Для квалифицированных специалистов автосервисных предприятий специалисты компании Hella разработали практические советы в сфере тестирования и устранения неполадок с лямбда-датчиками (зондами) автомобиля.
Как известно, лямбда-датчик определяет остаточное содержание топлива или кислорода в выхлопных газах и посредством электросигнала передает эти данные электронному блоку управления (ЭБУ) двигателем, регулирующему соотношение топлива и воздуха в топливовоздушной смеси.
Принципы работы датчика
Хорошее сгорание топлива необходимо для корректной работы каталитических нейтрализаторов. Оптимальными в бензиновом двигателе считаются пропорции, когда на 14,7 части воздуха приходится 1 часть топлива (стехиометрическая смесь). Остаточное содержание кислорода в выхлопных газах должно составлять приблизительно от 0,3 до 3%. Когда этот показатель оказывается ниже, датчик посылает сигнал с соответствующим напряжением в ЭБУ. То же самое, но с другим напряжением сигнала происходит, когда остаточное содержание кислорода повышено в пределах 3%. Процесс измерения остаточного содержания кислорода и обогащения или обеднения смеси повторяется несколько раз в секунду.
Лямбда-датчики бывают разными и разделяются по принципу работы и устройству. Первые два варианта, описанные нами, измеряют выхлопную смесь по принципу «обогащенная» или «обедненная». Третий вариант позволяет передавать ЭБУ сигнал, когда смесь достигает оптимального соотношения.
Первый вариант – генерирует электрический импульс. Рабочим элементом датчика является электрод, покрытый цирконием, который взаимодействует со вторым электродом – пористой керамической оболочкой, покрытой с двух сторон платиной. Этот электрод становится проницаем для ионов кислорода при температуре около 300 градусов Цельсия. Оба датчика как бы фильтруют выхлопную смесь, сопоставляя ее с эталонным (окружающим) воздухом. При обеднении или обогащении смеси этот тип датчиков генерирует импульс, передаваемый на ЭБУ.
Второй вариант конструкции датчика – это используемый в качестве основного элемента электрод из диоксида титана. В этом случае сигнал в ЭБУ формируется на основе показателя электропроводности элемента датчика, который для защиты от агрессивных выхлопных газов заключен в металлическую обойму. При высоком содержании кислорода датчик становится менее проводящим. Когда наблюдается низкое содержание кислорода, датчик лучше проводит электричество. Этот датчик питается от напряжения 5 вольт через комбинацию резисторов. Сигнал, необходимый для блока управления, генерируется падением или повышением сопротивления.
Примечательно. Первые лямбда-зонды, учитывая особенности конструкции, не нагревались, поэтому их нужно было устанавливать ближе к двигателю, чтобы датчик как можно быстрее достигал своей рабочей температуры. Инженеры предложили несколько решений, позволяющих устанавливать датчики в выхлопную систему гораздо дальше от мотора, чем раньше, в том числе интегрированные непосредственно в датчик нагреватели. Это позволило избежать искажения данных, возникающего от перегрева корпуса датчика, и значительно снизило время прогрева рабочего элемента датчика до необходимых температур.
Широкополосный лямбда-датчик позволяет точно измерять соотношение воздуха как в обедненном, так и в насыщенном диапазоне. За счет дожигания выхлопной смеси внутри датчика контролируются любые контрольные значения для дизельных, бензиновых и газовых двигателей, в том числе с экономичной концепцией. Выхлопные газы в широкополосном лямбда-зонде попадают в зону измерения через небольшое отверстие, известное как диффузионный зазор. Внутренние встроенные насосы распределяют выхлопную смесь и эталонный воздух. Чувствительный элемент анализирует состав и определяет, обеднена или обогащена смесь или достигнуто оптимальное значение.
Иногда в выхлопной системе современных экологичных автомобилей устанавливаются два датчика: первый – до катализатора, второй – после, он контролирует эффективность работы первого датчика и катализатора. Амплитуды показателей лямбда-датчиков сравниваются в блоке управления. При сравнении амплитуд зондирования учитываются условия нагрузки и скорость. Если амплитуды напряжения обоих датчиков примерно одинаковы, то ресурс каталитического нейтрализатора, стоящего выше по потоку, достиг предела.
Функция лямбда-датчика обычно проверяется во время испытаний на выбросы выхлопных газов. Однако, поскольку датчик подвержен определенному износу, его рекомендуется проверять приблизительно каждые 30 000 километров, совмещая процедуру с другими регламентными работами.
Если датчик неисправен…
Симптомами некорректной работы лямбда-зонда являются высокий расход топлива, неустойчивая работа двигателя, высокий уровень токсичности выхлопных газов. Подтверждать проблему может загорающаяся контрольная лампа двигателя и соответствующий код ошибки в автомобилях, оснащенных системой самодиагностики. Однако ранние версии системы не способны определить, связана ли проблема с неисправным компонентом или, например, с неисправностью кабеля. В таком случае уточняющие действия должны быть выполнены мастером.
К неисправности лямбда-датчика могут привести следующие причины: механические повреждения или отложения, перегрев датчика, замыкания и отсутствие напряжения на датчике, использование этилированного топлива или присадок.
Когда в выхлопную систему попадет несгоревшее масло, например, из-за неисправных поршневых колец или маслосъемников клапанов, защитная трубка датчика или его корпус забиваются остатками масла. Перегрев возникает по причине выставления неправильной точки зажигания или из-за люфта клапана. Окисление, коррозия в выхлопной системе возникают, когда отсутствует заземление. Использование этилированного топлива приводит к отложению на датчике частиц свинца. Частые поездки на короткие расстояния могут привести к химическому старению датчика, так как он регулярно подвергается воздействию выхлопных газов, не выйдя на свои расчетные рабочие температуры, которые позволяют избавляться от нагара.
Проверки разные нужны
Вместе с совершенствованием системы мониторинга качества топливовоздушной смеси расширяется процедура мониторинга состояния лямбда-датчиков. В нее включены следующие пункты: проверка на короткое замыкание, проверка на размыкание цепи, проверка на обрыв кабеля, проверка на старение датчика.
Проверку датчиков мастера производят с помощью осциллографа, мультиметра, тестера лямбда-датчика, анализатора выбросов. Если датчик состарился или загрязнен, например, из-за присадок к топливу, это неизбежно повлияет на сигнал от него. Сигнал датчика сравнивается с шаблоном сигналов. «Медленный датчик» определяется как неисправность.
Мастеру перед каждой приборной проверкой следует проводить визуальный осмотр, чтобы убедиться в отсутствии повреждений кабелей или разъемов. Кроме того, необходимо иметь в виду, что в выхлопной системе, до места установки датчика, не должно быть пробоев. Необходимо также убедиться, что лямбда-зонд не активен в некоторых рабочих режимах, например во время холодного пуска до достижения рабочей температуры.
Одним из самых быстрых и простых тестов датчиков является измерение с помощью четырехфазного анализатора выбросов. Испытание проводится таким же образом, как и на выбросы выхлопных газов. При наборе рабочей температуры двигателя воздух подключается в качестве переменной помехи путем отсоединения шланга. Из-за изменения состава выхлопных газов также изменяется значение лямбда, которое вычисляется и отображается тестером выхлопных газов. Система формирования смеси должна определять это и производить регулировку в течение определенного времени (60 секунд, как при тестировании выбросов выхлопных газов). Если переменная помех удаляется, значение лямбда должно уменьшаться до исходного значения. В данном тесте следует соблюдать спецификации производителя для подключения переменной помехи и значения лямбда. Однако в любом случае этот тест может определить только то, оказывает ли лямбда-зонд влияние на качество топливовоздушной смеси. Электрическая проверка в этой процедуре отсутствует, то есть существует риск того, что современные системы управления двигателем будут контролировать смесь путем точного определения нагрузки, несмотря на то что лямбда-контроль не работает.
В проверке лямбда-датчика с помощью мультиметра следует использовать только высокоомные приборы с цифровым или аналоговым дисплеем. Мультиметры с низким внутренним сопротивлением (в основном в аналоговых устройствах) перегружают сигнал лямбда-датчика и могут привести к его выходу из строя. Мультиметр подключается параллельно сигнальной линии лямбда-датчика. Диапазон измерения устанавливается на один или два вольта. После запуска двигателя на дисплее появляется значение в диапазоне 0,4–0,6 В (опорное напряжение). При достижении рабочей температуры фиксированное напряжение начинает колебаться между 0,1 и 0,9 вольта. Для получения наиболее точных результатов измерений двигатель следует поддерживать на частоте вращения около 2500 об/мин. Это гарантирует достижение рабочей температуры датчика даже в системах с неотапливаемым лямбда-датчиком. Если температура выхлопных газов будет недостаточной, существует риск того, что неотапливаемый датчик не прогреется и сигнал на прибор контроля генерироваться не будет.
Лучше всего сигнал лямбда-датчика отображается на экране осциллографа. Диапазон измерений, который необходимо установить, зависит от используемого прибора. Если он имеет автоматическое обнаружение сигнала, это следует использовать. Для ручной настройки нужно установить диапазон напряжения 1–5 В и время 1–2 секунды. Частота вращения двигателя должна составлять около 2500 оборотов в минуту. Переменное напряжение отображается на дисплее в синусоидальной форме. По этому сигналу можно оценить следующие параметры: высоту амплитуды (максимальное и минимальное напряжение 0,1–0,9 В), время отклика и длительность периода (частота приблизительно 0,5–4 Гц).
Различные производители предлагают специальные тестеры лямбда-датчиков. В этом устройстве функция датчика отображается с помощью светодиодов. Прибор подключается к сигнальной линии датчика, и, как только достигается рабочая температура, тестер начинает работать, светодиоды попеременно загораются в зависимости от соотношения воздуха и топлива, соответственно, от колебаний напряжения в диапазоне 0,1–0,9 вольта. Следует помнить, что настройки таких приборов относятся к датчикам, передающим информацию ЭБУ за счет изменения напряжения.
Посмотрим и пощупаем
Наряду с электронным тестом представление о функциональных возможностях датчика может дать состояние защитной трубки или корпуса. Если защитная трубка сильно загрязнена, можно допустить предположение, что двигатель работает на слишком насыщенной топливом смеси. Блестящие отложения на защитной трубке свидетельствуют об использовании этилированного топлива. Каталитический нейтрализатор в таком случае необходимо проверить и рекомендовать автовладельцу перейти с этилированного топлива на неэтилированное. Светлые (белые или серые) отложения на защитной трубке говорят о том, что двигатель сжигает масло или присадки в топливо. Необходимо заменить датчик и устранить причину неполадки.
К повреждению лямбда-датчика может привести и неправильный монтаж. Во время установки датчика необходимо использовать специальный инструмент и соблюдать предписанный момент затяжки.
Чтобы проверить нагрев лямбда-датчика, внутреннее сопротивление и подачу напряжения на нагревательный элемент, необходимо отсоединить разъем к лямбда-датчику и с помощью омметра измерить сопротивление на обоих кабелях нагревательного элемента. Оно должно быть от 2 до 14 Ом. Для измерения напряжения питания используйте вольтметр. Напряжение должно быть больше 10,5 В.
При замене лямбда-датчика необходимо также проверить состояние резьбы в выхлопной системе на наличие повреждений и загрязнений. Мастер должен использовать только поставляемую в комплекте с датчиком смазку или смазку, специально предназначенную для лямбда-датчиков. Необходимо исключить контактирование измерительного элемента датчика с водой, маслом, смазкой, чистящими средствами и средствами для удаления ржавчины. Прокладывая соединительные кабели к приборам, следите за тем, чтобы он не соприкасался с горячими или подвижными предметами, не проходил по острым кромкам. Мастеру стоит убедиться, что соединительный кабель имеет достаточный зазор, чтобы он не оторвался от выхлопной системы из-за вибраций и движений. Не лишним будет проинструктировать клиента о том, что использовать какие-либо присадки на основе металлов или топливо, содержащее свинец, не следует.
Таковы базовые знания, которые могут помочь избежать наиболее распространенных проблем, связанных с эксплуатацией и обслуживанием лямбда-зондов автомобиля.
По материалам HELLA