Cảm biến Oxy - Oxygen sensor

Trên hệ thống điều khiển động cơ ô tô ngày nay có nhiều cảm biến giữ vai trò quan trọng không thể thiếu được như: cảm biến vị trí trục cơ (Crankshaft position sensor), trục cam Camshaft positon sensor), cảm biến nhiệt độ nước làm mát (Engine coolant temperature sensor), cảm biến lượng khí nạp (Mass air flow sensor hay Manifold absolute pressure sensor) , cảm vị trí bướm ga (Throttle position sensor)... Mỗi cảm biến đều có vai trò và nhiệm vụ riêng. Trong số đó không thể không nhắc tới cảm biến oxy (Oxygen sensor), cảm biến đóng vai trò then chốt trong hệ thống kiểm soát khí thải, giám sát sự hoạt động của động cơ nhằm giữ cho tỉ lệ hòa khí đạt tỉ lệ lý tưởng nhất 14,7:1 giúp tối ưu công suất động cơ và bảo vệ môi trường.

1. Cảm biến oxy là gì? Chức năng của cảm biến oxy

Cảm biến oxy (Oxygen sensor hay O2 sensor) đo lượng oxy còn lại trong khí xả và gửi tín hiệu về ECU điều khiển động cơ. Cảm biến oxy thứ nhất lắp trên đường ống xả trước bầu xúc tác khí thải catalytic. Cảm biến oxy thứ hai lắp trên đường ống xả sau bầu catalytic.

Xe động cơ 4 xy lanh thẳng hàng có ít nhất 2 cảm biến oxy. V6 và V8 thường có 4 cảm biến oxy. ECU điều khiển động cơ sử dụng tín hiệu của cảm biến oxy thứ nhấtđể điều chỉnh hỗn hợp hòa khí bằng cách thêm hoặc bớt nhiên liệu. Cảm biến oxy phía sau sử dụng để giám sát sự hoạt động của bầu catalytic. Trên những xe đời mới, cảm biến oxy phía trước được thay thế bằng cảm biến tỉ lệ không khí nhiên liệu (cảm biến A/F hay A/F sensor), cảm biến này hoạt động tương tự cảm biến oxy trước nhưng có độ chính xác cao hơn. Tìm hiểu sâu hơn qua bài viết: cảm biến A/F

2. Cảm biến oxy hoạt động như thế nào

Có một vài loại cảm biến oxy khác nhau, nhưng để đơn giản trong bài viết này chỉ đề cập đến cảm biến oxy thông dụng nhất đó chính là cảm biến oxy phát điện. Giống như tên gọi của nó, cảm biến này phát ra một tín hiệu điện áp nhỏ tùy thuộc vào sự sai khác lượng oxy trong và ngoài đường ống xả. Khi hỗn hợp không khí – nhiên liệu nghèo (dư gió thiếu xăng), khi đó sẽ có nhiều oxy trong khí xả hơn và cảm biến oxy sẽ sinh ra một lượng điện áp nhỏ (từ 0.1 – 0.2 V) gửi về ECU động cơ.

Nếu hỗn hợp không khí – nhiên liệu giàu (thiếu gió, dư xăng) sẽ có ít lượng oxy còn sót lại trong khí xả, do đó cảm biến oxy sẽ sinh ra nhiều điện áp hơn (khoảng 0.9 V)

Cảm biến oxy hoạt động tốt ở nhiệt độ khoảng 400⁰C. Do đó để hoạt động tốt một cách nhanh chóng,  khi mới khởi động động cơ, cảm biến sẽ được nung nóng bằng dây sấy điều khiển bằng ECU động cơ. Đó cũng chính là lý do vì sao cảm biến oxy thường có 4 chân (2 dây sấy, và 2 dây tín hiệu)

3. Chức năng hiệu chỉnh tỉ lệ không khí/ nhiên liệu

Cảm biến oxy trước chịu trách nhiệm trong việc  giữ cho tỉ lệ hỗn hợp không khí nhiên liệu tối ưu đó là 14.7:1 hay 14.7 gam không khí trên 1 gam nhiêu liệu. Khi cảm biến oxy trước nhận thấy lượng oxy tăng cao. ECU động cơ cho rằng động cơ đang hoạt động ở chế độ nghèo (thiếu xăng). Do đó ECU sẽ điều khiển tăng nhiên liệu phun vào bằng cách tăng thời gian nhấc kim phun. Khi lượng oxy trong khí xả xuống thấp. ECU cho rằng động cơ đang hoạt động ở chế độ giàu (dư xăng), do đó sẽ điều khiển giảm nhiên liệu phun vào.

