Виды лямбда-зондов и способы проверки их исправности

Количество датчиков в современном автомобиле неуклонно растёт. На некоторых машинах их число приближается к четырём десяткам, и значительная их часть призвана улучшать состав топливовоздушной смеси и улучшать экологические характеристики выхлопа.

Лямбда-зонд – одно из таких устройств. Измеряя количество кислорода в составе выхлопных газов, оно отсылает эту информацию в бортовой компьютер, использующий полученные данные для регулировки состава горючей смеси, увеличивая или уменьшая подачу в камеру сгорания топлива. Присутствующий в составе лямбда-зонда катализатор нейтрализует вредные компоненты выхлопа, превращая их в безвредные или малоактивные.

Любой сбой или неисправность в датчиках кислорода (они устанавливаются с обеих сторон каталитического нейтрализатора) грозят переводом работы силового агрегата в аварийный режим, при котором состав смеси становится обогащённым и практически неконтролируемым. Мало того, что такая нештатная ситуация приводит к повышенному расходу топлива и уменьшению ресурса мотора, ухудшаются и экологические параметры выхлопа. Поэтому так важно периодически проводить диагностику этого узла. Как проверить лямбда-зонд в гаражных условиях, каковы основные симптомы неисправностей датчиков О2 и возможно ли их устранение посредством ремонта, и пойдёт речь в данном информационном материале.

Лямбда-зонд: детальное знакомство

Ужесточение требований, касающихся состава выхлопных газов, это не просто блажь автопроизводителей. Впервые о вредном влиянии автомобильного выхлопа заговорили в конце прошлого столетия, когда стала очевидной роль увеличения концентрации углекислого газа в атмосфере в распространении парникового эффекта. Ряд международных конвенций призвал государства пересмотреть свою политику касательно уменьшения доли выброса вредных веществ в результате сжигания углеводородов.

И первыми на эти требования откликнулись производители транспортных средств, во многом благодаря появлению европейских норм, регулирующих токсичность выхлопных газов. Присутствие в автомобиле каталитического нейтрализатора в настоящее время является обязательной для тех стран, в которых действуют стандарты Евро, которые также постоянно ужесточаются.

Лямбда-зонд в автомобиле отвечает за количественный анализ содержания в выхлопе кислорода на участках до и после прохождения катализатора. Эта информация передаётся в ЭБУ, который и определяет, насколько качественной является смесь воздуха и горючего, регулируя их процентное содержание.

Перед катализатором, где находится первый лямбда-зонд, кислородный датчик проверяет выхлопные газы, ещё не подвергшиеся обработке каталитическим нейтрализатором.

Дополнительный датчик О2, устанавливаемый после катализатора, проверяет выхлоп, в котором многие вредные компоненты уже преобразованы в безопасные. Такая двойная система позволяет определять характеристики ТВС с большей точностью и соответствующим образом корректировать подачу горючего и атмосферного воздуха в камеру сгорания.

Так что если вас спросят, что такое лямбда-зонд в автомобиле, вы сможете общими словами дать убедительный ответ. Но получить развёрнутые знания можно только после знакомства с тем, как работает это устройство.

Принцип работы лямбда-зонда

Как известно, в настоящее время пока ещё не изобретено способов, как повысить КПД технического устройства до 100%. Автомобильный двигатель не является исключением – в этом сложном агрегате существует немало узлов, в которых происходят энергетические потери. В частности, сгорание топливовоздушной смеси в цилиндрах происходит не полностью, о чём свидетельствует наличие в выхлопном газе остатков кислорода и углеводородов.

Так вот, лямбда-зонд как раз и представляет собой датчик, в задачи которого входит определение химсостава выхлопа. А если быть точнее – содержимого в нём кислорода. В норме этот показатель должен находиться в пределах 0.1-0.3%. Увеличение данного значения будет свидетельствовать о переобогащённой смеси, что для ДВС так же плохо, как и работа на обеднённой ТВС.

Лямбда-зонд в большинстве случаев устанавливается в оконечной части системы выпуска отработанных газов, перед и после выпускного коллектора (следует отметить, что вместо обычного глушителя в таких случаях присутствует его модифицированная разновидность – каталитический нейтрализатор).

Разумеется, прогресс не стоит на месте – конструкция лямбда-зонда постоянно совершенствуется. Двухканальная компоновка как более простая в изготовлении характерна для транспортных средств эконом-класса, а также автомобилей, производившихся, начиная с 80-х годов прошлого века. В настоящее время преобладают системы широкополосного типа – такой лямбда-зонд оказывает более положительное воздействие работу двигателя, поскольку умеет определять состав выхлопа с гораздо большей точностью.

Если перечислить, на что влияет лямбда-зонд в машине, то окажется, что улучшение качественного состава ТВС – это отнюдь не самоцель. Благодаря более эффективному горению смеси удаётся заметно увеличить общий ресурс силового агрегата, добиться ощутимого снижения расхода топлива, а также решить проблему нестабильной работы мотора на ХХ.

Если рассмотреть более детально, как работает лямбда-зонд, то оказывается, что он не может формировать однородный сигнал, поскольку сам принцип работы силового агрегата основан на генерации неоднородного количества циклов за единицу времени. Так что можно утверждать, что кислородный датчик в общем случае реагирует на отсутствие стабильности в функционировании мотора, и оповещение об этом бортового компьютера и является основной задачей этого устройства.

Проще говоря, кислородные датчики в режиме реального времени отсылают данные в ЭБУ (вернее, в блок бортового компьютера, специализирующийся на управлении работой топливной системой), а уже там происходит анализ этих данных. Он заключается в усреднении полученной информации и сравнении результата с эталонным значением. В качестве таковой принято считать стехиометрическую топливовоздушную смесь, в которой на 1 объёмную часть горючего приходится 14.7 объёмных частей атмосферного воздуха. Такое соотношение обозначается буквой λ и принимается за единицу. Если лямбда (вот и ответ на вопрос, почему устройство называется лямбда-зондом) меньше единицы – смесь обогащённая, то есть объёмная доля топлива больше единицы. В противном случае говорят об обеднённой ТВС.

ЭБУ корректирует работу топливной системы таким образом, чтобы коэффициент λ всегда был равен единице, благоприятствуя самому эффективному сгоранию топлива и повышению КПД двигателя до максимально возможного значения.

Если отключить лямбда-зонд, даже при идеально настроенном механизме подачи ТВС, со временем он будет сбиваться. А неоптимизированное сгорание горючего – это следующие неприятные моменты:

• перегрев силового агрегата,
• более быстрый износ всех компонентов системы выхлопа, включая каталитический нейтрализатор,
• увеличенный расход технических жидкостей (масла, горючего, ОЖ),
• быстрое прогорание клапанов, поршней, колец,
• заметное снижение мощности (тяги) мотора на всех режимах.

Поэтому так важно поддерживать кислородные датчики в исправном состоянии.

Разновидности лямбда-зондов

Хотя принцип работы датчиков О2 неизменен, способы реализации измерения количества кислорода в составе выхлопа могут различаться, причём техническое усовершенствование этих устройств не прекращается ни на секунду.

Производители постоянно мониторят все недостатки зондов, стараясь вносить соответствующие изменения в их конструкцию с целью более точного измерения кислорода, увеличения надёжности и ресурса устройства, обеспечения быстрого выхода в рабочий режим.

В частности, введение предварительного подогрева керамического наконечника лямбда-зонда позволило не только обеспечить более качественную работу силового агрегата на холостых оборотах при «холодном» пуске, но и существенно увеличить ресурс самого катализатора. Первое поколение кислородных датчиков разогревалось в результате воздействия выхлопных газов, на что требовалось определённое время, на протяжении которого состав ТВС электроникой не регулировался. Чтобы решить эту проблему, решили ставить лямбда-зонд поближе к двигателю, но и этот шаг не позволил прогревать керамический наконечник до положенных 350-450°С мгновенно, так что некоторое время кислородный датчик всё равно не работал. В современных моделях присутствует электронагреватель, вступающий в работу одновременно с включением зажигания и существенно ускоряющий выход лямбда-зонда на штатный режим работы.

Вторым направлением эволюции стало появление широкополосных датчиков, которые пришли на смену двухкомпонентным. Изначально в системе присутствовал только один кислородный датчик, устанавливаемый до катализатора. Но оказалось, что его показания не слишком точны. Монтаж второго датчика О2 после КН позволил увеличить точность измерений, а широкополосный лямбда-зонд обеспечил многократное улучшение этого показателя.

Принцип действия лямбда-зонда широкополосного типа заключается в принудительной закачке присутствующего в выхлопе кислорода в специальную камеру. Для этого используются импульсы тока (номиналом порядка 450 милливольт). Если кислорода в выхлопе содержится меньше нормы, для его подачи в спецкамеру требуется ток большего номинала, что и фиксируется датчиком.

Лямбда-зонды могут различаться также количеством исходящих проводов (в зависимости от конкретной конструкции и функциональных возможностей устройства), которых может быть от одного до пяти.

Общепризнанной классификацией лямбда-зондов считается их разделение на:

• циркониевые устройства,
• титановые датчики кислорода,
• широкополосные лямбда-зонды.

Рассмотрим их особенности более детально.

Циркониевые кислородные датчики

Данный тип лямбда-зондов является наиболее распространённым в силу относительной простоты конструкции и невысокой себестоимости. Принцип работы датчиков О2 данного типа заключается в использовании гальванического элемента, у которого в качестве электролита выступает слой керамического покрытия из двуокиси циркония ZrO2. Диэлектрический наконечник с двух сторон имеет токопроводящие платиновые электроды в виде пластин. Действие прибора заключается в фиксации количества ионов кислорода, которые начинают выпадать на наконечнике только при нагреве последнего до температуры 350°C и выше. Чтобы фиксация кислорода началась как можно раньше при запуске холодного мотора, в корпус датчика встроен нагревательный элемент, который и осуществляет быстрый прогрев лямбда-зонда.

Отметим, что верхней критической точкой, при которой прибор может перегреться и перестать функционировать, является температура порядка 900-950°C.

Чтобы выхлопные газы беспрепятственно попадали на поверхность наконечника, корпус электродов выполнен в виде пористой поверхности. Внутрь датчика выхлоп попадает через специальную уплотнительную манжету, не пропускающую воду.

Ионы кислорода, двигаясь по керамическому электролиту от анодной пластины к катодной, создают разницу потенциалов, которая и фиксируется датчиком, передаваясь в бортовой компьютер в оцифрованном виде. Чем больше кислорода в составе выхлопа, тем меньшей будет разница потенциалов, то есть имеет место обратно пропорциональная зависимость.

Поскольку датчик работает с определённой частотой (измеряет разницу потенциалов несколько раз за секунду), ЭБУ интерпретирует эти результаты совершенно независимо от того, как в данный момент работает двигатель, что позволяет влиять на ТВС максимально эффективно, не полагаясь на различные субъективные факторы.

Циркониевые кислородные датчики могут быть 1-4-проводными. Однопроводные устройства имеют единственный сигнальный провод, замыкая цепь контактом на массу. Двухпроводной лямбда-зонд имеет отдельный провод для заземления. 3-4-проводные датчики имеют дополнительные провода для нагревательного элемента (питающий и управляющий).

Титановые лямбда-зонды

Визуально и частично схематично кислородный датчик на основе диоксида титана TiO2 схож с циркониевыми аналогами. Здесь чувствительный элемент реагирует на изменение количества кислорода в составе выхлопа благодаря наличию в составе цепи сопротивления. Принцип действия следующий: на вход датчика подаётся высокоомное напряжение эталонным номиналом 5 вольт, которое, в зависимости от состава смеси, изменяется в пределах при мерно 4 вольт от номинала. Чем богаче ТВС, тем меньше сопротивление на выходе лямбда-зонда. При обеднённой смеси сопротивление растёт. Диапазон изменения колеблется от одного до двадцати кОм, что и фиксирует датчик, передавая эта показания в бортовой компьютер.

Достоинства титанового датчика – отсутствие необходимости в использовании атмосферного воздуха, более низкая рабочая температура (примерно 700°C) и, соответственно, меньшее время выхода в рабочий режим (порядка 15 секунд).

Считается также, что лямбда-зонд на титановых элементах характеризуется большей точностью измерений.

Но поскольку и в этом типе кислородных датчиков требуется предварительный разогрев, в его конструкцию также включают нагревательный элемент. Но есть у титановых лямбда-зондов и недостатки. Главный – это высокая стоимость. В совокупности с более сложной конструкцией и высокой чувствительностью к перепадам температуры этот тип датчиков О2 большого распространения не получил.

Впрочем, измерить его работоспособность – задача достаточно простая. Для этого требуется обычный вольтметр, который подключается к контактам датчика при выключенном зажигании. Если показания измерительного прибора колеблются в диапазоне 5-7 Ом, он полностью исправен. При больших значениях, вплоть до бесконечного сопротивления, можно говорить о том, что датчик «врёт» или неисправен.

Широкополосные кислородные датчики

Этот тип лямбда-зондов характеризуется наличием двух камер:

• насосной или рабочей,
• измерительной, фиксирующей результаты измерений.

Измерительная камера использует принцип модуляции напряжения для поддержания эталонного состава выхлопа (λ=1). В насосной камере при обеднённой ТВС лишний кислород через специальный диффузионный зазор выводится наружу. Если смесь обогащённая, дефицит ионов кислорода компенсируется всасыванием необходимого количества воздуха из атмосферы через тот же диффузионный зазор.

Эти процессы сопровождаются изменением направления тока, величина которого пропорциональна объёму перемещаемого кислорода. Именно это значение и служит для детектирования величины λ (в пределах 0.7-1.7 от номинального значения).

Отметим, что рабочая температура широкополосного датчика ещё меньше – около 600°C, но и в этом случае наличие нагревательного элемента является необходимым.

Симптомы неисправности кислородных датчиков

Далеко не всегда лямбда-зонд выходит из строя внезапно и в один момент. В большинстве случаев это происходит постепенно, исподволь, что сильно затрудняет диагностику устройства.

Среди главных причин возникновения неисправностей лямбда зонда, приводящих к неконтролируемому процессу образования топливовоздушной смеси, нужно отметить следующие:

• разгерметизация корпуса кислородного датчика (в основном касается циркониевых устройств),
• проникновение в лямбда-зонд выхлопа и атмосферного воздуха,
• перегрев кислородного датчика из-за неисправностей других узлов автомобиля (например, системы зажигания),
• сбои в работе или нарушение целостности электропроводки на участке между лямбда-зондом и ЭБУ,
• моральный износ,
• получение датчиком механических повреждений (попадание камней, наезд на твёрдые препятствия).

Впрочем, последняя из вышеперечисленных причин действительно может привести к мгновенной поломке датчика, но для всех остальных характерно медленное ухудшение показателей работы силового агрегата. Именно по этой причине многие автовладельцы, в особенности без наличия опыта эксплуатации ТС, замечают неполадки в работе двигателя далеко не сразу. Но даже опытные автомобилисты зачастую не видят связь между ухудшением параметров работы мотора и функционированием кислородного датчика, поскольку такая симптоматика может свидетельствовать о поломке множества других узлов и деталей автомобиля.

Как правило, признаки выхода из строя лямбда-зонда проявляются в несколько этапов.

Сначала датчик начинает выдавать сигналы в бортовой компьютер с перебоями, что проявляется в основном при работе силового агрегата в режиме ХХ. Таким образом, нестабильность оборотов на холостом ходу – первый симптом того, что лямбда-зонд, возможно, уже не справляется со своей задачей должным образом.

Проявляется эта неисправность плавающими оборотами, причём в достаточно широком диапазоне. Не прогретый автомобиль начинает дёргаться, при работе мотора слышны хлопки, которых ранее не было. В некоторых случаях всё это сопровождается загоранием аварийной лампочки, что заставляет водителей приступить к поиску неисправностей. Но, к сожалению, так бывает далеко не всегда, поэтому автовладельцы либо полностью игнорируют такие отклонения в работе двигателя, либо начинают искать поломки в узле дроссельной заслонки (связка РХХ-ДПДЗ).

Второй этап – выдача датчиком недостоверных данных либо полное прекращение работы на прогретом моторе. Первый признак – потеря двигателем приёмистости и ощутимое запаздывание на нажатие водителем педали акселератора. Дёргание машины при движении сигнализирует о начале серьёзных сбоев в работе лямбда-зонда, но симптомом с самыми опасными для двигателя последствиями является его перегрев, о чём будет свидетельствовать соответствующая сигнальная лампочка или шкала на приборной панели.

В таких случаях, если поиски неисправности не увенчались успехом, полный выход из строя датчика О2 практически неизбежен, что станет причиной появления множества проблем, включая значительное уменьшение ресурса силового агрегата и рост расход горючего. Всё это будет сопровождаться усилением всех появившихся ранее симптомов. Не лишним будет напомнить, что лямбда-зонд (вернее, каталитический нейтрализатор) ответственен также за очистку выхлопа от вредных веществ, поэтому о его поломке может свидетельствовать и резкий запах из выхлопной трубы.

Самой неприятной неисправностью считается разгерметизация кислородного датчика, поскольку данный процесс моет привести к выходу из строя деталей поршневой группы силового агрегата, что чревато дорогостоящим ремонтом. При такой поломке выхлопные газы (по крайней мере, значительная их часть), минуя выхлопную трубу, устремляются в заборный патрубок эталонного атмосферного воздуха. Любое торможение двигателем становится причиной посылки сигналов лямбда-зондом в ЭБУ о существенном переизбытке кислорода в ТВС, что может привести к таким сбоям в работе топливной системы, когда автомобиль вовсе не сможет продолжать движение.

О разгерметизации кислородного датчика будет свидетельствовать заметная потеря мощности при движении на высоких передачах, доносящееся из подкапотного пространства постукивание, а также появление рывков при движении машины на всех режимах. Если заглянуть в моторный отсек, то можно заметить появление большого количества сажи в области свечей и выпускных клапанов.

Резюмируя вышесказанное, перечислим основные признаки неисправности лямбда-зонда:

• увеличение степени токсичности отработанных газов,
• загорание сигнала Check Engine при резком нажатии на педаль акселератора,
• нестабильная динамика движения автомобиля при разгоне,
• плавающие на холостом ходу обороты,
• потрескивающие звуки, появившиеся в районе выхлопной трубы (свидетельствующие о перегреве КН),
• рост потребления топлива,
• частые сообщения от ЭБУ о переобогащённой топливовоздушной смеси,
• загорание индикатора Check Engine при прогреве мотора.

Ещё раз отметим, что все эти симптомы могут свидетельствовать и о наличии совершенно других неисправностей, что затрудняет проведение диагностических мероприятий.

Ресурс лямбда-зонда может варьироваться в достаточно широком диапазоне, от 60 до 120 тысяч километров, однако при эксплуатации автомобиля в тяжёлых условиях, что характерно для российских реалий, этот срок заметно сокращается.

Характерными причинами, приводящими к преждевременной потере функциональности кислородным датчиком, являются:

• использование при установке лямбда-зонда герметиков, не отличающихся стойкостью к высоким температурам (большинство силиконовых герметиков),
• попадание в выхлоп частиц моторного масла в результате износа ЦПГ,
• регулярное использование топлива плохого качества с повышенным содержанием тяжёлых металлов и этила,
• перегрев кислородного датчика по причине неправильно выставленного угла зажигания, а также в результате длительной работы силового агрегата на переобогащённой ТВС,
• неполадки в электроцепи (обрыв сигнального провода, КЗ на массу, некачественная контактная группа),
• слишком частые попытки завести двигатель из-за неполадок в системе впрыска, что становится причиной проникновения ТВС в систему отвода выхлопных газов,
• получение датчиком механических повреждений.

Способы диагностики лямбда-зонда

Поскольку связка КН-КД работает в экстремальных условиях, эксперты рекомендуют проверять исправность лямбда-зонда каждые 10 тысяч километров, независимо от того, появились ли признаки его неисправностей, перечисленные выше, или датчики работают в штатном режиме.

Первичный осмотр – визуальный. Итак, рассмотрим последовательность действий по проверке работоспособности лямбда зонд своими руками:

• отсоединяем клемму лямбда-зонда и проверяем датчик О2 на присутствие механических повреждений,
• демонтируем датчик из коллектора, проводим визуальный осмотр защитного кожуха с той же целью, при наличии загрязнений проводим очистку кожуха,
• наличие сажи на наконечнике лямбда-зонда свидетельствует о работе ДВС на переобогащённой смеси, или о неисправности электронагревателя, что приводит к засорению КД и уменьшению времени его реакции на изменение состава ТВС,
• наличие отложений белесоватого или серого цвета свидетельствуют об активном использовании владельцем авто присадок в топливо или ММ,
• если наконечник датчика блестит – это признак использования топлива с большой концентрацией свинца, что приводит к быстрому износу катализатора и кислородных датчиков.

Во всех этих случаях необходимо предпринять меры по устранению причин образования нагара, а сам лямбда-зонд желательно заменить на новый.

Отметим, что визуальный осмотр далеко не всегда в состоянии выявить сбои в работе КД, поэтому рекомендуется использовать методы, задействующие измерительные приборы.

Диагностика лямбда-зонда мультиметром

Проверка кислородного датчика на наличие неисправностей производится по нескольким характеристикам:

• уровню напряжения в цепи электронагревателя,
• наличию сигнала, идущего от датчика в ЭБУ,
• проверка нагревателя,
• опорному напряжению.

Опишем для начала, как прозвонить лямбда-зонд мультиметром на наличие напряжения в цепи электронагревателя:

• включаем зажигание (датчик демонтировать не нужно),
• подключаем контакты мультиметра к цепи электронагревателя (плюсовой подключается к датчику непосредственно от аккумулятора, желательно через плавкий предохранитель, минусовой – от бортового компьютера),
• на тестере показания должны соответствовать номинальному напряжению АКБ (12В).

Диагностика лямбда-зонда мультиметром

Для замеров опорного напряжения используют ту же схему, по измерительный прибор подключают между массой и сигнальным проводом. Показания мультиметра должны быть близкими к 0.45В..

Диагностика нагревателя проводится немного иначе:

• мультиметр переключается в режим измерения сопротивления,
• отсоединяем разъём от датчика,
• замеряем уровень сопротивления между контактами электронагревателя,
• на датчиках О2 разного типа показания мультиметра будут различаться, но не выходить за диапазон 3-10 Ом.

Измерение сигнала кислородного датчика проводится по следующему алгоритму:

• мультиметр переключаем в режим измерения напряжения,
• заводим силовой агрегат,
• даём мотору прогреться,
• клеммы измерительного прибора подключаем к массе и сигнальному проводу КД,
• увеличиваем обороты вращения коленвала до трёх тысяч,
• напряжение должно изменяться скачкообразно в пределах 0.1-0.9В.

Несоответствие рекомендованным значениям указывает на наличие неисправности датчика, который в большинстве случаев необходимо заменить.

Проверка датчика осциллографом

Осциллограф – прибор, позволяющий производить измерения с фиксацией временных промежутков между пульсациями выходного напряжения.

Технический прибор осциллограф

Приводим последовательность действий, описывающую, как определить неисправность лямбда-зонда осциллографом:

• контакт измерительного прибора замыкаем на сигнальный провод,
• производим пуск силового агрегата с прогревом до рабочей температуры,
• повышаем обороты мотора до 1900-2600,
• наблюдаем наличие/отсутствие отклонений в работе кислородного датчика – если временной интервал превышает 120 мс или показания напряжения выходят за границы 0.1-0.9 В, можно утверждать о неисправности лямбда-зонда.

Иные методы диагностики

Наличие ЭБУ уже позволяет существенно сузить рамки поиска неисправностей. Достаточно подключить к бортовому компьютеру автосканер, чтобы уточнить, по какой причине загорелся индикатор Check Engine. Приводим список ошибок, относящихся к лямбда-зонду:

Р0130 – КД1 отсылает неверные данные,

Р0131 – сигнал от КД1 слишком низкий,

Р0132 – сигнал от КД1 очень высокий,

Р0133 – КД1 запаздывает с отсылкой данных,

Р0134 – отсутствие сигнала от КД1,

Р0135 – неисправен нагреватель КД1,

Р0136 – короткое замыкание на землю в цепи КД2,

Р0137 – сигнал от КД2 слишком низкий,

Р0138 – сигнал от КД2 очень высокий,

Р0140 – обрыв в цепи КД2,

Р0141 – неисправен электронагреватель КД2,

Р1102 – нагреватель ДК имеет низкое сопротивление,

Р1115 – цепь нагрева ДК повреждена.

Наличие автосканера позволят более точно определить причину выхода из строя кислородного датчика, экономя время и силы при проведении диагностических работ.