Всё, что нужно знать о лямбда зондах.

Апр 26 • Без рубрики • 88 Просмотров • Комментарии к записи Всё, что нужно знать о лямбда зондах. отключены

Эту статью сохраняю скорей для себя и как пособие для тех, кто будет задавать такие частые вопросы по поводу датчиков кислорода (тема довольно актуальная).В предыдущей теме мы говорили о наших катализаторах. Заказать лямбд-зонды можно на сайте master-glushiteley.ru/services/lyambda/. Теперь же узнаем больше и подробней о лямбда зондах:

Основные положения и функции Кислородного датчика :
Теория.

Жесткие экологические нормы во многих странах мира, стали диктовать количество выбросов вредных веществ, тем самым узаконили применение на автомобилях каталитических нейтрализаторов (в обиходе – катализаторы) – устройств, способствующих снижению содержания вредных веществ в выхлопных газах автомобилей с двигателем внутреннего сгорания. Катализатор — нужный и ответственный узел автомобиля, но эффективно работает лишь при определенных условиях. Без постоянного контроля состава топливно-воздушной смеси катализатор умрёт ( потеряет свои основные свойства и функции) очень быстро – для того чтобы, как можно дольше продлить его жизнь и приходит на помощь датчик кислорода, он же О2-датчик, он же лямбда-зонд (ЛЗ).

Название датчика происходит от греческой буквы L (лямбда), которая в автомобилестроении обозначает коэффициент избытка воздуха в топливно-воздушной смеси. При оптимальном составе этой смеси, когда на 14,7 части воздуха приходится 1 часть топлива (речь идет о объемном соотношении величин), L равна 1 (график 1). «Окно» эффективной работы катализатора очень узкое: L=1±0,01. Обеспечить такую точность возможно только с помощью систем питания с электронным (дискретным) впрыском топлива и при использовании в цепи обратной связи лямбда-зонда. Таким образом, Лямбда зонд создан и поставлен инженерами для информирования компьютера, инжекторного автомобиля об отклонении от нормы соотношения топливно воздушной смеси.

График 1. Зависимость мощности двигателя (P) и расхода топлива (Q) от коэффициента избытка воздуха (L)
График 1. Зависимость мощности двигателя (P) и расхода топлива (Q) от коэффициента избытка воздуха (L)

Избыток воздуха в смеси измеряется весьма оригинальным способом ( причем этот способ не является обходным путем, а дает уверенно точные показания ) – определения в выхлопных газах содержания остаточного кислорода (О2). Поэтому лямбда-зонд и стоит в выпускном коллекторе перед катализатором. Электрический сигнал датчика считывается электронным блоком управления системы впрыска топлива (ЭБУ), а тот в свою очередь оптимизирует состав смеси путем изменения количества подаваемого в цилиндры топлива. Таким образом, происходит регулировка не воздуха, а именно топлива, относительно воздуха, тем самым достигается максимальный процент сгорания топлива в цилиндрах, максимально эффективная работа катализатора, и как следствие максимальный крутящий момент двигателя автомобиля. Причем на большинстве современных моделях автомобилей имеется еще один лямбда-зонд, так же возможна установка дополнительных датчиков работающих в связке (например датчик температуры катализатора, расположен он на выходе катализатора). Этим достигается большая точность приготовления смеси и контролируется эффективность работы катализатора (рис. 1).

Рис. 1. Схема L-коррекции с одним и двумя датчиками кислорода двигателя 1 – впускной коллектор; 2 – двигатель; 3 – блок управления двигателем; 4 – топливная форсунка; 5 – основной лямбда-зонд; 6 – дополнительный лямбда-зонд; 7 – каталитический нейтрализатор.
Рис. 1. Схема L-коррекции с одним и двумя датчиками кислорода двигателя 1 – впускной коллектор; 2 – двигатель; 3 – блок управления двигателем; 4 – топливная форсунка; 5 – основной лямбда-зонд; 6 – дополнительный лямбда-зонд; 7 – каталитический нейтрализатор.

Как работает Лямбда Зонд ( кислородный датчик )
Лямбда-зонд действует по принципу гальванического элемента с твердым электролитом в виде керамики из диоксида циркония (ZrO2). Керамика легирована оксидом иттрия, а поверх нее напылены токопроводящие пористые электроды из платины. Один из электродов «дышит» выхлопными газами, а второй – воздухом из атмосферы (рис.2). Эффективное измерение остаточного кислорода в отработавших газах лямбда-зонд обеспечивает после разогрева до температуры 300 – 400оС. Только в таких условиях циркониевый электролит приобретает проводимость, а разница в количестве атмосферного кислорода и кислорода в выхлопной трубе ведет к появлению на электродах лямбда-зонда выходного напряжения.

Рис. 2. Схема датчика кислорода на основе диоксида циркония, расположенного в выхлопной трубе 1 – твердый электролит ZrO2; 2, 3 – наружный и внутренний электроды; 4 – контакт заземления; 5 – «сигнальный контакт»; 6 – выхлопная труба.
Рис. 2. Схема датчика кислорода на основе диоксида циркония, расположенного в выхлопной трубе 1 – твердый электролит ZrO2; 2, 3 – наружный и внутренний электроды; 4 – контакт заземления; 5 – «сигнальный контакт»; 6 – выхлопная труба.

