Cảm biến oxy là gì? Nguyên lý, cấu tạo, tác dụng của cảm biến oxy trên xe ô tô

Cảm biến oxy là gì?

Cảm biến oxy là cảm biến tỷ lệ giữa không khí với nhiên liệu. Cảm biến oxy làm nhiệm vụ đo tỷ lệ không khí / nhiên liệu trong khí thải. Giá trị đo được sử dụng để cung cấp khả năng lọc khí thải tốt nhất có thể. Cảm biến oxy trên động cơ diesel cho phép kiểm soát chính xác hơn EGR và kiểm soát lượng nhiên liệu phun vào trong điều kiện động cơ đầy tải. Cảm biến là một cảm biến băng rộng có gia nhiệt trước.

Cảm biến oxy là chi tiết phụ tùng đóng vai trò quan trọng trong hệ thống đốt cháy của ô tô. Nó đo lường lượng khí oxy trong khí thải và cung cấp thông tin cho hệ thống điều khiển động cơ để điều chỉnh tỷ lệ nhiên liệu và không khí. Việc duy trì cảm biến oxy mang lại nhiều lợi ích bao gồm tối ưu hóa hiệu suất động cơ, giảm tiêu thụ nhiên liệu, kiểm soát khả năng ô nhiễm, giảm hao mòn, và kiểm soát hiệu suất của catalytic converter. Đối với bảo dưỡng và kiểm tra, quan trọng để thực hiện theo định kỳ, kiểm tra dấu hiệu lỗi, làm sạch kết nối và dây cáp, cũng như thay thế cảm biến khi cần thiết để duy trì hiệu suất và tiêu thụ nhiên liệu tốt nhất.

Đây còn là thiết bị được lắp ở đường khí thải động cơ để đo lượng oxy còn sót lại sau quá trình cháy của hỗn hợp không khí-nhiên liệu trong buồng đốt và báo cho ECU

Trong tiếng anh cảm biển oxy được gọi là “Oxygen sensor”

Cấu tạo cảm biến oxy

Cấu tạo cảm biến oxy được chia thành 2 phần:

• Cắm bên trong đường ống khí thải: đo lượng ô xy trong đường thải
• Cắm bên ngoài đường ống khí thải: đo lượng ô xy bên ngoài môi trường

Bên trong cảm biến khí thải có lõi hợp chất Ziconium Dioxide Element. Hợp chất này khi đạt nhiệt độ tiêu chuẩn (thường là trên 400°C) cho phép cs

Cảm biến oxy thường gặp có 2 loại:

Cấu tạo cảm biến oxy loại nung nóng (heated): Cảm biến được lắp một điện trở ở bên trong có tác dụng làm lõi hợp chất nhanh chóng đạt tới nhiệt độ trên 600°C chỉ trong vài giây.

Cấu tạo cảm biến oxy loại không nung nóng (unheated): Cảm biến này không có điện trở làm nóng ở bên trong và phải tự làm nóng bằng nhiệt độ khí thải tới khi đạt nhiệt độ tiêu chuẩn làm việc. Vì vậy mà những chiếc xe sử dụng loại cảm biến ô xy này khi mới bắt đầu khởi động xe chạy thì lượng hòa khí trong động cơ sẽ thấp và phải mất một thời gian đến khi hợp chất trong cảm biến đạt nhiệt độ tiêu chuẩn.

Trên những dòng xe đời mới còn được lắp đặt thêm một cảm biến ô xy ở sau bầu xúc tác khí xả để kiểm tra hoạt động của bầy xúc tác. Dòng điện thế ở đầu ra cảm biến ô xy thứ hai cố định ở 0.45V

Tác dụng của cảm biến oxy

Cảm biến oxy có tác dụng thu thập dữ liệu báo về ECU để hiệu chỉnh lại thời điểm phun nhiên liệu nhằm đảm bảo tỉ lệ hòa khí tối ưu. Từ đó mà nâng cao hiệu suất làm việc của động cơ, tránh hao phí nhiên liệu không được đốt cháy hết, đem lại trải nghiệm lái tốt hơn cho người sử dụng

Cảm biến oxy băng rộng bao gồm một cảm biến băng hẹp được làm nóng (bản thân nó bao gồm một tế bào tham chiếu và một tế bào Nernst) được kết nối với một tế bào bơm. Các tế bào này được làm bằng ZrO2 với các điện cực platin xốp. Khoảng cách giữa các ô là khoảng 10-50micromet. Khe hở này được kết nối với khí thải xung quanh thông qua một lỗ nhỏ. Tế bào máy bơm bơm oxy từ khe đo ra môi trường xung quanh nếu khí thải có giá trị lambda trên lambda = 1.

Điều này chỉ có thể thực hiện được nếu động cơ diesel luôn hoạt động với lượng không khí dư thừa lớn. Lượng dòng điện qua cell bơm là phép đo hàm lượng oxy trong khí thải. Giá trị lambda cao trong khí thải tạo ra dòng bơm tương đối cao. Mô-đun điều khiển động cơ (ECM) điều chỉnh dòng bơm để giá trị lambda của khí thải trong buồng luôn đạt được lambda = 1. Khi đạt được lambda = 1, điện áp từ tế bào đo là 450mV, một điện áp mà ECM cố gắng giữ không đổi bằng cách thay đổi dòng bơm.

Do đó, dòng bơm cung cấp thông tin về giá trị lambda. Nhiệt độ của cảm biến oxy phải được điều chỉnh chính xác. ECM làm như vậy bằng cách thay đổi dòng điện làm nóng trước trong phần tử gia nhiệt.
Ghi chú: Do mạch bên trong được sử dụng trong cảm biến oxy dải rộng, không thể liên kết với vôn kế hoặc máy hiện sóng để đo trực tiếp đầu ra của cảm biến. Cảm biến oxy dải rộng xuất ra tín hiệu dòng điện không chỉ thay đổi về biên độ mà còn về hướng.

Ghi chú: Sau khi thay thế, các giá trị của Cảm biến Oxy phải được đặt lại bằng cách sử dụng Hi-Scan Pro

Ưu điểm cảm biến oxy

Duy trì cảm biến oxy mang lại nhiều lợi ích, chủ yếu liên quan đến tối ưu hóa hiệu suất và giảm tiêu thụ nhiên liệu cũng như khí thải. Dưới đây là một số ưu điểm của việc duy trì cảm biến oxy:

Tối ưu hóa tỷ lệ nhiên liệu và không khí: Cảm biến oxy đóng vai trò quan trọng trong quá trình điều chỉnh tỷ lệ nhiên liệu và không khí đưa vào buồng đốt cháy. Việc duy trì cảm biến oxy giúp đảm bảo rằng hỗn hợp nhiên liệu và không khí được duy trì ở mức tối ưu, tối ưu hóa hiệu suất đống cơ và giảm thiểu tiêu thụ nhiên liệu không hiệu quả.

Giảm khả năng gây ô nhiễm: Việc duy trì cảm biến oxy đảm bảo rằng hệ thống điều khiển động cơ có thông tin chính xác về tỷ lệ nhiên liệu và không khí. Điều này giúp giảm phát thải khí thải có hại như CO (carbon monoxide) và HC (hydrocarbons), giảm khả năng gây ô nhiễm môi trường.

Tiết kiệm nhiên liệu: Duy trì cảm biến oxy giúp ngăn chặn tình trạng hỗn hợp nhiên liệu và không khí không chính xác, làm giảm tiêu thụ nhiên liệu không hiệu quả. Điều này có lợi cho người lái xe bằng cách giảm chi phí nhiên liệu và cũng đóng góp vào giảm lượng khí thải carbon dioxide (CO2), một loại khí nhà kính.

Tăng tuổi thọ của catalytic converter: Cảm biến oxy đóng vai trò quan trọng trong việc kiểm soát hiệu suất của catalytic converter. Duy trì cảm biến giúp ngăn chặn tình trạng không chính xác của hệ thống, giúp gia tăng tuổi thọ của catalytic converter. Điều này quan trọng để đảm bảo chức năng xử lý chất thải của nó.

Giảm hao mòn động cơ: Một hỗn hợp nhiên liệu và không khí chính xác giúp giảm hao mòn trên các bộ phận động cơ. Việc duy trì cảm biến oxy giúp duy trì điều này, ảnh hưởng tích cực đến tuổi thọ và hiệu suất động cơ.

Nguyên lý hoạt động của cảm biến oxy

Đầu bên ngoài cảm biến được trang bị một màng thông gió cho phép không khí bên ngoài với hàm lượng ô xy cao vào bên trong bộ phận cảm biến

Đầu cảm biến tiếp xúc với lượng ô xy thấp ở trong đường ống xả do quá trình cháy đã đốt gần hết.

Sự chênh lệch về mật độ ô xy này làm cho các i-on ô xy khếch tán từ nơi có mật cao đến nơi có mật độ thấp và tạo ra một hiệu điện thế nhỏ. Khi đó hiệu điện thế sẽ tỉ lệ nghịch với lượng ô xy có trong ống xả.

Lượng ô xy thải ra ống xả cao thì chênh lệch mật độ i-on ô xy bên ngoài và trong ống xả thấp và dòng điện thế sẽ ở mức thấp 0.1V. Trường hợp ngược lại thì dòng điện thế sẽ ở mức cao 0.9V. Từ đó dựa vào chỉ số dòng điện thế này mà ECU có thể điều chỉnh thời gian phun nhiên liệu chính xác hơn để tỉ lệ hòa khí đạt mức lí tưởng.

Phân loại cảm biến trước và sau catalytic converter

Cảm biến trước catalytic converter (Pre-Catalytic Converter):

• Narrow-Band Oxygen Sensors (cảm biến oxy dải hẹp): Thường được sử dụng trước catalytic converter, chúng tập trung vào việc cung cấp thông tin về tỷ lệ oxy khi nó ở trong khoảng giới hạn nhất định. Điều này giúp hệ thống điều khiển động cơ duy trì hỗn hợp nhiên liệu và khí oxy ổn định.
• Wide-Band Oxygen Sensors (cảm biến oxy dải rộng): Cảm biến này cung cấp thông tin chi tiết hơn về tỷ lệ oxy trong khí thải. Chúng thường được sử dụng trong các ứng dụng yêu cầu độ chính xác cao hơn, đặc biệt là trong các hệ thống động cơ hiệu suất cao và các ứng dụng điều khiển động cơ chính xác.

Cảm biến sau catalytic converter (Post-Catalytic Converter):

• Cảm biến oxy sau catalytic converter: Mục đích chính của cảm biến này là theo dõi hiệu suất của catalytic converter. Nó giúp đánh giá xem catalytic converter có hoạt động đúng cách hay không và có thể phát hiện sự cố trong quá trình chuyển đổi chất thải.