Oksijen Sensörü Nedir ?

Oksijen Sensörü Nedir ?

1 Eylül 2018 Kapalı Yazar: admin

Oksijen Sensörü Nedir ?

En temel olarak oksijen sensörü, egzoz gazı içerisindeki oksijen gazını ölçen cihazlardır. İçten yanmalı motor dediğimiz ve günümüz araçların tamamına yakınında kullanılan makinalarda, benzin yanma odalarında yanar ve etrafa zararlı egzoz gazları çıkmaktadır. Bu çıkan gazların egzozdan dışarıya daha az zararlı bir şekilde çıkmasına olanak sağlayan parça katalitik konvertör adlı parçadır.

İçten yanmalı motor ile ilgili yazımıza aşağıdaki linkten ulaşabilirsiniz.

https://www.metalurjimalzeme.net/icten-yanmali-motor/

Motordan çıkan egzoz manifoldunandan egzoza kadar devam eden parçada, motor ile katalitik konvertör arasındaki yere oksijen sensörü monte edilmiştir. Bu değerli parça motordan çıkan ve zararlı gazlar içeren egzoz gazları içerisinde kalan oksijen konsantrasyonunu ölçer ve sürekli olarak bu oksijen konsantrasyon miktarını motor beyni dediğimiz ECU’ya aktarır. ECU’ da bu bilgileri sürekli işleyerek doğru benzin – hava karışımını elde eder.

oksijen sensörü bozulduğunda, araçlarda yakıt tüketimi bariz bir şekilde artar. Sensörün işlevini düzgün yerine getirmesi yakıt ekonomisi sağlar.

İşleyiş Şeması



oksijen sensörü

oksijen sensörü – lambda sensörü

 

Oksijen Sensörü Faydası

Önceki başlıkta da bahsettiğimiz üzere, motordan çıkan egzoz gazları içerisindeki oksijen gaz konsantrasyonunun devamlı ölçülmesi ve doğru hava – yakıt karışımının elde edilmesi motorun performansını optimum düzeyde tutar, yakıt tüketimini olması gerektiği seviyelere azaltır ve zararlı gazların salınımını azaltır.

Oksijen Sensörü Yapısı Nasıldır ?

oksijen sensörü içerisindeki temel malzeme zirkonyum dioksittir. Bu malzeme aşağıdaki şekilde de görüleceği üzere platinden yapılmış bir elektrod ile kaplanmış haldedir. Sensör, bir kısmı oksijen gazı içerisinde kalacak şekilde monte edilir. Yani; aşağıda görülen yapının bir kısmı egzoz gazı içerisinde diğer kısmı da atmosfere açık vaziyette beklemektedir. Çalışma prensibi de temel olarak, egzoz gazı içerisinde bulunan kısımdaki oksijen miktarı ile, atmosfere açık olarak bulunan yerdeki oksijen miktarı arasındaki konsantrasyon farkının voltaj cinsinden okunarak ECU ‘ya yani; motorun beyinine iletilmesi şeklindedir.

Sensörün Şematik Gösterimi – oksijen sensörü – lambda sensörü

oksijen sensörü

oksijen sensörü şematik gösterimi

 

oksijen sensörü

oksijen sensörü – lambda sensörü voltaj

Önceki başlıkta anlatıldığı üzere, oksijen sensörü iletkenlik çok önemlidir. Bu cihazlarda iletkenlik hassasiyeti ECU’ya aktarılan bilgilerin doğru olmasını sağlar. Bu cihazlardaki iletkenliği zirkonyum dioksit sağlamaktadır. İletkenlik de her sıcaklık da olmamakla birlikte en verimli sıcaklık 300 – 350°C civarındadır. Yukarıdaki şemadan da görüleceği üzere, sensör 1000 mv’dan daha düşük değerlerde gidip gelmektedir. 450 Mv ve yukarı değerler, şekilden de görüleceği üzere zengin karışım, 450 Mv ve aşağıdaki gerilim değerleri ise fakir karışım bölgesini temsil etmektedir.

