Датчик содержания кислорода в отработавших газах (наиболее распространенное название-лямбда-зонд) является сложной и высокотехнологичной деталью, имеющей достаточно много разновидностей по устройству, параметрам, применению.

Расположение кислородных датчиков

Современные автомобили имеют минимум два кислородных датчика. Регулирующий датчик расположен перед катализатором и, с момента введения бортовой диагностики On=Board (OBD), после катализатора устанавливается диагностический датчик.

Контур регулирования Лямбды

Регулирующий датчик анализирует наличие остаточного кислорода в выхлопных газах еще до того, как они попадают в катализатор.

В зависимости от концентрации остаточного кислорода датчик генерирует сигнал (сигнал может быть в виде напряжения, в виде тока или в виде сопротивления), который поступает в ЭБУ двигателя. Блок управления использует этот сигнал для регулирования состава топливно-воздушной смеси.

Диагностический датчик измеряет количество остаточного кислорода в выхлопных газах уже после того как они были обработаны катализатором. С помощью сигнала этого датчика ЭБУ распознает отклонения в обработке выхлопных газов (например, нарушение в работе катализатора или регулирующего датчика), и генерирует соответствующее сообщение для водителя, обычно с помощью контрольной лампы на приборной панели.

Типы кислородных датчиков

В технической литературе различают три типа кислородных датчиков, которые не являются взаимозаменяемыми.

Кислородные датчики из диоксида циркония (наиболее популярные) и диоксида титана называются также датчиками перепада напряжения, скачковыми или бинарными кислородными датчиками, потому что сигнал датчика колеблется между двумя величинами, в зависимости от того, какое состояние топливно-воздушной смеси – богатая она или обедненная.

Третий тип – это так называемые широкополосные кислородные датчики. Их также называют «линейными» кислородными датчиками, поскольку их выходной сигнал линейно изменяется в широком диапазоне состояний AFR (топливно-воздушной смеси), они могут точно измерять значение избытка воздуха (лямбда).

Но я считаю, что есть пять основных типов датчиков кислорода. Конструктивно датчики кислорода бывают циркониевые (с применением керамического элемента из двуокиси циркония) и титановые (с применением элемента из двуокиси титана).

Титановые лямбда зонды применялись на некоторых моделях автомобилей Nissan, Opel, BMW, Land Rover, Jeep и широкого распространения не получили. Я бы не хотел заострить внимание на титановых датчиках кислорода, главное их отличие в том, что выходной сигнал для определения состава топливно-воздушной смеси выводится в виде электрического сопротивления. Элемент из диоксида титана изменяет эл. сопротивление пропорционально парциальному давлению кислорода в смеси выхлопных газов.

Что бы, не обидеть владельцев дизельных автомобилей, владельцев японских автомобилей: Toyota, Lexus, Honda, Subaru. Необходимо выделить из циркониевых датчиков еще два типа: Датчики обедненной смеси (Sensors Lean Mixture) – многие его принимают за узкополосный т.к. выходной сигнал очень похож на классический скачковый (бинарный).

И конечно датчики состава смеси (Air Fuel Ratio Sensor) – также многие его путают с классическим широкополосным датчиком.

Датчики обедненной смеси (Sensors Lean Mixture), датчики состава смеси (Air Fuel Ratio Sensor) и широкополосные кислородные датчики в качестве выходного сигнала, определяющего состав топливно-воздушной смеси, используют изменение величины тока, а не напряжения или электрического сопротивление.

Теперь я предлагаю подробно рассмотреть по отдельности эти датчики кислорода.

Кислородный датчик из диоксида циркония

Это самый распространенный датчик. В зависимости от автомобиля, эти датчики могут быть как регулирующими, так и диагностическими.

Основой этого датчика является полый, пальцеобразный керамический элемент на основе диоксида циркония. Этот материал представляет собой так называемый твердотельный электролит, свойства которого схожи с электролитом, который можно найти в аккумуляторных батареях.

При рабочей температуре выше 350 градусов этот элемент становится проницаемым для ионов кислорода. Первые датчики использовали для разогрева циркониевого элемента тепловую энергию выхлопных газов, в более современных датчиках для быстрого достижения нужной рабочей температуры используют специальный встроенный нагреватель. В процессе функционирования на выходе возникает высокое или низкое электрическое напряжение – в зависимости от содержания остаточного кислорода.

