Cảm biến oxy là gì? Tác dụng của cảm biến oxy

Cảm biến khí oxi là gì?

Cảm biến oxy, hay còn được gọi là cảm biến lambda, là một thiết bị cảm biến được tích hợp trong hệ thống đốt cháy của ô tô để đo lường và giám sát lượng khí oxy trong khí thải động cơ. Cảm biến này thường được đặt ở vị trí chiến lược trong ống xả, nơi có thể đo lường chính xác lượng oxy có sẵn trong sản phẩm khí cháy.

Ngoài ra cảm biến oxy là loại thiết bị điện tử để đo lưu lượng khí oxy được thải ra trong quá trình xả của xe ô tô. Cảm biến oxy hay còn gọi là cảm biến khí xả. Cảm biến oxy dịch sang tiếng anh là Oxygen Sensor.

Thông thường trên xe ô tô có 2 cảm biến oxy, 1 cảm biến oxy ở phía trước bầu lọc khí thải Catalitic và 1 cảm biến nẳm ở phía sau bầu lọc khí thải Catalitic. 2 cảm biến oxy thường đều nằm trên đường ống xả 

Vai trò quan trọng của cảm biến oxy trong hệ thống đốt cháy động cơ

Điều chỉnh tỷ lệ hỗn hợp nhiên liệu và khí oxy:

Một trong những vai trò chính của cảm biến oxy là cung cấp thông tin liên tục về lượng khí oxy trong khí thải động cơ. Thông tin này rất quan trọng để hệ thống điều khiển động cơ điều chỉnh tỷ lệ hỗn hợp nhiên liệu và khí oxy sao cho nó đạt được tỷ lệ lý tưởng để đảm bảo đốt cháy hiệu quả.

Kiểm soát khả năng ô nhiễm:

Cảm biến oxy chơi một vai trò quan trọng trong việc kiểm soát khả năng ô nhiễm của động cơ ô tô. Bằng cách điều chỉnh tỷ lệ hỗn hợp, nó giúp giảm lượng chất thải gây hại như CO (carbon monoxide) và HC (hydrocarbons) trong khí thải, đồng thời đảm bảo rằng động cơ hoạt động với mức hiệu suất và tiêu chuẩn khí thải được đặt ra.

Hiệu suất động cơ:

Cảm biến oxy đóng vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa hiệu suất của động cơ. Bằng cách điều chỉnh tỷ lệ hỗn hợp, nó giúp đảm bảo rằng động cơ hoạt động hiệu quả, tiêu tốn nhiên liệu ít, và có hiệu suất cao.

Giảm Tiêu thụ nhiên liệu:

Cảm biến oxy đóng góp vào việc giảm tiêu thụ nhiên liệu bằng cách đảm bảo rằng hỗn hợp nhiên liệu và khí oxy được duy trì ở mức tối ưu. Điều này không chỉ làm giảm chi phí nhiên liệu mà còn giảm phát thải khí nhà kính.

Thích nghi đối với Điều kiện Đường đi và Môi trường:

Cảm biến oxy giúp động cơ ô tô thích ứng nhanh chóng với biến động của điều kiện đường đi và môi trường, đảm bảo rằng hệ thống điều khiển có thể điều chỉnh hỗn hợp nhiên liệu và khí oxy dựa trên yếu tố như độ cao, nhiệt độ, và tải trọng.

Tác dụng của cảm biến oxy

Như bạn đã biết tác dụng của cảm biến oxy là đo lượng oxy trong khí thải, sau khi được được lưu lượng khí oxy thì nó sẽ gửi tín hiệu cho hộp điều khiển động cơ ECM phân tích và xử lý.

Cảm biến oxy nhận biết tỷ lệ giữa không khí và nhiên liệu là nhiều hay ít. Dựa trên các tín hiệu của cảm biến Oxy, hộp điều khiển động cơ ECM sẽ điều chỉnh lượng nhiên liệu phun, để đạt đến Lambda 1. Điều này là cần thiết để bộ chuyển đổi xúc tác ba chiều hoạt động ở hiệu suất cao nhất

Nguyên lý đo lường lượng oxy của cảm biến oxy

Cảm biến oxy hoạt động dựa trên nguyên tắc điện hóa, thường sử dụng một loại chất liệu cảm biến đặc biệt, thường là zirconia (ZrO2). Nguyên lý hoạt động chính của cảm biến oxy là dựa trên sự thay đổi điện trở của chất liệu cảm biến theo lượng khí oxy trong môi trường xung quanh. Cụ thể, quá trình hoạt động có thể được mô tả như sau:

Chất liệu cảm biến:

Chất liệu cảm biến, thường là zirconia, là một chất dẫn điện ionic ở nhiệt độ cao. Khi nhiệt độ đạt đến mức hoạt động (thường khoảng 300-600 °C), zirconia trở thành chất dẫn điện, chủ yếu dẫn điện ion oxy (O2-).

Duy trì nhiệt độ cao:

Để duy trì chất liệu cảm biến ở nhiệt độ cao, một loại ống đốt được sử dụng để cháy một phần nhỏ của khí thải từ động cơ. Quá trình đốt này tạo ra nhiệt độ cần thiết để kích hoạt chất liệu cảm biến.

Dung sai điện trở:

Khi chất liệu cảm biến được kích hoạt, nó tạo ra một dung sai điện trở dựa trên lượng ion oxy di chuyển qua chất liệu. Dung sai này biến đổi theo tỷ lệ với lượng oxy trong khí thải.

Dòng điện và điện áp:

Dựa trên dung sai điện trở, một dòng điện được tạo ra khi áp dụng một điện áp. Điện áp này thường được duy trì ổn định và đo lường dòng điện cung cấp thông tin về lượng oxy trong khí thải.

Tín hiệu cho hệ thống điều khiển động cơ:

Thông tin về lượng oxy được chuyển thành tín hiệu điện, sau đó được gửi đến hệ thống điều khiển động cơ. Hệ thống này sử dụng thông tin này để điều chỉnh tỷ lệ nhiên liệu và không khí đang được đưa vào động cơ, giúp duy trì một hỗn hợp cháy tốt nhất.

Mối quan hệ giữa cảm biến và điều chỉnh tỷ lệ nhiên liệu và không khí:

Cảm biến oxy chơi một vai trò quan trọng trong quá trình điều chỉnh tỷ lệ nhiên liệu và không khí đưa vào động cơ. Mối quan hệ giữa cảm biến và điều chỉnh này là qua quá trình phản hồi (feedback loop). Cụ thể:

Đo lường lượng oxy: Cảm biến oxy đo lường lượng oxy trong khí thải và chuyển đổi thông tin này thành tín hiệu điện.

Gửi tín hiệu đến hệ thống điều khiển động cơ: Tín hiệu điện từ cảm biến oxy được gửi đến hệ thống điều khiển động cơ.

Điều chỉnh tỷ lệ nhiên liệu và không khí: Hệ thống điều khiển động cơ sử dụng thông tin từ cảm biến oxy để điều chỉnh tỷ lệ nhiên liệu và không khí được phun vào buồng đốt cháy. Điều này giúp duy trì hỗn hợp nhiên liệu và không khí ổn định để đảm bảo đốt cháy hiệu quả và tiết kiệm năng lượng.

Vị trí đặt cảm biến oxy trên ô tô

Cảm biến oxy thường được đặt ở vị trí chiến lược trong hệ thống xả của ô tô, nơi có thể đo lường chính xác lượng oxy trong khí thải. Cụ thể, có hai vị trí chính mà cảm biến oxy có thể được đặt:

Vị trí trước catalytic converter (trước khi xử lý chất thải):

Cảm biến oxy thường được đặt gần đầu đốt, trước khi khí thải đi qua catalytic converter. Điều này giúp đo lường tỷ lệ oxy trong sản phẩm khí cháy gần nguồn gốc, cung cấp thông tin quan trọng cho hệ thống điều khiển động cơ để điều chỉnh hỗn hợp nhiên liệu và khí oxy.

Vị trí sau catalytic converter (sau khi xử lý chất thải):

Một số xe cũng có cảm biến oxy ở vị trí sau catalytic converter. Việc đặt cảm biến ở đây giúp đo lường hiệu suất của catalytic converter, kiểm soát việc chuyển đổi khí thải có hại thành các chất không độc hại. Tuy nhiên, cảm biến ở vị trí này không thường xuyên được sử dụng nhưng vẫn có vai trò trong việc kiểm soát hệ thống.

Hư hỏng của cảm biến oxy

Cảm biến oxy khá quan trọng trên xe ô tô, nó quyết định đến việc ECM tính toán lượng nhiên liệu phun cho động cơ ô tô. Chính vì vậy nếu cảm biến oxy bị hư hỏng sẽ dẫn tới xe ô tô của bạn sẽ tốn nhiều nhiên liệu hơn, việc tính toán không đúng cũng sẽ dẫn tới xe bị rung giật hơn. Biểu hiện rõ nhất của xe hư hỏng cảm biến oxy đó xe xuất hiện lỗi cá vàng hay còn gọi là báo đèn check động cơ

Việc xử lý khi cảm biến oxy bị hư hỏng khá đơn giản. Bạn có thể tháo cảm biến oxy ra vệ sinh nếu không được thì thay thế cảm biến oxy và xóa lỗi cá vàng cho xe ô tô là xong.

Dấu hiệu cảm biến oxy hỏng

Dấu hiệu của cảm biến oxy hỏng có thể bao gồm các vấn đề sau:

1. Tăng tiêu thụ nhiên liệu: Nếu cảm biến oxy không hoạt động đúng cách, hệ thống điều khiển động cơ có thể không nhận biết chính xác tỷ lệ nhiên liệu và không khí. Điều này có thể dẫn đến tăng tiêu thụ nhiên liệu.
2. Hiệu suất kém: Một cảm biến oxy không chính xác có thể ảnh hưởng đến hiệu suất của động cơ. Nếu hệ thống không nhận được thông tin chính xác về tỷ lệ nhiên liệu và không khí, đốt cháy có thể không hiệu quả, làm giảm công suất và hiệu suất.
3. Khoảng cách vận hành không ổn định: Cảm biến oxy hỏng có thể gây ra các vấn đề về động cơ hoạt động không ổn định, độ rung, hoặc bất kỳ biểu hiện khác của sự cố động cơ.
4. Đèn cảnh báo trên bảng đồng hồ: Một trong những dấu hiệu rõ ràng nhất của cảm biến oxy hỏng là đèn cảnh báo động cơ (check engine) sáng trên bảng đồng hồ. Điều này thường là dấu hiệu của sự cố trong hệ thống điều khiển động cơ.
5. Khó khởi động hoặc tăng số vòng tua không ổn định: Nếu cảm biến oxy không cung cấp thông tin chính xác, động cơ có thể khởi động khó khăn hoặc có thể tăng số vòng tua không ổn định.
6. Kích thước không phù hợp của buồng đốt cháy: Một cảm biến oxy hỏng cũng có thể làm tăng kích thước của buồng đốt cháy, gây ra sự cố trong quá trình đốt cháy nhiên liệu và không khí.

Các loại cảm biến Oxy

Hiện có hai loại khác nhau: cảm biến oxy Zirconium và cảm biến oxy Titanium. Mặc dù thực tế là cấu tạo và tín hiệu khác nhau, mục đích của cả hai loại cảm biến là như nhau.

Cảm biến Oxy loại bạch kim

Bạch kim chịu tác động của bầu khí quyển ở một mặt và tiếp xúc với khí thải ở mặt kia. Do lượng oxy khác nhau giữa khí quyển và khí thải, một hiệu điện thế được tạo ra. Khi hỗn hợp nhiên liệu không khí loãng, điện áp tạo ra sẽ thấp.

Ngược lại, khi hỗn hợp giàu thì hiệu điện thế cao. Điện áp trên 450mV cho thấy tỷ lệ nhiên liệu không khí giàu hơn so với hệ số đo và thời gian phun sẽ giảm. Điện áp dưới 450mV cho thấy tỷ lệ nhiên liệu nhỏ hơn so với điện áp, thời gian phun sẽ được tăng lên. Khi các hiệu chỉnh xảy ra xen kẽ, tín hiệu đưa ra hiển thị chuyển đổi vĩnh viễn nếu hoạt động là được. Các cảm biến cần được làm ấm lên đến khoảng 300 ° C để bắt đầu hoạt động.

Cảm biến Oxy loại titan

Nguyên tố titan thay đổi điện trở của nó liên quan đến nồng độ oxy. Điện thế năm vôn được cung cấp cho cảm biến oxy. Khi điện trở cảm biến thay đổi, điện áp tín hiệu tại hộp điều khiển động cơ ECM thay đổi. Nếu điện áp giảm thấp là hỗn hợp giàu, nếu điện áp cao là hỗn hợp nạc. Điện áp kết quả được phát hiện bởi một bộ so sánh. Nếu nó ở trên điểm chuyển mạch 2,5V, đầu ra của bộ so sánh là cao (hỗn hợp giàu). Nếu nó dưới 2,5 Volt, đầu ra là thấp (hỗn hợp nạc).

Các hệ thống sau này áp dụng cảm biến oxy phía trước và phía sau để kiểm tra chức năng của chất xúc tác. Nếu bộ chuyển đổi xúc tác ở tình trạng tốt, tín hiệu từ cảm biến phía sau khác nhiều so với cảm biến phía trước về độ cao tín hiệu và đặc biệt là về tần số dao động. Nếu tín hiệu giữa cảm biến phía trước và phía sau gần nhau, đó là dấu hiệu của một bộ chuyển đổi xúc tác bị hỏng.

Quá trình kiểm tra và thay thế cảm biến oxy

Sử dụng máy đọc mã lỗi (OBD-II Scanner): Khi đèn cảnh báo động cơ sáng, việc đầu tiên cần làm là sử dụng máy đọc mã lỗi để kiểm tra mã lỗi và xác định xem vấn đề có liên quan đến cảm biến oxy không.

Kiểm tra điện áp và dòng điện: Sử dụng multimeter để kiểm tra điện áp và dòng điện đến cảm biến oxy. Điều này sẽ giúp xác định xem có vấn đề nào đó về nguồn điện hay không.

Kiểm tra cảm biến trong thực tế: Một số hãng xe cung cấp quy trình kiểm tra cảm biến oxy trong thực tế. Nó bao gồm việc sử dụng các công cụ chuyên dụng để theo dõi tín hiệu từ cảm biến trong quá trình vận hành của động cơ.

Thay thế cảm biến oxy: Nếu cảm biến oxy bị hỏng, quá trình thay thế thường khá đơn giản. Cảm biến thường được gắn chặt vào ống xả và có thể được tháo ra và thay thế bằng cảm biến mới.

Kiểm tra lại sau khi thay thế: Sau khi thay thế, quan trọng để kiểm tra lại bằng cách sử dụng máy đọc mã lỗi để đảm bảo rằng đèn cảnh báo động cơ không còn sáng và hệ thống hoạt động ổn định.