Датчик катализатора
Кислородный датчик: устройство, назначение, диагностика
Сомнительная заправка, плохой бензин, «чек» на панели — стандартный и быстрый путь к замене кислородного датчика. Про лямбда-зонд слышали многие автомобилисты, но мало кто разбирался, за что именно он отвечает и почему так легко выходит из строя. Рассказываем про датчик кислорода — «обоняние» двигателя.
Лямбда и стехиометрия двигателя
Название датчика происходит от греческой буквы λ (лямбда), которая обозначает коэффициент избытка воздуха в топливно-воздушной смеси. Для полного сгорания смеси соотношение воздуха с топливом должно быть 14,7:1 (λ=1). Такой состав топливно-воздушной смеси называют стехиометрическим — идеальным с точки зрения химической реакции: топливо и кислород в воздухе будут полностью израсходованы в процессе горения. При этом двигатель произведёт минимум токсичных выбросов, а соотношение мощности и расхода топлива будет оптимальным.
Если лямбда будет <1 (недостаток воздуха), смесь станет обогащённой; при лямбде >1 (избыток воздуха) смесь называют обеднённой. Чересчур богатая смесь — это повышенный расход топлива и более токсичный выхлоп, а слишком бедная смесь грозит потерей мощности и нестабильной работой двигателя.
Зависимость мощности и расхода топлива от состава смеси
Из графика видно, что при λ=1 мощность двигателя не пиковая, а расход топлива не минимален — это лишь оптимальный баланс между ними. Наибольшую мощность мотор развивает на слегка обогащённой смеси, но расход топлива при этом возрастает. А максимальная топливная эффективность достигается на слегка обеднённой смеси, но ценой падения мощности. Поэтому задача ЭБУ (электронного блока управления) двигателя — корректировать топливно-воздушную смесь исходя из ситуации: обогащать её при холодном пуске или резком ускорении, и обеднять при равномерном движении, добиваясь оптимальной работы мотора во всех режимах. Для этого блок управления ориентируется на показания датчика кислорода.
Зачем нужен кислородный датчик
Датчиков в современном двигателе великое множество. С помощью различных сенсоров ЭБУ замеряет температуру забортного воздуха и его поток, «видит» положение дроссельной заслонки, отслеживает детонацию и положение коленвала — словом, внимательно следит за воздухом «на входе» и показателями работы мотора, регулируя подачу топлива для создания оптимальной смеси в цилиндрах.
Схема лямбда-коррекции двигателя
Лямбда-зонд показывает, что же получилось «на выходе», замеряя количество кислорода в выхлопных газах. Другими словами, кислородный датчик определяет, оптимально ли работает мотор, соответствуют ли расчёты ЭБУ реальной картине и нужно ли вносить в них поправки. Основываясь на данных с лямбда-зонда, ЭБУ вносит соответствующие коррекции в работу двигателя и подготовку топливно-воздушной смеси.
Где находится кислородный датчик
Датчик кислорода установлен в выпускном коллекторе или приёмной трубе глушителя двигателя, замеряя, сколько несгоревшего кислорода находится в выхлопных газах. На многих автомобилях есть ещё один лямбда-зонд, расположенный после каталитического нейтрализатора выхлопа — для контроля его работы.
Если у двигателя две головки блока (V-образники, «оппозитники»), то удваивается количество выпускных коллекторов и катализаторов, а значит и лямбда-зондов — у современной машины может быть и 4 кислородных датчика.
Устройство кислородного датчика
Классический лямбда-зонд порогового типа — узкополосный — работает по принципу гальванического элемента. Внутри него находится твёрдый электролит — керамика из диоксида циркония, поэтому такие датчики часто называют циркониевыми. Поверх керамики напылены токопроводящие пористые электроды из платины. Будучи погружённым в выхлопные газы, датчик реагирует на разницу между уровнем кислорода в них и в атмосферном воздухе, вырабатывая на выходе напряжение, которое считывает ЭБУ.
Циркониевый элемент лямбда-зонда приобретает проводимость и начинает работать только после прогрева до температуры 300 °C. До этого ЭБУ двигателя действует «вслепую» согласно топливной карте, без обратной связи от кислородного датчика, что повышает расход топлива при прогреве двигателя и количество вредных выбросов. Чтобы быстрее задействовать лямбда-зонд, ему добавляют принудительный электрический подогрев. Кислородные датчики с подогревом внешне отличаются увеличенным количеством проводов: у них 3–4 жилы против 1–2 у обычных датчиков.
