سنسور اکسیژن خودرو ( Oxygen Sensor )

 

سیستم های کنترل کننده موتورهای امروزی ( E.C.U )  ، مبتنی بر داده ها و اطلاعات دریافتی از چندین سنسور مختلف نصب شده بر روی موتور به منظور تنظیم عملکرد موتور، کنترل آلاینده ها ، کنترل قدرت خروجی ، دور موتور و... هستند. 

 در صورت عدم دریافت اطلاعات صحیح و دقیق از این سنسورها ، بروز مشکلاتی در عملکرد و بازدهی موتور از جمله : افزایش مصرف سوخت ، افت توان ، کاهش گشتاور خروجی موتور  و تولید آلاینده ها اتفاق خواهد افتاد.

یکی از سنسورهای مهم در این سیستم، سنسور اکسیژن است و از آنجایی که مولکول اکسیژن O2 می باشد، اغلب آن را سنسور O2 می گویند.  

اولین سنسور اکسیژن در سال 1976 بر روی VOLVO 240 به کار رفت. پس از آن هنگامی که قوانین مربوط به آلاینده ها در ایالت کالیفرنیای آمریکا کاهش این مواد مضر را لازم دانست، خودروهای موجود در کالیفرنیا در سال 1980 از این سنسور استفاده کردند. کمی بعد قوانین فدرال در مورد کنترل آلاینده ها ، نصب سنسور اکسیژن بر روی تمامی خودروها و کامیون های سبک ساخته شده در سال 1981 را اجباری کرد و حالا با وجود آیین نامه OBD II ، (خودروهای ساخته شده از سال 1996 تا کنون ) برخی از خودروها به چند سنسور اکسیژن مجهزاند که در تعدادی از آنها چهار سنسور اکسیژن به کار رفته است.

سنسور اکسیژن بر روی مانیفولد دود نصب شده تا نشان دهد که میزان اکسیژن باقی مانده ( استفاده نشده در فرایند احتراق سوخت  ) در اگزوز یا به عبارتی آلاینده های اگزوز ، چقدر است. بررسی میزان اکسیژن در اگزوز یکی از راه های اندازه گیری مخلوط سوخت و هوا است. اگر میزان اکسیژن ورودی به محفظه احتراق کم ( میزان باقی مانده در دود پایین تر از حد نرمال ) و یا نسبت اکسیژن ورودی به این محفظه بهر دلیل بالاتر از میزان مورد نیاز سوخت ورودی باشد ( اکسیژن موجود در دود بیشتر از حد نرمال ) ، سنسور اکسیژن این تغییرات را به واحد کنترل الکترونیکی( ECU ) گزارش می دهد.

عوامل بسیاری در غنی یا رقیق شدن مخلوط سوخت تاثیر گزاراند. از جمله : درجه حرارت هوا ، درجه حرارت مایع خنک کننده موتور ، فشار محیط  ، موقعیت دریچه گاز ، دور  و بار موتور که برای اندازه گیری تمامی این عوامل ، سنسورهای دیگری نیز 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.

ارتباطات:

ECU  با استفاده از ولتاژ سنسور اکسیژن که از طریق سیستم کنترل حلقه بسته سوخت فرستاده شده ، نسبت مخلوط سوخت را تنظیم می کند.  ECUبا توجه به اطلاعاتی که از سنسور اکسیژن دریافت می کند ، نسبت به تغییر مخلوط سوخت اقدام 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. نتیجه تغییرات ثابت قبل و بعد از تبدیل مخلوط سوخت غنی به رقیق این است که اولا مصرف سوخت بیش از حد نخواهد شد و دوم مبدل کاتالیزوری با راندمان حداکثر کار می کند؛ چراکه مخلوط سوخت در بالانس صحیح قرار گرفته است. که این امر تولید آلاینده ها را در حداقل میزان خود نگه می دارد.

گاهی هیچ سیگنالی از سنسور اکسیژن دریافت نمی شود. این شرایط هنگامی بوجود می آید که موتور سرد برای اولین بار استارت می خورد و یا اینکه سنسور اکسیژن خراب است. ECU در این وضعیت فرمان ارسال سوخت غنی و به طور ثابت را اعلام می کند. این حالت عملکرد حلقه باز نامیده می شود ؛ زیرا از اطلاعات سنسور اکسیژن برای تنظیم مخلوط سوخت استفاده نمی شود.

