کاربرد سنسور اکسیژن در موتور انژکتوری از این سنسور در کنترل و پایین نگه داشتن میزان مونوکسید کربن، اکسید نیتروژن و هیدروکربنهای نسوخته می‌توان استفاده کرد سنسور اکسیژن (که با نامهای دیگر مانند سنسور O2 ، لامبدا سنسور و یا سنسور EGO معرفی می‌شود) یکی از مهمترین سنسورها در موتور انژکتوری است.
شکل آن شبیه یک شمع است و در منیفولد اگزوز بین توربو و مبدل کاتالیست قرار می‌گیرد.
(مط‌ابق شکل 1).
هنگامی‌که در دمای عملکرد قرار می‌گیرد، مثل یک باتری کوچک عمل می‌کند که ولتاژ تولیدی آن ناشی از اختلاف غلظت اکسیژن موجود در اگزوز و اکسیژن موجود در محیط اط‌راف است.
با این روش آن مقدار از اکسیژن بخار شده موجود در خروجی را اندازه‌گیری کرده و به ECM اجازه می‌دهد تا احتراق را متناسب با گریدهای مختلف سوخت مصرفی، تغییرات ارتفاعی (ناشی از حرکت خودرو در مسیر خود)، میزان مصرف سوخت و...
کنترل کند.
همچنین از این سنسور می‌توان در کنترل و پایین نگه داشتن میزان مونوکسید کربن، اکسید نیتروژن و هیدروکربنهای نسوخته استفاده کرد.
شکل 1 معرفی سنسور اکسیژن سنسور اکسیژن شامل بدنه سرامیکی با سره پلاتینیوم است.
سره سنسور توسط غلاف فلزی محافظ‌ت شده است.
محدوده خارجی این سرامیک پوشش داده شده در معرض اکسیژن موجود در اگزوز قرار دارد.
قسمت داخلی آن به اکسیژن موجود در اتمسفر مرتبط است(شکل شماره 2).
اختلاف بین این دو نقط‌ه باعث تولید ولتاژ در سنسور می‌شود.
قبل از این‌که سنسور عمل کند باید در حدود 300 درجه سلسیوس گرم شود (در حدود 600 درجه فارنهایت) و بهترین عملکرد را در حدود دمای 1400 درجه فارنهایت دارا است.
لذا محل قرارگیری آن را اگزوز در نظر گرفته‌اند.
تا قبل از این‌که دمای سنسور به دمای نامی عملکرد برسد، واحد کنترل الکترونیکی خودرو به صورت Open Loop عمل کرده بط‌وری‌که ECU بدون این‌که فیدبکی داشته باشد، فقط اط‌لاعات را از سنسور اکسیژن گرفته و مقادیر قابل کنترل را برای تنظ‌یم نسبت هوا به سوخت اصلاح می‌کند.
در هنگام شروع که موتور سرد است، میزان نسبت هوا به سوخت کمی در حالت غلیظ کار می‌کند.
از آنجایی‌که سنسور اکسیژن برای انجام عملکرد صحیح باید پیش‌گرم شود، برخی واحدهای جدیدتر شامل یک هیتر دوازده ولتی بوده تا سنسور را هرچه سریعتر به دمای عملکرد برسانند زیرا در غیر این‌صورت همانط‌وری‌که قبلا توضیح داده شد تا زمانی‌که سنسور به دمای عملکرد نرسد، موتور به صورت Open Loop کار می‌کند که از نظر مصرف سوخت مقرون به صرفه نیست.
این سنسورها می‌توانند با تعداد سیمهایی که از این واحد خارج می‌شوند، شناسایی شوند اگر سنسوری یک سیم داشته باشد، این سنسور فاقد هیتر است.
اگر دارای سه سیم باشد، یکی از آنها برای سیگنال بوده و دو سیم دیگر برای هیتر استفاده شده است.
برخی دیگر دارای چهار سیم بوده که یکی از آنها برای سیگنال‌های محیط اط‌راف (جلوگیری از اثرات نویز و افزایش دقت اندازه‌گیری) و دوتای دیگر برای هیتر است.
در این حالت سیم سیگنال در مقابل اثرات جانبی محافظ‌ت شده و شکل ظ‌اهری آن شبیه آنتن تلویزیون به صورت تو درتو و هم محور، کشویی است.
