نسبت سوخت به هوا
نسبت هوا به سوخت نسبت هوا به سوخت موتور احتراق داخلی را کنترل می کند . گیج نسبت هوا به سوخت ، متر هوا به سوخت ، یا گیج هوا به سوخت نیز نامیده می شود ، ولتاژ خروجی یک سنسور اکسیژن را می خواند که گاهی اوقات سنسور AFR یا سنسور لامبدا نیز نامیده می شود .
سنسورهای باند باریک اکسیژن اولیه در اواخر دهه 1970 و اوایل دهه 1980 به صورت استاندارد در کارخانه نصب شدند. در سال‌های اخیر یک سنسور باند پهن جدیدتر و بسیار دقیق‌تر، هرچند گران‌تر، در دسترس قرار گرفته است.
بیشتر کنتورهای باند باریک مستقل دارای 10 ال ای دی و برخی دیگر نیز هستند. همچنین متر باند باریک متداول در محفظه های گرد با نصب استاندارد 52 و 67 میلی متر ( 2+1/16 و 2 _ _+قطر 5 ⁄ 8 اینچ، مانند دیگر انواع «گیج» خودرو. اینها معمولا 10 یا 20 LED دارند. سنج های آنالوگ به سبک سوزنی نیز موجود است.
همانطور که در بالا گفته شد، مترهای باند وسیعی وجود دارد که به تنهایی ایستاده یا در محفظه ها نصب می شوند. تقریباً همه اینها نسبت هوا به سوخت را در یک نمایشگر عددی نشان می دهند زیرا سنسورهای باند وسیع خوانش بسیار دقیق تری را ارائه می دهند. از آنجایی که حسگرهای پهن باند از قطعات الکترونیکی دقیق تری استفاده می کنند، این مترها گران تر هستند.
مزایای اندازه گیری نسبت هوا به سوخت
ویرایش کنید
تعیین وضعیت سنسور اکسیژن : عملکرد نادرست سنسور اکسیژن منجر به نسبت هوا به سوخت می شود که کندتر به تغییر شرایط موتور واکنش نشان می دهد. یک سنسور آسیب دیده یا معیوب ممکن است منجر به افزایش مصرف سوخت و افزایش انتشار آلاینده ها و همچنین کاهش قدرت و پاسخ دریچه گاز شود. اکثر سیستم های مدیریت موتور یک سنسور اکسیژن معیوب را تشخیص می دهند.
کاهش انتشار: نگه داشتن مخلوط هوا و سوخت نزدیک به نسبت استوکیومتری 14.7:1 (برای موتورهای بنزینی) به مبدل کاتالیزوری اجازه می دهد تا با حداکثر بازده کار کند.
صرفه جویی در مصرف سوخت : مخلوط هوا-سوخت لاغرتر از نسبت استوکیومتری باعث مسافت پیموده شده سوخت تقریباً بهینه می شود که هزینه کمتری در هر مسافت طی شده دارد و کمترین میزان انتشار CO 2 را تولید می کند. با این حال، از کارخانه، خودروها به گونه‌ای طراحی شده‌اند که با نسبت استوکیومتری (به جای لاغری که ممکن است و در عین حال قابل رانندگی باقی می‌مانند) کار کنند تا کارایی و عمر مبدل کاتالیزوری را به حداکثر برسانند. در حالی که ممکن است بتوان در مخلوط‌های لاغرتر از نسبت استوکیومتری به آرامی کار کرد، اما سازندگان باید روی آلاینده‌ها و به ویژه عمر مبدل کاتالیزوری (که اکنون باید 160000 کیلومتر (100000 مایل) در وسایل نقلیه جدید باشد [ نیازمند منبع ] ) به عنوان اولویت بالاتر تمرکز کنند. به مقررات EPA ایالات متحده
عملکرد موتور : ترسیم دقیق نسبت هوا به سوخت در محدوده دور در دقیقه و فشار منیفولد، علاوه بر کاهش خطر انفجار ، توان خروجی را به حداکثر می‌رساند .
مخلوط‌های بدون چربی مصرف سوخت را بهبود می‌بخشند، اما همچنین باعث افزایش شدید میزان اکسیدهای نیتروژن (NOX) می‌شوند . اگر مخلوط بیش از حد لاغر شود، ممکن است موتور احتراق نکند و باعث احتراق ناقص و افزایش زیادی در انتشار هیدروکربن نسوخته (HC) شود. مخلوط‌های بدون چربی داغ‌تر می‌سوزند و ممکن است باعث بی‌درستی خشن، راه‌اندازی و توقف سخت شوند و حتی می‌توانند به مبدل کاتالیزوری آسیب برسانند یا سوپاپ‌های موتور را بسوزانند. هنگامی که موتور تحت بار است، خطر کوبش جرقه / ضربه موتور (انفجار) نیز افزایش می یابد.
مخلوط‌هایی که غنی‌تر از استوکیومتری هستند، در هنگام استفاده از سوخت مایع تبخیر شده، به اوج قدرت بیشتر موتور اجازه می‌دهند، زیرا مخلوط نمی‌تواند به حالت کاملاً همگن برسد، بنابراین سوخت اضافی اضافه می‌شود تا اطمینان حاصل شود که تمام اکسیژن سوزانده می‌شود و حداکثر قدرت را تولید می‌کند. مخلوط ایده آل در این نوع عملیات بستگی به موتور جداگانه دارد. به عنوان مثال، موتورهای با القایی اجباری مانند توربوشارژرها و سوپرشارژرهامعمولاً در مقایسه با موتورهای تنفس طبیعی به مخلوط غنی‌تری در زیر دریچه گاز باز نیاز دارند. موتورهای القایی اجباری می توانند با سوختن بیش از حد لاغر برای مدت طولانی به طور فاجعه آمیزی آسیب ببینند. هرچه مخلوط هوا و سوخت کمتر باشد، دمای احتراق در داخل سیلندر بالاتر است. دمای بیش از حد بالا باعث از بین رفتن موتور – ذوب شدن پیستون ها و سوپاپ ها می شود. این می تواند اتفاق بیفتد اگر هد و/یا منیفولد را وارد کنید یا با نصب انژکتورهای بزرگتر یا بیشتر، بوست را افزایش دهید و/یا فشار سوخت را تا حد کافی افزایش دهید. برعکس، عملکرد موتور را می توان با افزایش سوخت رسانی بدون افزایش جریان هوا به داخل موتور کاهش داد. علاوه بر این، اگر یک موتور به نقطه ای خم شود که دمای گاز خروجی آن شروع به کاهش کند، دمای سرسیلندر آن نیز کاهش می یابد.[1]
موتورهای سرد معمولاً در اولین راه‌اندازی به سوخت بیشتر و مخلوط غنی‌تری نیاز دارند (نگاه کنید به: انژکتور استارت سرد )، زیرا سوخت در هنگام سرد به خوبی تبخیر نمی‌شود و بنابراین برای «اشباع» مناسب هوا به سوخت بیشتری نیاز دارد. مخلوط‌های غنی نیز سریع‌تر می‌سوزند و خطر کوبش جرقه‌ای / انفجار موتور (انفجار) را در زمانی که موتور تحت بار است کاهش می‌دهد. با این حال، مخلوط های غنی به شدت انتشار مونوکسید کربن (CO) را افزایش می دهند.
انواع سنسور
ویرایش کنید
سنسور اکسیژن زیرکونیا
ویرایش کنید
معرفی اولیه حسگر اکسیژن در اواخر دهه 1970 صورت گرفت. از آن زمان زیرکونیا ماده انتخابی برای ساخت آن بوده است. سنسور زیرکونیا O 2 ولتاژ خود را تولید می کند که تولید آن را به یک نوع ژنراتور تبدیل می کند. ولتاژ متغیر در یک محدوده به صورت یک شکل موج تا حدودی شبیه یک موج سینوسی در کنترل حلقه بسته نمایش داده می شود. ولتاژ واقعی تولید شده معیاری از اکسیژنی است که برای تکمیل احتراق CO و HC موجود در نوک سنسور لازم است. نسبت ترکیبی نسبت هوا به سوخت استوکیومتری برای موتور بنزینینسبت نظری هوا به سوخت است که در آن تمام سوخت با تمام اکسیژن موجود واکنش می دهد و در نتیجه احتراق کامل می شود. با این نسبت یا نزدیک به این، فرآیند احتراق بهترین تعادل را بین قدرت و انتشار کم ایجاد می کند. در نسبت هوا به سوخت استوکیومتری، ولتاژ سنسور O 2 تولید شده حدود 450 میلی ولت است. ماژول کنترل موتور (ECM) وضعیت غنی را در بالای سطح 450 میلی ولت، و وضعیت لاغری را در زیر آن تشخیص می دهد، اما میزان غنای یا لاغری را تشخیص نمی دهد. به همین دلیل است که سنسور زیرکونیا O 2 را سنسور O 2 “باند باند” می نامند .
سنسور اکسیژن تیتانیوم
ویرایش کنید
سنسور تیتانیوم O 2 در اواخر دهه 1980 و اوایل دهه 1990 به طور محدود مورد استفاده قرار گرفت. ساختار نیمه هادی این سنسور عملکرد آن را از حسگر زیرکونیا O 2 متفاوت می کند. به جای تولید ولتاژ خود، مقاومت الکتریکی سنسور O 2 تیتانیوم با توجه به محتوای اکسیژن خروجی تغییر می کند. هنگامی که نسبت هوا به سوخت غنی است، مقاومت سنسور در حدود 950 اهم و بیش از 21 کیلو اهم زمانی که مخلوط بدون چربی است. همانند سنسور زیرکونیا، سنسور O 2 تیتانیوم نیز یک سنسور O 2 با باند باریک در نظر گرفته می شود .
سنسور باند باریک
ویرایش کنید
ولتاژ سنسور اکسیژن باند باریک O 2 در مقابل AFR برای موتور گازی
همانطور که قبلا ذکر شد، مشکل اصلی هر سنسور O 2 با باند باریک این است که ECM فقط تشخیص می دهد که مخلوط کمی غنی تر یا لاغرتر از نسبت استوکیومتری است. ECM نسبت هوا به سوخت عملیاتی را خارج از محدوده استوکیومتری اندازه گیری نمی کند. در واقع فقط تشخیص می دهد که مخلوط غنی تر یا لاغرتر از استوکیومتری است. ولتاژ سنسور O 2 که کمتر از 450 میلی ولت باشد باعث افزایش پالس انژکتور می شود و بالعکس. سیگنال O 2 در حال تغییر یا چرخه کنترل سوخت (حلقه بسته) همان چیزی است که تکنسین هنگام بررسی سیم سیگنال سنسور O 2 روی دوربین می بیند.
سنسورهای باند پهن
ویرایش کنید
سنسور جدیدتر O 2 “باند پهن” مشکل حس باریک حسگرهای زیرکونیایی قبلی را حل می کند. این سنسورها اغلب با نام‌های مختلفی مانند حسگرهای لامبدا پیوسته (لامبدا نشان‌دهنده نسبت هوا به سوخت )، AFR (سنسورهای نسبت هوا به سوخت)، LAF (سنسور هوا-سوخت ناب) و سنسور O 2 باند پهن نامیده می‌شوند . صرف نظر از نام، اصل یکسان است، یعنی قرار دادن ECM در موقعیت بهتری برای کنترل مخلوط هوا/سوخت. در واقع، سنسور O 2 با باند عریض می تواند محتوای O 2 اگزوز را زیر یا بالاتر از نسبت هوا به سوخت کامل تشخیص دهد. چنین کنترلی در سوزاندن بدون چربی جدید مورد نیاز استموتورهایی با سطح خروجی آلایندگی بسیار پایین مقررات سخت‌گیرانه‌تر آلایندگی و تقاضا برای مصرف سوخت بهتر، این فناوری جدیدتر کنترل سوخت را هدایت می‌کند.
ساخت و بهره برداری
ویرایش کنید
سنسور پهن باند O 2 از نظر ظاهری شبیه به سنسور معمولی زیرکونیا O 2 است. با این حال، ساختار داخلی و عملکرد آن کاملاً متفاوت است. سنسور پهن باند O 2 از دو لایه داخلی به نام سلول مرجع و سلول پمپ تشکیل شده است .. مدار سنسور AFR ECM همیشه سعی می‌کند تا با کنترل جریان، نسبت هوا/سوخت کامل را در داخل یک محفظه نظارتی ویژه (محفظه انتشار یا مدار پمپ سلول) حفظ کند. سنسور AFR از مدارهای الکترونیکی اختصاصی برای تنظیم جریان پمپاژ در سلول پمپ سنسور استفاده می کند. به عبارت دیگر، اگر مخلوط هوا/سوخت بدون چربی باشد، ولتاژ مدار سلول پمپ به طور لحظه ای پایین می آید و ECM بلافاصله جریان عبوری از آن را تنظیم می کند تا مقدار ولتاژ تنظیم شده یا نسبت استوکیومتری در داخل محفظه انتشار حفظ شود. سپس سلول پمپ، اکسیژن اضافی را از طریق شکاف انتشار با استفاده از جریان ایجاد شده در مدار پمپ سلول تخلیه می کند. ECM جریان را حس می کند و ضربان انژکتور را بر این اساس برای اضافه کردن سوخت افزایش می دهد.
از طرف دیگر، اگر مخلوط هوا/سوخت غنی شود، ولتاژ مدار سلول پمپ به سرعت بالا می رود و ECM بلافاصله قطبیت جریان را معکوس می کند تا ولتاژ مدار سلول پمپ را به مقدار ثابت تنظیم شده خود تنظیم کند. سپس سلول پمپ اکسیژن را از طریق جریان معکوس در مدار سلول پمپ AFR ECM به محفظه نظارت پمپ می کند. ECM جریان معکوس را تشخیص می دهد و یک فرمان کاهش ضربان انژکتور صادر می شود که مخلوط را به حالت نازک باز می گرداند. از آنجایی که جریان در مدار سلول پمپ نیز متناسب با غلظت یا کمبود اکسیژن در اگزوز است، به عنوان شاخصی از نسبت هوا به سوخت عمل می کند. ECM دائماً مدار جریان سلول پمپ را کنترل می کند، که همیشه سعی می کند آن را در یک ولتاژ تنظیم شده نگه دارد. به همین دلیل، تکنیک های مورد استفاده برای آزمایش و تشخیص زیرکونیای معمولی Oسنسور 2 را نمی توان برای تست سنسور AFR با باند گسترده استفاده کرد. این سنسورها دستگاه های جریان محور هستند و شکل موج ولتاژ چرخه ای ندارند. روش های تست، که بعداً مورد بحث قرار خواهد گرفت، کاملاً با سنسورهای قدیمی O 2 متفاوت است.
مقایسه با سنسور جریان هوا
ویرایش کنید
عملکرد سنسور AFR را می توان شبیه به سنسور جریان هوای جرمی سیم داغ (MAF) در نظر گرفت. اما، به جای سیم داغ MAF، ECM سعی می‌کند با تغییر جریان مدار سلول پمپ، نسبت هوا/سوخت کاملاً استوکیومتری را در داخل محفظه نظارت نگه دارد. بخش حسگر در نوک سنسور، همیشه در یک ولتاژ ثابت نگه داشته می شود (بسته به سازنده). اگر مخلوط غنی شود، ECM جریان عبوری از نوک حسگر یا مدار سلول پمپ را تنظیم می کند تا زمانی که سطح ولتاژ کاری ثابت دوباره به دست آید. تغییر ولتاژ بسیار سریع اتفاق می افتد. جریان عبوری از مدار پمپ نیز در امتداد اتم های اکسیژن رانده می شود داخل یا خارج از محفظه انتشار (محفظه مانیتورینگ) که نسبت هوا/سوخت محفظه نظارت را به استوکیومتری بازیابی می کند. اگرچه ECM جریان را تغییر می دهد، اما سعی می کند مدار پمپ را در یک پتانسیل ولتاژ ثابت نگه دارد.
