سنسور پهنای باند اکسیژن (O2)

سنسورهای پهن باند اکسیژن ، جایگزین سنسورهای اکسیژن مرسوم در آخرین مدل های وسیله های نقلیه هستند. در این مقاله به بحث درباره این سنسورها می پردازیم.

سنسور پهنای باند O2 ( پهن باند اکسیژن) و سنسورهای هوا – سوخت (A – F)

سنسورهای پهن باند اکسیژن (که همچنین ممکن است آن ها را با نام Wide Range Air Fuel Air (WRAF) نیز نام ببرند) و سنسورهای هوا – سوخت (A – F)، جایگزین سنسورهای اکسیژن مرسوم در آخرین مدل های وسیله های نقلیه هستند.

سنسور پهنای باند O2 یا یک سنسور A / F به صورت اساسی سنسور اکسیژن هوشمندتر با بعضی مدارهای داخلی اضافه بر سازمان است که اجازه تعیین نسبت دقیق هوا / سوخت موتور را به آن می دهد. این سنسور مثل یک سنسور اکسیژن معمولی، واکنشی در برابر تغییر سطح اکسیژن در بخش اگزوز خودرو را نشان می دهد. اما برخلاف یک سنسور معمولی اکسیژن، سیگنال خروجی از سنسور پهنای باند O2 یا یک سنسور A / F به صورت ناگهانی در هنگام مخلوط شدن اندک یا زیاد هوا / سوخت تغییر نمی کند. این امر مناسب  موتورهای امروزی با آلایندگی کم و همچنین به منظور تنظیم موتورهای عملکردی می باشد.

شکل 2

خروجی های سنسور اکسیژن

یک سنسور اکسیژن معمولی بیشتر یک نشانگر زیاد / کم می باشد، به این دلیل که ولتاژ خروجی آن در زمان مخلوط شدن زیاد هوا / سوخت به سرعت و به صورت جهشی تا 0.8 و 0.9 بالا رفته و هنگام مخلوط شدن به میزان کم هوا / سوخت تا 0.3 ولت و یا کمتر از آن نیز سقوط خواهد کرد. در مقایسه، سنسور پهنای باند O2 یا یک سنسور A / F تغییر تدریجی سیگنال جریان را فراهم می کند که این تغییر دقیقا مطابق  نسبت هوا / سوخت می باشد.

تفاوت دیگر در ولتاژ خروجی سنسور است که توسط مدار داخلی به یک سیگنال جریان متغیر تبدیل کی گردد که توانایی حرکت کردن در هر یک از دو جهت ( مثبت و یا منفی ) را دارد. سیگنال موجود هنگامی که مخلوط  هوا / سوخت کاهش می یابد، به تدریج در جهت مثبت افزایش نشان می دهد. هنگامی که مخلوط هوا / سوخت کاملا به تعادل رسید ( 14.7 به 1 ) در نقطه استوکیومتری قرار دارد، که همچنین به عنوان Lambda نیز معرفی می شود، در این حالت جریان فعلی از سنسور متوقف گردیده و در هیچ یک از دو جهت موجود جریانی وجود نخواهد داشت.  و هنگامی که نسبت هوا / سوخت به تدریج بیشتر می شود، جریان موجود معکوس شده و در جهت منفی جریان خواهد یافت.

PCM   ولتاژ کنترل مرجع را ( معمولا  3.3 ولت در سنسور A/F مورد استفاده در تویوتا، 2.6 ولت در سنسورهای پهنای باند Bosch و GM ) از طریق یک جفت سیم به سنسور فرستاده و از طریق سری دوم سیم ها بر جریان خروجی فعلی سنسور نظارت می کند. سپس توسط PCM  ، سیگنال خروجی سنسور پردازش شده و با توجه به استفاده ها و قابلیت های نمایشگر ابزار اسکن، مقدار سوخت پاک و یا ارزش ولتاژ به عنوان  نسبت هوا / سوخت قابل خواندن می باشد.

برای برنامه هایی که میزان ولتاژ را نشان می دهند، هر چیزی کمتر از ولتاژ مرجع، نسبت بالای هوا / سوخت را نشان می دهد، در حالی که ولتاژهای بالاتر از ولتاژ مرجع، نسبت پایین تری از هوا / سوخت را نشان می دهند. در بعضی از برنامه های اولیه مربوط به تویوتا OBD II، ولتاژ سنسور A/F توسطPCM   به یک سنسور اکسیژن معمولی تبدیل می گردد ( این مساله به منظور مطابقت نمایشگر مقررات اولیه OBD II صورت گرفته است).

سنسور پهنای باند  O2 چگونه کار می کند؟

از منظر داخلی، این گونه به نظر می رسد که سنسورهای پهنای باند O2 و همچنین سنسورهای A/F با سنسورهای اکسیژن مسطح zirconia مشابه می باشند. نوار مسطح سرامیکی در داخل مخروط محافظ دماغه فلزی، در بخش انتهایی سنسور قرار گرفته است. در واقع نوار سرامیکی یک عنصر سنجشی دوگانه می باشد که یک ترکیب از اثر Nerst از پمپ اکسیژن و شکاف انتشار به وسیله عنصر سنجش اکسیژن است. هر سه این موارد بر روی همان نوار سرامیکی ورقه ورقه شده اند.

شکل 3

از طریق دریچه ها و یا سوراخ های موجود در پوشش فلزی در بخش بالای نوک سنسور، گاز خروجی وارد سنسور شده و با عنصر حسگر دوگانه وارد واکنش می شود. از طریق بستر سرامیکی، اکسیژن بر روی عنصر حسگر منتشر می گردد. واکنش ایجاد شده سبب می شود که سلول  Nerst دقیقا مثل یک سنسور اکسیژن معمولی ولتاژ تولید کند. مقایسه تغییر ولتاژ با ولتاژ کنترل از PCM به وسیله پمپ اکسیژن صورت می گیرد و همچنین به منظور حفظ تعادل نیز اکسیژن داخلی یکی را در مقابل دیگری متعادل می سازد. این مساله جریان جاری را از طریق سنسور تغییر داده و که در تست سنسور مشخص است و یک سیگنال جریان مثبت و یا منفی که نشان دهنده  نسبت هوا / سوخت دقیق موتور است، را ایجاد می کند.

جریان جاری خیلی زیاد نمی باشد، معمولا فقط در حدود 0.020 آمپر یا کمتر از آن است. سپس خروجی جریان آنالوگ سنسور به وسیله  PCM به یک سیگنال ولتاژ تبدیل می شود که سپس به وسیله ابزار اسکن شما قادر به خواندن می باشد.

تفاوت موجود در بین سنسور پهنای باند O2 با سنسور A / F چیست؟ پهنای باند سنسور اکسیژن معمولا حاوی 5 سیم می باشد و این درحالی است که اکثریت سنسورهای A / F دارای 4 سیم می باشند.

مدار تولید کننده گرما یا بخاری سنسور اکسیژن

سنسور پهنای باند O2 و سنسورهای A / F، مانند سنسورهای معمولی اکسیژن دارای مدار تولید کننده گرما یا همان بخاری داخلی می باشند که به آن ها کمک می کند تا به سرعت به دمای عملیاتی خود برسند. سنسور پهنای باند O2 و سنسورهای A / F، برای عملکرد صحیح به دمای به کار افتادن بالاتری نیازمند هستند: این دما 1292 تا 1472 درجه فارنهایت در برابر دمای حدود 600 درجه برای به کار افتادن سنسورهای معمولی اکسیژن می باشد. در نتیجه، در صورتی که مدار تولید کننده گرما از کار بیفتد، ممکن است سنسور سیگنال های قابل اعتمادی را تولید نکند.

از طریق یک رله مدار بخاری، انرژی گرفته که هنگام خم شدن موتور و رله تزریق سوخت روشن می گردد. ممکن است در برخی از موتورها، مدار بخاری تا 8 آمپر نیز بکشد و به طور معمول به وسیله تعدیل عرض پالس (PWM)  تنظیم می گردد تا میزان گرما را با توجه به درجه حرارت موتور تغییر دهد (همچنین این مساله از گرم زیاد شدن و سوختن بخاری نیز جلوگیری می کند). هنگامی که موتور سرد می باشد، نسبت وظیفه (به موقع) مدار دستگاه تولید کننده گرما بالاتر از زمانی است که موتور گرم است. به وجود آمدن خرابی در مدار دستگاه تولید کننده گرما یا همان بخاری، به طور معمول لامپ نشانگر عملکرد Mal (MIL) را روشن می کند و سبب تنظیم کد خطای تشخیصی P0125 (DTC) می شود.

اشکالات موجود در سنسور اکسیژن

سنسور پهنای باند O2 و سنسورهای A / F، مانند سنسورهای معمولی اکسیژن در برابر آلودگی و پیری آسیب پذیر می باشند. اگر روی عنصر سنسور آلودگی ایجاد گردد، آن ها می توانند بسیار آرام عمل کرده و در مخلوط هوا / سوخت به تغییرات پاسخ دهند. آلاینده های به وجود آمده از روغن موتور شامل فسفر (از راهنماهای شیر فرسوده و حلقه ها)، سیلیکات های که ضد یخ هستند (واشر سر نشت یا واشر های ورودی، یا وجود ترک در محفظه احتراق می باشد که از مایع خنک کننده نشت می کند) و حتی گوگرد و سایر مواد افزودنی بنزین، می باشند. طراحی سنسورها به گونه ای می باشند که دوام آن ها بیش از 150،000 مایل است اما ممکن است در صورت سوختن روغن موتور، ایجاد نشت داخلی مایع خنک کننده و یا گرفتن مقداری گاز نامناسب، مسافت به وسیله آن طی نشود.

همچنین سنسور پهنای باند 2O و سنسورهای A / F در اثر نشت هوا در سیستم اگزوز (واشرهای چند منظوره اگزوز دارای نشتی) یا مشکلات فشرده سازی (مانند شیرهای اگزوز نشتی یا سوخته) می توانند خراب شوند که این مورد باعث می شود هوای نسوخته از موتور عبور کند و به اگزوز وارد شود.

تشخیص پهنای باند حسگر  A/F

سیستم OBD II توانایی تشخیص و شناسایی هر مشکلی که کارکرد سنسورهای اکسیژن یا A/F را تحت تاثیر قرار می دهد، را دارد و متناسب با نوع خطای رخ داده، یک DTC تنظیم می کند. نقایص موجود در مدار بخاری سنسور پهنای باند 2O یا A/F به وسیله کد های عمومی OBD II نشان داده می شوند که عبارتند از:

P0036, P0037, P0038, P0042, P0043, P0044, P0050, P0051, P0052, P0056, P0057, P0058, P0062, P0063, P0064.

خطای احتمالی سنسور اکسیژن به وسیله کدهایی نشان داده می شود که هر کد شامل کد P0130 تا P0167 می باشد. گاهی ممکن است که کد های اضافی( OEM بهبود یافته P1 ) در خودرو وجود داشته باشد که با توجه به سال ساخت و مدل خودرو، سنسور خودرو متفاوت خواهد بود.

به طور کلی نشانه ها و علائم یک سنسور پهنای باند 2O  یا A/F مانند یک حسگر اکسیژن معمولی می باشد: موتور در حال کار با انرژی سوخت بالا و غنی، ضعیف و یا شکست انتشار به علت سطح بالاتر از حد نرمال مونوکسید کربن (CO) در اگزوز.

از دیگر دلایل احتمالی علاوه بر خرابی خود حسگر، می توان به اتصالات سیم کشی نامناسب یا در صورت وجود داشتن کد های بخاری به مدار بخاری معیوب، یا خطای سیم کشی، نشتی واشر چند منظوره یا شیر های خروجی اگزوز در صورت داشتن کدهای سنسور که نشان دهنده وضعیت کمبود سوخت است، اشاره نمود.

چه چیزی را باید چک کرد: حسگر چگونه نسبت به تغییرات هوا/سوخت واکنش نشان می دهد. یک وسیله اسکن را به اتصال تشخیصی خودرو متصل نمایید، موتور را روشن نموده و با چسباندن گاز یا منبع تغذیه پروپان در بدنه گاز یک تغییر لحظه ای در درایو هوا/سوخت ایجاد نمایید. در جست و جوی یک پاسخ از حسگر پهنای باند O2 یا A/F باشید. در صورتی که هیچ تغییری در نسبت هوا/سوخت، مقدار Lambda، میزان ولتاژ حسگر یا شماره سوخت کوتاه مدت نشان داده نشد، بیانگر یک حسگر بد می باشد که باید تعویض گردد.

PIDS  یک وسیله اسکن دیگر برای بررسی وضعیت مانیتور OBD II، وضعیت مانیتور حسگر اکسیژن OBD II وضعیت حلقه و دمای خنک کننده می باشد. وضعیت مانیتور به شما نشان می دهد که آیا سیستم OBD II خودآزمایی های خود را به روی حسگر انجام داده یا خیر. وضعیت حلقه نیز به شما نشان می دهد که PCM برای کنترل نسبت هوا/سوخت از ورودی باند پهن O2 یا حسگر A/F استفاده می کند. در صورتی که بعد از گرم شدن موتور خودرو، سیستم حلقه باز باقی ماند، احتمال معیوب بودن سنسور خنک کننده وجود دارد که باید بررسی گردد.

یک راه دیگر برای بررسی میزان خروجی حسگر پهنای باند O2 یا، A/F ، متصل کردن ولت متر دیجیتال یا مولتی متر گرافیکی به شکل سری به خط مرجع ولتاژ حسگر می باشد. (برای اتصال مناسب به نمودار سیم کشی مراجعه نمایید.) سر منفی مشکی رنگ را به انتهای سیم حسگر مرجع و سر مثبت قرمز رنگ را به بخش انتهایی سیم PCM متصل نمایید. در صورتی که مخلوط هوا/سوخت ضعیف باشد، باید افزایش ولتاژ (بیشتر از ولتاژ مرجع) یا در صورت غنی بودن مخلوط، کاهش و افت ولتاژ (کمتر از ولتاژ مرجع) را نشان دهد.

با اتصال یک سر به یک مدار مرجع دیگر می توان خروجی یک سنسور پهنای باند O2 یا حسگر A/F را روی اسیلوسکوپ ذخیره سازی دیجیتالی مشاهده نمود. این یک شکل موج تولید می کند که با توجه به نسبت هوا/سوخت تغییر می کند. همچنین دامنه می تواند به سیم های بخاری حسگر متصل گردد تا چرخه مدار بخاری را بررسی نماید. شما می توانید با افزایش دمای موتور، الگوی موج مربع و کاهش چرخه کار را مشاهده نمایید.

نکات فن آوری حسگر اکسیژن پهن باند

پایه اتصال 8 پین برای حسگر در سنسور های 5 سیمه Lean Air Fuel (LAF) هوندا، یک مقاومت ویژه کالبیراسیون می باشد. میزان مقاومت را می توان  با اندازه گیری میان ترمینال های سه و چهار به وسیله یک اهم متر تعیین نمود، با توجه به به نوع کاربرد 2.4K اهم، 10K اهم یا 15K اهم خواهد بود. در صورتی که اتصال خراب و نیازمند تعویض باشد، تعویض باید همان مقدار اصلی را دارا باشد. ولتاژ مرجع از PCM به حسگر این دسته موتورها 2.7 ولت می باشد.

همچنین Saturn از یک مقاومت اصلاح ویژه در اتصال سنسور پهنای باند O2 خود استفاده می کند (پایه های 1 و 6). مقاومت معمولا 30 تا 300 اهم می باشد. ولتاژ مرجعی که توسط PCM ارائه شده  2.4 تا 2.6 ولت است. در صورتی که یک حسگر O2، حسگر پهنای باند O2 یا سنسور A/F به علت آلوده شدن خنک کننده دچار خرابی شود، تا زمانی که واشر سر نشتی یا سر سیلندر تعویض نشده، اقدام به تعویض سنسور نکنید. در صورتی که نشتی خنک کننده برطرف نشده باشد، سنسور جدید خیلی زود از کار می افتد.

بعضی از برنامه های اولیه خودروی تویوتا با سنسورهای A/F ولتاژ حسگر O2 شبیه سازی شده را به منظور نمایش، در یک وسیله اسکن فراهم می کنند. میزان واقعی بر 5 تقسیم شده تا با مقررات ابتدایی OBD II تطابق داشته باشد. این مقررات از همان زمان تجدید نظر گردیده، اما در صورتی که در وسیله اسکن خود یک نمایشگر “بد بو” دارید، احتیاط کنید و آگاه باشید.