Thiết bị và nguyên lý hoạt động của cảm biến oxy

Cảm biến oxy - một thiết bị được thiết kế để ghi lại lượng oxy còn lại trong khí thải của động cơ ô tô. Nó nằm trong hệ thống xả gần chất xúc tác. Dựa trên dữ liệu mà máy tạo oxy nhận được, bộ điều khiển động cơ điện tử (ECU) sẽ hiệu chỉnh để tính toán tỷ lệ tối ưu của hỗn hợp không khí-nhiên liệu. Tỷ lệ không khí dư thừa trong thành phần của nó được biểu thị trong ngành công nghiệp ô tô bằng chữ cái Hy Lạp lambda (λ), do đó cảm biến nhận được tên thứ hai - đầu dò lambda.

Hệ số không khí dư λ

Trước khi tháo rời thiết kế của cảm biến oxy và nguyên lý hoạt động của nó, cần phải xác định một thông số quan trọng như tỷ lệ không khí dư của hỗn hợp nhiên liệu-không khí: nó là gì, nó ảnh hưởng gì và tại sao nó được đo bằng cảm biến.

Trong lý thuyết về hoạt động của ICE, có một khái niệm như tỷ lệ cân bằng - Đây là tỷ lệ lý tưởng của không khí và nhiên liệu, tại đó quá trình đốt cháy hoàn toàn nhiên liệu xảy ra trong buồng đốt của xi lanh động cơ. Đây là thông số rất quan trọng, trên cơ sở đó tính toán các chế độ phân phối nhiên liệu và vận hành động cơ. Nó tương đương với 14,7 kg không khí với 1 kg nhiên liệu (14,7: 1). Đương nhiên, một lượng hỗn hợp nhiên liệu không khí như vậy không đi vào xi lanh tại một thời điểm, nó chỉ là một tỷ lệ được tính toán lại cho các điều kiện thực tế.

Tỷ lệ không khí dư thừa (λ) Là tỷ số giữa lượng không khí thực tế đi vào động cơ với lượng cần thiết về mặt lý thuyết (theo phương pháp cân bằng) để đốt cháy hoàn toàn nhiên liệu. Nói một cách dễ hiểu, đó là “lượng không khí đi vào xi lanh nhiều hơn (ít hơn bao nhiêu so với lượng khí cần có”.

Tùy thuộc vào giá trị của λ, có ba loại hỗn hợp nhiên liệu không khí:

• λ = 1 - hỗn hợp đo góc;
• λ <1 - hỗn hợp “giàu” (bài tiết - hòa tan; thiếu hụt - không khí);
• λ> 1 - hỗn hợp "nạc" (thừa - không khí; thiếu - nhiên liệu).

Các động cơ hiện đại có thể chạy trên cả ba loại hỗn hợp, tùy thuộc vào nhiệm vụ hiện tại (tiết kiệm nhiên liệu, tăng tốc nhanh, giảm nồng độ các chất độc hại trong khí thải). Theo quan điểm của các giá trị tối ưu của công suất động cơ, hệ số lambda nên có giá trị khoảng 0,9 (hỗn hợp “giàu”), mức tiêu thụ nhiên liệu tối thiểu sẽ tương ứng với hỗn hợp đo phân vị (λ = 1). Kết quả tốt nhất để làm sạch khí thải cũng sẽ được quan sát ở λ = 1, vì hoạt động hiệu quả của bộ chuyển đổi xúc tác xảy ra với thành phần đo tỷ lệ của hỗn hợp không khí-nhiên liệu.

Mục đích của cảm biến oxy

Hai cảm biến ôxy được sử dụng làm tiêu chuẩn trong ô tô hiện đại (đối với động cơ thẳng hàng). Một ở phía trước chất xúc tác (đầu dò lambda trên) và thứ hai sau nó (đầu dò lambda dưới). Không có sự khác biệt trong thiết kế của cảm biến trên và dưới, chúng có thể giống nhau, nhưng chúng thực hiện các chức năng khác nhau.

Cảm biến oxy phía trên hoặc phía trước phát hiện lượng oxy còn lại trong khí thải. Dựa trên tín hiệu từ cảm biến này, bộ phận điều khiển động cơ “hiểu” loại hỗn hợp không khí-nhiên liệu mà động cơ đang chạy (phân số, giàu hay loãng). Tùy thuộc vào chỉ số của bộ tạo oxy và chế độ vận hành yêu cầu, ECU sẽ điều chỉnh lượng nhiên liệu cung cấp cho các xi lanh. Thông thường, việc phân phối nhiên liệu được điều chỉnh theo hướng hỗn hợp cân bằng. Cần lưu ý rằng khi động cơ nóng lên, các tín hiệu từ cảm biến sẽ bị ECU động cơ bỏ qua cho đến khi nó đạt đến nhiệt độ hoạt động. Đầu dò lambda phía dưới hoặc phía sau được sử dụng để điều chỉnh thêm thành phần của hỗn hợp và theo dõi khả năng sử dụng của bộ chuyển đổi xúc tác.

Thiết kế và nguyên lý hoạt động của cảm biến oxy

Có một số loại đầu dò lambda được sử dụng trên ô tô hiện đại. Chúng ta hãy xem xét thiết kế và nguyên lý hoạt động của loại phổ biến nhất trong số đó - cảm biến oxy dựa trên zirconium dioxide (ZrO2). Cảm biến bao gồm các phần tử chính sau:

• Điện cực bên ngoài - tiếp xúc với khí thải.
• Điện cực bên trong - tiếp xúc với khí quyển.
• Bộ phận làm nóng - được sử dụng để làm nóng cảm biến oxy và đưa nó đến nhiệt độ hoạt động nhanh hơn (khoảng 300 ° C).
• Chất điện phân rắn - nằm giữa hai điện cực (zirconia).
• Nhà ở.
• Bộ phận bảo vệ đầu - có các lỗ đặc biệt (lỗ đục) để khí thải đi vào.

