وظيفة حساس الأوكسجين
لضمان وصول المحول الحفاز إلى معدل تحويل حفزي مثالي، يلزم توفر احتراق مثالي. ويتم الوصول إلى هذا الاحتراق المثالي في محرك البنزين من خلال تكوين خليط بنسبة 14,7 كجم هواء إلى 1 كجم وقود (خليط مكون من عناصر متكافئة). ويُسمى هذا الخليط المثالي بالحرف اليوناني λ (لامدا). ويعبر مصطلح لامدا عن نسبة الهواء بين احتياجات الهواء النظرية وكمية إمدادات الهواء الفعلية:
λ = كمية الهواء الداخلة : كمية الهواء النظرية = 14,7 كجم : 14,7 كجم = 1
يعتمد مبدأ عمل حساس الأوكسجين على قياس نسبة الأوكسجين ومقارنتها. وهذا يعني أنه يتم مقارنة نسبة الأوكسجين المتبقية بغاز العادم (حوالي 0,3 – 3 %) مع نسبة الأوكسجين الموجودة بالهواء المحيط (حوالي 20,8 %).
إذا كانت نسبة الأوكسجين المتبقية بغاز العادم 3 % (خليط خفيف)، فسيؤدي الفرق مع نسبة الأوكسجين بالهواء المحيط إلى تكون جهد كهربائي مقداره 0,1 فلط.
وإذا كانت نسبة الأوكسجين المتبقية أقل من 3 % (خليط كثيف)، فسوف يزداد جهد الحساس بالتناسب مع الفرق الكبير ليصل إلى 0,9 فلط. ويتم قياس نسبة الأوكسجين المتبقية باستخدام حساسات أوكسجين مختلفة.
في المعتاد يتم فحص وظيفة حساس الأوكسجين أثناء الفحص الدوري لانبعاثات العادم. ولكن نظرا لأن حساس الأوكسجين يتعرض للتآكل بدرجة معينة، فينبغي فحصه على فترات منتظمة (تقريبا كل 30.000 كم) للتأكد من أدائه لوظيفته بشكل سليم، وذلك مثلا ضمن الفحص الدوري الذي تخضع له السيارة.
ونتيجة للقوانين الصارمة التي تهدف للحد من غازات العادم في السيارات، تم أيضًا تحسين تقنيات المعالجة اللاحقة للعادم.
يتكون هذا الحساس من قطعة مصنوعة من السيراميك وثاني أكسيد الزركونيوم على شكل إصبع ومجوفة من الداخل. والخاصية المميزة لهذه التركيبة من موصل إليكتروليتي صلب تكمن في أنه بدءًا من درجة حرارة مقدارها حوالي 300°م يسمح بنفاذ أيونات الأوكسجين. ويكون كلا جانبي هذا الجزء السيراميكي مكسوين بطبقة بلاتينية رقيقة ومسامية لتقوم بدور القطب الكهربائي. ويتدفق غاز العادم ليمر على السطح الخارجي للبنية السيراميكية، في حين يتم ملء الجزء الداخلي بكمية هواء مرجعية.
وبسبب اختلاف نسبة تركيز الأكسجين على كلا الجانبين، يحدث تقلب في أيونات الأكسجين بفعل خصائص البنية السيراميكية، وهذا التقلب بدوره يولد الجهد الكهربائي. هذا الجهد الكهربائي يتم استخدامه كإشارة لجهاز التحكم، الذي يقوم بتغيير تكوين الخليط تبعا لنسبة الأوكسجين المتبقية بغازات العادم.
هذه العملية –أي قياس نسبة الأوكسجين المتبقية وتكثيف أو تخفيف الخليط– تتكرر عدة مرات في الثانية، مما يؤدي لتوليد خليط مكون من عناصر متكافئة بحسب الحاجة (λ = 1).
في هذا النوع من الحساسات يتم تصنيع العنصر السيراميكي من ثاني أكسيد التيتانيوم – وبتقنية طبقة سميكة، متعددة الطبقات. يتسم ثاني أكسيد التيتانيوم بخاصية أنه يغير مقاومته بالتناسب مع تركيز الأوكسجين في غاز العادم. في حالة وجود نسبة أوكسجين عالية (خليط خفيف λ > 1) فإنه يكون موصلاً للكهرباء بدرجة أقل، وفي حالة وجود نسبة أوكسجين ضئيلة (خليط كثيف λ < 1) فإنه يكون موصلاً للكهرباء بدرجة أكبر. ولا يحتاج هذا الحساس إلى كمية هواء مرجعية، ولكن يجب إمداده بجهد كهربائي 5 فلط من خلال جهاز التحكم عن طريق مجموعة مقاومات. وعن طريق انخفاض الجهد الكهربائي في المقاومات تنشأ الإشارة اللازمة لجهاز التحكم.
كلا خليتي القياس مركبتان في مبيت متشابه. ويوجد أنبوب حماية يمنع حدوث أضرار بخلايا القياس البارزة في مجرى تدفق العادم.
في حساسات الأوكسجين الأولى لم تكن هناك وحدة تدفئة، ولذلك كان من الضروري تركيبها بالقرب من المحرك؛ حتى تصل إلى درجة الحرارة اللازمة للتشغيل بأسرع ما يمكن. أما الآن فيتم تزويد حساسات الأوكسجين بوحدة تتولى تدفئة الحساس. وبذلك يمكن تركيب الحساسات بعيدًا عن المحرك.
الميزة:
لم تعد الحساسات معرضة للحمل الحراري العالي. وبفضل وحدة تدفئة الحساسات أصبحت الحساسات تصل إلى درجة حرارة التشغيل في أقصر وقت، ومن خلال ذلك تقل كثيرا الفترة التي لا تكون فيها عملية تحكم لامدا فعالة. ويتم منع وصول الحساس إلى مستوى تبريد زائد أثناء عمل المحرك على وضع الدوران المحايد الذي تكون درجة حرارة العادم أثناءه ليست مرتفعة بالقدر الكافي. تتميز حساسات الأوكسجين ذات التدفئة بأن فترة استجابتها أقصر، وهو ما يؤثر بشكل إيجابي على سرعة التحكم.
يشير حساس الأوكسجين إلى أن الخليط كثيف أو خفيف في النطاق λ = 1. ويتيح حساس الأوكسجين واسع النطاق إمكانية قياس نسبة الهواء بدقة سواء في النطاق الخفيف (λ > 1) أو في النطاق الكثيف (λ < 1). وهو يوفر إشارة كهربائية دقيقة؛ ولذلك يمكن التحكم في أي قيم مرجعية لازمة، مثلا مع محركات الديزل ومحركات البنزين المعتمدة على مبدأ التركيز الخفيف ومحركات الغاز ووحدات تدفئة الغاز. يتم تركيب حساس الأوكسجين واسع النطاق بنفس طريقة الحساس التقليدي الذي يعمل اعتمادا على كمية هواء مرجعية. ويتميز هذا الحساس بأنه يحتوي على خلية كهروميكانيكية ثانية إضافية، ألا وهي خلية الضخ.
فمن خلال ثقب صغير في خلية الضخ يصل غاز العادم إلى حيز القياس، فجوة التوزيع. ولضبط نسبة الهواء (λ)، يتم مقارنة نسبة تركيز الأوكسجين مع نسبة تركيز الأوكسجين في كمية الهواء المرجعية. وللحصول على إشارة يمكن لجهاز التحكم قياسها، يتم توصيل جهد كهربائي إلى خلية الضخ. ومن خلال هذا الجهد الكهربائي يمكن ضخ الأوكسجين من غاز العادم إلى داخل أو خارج فجوة التوزيع. ويتحكم جهاز التحكم في جهد الضخ بحيث يستقر تكوين الغازات في فجوة التوزيع بشكل ثابت عند λ = 1. إذا كان الخليط خفيفًا، يتم ضخ الأوكسجين إلى الخارج من خلال خلية الضخ. فينتج تيار ضخ إيجابي. وإذا كان الخليط كثيفًا، يتم ضخ الأوكسجين من كمية الهواء المرجعية إلى الداخل. فينتج تيار ضخ سلبي. عندما تكون النسبة λ = 1 في فجوة التوزيع لن يتم نقل أي قدر من الأوكسجين، ويكون تيار الضخ صفر. ويتم تقييم تيار الضخ هذا من خلال جهاز التحكم ويعطيه نسبة الهواء وبالتالي معلومات حول نسب مكونات الخليط.
منذ طرح نظام التشخيص الذاتي (EOBD) يجب أيضا مراقبة الأداء الوظيفي للمحول الحفاز. ولذلك يتم تركيب حساس أوكسجين إضافي خلف المحول الحفاز. ويتم بواسطته قياس قدرة المحول الحفاز على تخزين الأوكسجين.
وظيفة الحساس التالي للمحول الحفاز مماثلة لوظيفة الحساس السابق له. ويقوم جهاز التحكم بمقارنة سعات حساسات الأوكسجين. وبفعل قدرة المحول الحفاز على تخزين الأوكسجين تكون سعات الجهد الكهربائي للحساس التالي للمحول الحفاز صغيرة للغاية. وفي حالة انخفاض القدرة التخزينية للمحول الحفاز، تتزايد سعات الجهد الكهربائي للحساس التالي للمحول الحفاز نتيجة زيادة نسبة الأوكسجين.
ارتفاع السعات التي تنشأ في الحساس التالي للمحول الحفاز يرتبط بالقدرة التخزينية اللحظية للمحول الحفاز، والتي تتباين تبعا للحِمل على المحرك وعدد لفاته حاليا. ولذلك يتم مراعاة حالة الحِمل وعدد اللفات عند مقارنة سعات الحساسات. وعلى الرغم من ذلك إذا كانت سعات الجهد الكهربائي لكلا الحساسين متساوية تقريبا، فيتم الوصول إلى القدرة التخزينية للمحول الحفاز مثلا من خلال التقادم.
في حالة تعطل حساس الأوكسجين يمكن أن تحدث أعراض الأخطاء التالية:
يمكن أن يحدث العطل نتيجة لأسباب عديدة:
هناك مجموعة من الأعطال النمطية التي تلحق بحساسات الأوكسجين، والتي تحدث بكثرة. وتوضح القائمة التالية الأسباب لحدوث الأخطاء المُشخَّصة:
الخطأ المُشخَّص | السبب |
---|---|
حدوث انسداد بأنبوب الحماية أو جسم الحساس نتيجة بقايا الزيت | وصول زيت غير محترق إلى مجموعة العادم، مثلا من خلال حلقات الكباس المعطلة أو موانع التسرب المحيطة بساق الصمام |
خطأ في سحب الهواء، افتقاد كمية الهواء المرجعية | الحساس مُركب بشكل خاطئ، فتحة كمية الهواء المرجعية مسدودة |
وجود أضرار نتيجة السخونة المفرطة | درجات حرارة أعلى من 950 °م نتيجة توقيت الإشعال الخاطئ أو خلوص الصمام |
سوء توصيل ملامسات القابس | التأكسد |
انقطاع وصلات الكابلات | الكابلات ممدة بشكل سيء، مواضع احتكاك، عضات القوارض |
عدم وجود توصيل أرضي | التأكسد، الصدأ بمجموعة العادم |
الأضرار الميكانيكية | ربط الحساس بعزم ربط زائد |
التقادم الكيميائي | تكرار السير لمسافات صغيرة |
ترسبات الرصاص | استخدام وقود يحتوي على الرصاص |
السيارات المجهزة بنظام تشخيص ذاتي تستطيع التعرف على الأخطاء التي تحدث في دائرة التحكم وتخزينها في ذاكرة الأخطاء. وعادةً يتم الإشارة إلى ذلك بإضاءة مصباح كنترول المحرك. ولتشخيص الخطأ يمكن عندئذ قراءة بيانات ذاكرة الأخطاء باستخدام جهاز تشخيص. إلا أن الأنظمة القديمة نسبيًا لا يمكنها تحديد ما إذا كان هذا الخطأ يرجع سببه إلى جزء تركيبي معطل أو مثلا إلى تلف بالكابل. وفي هذه الحالة يجب على فني الميكانيكا القيام بمزيد من الفحوصات.
ضمن نظام التشخيص الذاتي (EOBD) تم توسيع مجال مراقبة حساسات الأوكسجين ليشمل النقاط التالية:
لتشخيص إشارات حساس الأوكسجين فإن جهاز التحكم يستخدم شكل تردد الإشارة.