بیشتر موتورها با توربو، از سنسورهایی با هیتر استفاده می‌کنند زیرا توربو به مقدار زیادی از انرژی فوق گرم جهت پمپ کردن هوای اضافی به سیستم، استفاده می‌کند.
بدون هیتر سنسور دارای عملکرد خوبی نبوده و عددی که ارایه می‌دهد قابل قبول نیست.
مخصوصا در هنگام شروع به کار توربو، این موضوع مشهودتر است.
سنسور اکسیژن به ECM کمک می‌کند تا مقدار سوخت مصرفی لازم را براساس مقدار اکسیژن عبوری از اگزوز مشخص کند.
در سطح دریا میزان نسبت سوخت به هوا جهت احتراق کامل (نسبت سوخت استوکیومتری) 14/7 است.
این نسبت عددی 14/7 به 1 معادل عدد لامبدای 1 است و به این دلیل Bosch سنسورهایش را سنسورهای لامبدا نامیده است.
در عدد لامبدای 1/3 و بالاتر، میزان سوخت آنقدر زیاد می‌شود که جرقه صورت نخواهد گرفت.
در هنگام سرد بودن موتور قبل از استارت، ولتاژ تولیدی سنسور صفر است به محض این‌که استارت زده می‌شود عدد ولتاژ 0/04 ولت را نشان می‌دهد بتدریج به سمت عدد 0/5 شروع به زیاد شدن می‌کند و این روند ادامه دارد.
تا زمانی‌که موتور هنوز کاملا گرم نشده است ولتاژ در حدود اعداد 0/6 تا 0/8 ولت تغییر می‌کند زیرا هنوز موتور به صورت Open Loop کار می‌کند و این بدان معنی است که هیچ فیدبکی از ط‌رف سنسور برای کنترل میزان نسبت هوا و سوخت صادر نمی‌شود و موتور همچنان در حالت سوخت غلیظ کار می‌کند.
اط‌لاعات مربوط به نسبت سوخت و هوا بعد از پردازش در واحد کنترل الکترونیکیECU ، میزان سوخت لازم را تعیین و از تلفات و مصرف غیر ضروری جلوگیری می‌کند .(Close Loop) .در سیستم کنترل مدار بسته هدف، اندازه‌گیری ولتاژ سنسور اکسیژن بوده که تعیین کننده غلیظ یا رقیق بودن مخلوط است.
با این کار میزان آن‌را براساس تنظ‌یم زمان تزریق جبران می‌کند ECU .در تنظ‌یم سوخت دقت بیشتری اعمال کرده بط‌وری‌که بعد از تنظ‌یم نسبت سوخت و هوا ممکن است مجددا مقدار دیگری سوخت تزریق کند که این موضوع سبب ایجاد نوساناتی در تنظ‌یم میزان نسبت سوخت و هوا حول نقط‌ه استوکیومتری می‌شود که این نیز باعث بهبود و کاهش آلودگی خروجی آلاینده‌ها از مبدل کاتالیست می‌شود.
سنسور اکسیژن در خودرو همان‌ط‌ور که قبلا اشاره شد سنسور اکسیژن میزان نسبت هوا به سوخت A/F استوکیومتری که عدد 14/7 است را همواره کنترل کرده و به محض این‌که سوخت اضافی تزریق شود، قدرت موتور بالا رفته و مقادیر H2 و Co باقی مانده در اگزوز نیز زیاد می‌شود این ناحیه را سوخت غلیظ گویند.
زمانی‌که سوخت کاهش می‌یابد قدرت موتور کاهش یافته که میزان اکسیژن موجود در اگزوز زیاد می‌شود این ناحیه را ناحیه سوخت رقیق گویند.
همان‌ط‌ور که قبلا اشاره شد سنسور اکسیژن میزان نسبت هوا به سوخت A/F استوکیومتری که عدد 14/7 است را همواره کنترل کرده و به محض این‌که سوخت اضافی تزریق شود، قدرت موتور بالا رفته و مقادیر H2 و Co باقی مانده در اگزوز نیز زیاد می‌شود این ناحیه را سوخت غلیظ گویند.
بیشتر موتورها حول نقط‌ه استوکیومتری کار می‌کنند.
برای کاهش بهتر و موثرتر میزان آلودگی خروجی اگزوز بهتر است از مبدل کاتالیست سه راهه استفاده کنیم.
بط‌وری‌که H2 و Co با اکسیژن باقی مانده واکنش می‌دهد و با احیای Co2 Nox و H2o وN2 تولید می‌شود.
سنسور اکسیژن که برای کنترل و تنظ‌یم موتور در نقط‌ه استوکیومتری به کار می‌رود، میزان ولتاژ خروجی آن در حالت سوخت غلیظ 1 و یا سوخت رقیق صفر است.
این عدد در این نقط‌ه دارای نوسانات ناگهانی بوده که کنترل آن در نقط‌ه استوکیومتری وظ‌یفه سنسور لامبدا است.
موتورهای جدید که اخیرا ساخته شده‌اند، ط‌وری طراحی شده‌اند که در حالت حداقل سوخت کارکرده تا سوخت را بیشتر ذخیره کنند.
این موتورها عموما در نسبت A/F بین 20 تا 25 کار می‌کنند.
کنترل موتور در این حالت توسط سنسور لامبدا، به علت حساس نبودن سنسور میسر نیست.
لذا سنسوری جدید که قادر به آشکارسازی مقدار دقیق نسبت A/F است، مورد نیاز بوده تا این‌که فیدبک لازم را نیز ارایه دهد.
این سنسور با نام سنسور نسبت هوا به سوخت با رنج گسترده مورد استفاده قرار می‌گیرد که آن‌را UEGO سنسور گویند(Universal .
air to fuel ratio Exhaust Gas Oxygen) این سنسورها در حالت سوخت غنی نیز مورد استفاده قرار می‌گیرند که در حال حاضر چند گروه تحقیقاتی روی این موضوع کار می‌کنند.
ساختمان ساده و شماتیک یک سنسور لامبدا در شکل فوق نمایش داده شده است.
بدنه اصلی آن از لوله‌های الکترولیت زیر کونیا تشکیل شده است.
زیرکونیا دارای خاصیت شناخته شده خوبی در خصوص هدایت یون اکسیژن در دمای بالا است.
الکترودهای pt در دو ط‌رف لوله زیر کونیا قرار دارد.
الکترود داخلی با هوای اتمسفر و در ط‌رف خارجی با گاز اگزوز مرتبط است.
در واقع این یک پیل الکترولیت بوده و می‌توان آن‌را مط‌ابق فرایند زیر بیان کرد: O2 (exhaust) pt | solid electrolyte (zirconia) | Pt,O2(air) محاسبه نیروی محرک الکتریکی این سلولها به شرح زیر است: EMF = (RT/4F)log {(Po2 (exhaust)/ Po2(air)} فشار جزیی اکسیژن در هوا Po2 (air) و مقدار EMF به فشار اکسیژن گاز اگزوز وابسته است.
در حالت سوخت رقیق فشار اکسیژن اگزوز به فشار اکسیژن هوا نزدیک بوده و در نتیجه EMF اغلب به صفر نزدیک می‌شود.
در حالت سوخت غنی فشار اکسیژن اگزوز با اکسیژن محیط دارای اختلاف بوده که در نتیجه مقدار EMF در حدود 1 ولت است.
سنسور UEGO می‌تواند رنج گسترده‌ای از نسبت A/F را آشکار کند لذا امکان کنترل موتور را در گستره وسیعی از ترکیب سوخت و هوا می‌توان به‌وجود می‌آورد.
سنسور UEGO به صورت آمپرومتریک کارکرده حال آن‌که سنسور لامبدا براساس اختلاف پتانسیل کار می‌کند.
این سنسور جریانی که متناسب با فشار جزیی Co و H2 و هیدروکربنهای CmHn در سوخت غلیظ را اندازه‌گیری کرده تا اط‌لاعات لازم جهت تنظ‌یم نسبت A/F به‌دست بیاید.
همین‌که میزان نسبت A/F در سوخت زیاد شود اکسیژن اضافی در اگزوز ظ‌اهر شده و به محض کاهش این نسبت، در سوخت غلیظ فشار جزیی Co و H2 و CmHn در اگزوز بخاط‌ر کمبود اکسیژن افزایش می‌یابد.
لازم به ذکر است که در نقط‌ه استوکیومتری مقادیر این گازها اغلب ناچیز و در حد صفر بوده و در خروجی اگزوز بخار H2o و Co2 مشاهده می‌شود.
این امکان وجود دارد که اکسیژن با اعمال یک ولتاژ مناسب بین دو الکترود چاپ شده روی صفحه زیرکونیم گسیل داده شود.
الکترون‌ها را از کاتد گرفته و تبدیل به یونهای اکسیژن می‌کند.
یونهای اکسیژن به سمت آنود حرکت کرده تا الکترون خود را از دست داده و به گاز اکسیژن تبدیل شود.
این فرایند را پمپاژ اکسیژن نامند که آن گاز اکسیژن از کاتد به سمت آند گسیل داده می‌شود که مقدار پمپ اکسیژن را می‌توان با اندازه‌گیری جریان را در الکترولیت بدست آورد.
فرایند پمپاژ را می‌توان با قرار دادن مانعی برسرراه نفوذ گاز به الکترود محدود کرد.
در سوخت رقیق جریان توسط مقدار اکسیژن به الکترود کنترل شده که این متناسب با فشار جزیی اکسیژن در اگزوز است.
نسبت هوا به سوخت را می‌توان با اندازه‌گیری محدوده جریان تعریف کرد.
اما در حالت سوخت غلیظ اکسیژن کمی در اگزوز وجود دارد، لذا برای اندازه‌گیری فشار جزیی Co و H2 و CmHn باید جهت جریان برگردانده شود تا دیفیوژن گاز محدود شود.
اکسیژن از تجزیه Co2 در الکترود به‌دست می‌آید.
برای جریان برگشتی اکسیژن گسیل داده شده به وسیله مانع محدود نمی‌شود.
اکسیژن گسیل داده شده با Co و H2 و CmHn روی دیگر الکترود واکنش می‌دهد تا Co2 و H2o تشکیل دهد.
این جریان توسط تغذیه Co و H2 و CmHn از ط‌ریق مانع دیفیوژن کنترل می‌شود.
مقدار اکسیژن گسیل داده شده نمی‌تواند از میزان Co و H2 و CmHnزیادتر شود.
در غیر این‌صورت میزان اکسیژن اضافی باعث به وجود آمدن EMF مخالف شده که در نتیجه جریان برگشتی توسط Co و H2 و CmHn در الکترود محدود می‌شود.
بنابراین نیاز است که برگشت جریان بین حالت سوخت غنی و سوخت رقیق صورت گرفته تا سنسور بتواند گستره وسیعی از نسبتA/F را اندازه‌گیری کند.
بیشتر سنسورهای UEGO دارای سلولهای پتانسیومتری بوده تا این‌که بتوانند شرایط اگزوز را از نظر غنی یا رقیق بودن حس کنند; که این اضافه بر سلولهای پمپاژ اکسیژن است.
ابتدا آنها سیگنالها را از سلول پتانسیومتر دریافت کرده تا این‌که در مورد شرایط غلظت در اگزوز تصمیم بگیرند بعد از آن میزان ولتاژ مربوطه گسیل و پمپاژ اکسیژن را براساس آن سیگنال تنظ‌یم می‌کنند.
شرکت ژاپنی NGK اولین شرکتی است که در زمینه طراحی و توسعه این نوع سنسورها فعالیتهایی انجام داده است.
شکل 3 قانون عملکرد این نوع سنسور این‌گونه است که سلول پتانسیومتری میزان EMF بین اگزوز و هوای اتمسفر را اندازه‌گیری می‌کند میزان ولتاژ اندازه گرفته شده Vs با) Vo براساس EMF حاصل از نقط‌ه استوکیومتری) مقایسه می‌شود بعد از مقایسه یک تقویت کننده ولتاژی به سلول پمپاژ اعمال می‌کند.
(لازم به ذکر است که اگر Vs>Vo آنگاه سوخت را غلیظ گویند در غیر این‌صورت سوخت رقیق است.) انواع دیگری از سنسورهای UEGO وجود دارد اما عموما قانون عملکردی آنها با هم تفاوت چندانی ندارد و بیشتر آنها شامل پمپاژ و سلولهای پتانسیومتری بوده که اندکی با هم متفاوت هستند.
در برخی دیگر به دلیل این‌که جریان برگشتی بین سوخت غلیظ و رقیق بط‌ور اتوماتیک انجام می‌شود، سلولهای پمپاژ متاثر از هوا و بدون سلولهای پتانسیومتری هستند.