Các điện cực bên ngoài và bên trong được phủ bạch kim. Nguyên tắc hoạt động của một đầu dò lambda như vậy dựa trên sự xuất hiện của sự chênh lệch điện thế giữa các lớp bạch kim (điện cực), chúng nhạy cảm với oxy. Nó xảy ra khi chất điện phân bị đốt nóng, khi các ion oxy di chuyển qua nó từ không khí trong khí quyển và khí thải. Điện áp tại các điện cực của cảm biến phụ thuộc vào nồng độ oxy trong khí thải. Nó càng cao thì điện áp càng giảm. Dải điện áp tín hiệu cảm biến oxy là 100 đến 900 mV. Tín hiệu có dạng hình sin, trong đó ba vùng được phân biệt: từ 100 đến 450 mV - hỗn hợp nạc, từ 450 đến 900 mV - hỗn hợp giàu, 450 mV tương ứng với thành phần đẳng áp của hỗn hợp nhiên liệu không khí.

Tài nguyên máy tạo oxy và các trục trặc của nó

Đầu dò lambda là một trong những cảm biến nhanh bị mòn nhất. Điều này là do thực tế là nó thường xuyên tiếp xúc với khí thải và nguồn tài nguyên của nó phụ thuộc trực tiếp vào chất lượng của nhiên liệu và khả năng phục vụ của động cơ. Ví dụ, một bình oxy zirconium có tài nguyên khoảng 70-130 nghìn km.

Vì hoạt động của cả hai cảm biến oxy (trên và dưới) được giám sát bởi hệ thống chẩn đoán trên bo mạch OBD-II, nếu bất kỳ cảm biến nào trong số chúng bị lỗi, lỗi tương ứng sẽ được ghi lại và đèn báo “Kiểm tra động cơ” trên bảng thiết bị sẽ sáng lên. Trong trường hợp này, bạn có thể chẩn đoán sự cố bằng máy quét chẩn đoán đặc biệt. Từ các tùy chọn ngân sách, bạn nên chú ý đến Scan Tool Pro Black Edition.

Máy quét do Hàn Quốc sản xuất này khác với các thiết bị tương tự ở chất lượng xây dựng cao và khả năng chẩn đoán tất cả các thành phần và cụm lắp ráp của ô tô chứ không chỉ động cơ. Anh ta cũng có thể theo dõi các chỉ số của tất cả các cảm biến (bao gồm cả oxy) trong thời gian thực. Máy quét tương thích với tất cả các chương trình chẩn đoán phổ biến và, khi biết các giá trị điện áp cho phép, người ta có thể đánh giá tình trạng của cảm biến.

Khi cảm biến oxy hoạt động bình thường, đặc tính tín hiệu là một hình sin đều đặn, hiển thị tần số chuyển mạch ít nhất 8 lần trong vòng 10 giây. Nếu cảm biến không theo thứ tự, thì hình dạng tín hiệu sẽ khác với hình dạng chuẩn, hoặc phản ứng của nó đối với sự thay đổi thành phần hỗn hợp sẽ bị chậm lại đáng kể.

Các trục trặc chính của cảm biến oxy:

• mài mòn trong quá trình hoạt động ("lão hóa" của cảm biến);
• mạch hở của phần tử đốt nóng;
• sự ô nhiễm.

Tất cả các loại vấn đề này có thể được kích hoạt bởi việc sử dụng nhiên liệu chất lượng thấp, quá nhiệt, bổ sung các chất phụ gia khác nhau, sự xâm nhập của dầu và chất làm sạch vào vùng hoạt động của cảm biến.

Dấu hiệu trục trặc máy tạo oxy:

• Đèn báo sự cố trên bảng điều khiển.
• Mất điện.
• Phản ứng kém với bàn đạp ga.
• Động cơ chạy không tải thô sơ.

Các loại đầu dò lambda

Ngoài zirconia, cảm biến oxy băng thông rộng và titan cũng được sử dụng.

• Titan. Loại máy tạo oxy này có thành phần nhạy cảm với titanium dioxide. Nhiệt độ hoạt động của một cảm biến như vậy bắt đầu từ 700 ° C. Đầu dò lambda titan không cần không khí trong khí quyển, vì nguyên lý hoạt động của chúng dựa trên sự thay đổi điện áp đầu ra, tùy thuộc vào nồng độ oxy trong khí thải.
• Đầu dò lambda băng thông rộng là một mô hình cải tiến. Nó bao gồm một cảm biến lốc xoáy và một phần tử bơm. Đầu tiên đo nồng độ oxy trong khí thải, ghi lại hiệu điện thế gây ra bởi sự chênh lệch tiềm năng. Tiếp theo, giá trị đọc được so sánh với giá trị tham chiếu (450 mV), và trong trường hợp sai lệch, một dòng điện được áp dụng, kích thích việc phun các ion oxy từ khí thải. Điều này xảy ra cho đến khi điện áp trở nên bằng giá trị đã cho.

Đầu dò lambda là một phần tử rất quan trọng của hệ thống quản lý động cơ, và sự cố của nó có thể dẫn đến khó khăn trong việc lái xe và làm tăng độ mài mòn của các bộ phận còn lại của động cơ. Và vì nó không thể sửa chữa được, nó phải được thay thế ngay lập tức bằng một cái mới.