температура плавления оксида циркония: 2715°C

Название ИЮПАК: Zirconium(IV) oxide, Zirconium dioxide.

Этот оксид металла применяется также в стоматологии для изготовления зубных протезов. Но в большей степени повлияло на использование оксида циркония в кислородном датчике это ещё одно его полезное свойство. Диоксид циркония при нагревании проявляет свойства твёрдого электролита и проводит ионы кислорода. Это свойство используется в выхлопных системах автомобилей, а также в промышленности в анализаторах кислорода и в топливных элементах.

Чтобы ответить на вопрос какой лямбда зонд выбрать, выясним какие бывают типы лямбда зондов, как работают и как диагностируются.

Строение циркониевого лямбда-зонда

Выпускная труба;
Корпус датчика/электрический контакт;
Керамический элемент;
Контакты;
Опорное значение воздуха (эталонный воздух);
Электроды;
Пористое защитное покрытие.

Блок управления (ЭБУ) постоянно регулирует топливо-воздушное соотношение. Правильное значение лямбда зонда: (λ =1 ).

Оптимальная работа кислородного датчика зависит от температуры керамики, в свою очередь оптимальная температура керамики должна быть выше 350 0 С

Для ускорения достижения рабочей температуры кислородные датчики оснащены нагревательным элементом.

Титановый датчик

Конструкции титанового и циркониевого датчиков схожи. Циркониевые датчики меняют напряжение, измеряя содержание кислорода в отработавших газах. Титановые датчики изменяют сопротивление посредством измерения содержания кислорода в выхлопных газах.

Чертеж с вырезом кислородного датчика со встроенным нагревательным элементом.

Соединительные провода
Внутренние контакты
Керамическая опора
Корпус датчика
Нагревательный элемент
Трубка с прорезью ( Slotted tube)
Опорное значение воздуха
Керамический датчик
Шайба

Используются два кислородных датчика:

Широкополосный кислородный датчик расположен перед каталитическим нейтрализатором.

Двухточечный кислородный датчик расположен за каталитическим нейтрализатором.

Блок управления использует сигнал широкополосного датчика, чтобы задать приблизительный состав топливовоздушной смеси.

Блок управления использует сигнал двухточечного датчика для коррекции смеси.

Блок управления может также осуществлять мониторинг действия каталитического нейтрализатора.

Характеристическая форма сигнала напряжения для широкополосного кислородного датчика.

Смесь стала богаче (A)

Эта смесь становится беднее (B)

Характеристическая форма сигнала напряжения для циркониевого кислородного датчика.

Обратите внимание по вертикальной шкале отображается напряжение. Циркониевый датчик.

Смесь стала богаче (A)

Эта смесь становится беднее (B)

Характеристическое напряжение для титанового кислородного датчика.

По вертикальной шкале изменение сопротивления. Титановый датчик.

Смесь стала богаче (A)

Эта смесь становится беднее (B)

Проверка циркониевого датчика осциллографом

Упрощенная электрическая схема системы измерения кислорода. Выходное напряжение датчика подается на аналогово-цифровой преобразователь (A). Блок управления производит сравнение цифрового выхода с данными внутренней справочной таблицы.

Упрощенная электрическая схема системы измерения кислорода циркониевым датчиком

Для поддержания правильного соотношения топливовоздушной смеси блок управления регулирует сигнал на инжектор, для этого использует ШИМ-сигнал для управления температурой датчика (B).

Для производства измерений используется осциллоскоп.

Напряжение измеряется между точками X и Y отмеченными на электрической схеме.

Характеристическая форма сигнала напряжения для циркониевого кислородного датчика

Проверка титанового датчика осциллографом

Упрощенная электрическая схема системы измерения кислорода

Упрощенная электрическая схема системы измерения кислорода титановым датчиком

Система измерения кислорода титановым датчиком:

Цепь делителя напряжения. Внутренний резистор.

Напряжение датчика изменяется по мере изменения содержания кислорода в отработавших газах.

Сопротивление датчика также изменяется по мере изменения содержания кислорода в отработавших газах.

Напряжение подается на аналого-цифровой преобразователь (B).

Блок управления автомобиля производит сравнение цифрового выхода с данными внутренней справочной таблицы.

Для поддержания правильного соотношения топливовоздушной смеси блок управления регулирует сигнал на инжекторы. Напряжение, подаваемое в цепь делителя напряжения, должно быть исключительно стабильным, так как блок управления воспринимает любое изменение как изменение содержания кислорода в отработавших газах.

Схема поддержания стабильного напряжения датчика:

Изменяющееся напряжение аккумуляторной батареи проходит через цепь регулятора (A), при этом цепь регулятора поддерживает напряжение постоянным.

Блок управления использует ШИМ-сигнал для управления температурой датчика (C).

Для производства измерений осциллоскопом измеряется напряжение между точками X и Y указанными на принципиальной схеме.

Характеристическая форма сигнала напряжения для титанового кислородного датчика.

Блок управления использует ШИМ-сигнал для управления температурой датчика.

Характеристическая форма сигнала напряжения для титанового кислородного датчика

Иногда требуется вы]вить исправность нагревательного элемента кислородного датчика. Компьютерная диагностика при этом не всегда сможет определить этот параметр. Кроме выявления неисправности нагревателя лямбда-зонда эта диагностика даёт информацию о скорости нагрева датчика. Это необходимо чтобы понимать в какой момент датчик выходит на рабочую температуру.

С помощью осциллографа исследуем характеристическую форму сигнала напряжения для датчика при быстром нагреве.

форма сигнала напряжения при быстром нагреве датчика кислорода

Характеристическая форма сигнала напряжения для датчика при медленном нагреве

форма сигнала напряжения при медленном нагреве датчика кислорода

Срок службы циркониевого датчика

Ожидаемый срок службы: (48000 – 80000 км (30000 — 50000 миль)). По мере износа датчика возрастает время реакции.

Диагностика циркониевого датчика

Осторожно! Ни в коем случае не используйте омметр на циркониевом датчике — это может привести к его повреждению.

Проверьте время реакции и параметры изменения напряжения осциллографом.

Для контроля напряжения пользуйтесь вольтметром. Проверьте на отсутствие угольных отложений на контактах.

Проверьте работу цепи обогрева.
Проверьте состояние соединений заземления.
Проверьте неразрывность электрического соединения.

Срок службы титанового датчика

Ожидаемый срок службы: (48,000 – 80,000 km (30,000 — 50,000 miles)). По мере износа датчика возрастает время реакции.

Диагностика титанового датчика

Проверьте время реакции и параметры изменения напряжения. Для контроля сопротивления пользуйтесь омметром.
Проверьте на наличие отсутствие отложений, мешающих качественной диагностике.
Проверьте работу цепи обогрева.
Проверьте питание датчика. Правильное значение: (5V).
Проверьте состояние соединений заземления.
Проверьте неразрывность электрического соединения.

На этом, пожалуй, прервусь. Если остались вопросы, то задавайте в комментариях, так как всё в одну статью не поместить. Кроме того, история полна частных случаев, и у каждого свои неповторимые симптомы не похожие на то, что было у других ранее. Благодарю за интерес проявленный к материалу.

Датчики O2, также называемые лямбда-датчиками или кислородными датчиками, измеряют долю кислорода в выхлопных газах автомобиля. Датчики были впервые установлены на транспортных средствах в 1970-х годах, когда Агентство по охране окружающей среды ввело правила выхлопа. Позже производители автомобилей начали устанавливать два комплекта датчиков: один до каталитического нейтрализатора, а другой после. Физически нет никакой разницы между передним и задним датчиками O2. Они функционируют одинаково, но компьютер транспортного средства использует измерения, которые они проводят для различных целей.

Как работает датчик O2

Первый шаг в изобретении датчика O2 произошел в Германии в 1899 году, когда Уолтер Нернст разработал ячейку Нернста. При температуре выше 620 градусов по Фаренгейту керамическая ячейка была способна переносить ионы кислорода из газа внутри ячейки во внешние газы, генерируя электрический ток, величина которого зависела от разницы в концентрации кислорода в двух газах. В 1976 году компания Bosch адаптировала ячейку Нернста для использования в автомобилях. Современные автомобильные датчики O2 работают по тем же принципам, что и оригинальные клетки Нернста. Циркониевая колба, облицованная платиной, облегчает перенос ионов кислорода между воздухом внутри датчика и выхлопными газами, которые текут по нему при температуре выше 600 градусов по Фаренгейту. Большинство датчиков O2 имеют внутренний нагревательный элемент, чтобы они могли быстрее достигать необходимой температуры и оставаться там даже во время холостого хода, когда температура выхлопных газов может упасть ниже порогового значения для функции датчика кислорода.

Назначение переднего датчика O2

Передние датчики O2 анализируют выхлоп, поступающий непосредственно из двигателя. Когда датчики O2 были установлены только в одном месте, они были расположены в положении, которое сделало их так называемыми передними датчиками O2 сегодня. Они связываются с модулем управления двигателем, компьютером, который контролирует смесь топлива и воздуха, поступающего в двигатель. Если смесь слишком богатая, что означает, что она содержит слишком много топлива, то компьютер уменьшает топливо в смеси, которая поступает в двигатель; если выхлопной газ слишком обедненный, компьютер добавляет в смесь больше топлива. Компьютер пытается поддерживать идеальное соотношение воздуха и топлива, чтобы минимизировать выбросы и повысить экономию топлива.

Назначение заднего датчика O2

Задние датчики O2 расположены после каталитического нейтрализатора, части, которая облегчает преобразование загрязняющих веществ в выхлопе в безвредные побочные продукты. Эти датчики контролируют эффективность преобразователя. Компьютер сравнивает выхлоп, который поступает в конвертер, с выхлопом, который выходит. Если влияние преобразователя на состав выхлопа уменьшается, это означает, что преобразователь изнашивается. Компьютер может контролировать уровень работы преобразователя и предупреждать водителя о необходимости замены преобразователя.

Лямбда зонд устанавливается в любых транспортных средствах, приводимых в движение с помощью двигателей внутреннего сгорания. Лямбда зонд:

• Регулирует смесеобразование, удерживая расход топлива на максимально низком уровне.
• Обеспечивает катализатору оптимальные условия работы.
Функция лямбда зонда в современном автомобиле.

На все автомобили, начиная с конца 80-х годов прошлого века, устанавливаются катализаторы, задачей которых является очищение выхлопных газов от вредных примесей. Для оптимальной и эффективной работы катализатора необходимо подготовить строго определённое качество воздушно-топливной смеси для двигателя и проконтролировать качественные характеристики выхлопных газов, возникших в результате её сгорания. Эту функцию выполняет лямбда зонд.

Лямбда зонд – также называемый кислородным датчиком или датчиком кислорода – измеряет количество остаточного кислорода в выхлопных газах. Отсюда пошло основное название этого датчика – кислородный. Исходя из количества остаточного кислорода, датчик посылает сигналы в электронный блок управления двигателем, который, в свою очередь, регулирует количество подаваемого топлива или, другими словами, изменяет качество воздушно-топливной смеси. Именно поэтому так важна герметичность выхлопной системы в местах установки этих датчиков, поскольку, в результате подмеса воздуха извне параметры этих измерений нарушаются. Идеальное соотношение воздуха и топлива в смеси обозначается греческой буквой λ (лямбда) и равняется приблизительно 15 к 1, где 15 частей это воздух, а 1 часть это топливо. Отсюда и пошло наиболее распространённое в России название датчика – лямбда зонд.

Лямбда зонд установлен в трубы выхлопной системы автомобиля так, чтобы его рабочие поверхности обтекали выхлопные газы. Эти рабочие поверхности состоят из многослойных материалов обеспечивающих тестирование смеси. Тестирование смеси эффективно идёт только при высокой температуре рабочей поверхности, поэтому все современные датчики снабжены функцией принудительного прогрева. Для подробного рассмотрения конструкции датчика обратитесь к схеме 1.

Первый (верхний, регулирующий) лямбда зонд.

До начала 2000-х годов на автомобиль устанавливался только один датчик. Этот датчик устанавливался на отрезок выхлопной трубы между двигателем и катализатором и впоследствии, после появления второго датчика, получил свои нынешние названия: первый датчик или верхний или регулирующий. В задачу этого датчика входил вышеописанный процесс измерений и поскольку он устанавливается выше, чем второй этот датчик был назван верхним. Регулирующим он был назван по причине того, что именно он несёт основную нагрузку по регулированию воздушно-топливной смеси. Этот же датчик принимает на себя главный удар раскалённых токсичных газов двигателя, ещё не очищенных от ядовитых примесей катализатором. За счёт этого он и выходит из строя в среднем в 5-7 раз чаще, чем второй датчик.

Второй (нижний, диагностирующий) лямбда зонд.

Следует заметить, что поскольку Второй датчик установлен после катализатора, где газы уже очищены от агрессивных примесей, он выходит из строя значительно реже и то в результате либо разрушения катализатора, либо в результате механического или термического повреждения.

Конструктивно оба датчика очень похожи. Тем не менее они имеют ряд различий, обусловленных их функциональностью. В последние годы первые и вторые лямбда зонды стали также отличаться и конструктивно. В качестве регулирующих датчиков всё чаще применяются сложные и дорогостоящие широкополосные датчики, в то время как в качестве диагнотических по прежнему используют циркониевые лямбда зонды.

Схематичное обозначение местоположения лямбда зондов на современном автомобиле.

Все автомобили объёмом двигателя более 2-х литров имеют по два Первых датчика и два Вторых датчика. Установка четырех датчиков продиктована большей мощностью таких двигателей требующих наличия двух катализаторов. В последние годы, в связи с введением более строгих требований по выбросам, стали устанавливать до трёх катализаторов, а соответственно понадобился и пятый кислородный датчик.

Разновидности лямбда зондов.

Лямбда зонд из диоксида циркония является самым распространённым на сегодняшний день типом кислородных датчиков.
Менее распространёнными датчиками является широкополосные датчики и датчики воздух — топливо.
Совсем редкими являются лямбда зонд их диоксида титана, которые постепенно вытесняются из-за своей дороговизны.

Читайте также: