Лямбда зонд планарный что это такое

Опубликовано: 16.05.2024

Значение, измеренное датчиком кислорода, позволяет блоку управления регулировать количество впрыскиваемого топлива для получения оптимальной смеси. Это создает идеальные условия для обработки выхлопных газов в каталитическом нейтрализаторе. Учитывается ли здесь нагрузка двигателя. Также может быть второй датчик кислорода, диагностический датчик (ниже по потоку от каталитического нейтрализатора). Это определяет, работает ли контрольный датчик (выше по течению от катализатора) для достижения оптимального эффекта. Затем блок управления может рассчитать, как это компенсировать.

датчик кислорода

Конфигурация в системе выхлопных газов

В более поздних двигателях выхлопная система имеет датчик кислорода до и после каталитического нейтрализатора. Выхлопные газы протекают через электродную сторону сенсорного элемента, а другой находится в контакте с наружным воздухом. Наружный воздух здесь служит эталоном для измерения содержания остаточного кислорода. Система была упрощена датчиками кислорода последнего поколения, в которых эталонное значение, измеренное по отношению к наружному воздуху, заменяется эталонным напряжением.

Типы датчиков кислорода

На сегодняшний день существует два основных типа датчиков: бинарный и универсальный датчик кислорода выхлопных газов (UEGO).

Бинарный датчик кислорода выхлопных газов

При рабочей температуре (от 350 °C) бинарный датчик генерирует изменение электрического напряжения в зависимости от уровня кислорода в выхлопе. Он сравнивает содержание остаточного кислорода в выхлопе с уровнем кислорода в окружающем воздухе и определяет переход от обогащенной смеси (недостаток воздуха) к бедной смеси (избыток воздуха) и наоборот.

Универсальный датчик кислорода выхлопных газов (UEGO)

Универсальный датчик кислорода отработавших газов чрезвычайно точен при измерении как богатого, так и обедненного соотношения воздух / топливо. Он имеет больший диапазон измерений, а также подходит для использования в дизельных и газовых двигателях.

В настоящее время подогреваемые кислородные датчики используются для обеспечения более быстрого достижения рабочей температуры универсальных кислородных датчиков кислорода и, таким образом, могут раньше вмешиваться в процесс контроля выбросов. Нагреваемые датчики HEGO больше не нужно устанавливать рядом с двигателем.

универсальный датчик кислорода выхлопных газов

Структура датчика кислорода

Датчик типа пальца (finger-type sensor)

Сердцевина датчика типа пальца состоит из керамического элемента в форме пальца. Он нагревается нагревателем, встроенным в датчик, так как управление возможно только при минимальной рабочей температуре 350 °C . Выхлопные газы протекают через электродную сторону сенсорного элемента, а другой находится в контакте с наружным воздухом. Наружный воздух здесь служит эталоном для измерения содержания остаточного кислорода. Чтобы защитить сенсорный элемент от остатков сгорания и конденсата в выхлопных газах, корпус сенсора снабжен защитной трубкой на конце выхлопного газа.

Планарный (плоский) датчик (planar sensor)

Планарный (плоский) кислородный датчик изготовлен по толстопленочной технологии. Форма чувствительного элемента напоминает удлиненную пластину. И измерительная ячейка, и нагревательный элемент встроены в эту пластину, что позволяет датчику быстрее достичь рабочего состояния. Здесь также используются подходящие защитные трубки для защиты чувствительного элемента от остатков сгорания и конденсата в выхлопе.

Защита окружающей среды

Стандарты и предельные значения выбросов отработавших газов становятся все более строгими. Датчики кислорода давно стали незаменимыми для обеспечения эффективного сокращения выбросов. Более новые автомобили обычно имеют конфигурацию с двумя датчиками кислорода, описанными выше. Здесь два кислородных датчика контролируют друг друга и регулируют работу каталитического нейтрализатора. Это единственный способ дальнейшего снижения выбросов выхлопных газов в ближайшие годы.

Разработка плоского универсального датчика кислорода для выхлопных газов внесла еще один важный вклад в обеспечение большей экологичности двигателей автомобилей. Они достигают своей рабочей температуры менее чем за пять секунд и, таким образом, гарантируют максимальное качество управления даже в фазе холодного запуска с интенсивным выбросом.