اگر موتور هنگامی که سنسور اکسیژن به درجه حرارت عملکرد خود می رسد ، امکان استفاده از سیستم حلقه بسته را از دست دهد یا اینکه این سیستم به دلیل اخلال در ولتاژ خروجی سنسور اکسیژن دچار افت شود ، موتور با سوخت خیلی غنی کار می کند که نتیجه آن افزایش مصرف سوخت و تولید آلاینده ها است.

خرابی سنسور دمای آب نیز می تواند از شکل گیری سیستم حلقه بسته جلوگیری کند. زیرا ECU فکر می کند که همواره درجه حرارت آب موتور در کمترین میزان خود است ؛ بنابراین از شکل گیری سیستم حلقه بسته ممانعت می کند و همچنان اجازه ارسال سوخت غنی به جهت کنترل دما و رساندن دمای موتور به حد نرمال را می دهد.  

وظیفه سنسور اکسیژن در سیستم OBD II  :

تعدادی از خودروها طراحی و ساخته شده در 1994 و 1995 و تمامی خودروهای ساخته شده از سال 1996 ، تعداد سنسور اکسیژنشان دو برابر شده است . سنسور اکسیژن دوم پایین تر از مبدل کاتالیزوری نصب شده وراندمان عملکرد مبدل را نشان می دهد. در موتورهای V شکل شش و هشت سیلندر با اگزوز دوگانه از چهار سنسور اکسیژن استفاده شده است. یکی در نزدیکی هر بلوکه سیلندر و دیگری بعد از هر مبدل کاتالیزوری نصب شده است.

سیستم OBD II برای تشخیص میزان آلاینده ها در چرخه عملکرد موتور طراحی شده است. این امر مستلزم وجود قطعاتی است تا عواملی را که امکان افزایش آلاینده ها را فراهم می کنند، شناسایی کند. سیستم OBD II به منظور تشخیص عملکرد صحیح مبدل کاتالیزوری و کاهش میزان آلاینده های اگزوز توسط آن ، میزان اکسیژن گزارش شده از سنسورهای قبل و بعد از مبدل را ( که به صورت ولتاژ است ) مورد مقایسه قرار می دهد.

اگر OBD II دریابد که تغییرات ولتاژ بین دو سنسور کم است ویا تغییری وجود ندارد ؛ یعنی مبدل کاتالیزوری به درستی کار نمی کند که این امر باعث روشن شدن لامپ نشانگر نقص فنی ( MIL ) می شود. 

عیب یابی سنسور:

عملکرد مطلوب سنسور اکسیژن به قابلیت تولید ولتاژ آن وابسته است. این قابلیت با افزایش مدت زمان کارکرد سنسور به دلیل تجمع آلاینده ها بر روی نوک آن، کاهش می یابد. کثیف شدن و گرفتگی سنسور می تواند توسط مواد مختلفی که در اگزوز وجود دارند، از قبیل: سرب، سیلیکون، سولفور ، رسوب روغن و حتی برخی مواد مکمل سوخت ایجاد شود. علاوه بر این سنسور می تواند توسط عوامل محیطی از جمله: آب، مواد معدنی موجود در جاده، روغن و ... معیوب شود.

هرچه طول عمر سنسور افزایش یابد، کارایی آن کاهش خواهد یافت. هنگامی که سنسور اکسیژن نسبت به تغییرات مخلوط سوخت و هوا واکنش کندی نشان می دهد، باعث افزایش میزان آلاینده ها می شود. زیرا عمل رقیق و غنی کردن مخلوط سوخت به کندی انجام می شود که سبب کاهش راندمان مبدل می گردد. در موتورهایی با سیستم تزریق چند نقطه ای( MFI ) که دارای سیستم تزریق الکترونیکی اند، کیفیت عملکرد سنسور اکسیژن اهمیت بیشتری می یابد. زیرا تغییرات نسبت سوخت در سیستم MFI در طی کارکرد با بیشترین سرعت انجام می شود. ( البته این امر برای سیستم تزریق تک نقطه ای "SFI " که دارای سرعت تغییرات کمتری نسبت به سیستم MFI می باشد نیز تا حدی صدق می کند.)

اگر هر دو سنسور اکسیژن با هم خراب شوند، مخلوط سوخت غنی می شود. پیش فرض اکثر سیستم های تزریق سوخت، میانگین تزریق پس از سه دقیقه است که سبب افزایش مصرف سوخت و تولید آلاینده ها می شود. لازم به ذکر است، اگر مبدل کاتالیزوری به سبب غنی بودن مخلوط سوخت بیش از حد داغ شود، امکان معیوب شدن مبدل وجود دارد.

