Jak działa czujnik tlenu w samochodzie

Czujnik tlenu: Urządzenie używane do rejestrowania ilości tlenu pozostałego w spalinach silnika pojazdu. Znajduje się w układzie wydechowym obok katalizatora. Elektroniczna jednostka sterująca silnika (ECU) na podstawie danych otrzymanych z sondy lambda koryguje obliczenia optymalnej proporcji mieszanki powietrzno-paliwowej.Nadmiar powietrza w jego składzie jest oznaczony w przemyśle motoryzacyjnym literą grecką lambda (λ), dzięki czemu czujnik otrzymał drugą nazwę - sonda lambda.

Co to jest współczynnik nadmiaru powietrza λ

Przed zbadaniem czujnika tlenu i zasady jego działania konieczne jest określenie tak ważnego parametru, jak współczynnik nadmiaru powietrza w mieszance powietrzno-paliwowej: co to jest, co na niego wpływa i dlaczego jest mierzony przez czujnik.

W teorii silników spalinowych istnieje coś takiego jak stosunek stechiometryczny - jest to idealny stosunek powietrza do paliwa, przy którym następuje całkowite spalanie paliwa w komorze spalania cylindra silnika. To bardzo ważny parametr, na podstawie którego obliczane są tryby zasilania paliwem i pracy silnika. Odpowiada to 14,7 kg powietrza na 1 kg paliwa (14,7:1). Oczywiście taka ilość mieszanki paliwowo-powietrznej nie wchodzi do cylindra w tym samym czasie, to tylko proporcja, która jest przeliczana na rzeczywiste warunki.

Współczynnik nadmiaru powietrza (λ) to stosunek między rzeczywistą ilością powietrza wchodzącego do silnika a teoretycznie wymaganą (stechiometryczną) ilością do całkowitego spalenia paliwa. Mówiąc najprościej, jest to „ile więcej lub mniej powietrza dostało się do cylindra, niż powinno”.

Według wartości lambda wyróżnia się trzy rodzaje mieszanek paliwowo-powietrznych:

• λ = 1 - mieszanina stechiometryczna;
• λ < 1 — „bogata” mieszanka (недостача водуха; избыток фильпа);
• λ > 1 - mieszanka „słaba” (nadmiar powietrza; brak paliwa).

Nowoczesne silniki mogą pracować ze wszystkimi trzema rodzajami mieszanek, w zależności od aktualnej działalności (oszczędność paliwa, intensywne przyspieszanie, redukcja stężeń zanieczyszczeń w spalinach). Z punktu widzenia optymalnych wartości mocy silnika współczynnik lambda powinna mieć wartość około 0,9 (mieszanka „bogata”), minimalne zużycie paliwa odpowiada mieszance stechiometrycznej (λ=1). Najlepsze wyniki w oczyszczaniu spalin obserwuje się również przy λ = 1, gdyż wydajna praca katalizatora następuje przy składzie stechiometrycznym mieszanki powietrzno-paliwowej.

Cel sondy lambda

Nowoczesne samochody standardowo wykorzystują dwie sondy lambda (do silników rzędowych). Jeden przed katalizatorem (górna sonda lambda) i drugi za nim (dolna sonda lambda). Nie ma różnicy w konstrukcji górnego i dolnego czujnika, mogą być takie same, ale pełnią różne funkcje.

Przedni lub przedni czujnik tlenu wykrywa resztkowy tlen w spalinach. Na podstawie sygnału z tego czujnika sterownik silnika „rozumie”, na jakiej mieszance paliwowo-powietrznej pracuje silnik (stechiometrycznej, bogatej czy ubogiej). W zależności od wartości sondy lambda i wymaganego trybu pracy, ECU reguluje ilość paliwa dostarczanego do cylindrów. Zazwyczaj dostarczanie paliwa jest sterowane w kierunku mieszanki stechiometrycznej.

Należy zauważyć, że po rozgrzaniu silnika sygnały z czujników są ignorowane przez sterownik silnika do momentu osiągnięcia temperatury roboczej.

Dolna lub tylna sonda lambda służy do dalszej regulacji składu mieszanki i monitorowania pracy katalizatora.

Jak działa czujnik tlenu

W nowoczesnych samochodach stosowane są różnego rodzaju sondy lambda. Rozważ urządzenie i zasadę działania najpopularniejszego z nich - czujnika tlenu na bazie dwutlenku cyrkonu (ZrO2). Czujnik składa się z następujących głównych elementów:

• Elektroda zewnętrzna - w kontakcie ze spalinami.
• Elektroda wewnętrzna - w kontakcie z atmosferą.
• Element grzejny - służy do szybszego nagrzewania sondy lambda i doprowadzenia jej do temperatury roboczej (ok. 300°C).
• Elektrolit stały - umieszczony pomiędzy dwiema elektrodami (tlenek cyrkonu).
• Obudowa.
• Osłona końcówki - posiada specjalne otwory (perforacje) do wprowadzania spalin.

Elektrody zewnętrzna i wewnętrzna są pokryte platyną. Zasada działania takiej sondy lambda opiera się na występowaniu różnicy potencjałów między wrażliwymi na tlen warstwami platyny (elektrody). Dzieje się tak, gdy elektrolit jest podgrzewany, gdy przechodzą przez niego jony tlenu z powietrza i spalin. Napięcie na elektrodach czujnika zależy od stężenia tlenu w spalinach. Im wyższy, tym niższe napięcie. Zakres napięcia sygnału czujnika tlenu wynosi od 100 do 900 mV. Sygnał ma kształt sinusoidalny, w którym wyróżnia się trzy zakresy: od 100 do 450 mV - mieszanka uboga, od 450 do 900 mV - mieszanka bogata, 450 mV odpowiada składowi stechiometrycznemu mieszanki powietrzno-paliwowej.

Czas trwania sondy lambda

Sonda lambda to jeden z czujników, który dość szybko się zużywa. Wynika to z faktu, że jest w ciągłym kontakcie ze spalinami, a jego zasoby zależą bezpośrednio od jakości paliwa i kondycji silnika. Na przykład cyrkonowy czujnik tlenu ma żywotność od 70 do 130 000 kilometrów.

Ponieważ oba czujniki tlenu (górny i dolny) są monitorowane przez pokładowy system diagnostyczny OBD-II, jeśli jeden z tych czujników ulegnie awarii, zostanie zarejestrowany odpowiedni błąd, a na tablicy przyrządów zaświeci się wyświetlacz „Sprawdź silnik”. W takim przypadku usterkę można zdiagnozować za pomocą specjalnego skanera diagnostycznego. Od „pracowników państwowych” można zwrócić uwagę na Scan Tool Pro Black Edition.

Ten koreański skaner różni się od analogów wysoką jakością wykonania i możliwością diagnozowania wszystkich podzespołów i podzespołów samochodu, a nie tylko silnika. Może również monitorować wszystkie czujniki (w tym tlen) w czasie rzeczywistym. Skaner jest kompatybilny ze wszystkimi popularnymi programami diagnostycznymi. Znajomość dopuszczalnych wartości napięcia pomoże w ocenie stanu czujnika.

Jeśli czujnik tlenu działa prawidłowo, charakterystyką sygnału jest gładka fala sinusoidalna, która pokazuje częstotliwość przełączania co najmniej 8 razy w ciągu 10 sekund. Jeśli czujnik ulegnie awarii, przebieg będzie różnił się od wzorca lub jego reakcja na zmiany w składzie mieszanki ulegnie znacznemu spowolnieniu.

Główne awarie sondy lambda:

• zużycie podczas pracy (starzenie);
• awaria elementu grzejnego;
• zanieczyszczenie.

Wszystkie tego typu problemy mogą być spowodowane stosowaniem paliwa niskiej jakości, przegrzaniem, dodawaniem różnych dodatków, wnikaniem olejów i detergentów w obszar roboczy czujnika.

Oznaki awarii czujnika:

• Aktywacja lampki awarii na desce rozdzielczej.
• Utrata mocy.
• Słaba reakcja przepustnicy.
• Szarpanie silnika na biegu jałowym.

Rodzaje czujnika tlenu

Oprócz tlenku cyrkonu stosuje się również szerokopasmowe i tytanowe czujniki tlenu.

1. Tytan. Ten typ czujnika ma element czujnikowy z dwutlenku tytanu. Temperatura pracy takiego czujnika zaczyna się od 700°C. Tytanowe sondy lambda nie wymagają powietrza atmosferycznego, ponieważ ich zasada działania opiera się na zmianie napięcia wyjściowego w zależności od stężenia tlenu w spalinach.
2. Szerokopasmowy. To ulepszony model sondy lambda. Składa się z czujnika cyrkonu i elementu pompującego. Pierwsza mierzy stężenie tlenu w spalinach i rejestruje napięcie spowodowane różnicą potencjałów. Zmierzona wartość jest następnie porównywana z wartością odniesienia (450 mV) i w przypadku odchylenia przykładany jest prąd, który powoduje wtryskiwanie jonów tlenu ze spalin. Trwa to do momentu, gdy napięcie osiągnie określoną wartość.

Sonda lambda jest bardzo ważnym elementem systemu zarządzania pracą silnika, a jej awaria może utrudnić prowadzenie samochodu i spowodować większe zużycie innych części silnika. A ponieważ nie można go naprawić, należy go natychmiast wymienić na nowy.