سنسور اکسیژن ماشین؛ وظایف، عوامل و علائم‌خرابی

خودروهای مدرن امروزی میزان مصرف سوخت بسیار کم، آلایندگی محدود، عملکرد بهینه، روشن شدن راحت در فصل سرما و بازده قابل توجه خود را از طریق معجزه به‌دست نیاوردند. این خودروها به ده‌ها سنسور گران قیمت و بسیار دقیق مجهز هستند که در هر ثانیه صدها و بعضا هزاران بار رفتار پیشرانه و قطعات حساس درونی آن را بررسی کرده و به کامپیوتر (ECM/ECU/PCM) پیشرانه گزارش می‌دهند تا تغییرات مورد نیاز برای عملکرد صحیح صورت بگیرد.

یکی از مهم‌ترین سنسورهای موثر بر رفتار صحیح پیشرانه‌های مدرن امروزی، سنسور اکسیژن است که با نام‌های دیگر سنسور O2 یا سنسور لامبدا (Lambda Sensor) و سنسور واید بَند (Wide Band) نیز شناخته می‌شود. این سنسور اولین بار در دهه ۱۹۷۰ میلادی از سوی خودروساز سوئدی ولوو به بازار معرفی شد، اما حسگر اکسیژن چه کاری انجام می‌دهد و چگونه عمل می‌کند؟

عملکرد سنسور اکسیژن

همان‌طور که از نامش پیدا است، سنسور اکسیژن خودرو یک سنسور بسیار دقیق است که در ابتدا (و میانه) مسیر خروجی اگزوز قرار می‌گیرد و وظیفه آن اندازه‌گیری دقیق میزان اکسیژن باقی مانده در گازهای خروجی اگزوز است که به عنوان نشانگر صحت عملکرد پیشرانه و کیفیت فرایند احتراق ایفای نقش می‌کند.

پیشرانه‌های احتراق داخلی بنزینی برای ارائه بهترین عملکرد با در نظر گرفتن فاکتورهایی چون بالاترین توان و کم‌ترین آلایندگی ممکن، نیازمند ارائه ترکیب احتراق هوا و سوخت (ضریب استوکیومتری/نسبت AFR) برابر با ۱۴.۷:۱ (۱۴.۷ واحد هوا به ۱ واحد سوخت) هستند. در پیشرانه‌های انژکتوری قدیمی، تلاش بر این بود تا به کمک سنسورهای دیگر نظیر سنسور فشار منیفولد (MAP/سنسور مپ)، سنسور میزان جریان عبوری هوا (MAF/سنسور مف) و سنسور دریچه گاز (TPS) این ضریب ایده‌آل استوکیومتری حفظ شود اما پس از بروز احتراق، هیچ عامل ارزیابی در مسیر اگزوز وجود نداشت تا صحت ضریب ۱۴.۷:۱ را تایید یا رد کند. در نتیجه سیستم‌های انژکتوری قدیمی را تحت عنوان مدار باز یا Open Loop می‌شناختند.

با پیشرفت تکنولوژی و معرفی سنسور اکسیژن، این سنسور به عنوان یک ناظر در مسیر خروجی اگزوز قرار گرفت تا هرگونه تخطی از ضریب استوکیومتری ایده‌آل ۱۴.۷:۱ را تشخیص داده و به پیشرانه گزارش کند. به این ترتیب که در صورت فراوانی میزان مولکول‌های اکسیژن در گازهای خروجی اگزوز، این ذهنیت برداشت می‌شود که میزان پاشش سوخت بیشتر از حد ایده‌آل بوده و مقدار کافی از مولکول‌های بنزین احتراق نکرده‌اند و به همین دلیل درصد اکسیژن خروجی اگزوز بیشتر از حد مجاز و نشان دهنده خام سوزی پیشرانه است.

کم بودن بیش از حد مولکول‌های اکسیژن نیز به معنای سوختن درصد بیشتری از مولکول‌های بنزین و هوا (پاشش کم‌تر از حد مجاز سوخت) است. در نتیجه مخلوط سوخت و هوا بیش از حد رقیق بوده و احتراق گازهای آلاینده خطرناک از خانواده نیتروژن اکسید (NOx/ناکس) زیادی تولید می‌کند.

