Датчик кислорода: в борьбе за оптимальный состав горючей смеси

В современных двигателях внутреннего сгорания присутствует система коррекции избытка кислорода в горючей смеси, основанная на датчике кислорода. О том, что такое датчик кислорода, каких типов он бывает, как устроен и работает, а также о верном выборе и замене этого датчика — читайте в данной статье.

Назначение датчика кислорода

Датчик кислорода (лямбда-зонд, датчик дожига, O₂ sensor) — компонент электронной системы управления двигателем; датчик системы лямбда-коррекции (коррекции избытка воздуха) в топливно-воздушной смеси, поступающей в цилиндры двигателя внутреннего сгорания.

Система лямбда-коррекции состава топливно-воздушной смеси

Требования к экологической безопасности двигателей ужесточаются с каждым годом, поэтому инженерам приходится искать новые пути снижения концентрации опасных соединений в выхлопных газах. Сегодня эта задача решается комплексно — обеспечением оптимального состава топливно-воздушной смеси, при котором достигается наиболее полное ее сгорание, и внедрением в выхлопную систему каталитического нейтрализатора, который снижает концентрацию опасных веществ в отработавших газах. Эффективность работы нейтрализатора прямо связана с составом топливно-воздушной смеси: наибольшее количество (до 95% и более) несгоревших углеводородов, оксидов азота и угарного газа нейтрализуется только при объемном соотношении воздуха и топлива в горючей смеси 14,7:1.

Указанное соотношение является стехиометрическим, или идеальным, его условно принимают за единицу. Когда коэффициент больше единицы — смесь является бедной, в ней присутствует избыток воздуха. Когда коэффициент меньше единицы — смесь является богатой, в ней присутствует избыток топлива. Данный коэффициент обозначается греческими буквами α (альфа, используется в русскоязычной литература) и λ (лямбда, используется в иностранной литературе).

В современных моторах контроль и регулирование состава топливно-воздушной смеси обеспечивается системой коррекции избытка воздуха в ней по измерению концентрации остаточного кислорода в отработавших газах. В простейшем случае система состоит датчика кислорода (лямбда-зонда) в выпускном коллекторе (до входа в каталитический нейтрализатор), связанного с электронным блоком управления двигателем. Датчик измеряет содержание остаточного кислорода в выхлопе, и на основе этих измерений ЭБУ корректирует объем поступающего в камеры сгорания топлива. В более сложных системах используется дополнительный датчик кислорода на выходе из каталитического нейтрализатора.

Типы, конструкция и принцип работы датчика кислорода

Сегодня применяется два типа датчиков кислорода (лямбда-зондов):

• Гальванический (на основе диоксида циркония);
• Резистивный (на основе диоксида титана).

Оба датчика относятся к пороговому (узкодиапазонному) типу — вырабатываемый ими уровень или тип сигнала резко изменяется при незначительных отклонениях коэффициента лямбда от единицы.Работа датчиков основана на различных физических принципах, что обуславливает их конструкцию и функционирование в системе коррекции избытка кислорода.

Устройство и работа гальванического датчика кислорода

Конструкция и принцип работы гальванического датчика кислорода

В основе датчиков этого типа лежит гальванический элемент с твердым электролитом (твердооксидный топливный элемент). Такой элемент выполнен в виде керамического стакана из диоксида циркония, легированного оксидом скандия или оксидом иттрия, с наружной и внутренней стороны имеющего пористое платиновое покрытие. Эта конструкция является гальваническим элементом, в котором керамический стакан выполняет функции твердого электролита, а платиновое покрытие — двумя электродами. Наружная часть элемента располагается в потоке отработавших газов, а ко внутренней части (внутрь стакана) подводится холодный атмосферный воздух (так называемая "опорная атмосфера"). При температурах от 400 °C такой элемент становится источником тока за счет химических реакций с участием проникающих в керамику ионов кислорода. И сила тока зависит от разницы концентрации кислорода на внутреннем и наружном электродах — именно этот факт используется для измерения остаточного кислорода в выхлопных газах.

Характеристики данного гальванического элемента таковы, что при λ=1 (оптимальная смесь) в нем возникает ток с напряжением около 0,5 В, но уже при незначительном изменении концентрации остаточного кислорода в выхлопных газах напряжение резко (скачком) изменяется. При λ=0,9 напряжение возрастает почти до 0,9 В, а при λ=1,1 — падает до 0,1 В. Данный сигнал поступает на ЭБУ, где обрабатывается и используется для управления системой подачи топлива.

Чувствительный элемент помещен в защитный кожух с прорезями и располагается на торце металлического корпуса датчика, на котором выполнена монтажная резьба (существуют датчики и с монтажным фланцем). Внутри корпуса располагается канал для подачи воздуха, проводники, изоляторы и другие детали. В некоторых датчиках дополнительно устанавливается одна или две электрических спирали для подогрева элемента до рабочей температуры. Если в автомобиле используется датчик без подогрева, то первые несколько минут после пуска мотора состав горючей смеси не корректируется, система лямбда-коррекции начинает работать только после прогрева. Датчики с подогревом требуют минимального времени на подготовку к работе и практически сразу обеспечивают коррекцию состава горючей смеси.

Назначение выводов датчиков кислорода

Датчик кислорода может иметь различное число выводов:

• 1 вывод — датчики без подогрева, в них присутствует только один сигнальный вывод, подключение к массе осуществляется через корпус прибора;
• 2 вывода — датчики без подогрева, в них один вывод является сигнальным, второй служит для подключения к массе;
• 3 вывода — датчики с подогревом; в них присутствует сигнальный вывод, вывод для подключения нагревательного элемента и общий массовый вывод;
• 4 вывода — датчики с подогревом, четвертый вывод может использоваться для подключения второго нагревательного элемента или подключения нагревательного элемента к массе.

Обычно подключение датчика осуществляется с помощью стандартного разъема, расположенного на жгуте выходящих из датчика проводов.

Устройство и функционирование резистивного датчика кислорода

Конструкция резистивного датчика кислорода

В основе датчиков этого типа лежит резистивный элемент на основе пленок из диоксида титана, нанесенных на изолирующую подложку. Принцип действиядатчика прост и основан на свойстве диоксида титана при высоких температурах (от 200 °C, оптимальный режим — около 700 °C) изменять свое электрическое сопротивление в зависимости от парциального давления кислорода (то есть, от концентрации этого газа). Причем это изменение происходит скачкообразно: при обогащении топливной смеси (снижении концентрации кислорода) сопротивление составляет 1-10 кОм; при обеднении топливной смеси (повышении концентрации кислорода) сопротивление скачкообразно повышается на два порядка — до 1-10 МОм.

Датчик подключается к ЭБУ двигателя через измерительный мост, где выполняет функции одного из четырех резисторов. Сопротивления резисторов подобраны таким образом, что при λ=1 мост находится в балансе и сигнал на его выходе соответствует некоторой величине, которая условно принята за "ноль". При уменьшении концентрации кислорода сопротивление датчика резко падает и на выходе моста появляется напряжение 4-5 В. При увеличении концентрации кислорода сопротивление датчика резко возрастает и на выходе моста появляется напряжение около 0,2-0,4 В. Данные выходные напряжения поступают на ЭБУ, который вносит коррективы в работу системы впрыска топлива.

Конструктивно резистивные датчики аналогичны гальваническим, они тоже могут иметь нагревательный элемент и подключаться к ЭБУ с помощью одного, двух, трех или четырех проводов.

Вопросы выбора, проверки и замены датчика кислорода

Установка лямбда-зонда в выпускном коллекторе двигателя

Датчики кислорода работают в условиях повышенных температур и загрязнений, поэтому они обладают ограниченным ресурсом и требуют регулярной замены. Датчики без подогрева должны меняться после 50 тысяч км пробега, с подогревом — после 70 тысяч км пробега. Однако эти приборы могут выходить из строя раньше, это проявляется ухудшением работы двигателя — повышением расхода топлива, неустойчивым холостым ходом, повышением дымности выхлопа, падением мощности и другими признаками. Обычно неисправность датчика отображается кодом ошибки, но иногда система самодиагностики не может определить поломку. Самостоятельно выполнить диагностику датчика сложно, особенно для неспециалиста — эта работа требует применения специальных измерительных приборов (осциллографа), сканера и инструментов. Так что лучше проверку доверить специалистам.

На замену следует использовать только те типы и модели датчиков, что рекомендованы автопроизводителем. Другой лямбда-зонд, даже если он и встанет в выхлопную трубу, может давать неверные показания и лишь ухудшить работу двигателя. Замену нужно выполнять в соответствии с инструкцией по ремонту автомобиля, при этом следует использовать уплотнительные кольца и затягивать датчик с установленным усилием, в противном случае может возникнуть утечка газов или повреждение прибора. Если датчик подобран и заменен правильно, двигатель будет эффективно работать на всех режимах соответствовать экологическим требованиям.