Широкополосный датчик кислорода принцип работы: Кислородный датчик (лямбда-зонд): устройство и принцип работы

Кислородный датчик, лямбда-зонд, датчик концентрации кислорода – назначение, принцип действия

Кислородный датчик (другие названия — лямбда-зонд, датчик концентрации кислорода) служит для определения количества кислорода в отработавших газах.

Для обеспечения эффективной (экономичной и экологичной) работы двигателя внутреннего сгорания соотношение воздуха и топлива в топливно-воздушной смеси должно быть постоянным на всех режимах работы. Это достигается использованием кислородного датчика в выпускной системе. Сам процесс управления содержанием кислорода в выхлопных газах называется лямбда-регулирование.

Так, при недостатке воздуха в топливно-воздушной смеси, углеводороды и угарный газ полностью не окисляются. С другой стороны, при избытке воздуха оксиды азота полностью не разлагаются на азот и кислород.

Лямбда-зонд устанавливается в выпускной системе. На отдельных моделях автомобилей применяется два кислородных датчика: один устанавливается до каталитического нейтрализатора, другой – после. Применение двух кислородных датчиков усиливает контроль за составом отработавших газов и обеспечивает эффективную работу нейтрализатора.

В зависимости от конструкции различают два вида кислородных датчиков: двухточечный и широкополосный.

Двухточечный датчик устанавливается как перед нейтрализатором, так и за ним. Датчик фиксирует коэффициент избытка воздуха в топливно-воздушной смеси (λ) по величине концентрации кислорода в отработавших газах.

Двухточечный датчик представляет собой керамический элемент, имеющий двухсторннее покрытие из диоксида циркония. Измерение осуществляется электрохимическим способом. Электрод одной стороной контактирует с выхлопными газами, друго — с атмосферой.

Принцип действия двухточечного кислородного датчика основан на измерении содержания кислорода в отработавших газах и атмосфере. При разной концентрации кислорода в отработавших газах и атмосфере на концах электрода создается напряжение. Чем выше содержание кислорода (обедненная топливно-воздушная смесь), тем ниже напряжение, чем ниже содержание кислорода (обогащенная топливно-воздушная смесь), тем выше напряжение.

Электрический сигнал от кислородного датчика поступает в электронный блок управления системы управления двигателем. В зависимости от величины сигнала блок управления воздействуют на исполнительные органы подконтрольных ему систем автомобиля.

Широкополосный датчик представляет собой современную конструкцию лямбда-зонда. Он применяется в качестве входного датчика каталитического нейтрализатора. В широкополосном датчике значение «лямбда» определяется с использованием силы тока закачивания.

В отличие от двухточечного датчика широкополосный датчик состоит из двух керамических элементов — двухточечного и закачивающего. Под закачиванием понимается физический процесс, при котором кислород из отработавших газов проходит через закачивающий элемент под воздействием определенной силы тока.

Принцип работы широкополосного датчика основан на поддержании постоянного напряжения (450 мВ) между электродами двухточечного элемента за счет изменения силы тока закачивания.

Снижение концентрации кислорода в отработавших газах (обогащенная топливно-воздушная смесь) сопровождается ростом напряжения между электродами двухточечного керамического элемента. Сигнал от элемента подается в электронный блок управления, на основании которого создается ток, определенной силы, на закачивающем элементе.

Ток, в свою очередь, обеспечивает закачку в измерительный зазор и напряжение достигает нормативного значения. Величина силы тока при этом является мерой концентрации кислорода в отработавших газах. Она анализируется электронным блоком управления и преобразуется в управляющие воздействия на исполнительные устройства системы впрыска.

При обеднении топливно-воздушной смеси работа широкополосного датчика осуществляется аналогичным образом. Отличие состоит в том, что под действием тока происходит выкачивание кислорода из измерительного зазора наружу.

Эффективная работа кислородного датчика осуществляется при температуре 300°С. Для скорейшего достижения рабочей температуры лямбда-зонд оборудуется нагревателем.

 

 

Кислородный датчик или лямбда зонд

Одна из острейших проблем, с которой сталкиваются современные автопроизводители, – экологическая безопасность. Массовое использование автомобилей в повседневной жизни грозит ростом загазованности современных городов. Для уменьшения количества токсичных веществ, содержащихся в составе выхлопных газов, используются специальные системы их очистки, так называемые каталитические нейтрализаторы, для обеспечения последним необходимых условий работы применяется кислородный датчик.

Содержание

1. На что влияет кислородный датчик?
2. Как работает кислородный датчик?
3. Циркониевый датчик кислорода
4. Титановый датчик кислорода
5. Широкополосный датчик
6. Про эксплуатацию датчика

На что влияет кислородный датчик?

Работа ДВС сопровождается выделением выхлопных газов (ВГ), содержащих вредные для человека вещества. Их значительная концентрация влияет на самочувствие и здоровье окружающих. Среди этих токсичных веществ необходимо особо отметить угарный газ, не полностью сгоревшие углеводороды и окислы азота. Чтобы уменьшить их содержание в составе ВГ, как уже отмечалось, на современных автомобилях используется каталитический нейтрализатор.

Однако у него есть особенность – он успешно работает в достаточно ограниченном диапазоне соотношения кислорода и бензина, и если смесь обогащенная, или наоборот, слишком бедная, то содержание в составе ВГ токсичных веществ остается высоким. Вот кислородный датчик и участвует в обеспечении необходимого соотношения кислорода и бензина.

Содержание токсичных веществ зависит от степени сгорания топливовоздушной смеси (ТВС) и ее состава. Если в ней мало бензина, она называется обедненной, если много – обогащенной. Однако понятие «много или мало» достаточно неопределенное и не может использоваться для управления составом ТВС. Вот для устранения этой неопределенности и нужен кислородный датчик, у него есть ещё одно название – лямбда зонд.

С его помощью контроллер управления двигателем отслеживает процесс сгорания ТВС, для чего измеряется в ВГ содержание кислорода. При необходимости изменяется состав ТВС таким образом, чтобы обеспечить полное сгорание топлива и уменьшить выделяемое количество токсичных веществ.

Как работает кислородный датчик?

На сегодняшний день существует лямбда зонд трех разновидностей:

• циркониевый;
• титановый;
• широкополосный.

Наиболее распространенными из них являются первые два типа. Свое название они получили от используемого материала, и соответственно, принцип работы кислородного датчика из-за этого у них разный.

Циркониевый датчик кислорода

Как устроен подобный лямбда зонд, изображено на рисунке.

Конструктивно он может быть выполнен по-разному, либо цилиндрический (пальчиковый), либо пластина (планарный датчик). По сути дела, это слоистая структура, внутренняя и наружная поверхности которой выполнены из платины и разделены слоем специальной керамики. Она защищена снаружи корпусом с отверстиями для поступления ВГ к платиновой поверхности кислородного датчика и имеет связь с наружным воздухом.

При своей работе лямбда зонд контролирует содержание кислорода в составе ВГ, для чего его надо располагать в потоке этих газов. Принцип, по которому он работает, чем-то напоминает аккумулятор, только твердотельный. При достаточно высоких температурах (не ниже трехсот градусов) через керамику, разделяющую слои платины, начинают проходить ионы кислорода. Их содержание в окружающем воздухе и в составе ВГ разное, вследствие чего между слоями датчика появляется разность потенциалов.

Именно она и есть тот сигнал, что лямбда зонд выдает контроллеру управления двигателем. На его величину влияет содержание кислорода в ВГ. Получив эти данные, контролер отвечает тем, что изменяет ТВС, уменьшая или увеличивая количество впрыскиваемого бензина. Вот для чего нужен лямбда зонд, с его помощью контроллер определяет, насколько полностью сгорает ТВС, и подбирает ее оптимальный состав, обеспечивая при этом эффективность работы ДВС и его топливную экономичность.

Описанный принцип работы, основанный на движении ионов кислорода, реализуется при температурах от трехсот до девятисот градусов, поэтому и помещают лямбда зонд в выхлопную систему автомобиля.

