Кислородный датчик — диагностика

Для того, чтобы сделать более понятной тему кислородного датчика и упростить проверку в авторемонтной мастерской, мы хотели бы в данном статье рассмотреть устройство, принцип работы и различные возмож­ности проверки кислородного датчика.

Как правило, работоспособность кислородного датчика проверяется при обычной проверке выхлопных газов двигателя. Так как кислородный датчик подвержен определённому износу, то его нужно регулярно (примерно после каждых 30.000 км пробега) проверять на надёжность работы, например, в рамках технического осмотра.

Для чего нужен кислородный датчик ?

Вследствие ужесточения законов об ограничении вредных автомобильных выхлопов технологии последующей обработки выхлопных газов были значительно улучшены. Для обеспечения оптимальной работы катализатора выхлопных газов требуется оптимальное сгорание топлива. Это достигается за счёт состава рабочей смеси из расчёта 14,7 кг воздуха на 1 кг топлива (стехиометрическая смесь). Эта оптимальная смесь обозначается греческой буквой λ (лямбда). Показатель лямбда отражает соотношение между теоретической потребностью в воздухе и фактическим его поступлением.

zond_sensor_5

Устройство и принцип действия кислородного датчика

Принцип действия кислородного датчика основан на сравнительном измерении кислорода. Это означает, что остаточное содержание кислорода в выхлопных газах (около 0,3% — 3%) сравнивается с содержанием кислорода (около 20,8%) в окружающем воздухе. Если содержание кислорода в выхлопных газах составляет 3% (обеднённая смесь), то в результате возникшей разницы с содержанием кислорода в окружающем воздухе возникает сигнал напряжением 0,1 вольт. Если содержание кислорода в выхлопных газах меньше 3% (богатая смесь), то напряжение сигнала датчика в результате увеличения разницы с содержанием кислорода в окружающем воздухе возрастает до 0,9 вольт. Измерение остаточного содержания кислорода производится при помощи различных кислородных датчиков.

Измерение заданного напряжения датчика Особенность (датчик изменения температуре напряжений)

zond_sensor

Зонд этого типа состоит из продолговатого полого внутри стержня, изготовленного из керамики на основе окиси циркония. этого твёрдого электролита заключается в том, что при около 300 °С он становится проницаемым для ионов кислорода. Обе стенки этого керамического элемента покрыты тонким пористым слоем платины, который служит электродом. С внешней стороны элемент обтекается выхлопными газами, внутренняя часть заполнена воздухом для сравнения. Вследствие различной концентрации кислорода по обеим сторонам происходит обусловленное особенностями керамического элемента перемещение ионов кислорода, которое вызывает образование электрического потенциала. Это напряжение используется как сигнал для управляющего устройства, которое изменяет состав рабочей смеси на основании остаточного содержания кислорода в выхлопных газах. Этот процесс — измерение остаточного содержания кислорода в выхлопных газах и обогащение или обеднение рабочей смеси — повторяется многократно в течение одной секунды, для получения соответствующей стехиометрической смеси.

 Измерение с использованием сопротивления датчика (датчик изменения сопротивлений)

zond_sensor_1

Этот тип датчиков изготовлен из керамики на основе окиси титана – по многослойной технологии. Окись титана имеет свойство изменять своё сопротивление пропорционально содержанию кислорода в выхлопных газах. При высоком содержании кислорода (обеднённая смесь λ > 1) проводимость становится меньше, при малом содержании кислорода (богатая смесь λ < 1)  проводимость лучше. Для работы этого датчика не нужно иметь эталонный воздух для сравнения, однако через систему резисторов к нему должно подводиться от управляющего устройства напряжение 5 вольт. Вследствие падения напряжения на резисторах образуется сигнал, необходимый для работы управляющего устройства.

Оба измерительных элемента размещены в одинаковых корпусах. Защитная трубка предохраняет находящиеся в зоне действия выхлопных газов датчики от повреждений.

Подогрев кислородных датчиков: первые кислородные датчики не имели подогрева, поэтому их нужно было устанавливать рядом с двигателем, чтобы быстрее довести их до рабочей температуры. Сегодня кислородные датчики оснащены автономным подогревом. Поэтому их можно устанавливать на расстоянии от двигателя. Преимущество: они больше не подвергаются высоким тепловым нагрузкам. Благодаря автономному подогреву они быстро разогреваются до рабочей температуры, поэтому отрезок времени, в течение которого кислородный датчик не выполняет свои функции, очень мал. Также устраняется опасность переохлаждения на холостом ходу, когда температура выхлопных газов низкая. Кислородные датчики с подогревом имеют очень малое время срабатывания, что положительно влияет на скорость управления.

