Лямбда-зонд: принципы его работы и особенности замены

Вопросы, рассмотренные в материале:

• Каковы основные функции лямбда-зонда
• Какие виды лямбда-зондов существуют
• Где находится лямбда-зонд и сколько таких датчиков в автомобиле
• От какого производителя выбрать универсальный лямбда-зонд

Помимо всем известных частей и механизмов, конструкция автомобиля имеет множество вспомогательных элементов, о существовании которых не подозревают многие автолюбители. К числу таких запчастей относится датчик остаточного кислорода – лямбда-зонд. Соблюдение условий правильной эксплуатации и своевременная диагностика состояния прибора позволит избежать поломки взаимосвязанных с ним механизмов, а также поможет сэкономить ваши денежные средства.

О том, что такое лямбда-зонд, как выявить его неисправность и осуществить замену, читайте в нашей статье.

Назначение

Знание особенностей работы и назначения лямбда зонда весьма полезны для автолюбителя.

Во-первых, уже никто не сможет обмануть владельца транспортного средства, а во-вторых, в случае поломки можно самому поставить «диагноз».

Задача лямбда-зонда — создать условия для выполнения функций каталитическим нейтрализатором, который осуществляет фильтрацию выхлопа автомобиля.

Работа катализатора.

По сути, катализатор снижает вредность выхлопа, а лямбда-зонда осуществляет контроль работы данного устройства.

Название зонда произошло от известной греческой буквы «лямбда», которой обозначается объем кислорода в подготовленной горючей смеси.

Величина лямбды составляет 14.7 единиц на одну единицу топлива. Пропорциональность обеспечивается, благодаря электронному впрыску топливной смеси и работе лямбда-зонда.

Назначение устройства зависит и от его позиции в транспортном средстве.

Как правило, датчик кислорода монтируется перед катализатором, что позволяет точно измерять уровень кислорода в горючей смеси, а в случае дисбаланса давать сигнал блоку управления впрыска.

Чтобы повысить эффективность работы, на новых моделях авто ставится не один, а два датчика, закрепляемые с одной и другой стороны катализатора.

Такая конструкция позволяет с большей точностью анализировать состав выхлопа.

Эволюция развития

Раньше датчики кислорода были резистивными, что снижало точность измерений и надежность самих устройств.

Современный лямбда-зонд работает как пороговое устройство. При этом сигнал, полученный от датчика, позволяет точно фиксировать уровень отношения кислорода в выхлопе и корректировать его.

Оптимальное отношение — 14,7:1 (реального к необходимому объему воздуха). Если параметр ? соответствует данной норме, то смесь идеальная.

В случае превышения показателя смесь обеднена. Если же ?, наоборот, меньше, то в выхлопе много смеси и объема кислорода недостаточно для сгорания.

Впервые лямбда-зонд был изготовлен в 1960 году предприятием Robert Bosch GmbH. Руководителем проекта был Гюнтер Бауман.

В серийное производство устройство поступило лишь через 16 лет (в 1976 году). Первыми производителями, которые занялись выпуском, стали компания Сааб и Вольво.

Основные типы устройств

Сегодня можно выделить несколько типов кислородных датчиков. Все они могут отличаться по нескольким критериям:

• по числу проводов — от 1 до 6;
• по организации сенсорного элемента (есть два вида — пластинчатые и пальчиковые);
• по крепежу в выхлопной трубе — фланцевые или на резьбе;
• по диапазону измерений параметра лямбды — широкополосные (измерение производится в диапазоне от 0.7 до 1.6) или узкополосные, контролирующие уровень лямбда на уровне выше единицы.

Каждый из типов устройств имеет свои особенности.

Одно контактные устройства.

Оборудованы одним сигнальным проводом. Именно по нему передается сигнал, генерируемый устройством.

2-контаткные датчики.

Оборудуются двумя проводами. Один является сигнальным, а второй выполняет функцию заземления через корпус устройства.

С помощью заземляющего проводника можно точно определить показатели сигнального провода.

3-контактные.

Здесь предусмотрен сигнальный провод, один «массовый» провод и третий провод, направляемый к нагревательному устройству.

Особенность таких датчиков — быстрое достижение нужной температуры, повышенный период службы устройства, а также меньшие требования к выхлопной системе.

Нагревательный элемент, который монтируется в системе, имеет мощность 12 или 18 Вт.

4-контактные – устройства.

В них предусмотрено четыре провода:

• сигнальный проводник,
• провод, питающий нагревательное устройство;
• третий провод — «земля»;
• четвертый провод — может использоваться для решения каких-либо других задач (в зависимости от системы управления автомобиля).

Может быть такое положение контактов.

Устройство современных датчиков кислорода

В составе датчика кислорода есть два электрода — внутренний и внешний.

Первый делается из циркония, а второй — из платинового напыления, что делает его более чувствительным к воздействию кислорода.

Лямбда-зонд смонтирован таким образом, чтобы он пропускал весь объем отработавших газов транспортного средства.

В процессе прохождения газов внешний электрод оценивает уровень кислорода в отработавших газах, что приводит к изменению потенциала между электродами.

Чем больше объем кислорода, тем выше уровень напряжения. Рабочая температура циркония, которым покрыт электрод — 300-1000 градусов Цельсия.

Вот почему датчики кислорода конструктивно дополняются подогревателями, необходимыми в момент пуска.

Датчики бывают двух типов — двухточечными и широкополосными. Внешне они похожи, но отличаются конструкцией и принципом действия.

Так, 2-точечный датчик состоит из двух электродов. Его задача — фиксация коэффициента повышенного объема воздуха в топливной смеси.

Что касается широкополосного устройства, то это более современная конструкция. Главная его особенность — применение силы тока закачивания.

При этом конструктивно широкополосный датчик состоит из двух керамических устройств — закачивающего и 2-точечного.

Принцип работы кислородного датчика

Принцип действия кислородного датчика достаточно простой. Лямбда-зонд должен сравнивать показания с какими-то идеальными результатами, чтобы понимать, как меняется процент кислорода в смеси, поэтому замеры проводятся в двух местах – измеряется атмосферный воздух и продукты сгорания.

Такой подход позволяет датчику чувствовать разницу, если соотношения топливной смеси меняется.

ЭБУ должен получать от лямбда-зонда электрический импульс. Для этого датчик должен уметь преобразовывать замеры в электрические сигналы. Для измерения применяются специальные электроды, которые могут вступать с кислородом в реакцию.

В работе лямбды используется принцип гальванических элементов – смена условий химических реакций приводит к изменению напряжения между двумя электродами. Когда смесь богатая, а содержание кислорода за нижним порогом, тогда напряжение растет. Если смесь обедненная, напряжение будет падать.

Далее импульс, который возникает на этапе химических реакций, отправляется на ЭБУ, где параметры сравниваются с записанными в памяти топливными картами. В результате корректируется работа системы питания.

Статья по теме: Как сделать пеногенератор для автомойки из подручных вещей своими руками

Датчик кислорода работает на химических реакциях, но при этом конструкция его относительно простая. Главный элемент – специальный наконечник из керамических материалов. В качестве сырья используется диоксид циркония, а реже – диоксид титана.

Наконечник покрыт напылением из платины – именно этот слой и вступает в реакцию с кислородом. Одной стороной этот наконечник контактирует с выхлопными газами, другой стороной – с воздухом в атмосфере.

Электроды лямбда-зонда имеют одну особенность. Так, чтобы реакция проходила эффективнее и показатели были точными, замеры содержания кислорода в выхлопе производятся при условии определенных температур.

Для того, чтобы наконечник вышел на рабочие характеристики и нужную электропроводимость, температура среды должна составлять 300-400 градусов.

Для обеспечения нужного режима температур изначально лямбда-зонд устанавливался в непосредственной близости к выпускному коллектору. Это обеспечивало нужную температуру после прогрева ДВС. В работу датчик вступал не сразу. До того, как лямбда достаточно нагреется и начнет выдавать точные параметры, ЭБУ использовало сигналы других датчиков. Оптимальная смесь в процессе прогрева не приготавливалась.

Некоторые модели кислородных датчиков оснащены электрическими нагревателями. Благодаря им лямбда может быстрее выходить на рабочие температурные режимы. Подогрев использует энергию бортовой сети автомобиля.

Принцип действия

В кислороде присутствуют отрицательно заряженные ионы. Они собираются на электродах из платины и при достижении нужной температуры датчика (где-то 400 градусов Цельсия) создается разность потенциалов (напряжение).

Если смесь слишком обеднена, то объем кислорода в газах будет высоким, и наоборот, если смесь обогащена, то кислорода будет мало.

В первом случае напряжение равно 0,2-0,3 Вольта, а во втором — 0,7-0,9 Вольта.

Система управления мотора поддерживает уровень напряжения около 0,4-0,6 Вольт, то есть уровень лямбда равен 1.0.

В процессе движения происходит изменение режимов работы мотора, что способствует корректировке параметра напряжения в обе стороны. При этом узкополосный датчик может улавливать лишь те параметры, которые выше нуля.

Лямбда-зонд, который установлен после катализатора, имеет такой же принцип действия.

После обработки газов катализатором, уровень кислорода остается неизменным. Это, в свою очередь, позволяет поддерживать оптимальную разницу потенциалов в пределах 0.4-0.6 Вольта.

Функции и принцип действия датчика лямбда.

Для обеспечения идеального коэффициента конверсии каталитического нейтрализатора требуется обеспечить оптимальное сгорание топливо-воздушной смеси. В случае бензинового двигателя это достигается при соотношении воздух-топливо, равном 14,7 кг воздуха на 1 кг топлива, такой состав называется стехиометрическая топливная смесь.

Стехиометрическая
смесь
— это состав смеси в таких пропорциях топлива и воздуха, при которых происходит полное сгорание смеси без остатка избыточного кислорода. Теоретический
коэффициент избытка воздуха
топливной стехиометрической смеси равен единице.

Эта оптимальная смесь обозначается греческой буквой λ (лямбда). Лямбда используется для выражения соотношения воздуха между теоретическим потреблением воздуха и фактическим потоком воздуха:

λ = поток подаваемого воздуха: теоретический поток воздуха равен единице.

λ = 14,7 кг: 14,7 кг = 1

Принцип лямбда-датчика основан на измерении сравнения кислорода. Это означает, что оставшееся содержание кислорода в выхлопных газах (приблизительно 0,3–3%) сравнивается с содержанием кислорода в окружающем воздухе (около 20,8%).

Если остаточное содержание кислорода в выхлопных газах составляет 3% (обедненная смесь), возникает напряжение 0,1 V из-за разницы по сравнению с содержанием кислорода в окружающем воздухе.

Если оставшееся содержание кислорода составляет менее 3% (богатая смесь), напряжение датчика возрастает до 0,9 V пропорционально увеличению разницы. Содержание оставшегося кислорода измеряется с помощью нескольких лямбда-зондов.

Исправность лямбда-зондов обычно проверяют во время испытания на выбросы выхлопных газов. Поскольку он подвержен определенному износу, его следует регулярно проверять, чтобы убедиться, что он работает должным образом.

Как часто нужно проверять лямбда-зонд? Ответ: приблизительно каждые 30 000 км, например, при проведении техобслуживания в автосервисе.

За ужесточением законов, направленных на сокращение выбросов выхлопных газов, последовало усовершенствование технологии последующей обработки выхлопных газов.

Широкополосный лямбда-зонд: главные отличия, принцип работы

Широкополосный датчик для измерения уровня кислорода — лямбда-зонд, который монтируется в современных авто.

Его особенность — выполнение функций катализатора на входе в устройство. Измерение необходимых параметров происходит благодаря использованию силы входного тока.

Главное отличие широкополосного датчика заключается в том, что в его составе есть два рабочих элемента — закачивающий и 2-точечный керамический обогреватель.

В процессе закачивания кислород пропускается через соответствующий элемент под действием силы тока.

Принцип действия широкополосного зонда построен на поддержании напряжения в пределах 450 мВ.

К чему приводит неисправность зонда?

Первая неприятность, к которой приводит выход из строя зонда — повышение «прожорливости» авто и ухудшение общей динамики.

Главная причина — искажение показаний датчика, что приводит к отклонению отношения кислорода и топлива.

В случае выхода из строя одного датчика машина остается на ходу (здесь многое зависит от самого транспортного средства).

Есть модели, в которых отказ механизма приводит к расходованию топлива в больших объемах. Как следствие, может понадобиться срочный ремонт.

В случае поломки лямбда-зонда его замена должна производиться только на аналогичный механизм.

Если же установить устройство другого типа, то бортовой компьютер транспортного средства может попросту не воспринимать сигналы нового датчика.

При поломке сразу двух датчиков авто и вовсе оказывается обездвиженным.

Более подробно читайте здесь — признаки неисправностей лямбда зонда.

Сколько работает вообще

Кислородный датчик – одна самых чувствительных составляющих машины. Его хватает на 50000-100000 км пробега. Но сколько работает лямбда-зонд, зависит также от:

• условий эксплуатации авто;
• исправности двигателя;
• типа устройства (неподогреваемое, подогреваемое, планерное);
• качества топлива.

Последний фактор особенно важен. Если несколько раз залить в бак некачественный бензин, датчик может выйти из строя практически сразу.

Смотрите в этом видео о том, как работает лямбда-зонд:

Причины поломки

Стоит отметить, что датчик кислорода имеет повышенную чувствительность к поломкам.

ПОПУЛЯРНОЕ У ЧИТАТЕЛЕЙ: Как клеить карбоновую пленку

Причиной выхода из строя может стать:

1. Низкое качество топлива. При плохом бензине на лямбда-зонде остаются определенные части свинца. Появление такого напыления ухудшает чувствительность электрода к топливной смеси. Проходит какое-то время и датчик можно выбрасывать.
2. Механическая поломка. Сам датчик кислорода может выйти из строя. При этом к основным повреждениям можно отнести дефект корпуса, нарушение обмотки устройства и так далее.

Решается проблема посредством установки нового датчика. Что касается ремонта, то при таких поломках он бесполезен.

3. Чрезмерные объемы топлива, подаваемые в цилиндры мотора, попросту не успевают сгорать и вылетают в систему выхлопа в виде сажи.

Через время черный налет скапливается на узлах системы выхлопа машины и на датчике кислорода в том числе. Как следствие, лямбда зонд начинает работать неправильно.

В качестве «лечения» можно использовать специальные очистители и тряпки, позволяющие убрать загрязнения. Если же датчик забивается регулярно, то лучше его поменять.

Признаки неисправности

Что происходит, если лямбда зонд начинает сбоить или вообще отключается? Система, не получая обратной связи, начинает работать не в оптимальном, а в усредненном режиме, используя те параметры, которые записаны в памяти по умолчанию. И чаще всего это работа на переобогащенной смеси, которая не сгорает полностью. Как следствие, начинаются такие проблемы:

1. Повышается расход топлива;
2. Снижается мощность двигателя;
3. Ухудшается отклик на педаль газа;
4. Начинает сбоить двигатель на холостом ходу;
5. Идет черный дым из выхлопной трубы;
6. Увеличивается токсичность выхлопа;
7. Перегревается катализатор;
8. Загорается Check Engine.

Однако все эти признаки не дают четкого указания именно на лямбда зонд. Такие же симптомы бывают и при других сбоях, поэтому определить, что именно неисправно, можно только после диагностики.

1. Естественный износ. Он работает в достаточно жестких условиях и рано или поздно выходит из строя, тем более с нашим бензином;
2. Перегрев датчика. Да, он выносливый, но имеет и предел прочности;
3. Проблемы с проводкой. У лямбды довольно тонкие кабели, и при неправильной установке они обрываются от вибрации;
4. Поломка нагревательного элемента;
5. Попадание воды во внутреннюю камеру или засорение каналов на атмосферный воздух;
6. Попадание на наконечник масла или грязи;
7. Кривые руки мастера, который его устанавливал.

Последствия выхода из строя кислородного датчика достаточно неприятны. Это не только повышение расходов на бензин, но и более заметные расходы, например, выход из строя каталитического нейтрализатора. Новый катализатор обойдется гораздо дороже самого крутого датчика, так что с диагностикой и заменой лучше не затягивать.

