Лямбда зонд (lambda)

Диагностика по сигналу лямбда-зонда

Лямбда зонд – устройство, устанавливающееся на пути потока выходящих газов, получаемых при сгорании топлива, для измерения уровня кислорода в этих газах.

При анализе осциллограммы напряжения исходящего сигнала лямбда-зонда, а также сопоставления данных иных датчиков, можно дать оценку работоспособности и функциональности самого лямбда-зонда, основных систем, а также двигателя в целом при различных режимах роботы и нагрузках.

Неисправность лямбда-зонда выражается и влияет на понижение скоростных характеристик автомобиля, неполадок при движении, плавании оборотов при холостом ходу, увеличении количества потребляемого топлива, а также снижения мощности двигателя.

Лямбда-зонд оценивает и сопоставляет уровень содержания и наличия кислорода в окружающей среде и выхлопных газах, подаёт результат этого сопоставления в виде аналогового сигнала. Существуют двухуровневые зонды, рабочий, то есть чувствительный или сенсорный элемент которых изготовлен из оксидов циркония или титана, но им на смену чаще приходят лямбда зонды широкополосного типа.

Лямбда зонд на основе оксида циркония

Лямбда-зонд с чувствительным элементом на основе оксида циркония продуцирует выходной сигнал напряжением тока от 40-100mV до 0.7-1.0V. Клиренс напряжения исходящего сигнала рабочего лямбда-зонда доходит до ~950mV.

Если лямбда-зонд замечает низкое содержание кислорода в выхлопе автомобиля, что есть последствием использования двигателем качественной обогащенной ТВС, датчик воспроизводит сигналы высокого уровня напряжения, — в районе 0.65 — 1V. Если же в выхлопных газах наблюдается повышенное содержание кислорода, что говорит об использовании двигателем обеднённой ТВС, то датчик воспроизводит, соответственно сигнал низкого напряжения в пределах 40 — 250mV.

Корректно работающий лямбда-зонд начинает функционировать только после прогрева сенсорного элемента выше ~350°С, когда исходное электрическое сопротивление существенно снижается, и он обладает способностью отклонять опорное напряжение, которое направляется от ЭБУ двигателем посредством резистора, обладающего постоянным электрическим сопротивлением.

В электронных блоках управления большинства марок производителей автомобилей опорное напряжение достигает 450 mV. Такие ЭБУ двигателем принимают готовность лямбда-зонда к работе после прогрева датчика до нужной температуры, и приобретения им способность отклонять опорное напряжение в пределах более ±150 ~ 250mV.

Отметим, что на сигнальном проводе опорное напряжение в ЭБУ двигателя может иметь и совсем иные значения. К примеру, для ЭБУ от Форда оно равно 0V, а в блоках управления двигателем Крайслеров — 5V.

Измерение ЭБУ двигателем напряжения исходящего сигнала лямбда-зонда производится в отношении сигнальной «массы» датчика. В зависимости от конструкции лямбда-зонда, его сигнальная «масса» может выводится с помощью отдельного провода на датчик, точнее конкретный разъем, или может быть соединена непосредственно с корпусом самого датчика и при его установке автоматически иметь связь с «массой» машины через соединение резьбового типа.

Сигнальная «масса» зонда, которая выводится с помощью отдельного провода на датчиковый разъем, в основном соединена с «массой» самого автомобиля. Но бывают также и ЭБУ двигателем, где шнур «массы» лямбда-зонда соединён не с массой автомобиля, а с источником опорного напряжения. Поэтому, в данных системах, измерение напряжения исходящего сигнала лямбда-зонда ЭБУ двигателем производит в отношении источника опорного напряжения, на который присоединён шнур сигнальной «массы» лямбда-зонда.

Оценка отклонения состава воздухо-топливной смеси от стехиометрического (эталонное сочетание и баланс воздух/топливо) производится ЭБУ двигателем, когда двигатель и лямбда-зонд прогреты посредством анализа его исходящих сигналов. В результате сгорания стехиометрической ТВС, напряжение исходящего сигнала лямбда-зонда, ориентировочно, будет достигать 445-450mV. Но постоянное поддержание стехиометрического состава топливновоздушной смеси невозможно по причине относительного расстояния между впускными клапанами газораспределяющего механизма и местом локализации датчика, а также относительно долгого времени реакции сенсорного элемента датчика.