При пуске и прогреве холодного двигателя управление впрыском топлива осуществляется блоком управления автомобилем ( ЭБУ ) без участия этого датчика, а коррекция состава топливо-воздушной смеси осуществляется по сигналам других датчиков (положения дроссельной заслонки, температуры охлаждающей жидкости, числа оборотов коленвала и др.). Особенностью циркониевого лямбда-зонда является то, что при малых отклонениях состава смеси от идеального (0,97 < L < 1,03) напряжение на его выходе изменяется скачком в интервале 0,1 — 0,9 В (график 2). Таким образом этот материал обеспечивает идеальные показания сильно различные друг от друга даже при минимальном изменении измеряемой среды.

График 2. Зависимость напряжений лямбда-зонда от коэффициента избытка воздуха (L) при температуре датчика 500-800оС. А – условная точка средних показаний (Uвых » 0,5 В, при L=1,0). (Обогащение смеси (уменьшение О2 в выхлопе). Обеднение смеси (увеличение О2 в выхлопе).
График 2. Зависимость напряжений лямбда-зонда от коэффициента избытка воздуха (L) при температуре датчика 500-800оС. А – условная точка средних показаний (Uвых » 0,5 В, при L=1,0). (Обогащение смеси (уменьшение О2 в выхлопе). Обеднение смеси (увеличение О2 в выхлопе).

График 2. Зависимость напряжений лямбда-зонда от коэффициента избытка воздуха (L) при температуре датчика 500-800оС. А – условная точка средних показаний (Uвых » 0,5 В, при L=1,0). (Обогащение смеси (уменьшение О2 в выхлопе). Обеднение смеси (увеличение О2 в выхлопе). Кроме циркониевых, существуют кислородные датчики на основе двуокиси титана (TiO2). При изменении содержания кислорода (О2) в отработавших газах они изменяют свое объемное сопротивление. Генерировать ЭДС титановые датчики не могут; они конструктивно сложны и дороже циркониевых, поэтому, несмотря на применение в некоторых автомобилях (Nissan, BMW, Jaguar), широкого распространения не получили. По мере развития автомобиле строения, так же ужесточаются и нормы экологических выбросов, таким образом мировые законодатели постоянно ужесточают экологические нормы. Это способствовало дальнейшему развитию лямбда зондов: для повышения чувствительности лямбда-зондов при пониженных температурах и после запуска холодного двигателя используют принудительный подогрев ( кислородные датчики с подогревом ) . Нагревательный элемент (НЭ) расположен внутри керамического тела датчика и подключается к электросети автомобиля (рис. 3).

Рис. 3. Конструкция датчика кислорода с подогревателем 1 – керамическое основание; 2, 8 – контакты НЭ; 3 – нагревательный элемент (НЭ); 4 – твердый электролит ZrO2 с напыленными платиновыми электродами; 5 – защитный кожух с прорезями; 6 – металлический корпус с резьбой крепления; 7 – уплотнительное кольцо; 9 – выводы датчика.
Рис. 3. Конструкция датчика кислорода с подогревателем 1 – керамическое основание; 2, 8 – контакты НЭ; 3 – нагревательный элемент (НЭ); 4 – твердый электролит ZrO2 с напыленными платиновыми электродами; 5 – защитный кожух с прорезями; 6 – металлический корпус с резьбой крепления; 7 – уплотнительное кольцо; 9 – выводы датчика.

Принцип работы кислородного датчика на языке автомобилистов ( основные моменты):

Кислород содержит отрицательно заряженные ионы, которые собираются на платиновых электродах, и когда датчик достигает температуры около 400°C, любая разность потенциалов образует электрическое напряжение. В случае если смесь бедная, содержание кислорода в отработавших газах высокое. При сравнении с содержанием кислорода в атмосфере существует только очень маленькая разность потенциалов, и, как следствие, возникает небольшое напряжение (около 0,2–0,3 В). В случае если смесь богатая, то содержание кислорода в отработавших газах низкое. Создается большая разность потенциалов, поэтому возникает относительно более высокое напряжение (0,7–0,9 В). Система управления двигателем будет непрерывно подстраивать длительность импульсного сигнала под форсунки с целью выйти на среднее напряжение, составляющее около 0,4–0,6 В при значении лямбда около 1.0. Поскольку в процессе движения режимы работы двигателя постоянно изменяются, значение напряжения колеблется в обе стороны от среднего значения. Поэтому данный датчик в силу своей неспособности определить небольшие изменения в содержании кислорода известен как узкополосный. Датчик, установленный после каталитического нейтрализатора отработавших газов, действует по тому же способу, что и датчик перед ним, но с одним очень большим отличием. После того, как газы были обработаны каталитическим нейтрализатором, содержание кислорода в них остается на неизменном уровне. Это обеспечивает постоянное напряжение около 0,4–0,6 В. Теперь система управления двигателем может эффективно отслеживать работу каталитического нейтрализатора отработавших газов.