Лямбда зонд на основе оксида циркония


Лямбда зонд (lambda) на основе оксида циркония генерирует выходной сигнал напряжением от 40-100mV до 0.7-1.0V. Размах напряжения выходного сигнала исправного лямбда-зонда достигает ~950mV.

При пониженном содержании кислорода в отработавших газах, вызванном работой двигателя на обогащённой топливовоздушной смеси, датчик генерирует сигнал высокого уровня напряжением 0.65 - 1V. При повышенном содержании кислорода в отработавших газах (обеднённая топливная смесь) датчик генерирует сигнал низкого уровня напряжением 40 - 250mV.

Исправный лямбда зонд начинает работать только после прогрева чувствительного элемента до температуры выше ~350°С, когда его выходное электрическое сопротивление значительно снижается, и он приобретает способность отклонять опорное напряжение, поступающее от блока управления двигателем через резистор с постоянным электрическим сопротивлением. В блоках управления двигателем большинства производителей опорное напряжение равно 450 mV. Такой блок управления двигателем считает лямбда зонд готовым к работе только после того как вследствие прогрева датчик приобретает способность отклонять опорное напряжение в диапазоне более, чем ±150 ~ 250mV.

Опорное напряжение на сигнальном проводе лямбда зонда в блоках управления двигателем может иметь и другие значения. Например, для блоков управления производства Ford оно равно 0V, а для блоков управления двигателем производства Daimler Chrysler - 5V.

Измерение напряжения выходного сигнала лямбда зонда блок управления двигателем производит относительно сигнальной "массы" датчика. Сигнальная "масса" лямбда зонда, в зависимости от его конструкции, может быть выведена через отдельный провод на разъем датчика, а может быть соединена с корпусом датчика и при установке датчика, в таком случае, автоматически соединяться с "массой" автомобиля через резьбовое соединение. Сигнальная "масса" лямбда зонда выведенная через отдельный провод на разъем датчика в большинстве случаев соединена с "массой" автомобиля. Но встречаются блоки управления двигателем, где провод сигнальной "массы" лямбда зонда подключен не к массе автомобиля, а к источнику опорного напряжения. В таких системах, измерение напряжения выходного сигнала лямбда зонда блок управления двигателем производит относительно источника опорного напряжения, к которому подключен провод сигнальной "массы" лямбда зонда.

Блок управления на прогретом двигателе оценивает по выходному напряжению прогретого до рабочей температуры лямбда зонда отклонение состава топливовоздушной смеси от стехиометрического (идеальное соотношение воздух/топливо). В случае сгорания стехиометрической топливовоздушной смеси, напряжение выходного сигнала лямбда зонда (lambda) будет равно 445-450mV. Но расстояние от выпускных клапанов газораспределительного механизма до места расположения датчика и значительное время реакции чувствительного элемента датчика приводят к некоторой инерционности системы, что не позволяет непрерывно поддерживать стехиометрический состав топливо-воздушной смеси.

Практически, при работе двигателя на установившемся режиме, состав смеси постоянно отклоняется от стехиометрического в диапазоне ± 2 ~ 3% с частотой 1 ~ 2 раза в секунду. Этот процесс четко прослеживается по осциллограмме выходного напряжения сигнала лямбдазонда. (lambda)

Низкая частота переключения выходного сигнала лямбда зонда указывает на увеличенный диапазон отклонения состава топливовоздушной смеси от стехиометрического. 

Такая неисправность может быть вызвана возросшим временем перехода выходного напряжения зонда от одного уровня к другому из-за старения или отравления датчика.

Время перехода выходного напряжения зонда от одного уровня к другому не должно превышать 120ms. Причиной значительного увеличения времени перехода выходного напряжения зонда от одного уровня к другому может стать отравление либо старение датчика. Отравление датчика может быть вызвано применением содержащих свинец и некоторые другие элементы присадок к топливу или маслу, либо применением при ремонте двигателя некоторых видов герметиков. Старение датчика происходит вследствие его работы в агрессивной среде под высокой температурой. Анализируя осциллограмму напряжения выходного сигнала лямбдазонда на различных режимах работы двигателя, можно выявить неисправности как самого датчика, так и системы управления двигателем в целом.

Ниже приведена осциллограмма выходного сигнала исправного лямбдазонда неисправной системы управления двигателем. Двигатель прогрет до рабочей температуры и работает на холостых оборотах без нагрузки более двух минут. Закладка "Snap throttle" установлена в точке осциллограммы соответствующей моменту резкого открытия дроссельной заслонки. По приведенной осциллограмме видно, что во время работы двигателя на холостом ходу, зонд генерировал сигнал со средним напряжением равным ~ 700 mV и размахом ~ ± 150 mV. После резкого открытия дроссельной заслонки (момент времени отмечен закладкой "Snap throttle") выходное напряжение резко снизилось на ~ 700 mV.

Размах напряжения выходного сигнала лямбда зонда вследствие реакции на изменения уровня содержания кислорода в отработавших газах и малое время перехода выходного напряжения датчика от одного уровня к другому указывают на исправность датчика и его готовность к работе.

Итак, двигатель прогрет до рабочей температуры и работает на холостых оборотах без нагрузки более двух минут, Лямбда зонд (lambda) до рабочей температуры прогрет и генерирует сигнал, указывающий блоку управления на переобогащенную топливовоздушную смесь, но блок управления на это адекватно не реагирует, вследствие чего смесь по-прежнему остается переобогащенной. Кроме того, видно, что топливовоздушная смесь становится обедненной сразу после резкого открытия дроссельной заслонки. Резкая перегазовка является одним из режимов, когда состав топливовоздушной смеси должен быть обогащенным.

Все выше сказанное указывает на неисправность системы управления двигателем, а не самого лямбда зонда. Неисправность может быть вызвана обрывом цепи сигнального провода зонда, неисправностью одного или нескольких датчиков системы управления двигателем или их электропроводки, поломкой блока управления двигателем или его электропроводки.

Ресурс датчика содержания кислорода в отработавших газах составляет 20 000 - 80 000 км. Из-за старения, выходное электрическое сопротивление лямбда зонда снижается при значительно более высокой температуре чувствительного элемента до значения, при котором датчик приобретает способность отклонять опорное напряжение. Из-за возросшего выходного электрического сопротивления размах выходного напряжения сигнала лямбда зонда уменьшается. Стареющий лямбда зонд легко можно выявить по осциллограмме напряжения его выходного сигнала на таких режимах работы двигателя, когда поток и температура отработавших газов снижаются. Это режим холостого хода и малых нагрузок. Практически стареющий лямбда зонд все еще работает на движущемся автомобиле, но как только нагрузка на двигатель снижается (холостой ход), размах сигнала быстро начинает уменьшаться вплоть до пропадания колебаний.