Но отклонение от стехиометрического состава ТВС при работе двигателя на сталом режиме происходит постоянно (раз одну-две секунды), и имеет значение процента отклонения около ± 2 — 3%. Наблюдается это на осциллограмме исходящего напряжения сигнала лямбда зонда.

Переключения выходного клапана лямбда-зонда с низкой частотой свидетельствует об увеличенном отклонении топливно-воздушной смеси от техиометрического состава.

Интервал переключения исходящего напряжения лямбда-зонда между режимами не должен быть больше 120ms. Значительное увеличения времени скачка исходящего напряжения зонда между показателями свидетельствует об отравлении или старении датчика. Это может быть спровоцировано использованием содержащих свинец и иные другие элементы топливных или масляных присадок, либо использованием при ремонте двигателя определённых герметиков. Датчик стареет по причине его работы в сверх-агрессивной среде под воздействием высочайших температур. При анализе осциллограммы напряжения исходящего сигнала лямбда-зонда с разными режимами работы мотора, можно обнаружить неполадки самого датчика, а также и целой системы ЭБУ.

Ниже можно увидеть осциллограмму выходного сигнала исправного лямбда-зонда при неисправной ЭБУ. Двигатель имеет рабочую температуру, работая на холостых оборотах более 2-ух минут без нагрузки. Закладка «Snap throttle» размещена в точке осциллограммы, которая соответствует моменту, при котором дроссельная заслонка была резко открыта. Из осциллограммы следует, что при работе двигателя на холостом ходу происходила генерация зондом сигнала, имеющего среднее напряжение, равное ~ 700 mV и размах ~ ± 150 mV. После того, как дроссельная заслонка была резко открыта (момент отмечен закладкой с названием «Snap throttle») выходное напряжение стремительно снизилось на ~ 700 mV.

При этом размах напряжения исходящего сигнала лямбда-зонда после реакции на изменившийся уровень содержания кислорода в газах сгорания топливной смеси и на короткое время переключения исходящего напряжения от одного показателя к другому свидетельствуют об исправность датчика и готовности к работе.

Если же прогретый до нужной температуры двигатель функционирует на холостом ходу без нагрузки в течении больше чем двух минут (а прогретый до рабочей температуры лямбда-зонд продуцирует электрический сигнал, который извещает электронный блок управления о переобогащенной воздушно-топливной смеси, но ЭБУ на это не реагирует должным образом, в связи с чем смесь, как и прежде, остается переобогащенной), то это указывает на неполадки системы управления двигателем, но не самого зонда. Помимо этого, видно, что топливо воздушная смесь обедняется сразу же после резкого поднятия дроссельной заслонки. Внезапная перегазовка есть одним из режимов, в котором состав воздушно-топливной смеси обязан быть обогащенным.

Также схожая неисправность может быть спровоцирована разрывом цепи сигнальной системы самого зонда, либо же поломкой ЭБУ или одного из ее датчиков.

Так, датчик содержания кислорода в газах сгорания смеси имеет ресурс работы от двадцати тысяч километров до восьмидесяти. Но со временем, качество его работы ухудшается. Так как, при старении лямбда-зонда выходное электрическое сопротивление имеет свойство снижаться при воздействии высоких температур до уровня, при котором сенсор получает способность отклонять опорное напряжение. Старый лямбда-зонд легко обнаружить по осциллограмме напряжения исходящего сигнала при холостом ходу, а также малых нагрузках.

В ситуации существенного повышения температуры сенсорного элемента, исходящее электрическое сопротивление зонда немного снижается, а его возможность отклонять опорное напряжение растёт. Используя эту особенность датчика, мастер может повысить скорость потока газов сгорания и температуру путём увеличения оборотов двигателя следя за осциллограммой исходящего сигнала, для того чтобы понять, работает ли лямбда-зонд или нет. Осциллограмма же при исправном зонде должна принимать привычный вид. Также на его неисправность укажет возросшее потребление топлива на ряду с понижением мощностных характеристик авто и появлением «провалов» оборотов при холостом ходу.

Существует также такая неисправность лямбда-зонда, при которой появляются выбросы минусового напряжения, то есть отрицательной полярности. В таком случае значительно увеличивается расход топлива, а при резких газованиях происходят выбросы сажи из выхлопной трубы, при этом рабочая поверхность свечей зажигания становится покрыта гарью.