ولهذا الغرض يحتسب جهاز التحكم البيانات التالية:
كقاعدة أساسية ينبغي قبل أي فحص إجراء معاينة بالنظر للتأكد من عدم وجود تلف بالكابل أو القابس. ويجب ألا تكون هناك مواضع تسريب بمجموعة العادم.
لتوصيل جهاز القياس ننصح باستخدام كابل مهايأة. يراعى أيضا أن تحكم لامدا قد لا يكون فعالا في بعض حالات التشغيل، مثلا أثناء التشغيل على البارد حتى الوصول إلى درجة حرارة التشغيل وفي حالة التحميل الكامل.
يتمثل أحد أسرع وأسهل الفحوصات في القياس باستخدام جهاز قياس غازات العادم رباعي الغازات.
ويتم إجراء الفحص كما في فحص انبعاثات العادم المنصوص عليه. بينما المحرك على درجة حرارة التشغيل يتم الإمداد بكمية هواء خاطئة من خلال فصل خرطوم كعامل تشويش. ومن خلال تغير تكوين غازات العادم تتغير أيضا قيمة لامدا المعروضة التي يقيسها جهاز اختبار العادم. وبدءًا من قيمة محددة يجب أن يتعرف نظام تحضير الخليط على ذلك ويقوم بالضبط في غضون فترة محددة (60 ثانية كما هو الحال في اختبار فحص العادم). وإذا تم إزالة عامل التشويش، يجب أن تعود قيمة لامدا إلى القيمة الأصلية.
كقاعدة أساسية للقيام بهذا ينبغي مراعاة المعايير الخاصة بتفعيل عامل التشويش وقيم لامدا الصادرة عن الشركة المصنعة.
إلا أن هذا الفحص لا يمكنه سوى تحديد ما إذا كان تحكم لامدا يعمل أم لا. ولكن لا يمكن إجراء فحص كهربائي. وبهذه الطريقة يكون هناك خطر أنه نتيجة قدرات الأنظمة الحديثة للتحكم في المحرك على رصد الحمل بدقة فتتدخل تلك الأنظمة للتحكم في الخليط بحيث تكون نسبة λ = 1 على الرغم من أن تحكم لامدا لا يعمل.
للفحص ينبغي الاقتصار على استخدام جهاز المالتيميتر عالي الأوم ومزود بمبين رقمي أو تناظري.
في حالة استخدام جهاز مالتيميتر المزود بمقاومة داخلية صغيرة (غالبًا أجهزة تناظرية) يكون هناك حمل كبير على إشارة حساس الأوكسجين ويمكن أن يتسبب ذلك في تلفه. بسبب الجهد الكهربائي المتغير بسرعة يمكن أن تظهر الإشارة على أكمل وجه باستخدام جهاز تناظري.
يتم توصيل الجهاز المالتيميتر على التوازي بوصلة الإشارة (كابل أسود، ولكن يراعى مخطط التوصيل) لحساس الأوكسجين. ويتم ضبط مدى قياس الجهاز المالتيميتر على 1 أو 2 فلط. بعد إدارة المحرك يظهر على المبين قيمة تتراوح بين 0,4 – 0,6 فلط (الجهد الكهربائي المرجعي). وإذا تم الوصول إلى درجة حرارة تشغيل المحرك أو حساس الأوكسجين، فسوف يبدأ الجهد الثابت في التقلب بين 0,1 و0,9 فلط.
للوصول إلى نتيجة قياس سليمة ينبغي تثبيت المحرك على عدد لفات مقداره حوالي 2500 لفة. وبذلك تضمن الوصول إلى درجة حرارة تشغيل الحساس حتى مع الأنظمة ذات حساس أوكسجين ليس له وحدة تدفئة. فمن خلال درجة حرارة العادم غير الكافية في وضع الدوران المحايد يكون هناك خطر أن يبرد الحساس الذي ليه له وحدة تدفئة ويتوقف عن توليد أي إشارة.
يمكن باستخدام جهاز رسم الذبذبات أوسيلسكوب عرض إشارة حساس الأوكسجين على أكمل وجه. والشرط الأساسي لذلك هو الوصول إلى درجة حرارة تشغيل المحرك أو حساس الأوكسجين كما هو الحال في حالة القياس باستخدام الجهاز المالتيميتر.
يتم توصيل جهاز رسم الذبذبات أوسيلسكوب بوصلة الإشارة. ويرتبط مدى القياس المطلوب ضبطه بجهاز رسم الذبذبات أوسيلسكوب المستخدم. وإذا كان الجهاز مزودا بوظيفة التعرف الأوتوماتيكي على الإشارة، فينبغي استخدامها. في حالة ضبط مدى القياس يدويا اضبط نطاق جهد كهربائي على 1 – 5 فلط، واضبط قيمة الوقت على 1 – 2 ثانية.
يجب أن يبلغ عدد لفات المحرك مرة أخرى حوالي 2500 لفة.
ويظهر الجهد المتردد بقيمة جيبية في وحدة العرض. ومن خلال هذه الإشارة يمكن تقييم البارامترات التالية:
توفر عدة شركات مصنعة أجهزة اختبار لحساس الأوكسجين مخصصة لاستخدامها في الفحص. وباستخدام هذا الجهاز يتم عرض الأداء الوظيفي لحساس الأوكسجين عن طريق لمبات LED.
يتم توصيل الجهاز بوصلة إشارة الحساس بنفس طريقة توصيل جهاز المالتيميتر وجهاز رسم الذبذبات أوسيلسكوب. بمجرد وصول الحساس إلى درجة حرارة التشغيل وبدء عمله، تبدأ لمبات LED في الإضاءة بشكل متناوب – وبحسب نسب الخليط ومسار الجهد الكهربائي (0,1 – 0,9 فلط) بالحساس.
جميع البيانات المرتبطة بضبط جهاز قياس الجهد الكهربائي ترتبط هنا بحساسات ثاني أكسيد الزركونيوم (حساسات قفزة الجهد الكهربائي). وفي حالة حساسات ثاني أكسيد التيتانيوم يتغير نطاق قياس الجهد الكهربائي المطلوب ضبطه إلى 0 – 10 فلط، وتتبدل قيم الجهد الكهربائي التي يتم قياسها ما بين 0,1 – 5 فلط.
كقاعدة أساسية يجب مراعاة تعليمات الشركة المصنعة. بالإضافة إلى الفحص الإلكتروني فإن حالة أنبوب حماية عنصر الحساس قد تعطي مؤشرات بشأن الكفاءة الوظيفية:
يمكن فحص المقاومة الداخلية لعنصر التدفئة ووصول الجهد الكهربائي إليه.
وللقيام بذلك افصل القابس الموصل بحساس الأوكسجين. قِس المقاومة الكهربائية في جهة حساس الأوكسجين باستخدام مقياس المقاومة الكهربائية على كل كابل من كابلي عنصر التدفئة. ينبغي أن تتراوح تلك القيمة بين 2 و 14 أوم. قِس الجهد الكهربائي الواصل جهة السيارة باستخدام فلطيمتر. يجب أن تكون قيمة الجهد > 10,5 فلط (جهد الشبكة الكهربائية للسيارة).
عدد الكابلات | لون الكابل | الوصلة |
---|---|---|
1 | أسود | الإشارة (وصلة أرضي على جسم الحساس) |
2 | أسود | الإشارة أرضي |
عدد الكابلات | لون الكابل | الوصلة |
---|---|---|
3 | أسود 2× أبيض | الإشارة (وصلة أرضي على جسم الحساس) عنصر التدفئة |
4 | أسود 2× أبيض رمادي | الإشارة، عنصر تدفئة، أرضي |
عدد الكابلات | لون الكابل | الوصلة |
---|---|---|
4 | أحمر أبيض أسود أصفر | عنصر التدفئة (+) عنصر التدفئة (-) الإشارة (-) الإشارة (+) |
4 | أسود 2× أبيض رمادي | عنصر التدفئة (+) عنصر التدفئة (-) الإشارة (-) الإشارة (+) |
(يجب مراعاة البيانات الخاصة بالشركة المصنعة.)
خطوات استبدال حساس الأوكسجين ومنها إرشادات الفك والتركيب
02:42 دقيقة
في حالة تغيير حساس الأوكسجين ينبغي مراعاة ما يلي عند تركيب الحساس الجديد:
غير مفيد على الإطلاق
مفيد جدا