Что нужно знать о датчике кислорода (лямбда-зонде)?

Датчик содержания кислорода в отработавших газах (часто используют название — лямбда зонд) — это сложное высокотехнологичное устройство, которое имеет довольно много разновидностей по устройству, применению и параметрам.

Где установлен лямбда-зонд? 

Благодаря тому, что датчик кислорода вырабатывает электрический сигнал лишь при температуре 300-350°С и выше, без нагревателя его устанавливают во выпускном трубопроводе ближе к мотору, а с нагревательными элементами устанавливают перед нейтрализатором. 

Некоторые автомобили в каталитическом нейтрализаторе имеют датчик температуры, который не нужно путать с кислородным. Иногда устанавливают два кислородных датчика — до нейтрализатора и после него. 

За счет корректировки оптимальной смеси горючего с воздухом 

применение датчика кислорода обеспечивает повышение экономичности машины, влияет на мощность двигателя, динамику, а также на экологические показатели. 

Бензиновый двигатель для работы требует смесь с определенным соотношением воздух-топливо. Соотношение, при котором топливо наиболее полно и эффективно сгорает, называется стехиометрическим и составляет — 14,7:1. Это значит, что на одну часть топлива нужно взять 14,7 частей воздуха. На практике же соотношение воздух-топливо меняется в зависимости от смесеобразования и режимов работы двигателя. Поэтому двигатель становится неэкономичным. Это понятно! 

Следовательно, лямбда-зонд — это своего рода триггер (переключатель), сообщающий контроллеру впрыска о качественной концентрации кислорода в отработавших газах. Фронт сигнала между положениями «меньше» и «больше» весьма мал. Настолько мал, что его можно всерьез не рассматривать. Контроллер принимает сигнал с ЛЗ, затем сравнивает его со значением, имеющимся в его памяти и, если сигнал для текущего режима отличается от оптимального, то корректирует длительность впрыска топлива в том или ином направлении. Таким образом выполняется обратная связь с контроллером впрыска и точная регулировка режимов работы двигателя под ситуацию «в данным момент» с достижением максимальной экономии топлива, а также минимизацией вредных выбросов. 

Функционально лямбда-зонд работает, как своеобразный переключатель и выдает опорное напряжение 0.45V при низком содержании кислорода в выхлопных газах. Если высокий уровень кислорода, лямбда-зонд снижает свое напряжение примерно до 0.1-0.2V. При этом, основным параметром является скорость переключения датчика. Во многих систем впрыска топлива О2-датчик имеет выходное напряжение от 0.04..0.1 до 0.7…1.0V. Длительность фронта должна быть не больше 120 мСек. Необходимо заметить, что многие неисправности датчика кислорода не фиксируются контроллерами и судить о его исправной работе можно лишь после соответствующей проверки. 

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 платиновые электроды. Один из электродов «дышит» газами выхлопа, а второй – атмосферным воздухом. Эффективное измерение остаточного кислорода в отработавших газах датчик кислорода обеспечивает после разогрева до температуры 300 – 400°С. Только при таких условиях циркониевый электролит обеспечивает проводимость, а разница в количестве кислорода в выхлопной трубе и атмосферного кислорода ведет к образованию на электродах датчика кислорода выходного напряжения. 

Чтобы повысить чувствительность датчиков кислорода при пониженных температурах, а также после запуска холодного двигателя, применяют принудительный подогрев. Нагревательный элемент (НЭ) находится внутри керамического тела датчика и подключается к электросети машины.

При запуске и прогреве холодного двигателя управление впрыском топлива выполняется без участия этого датчика, а коррекция состава топливо-воздушной смеси осуществляется по сигналам других датчиков (температуры охлаждающей жидкости, положения дроссельной заслонки, числа оборотов коленвала и т.д.). Особенностью циркониевого лямбда-зонда считается то, что при малых отклонениях состава смеси от идеального (0,97 Ј l Ј 1,03) напряжение на его выходе изменяется скачком в интервале 0,1 — 0,9 В. 

Помимо циркониевых лямбда-зондов, существуют также кислородные датчики на основе двуокиси титана (TiO2). Если изменяется содержание кислорода (О2) в отработавших газах, то они меняют свое объемное сопротивление. Генерировать ЭДС титановые датчики не могут, кроме того, они дороже циркониевых и конструктивно сложны, поэтому, невзирая на применение в некоторых машинах (Jaguar, Nissan, BMW), они не получили широкого распространения. 

Принцип работы датчика кислорода у всех производителей в целом один и тот же. Совместимость зачастую обусловлена на уровне посадочных размеров. Зонды различаются разъемом и монтажными размерами. Можно приобрести оригинальный датчик б/у, но это чревато пустыми тратами, так как: на нем не написано реальное его состояние, а проверить его можно только на автомобиле. 

Лямбда-зонды различают по следующим категориям:

1) по наличию подогрева 

2)  по количеству проводов: 1-2-3-4. Соответственно и комбинация с/без подогрева. 

3) по материалу изготовления: циркониево-платиновые и подороже на основе двуокиси титана (TiO2). 

Титановые лямбда-зонды легко отличить от циркониевых по цвету «накального» вывода подогревателя, так как он всегда красный. 

4) широкополосные для дизелей и двигателей, которые работают на обедненной смеси. 

• некачественный бензин: свинец и железо забивают платиновые электроды за несколько посещений таких заправочных станций
• плохое состояние маслосъемных колец 
• масло в выхлопной трубе 
• «хлопки» в выпуске, которые разрушают хрупкую керамику 
• удары 
• перегрев его корпуса по причине неправильно установленного угла опережения зажигания, сильно переобогащенной топливной смеси
• попадание любых эксплуатационных жидкостей на керамический наконечник датчика: растворителей, антифриза, моющих средств. 
• обогащенная топливно-воздушная смесь 
• использование герметиков при установке датчика, вулканизирующихся при комнатной температуре или содержащих силикон в своем составе
• сбои в системе зажигания
• обрыв, замыкание на «массу» или плохой контакт выходной цепи датчика
• неудачные многократные попытки запуска двигателя через небольшие промежутки времени, приводящие к накапливанию несгоревшего топлива в выпускном трубопроводе, которое может воспламениться с появлением ударной волны. 

Ресурс лямбда-зонда, как правило, составляет от 30 до 70 тыс. км. пробега и в большей степени зависит от условий эксплуатации. Дольше служат, в основном, датчики с подогревом. Рабочей температурой для них обычно является 315-320°C. 

• неработающий подогрев 
• уменьшение быстродействия 
• потеря чувствительности

Решение о замене лямбда-зонда можно принять после его тестировании на осциллографе. 

Нужно сказать, что попытки замены вышедшего из строя датчика кислорода имитатором ни к чему не приведут, поскольку ЭБУ не распознает «чужие» сигналы, а значит, не использует их для коррекции состава приготавливаемой горючей смеси, или, другими словами — попросту «проигнорирует». 

Если датчик кислорода работал на бензине с отечественных АЗС более двух-трех лет, то можно даже его не проверять. 

Зонд стоит менять уже хотя бы по возрасту. Все равно быстродействие уже далеко от оптимального. 

В машинах, система l-коррекции которых имеет 2 кислородных датчика, дела обстоят не легче. Если отказал второй лямбда-зонд (или в случае «пробивки» секции катализатора), добиться нормальной работы двигателя очень трудно. 

Для этого существует осциллограф. Либо же специальный мотор-тестер, на дисплее которого есть возможность увидеть осциллограмму изменения сигнала на выходе ЛЗ. Наиболее интересные — это пороговые уровни сигналов низкого и высокого напряжения (со временем, при неисправности датчика, сигнал высокого уровня снижается (менее 0,8 В — криминал)), а сигнал низкого уровня повышается (более 0,2 В — криминал), а также снижается скорость изменения фронта переключения датчика из низкого в высокий уровень. Если длительность этого фронта более 300 мСек, то есть повод задуматься о предстоящей замене датчика. Это усредненные данные. 

• Повышенный расход топлива. 
• Неустойчивая работа двигателя на малых оборотах. 
• Характерное потрескивание после остановки двигателя в области расположения каталитического нейтрализатора. 
• Ухудшение динамических характеристик машины. 
• На некоторых машинах загораются лампы «СНЕСК ENGINE» при установившемся режиме движения. 
• Повышение температуры в области каталитического нейтрализатора или его нагрев до раскаленного состояния. 

Снятие-установка лямбда-зонда. 

Для установки подойдет специальная высокая головка с прорезью для проводов и гранями снаружи. 

А откручивать датчик кислорода лучше на горячую, так как меньше риск сорвать прикипевшую резьбу. 

Резьбовая часть обычно уже имеет специальную смазку (токопроводящую, высокотемпературную). Можно добавить графитки.

Разъем следует поднять повыше, оберегая от грязи и воды, а контакты смазать. 

Если провода скручивались, то их также нужно покрыть графиткой, чтобы не окислялись. 

Насчет пайки следует хорошо подумать. 

Собственно, лямбда получает кислород по электропроводам. Здесь стоит обратить внимание, что все разъемы лямбд не паянные, а обжимные. 

Возможно, лучше так и делать — обжимать-скручивать. 

Снимать датчик при работающем двигателе особого смысла нет, ведь он не так уж и быстро остывает. А риск получить пару ожогов есть всегда. 

Просто пока трубопровод и датчик горячий. 

После замены рекомендуется обнулить память за счет снятия на 5-10 минутах отрицательной клеммы с аккумулятора. 

Оказывается, достаточно подержать датчик кислорода 10 минут при комнатной температуре в ортофосфорной кислоте, а потом промыть водой — и он снова работоспособен. Правда, сигнал восстановится не сразу, а через 1-1.5 часа работы двигателя. 

Для промывки лямбда-зонд желательно вскрыть. На токарном станке тонким резцом срезается у самого основания колпачок с отверстиями. Датчик (это керамический стержень с напыленными полосками из платины) окунается в кислоту. Кислота разрушает нагар и свинцовую пленку на поверхности стержня. Главное не передержать датчик, поскольку могут разрушиться токопроводящие платиновые электроды. По той же причине нельзя его зачищать шкуркой или другим абразивом. После очистки стержня от токопроводящей пленки, он промывается в воде и к нему прикрепляют колпачок каплей нержавеющей проволоки аргоновой сваркой. 

Однако ученые предлагают другой способ восстановления — более сложный, но довольно надежный. Ведь, как известно из физики, плотность тока в газах определяется по ионной концентрации, по подвижности ионов и величине заряда. В выхлопных газах ионы появляются из-за нагрева. Так как температура (т.е. подвижность ионов) и напряженность поля (на электроды подают напряжение 1 В) известны, то выходные его характеристики зависят только от концентрации ионов. Они замеряются осциллографом и частотомером (около 2 МГц). После этого в эмульсионном растворе на ультразвуковом диспергаторе проводится «мягкая зачистка» напыленных электродов. Возможен электролиз вязких металлов, которые осели на их поверхности. При этом учитываются конструктивные особенности датчика, а также материал (фарфор или металлокерамика) с напылением малоинерционных металлов (цирконий, платина, барий и прочее). Восстановленный датчик тестируют на приборах и устанавливают на автомобиль. Процедуру можно выполнять многократно.