Меню Закрыть

Лямбда

Лямбда выхлопных газов  и лямбда-датчик

При анализе выхлопных газов одним из важнейших показателей является значение ЛЯМБДА. Лямбду также называют коэффициентом излишнего воздуха, значение которого получается, когда действительное количество воздуха, содержащегося в топливной смеси, делят на число воздуха, которое, теоретически, должно выйти. Значит, если топливная смесь имеет соотношение 14,7 кг воздуха на 1 кг бензина, то лямбда будет 1,0.

 Постановление Министра по охране окружающей среды Эстонии допускает погрешность значения лямбды ±3 сотых, то есть 0,97 – 1,03. При вычислении значения лямбды, четырехкомпонентный анализатор выхлопа использует упрощенное уравнение Бретшнайдера:

где
[ ] = концентрация в объемном процессе
K1 = изменяющийся множитель при перерасчете значений NDIR в FID-значение (предоставляет  производитель замерительного устройства)
Hcv = числовое соотношение атомов водорода-углерода [1,7261]
Ocv = числовое соотношение атомов кислорода-водорода [0,0175]

Глядя на формулу, выясняется, что кислород является важным коэффициентом при вычислении.
Если в выхлопе высокий остаток кислорода (дырки в трубопроводе, через которые поступает лишний воздух), то вычисления лямбды не будут отвечать требованиям.

Бывают единичные случаи, когда неисправный лямбда-датчик или расходомер приводят к образованию такой слабой смеси, что мотор работает с упущениями. Из-за этого увеличивается содержание кислорода в выхлопе, так как он не участвовал в сгорании бензина, поэтому и значение лямбды снова неправильное. Значение лямбда стоит учитывать, когда машина оснащена т.н. лямбда или кислородным датчиком.
В ходе своей работы приходилось регулировать сотни машин с непосредственным впрыском и карбюратором, делая топливную смесь в соответствии с нормами лямбды, несмотря на то, что у машин не было лямбда-датчиков…

Как работает ЛЯМБДА-ДАТЧИК?
Развитие науки и технологий в 90-х зашло так далеко, что появилась возможность электронной настройки дозировки топлива в моторе. Эта почетная задача возложена на плечи ECU (анг. Electronic Control Unit), что в переводе означает –  электронный блок управления. Основной принцип данного устройства позаимствовали у космических технологий, также он использовался на ракетах Аполло. ECU получает данные со множества датчиков, важнейшим из которых является лямбда-датчик, который в режиме реального времени следит за количеством кислорода в выхлопных газах. Внешне датчик напоминает свечу зажигания, он крепиться за счет резьбового крепления в выпускной коллектор, выхлопную трубу или катализатор.

Мне известны три различных лямбда-датчика, задачи у которых одинаковые. В 1976 г. впервые стали использовать  циркониевый (ZrO2) датчик с одним проводом, к которому в 1982 г. добавили топливный элемент. По строению он напоминает знакомую по урокам химии стеклянную колбу, внутри которой находится оксид циркония, а внутри ее расположена еще одна колба таким образом, что оксид циркония находится между двух колб.
У воздуха с улицы есть сводный доступ во внутреннею колбу, а поверхность внешней колбы взаимодействует с выхлопными газами. Так, с одно стороны, оксид циркония взаимодействует с выхлопными газами, а с другой, с поступающим снаружи воздухом. В выхлопных газах до 5% кислорода, а в воздухе, что находится во внутренней колбе, его  21%. В ситуации, когда цирконий нагревается свыше 250oC – 350oC, ионы кислорода, содержащиеся во внешнем воздухе, начинают пробираться через циркониевый слой в выхлопную систему, что образует напряжение (0,2 до 0,8 В) т.е. лямбда-датчик работает в качестве химического генератора. Отдаленно это напоминает закон соединенных сосудов. Если в выхлопе кислорода меньше нормы (обогащенная смесь), то находящиеся во внешней среде ионы кислорода будут интенсивнее пробиваться через оксид циркония, что приведет к повышению напряжения датчика. Если в выхлопе кислорода больше нормы (слабая смесь), то ионы будут проходит через циркониевый слой медленнее, а напряжение на датчике понизится.


Бортовой компьютер за одну секунду считывает до 16 раз информацию с датчика о содержании кислорода в выхлопе. Если кислорода слишком много, то компьютер подает форсункам команду держаться открытыми дольше, увеличивая количество бензина. Через некоторое время смесь становится обогащенной, что приводит к снижению числа кислорода в выхлопных газах. Тогда компьютер уменьшая время открытия форсунок, что приводит к уменьшению количества бензина. Датчик постоянно то обогащает смесь, то, наоборот, делает ее бедной. Из технической базы данных машин (Autodata) выяснилось, что лямбда-датчик пытается поддерживать содержание CO в выхлопе в пределах  0,5 – 1,5%, чтобы катализатор мог справляться со своей работой.
Работу лямбда-датчика можно проверить дигитальным тестером, замерив выходное напряжение. Несмотря на то, что большая часть машин оснащена циркониевым датчиком, сначала стоит разобраться, какой именно датчик установлен на машине. Если среди отходящих от датчика проводов нет красного, то, возможно, что это циркониевый датчик, у которого с черного провода замеряют выходящий сигнал (+) против корпуса авто. Так как тестер не реагирует на быструю смену напряжения, то отображается среднее значение, которое приблизительно равно 0,45V. Сопротивление циркониевого датчика (т.е. сопротивление между черным проводом и кузовом) нельзя замерить омметром, так как напряжение измерительного прибора может испортить датчик, одновременно, в этом нет необходимости, так как у провода сигнала датчика нет контакта с кузовом. Если датчик оснащен встроенным нагревателем, то его сопротивление можно замерить (между двух белых проводков), который, согласно справочникам, должен показать 2 – 6,5 Ома или 12 – 15 Ом. Разумнее анализировать работу лямбда-датчика при помощи осциллографа или, глядя на кривую напряжения на мониторе компьютера. Тогда будет виден нижний и верхний предел кривой напряжения, а также скорость реакции датчика (которая снижается с годами). Такой датчик называется «сонным», поэтому медленно работающий датчик приводит к тому, что мотор нормально не раскручивается, т.е. мотор «думает» перед ускорением. На рисунке видно, что выходящее напряжение датчика колеблется между 0,2 и 0,7 вольта, в некоторых случаях напряжение датчика поднимается до 0,8 вольта. Кривая напряжения показывает, что скачок напряжения (в сторону обогащенной смеси) происходит в течение 50 – 100 миллисекунд, а спад (бедная смесь) при 75 – 150 миллисекундах.

Кривая напряжения датчика оксида циркония

У меня эсть двухлучевой осциллоскоп, с помощью которого могу диагностировать как датчики, так и исполнительные устройства. Данная циркониевая кривая получена с моего старого Mondeo. Глядя на кривую напряжения, можно сказать, что датчик работает, но есть проблема с “массой”, так как это не одна линия, а рисунок в виде зигзага. Многие машины (с системой дозировки Motronic) оснащены диагностической трубкой, за счет которой можно замерить эмиссии выхлопных газов до катализатора. Многие машины с электронным управлением, имеющие карбюраторы и непосредственный впрыск, оснащаются лямбда-датчиком, что позволяет держать в норме монооксид углерода. В таких машинах бессмысленно регулировать CO на холостом ходе вручную, пока из электросхемы не отключат лямбда-датчик. Системы, где действует т.н. ручная предварительная, а затем конечная регулировка лямюда-датчиком, называют неприспособленными. К разным машинам разный подход, у некоторых нужно вынимать плавкую защиту и проделывать другие операции. Что и как делать, можно узнать в Autodata в разделе «Tuning Conditions». Если не отключить датчик, а неисправный датчик работает так, что обогащает смесь, то после ручной регулировки датчик снова повысит содержание CO . Суть ручной регулировки в том, что при предварительной регулировке, когда CO% настроен на 0,5 – 1,5, то лямбда-датчику не приходится так много напрягаться, поэтому он может легко справляться со своими задачами. Исправно работающий лямбда-датчик компенсирует небольшие сбои в работе прочих датчиков. Одновременно, хорошо работающий катализатор может «скрыть» плохую работу лямбда-датчика, потому что он сможет справиться даже тогда, когда CO до катализатора показывает 3,5%. Нельзя узнать о работоспособности лямбда-датчика, взяв распечатку о выхлопных газах, которая отображает замеры после катализатора. Это можно сделать лишь тогда, когда выхлопные газы замеряются до катализатора. Неисправный лямбда-датчик может увеличить расхода топлива до 30%.
Если на машине есть лямбда-датчик, то, скорее всего, есть и катализатор. О таком сочетании говорят, что это активный или активно управляемый катализатор (в Autodata используется обозначение R-KAT)
Некоторые машины имеют катализатор, но отсутствует заводской лямбда-датчик. У таких машин пассивный катализатор (в Autodata U–KAT), т.е. они оснащены диагностическим патрубком, с помощью которого можно проанализировать выхлоп до катализатора. Поэтому мастер может отрегулировать процент CO в выхлопе до катализатора, который обычно равен 0,5-1,5. Сравнивая значения CO из измерительного патрубка и глушителя, можно оценить состояние пассивного катализатора. 
Если машина имеет два лямбда-датчика (один до, а второй после катализатора), то компьютер проверяет информацию, полученную с последнего датчика, работает ли катализатор или нет. Если все работает, то большая часть попадающих в катализатор выхлопных газов составляет кислород, чем на выходе из катализатора, так как оставшийся в выхлопных газах кислород используется для сжигание газов в катализаторе (при реакции с кислородом).

Если лямбда-датчик находится вдалеке от выпускного коллектора, то такой датчик оснащается встроенной нагревательной спиралью, которая помогает быстро (за 8 с.) разогреть лямбда-датчик до ) 300-600 oC  после холодного пуска, что позволяет получить рабочую температуру датчика. Например, для моего Mondeo 94-го года Autodata сообщает, что он имеет нагреватель (Heated oxygen sensor ((HO2S)) работает, когда датчик разогрелся до 482-572oC.

Хотелось бы обсудить случаи, когда с датчиками что-то не так. Стоит знать, что не всегда проблема в датчике. Перед заменой датчика стоит проверить и прочие аспекты, чтобы точно убедиться в его неисправности. Производители машин советуют проверять работу датчика каждые 50 000 км.

Если в трубе между выпускным коллектором и датчиком образуется дыра, то через нее поступает лишний воздух. Тогда датчик подает сигнал компьютеру, что смесь бедная, так как кислорода больше нормы (на самом деле это не так), поэтому автоматически получается обогащенная смесь, что, в свою очередь, ведет к перегрузке катализатора и последующей поломке.

Если в месте подключения датчика ухудшается контакт, то возрастает сопротивление в месте подключения, что приводит к снижению напряжения сигнала датчика. Так как клеммы электропроводов машины не приваривают, а прессуют, то это не значит, что нормальное состояние клемм штепселя предотвратит появление большого сопротивления между проводом и клеммой. Компьютер получает информацию, что смесь бедная, поэтому возрастает подача топлива, несмотря на то, что идущая с датчика информация до штепселя, показывает нормальное количество кислорода.

При возрастании подогрева нагревателя датчика он может прекратить работу, а мотор перейдет автоматически в другой режим, когда смесь получается более богатой.

Датчику нужен хороший контакт с «минусом» аккумулятора. При плохом подключении массы возрастает сопротивление, что приведет с ослаблению напряжения сигнала датчика. Подсоединив один провод тестера к корпусу датчика, а второй к блоку двигателя, вы сможете замерить снижение напряжения. Если оно 0,1 В или более, то у датчика плохое соединение. Иногда бывает неисправен чулок, электроннно соединяющий минус кузова машины с выхлопной трубой. Бывали и случаи, когда стартер машины не работал, так как двигатель не получал от аккумулятора нормальный минус, так как связь между кузовом и мотором очень плоха.

Если из-за поломки датчика на компьютер снова поступает информация об обогащенной смеси, то компьютер может сделать смесь настолько бедной, что мотор начнет работать нестабильно, не будет держаться холостой ход, обороты набираются медленно, а уровень HC поднимется до небес. Подобная ситуация губительна для катализатора, так как он не рассчитан обрабатывать «сырые» пары бензина.

Многие машины могут делать и самодиагностику, которая включает т.н. тест OBD. Портативное устройство подключается к компьютеру машины, чтобы получить подробный отчет – рапорт, показывающий поведение датчиков во время работы двигателя.
Если в мастерской нет дорогих диагностических устройств, то обычно используют метод проб и ошибок.
Если есть аппарат для замера CO, а машина оснащена диагностическим патрубком, то работу датчика можно проверить, замерив процент  CO. Для этого зонд анализатора выхлопных газов помещают в специальную трубку в моторе, а затем следят за результатами измерений. Разумеется, диагностика не будет столь же точной, как кривая напряжения, которую отображает компьютер, но умелый мастер справится и с дешевыми инструментами, используя некоторые хитрости:

  1. Перекрыть шланг от бензобака, возрастет давление а форсунках. Подобный способ увеличивает долю топлива, а число CO возрастает лишь на мгновение, так как датчик должен тут же отреагировать, и компьютер сокращает время подачи топлива.  Подобный способ позволит определить умение датчика отреагировать на бедную смесь. Также нужно проверить тестером увеличения напряжения датчика, а затем его падение до того уровня, что был до зажатия шланга.
  2. Если у находящегося в бензиновом коллекторе регулятора давление топлива отключить патрубок вакуумного регулятора, то давление бензина должно упасть, что, в свою очередь, приведет к уменьшению количества топлива, а это, в свою очередь, к бедной смеси, а это значит, что понизится содержания CO. Падение должно произойти лишь на мгновение, так как датчик должен тут же отреагировать, а компьютер увеличить время открытия форсунок. Этот способ позволит проверить реакцию датчика на обогащенную смесь. Тестер должен показать падения напряжения на датчике, а затем подъем до уровня, что был до отключения вакуумного патрубка. Если при использовании данных методов выходное напряжение датчика будет между 0,6 В и 0,3 В, то датчик подлежит замене, так как его кривая напряжения не достигает максимальной амплитуды.
  3. Если с машины убран циркониевый датчик, то датчик можно разогреть докрасна за счет газа, а затем замерить напряжение тестером (тестер + к черному проводу – к корпусу датчика), работая в качестве генератора, датчик может выдать напряжение до 0,6В. Если убрать пламя газовой горелки, то давление должно резко упасть. Иногда в мотор может попасть силикон, например, при замене прокладок. Иногда охлаждающая жидкость попадает в мотор, что приводит к покрытию конца лямбда-датчика субстанцией, которая мешает нормальной работе. При подобных испытаниях с газовой горелкой можно очистить датчик.
  4. Некоторые специалисты советуют стать лямбда-датчиком самим. Датчик нужно отсоединить, а сигнал (черный провод) зажать между пальцев. Палец второй руки приложить к + клемме аккумулятора, что передало бы на бортовой компьютер информацию от обогащенной смеси. Если посмотреть на изменение содержания CO на анализаторе выхлопных газов, то количество монооксида углерода должно снизиться. Приложив черный провод к корпусу, получим информацию о бедной смеси.

Упомянутые выше способы замера и тестирования можно применять на старых машинах, т.е. выпущенных в полом веке. С новой машиной лучше отправиться в представительство, где есть хорошие специалисты. Также используется и титановый датчик (чаще ставят на «японцев»), где вместо оксида циркония используется оксид титана, где под воздействием кислорода меняется.

Кривая напряжения титанового датчика

Cопротивление датчика, так компьютер получает необходимую информацию. На такой датчик компьютер подает постоянное напряжение, где при смене сопротивления, меняется и выходное напряжение датчика. Если смесь богатая, то сопротивление будет менее 1000 Ом, а у бедной смеси оно возрастет свыше 20 000 Ом. Стоит учитывать, что у некоторых датчиков выходное напряжение может достигать 5 В, а у некоторых до 1 В. Скорость реагирования датчика больше, а компьютеру проще распознать сигнал.
Выходящий сигнал и здесь идет по черному проводу, постоянное напряжение подается по красному или желтому проводу. Белый провод – это минус нагревателя, а в качестве плюса используется все тот же красный провод. не существует титановый датчик с одним или двумя проводами, как правило, подобные датчики оснащаются встроенным нагревателем, который поднимает температуру датчика минимум до 500oC через восемь секунд после пуска двигателя.

Также используются линеарные лямбда-датчики (6 проводов), которые являются более продвинутыми, а исходящее от датчика напряжение скачет  от +1 (бедная смесь) и -1 вольт (богатая смесь). Подобный лямбда-датчик используется на двигателях с бедной смесью, где рабочая температура датчика составляет прим. 750oC – она достигается за счет встроенного нагревателя за пару десятков секунд.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *