Ламбда сондата е предназначена за определяне на концентрация на кислород в изгорелите газове, което зависи от съотношението на тегловните единици на горивото и въздуха, доставени на цилиндрите на двигателя.
Информацията, която дава сензора във формата на напрежение (или промяна на съпротивлението), се използва от електронен контролен модул, за да коригира количеството на съставките на гориво-въздушната смес.
За пълно изгаряне на 1 кг гориво е необходимо 14,7 кг въздух. Такова съотношение на сместа се нарича стахометрично, осигурява най-ниско съдържание на токсични вещества в изгорелите газове и най-ефективното им доизгаряне в каталитичния неутрализатор.
За оценка на състава на горивната смес се използва коефициента на излишък на въздух – съотношението на въздуха, подаден към цилиндрите, към теоретичното количество въздух, необходими за пълно изгаряне на горивото. Прието е това съотношение да се нарича ламбда.
При стахометричната смес ламбда = 1, ако ламбда <1 (липса на въздух), имаме богата смес. Ако ламбда > 1 (излишък на въздуха) имаме смес, наречена бедна.
Най-голяма икономия при пълно натоварване на бензиновия двигателя се постига, когато ламбда = 1,1-1,3. Максималната мощност се осигурява когато ламбда = 0,85-0,9.
Общи сведения:
В справочната литература датчика може да се среща под различни наименования: кислороден датчик, „ламбда“ регулатор, ламбда сонда, датчик за кислород в изгорелите газове. Кислородните датчици биват два вида: електрохимични и резистивни.
Първият вид датчици работят на принципа на елементи, произвеждащи електрически ток. Вторите работят като резистори, променящи съпротивлението си в зависимост от промените на средата, в която се намират.
Най-голямо разпространение в момента са получили електро-химичните датчици за кислород.
Те използват свойството на циркониевия диоксид да генерира електрически потенциал (напрежение) в зависимост от разликата на концентрация на кислород (в изгорелите газове и околния въздух).
При нормална експлоатация генерираното напрежение може да се променя няколко пъти в секунда. Това позволява да се подготвя и да поддържа необходимата горивна смес на почти всеки режим на работа на двигателя.
Устройство на кислородния датчик:
Устройство:
1 – метален корпус с резба.
2 – уплътнителен пръстен.
3 – контактни пластини.
4 – керамичен изолатор.
5 – проводници.
6 – маншет за проводниците.
7 – контактни пластини на веригата за подгряване.
8 – външен защитен екран с отвор за околния въздух.
9 – подгрев.
10- керамичен накрайник.
11- защитни екран с отвор за изгорелите газове.
Главната част на датчика е керамичната пластина от циркониев двуокис, на която на вътрешните и външните повърхности по метода метализацията е нанесена платина.
Връзката м/у върхът на датчика и корпуса е херметична да се избегне попадане на изгорели газове във външната част на датчика, вземащ информация от атмосферата.
Върхът се намира в потока на изгорелите газове,проникващи до него през отворите на екрана. Ефективната работа на датчика е възможна при температура не по-ниска от 300-350*С. Затова, за бързо нагряване след стартиране на двигателя модерните датчици имат електрически подгревен елемент.
Керамичното тяло да датчика е изработено под формата на тръбичка, като вътре, по метода на метализацията, е наслоен реситивен нагревател.
Датчиците за кислород са свързани с няколко проводника: сигнален проводник, „маса“ на сигнала, захранващия кабел на подгрева, корпус (маса) на подгряването.
Датчиците без нагревател могат да имат един или два сигнални проводника, датчиците с вграден електрически нагревател – три или четири проводника. като правило, проводниците със светли цветове са свързани с нагревателя, а тъмните са сигнални. Всички елементи на датчика са изработени от термоустойчиви материали, тъй-като работната му температура може да достигне 950 ° C. Излизащите навън проводници са с термоустойчива изолация.
Местоположение на датчика:
Поради факта, че на кислородния датчик може да генерира електрически сигнал само при температура 300-350°C и повече, тези без подгрев са монтирани в изпускателния колектор близо до двигателя, а тези с елементи за отопление – преди катализатора.