آزمایش کردن
ویرایش کنید
همانطور که ECM جریان متغیر را نظارت می کند، یک مدار ویژه (همچنین در داخل ماژول کنترل PCM یا Power-train) جریان را به یک مقدار ولتاژ تبدیل می کند و آن را به عنوان یک PID OBD-II به جریان داده سریال ارسال می کند ( نباید اشتباه شود. با یک کنترلر PID ). به همین دلیل است که بهترین راه برای آزمایش سیگنال سنسور AFR، نظارت بر مدار تبدیل ولتاژ است که ECM آن را به عنوان یک PID ولتاژ AFR ارسال می کند. امکان نظارت بر جریان متغیر سنسور AFR واقعی وجود دارد، اما تغییرات بسیار کوچک (در محدوده میلی آمپر کم ) و نظارت بر آن دشوار است. دومین ایراد آزمایش دستی جریان AFR این است که سیم سیگنال باید قطع یا شکسته شود تا آمپرمتر به صورت سری وصل شود.با مدار پمپ آمپرمتر گیره دار متوسط امروزی در چنین مقیاس کوچکی به اندازه کافی دقیق نیست. به همین دلیل، ساده ترین (اما نه تنها) راه برای تست سنسور AFR، اسکنر است.
با استفاده از یک اسکنر برای برقراری ارتباط با ECM، می توان فعالیت سنسور AFR را مشاهده کرد. این داده ها معمولاً به عنوان ولتاژ سنسور WRAF (سوخت هوای برد وسیع) ، A/F یا AFR نمایش داده می شوند. با این حال، در برخی از خودروها و اسکنرها به صورت “لامبدا” یا “نسبت هم ارزی” نشان داده می شود. اگر PID یک قرائت ولتاژ را نشان می‌دهد، زمانی که مخلوط هوا/سوخت ایده‌آل است، باید برابر با ولتاژ مرجع سنسور باشد. ولتاژ مرجع در خودروهای مختلف متفاوت است، اما اغلب 3.3 ولت یا 2.6 ولت است. هنگامی که مخلوط سوخت غنی تر می شود (در یک شتاب ناگهانی و سریع)، ولتاژ باید کاهش یابد. در شرایط ناب (مانند کاهش سرعت) ولتاژ باید افزایش یابد.
اگر PID اسکنر یک “لامبدا” یا ” نسبت هم ارزی ” را نشان می دهد، قرائت باید در شرایط استوکیومتری 1.0 باشد. اعداد بالاتر از 1.0 نشان دهنده وضعیت لاغر هستند در حالی که اعداد زیر 1.0 نشان دهنده مخلوط های غنی هستند. ECM از اطلاعات حسگرها برای تنظیم میزان سوخت تزریق شده به موتور استفاده می‌کند، بنابراین تغییرات مربوطه در کوتاه‌مدت PID(های) تریم سوخت نیز باید دیده شود. خوانش مخلوط بدون چربی از سنسور AFR باعث می شود ECM سوخت اضافه کند، که خود را به عنوان درصد کاهش سوخت کوتاه مدت مثبت (یا مثبت تر) نشان می دهد.
برخی از تکنسین‌ها با ایجاد نشتی خلاء در پایین دست حسگر جریان هوا، موتور را مجبور می‌کنند تا نرم کار کند و سپس PID اسکنر را برای پاسخ تماشا می‌کنند. موتور را می توان با افزودن مقدار اندازه گیری شده پروپان به جریان هوای ورودی، غنی کرد. در هر صورت، اگر سنسور پاسخ ندهد، احتمالاً مشکل دارد. با این حال، این آزمایشات سایر مشکلات مدار یا مشکلات ECM را رد نمی کند. تشخیص دقیق و سیستماتیک توصیه می شود.
دمای عملیاتی
ویرایش کنید
تفاوت عمده دیگر بین سنسور AFR پهن باند و سنسور زیرکونیا O 2 این است که دمای کاری آن در حدود 750 درجه سانتیگراد (1380 درجه فارنهایت) است. [2] در این واحدها دما بسیار بحرانی است و به همین دلیل از مدار گرمکن کنترل شده با پهنای پالس ویژه برای کنترل دقیق دمای بخاری استفاده می شود. ECM مدار گرمکن را کنترل می کند.
مزایای
ویرایش کنید
محدوده عملیاتی گسترده همراه با عملکرد سریع ذاتی سنسور AFR، سیستم را همیشه در حالت استوکیومتری قرار می دهد که میزان زیادی از انتشار را کاهش می دهد. با این نوع کنترل سوخت، نسبت هوا به سوخت همیشه نزدیک به 14.7:1 است. اگر مخلوط کمی غنی شود، ECM جریان مدار پمپ را برای حفظ ولتاژ کاری تنظیم شده تنظیم می کند. جریان توسط مدار تشخیص ECM تشخیص داده می شود و در نتیجه فرمان کاهش ضربان انژکتور صادر می شود. به محض اینکه مخلوط هوا و سوخت به استوکیومتری تغییر کرد، به دلیل کاهش ضربان انژکتور، ECM جریان را به ترتیب تنظیم می کند. نتیجه نهایی بدون جریان (0.00 آمپر ) است) در نسبت هوا به سوخت 14.7:1. در این حالت یک قوز منفی خفیف روی آمپرمتر دیده می شود که قرائت تقریباً بلافاصله به 0.00 باز می گردد. اصلاح سوخت خیلی سریع اتفاق می افتد.
عملیات عملیات
ویرایش کنید
یک سنسور باند باریک خروجی غیرخطی دارد که محدوده آن از 0.10 ولت تا 1.0 ولت است که 450 . ایده آل است. سنسورهای باند باریک وابسته به دما هستند. اگر گازهای خروجی گرمتر شوند، ولتاژ خروجی در ناحیه لاغر افزایش می یابد و در ناحیه غنی کاهش می یابد. در نتیجه، یک سنسور، بدون پیش گرمایش، دارای خروجی ناب کمتر و خروجی غنی بالاتر، احتمالاً حتی بیش از 1 ولت است. تأثیر دما بر ولتاژ در حالت ناب کمتر از حالت غنی است.
یک موتور “سرد” باعث می شود کامپیوتر نسبت هوای سوخت را تغییر دهد بنابراین ولتاژ خروجی سنسور o2 بین 100 و 850/900 میلی ولت تغییر می کند و پس از مدتی سنسور ممکن است ولتاژ سوئیچ بین 200 و 700/750 میلی ولت را تولید کند. برای خودروهای توربوشارژ حتی کمتر.
واحد کنترل موتور (ECU) هنگام کار در “حلقه بسته” تمایل به حفظ اکسیژن صفر دارد (در نتیجه تعادل استوکیومتری) که در آن مخلوط هوا و سوخت تقریباً 14.7 برابر جرم هوا برای سوخت بنزین است. این نسبت عملکرد موتور “خنثی” را حفظ می کند (مصرف سوخت کمتر اما قدرت موتور مناسب و حداقل آلودگی).
میانگین سطح سنسور نزدیک به 450 میلی ولت است. از آنجایی که مبدل‌های کاتالیزوری به نسبت چرخه‌ای a/f نیاز دارند، سنسور اکسیژن اجازه ندارد ولتاژ ثابتی را نگه دارد، ECU موتور را با ارائه مخلوط بین لاغر (و غنی) به‌طور کافی سریع با استفاده از کوتاه‌تر (یا طولانی‌تر) کنترل می‌کند. ) زمان ارسال سیگنال به انژکتورها، بنابراین سطح متوسط همانطور که گفته شد حدود 450 میلی ولت می شود.
از سوی دیگر، یک سنسور باند پهن دارای خروجی بسیار خطی ، ۰ تا ۵ ولت است و به دمای کار بسیار داغ‌تری نیاز دارد.
از کدام نوع نسبت هوا به سوخت استفاده شود
ویرایش کنید
اگر هدف نسبت سنج هوا به سوخت تشخیص یک مشکل موجود یا احتمالی در سنسور بالا برای بررسی ترکیب کلی و عملکرد باشد، یک نسبت هوا به سوخت باند باریک کافی است.
در برنامه های تنظیم با کارایی بالا، سیستم باند وسیع مطلوب است.
برای نوشتن دیدگاه باید وارد بشوید.