Как выявить поломку?

Распознать неисправность лямбда зонда можно по следующим признакам:

• повышению общей токсичности паров выхлопа. Конечно, определить данный показатель на «глазок» не получится. Здесь может помочь только специальный прибор. Если уровень СО сильно возрос, то можно с уверенностью говорить о выходе из строя датчика кислорода;
• увеличение «прожорливости» автомобиля — проблема, которую можно увидеть почти сразу. Единственное, что повышение расхода не обязательно сигнализирует о неисправности датчика;
• загорание лампочки Check Engine — еще один сигнал, что в системе что-то не так. Как показывает практика, загорание данной лампочки связано с поломкой лямбда зонда. Чтобы более точно определить ошибку и выявить дефект, необходимо отправиться на сервис.

Также важно знать как проверить лямбда зонд на исправность.

Что такое лямбда-зонд, и где он находится

В связи с ужесточением экологических норм для уменьшения токсичности выхлопных газов машины начали оборудовать каталитическим нейтрализатором (катализатором). Качество и продолжительность его работы находится в прямой зависимости от состава топливно-воздушной смеси (ТВС). В зависимости от сигналов, передаваемых лямбда-зондом, регулируется процентное соотношение в смеси топлива и воздуха.

Лямбда-зонд — система, определяющая, какое количество остаточного кислорода содержится в выхлопных газах. Иначе его можно назвать — кислородный датчик.

Располагается лямбда-зонд в выпускном коллекторе перед каталитическим нейтрализатором

Качественная очистка от токсичных выхлопов в катализаторе проводится только при наличии в них кислорода. Для контроля эффективности действия нейтрализатора и повышения точности исследования состояния выхлопных газов на многих моделях устанавливают второй лямбда-зонд на выходе катализатора.

Для повышения эффективности на современных автомобилях устанавливается дополнительный лямбда-зонд на выходе катализатора

Можно ли отключать лямбда зонд?

Отключение датчика кислорода — дело нескольких минут для специалиста. Только вот польза такой работы вызывает большие сомнения.

С момента отключения лямбда зонда ЭБУ переходит на средние параметры подачи топлива в двигатель, что сказывается на надежности и расходе топлива (как правило, в худшую сторону).

Кроме этого, в случае отключения датчика кислорода может понадобиться и перепрошивка самого ЭБУ автомобиля, ведь постоянно будет «вылазить» ошибка.

Поэтому если лямбда зонд вышел из строя его желательно заменить.

Как работает датчик кислорода

Главной функцией лямбда-зонда считается измерение количество кислорода, содержащегося в выхлопных газах, и сравнение его с эталонным.

Электрические импульсы от кислородного датчика поступают в электронный блок управления (ЭБУ) топливной системой. Относительно этих данных ЭБУ регулирует состав ТВС, подаваемой в цилиндры.

Схема установки основного и дополнительного датчиков кислорода в автомобиле

Результатом совместной работы лямбда-зонда и ЭБУ является получение стехиометрической (теоретически идеальной, оптимальной) ТВС, состоящей из 14,7 частей воздуха и 1 части топлива, при которой λ=1. У обогащенной смеси (избыток бензина) λ<1, у обеднённой (избыток воздуха) — λ>1.

График зависимости мощности (P) и расхода топлива (Q) от величины (λ)

Обманка лямбда зонда: что это?

При замене катализатора пламегасителем или демонтаже устройства сигналы двух лямбда зондов будут идентичны. Это, в свою очередь, неизбежно приведет к ошибкам.

Проблема решается путем установки обманки лямбда зонда.

Она бывает двух видов:

1. Механической.

По своей конструкции это проставка, выполненная из бронзы и имеющая определенные размеры. Внутри узла есть специальная крошка с каталитическим напылением, которая помогает вредным веществам догореть.

2. Электронной.

Такая обманка представляет собой прибор на основе микропроцессора, анализирующего весь процесс прохода выхлопных газов и осуществляющего обработку данных с первого датчика.

Задача — обеспечить корректную работу системы управления мотором в условиях, когда катализатор поломан или удален.