Trong thời đại công nghiệp 4.0 hiện nay, ô tô không chỉ là phương tiện giao thông tiện lợi mà còn trở thành những bộ não di động, trang bị đầy đủ các công nghệ tiên tiến để nâng cao trải nghiệm lái xe và đảm bảo an toàn. Một trong những yếu tố quan trọng ẩn sau sự hiệu quả của hệ thống động cơ là cảm biến nồng độ oxi. Cùng với sự phát triển của công nghệ, cảm biến này đóng vai trò quan trọng trong việc theo dõi và kiểm soát mức nồng độ oxy trong khí đốt của động cơ, giúp đảm bảo hoạt động hiệu quả và tiết kiệm nhiên liệu. Hãy theo dõi bài viết dưới đây để có những hiểu biết hơn về cảm biến nồng độ oxy

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 λ = 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).

1. Cảm biến oxy với thành phần Dioxide Zirconium (ZrO2)

a. Nguyên lý hoạt động:

Cảm Biến Nồng Độ Oxy Ô Tô - EAC

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:

Cảm Biến Nồng Độ Oxy Ô Tô - EAC
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.

b. Cấu tạo:

Cấu tạo cảm biến ôxy loại Dioxide Zirconium (ZrO2)

Cấu tạo cảm biến ôxy loại Dioxide Zirconium (ZrO2)

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.

c. Mạch điện:

Mạch điện của cảm biến ôxy loại Dioxide Zirconium (ZrO2)

                                       Mạch điện của cảm biến ôxy loại Dioxide Zirconium (ZrO2)

2. Cảm biến oxy với thành phần Dioxide Titanium (TiO2)

a. Cấu tạo:

Cảm Biến Nồng Độ Oxy Ô Tô - EAC

Cảm biến ôxy loại Dioxide Titanium (TiO2

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:

Cảm Biến Nồng Độ Oxy Ô Tô - EAC
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

b. Mạch điện:

Cảm Biến Nồng Độ Oxy Ô Tô - EAC

Mạch điện của cảm biến ôxy loại Dioxide Titanium (TiO2)

Có thể thấy rằng sự tích hợp của công nghệ này mang lại nhiều lợi ích quan trọng cho hệ thống động cơ và môi trường xung quanh. Việc theo dõi và kiểm soát nồng độ oxi trong động cơ giúp tối ưu hóa quá trình đốt cháy nhiên liệu, tăng cường hiệu suất và giảm lượng khí thải gây ô nhiễm môi trường. Cảm biến nồng độ oxi không chỉ cung cấp thông tin chính xác về tỷ lệ hỗn hợp nhiên liệu và oxi, mà còn chói lọi ở khả năng phát hiện sớm các vấn đề liên quan đến đốt cháy không hiệu quả hoặc tỷ lệ nhiên liệu không đúng. Điều này giúp người lái xe và kỹ thuật viên bảo dưỡng đối mặt với vấn đề ngay từ khi nó bắt đầu, giảm nguy cơ hỏng hóc nghiêm trọng và giữ cho động cơ hoạt động mạnh mẽ và hiệu quả.