Принцип работы кислородного датчика, для чего он нужен

Одна из острейших проблем, с которой сталкиваются современные автопроизводители, – экологическая безопасность. Массовое использование автомобилей в повседневной жизни грозит ростом загазованности современных городов. Для уменьшения количества токсичных веществ, содержащихся в составе выхлопных газов, используются специальные системы их очистки, так называемые каталитические нейтрализаторы, для обеспечения последним необходимых условий работы применяется кислородный датчик.

На что влияет кислородный датчик?

Работа ДВС сопровождается выделением выхлопных газов (ВГ), содержащих вредные для человека вещества. Их значительная концентрация влияет на самочувствие и здоровье окружающих. Среди этих токсичных веществ необходимо особо отметить угарный газ, не полностью сгоревшие углеводороды и окислы азота. Чтобы уменьшить их содержание в составе ВГ, как уже отмечалось, на современных автомобилях используется каталитический нейтрализатор.

Однако у него есть особенность – он успешно работает в достаточно ограниченном диапазоне соотношения кислорода и бензина, и если смесь обогащенная, или наоборот, слишком бедная, то содержание в составе ВГ токсичных веществ остается высоким. Вот кислородный датчик и участвует в обеспечении необходимого соотношения кислорода и бензина.

Содержание токсичных веществ зависит от степени сгорания топливовоздушной смеси (ТВС) и ее состава. Если в ней мало бензина, она называется обедненной, если много – обогащенной. Однако понятие «много или мало» достаточно неопределенное и не может использоваться для управления составом ТВС. Вот для устранения этой неопределенности и нужен кислородный датчик, у него есть ещё одно название – лямбда зонд.

С его помощью контроллер управления двигателем отслеживает процесс сгорания ТВС, для чего измеряется в ВГ содержание кислорода. При необходимости изменяется состав ТВС таким образом, чтобы обеспечить полное сгорание топлива и уменьшить выделяемое количество токсичных веществ.

Как работает кислородный датчик?

На сегодняшний день существует лямбда зонд трех разновидностей:

• циркониевый;
• титановый;
• широкополосный.

Наиболее распространенными из них являются первые два типа. Свое название они получили от используемого материала, и соответственно, принцип работы кислородного датчика из-за этого у них разный.

Циркониевый датчик кислорода

Как устроен подобный лямбда зонд, изображено на рисунке.

Конструктивно он может быть выполнен по-разному, либо цилиндрический (пальчиковый), либо пластина (планарный датчик). По сути дела, это слоистая структура, внутренняя и наружная поверхности которой выполнены из платины и разделены слоем специальной керамики. Она защищена снаружи корпусом с отверстиями для поступления ВГ к платиновой поверхности кислородного датчика и имеет связь с наружным воздухом.

При своей работе лямбда зонд контролирует содержание кислорода в составе ВГ, для чего его надо располагать в потоке этих газов. Принцип, по которому он работает, чем-то напоминает аккумулятор, только твердотельный. При достаточно высоких температурах (не ниже трехсот градусов) через керамику, разделяющую слои платины, начинают проходить ионы кислорода. Их содержание в окружающем воздухе и в составе ВГ разное, вследствие чего между слоями датчика появляется разность потенциалов.

Именно она и есть тот сигнал, что лямбда зонд выдает контроллеру управления двигателем. На его величину влияет содержание кислорода в ВГ. Получив эти данные, контролер отвечает тем, что изменяет ТВС, уменьшая или увеличивая количество впрыскиваемого бензина. Вот для чего нужен лямбда зонд, с его помощью контроллер определяет, насколько полностью сгорает ТВС, и подбирает ее оптимальный состав, обеспечивая при этом эффективность работы ДВС и его топливную экономичность.

Описанный принцип работы, основанный на движении ионов кислорода, реализуется при температурах от трехсот до девятисот градусов, поэтому и помещают лямбда зонд в выхлопную систему автомобиля.

Титановый датчик кислорода

Принцип работы, который использует такой датчик, совсем другой. В этом случае применяется зависимость проводимости диоксида титана от парциального давления кислорода в смеси газов. Чем больше содержание кислорода в составе ВГ, тем хуже лямбда зонд проводит электрический ток. Его выходное напряжение пропорционально количеству кислорода и изменяется скачкообразно.

Кислородный датчик подобного типа работает при температуре от семисот градусов, и для него не требуется эталонный воздух.

Широкополосный датчик

Он в обычных машинах используется довольно редко, его отличает совершенно другой принцип работы. У него имеются две специальные камеры – измерительная и камера накачки. Если предыдущие типы датчиков генерировали высокое либо низкое напряжение на выходе в зависимости от содержания кислорода в составе ВГ, то широкополосный датчик выдает напряжение, пропорциональное его значению.

Про эксплуатацию датчика

Лямбда зонд – неразборная конструкция и рассчитана на пробег до восьмидесяти тысяч километров. Правда, этот показатель может значительно уменьшиться при нарушении правил эксплуатации.
Среди них стоит отметить:

• использование этилированного бензина или других видов топлива, не предусмотренных изготовителем;
• перегрев датчика;
• многократные неудачные запуски двигателя;
• попадание на корпус датчика эксплуатационных автомобильных жидкостей или моющих средств;
• замыкание на «массу», а также плохой контакт выходной цепи.

Могут быть и другие причины, вызывающие отказ датчика, но и уже приведенных достаточно для понимания, что это хрупкое изделие и требует в процессе работы бережного отношения. Полностью проверить датчик с необходимой степенью достоверности можно, воспользовавшись осциллографом.
Однако результаты работы датчика видны невооруженным взглядом по ряду признаков:

Причин отказов датчика может быть несколько, но независимо от них ремонт для него не предусмотрен, только замена.

Лямбда зонд в современных автомобилях контролирует количество кислорода в составе ВГ. Он также осуществляет выдачу данных в контроллер управления двигателем с целью изменения состава ТВС для полного сгорания смеси и обеспечения необходимых условий работы нейтрализатора.