В названии узкополосного датчика кроется его недостаток — он способен замерять количество кислорода в выхлопе в достаточно узком диапазоне. ЭБУ может корректировать смесь по его показаниям только в некоторых режимах работы мотора (холостой ход, движение с постоянной скоростью), что не отвечает современным требованиям по экономичности и экологичности двигателей. Для более точных замеров в широком диапазоне используют широкополосный лямбда-зонд (A/F-сенсор), который также называют датчиком соотношения «воздух-топливо» (Air/Fuel Sensor). Обычно к нему подходят 5–6 проводов, хотя бывают и исключения.
Внешне «широкополосник» похож на обычный датчик кислорода, но внутри есть отличия. Благодаря специальным накачивающим ячейкам эталонный лямбда-коэффициент газового содержимого датчика всегда равен 1, и генерируемое им напряжение постоянно. А вот ток меняется в зависимости от количества кислорода в выхлопных газах, и ЭБУ двигателя считывает его в реальном времени. Это позволяет электронике быстрее и точнее корректировать смесь, добиваясь её полного сгорания в цилиндрах.
Почему до сих пор производят узкополосные датчики? Во-первых, для старых автомобилей, где A/F-сенсоры не применялись. Во-вторых, из-за особенностей «широкополосника» его нельзя устанавливать после катализатора, где он быстро выходит из строя. А контролировать работу катализатора как-то надо. Поэтому в современных двигателях ставят два лямбда-зонда разного типа: широкополосный (управляющий) — в районе выпускного коллектора, а узкополосный (диагностический) — после катализатора.
Причины и признаки неисправности лямбда-зонда
Основная причина поломок кислородных датчиков — некачественный бензин: свинец и ферроценовые присадки оседают на чувствительном элементе датчика, выводя его из строя. На состояние лямбда-зонда влияет и нестабильная работа двигателя: при пропусках зажигания от старых свечей или пробитых катушек несгоревшая смесь попадает в выхлопную систему, где догорает, выжигая и катализатор, и датчики кислорода. Приговорить датчик также может попадание в цилиндры антифриза или масла.
Самый очевидный признак неисправности лямбда-зонда — индикатор Check Engine на приборной панели. Считав код ошибки с помощью сканера или самодиагностики, можно проверить, какой именно датчик вышел из строя, если их несколько. Иногда всё дело в повреждённой проводке датчика — с проверки цепи и стоит начать поиск поломки.
Но далеко не всегда проблемный лямбда-зонд зажигает «Чек»: иногда он не ломается полностью, а медленно умирает, давая при этом ложные показания, из-за чего ЭБУ двигателя неверно корректирует состав смеси. В этом случае нужно ориентироваться на косвенные признаки — ухудшение работы двигателя.
Проблемы с датчиком кислорода нарушают всю систему обратной связи и лямбда-коррекции, вызывая целый букет неисправностей. Прежде всего, это увеличение расхода топлива и токсичности выхлопа, снижение мощности и нестабильный холостой ход. Если вовремя не заменить лямбда-зонд, следом выйдет из строя каталитический нейтрализатор, осыпавшись из-за перегрева от обогащённой смеси.
Универсальные кислородные датчики
Цена на оригинальные датчики кислорода вряд ли обрадует автомобилистов, но все лямбда-зонды работают по единому принципу, что позволяет без труда подобрать замену. Главное, чтобы соответствовал типа датчика (широкополосный/узкополосный), количество проводов и резьбовая часть. В продаже есть универсальные кислородные датчики без разъёма, которые можно использовать на десятках моделей автомобилей — подобрать и купить лямбда-зонд не составляет проблемы.
Чтобы избежать проблем с кислородными датчиками, следите за состоянием двигателя, заправляйтесь качественным топливом и регулярно выполняйте компьютерную диагностику, которая позволит выявить неисправности на ранней стадии.
Датчик кислорода для автомобиля (что это такое)
Датчик кислорода нужен, чтобы регулировать смесь топлива и воздуха, поступающую в двигатель. Он обеспечивает максимальную мощность и меньший расход топлива. Поговорим для чего нужен датчика кислорода в машине и принцип его работы.
Для чего нужен
В отработавших газах бензинового двигателя автомобиля можно найти немало разных токсичных компонентов, но чаще встречаются эти:
- СО – окись углерода, угарный газ;
- СН – несгоревшие углеводороды;
- NOх – окислы азота.
Инженеры противопоставили этой опасной троице очень важное устройство, входящее в систему выпуска, – каталитический нейтрализатор отработавших газов. Иначе говоря, газы, пройдя через это устройство, из агрессивно-токсичных превращаются в сравнительно безопасные, нейтральные.
Чтобы нейтрализатор мог эффективно «облагораживать» поступающие в него газы, содержание каждого компонента в них должно укладываться в довольно узкие рамки, соответствующие сгоранию в цилиндрах стехиометрической рабочей смеси топлива и воздуха. Напомним, что ее состав характеризуется так называемым коэффициентом избытка воздуха a.
Если a больше 1,0 – смесь обедненная, бедная и т. д. И наоборот – смесь с a меньше 1,0 – обогащенная, богатая и т.д. Если воздуха ровно столько, сколько требуется для полного сгорания топлива, смесь называют стехиометрической – это область значений a вблизи 1,0.
Зависимость эффективности нейтрализатора от состава рабочей смеси в цилиндрах двигателя. Чтобы эффективность была не ниже 80%, колебания состава относительно оптимального не должны превышать 1%.
Как обеспечить высокую точность и одновременно стабильность? Цель была достигнута с появлением электронной системы автоматического регулирования с датчиком кислорода в отработавших газах – по-другому, лямбда-зондом. Этот датчик – важнейший элемент обратной связи в системе впрыска, позволяющей поддерживать стехиометрический состав на установившихся режимах работы двигателя с точностью до ±1%.
На современных авто можно увидеть датчики кислорода двух типов. К первому отнесем датчики на основе диоксида циркония (циркониевые), ко второму – на основе оксида титана (титановые). Принцип работы один, разница только в конструкции.
Измерительный элемент датчика кислорода имеет напыление благородного металла – платины с внутренней и внешней сторон. Внутри – «твердый электролит» (керамика). Работает по принципу гальванического элемента с твердым электролитом: по достижении температуры 300–350°С керамика начинает проводить ионы кислорода.
Полезно помнить, что это минимально возможная температура функционирования измерительного элемента, тогда как при работе двигателя температура датчика около 600°С. Ограничена и максимальная рабочая температура – около 900–1000°С в зависимости от типа датчика, перегрев грозит его повреждением.
Принцип работы
При работе двигателя концентрация кислорода внутри выпускной системы и снаружи ее, в окружающем воздухе, совершенно разная. Вот эта разница и заставляет ионы кислорода двигаться в твердом электролите, в результате чего на электродах измерительного элемента появляется разность потенциалов – сигнал датчика кислорода.
Зависимость выходного сигнала зонда от температуры. Зона ниже 300°С – нерабочая: 1 – реакция на богатые смеси; 2 – реакция на бедные смеси.
Как видите, реакции на богатые и бедные смеси различаются очень сильно, но при падении температуры ниже 300°С разница постепенно уменьшается – эта зона уже нерабочая. Чтобы датчик после пуска двигателя быстрей прогревался, его размещают возможно ближе к мотору, но все же с учетом ограничений по максимальной температуре. Особенно «критична» длительная езда с полной мощностью двигателя.
Современные датчики кислорода – с электроподогревом, которым управляет электронный блок управления двигателем, меняя ток нагревателя. Соответственно, он контролирует и исправность цепи нагревателя, что очень важно.
Понимание того, как работает датчик катализатора
от GDS Team | 1 апреля 2016 г. | Каталитические и инфракрасные датчики
Доступен широкий ассортимент датчиков газа; Какой тип вы используете, зависит от рабочей среды и того, какие типы газа могут присутствовать, например, природный газ, окись углерода или органические соединения в воздухе. Каталитические датчики часто используются для обнаружения углеводородов, но их работа зависит от присутствия кислорода.
Как работают датчики катализатора
Каталитические датчики состоят из двух основных элементов: детектора, содержащего каталитический материал, чувствительный к горючим газам, и компенсационного элемента, который является инертным. Горючие газы будут гореть в присутствии кислорода только на детекторе, вызывая повышение температуры и соответствующее повышение электрического сопротивления. Температура и сопротивление инертного компенсатора остаются прежними.
Формируется цепь, включающая оба элемента, и настраивается переменный резистор для поддержания баланса в чистом воздухе. Когда горючие газы повышают температуру детектора и повышают его сопротивление, это вызывает дисбаланс в цепи и выдает сигнал выходного напряжения. Относительная сила этого сигнала может определить концентрацию горючих газов.
Преимущества каталитических датчиков
* Простота установки, использования и калибровки
* Экономичность, долгий срок службы и низкая стоимость замены.
* Очень надежен
* Может быть откалиброван для таких газов, как водород, который не может быть обнаружен инфракрасными сканерами
* Нечувствителен к оптике и более надежен в пыльной среде
* Более надежен при высокой температуре
* Менее чувствителен к влажности и изменения в воздухе
* Обнаруживает большинство углеводородных газов
Недостатки
* Датчики катализатора могут стать неактивными из-за загрязнения химическими веществами, содержащими соединения хлора и силикона, а также сернистыми и другими коррозионно-активными химическими веществами.
* Единственным способом проверки датчиков является воздействие на них известного количества газа и повторная калибровка по мере необходимости.
* Для работы им требуется кислород
* Длительное воздействие концентрированных углеводородов может ухудшить рабочие характеристики.
* При экстремальной концентрации газа датчик может быть поврежден и показывать низкий уровень сигнала или его отсутствие
Успешное использование
* Избегайте использования силиконовых спреев или материалов вблизи датчика катализатора, так как частицы кремния могут покрыть детектор и помешать его правильной работе. Не упаковывайте и не храните датчик вместе с силикагелем.
* Рабочие характеристики датчика могут ухудшиться из-за воздействия щелочей, таких как соли и соленая вода.
* Органические пары, такие как спирт, могут проникнуть внутрь детектора и повредить его.
* Вода на датчике каталитического нейтрализатора может ухудшить его работу, а образование льда на датчике в холодных условиях может привести к его повреждению.
* Датчик катализатора следует располагать так, чтобы он не подвергался ударам и вибрациям, которые могут его повредить. Вибрация также может вызвать ложные показания.
* Датчики, хранившиеся в течение длительного времени, при повторном подключении должны быть откалиброваны.
* Если необходимо отремонтировать датчик катализатора, припаяйте его вручную без смолы, так как высокие температуры или пары смолы могут повлиять на работу датчика.
В конце концов, каталитический датчик — это испытанная и проверенная технология, которая надежно работает в течение длительного периода времени. Если он правильно установлен и обслуживается, он может спасти жизнь.
Датчик кислорода: Эффективность катализатора
Выбросы
Монитор эффективности каталитического нейтрализатора проверяет, работает ли каталитический нейтрализатор с достаточно высоким рейтингом эффективности, чтобы удерживать выбросы выхлопных газов в пределах заданных значений. PCM сравнивает сигналы от верхнего и нижнего кислородных датчиков, чтобы определить состояние нейтрализатора. Эти «тесты» называются мониторами готовности.
Монитор эффективности каталитического нейтрализатора проверяет, работает ли каталитический нейтрализатор с достаточно высокой эффективностью, чтобы поддерживать выбросы выхлопных газов в пределах заданных значений. PCM сравнивает сигналы от верхнего и нижнего кислородных датчиков, чтобы определить состояние нейтрализатора. Эти «тесты» называются мониторами готовности.
Непрерывные и непостоянные тесты готовности
Монитор — это часть или сегмент операции, которую обычно выполняет транспортное средство, или операции, которую необходимо выполнить для проверки определенного аспекта или состояния транспортного средства. Существует два основных типа мониторов готовности: непрерывные и непостоянные. Непрерывные мониторы постоянно проверяются и оцениваются во время работы двигателя. Непрерывные мониторы должны соответствовать определенным условиям, прежде чем тест может быть завершен.
Некоторые операции, такие как пропуски зажигания или проблемы с топливной системой, могут быть постоянными, непостоянными или и теми, и другими, и могут быть проверены во время обоих типов мониторов. Непрерывные мониторы также будут различаться для бензиновых и дизельных двигателей.
Новый автомобиль может сообщать о состоянии монитора выбросов во время текущего ездового цикла. Эти мониторы начинаются с самого начала всякий раз, когда цикл мониторинга соответствует критериям для выполнения теста готовности. Старые автомобили могут не поддерживать эту функцию. Поскольку мониторы представляют собой процедуру самопроверки, которую водитель не должен инициировать, лучший способ подготовить их к проведению самопроверки — это вождение автомобиля. Однако вождение в одиночку не будет соответствовать всем необходимым условиям. Есть несколько конкретных требований, которые варьируются от производителя к производителю.
Убедитесь, что MIL (световой индикатор неисправности) не включен. Если есть какие-либо сохраненные коды эффективности или связанные с ними коды или даже ожидающий диагностический код неисправности, они могут помешать запуску или завершению работы монитора.
