Индикатор работы лямбда-зонда

Рейтинг:  5 / 5

Подробности

Категория: Прочие схемы

Опубликовано: 20.03.2017 20:30

Просмотров: 5157

В.В. Михальчук г. Киев
В современных инжекторных двигателях внутреннего сгорания применяют сложную систему управления, основанную на показаниях различных датчиков. Важное место в схеме регулирования занимает датчик кислорода или лямбда-зонд. Показания датчика зависят от количества остаточного кислорода в выхлопных газах (отсюда и название - кислородный датчик), что позволяет косвенным образом определять состав топливной смеси, обогащение или обеднение (второе название - от названия символа "лямбда", который обозначает коэффициент избытка воздуха в топливно-воздушной смеси).

Электронный блок управления двигателя (ЭБУ) корректирует состав топливной смеси по показаниям лямбда-зонда, поэтому правильность показаний (исправность) датчика имеет особую важность. Неисправность лямбда-зонда влечет за собой значительное увеличение расхода топлива и ухудшение динамики, неустойчивый холостой ход, выход из строя катализатора, а в худшем случае может стать причиной еще более серьезной поломки двигателя с необходимостью капремонта. Так как ресурс работы лямбда-зонда ограничен и зависит от условий эксплуатации (в нормальных условиях 30...70 тыс. км пробега), желательно периодически контролировать работоспособность датчика внешними измерительными приборами, поскольку самодиагностика автомобиля в большинстве случаев не позволяет выявить неисправность (или значительное старение) кислородного датчика.
Физически датчик представляет собой электрохимический элемент, выполненный на основе оксида циркония, электрические свойства которого проявляются при достижении температуры порядка 350°С, поэтому большинство датчиков выполняются с подогревом. Разность потенциалов возникает из-за разных концентраций кислорода в окружающей атмосфере и выхлопных газах (по этой причине иногда датчик называют двухкамерным). Электрический потенциал снимается с пористых пластин (напыление на основе платины), которые сильно подвержены отравлению различным загрязнением, особенно свинцом, поэтому применение этилированного бензина недопустимо.
Функциональная схема датчика кислорода на основе диоксида циркония, расположенного в выхлопной трубе, показана на рис.1, где 1 - твердый электролит ZrO2; 2,3 - наружный и внутренний электроды; 4 - контакт заземления; 5 -"сигнальный контакт"; 6 - выхлопная труба. Более подробно конструкция лямбда зонда описана на сайте http://www.auto-citychannel.com/news/s2947.html. Также существуют датчики из оксида титана, принцип действия которых основан на изменении объемного сопротивления, но широкого распространения эти датчики не получили из-за сложности и дороговизны.
 

Интервал выходных значений циркониевых лямбда-зондов — от 0,1 до 0,9 В, изменение скачкообразное (поэтому датчики называют двухуровневыми). Низкое напряжение на датчике означает высокое содержание кислорода в выхлопных газах (обедненную топливную смесь), высокое напряжение свидетельствует о низком содержании кислорода (обогащенной смеси). В нормально работающем двигателе напряжение на исправном лямбда-зонде постоянно меняется относительно опорного, которое выставляется ЭБУ (обычно опорное напряжение составляет 0,45 В - половина от рабочего диапазона датчика, но может быть и другим).
Со временем датчик вырабатывает ресурс, и параметры ухудшаются: уменьшается диапазон выходных потенциалов (особенно на слабо прогретом двигателе или на холостом ходу), снижается частота и скорость переключения (из-за отравления или закупорки пористых электродов). Критерием годности можно считать следующие предельные параметры работы датчика: низкий потенциал (обедненная смесь) - не более 0,2 В; высокий потенциал (обогащенная смесь) — не менее 0,7 В; частота переключений - более 1 Гц; скорость переключения - не более 0,2 с.
Проще всего оценить пригодность лямбда-зонда с помощью осциллографа, лучше запоминающего (сигнал изменяется хаотично, и проследить уровни и скорость изменения сигнала обычным осциллографом сложно). Иметь подобный прибор в гараже накладно. Поэтому предлагаю для повторения очень несложную конструкцию узкодиапазонного вольтметра на базе микросхемы управления светодиодной шкалой LM3914 (10-разрядный светодиодный индикатор), электрическая схема которой показана на рис.2. Светодиодная индикация обладает достаточным быстродействием, что в данном случае очень существенно, так как измеряется постоянно меняющийся по уровню



сигнал (обычные стрелочные вольтметры, не говоря уже о цифровых, плохо подходят из-за большой инерционности).
Благодаря широким возможностям и большой универсальности микросхема LM3914 достаточно известна и применяется повсеместно. В нашем случае, большим достоинством является относительно низковольтное питание (менее 3 В), что дает возможность использовать локальное батарейное питание и не привязываться к аккумулятору автомобиля, а также не учитывать различные варианты включения лямбда-зонда (различные опорные напряжения) - сигнал измеряется непосредственно на датчике, и не важно, подключен датчик к массе или нет. Второе важное преимущество LM3914 -возможность работы в двух режимах: как в режиме "светящийся столб", так и в режиме "бегущая точка", который более удобен для восприятия скорости изменения уровней.
Также в схеме есть внутренний регулируемый стабилизатор для создания опорных напряжений (от 1,2 В до 12 В). И еще один немаловажный факт — к настоящему времени разработано достаточно много печатных плат различных светодиодных индикаторов на базе LM3914 (рис.3), которые широким ассортиментом представлены на радиорынках (есть также наборы "Мастер КИТ"), поэтому с небольшой доработкой можно применить любую готовую печатную плату (стоимость порядка 0,5 дол.).

    

Особенность предлагаемой схемы включения - фиксация опорного напряжения таким образом, чтобы обеспечить индикацию в диапазоне 0...1 В с шагом 0,1 В (установлен делитель на выход внутреннего стабилизатора 1,25 В - R2R3). На схеме дополнительно пунктиром показан переключатель режима работы - "бегущая точка" или "светящийся столб" (он не используется). И еще: без установки защитного диода VD1 1 напряжение питания можно снизить до 3 В, но это требует особой аккуратности при установке батареи питания (выключатель питания не показан).
Назначение выводов микросхемы: 1 - выход токового ключа первого светодиода; 2 - общий провод ("минус") питания; 3 - напряжение ("плюс") питания; 4 - опорный вход минимального уровня; 5 — сигнальный вход; 6 — опорный вход максимального уровня; 7 - выход внутреннего стабилизатора (токовая нагрузка определяет яркость свечения све-тодиодов); 8 - регулятор внутреннего стабилизатора; 9 -выбор режима "бегущая точка" или "светящийся столб"; 18-10 - выходы токовых ключей светодиодов 2-10.
Измерение необходимо проводить на прогретой машине, датчик не отключается от проводки (рис.4). Проще всего проколоть щупами с тонкой иглой изоляцию сигнальных проводов (они тоньше, чем провода подогрева или цветные). Также следует соблюдать осторожность, чтобы не обжечься, поскольку датчик установлен в выпускном коллекторе. Проще подключиться на холодной машине, а затем завести двигатель и наблюдать за изменением показаний прибора по мере прогрева (сначала показания будут медленно нарастающими с 0,1 В до 0,4 В, затем начнут меняться от О В до максимума, увеличивая амплитуду и скорость изменения по мере прогрева). По показаниям прибора

       

(рис.5) можно узнать текущий состав смеси (например, сделав прогазовку первоначально, получим обогащенную смесь). Косвенным образом прибором можно определить другие неисправности двигателя (если лямбда-зонд заведомо исправен), а именно, если показания прибора постоянно низкие, возможен подсос воздуха в обход расходомера воздуха.

     

В статье был рассмотрен один достаточно специфический вариант использования микросхемы управления светодиодной шкалой для автомобиля. Также очень эффективно драйвер управления светодиодной шкалой можно использовать для создания вольтметров бортового напряжения (особенно для создания вольтметров с растянутой шкалой - особая точность измерения нужна в диапазоне 12... 14 В). Еще интересен вариант создания различных тахометров с динамичной светодиодной индикацией. Кроме того, не нужно зацикливаться на использовании именно LM3914 (можно применить неполный отечественный аналог К1003ППЗ - микросхему управления светодиодной шкалой - но схема включения будет сложнее). Можно также применить и широко распространенную К1ООЗПП1 (UAA180, A277D) - драйвер "светящийся столб" на 12 светодиодов (очень эффективна для вольтметров и тахометров).

РА 2'2007