Діагностика за сигналом лямбда-зонда
Лямбда-зонд – пристрій, що встановлюється на шляху потоку вихлопних газів, що утворюються при згорянні пального, для вимірювання рівня кисню в цих газах.
При аналізі осцилограми напруги вихідного сигналу лямбда-зонда, а також зіставленні даних інших датчиків, можна оцінити працездатність і функціональність самого лямбда-зонда, основних систем, а також двигуна в цілому при різних режимах роботи та навантаженнях.
Несправність лямбда-зонда проявляється і впливає на зниження динамічних характеристик автомобіля, неполадки під час руху, коливання обертів на холостому ходу, збільшення витрати пального, а також зниження потужності двигуна.
Лямбда-зонд оцінює та зіставляє рівень вмісту та наявності кисню в навколишньому середовищі та вихлопних газах, подає результат цього зіставлення у вигляді аналогового сигналу. Існують двохрівневі зонди, робочий, тобто чутливий або сенсорний елемент яких виготовлений з оксидів цирконію або титану, але їм на зміну частіше приходять лямбда-зонди широкосмугового типу.
Лямбда-зонд на основі оксиду цирконію
Лямбда-зонд з чутливим елементом на основі оксиду цирконію генерує вихідний сигнал напругою від 40–100 mV до 0,7–1,0 V. Амплітуда напруги вихідного сигналу робочого лямбда-зонда досягає ~950 mV.
Якщо лямбда-зонд фіксує низький вміст кисню у вихлопі автомобіля, що є наслідком використання двигуном якісної збагаченої ТВС, датчик відтворює сигнали високого рівня напруги – у межах 0,65–1 V. Якщо ж у вихлопних газах спостерігається підвищений вміст кисню, що свідчить про використання двигуном збідненої ТВС, датчик відтворює сигнал низької напруги – у межах 40–250 mV.
Коректно працюючий лямбда-зонд починає функціонувати лише після прогріву сенсорного елемента вище ~350°С, коли початковий електричний опір суттєво знижується, і він здатний відхиляти опорну напругу, яка подається від ЕБУ двигуна через резистор з постійним електричним опором.
В електронних блоках керування більшості марок автомобілів опорна напруга досягає 450 mV. Такі ЕБУ фіксують готовність лямбда-зонда до роботи після прогріву датчика до потрібної температури та набуття ним здатності відхиляти опорну напругу у межах ±150–250 mV.
Варто зазначити, що на сигнальному проводі опорна напруга в ЕБУ двигуна може мати зовсім інші значення. Наприклад, для ЕБУ від Ford вона дорівнює 0 V, а в блоках керування двигуном Chrysler – 5 V.
Вимірювання ЕБУ двигуна напруги вихідного сигналу лямбда-зонда здійснюється відносно сигнальної «маси» датчика. Залежно від конструкції лямбда-зонда, його сигнальна «маса» може виводитися окремим проводом на датчик, точніше – на конкретний роз’єм, або може бути з’єднана безпосередньо з корпусом самого датчика і при його встановленні автоматично мати зв’язок із «масою» автомобіля через різьбове з’єднання.
Сигнальна «масса» зонда, яка виводиться окремим проводом на датчиковий роз’єм, у більшості випадків з’єднана з «масою» самого автомобіля. Проте існують також ЕБУ двигуна, де провід «масси» лямбда-зонда з’єднаний не з масою автомобіля, а з джерелом опорної напруги. Тому в таких системах вимірювання напруги вихідного сигналу лямбда-зонда ЕБУ двигуна здійснює відносно джерела опорної напруги, до якого підключений провід сигнальної «масси» зонда.
Оцінка відхилення складу паливно-повітряної суміші від стехіометричного (еталонного співвідношення повітря та пального) здійснюється ЕБУ двигуна, коли двигун і лямбда-зонд прогріті, за аналізом його вихідних сигналів. В результаті згоряння стехіометричної ТВС напруга вихідного сигналу лямбда-зонда орієнтовно досягає 445–450 mV. Постійне підтримання стехіометричного складу паливно-повітряної суміші неможливе через відносну відстань між впускними клапанами газорозподільного механізму та місцем встановлення датчика, а також через відносно тривалий час реакції сенсорного елемента.
Відхилення від стехіометричного складу ТВС при роботі двигуна на сталому режимі відбувається постійно (раз на одну-дві секунди) і має значення приблизно ±2–3 %. Це видно на осцилограмі вихідної напруги сигналу лямбда-зонда.
Перемикання вихідного клапана лямбда-зонда з низькою частотою свідчить про збільшене відхилення паливно-повітряної суміші від стехіометричного складу.
Інтервал перемикання вихідної напруги лямбда-зонда між режимами не повинен перевищувати 120 ms. Значне збільшення часу стрибка вихідної напруги зонда між показниками свідчить про отруєння або старіння датчика. Це може бути спричинено використанням пального або масляних присадок, що містять свинець та інші елементи, або застосуванням певних герметиків при ремонті двигуна. Датчик старіє через роботу у надзвичайно агресивному середовищі під впливом високих температур. Аналізуючи осцилограму вихідного сигналу лямбда-зонда при різних режимах роботи двигуна, можна виявити несправності самого датчика, а також всієї системи ЕБУ.
Нижче наведено осцилограму вихідного сигналу справного лямбда-зонда при несправному ЕБУ. Двигун прогрітий до робочої температури, працює на холостих обертах понад 2 хвилини без навантаження. Закладка «Snap throttle» розташована у точці осцилограми, що відповідає моменту різкого відкриття дросельної заслінки. З осцилограми видно, що під час роботи двигуна на холостому ходу зонд генерував сигнал із середньою напругою близько ~700 mV та розмахом ~±150 mV. Після різкого відкриття дросельної заслінки (момент закладки «Snap throttle») вихідна напруга швидко знизилася на ~700 mV.
Розмах напруги вихідного сигналу лямбда-зонда після реакції на зміну рівня кисню в газах згоряння та короткочасного перемикання вихідної напруги від одного показника до іншого свідчить про справність датчика та готовність до роботи.
Якщо ж прогрітий до робочої температури двигун працює на холостому ходу без навантаження понад дві хвилини (а прогрітий лямбда-зонд продукує сигнал, що повідомляє ЕБУ про перенасичену паливно-повітряну суміш, але ЕБУ на це не реагує належним чином, і суміш залишається перенасиченою), це вказує на несправність системи керування двигуном, але не самого зонда. Крім того, видно, що паливно-повітряна суміш збіднюється одразу після різкого підняття дросельної заслінки. Різке прискорення (перегазовка) – це один із режимів, у якому склад суміші повинен бути збагачений.
Схожа несправність може бути спричинена розривом ланцюга сигнальної системи зонда або поломкою ЕБУ чи одного з його датчиків.
Датчик вмісту кисню в газах згоряння має ресурс роботи від 20 000 до 80 000 км. Проте з часом його ефективність знижується. При старінні лямбда-зонда вихідний електричний опір зменшується під дією високих температур до рівня, коли сенсор отримує здатність відхиляти опорну напругу. Старий лямбда-зонд легко виявити за осцилограмою вихідного сигналу на холостому ходу та при малих навантаженнях.
При значному підвищенні температури сенсорного елемента вихідний опір зонда дещо знижується, а здатність відхиляти опорну напругу зростає. Використовуючи цю властивість, майстер може підвищити швидкість потоку газів згоряння та температуру шляхом збільшення обертів двигуна, спостерігаючи за осцилограмою вихідного сигналу, щоб оцінити працездатність лямбда-зонда. Осцилограма при справному зондові має звичний вигляд. На несправність також вказує підвищена витрата пального, зниження потужності авто та «провали» обертів на холостому ходу.
Існує також несправність лямбда-зонда, при якій з’являються викиди негативної напруги (від’ємної полярності). У такому випадку різко зростає витрата пального, а при різких прискореннях відбуваються викиди сажі з вихлопної труби, і робоча поверхня свічок запалювання покривається кіптявою.
Несправності лямбда-зонда можуть виникати через зовнішню або внутрішню розгерметизацію. У таких випадках зонд не може адекватно порівняти рівень кисню в газах згоряння з атмосферним повітрям і починає видавати сигнал ~1 V, полярність якого вказує на камеру з пониженим вмістом кисню.
При справному лямбда-зонді та системі загалом рівень кисню змінюється лише у газах згоряння, при цьому в камері згоряння він нижчий, ніж у атмосферному повітрі, і зонд подає позитивний сигнал ~1 V.
Якщо ж система зонда розгерметизована, у камеру з атмосферним повітрям потрапляє частина газів згоряння. При гальмуванні (закритій дросельній заслінці) рівень кисню в газах згоряння буде значно вищим, ніж у камері з атмосферним повітрям, і лямбда-зонд подасть від’ємний сигнал ~1 V.
У такому випадку ЕБУ двигуна вважає зонд справним, адже датчик відхилив опорну напругу до ~0 V. Вихідна напруга зонда близько ~0 V вказує на невелику різницю у вмісті кисню між газами згоряння та розгерметизованою камерою.
На ЕБУ надходить сигнал з низькою напругою, що вказує на збіднену ТВС. Тому ЕБУ збагачує суміш. Це означає, що розгерметизація зонда впливає на збагачення суміші, призводить до несправностей та збільшує витрату пального. Самостійно діагностувати таку поломку без спеціального обладнання неможливо.
Лямбда-зонд на основі оксиду титану
Напруга вихідного сигналу зонда з сенсорним елементом на основі оксиду титану знаходиться в межах від 10–100 mV до 4–5 V.
Цей зонд реагує зміною електричного опору на різницю складу вихлопних газів.
Опір зонда високий при низькому вмісті кисню у газах згоряння (збагачена суміш) і різко знижується у разі збіднення паливно-повітряної суміші. Завдяки цьому датчик шунтує опорну напругу 5 V, що подається ЕБУ двигуна через резистор із постійним електричним опором.
Вихідний сигнал зонда на основі оксиду титану має значно швидшу реакцію на підвищення або зниження рівня кисню у газах згоряння порівняно із сенсором на основі оксиду цирконію.
Широкосмуговий лямбда-зонд
Вихідний сигнал широкосмугового зонда здатний передавати інформацію не лише про зміну складу газів згоряння та відхилення ТВС від стехіометричної суміші, а й виражати це кількісно. При аналізі даних широкосмугового лямбда-зонда ЕБУ двигуна розраховує показники відхилення паливно-повітряної суміші від стехіометричної і видає результат у числовому вигляді — фактично лямбда коефіцієнт.
У широкосмугових зондів компанії BOSCH вихідна напруга сенсорного елемента (чорний провід відносно жовтого) змінюється залежно від концентрації кисню у газах згоряння, величини та полярності заряду, що протікає через насос кисню зонда (червоний провід відносно жовтого). ЕБУ двигуна подає на насос кисню електричний струм, полярність і величина якого підтримують вихідну напругу сенсорного елемента зонда на постійному рівні (~450 mV).
-
Якщо двигун споживає паливно-повітряну суміш стехіометричного складу, ЕБУ встановлює на червоний провід напругу, рівну напрузі на жовтому проводі, а струм через червоний провід і насос кисню дорівнює нулю.
-
Якщо двигун споживає збіднену суміш, ЕБУ подає на червоний провід плюсову напругу щодо жовтого, і через насос кисню починає протікати струм позитивної полярності.
-
Якщо двигун споживає збагачену ТВС, ЕБУ змінює полярність струму на червоному проводі відносно жовтого, і полярність струму насоса кисню стає від’ємною. Сила струму насоса, що встановлюється ЕБУ, залежить від ступеня відхилення складу ТВС від стехіометричного.
В електричному колі насоса кисню інтегрований резистор вимірювання, на падіння напруги на якому визначається концентрація кисню у газах згоряння.
Корисне Діагностика за сигналом лямбда-зонда
