سنسور اکسیژن

 سنسور اکسیژن یا سنسور لامبدا یک قطعه الکترونیکی است که نسبت اکسیژن موجود در یک گاز را اندازه گیری می کند. در موتور احتراق داخلی این سنسور نسبت اکسیژن موجود در گازهای خروجی از اگزوز رااندازهگیری می کند و مقادیر حاصل برای مدیریت موتور در سیستم های سوخت رسانی انژکتوری و کنترل آلاینده های حاصل از احتراق می رود. در واقع این سنسور میزان غنی یا رقیق بودن نسبت سوخت به هوای ارسال شده به موتور را اندازه گیری می کند. با استفاده از داده سنسور یک سیستم کنترلی فیدبک حلقه بسته مقدار سوخت ارسال شده به موتور را تصحیح می کند. این سنسور توسط شرکت بوش ابداع گردید ودر دهه ١٩٦٠ توسعه یافت.

عوامل بسیاری در غنی یا رقیق شدن مخلوط سوخت تاثیر گزاراند. از جمله : درجه حرارت هوا ، درجه حرارت مایع خنک کننده موتور ، فشار بارومتریک ، موقعیت دریچه گاز ، جریان هوا و بار موتور که برای اندازه گیری تمامی این عوامل ، سنسورهای دیگری وجود دارند. اما اندازه گیری اصلی تغییراتی که در مخلوط سوخت بوجود می آید توسط سنسور اکسیژن انجام می شود. بنابراین بروز هر نوع مشکلی در سنسور اکسیژن می تواند کل سیستم را از شرایط طبیعی خارج کند.

با استفاده از ولتاژ سنسور اکسیژن که از طریق سیستم کنترل حلقه بسته سوخت فرستاده شده ، ECUمخلوط سوخت را تنظیم می کند. تغییرات پی در پی در مخلوط سوخت ( غنی و رقیق شدن مداوم ) ،نوسانات مشابه ای در ولتاژ خروجی سنسور اکسیژن ایجاد می کند

.تغییرات سیگنال خروجی از سنسور اکسیژن نتیجه تغییرات ثابت قبل و بعد از تبدیل مخلوط سوخت غنی به رقیق این است که مبدل کاتالیزوری با راندمان حداکثر کار می کند که این امر تولید آلاینده ها را در حداقل میزان خود نگه می دارد.

دسته بندی سنسورهای اکسیژن از جوانب مختلف

از نظر جنس ماده به کار رفته در سنسور:

1- زیرکونیوم

2- تیتانیوم

سنسور اکسیژن زیرکونیوم چگونه کار می کند :

سنسور اکسیژن زیرکونیوم شبیه یک ژنراتور کار می کند و هنگامی که به اندازه کافی گرم شود، از خود ولتاژتولید می کند. قسمتی از سنسور که در درون منیفولد دود قرار دارد ، یک حباب سرامیکی زیرکونیومی است که انتهای آن روی پوسته منیفولد پیچ می شود. قسمت بیرونی حباب با یک لایه متخلخل از جنس پلاتین پوشیده شده و در درون آن دو نوار پلاتینی وجود دارد که به عنوان الکترودها یا کنتاکت ها به کارمی روند. قسمت بیرونی حباب در معرض گازهای داغ منیفولد دود قرار دارد. اما در درون حباب ، سنسور  الکترودبین هوای محیط و دود اگزوز قرار گرفته است. در سنسورهای اکسیژن قدیمی یک سوراخ کوچک در پوسته ضخیم سنسور وجود داشت که هوا از طریق آن وارد سنسور می شد. در سنسورهای جدید تنفس از میان کانکتور سیم ها انجام می شود و این فضای کم بین عایق بندی و سیم ( ها ) محلی مناسب برای نفوذ هوا به درون سنسور است. بنابراین نباید هرگز روی کانکتورهای سنسور اکسیژن را روغنکاری و چرب نمود زیرا این امر سبب مسدود شدن جریان هوا می شود.

مسیر جریان هوای تازه و گازهای داغ در سنسور اکسیژن این روش نسبت به روش قدیمی ترجیح داده می شود؛ زیرا خطر کثیف شدن یا گرفتگی توسط آب که می تواند از درون سنسور را کثیف یا معیوب کند ، کاهش می یابد.

اختلاف میزان اکسیژن بین اگزوز و هوای محیط در درون سنسور اکسیژن سبب تولید ولتاژ نسبت جریان در میان حباب سرامیکی می شود. هرچه اختلاف اکسیژن بیشتر باشد ، ولتاژ تولیدی سنسور نیز بیشتر خواهد بود. به طور نمونه یک سنسور اکسیژن هنگامی که مخلوط سوخت غنی است و اکسیژن محترق نشده کمی ولت تولید می کند. زمانی که مخلوط سوخت رقیق است، ولتاژ 0.9 در اگزوز وجود دارد ، ولتاژی در حدود ٩ولت می رسد. هنگامی که مخلوط سوخت و هوا بالانس شده یا / خروجی سنسور افت کرده و به حدود 0.٢ولت را تولید می کند. قرار گرفته ، سنسور ولتاژی در حدود 14.7 در نقطه ای ثابت در حدود 0.45ولتاژ خروجی از سنسور اکسیژن در حالتهای مختلف کاری موتورسیگنالی با ولتاژ بالا مبنی بر غنی بودن مخلوط سوخت دریافت می کند ، به منظور ECU هنگامی که کاهش ولتاژی که سنسور تولید کرده ، مخلوط سوخت رارقیق می کند. زمانی که سنسور سیگنالی با ولتاژ دوباره مخلوط سوخت را غنی می ECU ، می فرستد ECUپایین مبنی بر رقیق بودن مخلوط سوخت به کند. رقیق و غنی کردن مخلوط سوخت در طی سرعت های مختلف که به سیستم سوخت رسانی وابسته است، ثابت می ماند.

سنسور اکسیژن برای اینکه سیگنال ولتاژ تولید کند، باید قبل از شروع به کار در حدود ٣٠٠ درجه سلسیوس یا بیشتر گرم شود. بنابراین اکثر سنسورهای اکسیژن در درونشان المنت گرم کن کوچکی دارند که به آنها کمک می کند سریع تر به درجه حرارت عملکرد خود برسند. المنت گرم کن قادر است در زمانی که دور آرام موتور طولانی می شود ، از متوقف شدن عملکرد سنسور جلوگیری نماید. در غیر این صورت سیستم حلقه بسته به حلقه باز تبدیل خواهد شد. سنسورهای اکسیژن دارای گرم کن در خودروهای جدید استفاده شده اند که برخی از آنها دارای سه یا چهار سیم هستند. در سال ١٩٨٢ ، سنسورهای اکسیژن دارای گرم کن پدیدار شدند که یک مدار گرم کن مخصوص در درونشان تعبیه شده بود. در نتیجه این این سنسورها بسیار سریع (تا 60 ثانیه ) به درجه حرارت عملکرد خود می رسیدند. در نتیجه موتور می توانست زودتر در وضعیت حلقه بسته قرار گیرد که پیامد این امر ، کاهش میزان آلاینده ها هنگام روشن شدن موتور در هوای سرد بود. همچنین از سرد شدن ( عدم تولید سیگنال ) سنسور در دور آرام ، جلوگیری می شد.برای تامین ولتاژ تغذیه گرم کن به مدار الکتریکی مجزا نیاز است ؛ بنابراین ، سنسورهای اکسیژن دارای گرمکن معمولاٌ سه یا چهار سیمه هستند .

سنسور اکسیژن تیتانیومی:

در سنسور اکسیژن تیتانیومی از سرامیک خاصی استفاده شده و سیگنال متفاوتی نسبت به سنسور اکسیژنزیرکونیومی تولید می کند.

سیگنال ولتاژ تولید شده با تغییرات نسبت سوخت و هوا دچار تغییر می شود. هنگامی که نسبت سوخت و هوا غنی باشد ، مقاومت سنسور دچار افت شده و به کمتر از ١٠٠٠ اهم می رسد و در زمان رقیق شدن نسبت سوخت و هوا روبه افزایش می نهد و به بیش از ٢٠٠٠٠ اهم خواهد رسید. این کار سبب ایجاد یک موتور ، ولتاژ تغذیهء سنسور راتامین می . ECU نسبت سوخت و هوای استوکیومتریک یا ایده ال می شودکند (بسته به عملکرد، ١ یا ٥ ولت ) و سپس تغییرات به وجود آمده در ولتاژ برگشتی از سنسور را که به سبب تغییرات مقاومت سنسور ایجاد شده ، می خواند. سنسور اکسیژن تیتانیومی تنها در برخی خودروها مورد استفاده قرار گرفته است. از جمله :برخی نیسان های قدیمی طی ١٩٨٧ تا ١٩٩٠ ، جیپ ها و. . .

از نظر نحوه کارکرد:

binary(narrow band) 

linear (wide band) 

: binary یا narrow band سنسور اکسیژن

این نوع سنسور اکسیژن توانایی سنجش یک محدوده باریک نسبت سوخت و هوا را دارا میباشد. در اصل این نوع سنسور یک سوییچ صفر و یک است که تنها این توانایی را دارد که به سیستم تفهیم کند که مخلوط سوخت و هوا فقیر است یا غنی و نمیتواند میزان غنی یا فقیر بودن سوخت را تعیین کند.

: linear یا wide band سنسور اکسیژن

این نوع سنسور اکسیژن مدل جدید تری است که در سال ١٩٩٧ در خودروهای تویوتا مورد استفاده قرارگرفته و در دمای ٣٠٠ درجه و بالاتر کارایی مناسب خواهند داشت. این سنسورها توانایی دارند میزان فقیر گزارش دهند. ECU یا غنی بودن مخلوط سوخت و هوا (از نسبت ٩:١ سوخت به هوا تا هوای خالص) رابه بهتر میتواند میزان پاشش انژکتورها و در نتیجه نسبت سوخت به هوا و آلایندگی را ECU در این حالت تنظیم نماید.

WIDE BAND , NARROW BAND محدوده عملکرد سنسورهای

LEAN BURN ، TURBO CHRGE ، GDI در موتورهای با تکنولوژی های جدید نظیر

موتورهای دیزل جدید و موتور خودروهای مسابقه برای تنظیم هرچه دقیق تر مخلوط ، STRATIFIED سوخت و هوا برای دستیابی به بهترین کارایی حتما باید از این مدل سنسورها استفاده شود. به دلیل سیستم گرمایش متفاوت این سنسورها (صفحات گرم کننده کاملا چسبیده و بین صفحه المان سنسور قرار گرفته اند) سریعتر از سنسورهای معمولی گرم شده و فرایند تبدیل کنترل مدار باز به کنترل مدار بسته سریعتر اتفاق می افتد

MEGAMOTOR CO. - R&D DEPUTY - ENGINE DEVISION

از نظر شکل المان سنسور:

thimble

planar

: THIMBLE سنسور اکسیژن

نمونه ای سنسورهای اکسیژن که شکل المان زیرکونیوم یا تیتانیوم آن به شکل نوک انگشت میباشد. binary- zirconium-thimble تولیدات فعلی گروه خودروسازی سایپا از نوع

: PLANAR سنسور اکسیژن

را آغاز کردند. گرم (planar) در سال ١٩٩٧ برخی خودروسازان ، استفاده از نوعی سنسور اکسیژن جدید کن این سنسور، سطحی هموار و یک المنت زیرکونیومی _ سرامیکی ، شبیه به یک لوله فلزی دارد. یک لایه سرامیکی بر روی الکترودهای رسانا قرار گرفته است. در نتیجه علاوه بر عایق کاری سبب گرم شدن آنی تمامی لایه ها بر روی لوله باریک می شود . این طرح جدید درست مثل سنسورهای زیرکونیومی که از نوع لوله ای هستند ، کار می کند اما با به کار گیری یک فیلم ضخیم ، طول سنسور کاهش یافته ، سبک تر شده و مقاومت آن در برابر آلودگی ها افزایش یافته است. همچنین المنت گرم کن جدید ، به نیروی الکتریکی کمتری نیاز داشته و تنها پس از ١٠ ثانیه به درجه حرارت عملکرد خود می رسد.