Cảm Biến Nồng Độ Oxy Ô Tô

Ngày đăng: 26/03/2024 10:01:51
Lượt xem: 86

Cảm biến nồng độ oxy trong ô tô là một thành phần quan trọng của hệ thống điều khiển động cơ, giúp đảm bảo việc đốt cháy hiệu quả và tiết kiệm nhiên liệu. Cảm biến này được thiết kế để đo lượng oxy trong khí thải của động cơ và gửi thông tin về nồng độ oxy đó đến hệ thống điều khiển của ô tô. Dựa trên thông tin này, hệ thống điều khiển có thể điều chỉnh tỷ lệ nhiên liệu và không khí được cung cấp vào động cơ để duy trì hoạt động hiệu quả và giảm thiểu khí thải độc hại. Cảm biến nồng độ oxy là một phần quan trọng của hệ thống kiểm soát ô nhiễm và đóng vai trò quan trọng trong việc bảo vệ môi trường và tăng cường hiệu suất của ô tô.

Để chống ô nhiễm, trên các xe được trang bị bộ xúc tác (TWC - Three way catalyst). Bộ xúc tác sẽ hoạt động với hiệu suất cao nhất ở tỷ lệ hòa khí lý tưởng tức  l = 1.

Cảm biến ôxy được dùng để xác định thành phần hòa khí tức thời của động cơ đang hoạt động. Nó gửi tín hiệu về ECU để điều chỉnh tỷ lệ hòa khí thích hợp trong một điều kiện làm việc nhất định (chế độ điều khiển kín - Closed loop control).

Cảm biến ôxy được gắn ở đường ống thải. Có hai loại cảm biến ôxy, khác nhau chủ yếu ở vật liệu chế tạo:

- Chế tạo từ Dioxide Zirconium (ZrO2);

- Chế tạo từ Dioxide Titanium (TiO2).

I - Cảm biến oxi với thành phần Dioxide Zicronium (ZrO2):

1. Nguyên lí hoạt động:

Cảm biến với thành phần Dioxide Zirconium (ZrO2)

Loại này được chế tạo chủ yếu từ chất Zirconium dioxide (ZrO2) có tính chất hấp thụ những ion ôxy âm tính. Thực chất, cảm biến ôxy loại này là một pin điện có sức điện động phụ thuộc vào nồng độ ôxy trong khí thải với ZrO2 là chất điện phân. Mặt trong ZrO2 tiếp xúc với không khí, mặt ngoài tiếp xúc với ôxy trong khí thải. Ở mỗi mặt của cảm biến loạiZrO2 được phủ một lớp điện cực bằng plantin để dẫn điện. Lớp plantin này rất mỏng và xốp để ôxy dễ khuyếch tán vào. Khi khí thải chứa lượng ôxy ít do hỗn hợp giàu nhiên liệu thì số ion ôxy tập trung ở điện cực tiếp xúc khí thải ít hơn số ion ôxy tập trung ở điện cực tiếp xúc không khí. Sự chênh lệch số ion này sẽ tạo một tín hiệu điện áp khoảng 600-900 mV. Ngược lại, khi độ chênh lệch số ion ở hai điện cực nhỏ trong trường hợp nghèo xăng, cảm biếnôxy sẽ phát ra tín hiệu điện áp thấp khoảng100-400 mV.

Sức điện động mà cảm biến ôxy sinh ra được tính theo công thức Nerst:

Trong đó: R : Hằng số; T: Nhiệt độ điện cức bằng platin; F: Hằng số Faraday; Z: Điện tích của Zr=4; Po2kt: Áp suất cục bộ của ôxy trong khí thải; Po2kk : Áp suất cục bộ của ôxy trong không khí.

2. Cấu tạo:

Thân cảm biến được giữ trong một chân có ren, bao ngoài một ống bảo vệ và được nối với các đầu dây điện.

Bề mặt của chất ZrO2  được phủ một lớp platin mỏng cả mặt trong lẫn mặt ngoài. Ngoài lớp platin là một lớp gốm ZrO2 rất xốp và kết dính, mục đích bảo vệ lớp platin không bị hỏng do va chạm các phần tử rắn có trong khí thải. Một ống kim loại bảo vệ bao ngoài cảm biến tại đầu nối điện uốn kép giữ liền với vỏ ống này có một lỗ để bù trừ áp suất trong cảm biến và để đỡ lò xo đĩa. Để giữ cho muội than không đóng vào lớp gốm ZrO2 , đầu tiếp xúc khí thải của cảm biến có một ống đặc biệt có cấu tạo dạng rãnh để khí thải và phân tử khí cháy đi vào sẽ bị giữ và không tiếp xúc trực tiếp với thân gốm ZrO2  .

Đặc điểm của cảm biếnôxy với ZrO2  là nhiệt độ làm việc phải trên 300°C. Do đó để giảm thời gian chờ, người ta dùng loại cảm biến có điện trở sấy bên trong. Điện trở sấy được lắp trong cảm biến và được cấp nguồn từ ắc qui.

3. Mạch điện:

II - Cảm biến oxi với thành phần Dioxide Titanium (TiO2):

1. Cấu tạo:

Cảm biến này có cấu tạo tương tự như loại DioxideZirconium nhưng thành phần nhận biết ôxy trong khí thải được làm từ Dioxide Titanium (TiO2). Đặc tính của chất này là sự thay đổi điện trở theo nồng độ ôxy còn trong khí thải.

Khi khí thải chứa lượng ôxy ít do hỗn hợp giàu nhiên liệu, phản ứng tách ôxy khỏi TiO2 dễ xảy ra. Do đó điện trở của TiO2 có giá trị thấp làm dòng qua điện trở tăng lên. Nhờ vậy điện áp đặt vào cổng so của OP AMP qua cầu phân áp đạt giá trị 600-900 mV. Khi khí thải chứa lượng ôxy nhiều do hỗn hợp nghèo, phản ứng tách ôxy ra khỏi TiO2 khó xảy ra, do đó điện trở của TiO2 có giá trị cao làm dòng qua điện trở giảm, điện thế ở cổng sẽ giảm xuống khoảng 100-400mV.

Điện trở suất của chất TiO2 được xác định như sau:

Trong đó: A: hằng số; PO2: áp suất cục bộ của ôxy trong khí thải; n = 4; Eo : năng lượng kích thích; K: hằng số; T: nhiệt độ của chất TiO2

2. Mạch điện:

Trong tương lai, việc phát triển công nghệ cảm biến này sẽ tiếp tục đóng vai trò quan trọng trong việc cải thiện hiệu suất và bảo vệ môi trường trong ngành công nghiệp ô tô.

Share on facebook
Tin tức khác