В някои автомобили в каталитичния неутрализатор има вграден термодатчик за температура, която не бива да се бърка с Ламбда сондата. Понякога се инсталират два кислородни датчика – преди и след като катализатора.
Забележка:
Присъединителните размери, дължината и цвета на кабелите при някои датчици може да не съвпаднат.
Маркировка на сензорите:
На всеки кислород сензор, обикновено са посочени: името на страната-производител; име и (или) марка на производителя;символ на типа.
Ресурс и работа на датчика:
Кислород сензори са неразглобяеми и не се нуждаят от профилактика.
Ресурса на кислород-сензорите варира от 60 до 80 хиляди километра пробег на автомобила при спазване на условията на експлоатация. Нарушението им драстично намалява живота. Препоръчва се проверка на кислород-сензора на всяко
техническа профилактика на превозното средство.
Причините за преждевременна повреда на кислород-сензор:
1. Използването на оловен бензин или неподходящо марка на горивата.
2. Използване на уплътнители при монтажа на сензора, вулканизиращи се на стайна температура (силикон) или в неговия състав да се съдържа силикон.
3. Прегряване на датчика заради неправилно центрован ъгъл на запалването, преобогатена горивна смес, проблеми в запалването и др.
4. Многократни неуспешни опити за запалване, водещи до натрупването на гориво при датчика, която може да се възпламени с мощна удърна вълна
5. Проверка работата на цилиндрите на двигателя с разкачени свещи
6. попадането на агресивни разтвори, разтворители и миещи средства на керамичния връх на сензора
7. Прекъсване, лош контакт или закъсняване на изхода на датчика
8. Нехерметичност в изпускателната система.
Възможни признаци за неизправност на кислород-сензора:
1. Неустойчива работа на двигателя на празен ход
2. Увеличената консумация на гориво.
3. Влошаване на динамичните характеристики на автомобила.
4. Характерни пропуквания в катализатора след спирането на двигателя.
5. Повишаването на температурата в областта на каталитичен конвертор или неговото разтапяне.
6. Светването на лампа „СНЕСК ЕNGINЕ“ в режим на движение.
Правила за демонтаж и монтаж на датчиците:
1. Демонтаж на датчика, за да избегнете увреждане, се извършва само на студен двигател, като предварително са разкачени проводниците.
2. Преди замяната на датчика трябва да се провери по маркировката, че новия отговаря на техническите параметри, заложени от производителя на автомобила.
3. Оглед на датчика, за да се установи:
– отсъствието на механични повреди;
– наличието на дефтунги, наличието на противонагарна смазка на резбовите части
4. Завива се на ръка датчика, а после се достяга с усилие 3,5-4,5 кг. Връзката трябва да бъде херметична.
5. Съединява се електрическия куплунг.
6. Проверка работоспособността чрез измерване на контролираните параметри.В някои случаи, датчика е монтиран
на изпускателния колектор чрез планка. Между планката и колектора трябва да бъде поставен специален запечатващ материал.
Проверката на параметрите се извършва след достигане на работна температура на датчика (350+50°С) с използването на газоанализатор, осцилоскоп, цифров волт и омметър.
Контролират се следните параметри:
1. при значение на Ламбда=0,9 (обогатена горивна смес) напрежението трябва да е не по-малко от 0,65 V;
2. при значение на Ламбда=1,1 (обеднена горивна смес) напрежението на сигнала трябва да бъде по-малко от 0,25 V;
3. време на фронта при обеднена горивна смес – не повече 250 ms;
4. време на фронта при обогатена горивна смес – не повече от 450 ms;
5. съпротивление при температура 350 + 50 *С – не повече от 10kOhm.
За работата на бензиновия двигател се изисква определено съотношение въздух-гориво. Съотношението при която горивото изгаря напълно и ефективно и се нарича стахометрично и е с числово изражение 14,7:1. Това означава, че една на част гориво трябват 14,7 части въздух. На практика, съотношението въздух-гориво варира в зависимост от натоварването на двигателя и смесообразуването.
Коефициента на излишъка на въздуха – L (ламбда) описва доколко реалната горивна смес се различава от оптималната.
Ако състава на сместа е 14,7:1, то L = 1 и сместа е оптимална. Ако L <1, тогава имаме липса на въздух – обогатен смес.
Мощността на двигателя е най-висока при L = 0,85 – 0,95.
Ако L> 1, тогава има излишък на въздуха, смес е бедна.
Мощността при L = 1,05 – 1,3 пада, но двигателя е най-икономичен. При L > 1,3 сместа спира да се възпламенява и започват пропуски в запалването.
Бензиновите двигатели развиват максимална мощност при недостатък на въздуха в 5-15% (L=0,85 – 0,95), а минималната консумация на гориво се постига с излишък на въздуха в 10-20%% (L = 1,1 – 1,2 ). При това положение съотношението L, постоянно се променя в диапазона от 0,9 – 1,1. Това е работен диапазон на ламбда-регулирането. В същото време, когато двигателят загрее до работна температура и не се натоварва с висока мощност, трябва да бъдат спазвани L = 1, така, че катализатора да е в състояние да изпълни своята мисия и намали количеството на вредните емисии във минимум.
Има два типа Ламбда сонди. Различават се по вида на керамичния елемент, с помощта на който се измерват изходящите газове.
Циркониево-диоксидни сонди:
Външната страна на циркониево-диоксидния елемент влиза в непосредствено съприкосновение с изходящите газове. Вътрешната страна се обдухва от въздух.
Двете страни на елемента са покрити с тънък слой платина. Йоните на кислорода преминават през елемента и оставят електрически заряд на слоя платина. По този начин платината играе ролята на електроди – сигнала, който се получава се предава от платинените слоеве към автомобила по проводници.
Циркониево-диоксидните елементи стават прозрачни за кислородните йони при температура над 300°C.
Ако концентрацията на кислород от двете страни на елемента е различна, в следствие свойствата на циркониевия диоксид се получава ЕДН (потенциална разлика на напрежението).
При обеднена горивна смес се генерира низко напрежение.
Богатата горивна смес генерира високо напрежение.
Характерния отскок на напрежението се получава при съотношение количество гориво : количество въздух в горивната смес 1 : 14.5
Това може да бъде обозначено като количество на излишък на въздух =1 (при това съотношение горивото изгаря напълно) а сместа се нарича стихометрична.
Коефициента на излишък от въздух се бележи с латинската буква Lambda. От там произлиза и наименованието Ламбда-сонда.
Системата за управление на двигателя регулира количеството гориво спрямо количеството въздух в горивната смес. Необходимата за целта информация системата за управление (компютъра) получава от Ламбда-сондата.
Сондата генерира напрежение едва при достигане на работната си температура над 300°C. За това, след стартиране двигателя, на елемента му е необходимо определено време, за да се нагрее от изпускателните газове.
По-голяма част от сондите днес имат вграден керамичен нагревател, съкращаващ интервала до момента, в който сондата може да започне да работи.
Титаниево-диосидни сонди:
Титаниево-диоксидния елемент не генерира напрежение, както циркониевия диоксид.
Вместо това титаниевия диоксид изменя своето съпротивление в зависимост от концентрацията на кислород в изпускателните газове.
При коефициент Ламбда [l]=1 се получава рязко изменение на съпротивлението. Ако към елемента е приложено напрежение, изходното напрежение се изменя в съответствие с концентрацията на кислород в изпускателните газове.
На титаниевия диоксид не е необходимо да се подава опорен (еталонен) въздух, както при циркониевия елемент, тъй като се различава по принципа на действие.
За това титаниево-диоксидната сонда се отличава с по-малките си габарити.
Чувствителните елементи на сондата са нейните платинени електроди и нагревателния елемент, които в продуктовата гама на фирмата NGK се изпълняват по многослойна технология на керамична подложка.
Сондите от циркониев диоксид и от титаниев диоксид не са взаимозаменяеми в следствие различните им размери и принцип на действие.
Снижаване на вредните емисии с помощта на Ламбда сонда
Съгласно изискванията на закона за опазване на околната среда, автомобилните производители са длъжни да намалят до определени норми вредните емисии в изгорелите газове.
За това всички съвременни автомобили с карбураторни двигатели (да се чете ‘с ДВГ в вътрешно горене’ – б.р.) са снабдени серийно с трипътни каталитични неутрализатори на изгорелите газове.
Каталитичния неутрализатор (катализатора)на изгорелите газове преобразува вредните изгорели газове в такива, които не нанасят вреда на околната среда
За да работи катализаторът, трябва точно да се регулира съотношението гориво:въздух
Ламбда сондите постоянно следят състава на изходящите газове.
Ламбда сондата се разполага в предната част на системата за изпускателни газове преди катализатора. Тя измерва съдържанието на кислород в изгорелите газове.
С помощта на изходния сигнал от сондата се извършва регулировка от устройството за управление на работата на двигателя, като прецизно се регулира горивото, подавано от системата за впръскване.
Това е така наречения ‘затворен контур на регулиране’ и с негова помощ се гарантира оптимално съотношение на компонентите на горивната смес.
По този начин се осигурява както оптимално неутрализиране на токсичните газове в катализатора, така и най-доба разполагаема мощност
Строгите екологични норми отдавна наложиха употребата на каталитични неутрализатори (катализатори) при автомобилите. – устройства, способстващи снижаване на съдържанието на вредни вещества в изпускателните газове. Катализатора е хубаво нещо, но ефективната му работа е възможна само при определени условия. Без постоянен контрол на състава на гориво-въздушната смес е невъзможно да се очаква ‘дълголетие’ от катализатора.
Тук идва на помощ датчика за съдържанието на кислород (или О2-датчик, или Ламбда сонда…)
Названието произхожда от гръцката буква l (ламбда), която в автомобилостроенето обозначава коефициент на излишък на въздух в гориво-въздушната смес. При оптимален състав на сместа, когато съотношението въздух:гориво е 14.7:1, l=1
Зависимост на мощността на двигателя (Р) и разхода на гориво (Q) от коефициента на излишък на въздух (l)
Прозорецът на ефективна работа на катализатора е много тесен: l=1±0,01.
Обезпечаването на такава точност е възможно само с помощта на система на впръскване на горивото с електронно управление и с употреба на Ламбда сонда в обратната връзка.
Излишъка на въздух в сместа се определя по остатъчното количество кислород в изгорелите газове. За това и Ламбда сондата стои на изпускателния колектор преди катализатора. Сигналът от датчика се отчита от електронния блок за управление впръскването на горивото (ЕКУ), а той на свой ред оптимизира сместа, променяйки количеството на впръснатото гориво.
На някои от съвременните автомобили има и втора Ламбда сонда. Разположена е на изхода на катализатора. Това води до повишаване точността на съставяне на горивната смес.
Зависимост на напрежението на Ламбда сондата от коефициента на излишък на въздух (l) при темп. 500-800*С
А- условна точка на средните показания на сондата (Uout>>0.5V; l=1)
Пълно изгаряне и номинална мощност се получава при l=1.0 и се контролира ефективността на работата на катализатора
Схема на l-корекция с една и с две Ламбда сонди
1-изпускателен колектор
2-двигател
3-блок за управление (ЕКУ)
4-горивна дюза
5-основна Ламбда сонда
6-допълнителна Ламбда сонда
7-каталитичен неутрализатор (катализатор)
Принцип на работа
Ламбда сондата действа на принципа на галваничния елемент с твърд електролит във вид на керамика, изготвена от циркониев диоксид (ZrO2).
Керамиката е легирана с итриев окис, а на повърхността й е нанесен галванично пореста платина за електроди.
Един от електродите ‘диша’ изгорелите газове, а другия- въздух от атмосферата.
Ефективното измерване на остатъчния кислород в отработените газове се извършва след нагряването на датчика до температура 300-400*С. При това условие циркониевия електролит става проводим, а разликата в наличието на кислород в атмосферата и в отработените газове води до появяването на изходно напрежение м/у електродите на Ламбда сондата.
При пуска и загряването на студен двигател управлението на впръскването на горивото се осъществява без участието на този датчик, а корекцията на състава на гориво-въздушната смес се осъществява по сигналите от други датчици (положение на дроселна клапа, температура на охлаждаща течност, обороти на коляновия вал и др.)
Особеност на циркониевата Ламбда сонда е тригерния ефект. Това означава, че малко отклонение на състава на сместа от идеалната (0.97-1.03) води до резки изменения на изходното напрежение в интервал от 0.1V до 0.9V.