Кислородные датчики подвержены экстремальным нагрузкам. Для того, чтобы ваш двигатель был надежным, необходимо безупречное функционирование кислородного датчика, что обеспечивает низкий расход топлива, низкий уровень выбросов загрязняющих веществ и соответствующие значения выбросов выхлопных газов.

Если выразить это в цифрах, это означает снижение расхода топлива на 15 процентов по сравнению со старыми или неисправными датчиками кислорода.

Если вы переключитесь на датчик кислорода в нужное время, вы также можете избежать дорогостоящего повреждения вашего катализатора и улучшить характеристики автомобиля.

Датчик кислорода, именуемый также лямбда-зондом, — это специальный сенсор, измеряющий наличие и количество остаточного кислорода в выхлопных газах автомобиля. Назначение данного устройства заключается в предоставлении электронной системе управления двигателем данных о качестве и полноте сгорания топлива. Эти данные позволяют ЭБУ управлять впрыском так, чтобы на всех режимах работы двигателя поддерживался по возможности оптимальный состав топливовоздушной смеси.

Важность быстрого старта
Если топлива по сравнению с воздухом слишком много, в выхлопных газах присутствуют углеводороды, угарный газ и сажа. Если топлива слишком мало, то на первое место в составе выхлопа выходят вредные для здоровья оксиды азота. Датчик кислорода помогает добиться максимально полного сгорания топлива одновременно с выделением минимально возможного количества вредных веществ за счет регулирования параметров впрыска «на лету». Поэтому очень важно обеспечить правильную работу датчика и использовать качественные изделия авторитетных производителей. Так вы не только внесете вклад в защиту окружающей среды, но и позволите двигателю работать с максимальной отдачей и эффективностью.

Поскольку основной объем выбросов углеводородов и угарного газа приходится на первые 30 секунд после холодного пуска, установка быстродействующего датчика кислорода имеет особую важность. Дело в том, что чувствительный элемент дачника кислорода начинает работать только при нагреве до определенной температуры. Для максимально быстрого выхода на рабочий режим во все современные датчики кислорода устанавливаются электрические подогреватели. Однако это не все: некоторые производители делают сам чувствительный элемент тонкими и плоским — так он еще быстрее нагревается, а значит, датчик быстрее начинает давать информацию ЭБУ. Мировым рекордсменом по скорости включения в работу является лямбдазонд Delphi Technologies с плоским (планарным) чувствительным элементом. Благодаря своей форме, материалу, а также эффективному подогревателю он достигает оптимальной рабочей температуры за считанные секунды. Точнее — за шесть секунд, что дает возможность быстрее активировать режим работы ЭБУ с обратной связью и сократить количество выбросов и расход топлива при холодном старте.

Для сложных условий работы
Большое внимание в кислородных датчиках Delphi Technologies уделено особым условиям их работы. Находясь в потоке отработавших газов, датчики кислорода особенно подвержены загрязнению и воздействию веществ, содержащихся в некачественном топливе. Загрязнение датчика может стать причиной повышения расхода топлива на 25 % и увеличения объема вредных выбросов. Кроме того, загрязнение — это главная причина выхода лямбда-зондов из строя. Чтобы избежать таких нежелательных последствий, мы устанавливаем поверх сенсора двухслойный экран, защищающий от самых крупных частиц. Сам же чувствительный элемент имеет защитное покрытие, созданное по собственной эксклюзивной технологии компании.

Помимо загрязнений выхлопом лямбда-зонд подвержен сильным вибрационным нагрузкам, поскольку устанавливается на выпускном коллекторе мотора. Между корпусом и чувствительным элементом датчика Delphi устанавливается уплотнитель из особого материала. Он защищает сенсор от вибрации, гася все колебания. Сам же корпус датчика выполнен из нержавеющей стали и проходит испытания на эксплуатационный ресурс в 15 лет/240 тыс. км (150 тыс. миль), что гарантирует долговечность и прочность изделия в целом.
Помните, что, устанавливая на автомобиль качественные датчики кислорода, вы не только вносите вклад в защиту окружающей среды. Благодаря быстрому выходу на режим обратной связи двигатель начинает работать правильно и эффективно сразу после запуска, что благоприятно сказывается и на расходе топлива. Правильная работа мотора с максимальной отдачей достигается только с качественными лямбда-зондами, отвечающими всем требованиям производителя двигателя.

Сомнительная заправка, плохой бензин, «чек» на панели — стандартный и быстрый путь к замене кислородного датчика. Про лямбда-зонд слышали многие автомобилисты, но мало кто разбирался, за что именно он отвечает и почему так легко выходит из строя. Рассказываем про датчик кислорода — «обоняние» двигателя.

Лямбда и стехиометрия двигателя

Название датчика происходит от греческой буквы λ (лямбда), которая обозначает коэффициент избытка воздуха в топливно-воздушной смеси. Для полного сгорания смеси соотношение воздуха с топливом должно быть 14,7:1 (λ=1). Такой состав топливно-воздушной смеси называют стехиометрическим — идеальным с точки зрения химической реакции: топливо и кислород в воздухе будут полностью израсходованы в процессе горения. При этом двигатель произведёт минимум токсичных выбросов, а соотношение мощности и расхода топлива будет оптимальным.

Если лямбда будет <1 (недостаток воздуха), смесь станет обогащённой; при лямбде >1 (избыток воздуха) смесь называют обеднённой. Чересчур богатая смесь — это повышенный расход топлива и более токсичный выхлоп, а слишком бедная смесь грозит потерей мощности и нестабильной работой двигателя.

Из графика видно, что при λ=1 мощность двигателя не пиковая, а расход топлива не минимален — это лишь оптимальный баланс между ними. Наибольшую мощность мотор развивает на слегка обогащённой смеси, но расход топлива при этом возрастает. А максимальная топливная эффективность достигается на слегка обеднённой смеси, но ценой падения мощности. Поэтому задача ЭБУ (электронного блока управления) двигателя — корректировать топливно-воздушную смесь исходя из ситуации: обогащать её при холодном пуске или резком ускорении, и обеднять при равномерном движении, добиваясь оптимальной работы мотора во всех режимах. Для этого блок управления ориентируется на показания датчика кислорода.

Зачем нужен кислородный датчик

Датчиков в современном двигателе великое множество . С помощью различных сенсоров ЭБУ замеряет температуру забортного воздуха и его поток, «видит» положение дроссельной заслонки, отслеживает детонацию и положение коленвала — словом, внимательно следит за воздухом «на входе» и показателями работы мотора, регулируя подачу топлива для создания оптимальной смеси в цилиндрах.

Лямбда-зонд показывает, что же получилось «на выходе», замеряя количество кислорода в выхлопных газах. Другими словами, кислородный датчик определяет, оптимально ли работает мотор, соответствуют ли расчёты ЭБУ реальной картине и нужно ли вносить в них поправки. Основываясь на данных с лямбда-зонда, ЭБУ вносит соответствующие коррекции в работу двигателя и подготовку топливно-воздушной смеси.

Где находится кислородный датчик

Датчик кислорода установлен в выпускном коллекторе или приёмной трубе глушителя двигателя, замеряя, сколько несгоревшего кислорода находится в выхлопных газах. На многих автомобилях есть ещё один лямбда-зонд, расположенный после каталитического нейтрализатора выхлопа — для контроля его работы.

Если у двигателя две головки блока (V-образники, «оппозитники»), то удваивается количество выпускных коллекторов и катализаторов, а значит и лямбда-зондов — у современной машины может быть и 4 кислородных датчика.

Устройство кислородного датчика

Классический лямбда-зонд порогового типа — узкополосный — работает по принципу гальванического элемента. Внутри него находится твёрдый электролит — керамика из диоксида циркония, поэтому такие датчики часто называют циркониевыми. Поверх керамики напылены токопроводящие пористые электроды из платины. Будучи погружённым в выхлопные газы, датчик реагирует на разницу между уровнем кислорода в них и в атмосферном воздухе, вырабатывая на выходе напряжение, которое считывает ЭБУ.

Циркониевый элемент лямбда-зонда приобретает проводимость и начинает работать только после прогрева до температуры 300 °C. До этого ЭБУ двигателя действует «вслепую» согласно топливной карте, без обратной связи от кислородного датчика, что повышает расход топлива при прогреве двигателя и количество вредных выбросов. Чтобы быстрее задействовать лямбда-зонд, ему добавляют принудительный электрический подогрев. Кислородные датчики с подогревом внешне отличаются увеличенным количеством проводов: у них 3–4 жилы против 1–2 у обычных датчиков.