زمانی که سنسور اکسیژن متوجه این تغییرات در تناسب با ضریب ایده‌آل استوکیومتری شود، با گزارش به ECU (کامپیوتر موتور یا همان ECM)، سیستم‌های کنترلی را قادر می‌سازد تا در کسری از ثانیه میزان پاشش سوخت را بر حسب ضریب استاندارد اصلاح کرده و عملکرد پیشرانه را همواره در سطح ایده‌آل قرار دهد. در نتیجه این نوع از سیستم‌های دقیق انژکتوری را با نام مدار بسته یا Close Loop می‌شناسند.

دلیل نام گذاری

لامبدا (Lambda) یازدهمین حرف از الفبای یونانی ( به شکل λ) است که در ریاضیات و محاسبات مهندسی به عنوان المان نشانگر ضریب خطا درنظر گرفته می‌شود. از آن‌جایی که وظیفه سنسور اکسیژن تشخیص و ارزیابی خطای سیستم‌های کنترلی پیشرانه و بخصوص خطاهای مربوط به سیستم پاشش سوخت است، نام آن را از حرف لامبدا یونانی و به عنوان سنسور تشخیص دهنده خطاهای سیستم انژکتور انتخاب کرده‌اند.

همچنین به دلیل افزایش بسیار‌زیاد دقت سیستم پاشش سوخت و کنترل کامپیوتری بسیار دقیق کامپیوتر پیشرانه بر مجموعه سوخت‌رسانی، این سنسور با نام واید بند (Wide Band) نیز شناخته می‌شود.

انواع سنسور اکسیژن

سنسور اکسیژن خودرو یا سنسور لامبدا در شرایطی با بالاترین دقت ممکن عمل می‌کند که به خوبی داغ شده باشد. در نتیجه زمانی که پیشرانه خاموش بوده و این سنسور سرد است، دچار خطا شده و در ارزیابی‌های خود دقیق نیست. اما پس از روشن شدن پیشرانه و داغ شدن کامل منیفولد اگزوز و سنسور اکسیژن که می‌تواند در حدود ۵ دقیقه زمان ببرد، این سنسور به دقت‌نهایی دست می‌یابد.

از این رو سنسورهای اکسیژن خودرو در دو نوع رایج فاقد گرم‌کن (بدون هیتر) و دارای گرم کن (با هیتر) در بازار موجود هستند. نسخه فاقد گرم‌کن با حرارت خروجی گازهای اگزوز و در گذر مدت زمان نسبتا کوتاه داغ می‌شود اما نمونه مجهز به گرم‌کن، پس از باز شدن سوئیچ با برقی که از باتری خودرو دریافت می‌کند، به کمک المنت درونی به سرعت داغ شده و از همان لحظه روشن شدن پیشرانه، با بالاترین دقت ممکن ایفای نقش خواهد کرد. سنسور اکسیژن دارای هیتر معمولا به عنوان سنسور پایین و بعد از کاتالیزور نصب می‌شود تا همواره گرم بماند. طبیعتا سنسورهای لامبدا دارای هیتر، قیمت فروش بالاتری نسبت به نمونه‌های بدون هیتر دارند. تمایز میان نمونه دارای گرم‌کن و فاقد گرم کن در وجود تعداد سیم‌های بیشتر هیتردار مشهود است.

نمایی برش خورده از ساختار داخلی سنسور اکسیژن.

نکته بسیار مهم در خصوص سنسورهای لامبدا مجهز به گرم‌کن آن است که در صورت دریافت برق ۱۲ ولت خودرو به سرعت و به شدت داغ می‌شوند. پس باید بسیار مراقب باشید که پیش از نصب سنسور بر روی منیفولد اگزوز، آن را به سیم‌کشی موتور متصل نکنید. چرا که در صورت باز شدن سوئیچ و به هنگام در دست داشتن سنسور، ممکن است به شدت دست خود را بسوزانید.

عوامل خرابی سنسور اکسیژن

سنسور اکسیژن همانند هر قطعه الکترونیکی و مکانیکی دیگر، دارای طول عمر مفید است اما همچنان برخی از موارد جانبی می‌تواند از عمر مفید این قطعه بکاهد.

• کارکرد بالا: سنسور اکسیژن عمر مشخصی دارد. تکرار چرخه گرمایی که سنسور اکسیژن با هر بار استفاده از خودرو تجربه می‌کند، در گذر زمان موجب خرابی آن می‌شود.
• خام سوزی: خرابی سوزن‌های انژکتور، نشت سوخت یا پاشش بیش از حد سوخت به درون پیشرانه ایرادی است که ECU نمی‌تواند آن را اصلاح کند. در نتیجه خودرو به صورت پیوسته با مقدار مشخصی خام سوزی مواجه است. خام سوزی شدید یا پیوسته می‌تواند موجب تجمع رسوب کربنی بر روی سنسور اکسیژن شده و آن را خراب کند.
• روغن سوزی: پیشرانه‌ای که کارکرد بالا داشته باشد به صورت طبیعی با استهلاک مواجه شده و فرار گازهای احتراق از اطراف پیستون به محفظه میلنگ در آن بسیار زیاد است و در نتیجه با مقداری روغن سوزی مواجه خواهد بود. دوده حاصل از سوختن روغن در مسیر اگزوز بسیار چسبنده و روغنی است. این دوده زمانی که روی سنسور اکسیژن می‌نشیند در مواجهه با حرارت بسیار زیاد گازهای خروجی اگزوز اکسید شده و همانند سنگ محکم می‌شود که کیپ شدن و خرابی سنسور اکسیژن را به همراه خواهد داشت.
• نیم سوز شدن واشر سرسیلندر: پیشرانه‌ای که در قسمت واشر سرسیلندر دچار خرابی جزئی شود، نمی‌تواند مسیر کولانت (ترکیب آب و ضد یخ) را از محفظه سیلندر جدا نگه دارد. در نتیجه مقداری از کولانت وارد سیلندر شده و به همراه احتراق می‌سوزد و پیشرانه و به آهستگی آب (کولانت) کم می‌کند. بخار حاصل از سوختن کولانت در مسیر اگزوز نیز می‌تواند به سرعت از عمر مفید سنسور اکسیژن بکاهد.
• اتصال الکتریکی: سوختن سیم سنسور اکسیژن، ضربه خوردن آن یا پوسیدگی روکش سیم‌ها، می‌تواند منجر به اتصال کوتاه سیم‌های سنسور و خرابی آن شود.

علائم خرابی سنسور اکسیژن

زمانی که سنسور اکسیژن خراب شود، معمولا با چند علائم مشخص همراه خواهد بود. اگر این علائم جدی گرفته نشده و خودرو همچنان در حال استفاده باشد ممکن است منجر به بروز ایرادهای بیشتر شود.

• روشن شدن چراغ چک: اگر خرابی ابتدایی سنسور O2 به تنهایی منجر به روشن شدن چراغ چک خودرو نشود، عواقب بعدی و تاثیرت منفی آن در دراز مدت قطعا به روشن شدن چراغ چک می‌انجامد.
• لرزه موتور: برهم خوردن ضریب استوکیومتری به دلیل خرابی سنسور اکسیژن و عدم توانایی ECU در تنظیم صحیح این ضریب، می‌تواند با لرزیدن پیشرانه بر اثر احتراق ناقص یا اختلال در کیفیت جرقه شمع‌ها (میس فایر/Miss Fire) همراه شود.
• اشباع شدن کاتالیزور: عدم اندازه‌گیری صحیح ضریب استوکیومتری معمولا به خام‌سوزی و اشباع سریع (کیپ شدن) کاتالیزور منجر می‌شود و افزایش فشار معکوس بر پیشرانه را به همراه دارد که خود را به صورت گرم شدن غیر عادی پیشرانه نشان می‌دهد.
• عدم توانایی در پاس کردن تست آلایندگی: اشباع شدن کاتالیزور به دلیل خرابی سنسور O2 باعث افزایش گازهای آلاینده خروجی اگزوز شده و در تست معاینه فنی خود را نمایان خواهد ساخت. در نتیجه دستگاه‌های تست آلایندگی تولید حجم قابل توجهی از گازهای خطرناک در اگزوز را تشخیص داده و خودرو قادر به دریافت معاینه فنی نخواهد بود.
• تنبل شدن پیشرانه: کاهش چشم‌گیر و نسبتا‌سریع از توان پیشرانه نظیر افت شتاب، عدم توانایی در دستیابی به سرعت‌های سابق در هر دنده، افت بیشینه سرعت خودرو یا نیاز بیشتر بر فشردن پدال گاز برای دستیابی به سرعت مشخص، همگی نشان از افزایش فشار معکوس بر سیلندرهای خودرو بر اثر اشباع شدن کاتالیزور دارد که عامل اولیه آن خرابی سنسور لامبدا است.
• افزایش مشهود مصرف سوخت: عدم توانایی ECU در تنظیم درست ضریب استوکیومتری، اشباع کاتالیزور و افزایش فشار معکوس بر سیلندرها، موجب رشد چشم‌گیر و کاملا محسوس در میزان متوسط مصرف سوخت خودرو می‌شود که نشان از خرابی احتمالی در سوزن انژکتورها و سنسور لامبدا دارد.
• دود سیاه اگزوز: خروج دود سیاه مشهود از اگزوز خودرو یا احساس بوی شدید کربن حاصل از خام سوزی علامتی است از خرابی سوزن انژکتورها یا خرابی سنسور لامبدا و عدم توانایی ECU در تنظیم ضریب استوکیومتری.

زمان تعویض سنسور اکسیژن

سنسور لامبدا عمر طولانی اما مشخصی دارد. در نتیجه به عنوان یک قطعه فنی، بلاخره باید در یک زمان مشخص تعویض شود. سنسورهای اکسیژن باکیفیت و مدرن امروزی عمر مفیدی برابر با ۱۰۰ تا ۱۵۰ هزار کیلومتر دارند. در نتیجه بهتر است حداقل به هنگام دومین بار تعویض تسمه تایم، سنسور اکسیژن خود را نیز تعویض کنید.

با به خاطر داشتن تعداد تعویض تسمه تایم، می‌توانید زمان تعویض سنسور اکسیژن را نیز راحت‌تر به خاطر بسپارید.

آچار بکس چاک‌دار مخصوص سنسور اکسیژن

ساختار سنسور اکسیژن

از دیدگاه متریال تولیدی، سنسوراکسیژن در دو نوع مختلف ساخته شده از آلیاژ زیرکونیا (ترکیبات فلز زیرکونیم/Zr) یا تیتانیا (اکسید فلز تیتانیوم/TiO2) دسته بندی می‌شود. این دو نوع سنسور در صنعت خودروسازی به ترتیب تحت عنوان سنسور باینری (Binary) و سنسور لامبدا ۱ (Lambda 1) شناخته می‌شوند که با وجود داشتن اختلاف در متریال تولیدی، عملکرد مشابهی دارند.

شماتیک ساده از محل قرارگیری سنسور اکسیژن بالا و پایین.

تعداد سنسور اکسیژن

بیشتر خودروهای انژکتوری حداقل از یک سنسور لامبدا قرار گرفته درمسیر اگزوز و پیش از کاتالیزور بهره می‌گیرند که به سنسور اکسیژن بالا یا Upstream Lambda مشهور است. اما بیشتر خودروهای مدرن امروزی دارای دو سنسور اکسیژن هستند که یکی درست در ابتدای کلکتور منیفولد اگزوز (جایی که لوله‌های خروجی اگزوز به یکدیگر می‌رسند) و پیش از کاتالیزور و دیگری درست بعد از کاتالیزور (معروف به سنسور اکسیژن پایین یا Downstream Lambda) قرار می‌گیرد.

تصویری از گرفتگی و کیپ شدگی کاتالیزور

نقش سنسور اکسیژن تنظیم دقیق ضریب استوکیومتری است اما تاثیر ثانویه کار این سنسور می‌تواند منجر به طول عمر بیشتر کاتالیزور (مبدل کاتالیتیک) خودرو شود. به این ترتیب که اگر مخلوط سوخت و هوا بیش از حد غلیظ (Rich) باشد، دوده‌های کربنی حاصل از احتراق ناقص، منجر به اشباع زودرس و کیپ شدن کاتالیزور شده که ضمن افزایش آلایندگی خروجی اگزوز، بر سوپاپ‌ها و سرسیلندر نیز فشار معکوس شدیدی وارد می‌کند و از عملکرد پیشرانه به شکل محسوس و خطرناکی می‌کاهد.

از سوی دیگر اگر مخلوط سوخت و هوا بیش از حد رقیق (Lean) باشد، ضمن تولید گازهای آلاینده بسیار خطرناک از خانواده نیتروژن اکسید (NOx)، بر دمای شبکه‌های درونی کاتالیزور افزوده و با اکسید کردن سریع متریال تشکیل دهنده کاتالیزور، موجب سوختن و کاهش عمر سریع آن می‌شود.

نصب سنسور اکسیژن ثانویه در پس کاتالیزور، به معنای استفاده از یک ناظر دوم بر گازهای عبوری از کاتالیزور و نظارت دقیق بر عملکرد این قطعه حیاتی و صحت کارکرد آن است. در نتیجه نه تنها ECU تنظیم دقیق‌تری بر میزان پاشش سوخت و حفظ ضریب استوکیومتری اعمال می‌کند بلکه متوجه صحت عملکرد و سلامت کاتالیزور نیز خواهد بود.

با این توصیف، خودروهایی که از پیشرانه‌های V شکل یا باکسر بهره می‌گیرند و به دو لوله اگزوز خروجی در دو سمت موتور مجهز هستند، ممکن است به صورت کلی دارای ۴ سنسور باشند.

چگونگی تویض سنسور اکسیژن

سنسور اکسیژن قطعه ساده اما بسیار حساس است. در بسیاری از موارد دیده می‌شود که برای نظافت این سنسور از فرچه سیمی فلزی یا اسپری‌های شوینده صنعتی استفاده می‌شود اما به دلیل حساسیت سنسور اکسیژن در برابر رطوبت، این کار ممکن است به خرابی کامل سنسور بی‌انجامد و از این رو هرگز توصیه نمی‌شود.

اما تعویض سنسور اکسیژن کار پیچیده‌ای نیست. اگر موتور سرد است، آن را استارت بزنید و اجازه دهید به مدت دو دقیقه روشن بماند. این کار منجر به گرم شدن نسبی (و نه داغ شدن) منیفولد اگزوز و رزوه‌های سنسور می‌شود. سپس اتصال مثبت باتری را قطع کنید و بعد فیش اتصال سنسور اکسیژن را از دسته سیم جدا کنید. با یک آچار چاک‌دار مصخوص یا رینگی هم اندازه مهره شش ضلعی سنسور، آن را در جهت خلاف عقربه‌های ساعت شل کنید. توجه داشته باشید که مهره سنسور اکسیژن می‌تواند بسیار سفت باشد. در نتیجه استفاده از دستکش برای محافظت از دستان در اثر برخورد با قطعات موتور و منیفولد داغ اگزوز به شدت توصیه می‌شود.

پس از باز کردن سنسور قدیمی، سنسور نو را با احتیاط از جعبه خارج کنید. توجه کنید تا انگشتان دستتان که ممکن است چرب و روغنی باشد، به سر سنسور که دارای شبکه محافظ سوراخ‌دار است برخورد نکند. مراقب باشید سنسور از دستتان نیوفتد، ضربه نخورد و سیم متصل به انتهای آن کشیده نشود. آسیب دیدن سیم به معنای بی‌مصرف شدن سنسور اکسیژن است.

رزوه‌های محل نصب سنسور روی منیفولد اگزوز را بررسی کرده و از تمیز بودن آن اطمینان حاصل کنید. پیش از نصب بر روی رزوه‌های سنسور لامبدا مقدار کمی گریس ترکیبی (گریس‌های حاوی پودر مس یا پودر آلومینیوم معروف به گریس مولیکوت) یا مقدار اندکی روغن موتور بمالید و ابتدا آن را با دست در محل بسته و سپس با آچار سفت کنید. در نهایت می‌توانید فیش دسته سیم سنسور و سپس کابل مثبت باتری را متصل کنید. توجه کنید که سیم سنسور با جایی برخورد نداشته باشد.

نتیجه گیری

سنسور اکسیژن یا لامبدا، قطعه‌ای رایج در میان پیشرانه‌های انژکتوری است. این قطعه در عین سادگی بسیار حساس است و در عملکرد صحیح پیشرانه، سیستم سوخت‌رسانی و آلایندگی‌های تولیدی نقش حیاتی بازی می‌کند. با در نظر داشتن میزان کارکرد خودرو خود، بهتر است پیش از آن که خرابی سنسور اکسیژن موجب بروز ایرادهای هزینه بردار و جدیدتر شود، در راستای تعویض آن اقدام کنید.

سوالات متداول

آیا سنسور اکسیژن نیاز به تعویض دارد؟

بله. طول عمر مفید این سنسور بین ۱۰۰ تا ۱۵۰ هزار کیلومتر است.

علائم خرابی سنسور اکسیژن چیست؟

روشن شدن چراغ چک، گرم شدن غیر طبیعی پیشرانه، تنبل شدن خودرو، خروج دود سیاه از اگزوز و لرزیدن موتور از علائم مربوط به خرابی سنسور اکسیژن است.

علل خرابی سنسور اکسیژن چیست؟

رایج‌ترین ایرادهایی که به خرابی سنسور اکسیژن منجر می‌شود مواردی چون خام سوزی بر اثر خرابی سوزن انژکتور و روغن سوزی پیشرانه بر اثر کارکرد زیاد است.

نویسنده: شهاب انیسی