سنسور اکسیژن و نقش آن در نحوه کارکرد موتور خودرو ؟

بیشتر خودروهای جدید به قطعه‌ای با نام سنسور اکسیژن مجهز شده‌اند که احتمالاً نه از وجود آن خبر دارید و نه با طرز کار آن آشنا هستید. سنسور اکسیژن نام این قطعه است و در این مقاله می خواهیم شما را آن آشنا سازیم.پیشنهاد می کنیم با فروشگاه لوازم یدکی ماشین نو همراه باشید.

سنسور اکسیژن چیست؟

سنسور اکسیژن نخستین بار با هدف جلوگیری از ایجاد آلودگی و کمک به عملکرد بهینه موتور در سال 1976 بر روی خودروی ولو 240 نصب شد. امروزه این سنسور بخشی از سیستم کنترل آلایندگی خودرو محسوب می‌شود که اطلاعات خود را مستقیماً به ECU (کامپیوتر خودرو) ارسال می‌نماید.

هدف از طراحی این سنسور این است که موتور در بهینه ترین و اقتصادی ترین حالت ،کار کند و کمترین میزان گازهای آلاینده را تولید کند.

سنسور اکسیژن یا سوند لامبدا یک قطعه الکترونیکی است که نسبت اکسیژن موجود در یک گاز یا مایع را اندازه‌گیری می‌کند. این نسبت به نام نسبت لامبدا  خوانده می‌شود.

سنسور اکسیژن در مسیر خروج گازهای موتور نصب می شود و می تواند مخلوط غنی و فقیر را تشخیص دهد. مکانیزم کاری در اکثر سنسورهای اکسیژن به این صورت است که یک واکنش شیمیایی در آنها رخ می دهد و بر اثر آن ولتاژی تولید می شود. سپس کامپیوتر موتور این ولتاژ را بررسی می کند و می فهمد که وضعیت سوخت چطور است (غنی یا فقیر) و مقدار سوخت ورودی به موتور را بر اساس آن تنظیم می کند.

در واقع این سنسور مقدار اکسیژن های نسوخته خارج شده از موتور که وارد اگزوز می شوند را کنترل می کند.

از آنجاییکه حرکت یک خودرو با سوختن بنزینی در موتور ممکن می‌شود بنزین نیز برای سوختن به اکسیژن نیاز دارد. در موتورهای بنزینی نسبت ایده آل اکسیژن به بنزین 14.7 به 1 واحد است. به بیان ساده‌تر به ازای هر 14.7 واحد هوا می‌بایست یک واحد بنزین وجود داشته باشد تا فرآیند سوختن به بهترین شکل ممکن صورت پذیرد.

• اگر مقدار هوا کمتر از 14.7 باشد، بعد از احتراق بنزین اضافی باقی می ماند که به این حالت سوخت غنی می گویند (یعنی بنزین زیادتر از نرمال، هوا کمتر از نرمال ( که منجر به آلودگی می شود.
• اگر مقدار هوا بیشتر از 4.7 باشد به این معناست که اکسیژن اضافی در سوخت وجود دارد که به این حالت سوخت فقیر می گویند (بنزین کم، هوای زیاد). معایب تولید سوخت فقیر تولید بیشتر آلاینده های نیتروژن-اکسید، عملکرد ضعیف و حتی آسیب رسیدن به موتور است.

در مقابل اگر میزان هوا بیش از مقدار یادشده باشد احتراق با تولید آلاینده‌هایی مانند نیتروژن اکسید همراه خواهد شد که به آن سوخت ضعیف نیز گفته می‌شود. وجه مشترک هر دو حالت تولید آلودگی بیشتر و آسیب رسیدن به موتور است.

مفهوم حلقه باز (Open Loop) و حلقه بسته (Closed Loop)

هنگامی که کامپیوتر موتور میزان پاشش انژکتورها (یا نسبت بنزین و هوا) را بر اساس اطلاعات به دست آمده از سنسور اکسیژن تنظیم می کند (مثل حالتی که موتور به دمای ایده آل رسیده باشد) به این حالت Closed Loop می گویند. در این حالت داده های حاصل از سنسور اکسیژن مدام در حال تغییر و نوسان هستند.

هنگامی که هیچ سیگنالی از سنسور اکسیژن دریافت نشود (مثل سرد بودن موتور اول صبح موقع استارت) یا این سنسور از کار بیفتد، کامپیوتر موتور یک مقدار ثابت (بدون تغییر) که به صورت سوخت غنی است در نظر می گیرد و موتور بر اساس آن کار می کند. به این حالت Open Loop می گویند زیرا هیچ سیگنالی از سنسور اکسیژن برای تنظیم نسبت سوخت و هوا به کار نمی رود.

سنسور اکسیژن نیاز به گرم شدن دارد تا کار خود را شروع کند. اگر موتور خودرو وقتی که سنسور اکسیژن به دمای ایده آل خود رسید وارد مرحله Closed Loop نشود یا در اثر قطع سیگنال سنسور اکسیژن از مرحله Closed Loop خارج شود، موتور با سوختی بسیار غنی کار خواهد کرد و باعث افزایش مصرف و آلایندگی می شود.

عوامل دیگری مثل خرابی سنسور دمای آب (فشنگی آب) نیز ممکن است باعث جلوگیری از وارد شدن موتور به حالت Closed Loop شود زیرا کامپیوتر موتور برای تصمیم گیری در مورد ورود به این حالت اطلاعات حاصل از سنسور دمای آب را نیز بررسی می کند تا متوجه گرم شدن موتور بشود.

جنس سنسور اکسیژن

سنسور اكسيژن‌ شامل‌ بدنه‌ سراميكي‌ با سره‌ پلاتينيوم‌ است‌. سره‌ سنسور توسط‌ غلاف‌ فلزي‌ محافظت‌ شده‌ است‌. محدوده‌ خارجي‌ اين‌ سراميك‌ پوشش‌ داده‌ شده‌ در معرض‌ اكسيژن‌ موجود در اگزوز قرار دارد.

قسمت‌ داخلي‌ آن‌ به‌ اكسيژن‌ موجود در اتمسفر مرتبط‌ است‌. اختلاف‌ بين‌ اين‌ دو نقطه‌ باعث‌ توليد ولتاژ در سنسور مي‌شود.

محل قرار گیری سنسور اکسیژن در ماشین

قبل‌ از اين‌كه‌ سنسور عمل‌ كند بايد در حدود 300 درجه‌ سلسيوس‌ گرم‌ شود (در حدود 600 درجه‌ فارنهايت‌) و بهترين‌ عملكرد را در حدود دماي‌ 1400 درجه‌ فارنهايت‌ دارا است‌. لذا ‌ آن‌ را در محل قرارگیری اگزوز قرار داده اند. در اکثر مواقع، سنسور اکسیژن، نزدیک منیفولد دود نصب می شود، ولی در مواردی نیز این سنسور بر روی لوله های رابط و یا کاتالیست نیز نصب می گردد.

سنسور اکسیژن در مسیر گازهای خروجی از موتور نصب می‌شود تا میزان اکسیژن وارد شده به اگزوز را کنترل کند. این سنسورها با سنجش میزان اکسیژن خارج‌ شده از موتور یک ولتاژ کوچک تولید می‌کنند.

کامپیوتر خودرو نیز این ولتاژ را دریافت کرده و بر اساس مقدار آن به وضعیت عمل احتراق پی می‌برد.

عوامل متعددی مانند میزان ارتفاع از سطح دریا، دمای هوا، دمای موتور، میزان فشار جو و فشار وارد شده بر روی موتور می‌توانند بر مقدار اکسیژن واردشده به موتور و درنتیجه کیفیت عمل احتراق تاثیر بگذارند.

با این وصف میزان اکسیژن مورد نیاز همواره باید کنترل و بر اساس شرایط میزان آن کم یا زیاد شود که این کار بر عهده سنسور اکسیژن است. خرابی یا عدم وجود سنسور اکسیژن در خودروها به معنای یک درصد ثابت و همیشگی از هوا و بنزین است که عملکرد خودرو را تحت تاثیر قرار می‌دهد.

• منیفولد خروجی دود

انواع متفاوتی منيفولد خروجي دود  موجود مي باشد، كه به طور مثال در يك موتور رديفي در كناره موتور و يا در موتورهای V شكل در دو طرف موتور قرار مي گيرد و موظف است دودهاي خروجي را از مجاري موجود در سرسيلندر گرفته و به لوله اگزوز انتقال دهد. در محفظه آلومینومی پشت منیفولد میتوانید سنسور را پیدا کنید.

• کاتالیزور

محل دیگری که کارخانه های خودروسازی برای نصب سنسور اکسیژن در نظر می گیرند بر روی کاتالیزور است که وظیفه ی تصفیه نمودن گازهای خروجی را بر عهده دارد، محل قرار گیری این قطعه زیر ماشین، بعد از منیفولد و قبل از خفه کن قابل مشاهده است.

از آنجايي‌كه‌ سنسور اكسيژن‌ براي‌ انجام‌ عملكرد صحيح‌ بايد پيش‌گرم‌ شود، برخي‌ انواع جديدتر شامل‌ يك‌ هيتر دوازده‌ ولتي‌ بوده‌ تا سنسور را هرچه‌ سريعتر به‌ دماي‌ عملكرد برسانند.

عیب‌یابی سنسور اکسیژن

سنسور اکسیژن نیز مانند بسیاری از قطعات دیگر روزی فرسوده شده و نیاز به تعویض خواهد داشت. سنسورهای اکسیژن به مواد مختلفی مانند سرب، سیلیکون، سولفور، خاکستر روغن و مواد افزودنی به سوخت و عوامل محیطی مانند آب، نمک موجود در جاده، روغن و گرد و خاک حساس هستند و این موارد نقش مهمی در خرابی آنها دارند.

همچنین فرسودگی سنسورهای اکسیژن گاهی خود را با کاهش سرعت عمل نشان می‌دهد. این سنسورها معمولاً در کسری از ثانیه میزان اکسیژن موجود در خروجی موتور را تشخیص می‌دهند و ولتاژی از 0.1 تا 0.9 ولت را به کامپیوتر خودرو ارسال می‌کنند. یک سنسور سالم باید نمودار تغییرات پر افت و خیزی داشته باشد. اگر این نوسانات کم باشد نشانه حساسیت کم و خرابی سنسور اکسیژن است.

برای کنترل عملکرد سنسور اکسیژن می‌توانید مقداری پروپان در منیفولد ورودی بریزید تا نوعی ترکیب غنی مصنوعی ایجاد کنید.

سنسورهای سالم باید در زمانی کمتر از 100 میلی‌ثانیه ولتاژی در حدود 0.9 (حداکثر) را به کامپیوتر ارسال کنند. این ولتاژ ره می‌توان توسط دستگاه دیاگ بررسی نمود. از سوی دیگر نیز می‌توان با ایجاد یک مسیر خلا حالت سوخت فقیر را شبیه‌سازی کرد که در این حالت نیز سنسور باید کمترین ولتاژ ممکن را به ECU ارسال کند. همچنین توصیه می‌شود که سنسور اکسیژن پس از طی 160 هزار کیلومتر تعویض گردد.

 

کاربرد سنسور اكسيژن در كاهش ميزان آلاينده ها

اكثر خودروهاى امروزى به مبدل هاى كاتاليزورى «سه منظوره» مجهزند. عبارت سه منظوره به سه آلاينده متداول اشاره مى كند كه مبدل ها بايد مقدار آنها را كاهش دهند. اكثر كاتاليزورها ساختار سراميكى دارند كه لايه اى از يك فلز همانند پلاتين، روديم يا پالاديم سطح آنها را پوشانده است. معمولاً اين مبدل ها طورى طراحى و ساخته مى شوند كه حداكثر سطح ممكن را داشته باشند.

مبدل ها از چند قسمت مختلف همانند كاتاليزورهاى احياكننده، اكسيدكننده و سيستم كنترل تشكيل شده است.

• كاتاليزور احياكننده مولكول هاى NO يا NO2 را به مولكول N2 و O2 تبديل مى كند كه هر دو اينها از اجزاى تشكيل دهنده هوا هستند و هيچ كدام خطرى براى سلامت انسان يا محيط زيست ندارند.
• كاتاليزور اكسيدكننده در اين مرحله هيدروكربن هاى نسوخته و منواكسيدكربن را در سطح پلاتين و پالاديم اكسيد مى کند. اين كاتاليزورها اين مواد را سوزانده و به دى اكسيد كربن تبديل مى كنند. (هر چند كه دى اكسيد كربن اثر مستقيمى بر سلامتى انسان ندارد، اما از عوامل مهم ايجاد اثر گلخانه اى است)
• سيستم هاى كنترل، سومين قسمت يك مبدل كاتاليزورى است .نقش آن كنترل جريان گازهاى خروجى است.

با استفاده از اطلاعات به دست آمده، نسبت هوا به سوخت در سيستم تزريق سوخت در سطح بهينه حفظ مى شود. براى اين كار يك حسگر اكسيژن كه بين موتور و مبدل قرار مى گيرد، ميزان اكسيژن موجود در گازهاى خروجى را مى سنجد و اطلاعات را به رايانه موتور انتقال مى دهد.

رايانه موتور نيز مى تواند با استفاده از اين اطلاعات نسبت هوا به سوخت را افزايش يا كاهش دهد و به سطح بهينه برساند. بدين ترتيب با استفاده از مبدل كاتاليزورى درصد حجمى بسيارى از آلاينده هاى خودروها مثل هيدروژن، منواكسيد كربن، هيدروكربن هاى نسوخته، آلدئيدها و اكسيدهاى نيتروژن به شدت كاهش مى يابد.(منبع)