Наконец, вы должны завершить «ездовой цикл». Ездовой цикл позволяет автомобилю запустить бортовую диагностику. Это позволяет мониторам готовности пройти предустановленную процедуру диагностики.
Что такое эффективность?
Преобразователь имеет рейтинг эффективности, рассчитанный производителем автомобиля. Эффективность преобразователя связана с топливной коррекцией двигателя. Коррекция подачи топлива контролируется кислородными датчиками и постоянно регулируется PCM. Это помогает поддерживать правильную температуру преобразователя для наиболее эффективной работы. Одной из функций конвертера является сохранение в нем определенного количества кислорода. Если двигатель работает на слишком богатой смеси, он не может хранить кислород. Если он работает на слишком обедненной смеси, уровень кислорода может помешать конвертеру достичь оптимального диапазона нагрева.
Богатое состояние означает меньше кислорода; бедное состояние означает избыток кислорода. Богатое состояние будет означать, что PCM хочет обеднить топливную смесь. Между тем, обедненное состояние будет означать, что PCM хочет попытаться увеличить топливную смесь.
Стехиометрическое соотношение топливовоздушной смеси 14,7:1 (по массе). Для правильной работы преобразователя необходимо достичь стехиометрического значения, чтобы катализатор мог реагировать с кислородом и достигать надлежащей рабочей температуры. Каталитический нейтрализатор начинает функционировать при температуре от 400 до 600 градусов по Фаренгейту. Нормальная рабочая температура может варьироваться от 1200 до 1600 градусов.
Эффективность нейтрализатора можно проверить с помощью диагностического прибора, а также по наблюдению за переключением датчиков O2 между богатым и бедным. Лабораторные осциллографы также можно использовать для наблюдения за переключением. Как только эффективность упадет ниже определенного уровня и будут выполнены другие критерии, будет установлен код эффективности.
Эффективность большинства преобразователей в новом состоянии составляет около 99 процентов, а затем быстро снижается до 95 процентов. Пока эффективность не упадет более чем на несколько процентных пунктов, преобразователь отлично справится с очисткой выхлопных газов. Но если КПД падает ниже 92 процента, обычно включается лампа MIL.
Новые автомобили должны соответствовать еще более строгим требованиям к автомобилям с низким уровнем выбросов (LEV). Теперь еще меньше места для маневра. Падение эффективности преобразователя всего на 3 процента может привести к тому, что выбросы превысят федеральные ограничения. Стандарт LEV допускает только 0,225 грамма углеводородов на милю.
Некоторые OEM-производители обновили калибровки датчиков катализатора. Новая калибровка может быть повторно прошита в PCM. Но, если на автомобиле уже есть поврежденный преобразователь, то перепрошивка ему вообще ничего не даст. Но, если преобразователь близок к пороговому пределу, повторная вспышка может продлить срок службы преобразователя и предотвратить загорание индикатора еще на 10 000 или даже до 80 000 миль.
Причины снижения эффективности преобразователя
Неисправные датчики O2 также могут привести к снижению эффективности преобразователя. Одна из вещей, которую многие технические специалисты не проверяют, вероятно, проще всего — соединения датчика O2. Разъем является не только источником питания и заземления, но и источником необходимого подвода воздуха к циркониевому датчику. Если разъем заполнен маслом или мусором, воздух не может проходить по проводам к датчику внутри. Старые однопроводные датчики O2 имели перфорированную область снаружи и не использовали провода для подачи кислорода.
Много лет назад у меня была машина с силиконовым герметиком, полностью закрывающим разъемы. Код присутствовал, но ущерб уже был нанесен. Все четыре датчика O2 должны были быть заменены. Эффективность преобразователя была под вопросом, но после нескольких запусков мониторов код так и не вернулся.
Очевидно, что вопросы, связанные с настройкой, должны учитываться для повышения эффективности преобразователя. Все, что угодно, от состояния клапана PCV, сломанных подвесок выхлопных газов, которые повреждают внутреннюю структуру нейтрализатора, до клапана EGR и связанных с ним проблем с EGR, может повлиять на эффективность. Утечки выхлопных газов перед датчиками O2 также могут сильно повлиять на эффективность. Установка неправильных датчиков O2 в неправильном положении также может быть проблемой. Для справки: датчики B1 находятся на стороне цилиндра № 1 двигателя, а датчики B2 — на противоположной стороне. Я не в первый раз вижу задний датчик O2 спереди или автомобиль с кодом датчика B1, а кто-то меняет датчик B2.