Принцип действия датчика из диоксида циркония

Если у Вас есть желание понять, как работают датчики кислорода, в том числе и широкополосные, постарайтесь понять для начала нижеописанный принцип. Все остальные виды циркониевых датчиков – это усовершенствованный данный тип.

Элемент датчика из диоксида циркония имеет пальцевидную форму (как уже выше я описывал) и полый внутри. Внутренняя полость заполнена атмосферным (свежим) воздухом. Внешняя же поверхность находится в потоке отработанных газов. И внутренняя и внешняя поверхности покрыты слоями платины, выполняющими роль электродов

Всегда существует разница в концентрации кислорода между отработанными газами и атмосферным воздухом. Когда кислородный датчик достигает рабочей температуры, ионы кислорода начинают перемещаться через керамический элемент со стороны с большей концентрации кислорода в направлении зоны, где концентрация кислорода меньше, пытаясь установить равновесное состояние.

Из-за перемещения ионов от одного электрода к другому возникает разность потенциалов, приводящая к росту электрического напряжения. Если смесь обедненная, напряжение в сигнальной цепи датчика будет относительно низкое (примерно 0.1 Вольт). Если смесь богатая, то это значение относительно высокое (примерно 0.9 Вольт). Происходит значительный скачек напряжения при переходе через стехиометрическое состояние (когда значение лямбда равно 1).

Поэтому этот тип датчика и называется – датчиком переключения, скачковый или бинарный, т.к. значения выходящего сигнала переключаются между двумя величинами. Данный тип датчика кислорода сообщает ЭБУ двигателя только о том, что он работает в режиме обедненной или богатой смеси для регулирования подачи топлива в режиме замкнутого контура. Процесс регулирования осуществляется с частотой один, два раза в секунду.

Проверка циркониевого (бинарного) кислородного датчика

Проверка с помощью осциллографа является наиболее эффективным методом.

Процедура проверки:

— при скорости 2000 оборотов довести двигатель до рабочей температуры

— осциллограф подключить к сигнальному проводу, не отсоединяя датчик от управления двигателем

— установить диапазон измерения 1-5 Вольт, время 5-10 секунд (соблюдать рекомендации производителя)

При этом определяется минимальное, максимальное напряжение и среднее усредненное выходное напряжение.

Показания исправного датчика изменяются между значениями 0.2-0.8 Вольт. Среднее должно быть 0.45 Вольт.

Также необходимо измерить время срабатывания и продолжительность периодов.

Показания исправного датчика меняются с частотой 0.5 -3 герца

Если датчик устарел, он посылает слабый или медленный сигнал. Наряду с естественным старением, возможны также другие причины повреждений. Соответствующие фотографии поломок могут подсказать причину дефекта (см. следующую часть).

Если ЭБУ не получает сигнал кислородного датчика или этот сигнал слабый, то управление действует «вслепую». ЭБУ не может определить, каков состав сжигаемой смеси. Как следствие, управление переключается на аварийный режим и автоматически насыщает смесь. Это значит: подаётся больше топлива, чем необходимо. Так обеспечивается приемлемая мощность и детали двигателя защищаются от перегрева.

Но это имеет и негативные последствия, например, повышается расход топлива — в среднем на 15 %, при городском движении даже выше. К тому же катализатор больше не может корректно работать, в окружающий воздух попадает больше выбросов.

Необходимо проверить сопротивление в цепи подогрева. Если сопротивление составляет более 30 Ом – датчик поврежден. Для датчиков с 3-4 проводами, сопротивление обычно лежит в диапазоне 2-9 Ом.

Теперь немного о количестве и цвете проводов.

У данного типа датчика кислорода (циркониевый, бинарный) может быть от 1 до 4 проводов. Цвет также зависит от изготовителя.

Наиболее часто встречающиеся варианты:

Датчики с одним черным сигнальным проводом не имеют нагревателя, соединение на массу при этом осуществляется через резьбовую часть металлического корпуса.

Датчики без нагревателя, у которых соединение массы сигнальной цепи, осуществляется с электропроводкой автомобиля, имеют дополнительный провод серого цвета.

Нагреваемые датчики имеют три или четыре провода. В них черный -это сигнальный провод. Два белых предназначены для электроснабжения нагревателя (полярность не имеет значения). Если есть провод серого цвет-это масса.