Quá trình này cứ tiếp tục không ngừng. ECU liên tục điều chỉnh chu trình giữa giàu và nghèo nhằm giữ tỉ lệ hòa khí ở mức tối ưu. Chế độ này gọi là chế độ Close Loop. Tín hiệu của cảm biến cứ dao động trong khoảng từ 0.2 đến 0.9 V

Khi khởi động lạnh, cảm biến oxy trước chưa đạt đến nhiệt độ vận hành, khi đó ECU không dùng tín hiệu cảm biến oxy trước để điều chỉnh lượng phun nhiên liệu. Chế độ này gọi là chế độ Open Loop.

Tìm hiểu sâu hơn về Close Loop và Open Loop

4. Sự khác nhau giữa  “heated oxygen” và “unheated oxygen” là gì?

“Heated oxygen” là cảm biến oxy có mạch sấy có nhiệm vụ giúp cho cảm biến oxy nhanh đạt đến nhiệt độ vận hành hơn cảm biến oxy không có mạch sấy “Unheated Oxygen”. Thông thường cảm biến oxy phải được làm nóng khoảng 400⁰C trước khi nó có thể phát ra tín hiệu điện áp một cách chính xác. Mặc dù khí thải từ động cơ có thể cung cấp đủ nhiệu lượng cho cảm biến đạt nhiệt độ vận hành thế nhưng nó sẽ mất nhiều thời gian hơn tùy thuộc vào nhiệt độ môi trường bên ngoài, tốc độ và tải động cơ. Trong khoảng thời gian này, ECU điều khiển vẫn trong chế độ “Open Loop”, do đó sẽ chưa nhận tín hiệu từ cảm biến oxy để hiệu chỉnh hỗn hợp hòa khí. Thời gian này càng dài, tình trạng hỗn hợp giàu sẽ càng dài, gây hao nhiên liệu và đặc biệt là càng gây ô nhiễm môi trường.

Bộ phận sấy của cảm biến oxy cơ bản giống như bugi sấy (bugi xông) trên động cơ diesel, nó sẽ được nung đỏ khi có dòng điện chạy qua nó, bộ phận sấy này sẽ giúp cho cảm biến đạt đến nhiệt độ vận hành trong vòng từ 20 – 60 giây tùy cảm biến và sẽ luôn giữ nóng cảm biến thậm chí khi động cơ không tải trong thời gian dài

Cảm biến oxy có mạch sấy thông thường sẽ có 4 dây, 2 dây của cảm biến và 2 dây của mạch sấy. Lưu ý rằng khi thay thế cảm biến phải thay đúng số chân giống với cảm biến ban đầu và phải cùng điện trở dây sấy (thường kiểm tra giống mã phụ tùng là chắc ăn nhất)

Vì cũng là một bộ phận quan trọng cho nên hệ thống OBD cũng giám sát sự hoạt động của hệ thống này và sẽ set lỗi khi mạch sấy có vấn đề. Lỗi thường gặp là hở mạch hoặc ngắn mạch. Trường hợp bị hở mạch trong bộ phận sấy (đo không có điện trở) thì bắt buộc phải thay thế cảm biến vì mạch này gắn liền với cảm biến và không thể tháo rời.

5. Làm thế nào cảm biến oxy sau có thể giám sát được hiệu suất của bầu xúc tác catalytic

Cảm biến oxy sau được lắp trên đường ống xả sau bầu xúc tác khí thải catalytic. Tín hiệu của cảm biến này dùng để giám sát hiệu suất của bầu catalytic. ECU động cơ sẽ liên tục so sánh tín hiệu của cảm biến oxy trước và sau, do đó sẽ biết được hiệu suất làm việc của bầu catalytic. Nếu bầu catalytic kém, mã lỗi sẽ được set và đèn check engine sẽ sáng báo cho bạn biết

Về cơ bản cảm biến oxy sau hoàn toàn giống cảm trước, nó cũng đo lượng Oxy còn lại sau khi qua bầu catalyst. Nếu bầu làm việc tốt thì thường những khí độc ví dụ Nox, CO, HC sẽ phản ứng với Oxy vì vậy, nếu như bầu hoạt động tốt thì khí thải sau khi qua bầu thì lượng Oxy còn lại rất thấp. Đồ thị là đường hơi bằng phẳng (thường nằm trong khoảng 0.6 – 0.8), và càng bằng phẳng càng tốt

Lý giải vì sao đồ thị càng bằng phẳng càng tốt: đó là vì sau khi đi qua bầu xúc tác, nếu bầu hoạt động bình thường sẽ làm phản ứng hầu như hết lượng oxy còn thừa trong khí xả, mà nếu như lượng oxy càng ít thì điện áp sẽ càng gần 0.9 V (hỗn hợp giàu), do đó bầu hoạt động càng tốt thì đồ thị càng thẳng. Còn trường hợp nếu bầu hoạt động không tốt (bị bể, tắc nghẽn, mất chức năng xúc tác...) thì đồ thị của cảm biến oxy thứ hai dao động gần như cảm biến thứ nhất, bởi lẽ oxy có tham gia vào phản ứng đâu

ECU sẽ giám sát tín hiệu của cảm biến oxy sau và so sánh với tín hiệu cảm biến oxy thứ nhất nếu có gì đó bất thường sẽ lập tức set lỗi: P0420 Catalyst System Efficiency Below Threshold. Cho chúng ta biết hiệu suất hoạt động của bầu kém, đòi hỏi phải thay thế.

Để biết thêm thông tin, tham khảo tại đây

6. Nhận biết cảm biến oxy trên máy chẩn đoán

Thông thường trên máy chẩn đoán sẽ hiển thị cảm biến oxy bằng các từ như Bank 1 Sensor 1, Bank 1 Sensor 2, Bank 2 Sensor 1 và Bank 2 Sensor 2. Điều đó gây khó khăn cho nhiều anh em vì báo lỗi cảm biến oxy cần thay thế mà không biết chính xác vị trí nào

Thật ra vị trí cảm biến oxy trên động cơ đều được thống nhất chung một cách gọi. Và số lượng của cảm biến oxy cũng có quy chuẩn chung tùy theo mỗi hãng xe và dòng xe. Để biết chi tiết vấn đề này, tham khảo bài Vị trí và số lượng cảm biến oxy trên động cơ ô tô

6. Chẩn đoán cảm biến oxy

Cảm biến oxy là một cảm biến quan trọng trong hệ thống kiểm soát khí thải cũng như là hệ thống điều khiển động cơ. Vậy nên bất kỳ vấn đề nhỏ nào xảy ra đối với cảm biến, ECU sẽ giám sát được và báo đèn check engine để tài xế biết được xe đang có vấn đề, dưới đây là một số lỗi liên quan đến cảm biến oxy

P0030....HO2S Heater Control Circuit Bank 1 Sensor 1
P0031....HO2S Heater Control Circuit Low Bank 1 Sensor 1 
P0032....HO2S Heater Control Circuit High Bank 1 Sensor 1
P0033....Turbo Charger Bypass Valve Control Circuit 
P0034....Turbo Charger Bypass Valve Control Circuit Low 
P0035....Turbo Charger Bypass Valve Control Circuit High
P0036....HO2S Heater Control Circuit Bank 1 Sensor 2 
P0037....HO2S Heater Control Circuit Low Bank 1 Sensor 2
P0038....HO2S Heater Control Circuit High Bank 1 Sensor 2
P0042....HO2S Heater Control Circuit Bank 1 Sensor 3
P0043....HO2S Heater Control Circuit Low Bank 1 Sensor 3
P0044....HO2S Heater Control Circuit High Bank 1 Sensor 3 
P0050....HO2S Heater Control Circuit Bank 2 Sensor 1
P0051....HO2S Heater Control Circuit Low Bank 2 Sensor 1
P0052....HO2S Heater Control Circuit High Bank 2 Sensor 1
P0056....HO2S Heater Control Circuit Bank 2 Sensor 2
P0057....HO2S Heater Control Circuit Low Bank 2 Sensor 2 
P0058....HO2S Heater Control Circuit High Bank 2 Sensor 2 
P0062....HO2S Heater Control Circuit Bank 2 Sensor 3 
P0063....HO2S Heater Control Circuit Low Bank 2 Sensor 3
P0064....HO2S Heater Control Circuit High Bank 2 Sensor 3 
P0130....O2 Sensor Circuit Bank 1 Sensor 1
P0131....O2 Sensor Circuit Low Voltage Bank 1 Sensor 1 
P0132....O2 Sensor Circuit High Voltage Bank 1 Sensor 1 
P0133....O2 Sensor Circuit Slow Response Bank 1 Sensor 1
P0134....O2 Sensor Circuit No Activity Detected Bank 1 Sensor 1 
P0135....O2 Sensor Heater Circuit Bank 1 Sensor 1
P0136....O2 Sensor Circuit Malfunction Bank 1 Sensor 2 
P0137....O2 Sensor Circuit Low Voltage Bank 1 Sensor 2 
P0138....O2 Sensor Circuit High Voltage Bank 1 Sensor 2 
P0139....O2 Sensor Circuit Slow Response Bank 1 Sensor 2 
P0140....O2 Sensor Circuit No Activity Detected Bank 1 Sensor 2 
P0141....O2 Sensor Heater Circuit Bank 1 Sensor 2
P0142....O2 Sensor Circuit Malfunction Bank 1 Sensor 3 
P0143....O2 Sensor Circuit Low Voltage Bank 1 Sensor 3 
P0144....O2 Sensor Circuit High Voltage Bank 1 Sensor 3 
P0145....O2 Sensor Circuit Slow Response Bank 1 Sensor 3 
P0146....O2 Sensor Circuit No Activity Detected Bank 1 Sensor 3 
P0147....O2 Sensor Heater Circuit Bank 1 Sensor 3 

Thế nhưng một số lỗi cảm biến oxy thay đổi tín hiệu chậm chạp hoặc báo sai (chỉ thiên về tín hiệu giàu hoặc tín hiệu nghèo), khi đó sẽ không báo lỗi. Trường hợp này đòi hỏi phải phân tích dữ liệu mới biết được

Phân tích dữ liệu có thể dùng máy chẩn đoán vào xem dữ liệu điện áp của cảm biến oxy (khuyến khích xem ở chế độ đồ thị) hoặc có thể theo dõi bằng cách đo trực tiếp bằng đồng hồ đo điện (cách này khó có thể xác định được vì tín hiệu thay đổi nhanh đồng hồ bình thường khó có thể hiển thị kịp)

Nhưng cách hiệu quả nhất với độ chính xác cao là dùng thiết bị đo xung sóng Oscilloscope để kiểm tra sự thay đổi tín hiệu của cảm biến. Với việc đo xung sóng sẽ biết được giá trị biên độ điện áp cũng như tần số và quan trọng nhất là sẽ biết được hình dạng xung của cảm biến. Dựa vào hình dạng xung này sẽ biết được tình trạng của cảm biến, tham khảo hình ảnh dưới đây:

7. Lời kết

Trên đây mình đã mô tả khá chi tiết về cảm biến oxy, về vai trò, nhiệm vụ, cách thức hoạt động, chức năng điều chỉnh lượng phun nhiên liệu của cảm biến, sự khác nhau giữa cảm biến oxy có mạch sấy và không có mạch sấy, cách nhận biết vị trí cảm biến trên máy chẩn đoán. Bên cạnh đó cũng đã đề cập thêm về cách thức giám sát bầu xúc tác của cảm biến oxy thứ hai, các lỗi thường gặp, cách chẩn đoán cảm biến oxy cũng như những dạng sóng tiêu chuẩn của cảm biến. Trong những bài kế tiếp mình sẽ mô tả từng cảm biến trên động cơ theo cách trình bày như thế này để các anh em có thể dễ dàng nắm bắt nhất