В названии узкополосного датчика кроется его недостаток — он способен замерять количество кислорода в выхлопе в достаточно узком диапазоне. ЭБУ может корректировать смесь по его показаниям только в некоторых режимах работы мотора (холостой ход, движение с постоянной скоростью), что не отвечает современным требованиям по экономичности и экологичности двигателей. Для более точных замеров в широком диапазоне используют широкополосный лямбда-зонд (A/F-сенсор), который также называют датчиком соотношения «воздух-топливо» (Air/Fuel Sensor). Обычно к нему подходят 5–6 проводов, хотя бывают и исключения.

Внешне «широкополосник» похож на обычный датчик кислорода, но внутри есть отличия. Благодаря специальным накачивающим ячейкам эталонный лямбда-коэффициент газового содержимого датчика всегда равен 1, и генерируемое им напряжение постоянно. А вот ток меняется в зависимости от количества кислорода в выхлопных газах, и ЭБУ двигателя считывает его в реальном времени. Это позволяет электронике быстрее и точнее корректировать смесь, добиваясь её полного сгорания в цилиндрах.

Почему до сих пор производят узкополосные датчики? Во-первых, для старых автомобилей, где A/F-сенсоры не применялись. Во-вторых, из-за особенностей «широкополосника» его нельзя устанавливать после катализатора, где он быстро выходит из строя. А контролировать работу катализатора как-то надо. Поэтому в современных двигателях ставят два лямбда-зонда разного типа: широкополосный (управляющий) — в районе выпускного коллектора, а узкополосный (диагностический) — после катализатора.

Причины и признаки неисправности лямбда-зонда

Основная причина поломок кислородных датчиков — некачественный бензин: свинец и ферроценовые присадки оседают на чувствительном элементе датчика, выводя его из строя. На состояние лямбда-зонда влияет и нестабильная работа двигателя: при пропусках зажигания от старых свечей или пробитых катушек несгоревшая смесь попадает в выхлопную систему, где догорает, выжигая и катализатор, и датчики кислорода. Приговорить датчик также может попадание в цилиндры антифриза или масла.

Самый очевидный признак неисправности лямбда-зонда — индикатор Check Engine на приборной панели. Считав код ошибки с помощью сканера или самодиагностики, можно проверить, какой именно датчик вышел из строя, если их несколько. Иногда всё дело в повреждённой проводке датчика — с проверки цепи и стоит начать поиск поломки.

Но далеко не всегда проблемный лямбда-зонд зажигает «Чек»: иногда он не ломается полностью, а медленно умирает, давая при этом ложные показания, из-за чего ЭБУ двигателя неверно корректирует состав смеси. В этом случае нужно ориентироваться на косвенные признаки — ухудшение работы двигателя.

Проблемы с датчиком кислорода нарушают всю систему обратной связи и лямбда-коррекции, вызывая целый букет неисправностей. Прежде всего, это увеличение расхода топлива и токсичности выхлопа, снижение мощности и нестабильный холостой ход. Если вовремя не заменить лямбда-зонд, следом выйдет из строя каталитический нейтрализатор, осыпавшись из-за перегрева от обогащённой смеси.

Универсальные кислородные датчики

Цена на оригинальные датчики кислорода вряд ли обрадует автомобилистов, но все лямбда-зонды работают по единому принципу, что позволяет без труда подобрать замену. Главное, чтобы соответствовал типа датчика (широкополосный/узкополосный), количество проводов и резьбовая часть. В продаже есть универсальные кислородные датчики без разъёма, которые можно использовать на десятках моделей автомобилей — подобрать и купить лямбда-зонд не составляет проблемы.

Чтобы избежать проблем с кислородными датчиками, следите за состоянием двигателя, заправляйтесь качественным топливом и регулярно выполняйте компьютерную диагностику, которая позволит выявить неисправности на ранней стадии.

Лямбда зонд - датчик кислорода

Кислородный датчик, или лямбда-зонд – электронный прибор, который замеряет долю содержания кислорода (O2) в исследуемой жидкости или газе. Разработан компанией BOSCH в конце 60-х годов. Чувствительный элемент выполнен в форме наперстка который с обеих сторон покрыт тонким слоем платины. Выпускается со встроенным нагревателем или без него.

Планарный (плоский) лямбда зонд поступил на рынок в 1998 году и характеризуется значительно меньшей массой керамического чувствительного элемента, а также оборудуется встроенным нагревателем. В результате такой датчик быстрее приходит в рабочее состояние и обладает более высокой реакцией. Наиболее широко применяется для измерения концентрации кислорода в отработавших газах двигателей внутреннего сгорания.

Лямбда зонд - схема

Лямбда-зонд на основе диоксида циркония

1 - Чувствительный элемент из ZrO2; 2 - платиновый наружный электрод; 3 - платиновый внутренний электрод; 4 - контакты; 5 - корпусной контакт; 6 - выпускная труба

Использование лямбда зонда в автомобилях

Автомобильный кислородный датчик, или лямбда датчик, позволил создать современные электронные системы впрыска топлива и контроля за составом отработавших газов. Лямбда зонд устанавливается в выхлопной системе автомобиля. Его показания объединяются с показаниями других датчиков и, таким образом, косвенно удается определить состав топливовоздушной смеси, на которой работает двигатель. Это так называемая система контроля с обратной связью по замкнутому контуру (closed loop). Она позволяет намного быстрее определять и корректировать состав рабочей смеси, нежели это получается в системах контроля без обратной связи (open loop) – когда показания лямбда датчика игнорируются, или состав смеси определяется датчиком, установленным во впускном трубопроводе. Система контроля состава смеси по замкнутому контуру также дает возможность эффективно снижать количество выбросов продуктов неполного сгорания топлива и оксидов азота в атмосферу. Продукты неполного сгорания топлива – это, в основном, углеводороды, а оксиды азота (NOx) образуются в результате сгорания топлива при температуре выше 1000 0 C из-за избытка воздуха в топливной смеси. Подвешенные в воздухе углеводороды приводят к образованию смога, а выбросы оксидов азота вызывают осадки в виде кислотных дождей.

Лямбда зонд, скорее, не измеряет концентрацию кислорода, а показывает количество кислорода, требуемого для полного сгорания топлива в двигателе. Работа двигателя на богатой смеси вызывает недостаток кислорода в выхлопных газах. Это приводит к повышению напряжения в чувствительном элементе лямбда датчика и означает недостаток кислорода в топливовоздушной смеси, поступающей в двигатель. Работа двигателя на бедной смеси наоборот, приводит к избытку кислорода в выхлопных газах, снижению напряжения лямбда датчика, и означает избыток кислорода в топливовоздушной смеси.

Современные двигатели внутреннего сгорания с искровым зажиганием оборудуются лямбда зондом и каталитическим нейтрализатором с целью снижения вредных выбросов. Для двигателей с искровым зажиганием основными вредными выбросами являются три компонента:

  • углеводороды (образующиеся при неполном сгорании топлива в результате пропусков воспламенения или работе двигателя на богатой смеси);
  • угарный газ - CO (образуется при работе двигателя на слегка обогащенной смеси);
  • оксиды азота NOx (доминируют в составе отработавших газов при работе на бедной смеси).

Информация от лямбда датчика, о содержании кислорода в выхлопных газах, поступает в электронный блок управления двигателем (ECU), который изменяет количество впрыскиваемого топлива для компенсации избытка воздуха или топлива в рабочей смеси. ECU пытается поддерживать постоянный состав смеси - с точным соотношением воздух/топливо в ней. Конечная цель – достижение компромисса между топливной экономичностью, мощностью и количеством вредных выбросов автомобиля. Такой компромисс достигается при стехиометрическом составе смеси. Неисправность лямбда датчика, - из-за естественного старения, работы на этилированном топливе или топливе содержащем кремний или силикаты – может привести к повреждению каталитического нейтрализатора и дорогостоящему ремонту.

Вмешательство в работу, или модификация сигнала, поступающего от лямбда-датчика к ECU, может пагубно отразиться на системе контроля за составом отработавших газов и даже причинить ущерб автомобилю. Когда двигатель работает на небольшой нагрузке (при малом открытии дроссельной заслонки или на постоянных оборотах) он управляется электроникой в режиме замкнутого контура, т.е. устанавливается обратная связь между ECU двигателя и кислородным датчиком. На основании показаний лямбда датчика электронный блок управления изменяет состав смеси, поступающей в двигатель. Такая обратная связь заставляет двигатель работать то на слегка обедненной, то на слегка обогащенной смеси. Так ECU пытается поддерживать стехиометрический состав смеси. Если сигнал от лямбда-датчика изменяется, и двигатель начинает работать на слегка обедненной смеси, - это улучшит топливную экономичность двигателя, но недостатками будет: повышенный выброс оксидов азота NOx, высокая температура выхлопных газов, и большая вероятность пропусков воспламенения, что вызовет значительную потерю мощности двигателя. Если, в результате каких-либо изменений, двигатель начинает работать на обогащенной смеси, это приведет к кратковременному увеличению мощности (после чего двигатель начнет «захлебываться» от большого количества несгоревшего топлива), при этом увеличивается расхода топлива, содержание углеводородов в отработавших газах, что приводит к чрезмерному нагреву каталитического нейтрализатора. Длительная работа двигателя на обогащенной смеси может привести к полному выходу из строя каталитического нейтрализатора.

Широкополосный лямбда-зонд

Этот датчик является комбинацией датчика «бедной смеси», использующего принцип предельного тока, и датчика на основе диоксида циркония. Так же как и двухэлементный датчик в сочетании с электродной системой управления с обратной связью, широкополосный датчик вырабатывает сигнал, который плавно растет в границах широкого диапазона 0,7 < λ < 1,4.

Широкополосный лямбда-зонд

Широкополосный датчик кислорода

Элемент накачки и элемент концентрации выполнены из ZrO2, и каждый из них покрыт двумя пористыми платиновыми электродами. Между элементами имеется зазор в 10…50 мкм.

Этот зазор связан с окружающим его отработавшим газом через специальное отверстие в твердом электролите и в тоже время представляет собой диффузионный барьер, который определяет предельный ток. Электронная схема управляет напряжением, подаваемым на элемент накачки так, что состав отработавшего газа остается постоянным при λ = 1. Это соответствует напряжению на элементе концентрации U = 450мВ. При отработавших газах, соответствующих бедной смеси, элемент датчика передает кислород из измерительного зазора наружу. С другой стороны, когда отработавшие газы соответствуют богатой смеси, кислород забирается из окружающего отработавшего газа путем разложения CO2 и H2O и передается в измеряющий зазор; при этом направление потока кислорода меняется на противоположное. Ток накачки пропорционален имеющейся или потребной концентрации кислорода. Встроенный нагреватель поддерживает рабочую температуру датчика на уровне минимум 600 0 C.

Виды регулирования лямбда-зондом

Двухступенчатое регулирование

Лямбда датчик на основе диоксида циркония с его характеристикой скачка напряжения при λ = 1 может быть использован для двухступенчатого управления. Скачок напряжения и пилообразный сигнал меняют направление при каждом скачке напряжения, что указывает на переход от богатой смеси к бедной или наоборот.

Типичная амплитуда колебаний этой регулируемой переменной должна быть в пределах 2-3% от ее среднего значения.

Двухступенчатое регулирование лямбда-датчиком

Двухступенчатое регулирование лямбда-зондом

Типичные ошибки датчика при замерах вызываются изменениями состава отработавшего газа и могут быть компенсированы путем использования выборочного контроля.

Двухступенчатое регулирование с датчиком сравнения

Влияние нарушения момента скачка напряжения на точность измерений при λ = 1 сведено до минимума применением модифицированного покрытия поверхности. Тем не менее имеют место старение и влияние окружающей среды (загрязнение). Лямбда датчик, расположенный за каталитическим нейтрализатором, намного меньше подвержен такому влиянию. Принцип двухступенчатого контроля с датчиком сравнения базируется на том явлении, что контролируемое изменение качества смеси дополняется небольшим корректирующим воздействием со стороны контура управления.