Araçlar çalışırken bu işlem saniyenin binde biri zarfında devamlı sürmektedir. Ancak yine de bir miktar yanmamış zararlı gaz dışarıya çıkabilmektedir. Bu safhada ise, katalitik konvertörler devreye girerler. Katalitik konvertörler, yanmamış gazları yakarlar ve egzozdan dışarıya yanmamış gaz çıkmasını engeller. ( En azından minimuma indirirler. )

Egzoz Gazı Bileşimi

İçten yanmalı motorlar çalışırken, benzin yanma odalarında bujinin kıvılcımı ve basınç yardımıyla yanar. Benzin içerisinde hidrokarbon dediğimiz ve karbon, hidrojen ve oksijenden oluşan bileşikler vardır. Yanma olayı oksijenle tepkimeye girmek anlamına gelir ve benzin oksijenle tepkimeye girdiğinde bir miktar su, oksijen ve karbondioksit gazları oluşur.

TiO2 Nedir ?

oksijen sensörü – lambda sensörü nde kullanılan malzeme ZrO2’dir. Fakat buna alternatif bir malzeme düşündüğümüzde benzer özellikleri sağlayan bir başka seramik olan titanyumdioksit gözümüze çarpmaktadır. Titanyumdioksit kendi voltajını değiştirmek yerine, elektrik direncini değiştirerek ölçüm yapmaktadır. Elektrik direnci, oksijen konsantrasyonunun değişimiyle değişmektedir.

  • İletkenlik özelliği: N – tipi yarı iletken
  • Zengin karışımda, iletkenlik özelliği düşük
  • Fakir karışımda , iletkenlik özelliği yüksektir.
  • İletkenlik özelliği değiştiğinden dolayı, akım geçtikten sonra ,bir voltaj değeri oluşur.Bu voltaj değeri 0 ile 5 V arasındadır.Bu voltaj değerini aracın beyni her saniye ölçerek,zengin veya fakir karışım olduğunu belirleyerek, buna uygun benzin-hava karışımını sağlamaktadır.
  • Bu sensör tipi, atmosferik oksijene bağlı kalmaz.Egzoz gazıyla aradaki farkı ölçmesine gerek yoktur.
  • Zirkonyumdioksit yerine titanyumdioksit kullanılması, daha hızlı bir ölçüm sağlayarak,daha verimli bir motor çalışması sağlar.

oksijen sensörü Araçlarda Yerleştirildiği Yer

oksijen sensörü

oksijen sensörü

Zirkonya Üretimi

Zirkonya ZrO2’nin CaO , MgO, Y2O3 gibi düşük değerli oksitlerle karıştırılması ve sinterlenmesiyle hazırlanır.

Bu çözelti içinde Zr+4 iyonlarının belli bir bölümü Ca2+, Mg2+ veya Y3+ iyonlarıyla yer değiştirir. Zirkonya içindeki oksijen iyonlarının hareketi, yaklaşık 300 C’de etkili bir şekilde aktif hale gelmesini sağlar.

Bunun sonucunda, stabilize haldeki zirkonya 450 C civarındaki uygulamalarda bir elektrolit gibi davranır; bu özellik zirkonyanın hem oksijenin algılanmasında hem elektrokimyasal işlemlerde kullanılmasına imkan verir.

Bir elektrokimyasal zirkonya hücresi geçirgen yapının meydana gelmesini, elektriksel iletkenliği ve elektrolit ve dış elektronik devre parçaları arasında ara yüzey oluşumunu sağlar.

Elektrokimyasal reaksiyonlar elektrolit, elektrotlar ve çevreleyen gazlar arasındaki ara yüzeyde meydana gelir. Bu hücre elektrokimyasal oksijen pompalanmasında da önemli rol oynar; öyle ki hücrenin elektrotları boyunca uygulanan potansiyel farkı oksijenin katottan anoda transferini sağlar.

Elektrot reaksiyonlarıyla katottaki reaksiyonlar azalır ve elektrolit boyunca oksijen iyonu göçleri başlar ve bu oksijen akışı uygulanan I akımıyla ilgilidir.

Elektro – Kimyasal Hücre Nedir ?

Hücre birbirinden ayrık bileşenlerden oluşur.Öyle ki, yüzeyin her tarafında bulunan elektrotlar ile stabilize zirkonya elektrolitten oluşmuştur.

Elektrokimyasal hücre, hücreye akım sağlamak, oksijeni tüketmek ve reaksiyonları oluşturmak amacıyla bir oksijen pompası olarak kullanılabilir.

Aynı hücre oksijen ölçüm aleti olarak, oksijen iyonlarının akışı sonucu elektrolit içinde yüksek değerlerden düşük değerlere doğru oksijen kısmi basıncındaki farklılıklar ve bu transferin iki elektrot arasında neden olduğu elektromotor kuvveti (EMF)ölçümleri için kullanılabilir.

Sensördeki Cihazlar

oksijen sensörü, iç hacmi iki elektrokimyasal hücre ve bunlara bağlanmış metal halkalarla düzenlenmiştir.

Dizaynı Etkileyen Parametreler;

  • Elektrolit
  • Difüzyon bariyeri
  • Elektrotlar
  • Metal Halkalar Ve Cihaz Montajı
  • Isı/Sıcaklık Kontrolü
  • Sensör Montajı

1- Elektrolit



oksijen sensöründe kullanılan Elektrolit malzemeler toz formdadır.

 

PSZ:parçasal stabilize zirkonya

FSZ:tam stabilize zirkonya

 

PSZ ve FSZ elektronik dayanımı genellikle düşüktür ve sensörlerde bu nedenle kulanımını tercih edilir.

2- Difüzyon Bariyeri

  • Örnek gazdan iç hacme difüzyonu sınırlandırmak için gereklidir. Bu akım üzerinden ölçüme dayanmaktadır.
  • Akım arttıkça difüzyon bariyeri sınırlandırması azalmaya başlar. Oyuklar, genellikle 60 µm çapındadır ve lazer-delme metoduyla elde edilir.

3- Elektrotlar

  • Platinyum, gümüş ve altın elektrotlar kullanılabilir. Platinyum en yaygın olarak kullanılanıdır.
  • Elektrotlar kurutulmalıdır ve uygun sıcaklıkta organik bağlayıcıları yakmak ve metali sinterlemek için pişirilmelidir; bu sıcaklık Pt için 1000 C’de yaklaşık 15 dakikadır. Kalıplanmış ve pişirilmiş elektrodun kalınlığı 6-8 µm kadardır.

4- Metal Halkalar ve Cihaz Montajı

  • Seramik diskler arasındaki halkalar ticari altın veya platinyum folyolar kullanılarak elde edilir ve 50 µm kalınlığındadır.
  • Oyuk için basit takımlar kullanılır ve genellikle 5 mm genişlik olacak şekilde folyo içine sertçe vurulur ve elektriksel bağlantı için küçük şeritli halka şeklinde parçalar kesip çıkarılır.
oksijen sensörü

oksijen sensörü – lambda sensörü iç parça montajı

5- Isı ve Sıcaklık Kontrolü

  • Elektrolitin iyonik dayanım 450 C ’de indükleme sağlamasına rağmen, zirkonya sensörler gösterge elektrotların hızlı tepkisini temin etmek için 600-800 C’de kullanılmaktadır.
  • Pratikte, düşük güç tüketimi ve daha uzun parça ömrü için sıcaklık mümkün olduğunca düşük değerlerde tutulmalıdır.
  • Sensör ısıtma için alümina üzerine baskıyla oluşturulmuş küçük ince film platinyum ısıtıcılar kullanılmaktadır.

6- Sensör Montajı

40 µm kalınlığındaki platinyum teller cihazın üç metal halkasının küçük sekmelerine iliştirilir. Ortadaki halka içteki iki elektrodu bağlar ve ölçüm için ortam zemini oluşturulur. Böylece parça artık ısıtıcılarıyla bir destek üzerine monte edilir.

 

Oksijen sensörü ilk olarak Bosch tarafından bulunmuştur ve günümüzde de büyük bir oranda bu firmanın ürettiği cihazlar otomobillerde kullanılmaktadır. İlgili sayfayı incelemek için aşağıdaki bağlantıya bakabilirsiniz…

https://www.boschautoparts.com/en/auto/oxygen-sensors

 

Please follow and like us: