كار سنسور اكسيژن خودرو

سيستم هاي كنترل موتور كامپيوتري شده كنوني ، مبتني بر اطلاعات چندين سنسور به منظور تنظيم عملكرد موتور ، آلاينده ها و ساير عملكردهاي مهم هستند. در صورتي كه اين سنسورها اطلاعات دقيقي را ارائه ندهند ، باعث بروز مشكلاتي در عملكرد موتور از قبيل : افزايش مصرف سوخت و توليد آلاينده ها خواهند شد. يكي از سنسورهاي مهم در اين سيستم ، سنسور اكسيژن است و از آنجايي كه فرمول شيميايي اكسيژن O2 مي باشد ، اغلب آن را سنسور O2 مي گويند. (لازم به ذكر است كه اتم هاي اكسيژن همواره به صورت جفت ( دوتايي ) حركت مي كنند. ) اولين سنسور اكسيژن در سال 1976 بر روي VOLVO 240 به كار رفت. پس از آن هنگامي كه قوانين مربوط به آلاينده ها در ايالت كاليفرنيا كاهش اين مواد مضر را لازم دانست ؛ خودروهاي موجود در كاليفرنيا در سال 1980 از اين سنسور استفاده كردند. كمي بعد قوانين فدرال در مورد آلاينده ها ، نصب سنسور اكسيژن بر روي تمامي خودروها و كاميون هاي سبك ساخته شده در سال 1981 اجباري كرد و حالا با وجود آيين نامه OBD II ، ( خودروهاي ساخته شده از سال 1996 تا كنون ) برخي از خودروها به چند سنسور اكسيژن مجهزاند كه در تعدادي از آنها چهار سنسور اكسيژن به كار رفته است. سنسور اكسيژن بر روي مانيفولد دود نصب شده تا نشان دهد كه ميزان اكسيژن محترق نشده در اگزوز يا به عبارتي آلاينده هاي اگزوز ، چقدر است. بررسي ميزان اكسيژن در اگزوز يكي از راه هاي اندازه گيري مخلوط سوخت و هوا است. اگر مخلوط محترق شده سوخت غني (اكسيژن كمتر ) يا رقيق ( اكسيزن بيشتر ) باشد ، سنسور اكسيژن اين تغييرات را به واحد كنترل الكترونيكي ECU ) ) گزارش مي دهد.

عوامل بسياري در غني يا رقيق شدن مخلوط سوخت تاثير گزاراند. از جمله : درجه حرارت هوا ، درجه حرارت مايع خنك كننده موتور ، فشار بارومتريك ، موقعيت دريچه گاز ، جريان هوا و بار موتور كه براي اندازه گيري تمامي اين عوامل ، سنسورهاي ديگري وجود دارند. اما اندازه گيري اصلي تغييراتي كه در مخلوط سوخت بوجود مي آيد توسط سنسور اكسيژن انجام مي شود. بنابراين بروز هر نوع مشكلي در سنسور اكسيژن مي تواند كل سيستم را ز شرايط طبيعي خارج كند. حلقه ها : ECU با استفاده از ولتاژ سنسور اكسيژن كه از طريق سيستم كنترل حلقه بسته ُ سوخت فرستاده شده ، مخلوط سوخت را تنظيم مي كند. ECU با توجه به اطلاعاتي كه از سنسور اكسيژن دريافت مي كند ، نسبت به تغيير مخلوط سوخت اقدام مي كند. تغييرات پي در پي در مخلوط سوخت ( غني و رقيق شدن مداوم ) ، نوسانات مشابه اي در ولتاژ خروجي سنسور اكسيژن ايجاد مي كند. نتيجه تغييرات ثابت قبل و بعد از تبديل مخلوط سوخت غني به رقيق اين است كه مبدل كاتاليزوري با راندمان حداكثر كار مي كند؛ در حالي كه مخلوط سوخت در بالانس صحيح قرار گرفته است. كه اين امر توليد آلاينده ها را در حداقل ميزان خود نگه مي دارد. اين كار مشكل اما امكان پذير است. گاهي هيچ سيگنالي از سنسور اكسيژن دريافت نمي شود. اين شرايط هنگامي بوجود مي آيد كه موتور سرد براي اولين بار استارت مي خورد و يا اينكه سنسور اكسيژن خراب است. ECU در اين وضعيت فرمان ارسال سوخت غني وبه طور ثابت را اعلام مي كند. اين حالت عملكرد حلقه باز ناميده مي شود ؛ زيرا هيچ گونه از اطلاعات سنسور اكسيژن براي تنظيم مخلوط سوخت استفاده نمي شود. اگر موتور هنگامي كه سنسور اكسيژن به درجه حرارت عملكرد خود مي رسد ، امكان استفاده از سيستم حلقه بسته را از دست دهد يا اينكه اين سيستم به دليل اخلال در ولتاژ خروجي سنسور اكسيژن دچار افت شود ، موتور با سوخت خيلي غني كار مي كند كه نتيجه آن افزايش مصرف سوخت و توليد آلاينده ها است.