Также неисправности лямбда-зонда возникают по причине внешней или внутренней разгерметизации. В таких случаях, зонд не может адекватно сравнить уровень наличия кислорода в газах сгорания топлива с окружающим воздухом и начинает подавать сигнал в ~1V, полярность которого индицирует камеру со сниженным уровнем кислорода.

При исправном лямбда-зонде и системе в целом, уровень кислорода меняется только в газах сгорания. При этом, наличие кислорода в камере сгорания будет ниже, чем в камере с обычным воздух. В этом случае зонд подаст положительный сигнал в ~1V.

Если же система зонда разгерметизирована, в камеру с обычным воздухом будет попадать некое количество газов сгорания. Также при торможении (закрытой дроссельной заслонке) уровень кислорода в газах сгорания окажется гораздо выше, чем в камере, где есть атмосферный воздух. При этом лямбда-зонд подаст отрицательный сигнал в ~1V.

В таком случае, ЭБУ двигателем будет считать зонд исправным, ведь датчик отклонил опорное напряжение и уменьшил его до ~0V. Исходящее напряжение зонда в районе ~0V говорит о малой разнице наличия кислорода в газах сгорания, а также в разгерметизированой камере обычного воздуха.

На ЭБУ двигателя поступает сигнал зонда с низким напряжением, что говорит о обедненной ТВС. Поэтому ЭБУ обогащает смесь. Это значит, что разгерметизация зонда влияет на обогащение смеси с последующими неисправностями и увеличивает расход топлива. Диагностировать самому, без специального оборудования такую поломку нереально.

Лямбда-зонд на основе оксида титана

Напряжение исходящего сигнала зонда с сенсорным элементом на основе оксида титана находится в районе от 10-100mV до 4-5V.

Этот зонд реагирует путем изменения электрического сопротивления на разницу состава выхлопных газов.

Сопротивление зонда высокое при низком наличии кислорода в газах сгорания (обогащенная смесь), резко снижается в случае обеднения воздушно-топливной смеси. Благодаря этому датчик шунтирует опорное напряжение 5V, исходящее от ЭБУ двигателем посредством резистора, имеющего постоянное электрическое сопротивление.

Исходящий сигнал зонда с сенсором на основе оксида титана имеет гораздо быструю реакцию на понижение или повышение уровня наличия кислорода в газах сгорания топлива, по сравнению с сенсором на основе оксида циркония.

Широкополосный лямбда зонд

Исходящий сигнал широкополосного зонда способен передавать информацию не только о изменении состава газов сгорания и отклонении ТВС от стехиометрической, но также выражать это количественно. При анализе данных, полученных с широкополосного лямбда-зонда, ЭБУ двигателем рассчитывает предоставленные показатели отклонения воздушно-топливной смеси от стехиометрической и выдает результат в численно виде. Что, фактически, является лямбда коэффициентом.

У широкополосных зондов от компании BOSCH, исходящее напряжение сенсорного элемента зонда (это чёрный провод по отношению жёлтого провода) изменяется в зависимости от концентрации кислорода в газах сгорания, от величины, а также полярности заряда, протекающего по насосу кислорода зонда (красный провод по отношению жёлтого провода). ЭБУ двигателем продуцирует и посылает на насос кислорода электрический ток, полярность и величина которого поддерживает исходящее напряжение сенсорного элемента лямбда-зонда на постоянном уровне (450 mV).

Если двигатель потребляет воздушно-топливную смесь стехиометрического состава, то ЭБУ двигателя устанавливает напряжение на красный провод, которое равно напряжению, имеющемуся на желтом проводе, а электричество, которое протекает через красный шнур и насос кислорода, равно нулю.

Если двигатель потребляет обеднённую смесь, то ЭБУ двигателя подаёт на красный провод плюсовое напряжение по отношению к желтому проводу, и начинает идти через кислородный насос заряд положительной полярности. Если двигатель потребляет обогащенную ТВС, то ЭБУ двигателя переключает полярность тока на красном проводе в отношении жёлтого провода, и полярность тока кислородного насоса также изменяется на минусовую. Сила тока кислородного насоса, которая устанавливается ЭБУ двигателя, зависит от того, насколько сильно отличается состав ТВС от требуемого стехиометрического.

В электрической цепи насоса кислорода находится интегрированный резистор измерения, при падении напряжения на котором устанавливается концентрация кислорода в газах сгорания.