Как правило, работоспособность кислородного датчика проверяется при обычной проверке выхлопных газов двигателя. Так как кислородный датчик подвержен определенному износу, то его нужно регулярно (примерно после каждых 30 000 километров пробега) проверять на надежность работы. Например, в рамках технического осмотра.
Проверка кислородного датчика с помощью осциллоскопа, обычного тестера и тестера кислородного прибора проверки выхлопных газов, данные и результаты измерений.
Вследствие ужесточения законов об ограничении вредных автомобильных выхлопов, технологии последующей обработки выхлопных газов были значительно улучшены. Для обеспечения оптимальной работы катализатора выхлопных газов требуется оптимальное сгорание топлива.
Это достигается за счет состава рабочей смеси из расчета 14,7 кг воздуха на 1 кг топлива (стехиометрическая смесь). Эта оптимальная смесь обозначается греческой буквой лямбда. Показатель лямбда отражает соотношение между теоретической потребностью в воздухе и фактическим его поступлением.
Устройство и принцип действия кислородного датчика.
Принцип действия кислородного датчика основан на сравнительном измерении кислорода. Это означает, что остаточное содержание кислорода в выхлопных газах (около 0,3% — 3%) сравнивается с содержанием кислорода (около 20,8%) в окружающем воздухе. Если содержание кислорода в выхлопных газах составляет 3% (обедненная смесь), то в результате возникшей разницы с содержанием кислорода в окружающем воздухе возникает сигнал напряжением 0,1 вольт.
Если содержание кислорода в выхлопных газах меньше 3% (богатая смесь), то напряжение сигнала датчика в результате увеличения разницы с содержанием кислорода в окружающем воздухе возрастает до 0,9 вольт. Измерение остаточного содержания кислорода производится при помощи различных кислородных датчиков.
Измерение заданного напряжения на кислородном датчике.
Зонд этого типа состоит из продолговатого полого внутри стержня, изготовленного из керамики на основе окиси циркония. Особенность (датчик изменения напряжений) этого твердого электролита заключается в том, что при около 300 градусах он становится проницаемым для ионов кислорода. Обе стенки этого керамического элемента покрыты тонким пористым слоем платины, который служит электродом.
С внешней стороны элемент обтекается выхлопными газами. Внутренняя часть заполнена воздухом для сравнения. Вследствие различной концентрации кислорода по обеим сторонам происходит обусловленное особенностями керамического элемента перемещение ионов кислорода, которое вызывает образование электрического потенциала. Это напряжение используется как сигнал для управляющего устройства, которое изменяет состав рабочей смеси на основании остаточного содержания кислорода в выхлопных газах.
Этот процесс – измерение остаточного содержания кислорода в выхлопных газах и обогащение или обеднение рабочей смеси, повторяется многократно в течение одной секунды, для получения соответствующей стехиометрической смеси ( λ = 1).
Измерение с использованием сопротивления кислородного датчика (датчик изменения сопротивлений).
Этот тип датчиков изготовлен из керамики на основе окиси титана – по многослойной технологии. Окись титана имеет свойство изменять свое сопротивление пропорционально содержанию кислорода в выхлопных газах. При высоком содержании кислорода (обедненная смесь λ > 1) проводимость становится меньше, при малом содержании кислорода (богатая смесь λ < 1) проводимость лучше.
Для работы этого датчика не нужно иметь эталонный воздух для сравнения. Однако через систему резисторов к нему должно подводиться от управляющего устройства напряжение 5 вольт. Вследствие падения напряжения на резисторах образуется сигнал, необходимый для работы управляющего устройства.
Оба измерительных элемента размещены в одинаковых корпусах. Защитная трубка предохраняет находящиеся в зоне действия выхлопных газов датчики от повреждений.
Подогрев кислородных датчиков.
Первые кислородные датчики не имели подогрева, поэтому их нужно было устанавливать рядом с двигателем, чтобы быстрее довести их до рабочей температуры. Сегодня кислородные датчики оснащены автономным подогревом. Поэтому их можно устанавливать на расстоянии от двигателя. Преимущество: они больше не подвергаются высоким тепловым нагрузкам.
Благодаря автономному подогреву они быстро разогреваются до рабочей температуры. Поэтому отрезок времени, в течение которого кислородный датчик не выполняет свои функции, очень мал. Также устраняется опасность переохлаждения на холостом ходу, когда температура выхлопных газов низкая. Кислородные датчики с подогревом имеют очень малое время срабатывания, что положительно влияет на скорость управления.
Широкополосные кислородные датчики.
Кислородный датчик показывает обедненный или богатый характер рабочей смеси в области λ = 1. С помощью широкополосного датчика мы получаем возможность получать точные значения λ как в области обедненной (λ > 1), так и в области богатой (λ < 1) смеси.
Датчик вырабатывает точный электрический сигнал, поэтому можно устанавливать любую паспортную характеристику. Например, для дизельных двигателей, ДВС, работающих на обедненной смеси, газовых двигателях и двигателях на газовых тепловых элементах.
Схема широкополосного кислородного датчика.
Широкополосный датчик работает, как и обычный датчик, по принципу сравнения с наружным воздухом. Дополнительно он имеет электрохимическую ячейку: нагнетательную ячейку. Через небольшое отверстие в ней выхлопной газ попадает в измерительную камеру – диффузионную щель. Для того, чтобы точно определить λ здесь происходит сравнение содержания кислорода в наружном воздухе, служащем эталоном.
Для получения управляющего сигнала к нагнетательной ячейке приложен электрический потенциал. Благодаря этому напряжению кислород из выхлопных газов подается в диффузионную щель или отводится из нее. Управляющее устройство регулирует величину напряжения таким образом, чтобы в диффузионной щели состав газов оставался постоянно равным λ = 1.
Если смесь обедненная, то через нагнетательную ячейку кислород отводится наружу. Образуется положительный ток. Если смесь богатая, кислород из эталонного воздуха подается внутрь. Образуется отрицательный ток. При λ = 1 в диффузионную щель кислород не подается, ток равен нулю. Управляющий прибор оценивает этот ток, задает λ и, следовательно, состав рабочей смеси.
Использование нескольких кислородных датчиков.
В V-образных и оппозитных двигателях с двухпоточным отводом выхлопных выхлопных газов используется обычно два датчика. Для каждого ряда цилиндров имеется свой собственный контур регулирования. Но и в двигателях по рядной схеме устанавливаются кислородные датчики для отдельных групп цилиндров (например, для цилиндров 1-3 и 4-6). В новейших двенадцатицилиндровых двигателях применяется до восьми кислородных датчиков.
После введения процедуры EOBD должна проверяться работоспособность катализатора. Для этого дополнительные кислородные датчики устанавливаются после катализатора. С их помощью определяется способность катализатора накапливать кислород. Задача датчика, установленного после катализатора такая же, как и датчика, установленного перед катализатором.
В управляющем устройстве сравниваются амплитуды кислородных датчиков. Вследствие способности катализатора накапливать кислород, амплитуды напряжения датчика, расположенного после катализатора, очень малы. Если накопительная способность катализатора падает, то амплитуды напряжения датчика после катализатора возрастают вследствие повышенного содержания кислорода.
Высота амплитуд, которые возникают в датчике после катализатора, зависит от конкретной накопительной способности катализатора в данный момент, и изменяются с изменением числа оборотов и нагрузки. Поэтому при сравнении амплитуд учитываются также нагрузка и число оборотов. Если, несмотря на это, амплитуды напряжений обоих датчиков примерно одинаковы, накопительная способность катализатора исчерпана, например, в результате старения.
Диагностика и контроль работы двигателя с помощью кислородного датчика.
В автомобилях, оснащенных собственной системой диагностики, возникающие в цепи регулирования неисправности распознаются самостоятельно и регистрируются в банке неисправностей. Сигнал неисправности показывается, как правило, миганием контрольной лампочки состояния двигателя. Для определения причины неисправности достаточно открыть с помощью прибора для диагностики банк регистрации неисправностей.
Более старые системы не в состоянии определить, возникла ли данная неисправность по причине неисправной детали или, например, из-за дефекта кабеля. В этом случае автомеханик должен применить и другие способы проверки.
В ходе EOBD в процесс проверки кислородных датчиков были включены:
— Крепление проводников.
— Эксплуатационное состояние.
— Проверка на короткое замыкание на массу управляющего устройства.
— Короткое замыкание на плюс.
— Разрыв кабеля.
— Старение кислородного датчика.
Для определения сигналов кислородных датчиков в управляющем устройстве используется частота сигнала. Помимо этого, устройство рассчитывает следующие данные:
— Максимальное и минимальное значения распознаваемого напряжения.
— Время между положительным и отрицательным срезом.
— Диапазон регулирования датчика по величине для обедненной и богатой смеси.
— Порог регулирования.
— Напряжение датчика.
— Длительность периода.
Как определяется максимальное и минимальное напряжение?
При запуске двигателя все старые значения минимум и максимум, сохраненные в управляющем устройстве, стираются. Значения минимум и максимум, задаваемые нагрузкой и числом оборотов, устанавливаются во время езды.
Расчет времени между положительным и отрицательным срезом.
Если порог регулирования в результате скачка напряжения превысил верхний предел, то включается замер времени между положительным и отрицательным срезами. Если порог регулирования в результате скачка напряжения упал ниже нижнего предела, то замер времени прекращается. Отрезок времени между началом и окончанием замера времени измеряется счетчиком.
Распознавание старого или засоренного кислородного датчика.
Если датчик сильно состарился или, например, засорился топливными добавками, то это оказывает влияние на сигнал датчика. Сигнал датчика сравнивается с сохраненным сигналом. Медленно реагирующий датчик распознается, например, по периоду длительности сигнала, и регистрируется как неисправность.
Проверка кислородного датчика с помощью осциллоскопа, тестера, тестера кислородного прибора проверки выхлопных газов.
Обычно перед каждой проверкой должен проводиться визуальный контроль, чтобы быть уверенным в том, что кабель и разъем кислородного датчика исправны. Прибор для контроля выхлопных газов не должен показывать утечек. Нужно следить за тем, чтобы регулирование в отдельных эксплуатационных режимах было выключено. Например, во время холодного запуска, до датчика, достижения рабочей температуры и при полной нагрузке.
Одним из самых быстрых и простых способов проверки кислородного датчика является измерение с помощью четырехконтурного прибора контроля выхлопных газов. Проверка проводится в обычном для такого контроля режиме. При нагретом двигателе снимают шланг, как бы добавляя излишний мешающий воздух. Вследствие изменившегося состава выхлопных газов изменяется рассчитанный и показанный тестером показатель.
При определенном значении сигнала система подготовки рабочей смеси должна распознать его и в течение определенного времени (как и при AU, равном 60 секундам) произвести регулировку. Если мешающую излишнюю величину убрать, то значение сигнала должно вернуться в первоначальное положение. Обычно при этом должны учитываться размеры мешающей величины и значения сигнала, данные производителем.
При этом способе проверки определяется общая работоспособность регулятора сигнала. Проведение проверки электрическими методами невозможно. При этом способе существует опасность того, что современные системы управления двигателем, несмотря на неработающий регулятор сигнала, благодаря точному распознаванию нагрузки, будут готовить рабочую смесь так, чтобы λ = 1.
Проверка кислородного датчика с помощью тестера.
Для проверки кислородного датчика нужно использовать только высокоомный тестер с цифровой или аналоговой шкалой. Тестер с небольшим внутренним сопротивлением (обычно аналогового типа) будет сильно перегружать сигнал кислородного датчика и искажать его. Вследствие быстрого изменения напряжения лучше всего сигнал изучать на аналоговом приборе.
Тестер включается параллельно сигнальному проводнику кислородного датчика. Шкалу тестера установить на 1 или 2 вольта. После запуска двигателя на шкале появляется значение между 0,4-0,6 вольт (рекомендуемое напряжение).
После достижения эксплуатационной температуры двигателя и кислородного датчика прежде устойчивое напряжение начинает изменяться между 0,1 и 0,9 вольт. Для достижения правильного результата измерения двигатель должен работать на скорости 2 500 оборотов. Благодаря этому обеспечивается нагревание датчиков, работающих без системы подогрева, до эксплуатационной температуры.
Иначе, вследствие недостаточной температуры выхлопных газов в режиме холостого хода, существует опасность того, что датчик, работающий без системы подогрева, охладится и не будет генерировать никаких сигналов.
Проверка кислородного датчика с помощью осциллоскопа.
С помощью осциллоскопа нагляднее всего представить сигнал кислородного датчика. Основным условием, как и при проверке с помощью тестера, является разогрев двигателя, а также датчика до эксплуатационной температуры. Осциллоскоп подключается к сигнальному проводнику. Диапазон измерений зависит от типа осциллоскопа. Если прибор оснащен системой автоматического распознавания сигнала, то она должна быть включена. При ручной системе регулирования устанавливаем шкалу напряжений на 1-5 вольт и время на 1-2 секунды.
Вращение двигателя должно составлять примерно 2 500 оборотов. Переменное напряжение изображается в виде синусоиды. Этот сигнал характеризуется следующими параметрами:
— Высота амплитуды (максимальное и минимальное напряжение 0,1 –0,9 вольт).
— Время срабатывания и длительность периода (частота примерно 0,5-4 Гц, то есть до четырех раз в секунду).
Проверка кислородного датчика специальным тестером.
Различные производители предлагают для проверки кислородных датчиков специальные тестеры. Этот прибор показывает работоспособность кислородного датчика при помощи светодиодов. Подключение производится, как и при использовании тестера и осциллоскопа, к сигнальному проводнику кислородного датчика. Как только датчик достигнет рабочей температуры и начнет работать, светодиоды начнут мигать. В зависимости от состава рабочей смеси и прохождения напряжения (0,1-0,9 вольт) датчика.
Все данные по установке данных прибора приводятся для измерения напряжения кислородного датчика из оксида циркония (принцип скачка напряжения). Для датчиков из оксида титана устанавливается диапазон 0-10 вольт, измеряемые напряжения колеблются в пределах 0,1-5 вольт. Следует руководствоваться данными производителя.
Определение состояния кислородного датчика по виду защитной трубки элемента датчика.
Наряду с электронным контролем выводы о работоспособности датчика позволяет сделать также состояние защитной трубки собственно элемента датчика.
Защитная трубка покрыта толстым слоем копоти.
Двигатель работает на слишком богатой смеси. Датчик нужно заменить и устранить причины, ведущие к образованию богатой смеси, чтобы предотвратить новое загрязнение зонда копотью.
Блестящие отложения на защитной трубке.
Использования топлива с большим содержанием свинца. Свинец разрушает элемент кислородного датчика. Датчик нужно заменить, также нужно проверить катализатор. Заменить топливо, содержащее свинец, на топливо без свинца.
Светлые (белые или серые) отложения на защитной трубке.
В двигателе сгорает масло, дополнительная присадка к топливу. Датчик нужно заменить, а также устранить причины сгорания масла.
Неправильная установка.
В результате неправильной установки можно повредить кислородный датчик так, что он больше не будет обеспечивать надежную работу. При установке нужно пользоваться только специальным монтажным инструментом, обращать внимание на величину крутящего момента.
Общая проверка кислородного датчика.
Проверяется внутреннее сопротивление и подача напряжения на нагревательный элемент. Для этого отсоединить разъем кислородного датчика. Омметром со стороны датчика замерить сопротивление нагревательного элемента на обоих проводниках. Оно должно быть в пределах между 2 и 14 Ом. Замерить вольтметром подачу напряжения со стороны автомобиля. Напряжение должно составлять > 10,5 вольт (напряжение сети).
Различные места подключения и цвета проводников кислородного датчика.
Существует целый ряд типичных дефектов кислородных датчиков, которые возникают очень часто. Предлагаемый перечень показывает, какие причины могут вызвать неисправность:
Если кислородный датчик подлежит замене, то при установке нового кислородного датчика следует соблюдать следующие требования:
— Используйте для снятия и установки только специальный инструмент.
— Проверьте сохранность резьбы на устройстве для отвода выхлопных газов.
— Используйте только ту смазку, которая специально предназначена для кислородных датчиков.
— Избегайте попадания на измерительные элементы кислородного датчика влаги, масла, смазки, моющих и противокоррозийных средств.
— Соблюдайте величину крутящего момента при затягивании резьбы М18х1,5, равную 40-52 Нм.
— При прокладке соединительных проводников следите за тем, чтобы они не соприкасались с горячими, движущимися предметами и острыми кромками.
— Прокладывайте соединительные проводники нового кислородного датчика по возможности так, как это было сделано на старом кислородном датчике.
— Сохраните запас при монтаже соединительных проводников, чтобы они не оборвались при колебаниях и вибрации устройства для отвода выхлопных газов.
По материалам книги «Автомобильная электроника».