Проверка работоспособности кислородного датчика

Цель работы: Изучение устройства, принципа работы, способов проверки датчика содержания кислорода.

Оборудование и материалы: 2 датчика содержания кислорода в отработанных газах, газовая плита или газовая горелка, секундомер, цифровой амперовольтомметр Д-838.

Теоретические сведения:

В современных системах управления впрыском топлива, едва ли не главную роль выполняет датчик содержания кислорода в выхлопных газах (Oxygen Sensor). В обиходе его часто называют лямбда-зонд (lambda sound) или О₂-датчик, иногда - датчик выхлопа.

Как видно из названия датчика, его задача состоит в том, чтобы преобразовывать информацию о содержании кислорода в выхлопных газах в электрический сигнал, который, в свою очередь, считывается электронным блоком управления впрыском (ECU). Устройство датчика простое – он состоит из корпуса, керамического изолятора, твердого электролита из двуокиси циркония, электроды и нагревательного элемента (см. рисунок 5.1.).

В современных ДВС оптимальной воздушно-топливной смесью считается смесь с соотношением 14.7 частей воздуха к 1 части топлива.

Рисунок 5.1. Устройство датчика кислорода.

Соотношение воздуха и топлива в составе топливной смеси определяется электронным блоком по полученным сигналам датчиков, установленых на двигателе, качество же приготовленной смеси проверяется ECU по сигналам, введенного в обратную связь, датчика О₂. При излишне обогащенной или обедненной топливной смеси, электронный блок корректирует ее приготовление с учетом показаний лямбда-зонда. Т.к. датчик О₂ выполняет в системе впрыска топлива одну из основных функций, работа двигателя во многом зависит от его исправного состояния.

Самыми важными условиями работоспособности датчика содержания кислорода в выхлопных газах являются:

1. Обеспечение герметичности выхлопного тракта и непосредственно места установки датчика. При замене вышедшего из строя датчика О₂ следует смазывать его резьбу специальной токопроводной смазкой для предотвращения заклинивания резьбового соединения. Не стоит применять для этого стандартные смазки, т.к. они не являются токопроводными, а резьбовая часть датчика является для него электрическим контактом. Некачественный контакт (или контакт с большим сопротивлением электрическому току) приведет к неправильной работе лямбда-зонда. В некоторых конструкциях предусмотрена установка герметизирующей шайбы. Чаще всего эти шайбы являются одноразовыми и при демонтаже датчика подлежат замене.

2. Считается недопустимым попадание на корпус датчика тормозной или охлаждающей жидкости и других реактивов. Не следует применять для очистки его поверхности какие-либо растворители и активные моющие средства.

Рисунок 5.2 Показания исправного датчика.

3. В связи с малыми рабочими токами, должны быть обеспечены надлежащие контакты в разъемах соединений электрической цепи и проводки датчика О₂.

4. Существенно снизить ресурс лямбда-зонда может применение топлива, в состав которого входит высокое содержание свинца (этилированный бензин).

Рисунок 5.3. Показания неисправного датчика

5. К выходу из строя датчика может привести перегрев его корпуса. Перегрев может произойти из-за неправильно установленного угла опережения зажигания или сильно переобогащенной топливной смеси. В свою очередь, топливная смесь может быть переобогащена из-за забитого воздушного фильтра, неисправного регулятора давления топлива в системе, неработающего датчика температуры охлаждающей жидкости и др. Функционально лямбда-зонд работает, как переключатель и выдает напряжение выше порогового (0.45V) при низком содержании кислорода в выхлопных газах. При высоком уровне кислорода датчик О₂ снижает это пороговое напряжение ECU. При этом, важным параметром является скорость переключения датчика. В большинстве систем впрыска топлива О2-датчик имеет выходное напряжение от 40-100мВ. до 0.7-1В. Длительность фронта должна быть не более 120 мс. Следует отметить, что многие неисправности лямбда-зонда контроллерами не фиксируются и судить о его исправной работе можно только после соответствующей проверки.

Проверку работоспособности датчика О₂ лучше всего производить с помощью осциллографа. На Рисунке показан сигнал нормально работающего лямбда-зонда на прогретом двигателе, работающего на ХХ. Здесь и далее умышленно показаны только амплитудные характеристики сигнала, т.к. временные параметры на разных системах и двигателях могут иметь существенные различия.

Правильно работающий лямбда-зонд может многое сказать опытному мотористу - в каком состоянии находится двигатель и его системы. На некоторых автомобилях с помощью датчика можно достаточно точно отрегулировать содержание в выхлопных газах СО.

На Рис.4 показан выходной сигнал еще работающего, но изрядно послужившего и практически забитого датчика О₂. Данная осциллограмма зафиксировала падение амплитуды выходного сигнала ниже 0V, что говорит о неисправности датчика О2. Данная неисправность датчика чаще всего фиксируется системой самодиагностики и на приборной панели загорается лампочка "CHECK ENGINE", которая сигнализирует о неисправности. На Рис.5-8 показаны осциллограммы типично неисправных О₂. На Рис.5 представлена наиболее распространенная "болезнь" датчиков содержания кислорода в выхлопных газах, которая выражена в замедленной его реакции. Время фронта сигнала (t) значительно превышает 120 мСек. Данная неисправность датчика неминуемо вызывает увеличенный расход топлива и заметное снижение динамики автомобиля, а система самодиагностики ее не зафиксирует, т.к. данный параметр не отслеживается контроллером. Ресурс датчика содержания кислорода в выхлопных газах обычно составляет от 30 до 70 тыс.км. и в значительной степени зависит от условий эксплуатации. Дольше служат, как правило, датчики с подогревом. Рабочая температура для них обычно 315-320°C. В конструкцию этих датчиков включен нагревающий элемент, имеющий на разъеме свои контакты. Проверку работоспособности нагревательного элемента таких датчиков можно производить обычным омметром. Сопротивление их обычно составляет от 3 до 15 Ом.

Демонтаж неисправного лямбда-зонда следует производить при температуре двигателя около 50°C, в противном случае, из-за заклинивания, велик риск сорвать резьбу. Перед тем, как приступать к демонтажу, необходимо при выключенном зажигании отсоединить разъем датчика. На некоторых автомобилях, чтобы снять датчик О₂, необходимо демонтировать защитный кожух выпускного тракта. Признаком неисправного лямбда-зонда может служить повышение расхода топлива и ухудшение динамики автомобиля, при этом возможен неустойчивый холостой ход двигателя. В большинстве своем, сходные по конструкции датчики являются взаимозаменяемыми.

Датчик содержания кислорода в выхлопных газах устанавливается, как правило, в паре с катализатором. Многие автовладельцы считают, что они взаимосвязаны функционально и могут работать только в паре. Однако это не совсем так. В большинстве автомобилей лямбда-зонд установлен на выхлопном тракте до катализатора. В этом случае катализатор не может влиять на работу датчика, хотя обратная зависимость есть и заключается в том, чтобы система впрыска топлива регулировала топливную смесь не переобогащая ее, таким образом продляя срок службы катализатора.

Некоторые автовладельцы самостоятельно заменяют вышедший из строя катализатор на резонатор и отключают лямбда-зонд. В этом случае ECU работает по усредненным значениям и не может обеспечить оптимального приготовления состава топливной смеси. Кроме того, добиться низкого уровня содержания СО в выхлопных газах на таких автомобилях бывает весьма проблематично. Часто в этих случаях после отключения аккумулятора работа двигателя становится неустойчивой и не всегда оптимизируется даже после значительного пробега автомобиля, т.к. не во всех ECU есть система коррекции режимов сохраняемых в оперативной памяти и, при отключении питания, ECU теряет эти значения. Восстановление этих значений порой может быть дороже стоимости нового катализатора вместе с О₂.

Бесконтрольность датчика О₂ может привести к его полному разрушению, а ведь его основу составляют керамические пластины. Самым серьезным следствием отключенного лямбда-зонда может стать вышедший из строя двигатель, т.к. на многих автомобилях из-за подрастянувшегося ремня ГРМ (и не только) могут не плотно быть закрыты выпускные клапана в начале обратного хода поршня. В этот момент очень велик риск попадания керамики в камеру сгорания, а чем это грозит догадаться не трудно.

Если вы решили заменить катализатор на резонатор или просто его удалить, не стоит отключать лямбда-зонд, а если и он вышел из строя, то установите новый датчик. В автомобилях где лямбда-зонд установлен на катализаторе, дело обстоит еще сложнее, т.к. ЛЗ контролирует уже очищенный выхлоп. В этом случае, если удален катализатор (даже если сохранен О₂), добиться оптимальной работы двигателя бывает достаточно трудно, т.к. программа ECU может быть не рассчитана на более "грязный" выхлоп и часто воспринимает это как неисправность лямбда-зонда.

Настоятельно рекомендуется проверять работу датчика содержания кислорода в выхлопных газах не реже одного раза через каждые 5000-10000 км. пробега автомобиля. Решением данной проблемы контроля может стать установленный на приборной панели индикатор работы лямбда-зонда.

Порядок выполнения работы:

1. Подключить к сигнальным проводам датчика вольтметр с чувствительностью до 2000 мВ.

2. Включить газовую горелку, таким образом, чтобы пламя закрывало защитный кожух керамического элемента.

3. По мере нагрева датчика записывать в таблицу показания вольтметра и термометра через каждые 5 с до 120 с.

4. Провести аналогичные замеры со вторым датчиком и рассчитать разницу в показаниях. Сделать вывод о работоспособности датчиков.

5. Изучить конструкцию датчика и сделать эскиз его продольного разреза.

6. Оформить отчет.

7. Ответить на контрольный вопрос.

Таблица 4.1.

Результаты проверки работоспособности датчика

Отчет должен содержать титульный лист, эскиз датчика, таблицы с измеренными и подсчитанными величинами температур, выводы по работе датчика, ответ на контрольный вопрос по работе.

Контрольные вопросы

1. Можно ли поставить вместо датчика на основе ZrO₂ другой датчик, на основе TiO₂, и что для этого понадобится, если возможно?

2. Каким образом можно заменить датчик на аналогичный, если мощность подогревающей спирали существенно выше прототипа?

3. Возможно ли очистить датчик кислорода при засорении и каким образом?

4. Достаточно ли оценить напряжение на датчике для признания его годным, или необходимо оценить его другие характеристики?

5. Почему нельзя замыкать контакты датчика накоротко при его состоянии готовности к работе?

6. Каково основное отличие датчика на основе двуокиси циркония от датчика на основе двуокиси титана?

7. Что такое цикл работы «Open loop»?

8. Что такое цикл работы «Closed loop»?

9. Какие еще существуют достоверные способы оценки качества топливной смеси, сгорающей в цилиндре двигателя?

10. Почему не используют газоанализаторы электролитического действия для оценки качества топливной смеси?

11. Из-за чего снижается время реакции датчика кислорода в процессе работы?

12. Для чего устанавливают 2 датчика кислорода – один до каталитического дожигателя, другой – после?

13. Почему в схеме питания спирали подогрева датчика кислорода положительный потенциал всегда присутствует на датчике, а отключается «массовый» провод?

14. Почему в случае перетирания проводки датчика кислорода на заведенном двигателе происходит короткое замыкание и возгорание проводов, даже если накал не включен?

15. Почему датчик не дает никакой информации в холодном состоянии?

16. Из какого материала изготовлена изоляция проводов жгута датчика и почему она не плавится при работе?

17. Почему при неисправности датчика кислорода происходит отказ каталитического нейтрализатора?

18. Как при отравлении датчика кислорода меняется состав смеси и расход топлива?

19. Почему датчик кислорода не применяют на дизелях?

20. Когда на датчике есть потенциал – при богатой смеси или бедной? Почему?