Форум
[ Новые сообщения · Участники · Правила форума · Поиск · RSS ]
Страница 1 из 11
Модератор форума: korden 
Форум » Общее » Полезные ссылки » Лямбда-зонд, он же датчик кислорода (Теория)
Лямбда-зонд, он же датчик кислорода
chiptuningДата: Среда, 28.01.2009, 22:02 | Сообщение # 1
Admin
Группа: Администраторы
Сообщений: 12
Репутация: 0
Статус: Offline
"Самая вредная книга в доме - медицинская энциклопедия. Про какую болезнь ни прочитаешь, тут же находишь у себя её симптомы"

Итак, лямбда-зонд, он же датчик кислорода.

Теория.

Жесткие экологические нормы давно узаконили применение на автомобилях каталитических нейтрализаторов (в обиходе - катализаторы) - устройств, способствующих снижению содержания вредных веществ в выхлопных газах. Катализатор вещь хорошая, но эффективно работает лишь при определенных условиях. Без постоянного контроля состава топливно-воздушной смеси катализатор умрёт очень быстро - вот тут и приходит на помощь датчик кислорода, он же О2-датчик, он же лямбда-зонд (ЛЗ).

Название датчика происходит от греческой буквы L (лямбда), которая в автомобилестроении обозначает коэффициент избытка воздуха в топливно-воздушной смеси. При оптимальном составе этой смеси, когда на 14,7 части воздуха приходится 1 часть топлива, L равна 1 (график 1). "Окно" эффективной работы катализатора очень узкое: L=1±0,01. Обеспечить такую точность возможно только с помощью систем питания с электронным (дискретным) впрыском топлива и при использовании в цепи обратной связи лямбда-зонда.

График 1. Зависимость мощности двигателя (P) и расхода топлива (Q) от коэффициента избытка воздуха (L)

Избыток воздуха в смеси измеряется весьма оригинальным способом - путем определения в выхлопных газах содержания остаточного кислорода (О2). Поэтому лямбда-зонд и стоит в выпускном коллекторе перед катализатором. Электрический сигнал датчика считывается электронным блоком управления системы впрыска топлива (ЭБУ), а тот в свою очередь оптимизирует состав смеси путем изменения количества подаваемого в цилиндры топлива. На некоторых современных моделях автомобилей имеется еще один лямбда-зонд. Расположен он на выходе катализатора. Этим достигается большая точность приготовления смеси и контролируется эффективность работы катализатора (рис. 1).

Рис. 1. Схема L-коррекции с одним и двумя датчиками кислорода двигателя

1 - впускной коллектор; 2 - двигатель; 3 - блок управления двигателем; 4 - топливная форсунка; 5 - основной лямбда-зонд; 6 - дополнительный лямбда-зонд; 7 - каталитический нейтрализатор.

Как это работает

Лямбда-зонд действует по принципу гальванического элемента с твердым электролитом в виде керамики из диоксида циркония (ZrO2). Керамика легирована оксидом иттрия, а поверх нее напылены токопроводящие пористые электроды из платины. Один из электродов "дышит" выхлопными газами, а второй - воздухом из атмосферы (рис.2). Эффективное измерение остаточного кислорода в отработавших газах лямбда-зонд обеспечивает после разогрева до температуры 300 - 400оС. Только в таких условиях циркониевый электролит приобретает проводимость, а разница в количестве атмосферного кислорода и кислорода в выхлопной трубе ведет к появлению на электродах лямбда-зонда выходного напряжения.

Рис. 2. Схема датчика кислорода на основе диоксида циркония, расположенного в выхлопной трубе

1 - твердый электролит ZrO2; 2, 3 - наружный и внутренний электроды; 4 - контакт заземления; 5 - "сигнальный контакт"; 6 - выхлопная труба.

При пуске и прогреве холодного двигателя управление впрыском топлива осуществляется без участия этого датчика, а коррекция состава топливо-воздушной смеси осуществляется по сигналам других датчиков (положения дроссельной заслонки, температуры охлаждающей жидкости, числа оборотов коленвала и др.). Особенностью циркониевого лямбда-зонда является то, что при малых отклонениях состава смеси от идеального (0,97 < L < 1,03) напряжение на его выходе изменяется скачком в интервале 0,1 - 0,9 В (график 2).

График 2. Зависимость напряжений лямбда-зонда от коэффициента избытка воздуха (L) при температуре датчика 500-800оС

А - условная точка средних показаний (Uвых " 0,5 В, при L=1,0). (Обогащение смеси (уменьшение О2 в выхлопе). Обеднение смеси (увеличение О2 в выхлопе).

Кроме циркониевых, существуют кислородные датчики на основе двуокиси титана (TiO2). При изменении содержания кислорода (О2) в отработавших газах они изменяют свое объемное сопротивление. Генерировать ЭДС титановые датчики не могут; они конструктивно сложны и дороже циркониевых, поэтому, несмотря на применение в некоторых автомобилях (Nissan, BMW, Jaguar), широкого распространения не получили.

Для повышения чувствительности лямбда-зондов при пониженных температурах и после запуска холодного двигателя используют принудительный подогрев. Нагревательный элемент (НЭ) расположен внутри керамического тела датчика и подключается к электросети автомобиля (рис. 3).

Рис. 3. Конструкция датчика кислорода с подогревателем

1 - керамическое основание; 2, 8 - контакты НЭ; 3 - нагревательный элемент (НЭ); 4 - твердый электролит ZrO2 с напыленными платиновыми электродами; 5 - защитный кожух с прорезями; 6 - металлический корпус с резьбой крепления; 7 - уплотнительное кольцо; 9 - выводы датчика.

Если ЛЗ "врет"

В этом случае ЭБУ начинает работать по усредненным параметрам, записанным в его памяти: при этом состав образующейся топливно-воздушной смеси будет отличаться от идеального. В результате появится повышенный расход топлива, неустойчивая работа двигателя на холостом ходу, увеличение содержания СО в отработавших газах, снижение динамических характеристик, но машина при этом остается на ходу. В некоторых моделях автомобилей ЭБУ реагирует на отказ лямбда-зонда очень серьезно и начинает так рьяно увеличивать количество подаваемого в цилиндры топлива, что запас горючего в баке "тает" на глазах, из трубы валит черный дым, СО "зашкаливает", а двигатель "тупеет" и на ближайшую СТО вам, скорее всего, придется добираться на буксире.

Перечень возможных неисправностей лямбда-зонда достаточно большой и некоторые из них (потеря чувствительности, уменьшение быстродействия) самодиагностикой автомобиля не фиксируются. Поэтому окончательное решение о замене датчика можно принять только после его тщательной проверки, которую лучше всего поручить специалистам. Следует особо отметить, что попытки замены неисправного лямбда-зонда имитатором ни к чему не приведут - ЭБУ не распознает "чужие" сигналы, и не использует их для коррекции состава приготавливаемой горючей смеси, т.е. попросту "игнорирует".

При сгоревшем или отключенном лямбда-зонде содержание СО в выхлопе возрастает на порядок: от 0,1 - 0,3% до 3 - 7% и уменьшить его значение не всегда удается, т. к. запаса хода винта качества смеси может не хватить. В автомобилях, система L-коррекции которых имеет два кислородных датчика, дело обстоит еще сложнее. В случае отказа второго лямбда-зонда (или "пробивки" секции катализатора) добиться нормальной работы двигателя практически невозможно.

Вообще лямбда-зонд - наиболее уязвимый датчик автомобиля с системой впрыска. Его ресурс составляет 40 - 80 тыс. км в зависимости от условий эксплуатации и исправности двигателя. Плохое состояние маслосъемных колец, попадание антифриза в цилиндры и выпускные трубопроводы, обогащенная топливно-воздушная смесь, сбои в системе зажигания сильно сокращают срок его службы. Применение этилированного бензина категорически недопустимо - свинец "отравляет" платиновые электроды лямбда-зонда за несколько бесконтрольных заправок.

Рис. 4. Контактные выводы наиболее распространенных циркониевых лямбда-зондов

а - без подогревателя; б, с - с подогревателем.

* цвет вывода может отличаться от указанного.

 
GangДата: Среда, 11.02.2009, 09:30 | Сообщение # 2
Член клуба
Группа: Модераторы
Сообщений: 182
Репутация: 0
Статус: Offline
Лямбда-зонды
Прикрепления: o21w.pdf(697Kb) · o22w.pdf(494Kb)
 
GangДата: Суббота, 18.04.2009, 08:41 | Сообщение # 3
Член клуба
Группа: Модераторы
Сообщений: 182
Репутация: 0
Статус: Offline
Обратная связь

Обратная связь в системе TCCS, как и в любой другой системе впрыска, обеспечивается лямбда-зондом (датчиком кислорода). Необходимость ее обусловлена тем, что как бы ни были хороши и точны карты, находящиеся в памяти ECU, каждый экземпляр двигателя все- равно в той или иной мере отличается от остальных и требует индивидуальной подстройки топливной системы. В процессе эксплуатации двигателя также происходят изменения, связанные с его старением и износом, и которые тоже было бы неплохо компенсировать. Кроме этого, сами карты могут быть изначально составлены неоптимально для некоторых сочетаний внешних условий и режимов работы двигателя и, таким образом, требовать корректировки. Именно эти задачи и позволяет решить наличие обратной связи. Но главная цель при решении всех этих задач - это достижение наиболее полного сгорания горючей смеси в цилиндрах двигателя для получения наилучших характеристик его токсичности. Известно, что оптимальным для полного сгорания топлива является соотношение воздух/топливо равное 14.7:1. Это отношение называют "стохиометрическим" или, иначе, "коэффициент лямбда" (именно отсюда и пошло название "лямбда- зонд").

Выглядит обратная связь так. После того, как компьютер определил необходимое количество топлива, которое нужно впрыснуть в текущий момент работы двигателя исходя из текущих условий и режима его работы, топливо сгорает и выхлопные газы поступают в выпускную систему. В этот момент с датчика кислорода считывается информация о содержании кислорода в выхлопных газах, на основании чего можно сделать вывод, а так ли все прошло, как было расчитано, и не требуется ли коррекция состава горючей смеси. Образно говоря, компьютер постоянно проверяет свои расчеты по конечному результату, информацию о котором он получает от датчика кислорода, и, если это требуется, выполняет окончательную точную подстройку состава горючей смеси. В англоязычной литературе эта процедура обычно именуется "short term fuel trim". Но так происходит не всегда - в некоторых режимах работы двигателя компьютер игнорирует информацию от датчика кислорода и руководствуется только своими собственными расчетами. Давайте посмотрим, когда же это происходит.

Режимы управления

Компьютер любой системы управления впрыском с обратной связью, в том числе и TCCS, в процессе работы может находиться в одном из двух режимов управления - либо в режиме замкнутого контура (closed loop), когда он использует информацию датчика кислорода в целях точной корректировки, либо в режиме разомкнутого контура (open loop), когда он игнорирует эту информацию. Ниже мы рассмотрим основные режимы работы двигателя и режимы управления.

Запуск двигателя.
В момент запуска требуется, в зависимости от температуры как самого двигателя, так и окружающего воздуха, обогащенная горючая смесь с повышенным процентным содержанием топлива. Это всем известный факт, характерный вообще для всех бензиновых двигателей внутреннего сгорания, как карбюраторных, так и двигателей с впрыском, поэтому мы не станем подробно останавливаться на причинах. Скажем только, что соотношение воздух/топливо в этом режиме варьируется в среднем от 2:1 до 12:1. В этом режиме компьютер системы TCCS работает в режиме разомкнутого контура.

Прогрев двигателя до рабочей температуры.
После запуска двигателя компьютер системы TCCS постоянно проверяет текущую температуру двигателя и в зависимости от этого параметра производит расчет состава горючей смеси, а также устанавливает требуемую величину прогревных оборотов посредством воздушного клапана ISC (Idle Speed Control). В процессе прогрева двигателя с ростом температуры соотношение воздух/топливо изменяется компьютером в сторону обеднения, а прогревные обороты также уменьшаются. В это же время происходит разогрев датчика кислорода в выпускном коллекторе до рабочей температуры. Компьютер при этом работает в режиме разомкнутого контура.
Холостой ход. По достижении заданной температуры двигателя и при условии достаточного для работы разогрева датчика кислорода (датчик кислорода начинает выдавать правильные показания только при температуре от 300C и выше) компьютер переключается в режим замкнутого контура и начинает использовать показания датчика кислорода для поддержания стохиометрического состава горючей смеси (14.7:1), обеспечивающего наименьший уровень содержания токсичных веществ в выхлопных газах.

Движение с постоянной скоростью, плавное увеличение или уменьшение скорости.
В этом случае компьютер TCCS также находится в режиме замкнутого контура и использует показания датчика кислорода. Вы можете раскрутить двигатель хоть до 6500 об/мин, наполовину нажав педаль газа, но компьютер все-равно будет оставаться в режиме замкнутого контура, обеспечивая состав горючей смеси в пределах примерно от 14.5:1 до 15.9:1.

Резкое ускорение.
Как только Вы нажимаете педаль газа "в пол" и полностью открываете дроссельную заслонку - компьютер безоговорочно переходит в режим разомкнутого контура. Под нагрузкой (а компьютер всегда в состоянии определить, велика ли нагрузка на двигатель) компьютер может переключиться в режим разомкнутого контура несколько раньше - уже при открытии дроссельной заслонки на 68 или более процентов от ее хода. При этом он будет поддерживать состав горючей смеси в пределах от 11.9:1 до 12:1 для получения большей мощности.
Принудительный холостой ход (торможение двигателем). Компьютер также переходит в режим разомкнутого контура в случаях, когда текущие обороты двигателя превышают величину оборотов холостого хода, а дроссельная заслонка полностью закрыта - например, когда Вы движетесь под уклон, убрав ногу с педали газа и не выключив передачу. При этом компьютер обеспечивает обедненный состав горючей смеси.

Таким образом, мы видим, что большую часть времени компьютер TCCS находится в режиме замкнутого контура, который обеспечивает оптимальный состав горючей смеси. Более того, находясь в этом режиме, компьютер "самообучается", корректируя и модифицируя карты, используемые в режиме разомкнутого контура, адаптируя их к текущим условиям эксплуатации и состоянию двигателя. Т.е., если, скажем, компьютер замечает, что в режиме замкнутого контура для достижения оптимального сгорания ему приходится все время обогащать топливо-воздушную смесь на, скажем, 5% относительно базовых значений, прописанных в соответствующих картах, то через некоторое время, когда он удостоверится в стабильности этого корректирующего коэффициента, он соответствующим образом модифицирует сами карты, тем самым влияя и на смесеобразование в режиме разомкнутого контура. Это и есть тот самый процесс "самообучения", о котором тоже ходит столько слухов. "По-научному" wink он называется "long term fuel trim". Следует заметить, что модифицированные карты сохраняются только в энергозависимой памяти компьюетра, поэтому после отключения аккумулятора восстанавливаются заводские значения этих карт, и компьютер должен "самообучиться" заново.

Все было бы просто замечательно, если бы не один фактор, портящий эту красивую картину - лямбда-зонд имеет обыкновение выходить из строя в результате заправок этилированным бензином. В реальной жизни это приводит к тому, что рано или поздно после пробега по нашим дорогам система TCCS лишается своей способности к адаптации под текущие условия и работает строго по тем картам, которые изначально находились в памяти компьютера, постоянно находясь в режиме разомкнутого контура. Естественно, что ничего хорошего из этого не получается, ведь большинство автомобилей к тому времени, когда они попадают к нам, уже немало побегали по японским дорогам, и двигатели их, увы, уже не новые. Впрочем, практика показывает, что и ничего особенно плохого тоже не происходит. Более того, система TCCS "нативных" японских Тойот в случае выхода из строя лямбда-зонда даже не зажигает на панели лампочку "check engine" в отличие от Тойот для американского и/или европейского рынков.

Сообщение отредактировал Gang - Суббота, 18.04.2009, 08:56
 
Форум » Общее » Полезные ссылки » Лямбда-зонд, он же датчик кислорода (Теория)
Страница 1 из 11
Поиск: