Данная статья носит, в основном, познавательный характер, в плане лучшего понимания принципов работы кислородного датчика. Применение подобного индикатора целесообразно для относительно старых автомобилей, где возможности самодиагностики не позволяют определить ухудшение работы кислородного датчика.

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 пробега), желательно периодически контролировать работоспособность датчика внешними измерительными приборами (особенно важно для относительно старых автомобилях, так как самодиагностика таковых не позволяет выявить неисправность (или значительное старение) кислородного датчика).

(Относительно современные блоки управления двигателем при компьютерной диагностике позволяют выполнять мониторинг напряжений на различных датчиках, получаемые измерения имеют высокую точность и достаточную дискретность, поэтому вспомогательные средства измерения обычно не нужны).

Физически датчик представляет собой электрохимический элемент, выполненный на основе оксида циркония, электрические свойства которого проявляются при достижении температуры порядка 350 град, поэтому большинство датчиков выполняются с подогревом. Разность потенциалов возникает из-за разных концентраций кислорода в окружающей атмосфере и в выхлопных газах (поэтому, иногда датчик называют двухкамерным). Электрический потенциал снимается с пористых пластин (напыление на основе платины), которые очень подвержены отравлению различными загрязнениями, особенно свинцом, поэтому применение этилированного бензина недопустимо.
Рис. 2. Схема датчика кислорода на основе диоксида циркония, расположенного в выхлопной трубе 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 http://www.autocitychannel.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 двух уровневыми). Низкое напряжение на датчике означает высокое содержание кислорода в выхлопных газах (обедненную топливную смесь), высокое напряжение – означает низкое содержание кислорода (обогащенную смесь). 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 одного раза в секунду, скорость переключения не более 0,2 сек. Проще всего оценить дальнейшую пригодность лямбда зонда с помощью осциллографа (лучше запоминающего осциллографа, так как сигнал изменяется хаотично и проследить уровни и скорость изменения сигнала сложно обычным осциллографом). Иметь подобный прибор в гараже накладно и сложно. Поэтому предлагаю для повторения очень несложную конструкцию узко диапазонного вольтметра на базе микросхемы управления светодиодной шкалой LM3914 (10-ти разрядный светодиодный индикатор). 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 3В), что дает возможность использовать локальное батарейное питание и не завязываться с аккумулятором 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", последний, более оптимален для восприятия скорости изменения уровней. Также в схеме есть внутренний регулируемый стабилизатор для создания опорных напряжений (от 1,2В до 12В). И еще один немаловажный факт - к настоящему времени разработано достаточно много печатных плат различных светодиодных индикаторов на базе LM3914, которые широким ассортиментом представлены на радиорынках (есть также наборы "Мастер Кит", но их стоимость значительно завышена), поэтому с небольшой доработкой можно применить любую готовую печатную плату (стоимость порядка 2,5грн). Особенность предлагаемой схемы включения - фиксация опорного напряжения таким образом, чтобы обеспечить индикацию в диапазоне 0 - 1В с шагом 0,1В (установлен делитель на выход внутреннего стабилизатора 1,25В - R2, R3). На схеме дополнительно пунктиром показан переключатель режима работы - "бегущая точка" или "светящийся столб" (он не используется). И еще, без установки защитного диода VD11 напряжение питание можно снизить до 3В, но это требует особой аккуратности при установке батареи питания (выключатель питания не показан). Назначение выводов микросхемы: 1 - выход токового ключа первого светодиода, 2 - общий (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 светодиодов), 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, проще всего проколоть щупами с тонкой иглой изоляцию сигнальных проводов (они тоньше, чем провода подогрева или цветные). Также следует соблюдать осторожность, чтобы не обжечься, так как датчик стоит в выпускном коллекторе. Проще подключиться на холодной машине, а затем завести двигатель и наблюдать за изменением показаний прибора по мере прогрева (сначала показания будут постоянными медленно нарастающими с 0,1 В до 0,4В, и только затем начнут меняться от 0 В до максимума увеличивая амплитуду и скорость изменения по мере прогрева). По показаниям прибора можно смотреть текущий состав смеси (например, прогазовав 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.

P.S. 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 - 14В). Еще интересен вариант создания различных тахометров со светодиодной, динамичной индикацией. Кроме того, не нужно зацикливаться на использовании именно LM3914 (можно применить отечественный не полный аналог К1003ПП3 - микросхема управления светодиодной шкалой - один из десяти, но схема включения будет сложнее). Можно также применить и наиболее массовую и широко распространенную К1003ПП1 (UAA180, A277D) - драйвер "светящийся столб" на 12 светодиодов (очень эффективна для вольтметров и тахометров).