Непрерывное регулирование посредством широкополосного датчика кислорода

При использовании широкополосного датчика кислорода возможно получение непрерывного контроля λ = 1 с постоянной, высокоустойчивой и очень низкой амплитудой параллельно с высокой динамической реакцией. При необходимости учета эксплуатационных характеристик двигателя (например, его прогрев), оптимизация выброса токсичных компонентов заключается в использовании возможностей присущих установленному значению λ ≠ 1 в дипазоне, соответствующем бедным смесям.

Двухступенчатые кислородные датчики используются в ДВС. Они находятся между выпускным коллектором двигателя и катализатором выпускной системы и считывают данные потока отработавших газов всех цилиндров. Поскольку кислородный датчик подогревается автономно, его можно устанавливать и на большем удалении от двигателя. Зонд LSF4 подходит для использования в выпускных системах с несколькими зондами (в том числе в OBDII).

Двухступенчатые зонды сопоставляют долю кислорода в отработавших газах с долей кислорода в эталонной атмосфере (циркулирующий воздух внутри зонда) и отображают, присутствует ли в отработавших газах богатая (λ < 1) или бедная (λ > 1) смесь. Скачкообразная характеристическая кривая этих зондов позволяет отрегулировать смесь до λ = 1 (стехиометрическая смесь) (рис. 1).

Принцип действия

Принцип действия двухступенчатых кислородных зондов основан на принципе гальванической ячейки концентрации кислорода с кристаллическим электролитом (принцип Нернста). Керамика становится электрически проводимой для ионом кислорода после достижения температуры 350 °С (хорошее и надежное функционирование гарантируется при температуре >350 °С). Поскольку в отработавших газах в диапазоне λ= 1 наблюдается скачкообразное изменение содержания остаточного кислорода (например, 9 ∙ 10 -15 (об.) для λ = 0,99 и 0,2 % (об.) для λ= 1,01), между обеими граничными плоскостями из-за различного содержания кислорода по обеим сторонам зонда создается электрическое напряжение. Поэтому появляется возможность использовать количество кислорода в отработавших газах в качестве величины для измерения соотношения воздуха-топлива. Интегрированный подогреватель поддерживает работу зондов даже при низкой температуре отработанного газа и в режиме прогрева двигателя.

Напряжение, производимое зондом в зависимости от содержания кислорода в отработавших газах, в богатой смеси (λ < 1) достигает 800. 1000 мВ, в бедной смеси (λ > 1) — всего 100 мВ. Переход из богатого состояния в бедное осуществляется при показаниях Ureg = 450. 500 мВ.

Температура керамического материала воздействует на способность пропускать ионы кислорода и, соответственно, на зависимость вырабатываемого напряжения от коэффициента избытка воздуха λ (параметры на рис. 1). Кроме того, время срабатывания для измерения напряжение при изменении состава смеси сильно зависит от температуры.

Рисунок № 1 Характеристика напряжения двухступенчатого кислородного зонда для различных рабочих температур

  1. Богатая смесь (нехватка воздуха)
  2. Бедная смесь (избыток воздуха)

При температуре керамики ниже 350 °С время срабатывания находится в диапазоне секунд, при оптимальной рабочей температуре 600°С < 50 мс. Поэтому после запуска двигателя кислородное регулирование отключается до момента достижения минимальной рабочей температуры 350 °С. При этом двигатель работает в режиме управления.

Конструкция

Стержневой датчик LSH25

Керамика зонда с предохранительной трубкой. Твердый электролит является керамическим материалом, который не пропускает газ. Он состоит из смеси окислов циркония и иттрия в трубке, закрытой с одной стороны (стержень, рис. 3). Поверхности с обеих сторон имеют электроды, состоящие из микропористого тонкого слоя из благородного металла.

Платиновый электрод с наружной стороны, входящий в выхлопную трубу, действует как маленький катализатор: отработанный газ подвергается в нем каталитической обработке и приводится в стехиометрическое равновесие (λ= 1). Кроме того, в целях обеспечения защиты от загрязнения и эрозии на стороне, подвергающейся воздействию отработавших газов, наносится пористое керамическое многослойное защитное покрытие (шпинельный слой). Металлическая трубка защищает керамический материал от механической нагрузки (ударов) и от термического шока. Многочисленные пазы (шлицы) в защитной трубке выполнены таким образом, чтобы с одной стороны они обеспечивали эффективную защиту от больших термических и химических нагрузок, а с другой стороны, предотвращали сильное охлаждение керамики зонда в случае попадания «холодных» отработавших газов.