خرابي سنسور دماي آب نيز مي تواند از شكل گيري سيستم حلقه بسته جلوگيري كند. زيرا ECU فكر مي كند كه همواره درجه حرارت آب موتور در كمترين ميزان خود است ؛ بنابراين از شكل گيري سيستم حلقه بسته ممانعت مي كند. سنسور اكسيژن چگونه كار مي كند : سنسور اكسيژن شبيه يك ژنراتور كار مي كند و هنگامي كه به اندازه كافي گرم شود ، از خود ولتاژ توليد مي كند. قسمتي از سنسور كه در درون مانيفولد دود قرار دارد ، يك حباب سراميكي زيركونيومي است كه انتهاي آن روي پوسته مانيفولد پيچ مي شود. قسمت بيروني حباب با يك لايه متخلخل از جنس پلاتين پوشيده شده و در درون آن دو نوار پلاتيني وجود دارد كه به عنوان الكترودها يا كنتاكت ها به كار مي روند. قسمت بيروني حباب در معرض گازهاي داغ مانيفولد دود قرار دارد. اما در درون حباب ، سنسور ( الكترود) بين هواي محيط و دود اگزوز قرار گرفته است. در سنسورهاي اكسيژن قديمي يك سوراخ كوچك در پوسته ضخيم سنسور وجود داشت كه هوا از طريق آن وارد سنسور مي شد. در سنسورهاي جديد تنفس از ميان كانكتور سيم ها انجام مي شود و اين فضاي كم بين عايق بندي و سيم ( ها ) محلي مناسب براي نفوذ هوا به درون سنسور است. بنابراين نبايد هرگز روي كانكتورهاي سنسور اكسيژن را روغنكاري و چرب نمود زيرا اين امر سبب مسدود شدن جريان هوا مي شود. اين روش نسبت به روش قديمي ترجيح داده مي شود؛ زيرا خطر كثيف شدن يا گرفتگي توسط آب كه مي تواند از درون سنسور را كثيف يا معيوب كند ، كاهش مي يابد. اختلاف ميزان اكسيژن بين اگزوز و هواي محيط در درون سنسور اكسيژن سبب توليد ولتاژ نسبت جريان در ميان حباب سراميكي مي شود. هرچه اختلاف اكسيژن بيشتر باشد ، ولتاژ توليدي سنسور نيز بيشتر خو بود. به طور نونه يك سنسور اكسيژن هنگامي كه مخلوط سوخت غني است و اكسيژن محترق نشده كمي در اگزوز وجود دارد ، ولتاژي در حدود 9/0 ولت توليد مي كند. زماني كه مخلوط سوخت رقيق است ، ولتاژ خروجي سنسور افت كرده و به حدود 2/0 ولت مي رسد. هنگامي كه مخلوط سوخت و هوا بالانس شده يا در نقطه اي ثابت در حدود 14.7 : 1 قرار گرفته ، سنسور ولتاژي در حدود 45/0 ولت را توليد مي كند. هنگامي كه ECU سيگنالي با ولتاژ بالا مبني بر غني بودن مخلوط سوخت دريافت مي كند ، به منظور كاهش ولتاژي كه سنسور توليد كرده ، مخلوط سوخت را رقيق مي كند. زماني كه سنسور سيگنالي با ولتاژ پايين مبني بر رقيق بودن مخلوط سوخت به ECU مي فرستد ، ECU دوباره مخلوط سوخت را غني مي كند. رقيق و غني كردن مخلوط سوخت در طي سرعت هاي مختلف كه به سيستم سوخت رساني وابسته است ، ثابت مي ماند. آهنگ تغيير در موتورهايي كه كاربراتور فيدبك دارند بسيار آهسته است. در نوعي از آنها تا 2500 دور بر دقيقه ( RPM ) يك بار در ثانيه انجام مي شود. موتورهاي داراي سيستم انژكتورتك نقطه اي تا حدي سريع تراند ( دو تا سه بار در ثانيه تا 2500 دور بر دقيقه ). در حالي كه موتورهاي مجهز به سيستم انژكتور چند نقطه اي از همه سريع تراند ( پنج تا هفت بار در ثانيه تا 2500 دور بردقيقه ). سنسور اكسيژن براي اينكه سيگنال ولتاژ توليد كند ، بايد قبل از شروع به كار در حدود 600 درجه سلسيوس يا بيشتر گرم شود. بنابراين اكثر سنسورهاي اكسيژن در درونشان المنت گرم كن كوچكي دارند كه به آنها كمك مي كند سريع تر به درجه حرارت عملكرد خود برسند. المنت گرم كن قادر است در زماني كه دور آرام موتور طولاني مي شود ، از متوقف شدن عملكرد سنسور جلوگيري نمايد. در غير اين صورت سيستم حلقه بسته به حلقه باز تبديل خواهد شد. سنسورهاي اكسيژن داراي گرم كن در خودروهاي جديد استفاده شده اند كه برخي از آنها داراي سه يا چهار سيم هستند. سنسورهاي تك سيمي كه قديمي تراند ، گرم كن ندارند. هنگام تعويض سنسور اكسيژن حتماَ نوع يكسان با نمونه اصلي ( داراي گرم كن يا فاقد گرم كن ) را نصب كنيد. وظيفه جديد سنسور اكسيژن به همراه OBD II : در ابتدا تعداد كمي از خودروها در سال هاي 1994 و 1995 وسپس تمامي خودروهاي ساخته شده از سال 1996 تاكنون ، تعداد سنسور اكسيژنشان دو برابر شد. سنسور اكسيژن دوم پايين تر از مبدل كاتاليزوري نصب شده وراندمان عملكرد مبدل را نشان مي دهد. در موتورهاي V شكل شش و هشت سيلندر با اگزوز دوگانه از چهار سنسور اكسيژن استفاده شده است. يكي در نزديكي هر بلوكه سيلندر و ديگري بعد از هر مبدل كاتاليزوري نصب شده است. سيستم OBD II براي تشخيص ميزان آلاينده ها در طي عملكرد موتور طراحي شده است. اين امر مستلزم وجود قطعاتي است تا عواملي را كه امكان افزايش آلاينده ها را فراهم مي كنند ، شناسايي كند. سيستم OBD II به منظور دانستن عملكرد صحيح مبدل كاتاليزوري و كاهش ميزان آلاينده هاي اگزوز توسط آن ، ميزان اكسيژن گزارش شده از سنسورهاي قبل و بعد از مبدل را( كه به صورت ولتاژ است ) مورد مقايسه قرار مي دهد. اگر OBD II دريابد كه تغييرات ولتاژ بين دو سنسور كم است ويا تغييري وجود ندارد ؛ يعني مبدل كاتاليزوري به درستي كار نمي كند كه اين امر باعث روشن شدن لامپ نشانگر نقص فني ( MIL ) مي شود. عيب يابي سنسور: عملكرد مطلوب سنسور اكسيژن به قابليت توليد ولتاژ آن وابسته است. اين قابليت با افزايش مدت زمان كاركرد سنسور به دليل تجمع آلاينده ها بر روي نوك آن ، كاهش مي يابد. كثيف شدن و گرفتگي سنسور مي تواند توسط مواد مختلفي كه در اگزوز وجود دارند ، ايجاد شود.از قبيل: سرب ، سيليكون ، سولفور ، رسوب روغن و حتي برخي مواد مكمل سوخت. علاوه بر اين سنسور مي تواند توسط عوامل محيطي از جمله : آب ، مواد معدني موجود در جاده ، روغن و كثافات معيوب شود. هرچه طول عمر سنسور افزايش يابد ، كارايي آن كاهش خواهد يافت. هنگامي كه سنسور اكسيژن نسبت به تغييرات مخلوط سوخت و هوا واكنش كندي نشان مي دهد ، باعث افزايش ميزان آلاينده ها مي شود. زيرا عمل رقيق و غني كردن مخلوط سوخت به كندي انجام مي شود كه سبب كاهش راندمان مبدل مي گردد. در موتورهايي با سيستم تزريق چند نقطه اي( MFI ) كه داراي سيستم تزريق الكترونيكي اند ، كيفيت عملكرد سنسور اكسيژن حايز اهميت است. زيرا تغييرات نسبت سوخت در سيستم MFI در طي كاركرد با بيشترين سرعت انجام مي شود. البته اين امر براي سيستم تزريق ت نقطه اي (SFI ) كه داراي سرعت تغييرات كمتري نسبت به سيستم MFI مي باشد نيز تا حدي صدق مي كند. اگر هر دو سنسور اكسيژن با هم خراب شوند ، مخلوط سوخت غني مي شود. پيش فرض اكثر سيستم هاي تزريق سوخت ، ميانگين تزريق پس از سه دقيقه است كه سبب افزايش مصرف سوخت و توليد آلاينده ها مي شود. لازم به ذكر است ؛ اگر مبدل كاتاليزوري به سبب غني بودن مخلوط سوخت بيش از حد داغ شود ، امكان معيوب شدن مبدل وجود دارد. يكي از مطالعات سازمان حفاظت محيط زيست ( EPA ) مشخص كرد ؛ 70 درصد خودروهايي كه در تت آلاينده هاي I / M 240 تاييد نشده اند ، به يك سنسور اكسيژن جديد نياز دارند. تنها راه فهميدن عملكرد صحيح ر اكسيژن ، آزميش و بررسي منظم آن است. از اين رو برخي خودروها يك لامپ اخطار خرابي سنسور دارند. زمان مناسب براي بررسي سنسور اكسيژن ، هنگام تعويض شمع هاي جرقه است. مي توان توسط يك ولت متر ديجيتال ولتاژ خروجي سنسور اكسيژن را اندازگيري كرد. اما نوسانات ولتاژ ، مشاهده را سخت مي كند زيرا پرش اعداد زياد است. يك ولت متر آنالوگ براي مشاهده تغييرات بهتر است ؛ اما ممكن است بر روي سيستمي كه تغييرات آن زياد است ، پاسخگو نباشد. بنابراين بهترين وسيله براي مشاهده ولتاژ خروجي سنسور اكسيژن يك اسيلوسكوپ ذخيره ساز ديجيتال ( DSO ) است. يك اسكوپ ولتاژ خروجي سنسور اكسيژن را به صورت موجي شكل و در قالب دامنه نوسانات ولتاژ حداقل و حداكثر و همچنين توسط فركانس آن ( نرخ تغيير سوخت غني نسبت به سوخت رقيق ) مشخص مي كند. نوسانات امواج يك سنسور اكسيژن سالم بايد به گونه اي باشد كه ولتاژ حداقلي در حدود 1/0 ولت و ولتاژ حداكثري در حدود 9/0 ولت را نشان دهد. با فشردن پدال گاز مخلوط سوخت را غني كنيد. اين امر باعث مي شود كه سنسور اكسيژن بي درنگ ( در طي 100 ميلي ثانيه ) و با توليد حداكثر ولتاژ خروجي ( 9/0 ولت ) واكنش نشان دهد. سپس با باز كردن يك مجراي خلا ، مخلوط سوخت را رقيق نماييد. بايد ولتاژ خروجي سنسور افت كرده و به حداقل مقدار خود ( 1/0 ولت ) برسد. اگر سنسور با سرعت كافي تغييرات ذكر شده را انجام نداد ، نشانه خرابي سنسور است و بايد آن را تعويض نمود. اگر مدار سنسور اكسيژن به دليل اتصال كوتاه يا فرسودگي قطع شود ، ممكن است سنسور يك كد خطا تنظيم نموده و لامپ اخطار موتور يا لامپ نشانگر نقص فني ( MIL ) را روشن كند. اگر عيوب ديگري نيز مبني بر خرابي سنسور مشخص شود ، تعويض سنسور الزامي است. برخي سنسورهاي اكسيژن اگر به طور خفيف دچار عيب شوند ، به عملكردشان ادامه داده و كد خطايي تنظيم نمي كنند. اما اين كار زياد مناسب نيست زيرا سبب افزايش مصرف سوخت و توليد آلاينده ها مي شود. بنابراين نبود كد خطا يا لامپ اخطار به معناي كاركرد صحيح سنسور اكسيژن نيست. تعويض سنسور: سنسور اكسيژني كه عيب آن مشخص شود ، نياز به تعوض دارد. از طرفي تعويض سنسور اكسيژن در بازه زماني مشخص مي تواند از بروز برخي مشكلات جلوگيري كند. تعويض نكردن يك سنسور اكسيژن فرسوده كه فاقد كارايي لازم است ، مي تواند سبب كاهش يا از بين رفتن حداكثر راندمان سوخت ، حداقل آلاينده هاي خروجي و طول عمر مبدل كاتاليزوري شود.مكانيك خودرو  سنسورهاي اكسيژن يك يا دو سيمه فاقد گرم كن كه از سال 1976 تا حدود دهه نود مورد استفاده بودند ، پس از 30000 تا 50000 مايل تعويض مي شدند. سنسورهاي سه يا چهار سيمه داراي گرم كن كه در اواسط دهه هشتاد تا اواسط دهه نود مورد استفاده بودند ، به ازاي هر 60000 مايل تعويض مي شدند. در خودروهاي مبتني بر OBD II ( از سال 1996 تا كنون ) به ازاي پيمودن هر 100000 مايل نسبت به تعويض سنسور توصيه شده است. منبع : وبلاگ مهندسي مكانيك