Диагностика и замена лябда-зонда

В современном автомобиле лямбда-зонд и катализатор - "неразлучная парочка". "Умерший" лямбда-зонд вынуждает работать не по "правилам" катализатор и автомобиль становится не только экологически "грязным" но и не в меру "прожорливым".Что происходит с лямбда-зондом на автомобиле, на что еще влияет лямбда-зонд, как его проверить, когда и как менять - об этом и пойдет речь в данной статье, адресованной тем, кто ездит на современном автомобиле и тем, кто его обслуживает.

Сначала коротко о самом названии зонда. Лямбда-зонд, ? - зонд, датчик О2, датчик концентрации кислорода, датчик кислорода,lambda-sensor - эти все названия в различных источниках информации об одном и том же - предмете нашего разговора. В мировой практике для оценки состава топливо - воздушной смеси используют коэффициент (обозначается буквой греческого алфавита ? (ламбда), равный отношению количества воздуха поступившего в цилиндры к количеству теоретически необходимого воздуха для полного сгорания поступившего туда топлива. Если ?=1 то смесь принято называть стехиометрической и на одну часть топлива (по массе) для его полного сгорания должно приходиться 14,7 частей воздуха (также по массе). Полное сгорание топлива позволяет получить необходимую топливную экономичность двигателя, а каталитический нейтрализатор отработавших газов может максимально эффективно обезвредить наиболее вредные компоненты выхлопных газов (СО,СН,NОx). Если ?<1 - недостаток кислорода, смесь будет "богатой", если ?>1 - избыток кислорода, смесь будет "бедной". Из всей этой теории для дальнейшего понимания излагаемых вопросов нужно запомнить два момента - лямбда-зонд выдает максимальный выходной сигнал когда смесь "богатая" и минимальный когда смесь "бедная". Контроллер управления двигателем, получая эту информацию, корректирует время впрыска топлива форсунками для поддержания состава смеси близким к стехиометрическому. Рассматривать будем лямбда - зонды, которые устанавливаются на бензиновые двигатели (инжекторные и карбюраторные) т.к. лямбда-зонды на дизельных двигателях только начинают внедряться и пока не получили широкого распространения.

По принципу действия лямбда-зонды (в дальнейшем по тексту - датчики) бывают двух типов. Первый тип (имеющий наибольшее распространение) имеет чувствительный элемент из керамики на основе диоксида циркония. По сути это твердоэлектролитный источник напряжения, который в зависимости от соотношения кислорода в отработавших газах и атмосферном воздухе создает разность потенциалов между двух платиновых электродов, напыленных на его внутреннюю и внешнюю поверхности. Второй тип - резистивный, где чувствительный элемент из оксида титана. По сути это полупроводниковый элемент, который изменяет свою проводимость в зависимости от количества кислорода в отработавших газах. Внутреннее устройство датчиков рассматривать не будем. Ограничимся внешними конструктивными особенностями к которым придется обращаться в дальнейшем. Датчики бывают одно, двух, трех и четырехпроводные и соответственно с таким же количеством штырьков в разъеме для подключения. В датчике с одним проводом этот же провод и является сигнальным. В качестве второго провода используется "масса" автомобиля. В датчике с двумя проводами вместо "массы" используется отдельный провод. В датчике с тремя проводами один провод является сигнальным, в качестве второго используется "масса" автомобиля, по двум другим подается питание 12 вольт на элемент подогрева датчика. В датчике с четырьмя проводами два провода являются сигнальными, по двум другим подается питание 12 вольт на элемент подогрева. Одно и двухпроводные датчики (без подогрева) всегда устанавливаются в выпускном коллекторе как можно ближе к двигателю. Объясняется это тем, что сигнал на выходе появляется только тогда, когда температура чувствительного элемента станет не менее 350?С и чтобы датчик быстрее вступил в работу он должен быстрее прогреться. Трех и четырехпроводные датчики устанавливаются перед катализатором (на расстоянии 100…150 мм), иногда и в корпусе катализатора, а иногда одновременно перед катализатором и за катализатором. Датчик после катализатора используется в системе бортовой диагностики для контроля исправности катализатора и для более точной коррекции состава смеси. Датчики имеют неразборную конструкцию и не требуют обслуживания в процессе эксплуатации. Ресурс датчика - до 100 000 км. пробега автомобиля при условии, что он не подвергался воздействию нештатных факторов, которые могут вывести его из строя при любом пробеге. Здесь необходимо обратить внимание на два момента. Есть внешние факторы, которые приводят к искажению выходных сигналов за счет необратимых процессов в чувствительном элементе датчика и есть внешние факторы, которые искажают выходные сигналы абсолютно исправных датчиков. На чувствительный элемент датчика влияют компоненты топлива и герметиков, применяемых при ремонте. "Отравиться" и потерять "активность" датчик может от одной заправки бензобака этилированным бензином, в котором содержатся соединения свинца (Рb), а также кремнием (Si), входящим в состав силиконовых герметиков различного назначения. В первом случае при "богатой" смеси выходной сигнал будет заниженного уровня, а время перехода сигнала от минимального значения до максимального завышенным, т.е. датчик становится как бы "вялым". Во втором случае при "бедной" смеси выходной сигнал и время переключения будут завышенными. В обоих случаях коррекция времени впрыска топлива будет идти по ложным сигналам, либо система лямбда-регулирования исключит датчик из работы в контуре обратной связи. Если перед местом установки датчика имеется негерметичность выпускного коллектора (трещина в коллекторе, прогоревшая прокладка), то исправный датчик будет регистрировать либо "бедную" смесь, либо сигнал вообще будет отсутствовать, и контроллер будет ложно увеличивать подачу топлива. При пропуске воспламенения смеси в цилиндрах (некачественные свечи, "забитые" форсунки) не вступивший в реакцию горения кислород вместе с топливом поступает в выпускной коллектор где датчик регистрирует "бедную" смесь и контроллер опять же будет увеличивать подачу топлива. Попадание топлива на датчик как указано выше, а также при многократных и безуспешных пусках двигателя (и особенно при пуске с "буксира") не способствует "долголетию" датчика. Если после этого не произошел перегрев датчика, то может произойти "хлопок" в выпускном тракте и датчик может получить механические повреждения (трещины в керамике, нарушения контактов).

Работоспособность датчика необходимо регулярно проверять (каждые 30 000 км.), а сам датчик менять (через 100 000 км.). Это рекомендации производителей датчиков. Что происходит на самом деле в реальной жизни? Автору статьи не приходилось встречаться с ситуацией, когда кто-либо в качестве профилактики обращался бы с просьбой проверки датчика и тем более его замены через указанный интервал пробега. У всех возникает вопрос либо тогда, когда после пуска холодного двигателя через 2…2,5 мин. загорается индикатор "Check engine", либо на определенных режимах работы двигателя этот индикатор то загорается то гаснет, либо заметно возрастает расход топлива. Нередко встречаются и случаи, когда из выхлопной трубы "валит" черный дым , электроды свечей покрываются черным "лохматым" нагаром, расход топлива возрастает до 50 % против 15…20 % в большинстве случаев при отказе датчика. В любом случае отказавший датчик нарушает работу двигателя на холостом ходу, меняется динамика движения автомобиля, ухудшается холодный пуск двигателя за счет шунтирования электродов свечей нагаром. Обильный нагар в цилиндрах "закоксовывает" компрессионные кольца и они не прилегают к зеркалу цилиндра, что приводит к снижению компрессии. Иногда разница по цилиндрам достигает 5…6 кгс\см?. Через образовавшиеся зазоры газы прорываются в картер двигателя и "отравляют" масло, а при длительном и безуспешном пуске холодного двигателя уровень масла может увеличиться в 1,5..2 раза. и разбираться в причинах неудавшегося пуска двигателя приходится только после замены масла и масляного фильтра. Несгоревшее в цилиндрах топливо смывает масляную пленку с зеркала цилиндра и идет сухое трение и износ пары кольцо-цилиндр, что приводит к сокращению ресурса двигателя. Из всего вышесказанного следует, что датчик не такая простая и безобидная "штучка" как может показаться на первый взгляд, т.к. его отказ влечет за собой довольно серьезные последствия.

Для объективной оценки состояния датчика необходимо точно знать минимальное, среднее и максимальное значения выходного сигнала, а также время перехода сигнала от минимального до максимального значения (длительность фронта сигнала в миллисекундах). Поэтому "гаражные" методы диагностики с помощью стрелочного вольтметра, цифрового мультиметра и даже бортовой системы самодиагностики (по кодам вспышек индикатора "Check engine") малопригодны для принятия решения о замене датчика по следующим причинам. С помощью стрелочного прибора (из-за инерционности стрелки) можно определить по колебаниям стрелки только то, что сигнал изменяется. Немного больше информации дает цифровой мультиметр, показывающий среднее значение выходного сигнала. Но здесь тоже может быть неоднозначность. Например, если прибор показывает 0,45 вольт, то может быть неисправным датчик, а может и исправный датчик иметь одинаковые амплитуды максимального и минимального сигналов относительно среднего значения (симметричный сигнал). Если показания более 0,55 вольт, то можно говорить о том, что по каким-то причинам смесь "богатая" (неисправен регулятор давления топлива и давление в системе впрыска завышенное, неисправен расходомер воздуха и др.). Если показания менее 0,35 вольт, то это признак "бедной" смеси (это может быть из-за отсутствия питания на элементе подогрева датчика, трещины в выпускном коллекторе и др.) хотя фактически смесь может быть "богатой". Если применяемый мультиметр имеет режим определения максимального и минимального значений измеряемого сигнала, то результаты измерений будут более информативными и при соответствующем навыке можно более точно определить состояние датчика. Нельзя однозначно положиться и на информацию, полученную по результатам считывания кодов неисправностей с помощью бортовой системы самодиагностики, - можно ошибочно заменить исправный датчик. Допустим, что сосчитан код 13 , который расшифровывается как "низкое значение сигнала датчика кислорода". Низкое значение сигнала будет по ряду причин (см. выше), а что на самом деле - "бедная" смесь, неисправен датчик, не подается питание на элемент подогрева или трещина в коллекторе? Здесь- нужны дополнительные измерения. На многих автомобилях (включая ВАЗ-2110 и его модификации) функция ручного считывания кодов неисправностей не предусмотрена - нужен специализированный сканер. Что же остается для инструментального контроля? Это специальные тестеры для диагностики лямбда-зондов, которые через переходной кабель включаются между датчиком и контроллером управления двигателем, специальные сканеры, которые подключаются к диагностической колодке автомобиля. Процедуру диагностики датчика с помощью этих приборов рассматривать не будем, она подробно изложена в руководствах по эксплуатации на эти приборы. Рассмотрим наиболее доступный и эффективный осциллографический метод с помощью мотор-тестера (который, как правило, имеет режим проверки осциллограм различных напряжений) или с помощью обычного осциллографа. Измерительный щуп прибора нужно подключить к сигнальному проводу датчика (как правило, это черный провод), серый - это "масса" датчика, а два белых - это питание 12 вольт на элемент подогрева. Для случая исправного датчика на прогретом двигателе в режиме холостого хода на экране прибора будут видны равномерные, близкие к синусоиде колебания с частотой 1…5 Гц. с минимальным значением сигнала 0,1 вольт, максимальным 0,9 вольт, вокруг среднего значения 0,45 вольт с длительностью фронтов сигнала не более 250 миллисекунд. Такой же сигнал (только с большей частотой) должен наблюдаться и при повышенных оборотах двигателя. Все вышесказанное относится к датчику, установленному перед катализатором. Сигнал на датчике, установленном после катализатора, (при исправном катализаторе) будет близок к прямой линии примерно на уровне 0,5…0,6 вольт. Если сигнал переменный и близок по форме к сигналам датчика перед катализатором, то катализатор неисправный. Если диагностируется титановый датчик, установленный перед катализатором, то уровень выходного сигнала будет изменяться в диапазоне 0,2…4,5 вольт. и с более крутыми фронтами. Если у циркониевого датчика фронт сигнала превышает 350 мсек., сигнал низкого уровня более 0,2 вольт, а сигнал высокого уровня менее 0,8 вольт - есть повод задуматься о предстоящей замене датчика. Какие наиболее характерные случаи встречаются при диагностике датчиков? Встречаются случаи (почему-то больше на автомобилях FORD-SCORPIO и FORD-SIERRA) когда выходной сигнал "сидит" на "пьедестале" от 1,5 до 3,5…4,5 вольт. Происходит это видимо по причине появления паразитной утечки части напряжения с элемента подогрева на чувствительный элемент датчика. В таком случае (чтобы не менять датчик) можно дополнительным проводом серый провод датчика соединить с "массой" автомобиля и датчик сможет работать дальше. Встречаются случаи, когда выходной сигнал "висит" на максимуме или на минимуме, причем в одних случаях отзывается на резкое нажатие на педаль дроссельной заслонки, а в других случаях нет. О некоторых возможных причинах "зависания" уже говорилось выше. Иногда сигнал можно заставить "колебаться" регулировкой винта на расходомере воздуха или на дозаторе-распределителе топлива (в системах впрыска K-J и KE-J), а иногда причину можно установить только проверив все датчики, задействованные в управлении двигателем, включая и рабочее давление в системе впрыска топлива.

Процедуре установки нового датчика предшествует снятие старого. Старый датчик необходимо осмотреть. Обычно он покрыт черным налетом. Темно-коричневый налет говорит о том, что в выхлопных газах присутствует масло, белые отложения появляются при "отравлении" датчика кремнием или антифризом и чтобы продлить жизнь новому датчику, необходимо устранить указанные причины. Что можно ставить взамен снятого датчика? Понятно, что нужно ставить такой же и с таким каталожным номером, указанным на корпусе. Можно установить и другой аналогичный от другой модели автомобиля, имеющий одинаковый разъем для подключения. Можно вместо однопроводного установить 3-х или 4-х проводный датчик, но при этом обязательно нужно организовать подачу питания 12 вольт на элемент подогрева. Для этого потребуется стандартное реле с одной группой контактов на замыкание, наконечники, предохранитель и провода. Большинство датчиков имеет присоединительную резьбу М18 х1,5. Исключение составляют некоторые автомобили японского производства, где датчик имеет фланец для крепления. При замене такого датчика дополнительно потребуется переходной фланец с двумя отверстиями диаметром 9 мм. с межцентровым расстоянием 45 мм. и центральным отверстием М18 х1,5. Если есть желание сэкономить "кругленькую" сумму, то вместо оригинального датчика можно установить датчик BOSCH 0 258 005 133 (устанавливается на инжекторные автомобили ВАЗ-2110). В этом случае на новый датчик придется переставлять разъем от старого датчика. Здесь есть несколько пожеланий. Провода нужно отрезать не на одном уровне, а "ступеньками" т.к. это в дальнейшем облегчит изоляцию мест пайки, уменьшит вероятность короткого замыкания между проводами и даст возможность одеть на провода штатный термостойкий "чулок". Если меняется 4-х контактный разъем на 4-х контактный то здесь все понятно - нужно соединять провода с одинаковым цветом (обычно это черный, серый и два белых). Если старый разъем был 3-х контактным, без серого провода, то серый провод в четырехпроводном датчике нужно соединить с одним из белых в 3-х контактном разъеме, который выходит на "массу" автомобиля. Нельзя вместо трех и четырехпроводных датчиков устанавливать однопроводные, а также вместо циркониевого титановый и наоборот. Перед установкой датчика на резьбу необходимо нанести антипригарную смазку, для одно и трехпроводных датчиков - токопроводящую смазку, плотно закрутить и проверить по контролируемым параметрам как было сказано выше.