В современных двигателях, соответствующих экологическим нормам «Евро-2» и выше, обязательно присутствует каталитический нейтрализатор, обеспечивающий значительное снижение в выхлопных газах концентраций угарного газа, оксидов азота и углеводородов. Для нормальной работы нейтрализатора в выхлопных газах должно содержаться некоторое количество кислорода — он необходим для дожигания угарного газа и углеводородов.
Понятно, что другого пути поступления кислорода в нейтрализатор, кроме как вместе с выхлопом, просто нет, поэтому топливно-воздушная смесь, поступающая в цилиндры двигателя, должна содержать этот кислород, а значит, она должна иметь строго определенные концентрации воздуха и топлива (в большинстве двигателей соотношение воздуха к топливу 14,7 к 1). Ведь стоит только измениться количеству кислорода, как нейтрализатор перестанет выполнять свои функции, и двигатель будет загрязнять атмосферу сильнее, чем разрешено нормами.
Как обеспечить подачу в камеры сгорания оптимальной дозы воздуха? Эта задача довольно легко решается на современных двигателях с системой впрыска топлива: на выходе из двигателя устанавливается кислородный датчик. Именно с учетом его показаний блок управления впрыском создает горючую смесь. Эта система обратной связи реагирует на изменение количества кислорода в выхлопных газах и, при необходимости, изменяет соотношение воздуха и топлива в топливно-воздушной смеси.
Датчик кислорода называется лямбда-зондом потому, что буквой «лямбда» («λ») обозначается соотношение реального количества кислорода к необходимому (то есть, лямбда-зонд сравнивает реальное количество воздуха в выхлопных газах с тем, которое там должно быть).
Виды, устройство и принцип работы кислородного датчика
Устройство кислородного датчика:
1. стальной корпус,
2. уплотнительное кольцо,
3. токосъемник электрического сигнала,
4. керамический изолятор
5. проводка,
6. манжета проводов,
7. контакт цепи подогрева,
8. наружный защитный экран с отверстием для атмосферного воздуха,
9. стержень со спиралью накаливания,
10. наконечник из церкониевой керамики,
11. внутренний защитный экран с отверстием для отработавших газов.
Существует два основных типа датчиков, отличающихся по принципу действия:
— Резистивные. Они изменяют свое сопротивление в зависимости от количества кислорода, что используется электронным блоком управления;
— Гальванические пороговые. Они начинают работать только при температуре выше 300-400°C, при контакте с воздухом на их электродах возникает разность потенциалов, что и используется для измерения.
Резистивные датчики были исторически первыми, однако сейчас они практически вышли из употребления, так как не обеспечивают должной точности измерений, да и сложны в устройстве и изготовлении. Сегодня повсеместно используются пороговые кислородные датчики, которые просты, долговечны и обеспечивают измерения с минимальной погрешностью.
Устроен датчик очень просто. Это небольшой стаканчик, изготовленный из особой керамики — двуокиси циркония, легированной оксидом иттрия. На наружную и внутреннюю поверхности «стаканчика» методом напыления нанесены платиновые электроды. Датчик зафиксирован в корпусе, который имеет резьбу для вкручивания в специально предназначенное отверстие в выпускном коллекторе. Также датчик имеет провода, оканчивающиеся разъемом для подключения к блоку управления.
Принцип работы лямбда-зонда сводится к следующему. Циркониевая керамика — это так называемый твердый электролит, приобретающий проводимость при нагреве до 300-400°C. Один электрод датчика постоянно контактирует с выхлопными газами, второй — выходит в атмосферу, и оба они взаимодействуют с кислородом. При нагреве датчика между его электродами возникает разность потенциалов. Причем напряжение между электродами сильно зависит от концентрации кислорода — как раз это и используется для проведения измерений.
Часто для контроля применяются два датчика: один на выходе из двигателя, второй — сразу после каталитического нейтрализатора. Такое решение позволяет контролировать не только количество кислорода в топливно-воздушной смеси, но и работу нейтрализатора.
Так как датчик работает только в определенном интервале температур, при запуске двигателя он отключается, а управление впрыском топлива осуществляется по показаниям других датчиков. Однако сейчас находят довольно широкое применение кислородные датчики со встроенным нагревательным элементом, что решает проблему холодного датчика при запуске двигателя.
Вопросы обслуживания и замены лямбда-зонда
Кислородный датчик — ответственный компонент системы впрыска топлива и выпускной системы, но при этом он очень уязвим и может выйти из строя в самый неожиданный момент.
Обычно срок службы датчика — 40-80 тысяч километров пробега автомобиля, однако есть множество причин, которые могут многократно сократить ресурс зонда:
— Использование этилированного бензина (в нем содержится свинец, который, связываясь с платиновыми электродами, кардинально меняет их свойства, из-за чего датчик уже через несколько сотен километров перестает работать);
— Износ маслосъемных колец, в результате чего в выхлопе присутствует масло;
— Присутствие антифриза в топливно-воздушной смеси;
— Неправильная работа системы впрыска топлива.
В случае выхода датчика из строя нарушается работа двигателя: многократно повышается расход топлива, на порядок растет концентрация угарного газа в выхлопных газах, падает мощность и в целом ухудшаются характеристики. Причем довольно часто диагностические системы автомобиля эту неисправность обнаружить не могут, а автовладелец мучается в догадках о причинах резкого ухудшения работы мотора.
При выходе датчика из строя его необходимо заменить, причем заменить только на тот, который рекомендован производителем данного автомобиля. В противном случае возможны серьезные проблемы с работой двигателя.