یکی از مطالعات سازمان حفاظت محیط زیست آمریکا ( EPA ) مشخص کرد، 70 درصد خودروهایی که در تست آلاینده های I / M 240 تایید نشده اند، به یک سنسور اکسیژن جدید نیاز دارند.

تنها راه فهمیدن عملکرد صحیح سنسور اکسیژن، آزمایش و بررسی منظم آن است. از این رو برخی خودروها یک لامپ اخطار خرابی سنسور دارند. زمان مناسب برای بررسی سنسور اکسیژن، هنگام تعویض شمع های موتور است.

می توان توسط یک ولت متر دیجیتال ولتاژ خروجی سنسور اکسیژن را اندازگیری کرد. اما نوسانات ولتاژ ، مشاهده را سخت می کند زیرا پرش اعداد زیاد است. یک ولت متر آنالوگ برای مشاهده تغییرات بهتر است، اما ممکن است بر روی سیستمی که تغییرات آن زیاد است، پاسخگو نباشد. بنابراین بهترین وسیله برای مشاهده ولتاژ خروجی سنسور اکسیژن یک اسیلوسکوپ ذخیره ساز دیجیتال ( DSO ) است. یک اسکوپ ولتاژ خروجی سنسور اکسیژن را به صورت موجی شکل و در قالب دامنه نوسانات ولتاژ حداقل و حداکثر و همچنین توسط فرکانس آن ( نرخ تغییر سوخت غنی نسبت به سوخت رقیق ) ثبت می کند.

نوسانات امواج یک سنسور اکسیژن سالم باید به گونه ای باشد که ولتاژ حداقلی در حدود 1/0 ولت و ولتاژ حداکثری در حدود 9/0 ولت را نشان دهد. با فشردن پدال گاز ، مخلوط سوخت غنی می شود . این امر باعث می شود که سنسور اکسیژن بی درنگ ( در طی 100 میلی ثانیه ) با تولید حداکثر ولتاژ خروجی ( 9/0 ولت ) واکنش نشان دهد. دوباره پس از آزاد شدن پدال گازبا باز  رقیق شدن مخلوط سوخت باید ولتاژ خروجی سنسور افت کرده و به حداقل مقدار خود ( 1/0 ولت ) برسد. اگر سنسور با سرعت کافی تغییرات ذکر شده را انجام نداد، نشانه خرابی سنسور است و باید آن را تعویض نمود.

اگر مدار سنسور اکسیژن به دلیل اتصال کوتاه یا فرسودگی قطع شود ، ممکن است سنسور کد خطا داده و لامپ اخطار موتور یا لامپ نشانگر نقص فنی ( MIL ) را روشن کند. اگر عیوب دیگری نیز مبنی بر خرابی سنسور مشخص شود ، تعویض سنسور الزامی است. برخی سنسورهای اکسیژن اگر به طور خفیف دچار عیب شوند ، به عملکردشان ادامه داده و کد خطایی نمی دهند. بنابراین نبود کد خطا یا روشن نشدن لامپ اخطار به معنای کارکرد صحیح سنسور اکسیژن نیست.

تعویض سنسور:

سنسور اکسیژنی که عیب آن مشخص شود، نیاز به تعوض دارد. از طرفی تعویض سنسور اکسیژن در بازه زمانی مشخص می تواند از بروز برخی مشکلات جلوگیری کند. تعویض نکردن یک سنسور اکسیژن فرسوده که فاقد کارایی لازم است ، می تواند سبب کاهش یا از بین رفتن حداکثر راندمان سوخت ، حداقل آلاینده های خروجی و طول عمر مبدل کاتالیزوری شود.

سنسورهای اکسیژن یک یا دو سیمه فاقد گرم کن که از سال 1976 تا حدود دهه نود مورد استفاده بودند، پس از 50000 تا 80000 کیلومتر تعویض می شدند. سنسورهای سه یا چهار سیمه دارای گرم کن که در اواسط دهه هشتاد تا اواسط دهه نود مورد استفاده بودند، به ازای هر 96000 کیلومتر تعویض می شدند. در خودروهای مبتنی بر OBD II ( از سال 1996 تا کنون ) به ازای پیمودن هر 160000 کیلومتر نسبت به تعویض سنسور توصیه شده است.