Широкополосные кислородные датчики

zond_sensor_2

Кислородный датчик показывает обеднённый или богатый характер рабочей смеси в области λ = 1. С помощью широкополосного датчика мы получаем возможность получать точные значения λ как в области обеднённой (λ > 1), так и в области богатой (λ < 1) смеси. Датчик вырабатывает точный электрический сигнал, поэтому можно устанавливать любую паспортную характеристику, например, для дизельных двигателей, ДВС, работающих на обеднённой смеси, газовых двигателях и двигателях на газовых тепловых элементах. Широкополосный датчик работает, как и обычный датчик, по принципу сравнения с наружным воздухом. Дополнительно он имеет электрохимическую ячейку: нагнетательную ячейку. Через небольшое отверстие в ней выхлопной газ попадает в измерительную камеру — диффузионную щель. Для того, чтобы точно определить X здесь происходит сравнение содержания кислорода в наружном воздухе, служащем эталоном. Для получения управляющего сигнала к нагнетательной ячейке приложен электрический потенциал. Благодаря этому напряжению кислород из выхлопных газов подаётся в диффузионную щель или отводится из неё. Управляющее устройство регулирует величину напряжения таким образом, чтобы в диффузионной щели состав газов оставался постоянно равным λ =1  Если смесь обеднённая, то через нагнетательную ячейку кислород отводится наружу. Образуется положительный ток. Если смесь богатая, кислород из эталонного воздуха подаётся внутрь. Образуется отрицательный ток. При λ = 1 в диффузионную щель кислород не подаётся, ток равен нулю. Управляющий прибор оценивает этот ток, задаёт λ и, следовательно, состав рабочей смеси.

Использование нескольких кислородных датчиков

В V-образных и оппозитных двигателях с двухпоточным отводом выхлопных выхлопных газов используется обычно два датчика. Для каждого ряда цилиндров имеется свой собственный контур регулирования, который может составом смеси. Но и в двигателях по рядной схеме устанавливаются кислородные датчики для отдельных групп цилиндров (например, для цилиндров (1-3 и 4-6). В новейших двенадцатицилиндровых двигателях применяется до восьми кислородных датчиков. После введения процедуры EOBD должна проверяться работоспособность катализатора. Для этого дополнительные кислородные датчики устанавливаются после катализатора. С их помощью определяется способность катализатора накапливать кислород. Задача датчика, установленного после катализатора такая же, как и датчика, установленного перед катализатором. В управляющем устройстве сравниваются амплитуды кислородных датчиков. Вследствие способности катализатора накапливать кислород, амплитуды напряжения датчика, расположенного после катализатора, очень малы. Если накопительная способность катализатора падает, то амплитуды напряжения датчика после катализатора возрастают вследствие повышенного содержания кислорода. Высота амплитуд, которые возникают в датчике после катализатора, зависит от конкретной накопительной способности катализатора в данный момент, и изменяются с изменением числа оборотов и нагрузки. Поэтому при сравнении амплитуд учитываются также нагрузка и число оборотов. Если, несмотря на это, амплитуды напряжений обоих датчиков примерно одинаковы, накопительная способность катализатора исчерпана, например, в результате старения.

Диагностика и контроль с помощью кислородного датчика

В автомобилях, оснащённых собственной системой диагностики, возникающие в цепи регулирования неисправности распознаются самостоятельно и регистрируются в банке неисправностей. Сигнал неисправности показывается, как правило, миганием контрольной лампочки состояния двигателя. Для определения причины неисправности достаточно открыть с помощью прибора для диагностики банк регистрации неисправностей. Более старые системы не в состоянии определить, возникла ли данная неисправность по причине неисправной детали или, например, из-за дефекта кабеля. В этом случае автомеханик должен применить и другие способы проверки. В ходе EOBD в процесс проверки кислородных датчиков были включены: крепление проводников, эксплуатационное состояние, проверка на короткое замыкание на массу управляющего устройства, короткое замыкание на плюс, разрыв кабеля и старение кислородного датчика. Для определения сигналов кислородных датчиков в управляющем устройстве используется частота сигнала. Помимо этого, устройство рассчитывает следующие данные: максимальное и минимальное значения распознаваемого напряжения, время между положительным и отрицательным срезом, диапазон регулирования датчика по величине для обеднённой и богатой смеси, порог регулирования, напряжение датчика и длительность периода.

Как определяется максимальное и минимальное напряжение?

При запуске двигателя все старые значения минимум и максимум, сохранённые в управляющем устройстве, стираются. Значения минимум и максимум, задаваемые нагрузкой и числом оборотов, устанавливаются во время езды.

Расчёт времени между положительным и отрицательным срезом.

Если порог регулирования в результате скачка напряжения превысил верхний предел, то включается замер времени между положительным и отрицательным срезами. Если порог регулирования в результате скачка напряжения упал ниже нижнего предела, то замер времени прекращается. Отрезок времени между началом и окончанием замера времени измеряется счётчиком.

Распознавание старого или засорённого кислородного датчика.

Если датчик сильно состарился или, например, засорился топливными добавками, то это оказывает влияние на сигнал датчика. Сигнал датчика сравнивается с сохранённым сигналом. Медленно реагирующий датчик распознаётся, например, по периоду длительности сигнала, и регистрируется как неисправность.

Проверка кислородного датчика с помощью пользования осциллоскопа, тестера,тестера кислородного

Обычно перед каждой проверкой должен проводиться визуальный контроль, чтобы быть уверенным в том, что кабель и разъём исправны. Прибор для контроля выхлопных газов не должен показывать утечек. Для измерительным прибором рекомендуется использовать удлинитель. Нужно следить за тем, чтобы регулирование ? в отдельных эксплуатационных режимах было выключено, например, во время холодного запуска, до датчика, достижения рабочей температуры и при полной нагрузке.

zond_sensor_3

Прибор проверки выхлопных газов

Одним из самых быстрых и простых способов проверки является измерение с помощью четырёхконтурного прибора контроля выхлопных газов. Проверка проводится в обычном для такого контроля режиме. При нагретом двигателе снимают шланг, как бы добавляя излишний мешающий воздух. Вследствие изменившегося состава выхлопных газов изменяется рассчитанный и показанный тестером показатель λ. При определённом значении λ система подготовки рабочей смеси должна распознать его и в течение определённого времени (как и при AU, равном 60 секундам) произвести регулировку. Если мешающую излишнюю величину убрать, то значение λ должно вернуться в первоначальное пол­ожение. Обычно при этом должны учитываться размеры мешающей величины и значения λ, данные производителем. При этом способе проверки определяется общая работоспособность регулятора λ. Проведение проверки электрическими методами невозможно. При этом способе существует опасность того, что современные системы управления двигателем, несмотря на та неработающий регулятор λ, благодаря точному распознаванию нагрузки , будут готовить рабочую смесь так, чтобы λ = 1.

zond_sensor_4

 

 

Проверка с помощью тестера


zond_sensor_6Для проверки нужно использовать только высокоомный тестер с цифровой или аналоговой шкалой. Тестер с небольшим внутренним сопротивлением (обычно аналогового типа)будет сильно перегружать сигнал кислородного датчика и искажать его. Вследствие быстрого измен­ения напряжения лучше всего сигнал изучать на аналоговом приборе. Тестер включается параллельно сигнальному проводнику (чёрный проводник, смотри электрическую схему) кислородного датчика. Шкалу тестера установить на 1 или 2 вольта. После запуска двигателя на шкале появляется значение между 0,4-0,6 вольт (рекомендуемое напряжение). После достижения эксплуатационной температуры двигателя и кислородного датчика прежде устойчивое напряжение начинает изменяться между 0,1 и 0,9 вольт. Для достижения правильного результата измерения двигатель должен работать на скорости 2.500 оборотов. Благодаря этому обеспечивается нагревание датчиков, работающих без системы подогрева, до эксплуатационной температуры. Иначе, вследствие недостаточной температуры выхлопных газов в режиме холостого хода, существует опасность того, что датчик, работающий без системы подогрева, охладится и не будет генерировать никаких сигналов.

Проверка с помощью осциллоскопа

С помощью осциллоскопа нагляднее всего представить сигнал кислородного датчика. Основным условием, как и при проверке с помощью тестера, является разогрев двигателя, а также датчика до эксплуатационной температуры. Осциллоскоп подключается к сигнальному проводнику. Диапазон измерений зависит о типа осциллоскопа. Если прибор оснащён системой автоматического распознавания сигнала, то она должна быть включена. При ручной системе регулирования устанавливаем шкалу напряжений на 1-5 вольт и время на 1-2 секунды.

zond_sensor_7

zond_sensor_8

 

Вращение двигателя должно составлять примерно 2.500 оборотов. Переменное напряжение изображается в виде синусоиды. Этот сигнал характеризуется следующими параметрами: высота амплитуды (максимальное и минимальное напряжение 0,1 -0,9 вольт), время срабатывания и длительность периода (частота примерно 0,5-4 Гц, то есть до четырёх раз в секунду)

Проверка тестером кислородного датчика

Различные производители предлагают для проверки кислородных датчиков специальные тестеры. Этот прибор показывает работоспособность кислородного датчика при помощи светодиодов. Подключение производится, как и при использовании тестера и осциллоскопа, к сигнальному проводнику кислородного датчика. Как только датчик достигнет рабочей температуры и начнёт работать, светодиоды начнут мигать — в зависимости от состава рабочей смеси и прохождения напряжения (0,1-0,9 вольт) датчика. Все данные по установке данных прибора приводятся для измерения напряжения кислородного датчика из оксида циркония (принцип скачка напряжения). Для датчиков из оксида титана устанавливается диапазон 0-10 вольт, измеряемые напряжения колеблются в пределах 0,1-5 вольт. Следует руководствоваться данными производителя. Наряду с электронным контролем выводы о работоспособности датчика позволяет сделать также состояние защитной трубки собственно элемента датчика:

zond_sensor_9

Защитная трубка покрыта толстым слоем копоти: двигатель работает на слишком богатой смеси. Датчик нужно заменить и устранить причины, ведущие к образованию богатой смеси, чтобы предотвратить новое загрязнение зонда копотью.

zond_sensor_10

Блестящие отложения на защитной трубке: использования топлива с большим содержанием свинца. Свинец разрушает элемент датчика. Датчик нужно заменить, также нужно проверить катализатор. Заменить топливо, содержащее свинец, на топливо без свинца.

zond_sensor_11

Светлые (белые или серые) отложения на защитной трубке: в двигателе сгорает масло, дополнительная присадка к топливу. Датчик нужно заменить, а также устранить причины сгорания масла.

zond_sensor_12

Неправильная установка: в результате неправильной установки можно повредить кислородный датчик так, что он больше не будет обеспечивать надёжную работу. При установке нужно пользоваться только специальным монтажным инструментом, обращать внимание на величину крутящего момента.

Проверка датчика

 

Проверяется внутреннее сопротивление и подача напряжения на подогрева нагревательный элемент. Для этого отсоединить разъём кислородного кислородного датчика. Омметром со стороны датчика замерить сопротивление нагревательного элемента на обоих проводниках. Оно должно быть в пределах между 2 и 14 Ом. Замерить вольтметром подачу напряжения со стороны автомобиля. Напряжение должно составлять > 10,5 вольт (напряжение сети).

zond_sensor_13

 

Существует целый ряд типичных дефектов кислородных датчиков, которые возникают очень часто. Предлагаемый перечень показывает, какие причины могут вызвать неисправность:

zond_sensor_14

Если кислородный датчик подлежит замене, то при установке нового датчика следует соблюдать следующие требования:

  • используйте для снятия и установки только специальный инструмент
  • проверьте сохранность резьбы на устройстве для отвода выхлопных газов
  • используйте только ту смазку, которая специально предназначена для кислородных датчиков
  • избегайте попадания на измерительные элементы датчика влаги, масла, смазки, моющих и противокоррозийных средств
  • соблюдайте величину крутящего момента при затягивании резьбы М18х1,5, равную 40-52 ньютонометров.
  • при прокладке соединительных проводников следите за тем, чтобы они не соприкасались с горячими, движущимися предметами и острыми кромками
  • прокладывайте соединительные проводники нового датчика по возмо­жности так, как это было сделано на старом кислородном датчике
  • сохраните запас при монтаже соединительных проводников, чтобы они не оборвались при колебаниях и вибрации устройства для отвода выхлопных газов
  • предупредите клиента о том, чтобы он не использовал металлосодержащие присадки и топливо, содержащее свинец
  • не используйте кислородные датчики, упавшие на пол, или имеющие механические повреждения