Титановый датчик кислорода

Принцип работы, который использует такой датчик, совсем другой. В этом случае применяется зависимость проводимости диоксида титана от парциального давления кислорода в смеси газов. Чем больше содержание кислорода в составе ВГ, тем хуже лямбда зонд проводит электрический ток. Его выходное напряжение пропорционально количеству кислорода и изменяется скачкообразно.

Кислородный датчик подобного типа работает при температуре от семисот градусов, и для него не требуется эталонный воздух.

Широкополосный датчик

Он в обычных машинах используется довольно редко, его отличает совершенно другой принцип работы. У него имеются две специальные камеры – измерительная и камера накачки. Если предыдущие типы датчиков генерировали высокое либо низкое напряжение на выходе в зависимости от содержания кислорода в составе ВГ, то широкополосный датчик выдает напряжение, пропорциональное его значению.

Про эксплуатацию датчика

Лямбда зонд – неразборная конструкция и рассчитана на пробег до восьмидесяти тысяч километров. Правда, этот показатель может значительно уменьшиться при нарушении правил эксплуатации.
Среди них стоит отметить:

• использование этилированного бензина или других видов топлива, не предусмотренных изготовителем;
• перегрев датчика;
• многократные неудачные запуски двигателя;
• попадание на корпус датчика эксплуатационных автомобильных жидкостей или моющих средств;
• замыкание на «массу», а также плохой контакт выходной цепи.

Могут быть и другие причины, вызывающие отказ датчика, но и уже приведенных достаточно для понимания, что это хрупкое изделие и требует в процессе работы бережного отношения. Полностью проверить датчик с необходимой степенью достоверности можно, воспользовавшись осциллографом.

Однако результаты работы датчика видны невооруженным взглядом по ряду признаков:

1. увеличение расхода топлива;
2. увеличение содержания окиси углерода в составе ВГ;
3. ухудшение динамики машины;
4. неустойчивая работа мотора.

Причин отказов датчика может быть несколько, но независимо от них ремонт для него не предусмотрен, только замена.

Лямбда зонд в современных автомобилях контролирует количество кислорода в составе ВГ. Он также осуществляет выдачу данных в контроллер управления двигателем с целью изменения состава ТВС для полного сгорания смеси и обеспечения необходимых условий работы нейтрализатора.

Широкополосные датчики

и узкополосные — понимание различий

Дилерский сервис

Одна из основных причин, по которой производители переходят на широкополосные датчики AFR, заключается в том, что канал нагревателя быстрее достигает рабочей температуры — в некоторых случаях всего за 10 секунд. Однако для эффективного функционирования широкополосные датчики также необходимо нагревать до более высоких рабочих температур.

Брендан Бейкер — технический редактор Babcox Media Inc.

Что такое широкополосный датчик O2?

Широкополосные кислородные датчики воздуха/топлива могут показаться похожими на обычные узкополосные кислородные датчики, но есть немало отличий, о которых необходимо знать, чтобы обслуживать автомобили с этим датчиком нового типа.

Нажмите здесь, чтобы узнать больше

Обычные датчики O2 были опорой автомобильной промышленности на протяжении нескольких десятилетий, начиная с 1976 когда Bosch впервые представил их на моделях Volvo 240/260. Узкополосный датчик работает по принципу богатый/бережливый. Когда топливовоздушная смесь богатая, выходное напряжение составляет от 0,8 до 0,9 вольт, а когда воздушно-топливная смесь бедная, напряжение падает до 0,3 вольта или меньше. Однако широкополосный датчик A/F постепенно изменяет текущий сигнал, поскольку он коррелирует с соотношением воздух/топливо и считывает более высокое напряжение для стехиометрического — обычно 3,3 В.

Широкополосные датчики были разработан для более точного измерения соотношения A/F в более широком диапазоне условия эксплуатации (отсюда и название). Узкополосный датчик может измерять только примерно между 14,0/15,0:1 соотношениями воздух/топливо, чтобы сообщить о богатой или обедненной смеси. состоянии, но широкополосный намного надежнее.

Honda первой использовала широкополосный датчик кислорода в моделях Civic 1992 года. Производитель называет его широкополосный датчик — датчик обедненной смеси воздух-топливо (LAF), который используется для считывания AFR как богатой от 12:1 до обедненного до 22:1. Датчик LAF поначалу сбивал с толку многих техников. потому что он был похож на традиционный датчик O2, за исключением того, что у него было пять провода.

Эти датчики обозначаются несколько названий, таких как датчики лямбда, AFR, LAF и широкополосный датчик O2. А широкополосный датчик может определять содержание кислорода в выхлопных газах, которое намного ниже или намного выше идеального соотношения воздух/топливо 14,7:1. Больше контроля над новым сжиганием обедненной смеси двигатели, которые выделяют сверхнизкие выбросы, необходимы сегодня. Несмотря на то, что некоторые EPA недавно были смягчены требования по экономии топлива. все еще подталкивает к разработке датчиков, которые будут лучше контролировать AFR в сегодняшние двигатели на обедненной топливной смеси.

Существует два типа широкополосных конструкции датчиков кислорода: двухэлементные и одноэлементные. Одноэлементный датчик O2 выглядит аналогичен узкополосному 4-проводному датчику, но они могут быть планарной конструкции или в виде чашки. Четыре провода обозначают два для нагревателя и два для сигнал и работать на 0,4 вольта для датчика. Тем не менее, PCM обеспечивает низкое ток для управления сигналом между положительными и отрицательными вольтами, который стехиометрический AFR и базовый уровень для богатых или обедненных условий.

Датчики AFR с двумя ячейками используют плоскую конструкция с плоским элементом из диоксида циркония толщиной около 1,5 мм. плоская конструкция имеет несколько преимуществ по сравнению с датчиком AFR с одной ячейкой из-за его более быстрое время прогрева, более быстрое время переключения и лучшая устойчивость к загрязнение.

Почему широкополосный?

Одна из основных причин производители собираются использовать широкополосные датчики AFR, потому что канал нагревателя быстрее выходит на рабочую температуру — всего за 10 секунд, в некоторых случаи. Однако широкополосные датчики также необходимо нагревать до более высокой рабочей температуры. температуры для эффективного функционирования. В то время как узкополосный датчик работает в 600°F, широкополосный датчик необходимо нагреть до 1200-1400°F. подогрев помогает снизить выбросы при холодном пуске и позволяет улучшить качество топлива эффективность, поскольку двигатель тратит меньше времени на работу в режиме разомкнутого контура. Некоторые гибриды используют электрическую цепь, когда автомобиль находится в режиме EV, для обогрева. датчики AFR перед запуском двигателя, что позволяет на 100 процентов работа в замкнутом цикле.

Качественный сканирующий прибор можно использовать для проверки широкополосного датчика, но имейте в виду, что многие послепродажные сканирующие приборы отображают данные датчика AFR в обычных напряжениях датчика или в каком-либо другом потоке данных, таком как лямбда или миллиампер, что может ввести в заблуждение даже опытного специалиста. тех. В зависимости от модели некоторые датчики AFR используют импульсную модуляцию, и в этом случае для проверки силы тока или тока лучше использовать пробник или осциллограф. Механическая и электрическая конструкция современных датчиков AFR стала более сложной и специфичной для конкретного применения. Перед тестированием обязательно посмотрите, что производитель использует для вывода данных на конкретной модели, а то долго ломаете голову.

Брендан Бейкер

Знакомство с датчиками кислорода широкого спектра Nissan

Мое путешествие начинается с Nissan Altima 2005 года. Транспортное средство проверялось в рамках подготовки к испытаниям на выбросы, и мы всегда использовали общее правило, согласно которому, если вы смотрите на хорошие характеристики двигателя и выбросы, автомобиль должен находиться в системе контроля топлива.

Есть много автомобилей, в которых кислородный датчик можно использовать в качестве общего инструмента для реализации этой концепции. Это было несколько легкой задачей для датчиков кислорода из диоксида циркония, но в этом автомобиле был датчик кислорода другого типа. Это Bosch LSU 4.9.широкополосный кислородный датчик соотношения воздух/топливо (5-проводной). Первый вопрос, который приходит на ум: как работает этот датчик?

В 1997 году компания Bosch разработала для своего датчика кислорода плоский керамический элемент из циркония, а не наперсток. Название «плоский» было использовано потому, что чувствительный элемент представляет собой плоскую керамическую полоску толщиной около 1,5 мм. Новая конструкция работает аналогично датчику диоксида циркония типа наперстка, но эта «толстопленочная» конструкция, как ее называют, делает ее меньше, легче и более устойчивой к загрязнению.

Новый нагревательный элемент также потребляет меньше электроэнергии и нагревает чувствительный элемент до рабочей температуры примерно за 10 секунд.

Этот новый широкополосный датчик соотношения воздух/топливо Bosch LSU 4.X сочетает в себе чувствительный к кислороду элемент «Нернста» из планарного датчика с «кислородным насосом», чтобы создать устройство, которое может фактически измерять соотношение воздух/топливо.

Ячейка Нернста по-прежнему воспринимает кислород так же, как обычный наперстковый датчик O2. Когда в сенсорном элементе из диоксида циркония возникает разница в уровнях кислорода, ток течет с одной стороны на другую и создает напряжение ( Рисунок 1 ) (типичное напряжение на ячейке Нернста = 0,45 В).

Для большей точности в кислородном насосе используются нагретые катод и анод, которые втягивают некоторое количество кислорода из выхлопных газов в «диффузионный» зазор между двумя компонентами. Ячейка Нернста и кислородный насос соединены вместе таким образом, что для поддержания сбалансированного уровня кислорода в диффузионном зазоре требуется определенный ток. Величина тока, необходимая для поддержания этого баланса, прямо пропорциональна уровню кислорода в выхлопных газах.

Это дает компьютеру двигателя точные измерения воздуха/топлива, необходимые для соответствия новым требованиям по выбросам. Чтобы компенсировать это, компьютер регулирует топливную смесь, добавляя больше топлива, когда смесь обеднена, или используя меньше топлива, когда она богата. Это основы управления подачей топлива с обратной связью (, рис. 2, ).

Я составил ряд запланированных шагов, которые помогут мне продвинуться в моем понимании этого датчика. Я изложил шаги следующим образом:

1. Работа и описание
2. Просмотрите схему подключения (спецификация подстроечного резистора)
3. Анализ данных сканирования
4. Рабочий лист напряжения и тока

1. Работа и описание

Мне нужно было понять, как работает этот датчик. Вот описание, которое было доступно со ссылкой на сервисную информацию:

«Датчик A/F 1 представляет собой планарный двухэлементный датчик предельного тока. чувствительный элемент датчика A/F 1 является комбинация концентрационной ячейки Нернста (сенсорная ячейка) с ячейкой кислородного насоса, которая транспортирует ионы кислорода. Он имеет нагреватель в элементе.Датчик способен точно измерять лямбда = 1, а также в бедном и богатом диапазоне. Вместе со своей управляющей электроникой датчик выдает четкий непрерывный сигнал в широком диапазоне лямбда (0,7 < лямбда < воздуха)9.0069

Компоненты отработавших газов диффундируют через диффузионный зазор на электроде кислородного насоса и концентрационной ячейки Нернста, где они доводятся до термодинамического равновесия». необходимо определить определенные термины, чтобы облегчить мое понимание. Датчик AFR с одной ячейкой

: Одноэлементный датчик O2 похож на узкополосный 4-проводной датчик, но может быть либо плоской конструкции, либо чашеобразной формы (наперсток). Четыре провода обозначают два для нагревателя и два для сигнала и работают на 0,4 вольта для датчика.

Плоский датчик с двумя ячейками. В датчиках AFR с двумя ячейками используется плоская конструкция с плоским элементом из диоксида циркония толщиной около 1,5 мм. Планарная конструкция имеет несколько преимуществ по сравнению с одноячеечным датчиком AFR благодаря более быстрому прогреву, меньшему времени переключения и лучшей устойчивости к загрязнению.

Концентрационная ячейка Нернста. С точки зрения конструкции широкополосный кислородный датчик аналогичен обычному планарному O2S в отношении области, обозначенной как ячейка Нернста. Ячейка Нернста для широкополосного датчика воспринимает кислород так же, как и обычный датчик O2 типа наперстка. Когда существует разница в уровнях кислорода на циркониевом чувствительном элементе, ток течет от одной стороны к другой и создает напряжение, но это дает только грубую индикацию богатой обедненной воздушно-топливной смеси. Цель состоит в том, чтобы поддерживать напряжение 0,45 В на ячейке Нернста.

Насосная ячейка

(насосный ток): Над концентрационной ячейкой Nernst находится еще один слой диоксида циркония с двумя электродами, который называется насосной ячейкой. Две ячейки имеют общую землю, которая называется ссылкой. Имеется две внутренние камеры:

1. Воздушная эталонная камера (подвергается воздействию окружающего воздуха)
2. Диффузионный зазор или камера (воздействие выхлопных газов)

Когда выхлоп богат, PCM подает отрицательный ток на ячейку насоса. Когда выхлоп бедный, PCM подает положительный ток на ячейку насоса.

2. Просмотрите электрическую схему (спецификацию подстроечного резистора)

Теперь, когда я немного лучше понял устройство датчика и роли ячеек Nernst и Pump, пришло время перейти к шагу № 2. Перед установкой нового датчика, может быть неплохо проверить сопротивление подстроечного резистора, Бош указывает диапазон 30-300 Ом ( рис. 3 и 4 ). Однако важно отметить, что сопротивление подстроечного резистора на любых двух датчиках может быть неодинаковым, но все же находиться в пределах технических характеристик.

Контрольные точки (омметр) для проверки калибровки подстроечного резистора показаны на Рис. 5 , крышка снята. (30-300 Ом).

Схема подключения в Рисунок 6 типична для того, что вы можете увидеть в сервисной информации, обратите внимание, что на схеме показано шесть проводов. Всего на стороне ECM будет шесть проводов цепи, но только пять проводов на фактическом широкодиапазонном кислородном датчике Bosch. Если вы внимательно посмотрите на схему подключения Bosch выше и проследите за схемой подстроечного резистора, это даст некоторое представление.

После тщательного изучения и некоторой домашней работы мне удалось получить информацию о значении обозначений, перечисленных на электрической схеме. Это было очень важно, чтобы знать, какая информация о напряжении присутствует на каждой клемме:

• AF-h2 — Управление нагревателем
• A/F IA1 – насосная ячейка через подстроечный резистор
• AF-VM1 — опорный (общий) 2,5 В выше земли PCM
• AF-UN1 — Напряжение ячейки Нернста (450 мВ при измерении от AF-UN1 до AF-VM1 — также несет ток для эталонного накачки)
• AF-IP1 – насосная ячейка
• Цепь предохранителя — питание нагревателя к датчику от аккумулятора

3. Анализ данных сканирования

Эта информация от Nissan подразумевает, что мы должны увидеть около 1,5 В (напряжение, создаваемое PCM) на сканирующем приборе KOEO (рис. 7, 8 и 9). ) будет поддерживать это. Nissan использует концепцию под названием Alpha (коррекция). Вот как интерпретировать Альфу:

• Альфа = 100 (коррекция не требуется)
• Альфа > 100 (PCM добавляет топливо, потому что считает, что двигатель обеднен)
• Альфа < 100 (PCM вычитает топливо, потому что считает, что двигатель обогащен)

Шаг 4: Тестирование кислородного датчика (таблица напряжения и тока)

Эта информация от Nissan не предоставляет информацию о клеммах, как показано Рисунок 10 , и это несколько затрудняет понимание с точки зрения диагностики. Я предоставил некоторые важные примечания, чтобы помочь понять, какое напряжение увидит технический специалист на этих отмеченных клеммах. Я обнаружил, что использование рабочего листа помогает в сборе данных. Измерения производятся от отмеченной клеммы до минусовой клеммы аккумулятора ( Рисунок 11 ) (Обратите внимание, что цвета проводов для этих датчиков могут различаться).