  1. Корпус зонда
  2. Керамическая опорная трубка
  3. Соединительный кабель
  4. Защитная трубка со шлицами
  5. Активная керамика зонда
  6. Контактная часть
  7. Защитный патрон
  8. Нагревательный элемент
  9. Клеммные соединения для нагревательного элемента
  10. Пружина

Не взаимодействующее с отработавшими газами внутреннее открытое пространство взаимодействует с наружным воздухом в качестве эталонного газа (рис. 3),Зонды с нагревательным элементом и электрическим подключением Керамическая опорная трубка (рис. 2, поз. 2) и пружина (10) удерживают активную, стержнеобразную керамику зонда в корпусе и герметизируют ее. Контактная часть (6) между опорной трубкой и активной керамикой зонда обеспечивает контакт внутреннего электрода с соединительным кабелем.

  1. Керамический элемент датчика
  2. Электроды
  3. Контакты
  4. Контакт с корпусом
  5. Выхлопная труба
  6. Керамический защитный слой (пористый)
  7. Отработавшие газы
  8. Наружный воздух Us Напряжение датчика

Металлическое уплотнительное кольцо соединяет наружный электрод с корпусом зонда. Металлический защитный патрон (7), который одновременно используется как упор для пружины, держит и фиксирует всю внутреннюю конструкцию датчика. Он также защищает внутреннюю часть от загрязнения. Соединительный кабель прикреплен к контактному элементу, выведенному наружу, термостойкий колпачок защищает его от влаги и механических повреждений.

Стержневой датчик имеет также электрический нагревательный элемент. С его помощью можно даже при низкой нагрузке двигателя и, соответственно, низкой температуре выхлопных газов обеспечить достаточно высокую температуру керамики.

Наружный обогрев настолько быстрый, что зонд нагревается до рабочей температуры в течение 20. 30 с после запуска двигателя и включает кислородное регулирование. Нагрев зонда обеспечивает в итоге оптимальную рабочую температуру керамики зонда выше функциональной границы 350 “С и поэтому гарантирует низкую и стабильную эмиссию отработавших газов.

Плоский лямбда-зонд LSF4

Плоский зонд функционально идентичен стержневому зонду со скачкообразной характеристической кривой при λ= 1. Кристаллический электролит состоит, однако, из отдельных, наслоенных одна на другую керамических пленок (рис. 4). Защитная трубка с двойной стенкой защищает его от температурных и механических воздействий.

  1. Пористый защитный слой
  2. Наружный электрод
  3. Сенсорная пленка
  4. Внутренний электрод
  5. Пленка канала эталонного воздуха
  6. Изолирующий слой
  7. Нагреватель
  8. Пленка нагревателя
  9. Соединительные контакты

Планарная керамика датчика (измерительная ячейка и нагреватель интегрированы) имеет форму удлиненной пластинки с прямоугольным поперечным сечением.

Поверхности измерительной ячейки покрыты слоем микропористого драгоценного металла. Он в сочетании с пористым керамическим защитным покрытием обеспечивает дополнительную защиту от эрозийных повреждений отложениями, содержащимися в выхлопных газах. Нагреватель состоит из меандра, выполненного из драгоценного металла, изолированно встроенного в керамическую пластинку и обеспечивающий быстрый нагрев.

  1. Отработавшие газы
  2. Пористый керамический защитный слой
  3. Измерительная ячейка с микропористым покрытием из благородного металла
  4. Канал эталонного воздуха
  5. Нагреватель UA Выходное напряжение

Канал эталонного воздуха внутри лямбда-зонда, работающего в качестве датчика эталонного газа, LSF4 (рис. 5 и 6) имеет вход для воздуха из окружающей среды. Таким образом он может сопоставлять остаточный кислород, содержащийся в выхлопных газах, с кислородом эталонной атмосферы, т.е. атмосферным воздухом внутри зонда. Таким образом напряжение в планарном зонде в диапазоне стехиометрического состава смеси воздуха и топлива (λ = 1) демонстрирует скачкообразное изменение (рис. 1).

Читайте также: