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I sistemi computerizzati di controllo del motore di oggi si basano sugli input di una varietà di sensori per regolare le prestazioni del motore, le emissioni e altre importanti funzioni. I sensori devono fornire informazioni accurate altrimenti possono verificarsi problemi di guidabilità, aumento del consumo di carburante e guasti alle emissioni.

Uno dei sensori chiave in questo sistema è il sensore di ossigeno. Viene spesso definito il sensore ” O2 ” perché O2 è la formula chimica per l’ossigeno (gli atomi di ossigeno viaggiano sempre in coppia, mai da soli).,

Il primo sensore O2 è stato introdotto nel 1976 su una Volvo 240. I veicoli della California li hanno ottenuti nel 1980 quando le regole sulle emissioni della California richiedevano emissioni più basse. Le leggi federali sulle emissioni hanno reso i sensori O2 praticamente obbligatori su tutte le auto e gli autocarri leggeri costruiti dal 1981. E ora che i regolamenti OBD-II sono qui (1996 e più nuovi veicoli), molti veicoli sono ora dotati di più sensori O2, alcuni fino a quattro!

Il sensore O2 è montato nel collettore di scarico per monitorare la quantità di ossigeno incombusto nello scarico mentre lo scarico esce dal motore., Il monitoraggio dei livelli di ossigeno nello scarico è un modo per misurare la miscela di carburante. Si dice al computer se la miscela di carburante sta bruciando ricco (meno ossigeno) o magra (più ossigeno).

Molti fattori possono influenzare la ricchezza relativa o la magrezza della miscela di carburante, tra cui la temperatura dell’aria, la temperatura del liquido di raffreddamento del motore, la pressione barometrica, la posizione della valvola a farfalla, il flusso d’aria e il carico del motore. Ci sono anche altri sensori per monitorare questi fattori, ma il sensore O2 è il monitor principale per ciò che sta accadendo con la miscela di carburante., Di conseguenza, eventuali problemi con il sensore O2 possono gettare l’intero sistema fuori whack.

Loop

Il computer utilizza l’ingresso del sensore di ossigeno per regolare la miscela di carburante, che viene indicata come “circuito di controllo del feedback del carburante”.”Il computer prende i suoi segnali dal sensore O2 e risponde cambiando la miscela di carburante. Ciò produce un cambiamento corrispondente nella lettura del sensore O2. Questo è indicato come operazione “a circuito chiuso” perché il computer utilizza l’ingresso del sensore O2 per regolare la miscela di carburante., Il risultato è un flip-flop costante avanti e indietro da ricco a magra che consente al convertitore catalitico di funzionare al massimo dell’efficienza mantenendo la miscela media complessiva di carburante nel giusto equilibrio per ridurre al minimo le emissioni. È una configurazione complicata ma funziona.

Quando non viene ricevuto alcun segnale dal sensore O2, come nel caso in cui viene avviato un motore freddo (o il sensore 02 si guasta), il computer ordina una miscela di carburante ricca fissa (immutabile). Questo è indicato come operazione “anello aperto” perché nessun ingresso viene utilizzato dal sensore O2 per regolare la miscela di carburante., Se il motore non riesce ad entrare in circuito chiuso quando il sensore O2 raggiunge la temperatura di esercizio, o scende dal circuito chiuso perché il segnale del sensore O2 viene perso, il motore funzionerà troppo ricco causando un aumento del consumo di carburante e delle emissioni. Un cattivo sensore di liquido di raffreddamento può anche impedire al sistema di andare in circuito chiuso perché il computer considera anche la temperatura del liquido di raffreddamento del motore al momento di decidere se entrare o meno in circuito chiuso.

Come funziona

Il sensore O2 funziona come un generatore in miniatura e produce la propria tensione quando si scalda., All’interno del coperchio ventilato all’estremità del sensore che si avvita nel collettore di scarico c’è una lampadina in ceramica di zirconio. Il bulbo è rivestito all’esterno con uno strato poroso di platino. All’interno della lampadina ci sono due strisce di platino che fungono da elettrodi o contatti.

L’esterno della lampadina è esposto ai gas caldi nello scarico mentre l’interno della lampadina è ventilato internamente attraverso il corpo del sensore all’atmosfera esterna., I sensori di ossigeno di stile più vecchi hanno in realtà un piccolo foro nel guscio del corpo in modo che l’aria possa entrare nel sensore, ma i sensori O2 di stile più recenti “respirano” attraverso i loro connettori a filo e non hanno foro di sfiato. È difficile da credere, ma la piccola quantità di spazio tra l’isolamento e il filo offre spazio sufficiente per far penetrare l’aria nel sensore (per questo motivo, il grasso non dovrebbe mai essere usato sui connettori del sensore O2 perché può bloccare il flusso d’aria)., Lo sfiato del sensore attraverso i fili piuttosto che con un foro nel corpo riduce il rischio di contaminazione da sporco o acqua che potrebbe sporcare il sensore dall’interno e causarne il guasto. La differenza nei livelli di ossigeno tra lo scarico e l’aria esterna all’interno del sensore fa sì che la tensione fluisca attraverso il bulbo ceramico. Maggiore è la differenza, maggiore è la lettura della tensione.

Un sensore di ossigeno genererà in genere fino a circa 0,9 volt quando la miscela di carburante è ricca e c’è poco ossigeno incombusto nello scarico., Quando la miscela è magra, la tensione di uscita del sensore scenderà a circa 0,1 volt. Quando la miscela aria/carburante è bilanciata o al punto di equilibrio di circa 14,7 a 1, il sensore leggerà circa 0,45 volt.

Quando il computer riceve un segnale ricco (alta tensione) dal sensore O2, si appoggia alla miscela di carburante per ridurre la lettura del sensore. Quando la lettura del sensore O2 diventa magra (bassa tensione), il computer inverte di nuovo rendendo la miscela di carburante ricca. Questo costante flip-flopping avanti e indietro della miscela di carburante si verifica con velocità diverse a seconda del sistema di alimentazione., Il tasso di transizione è più lento sui motori con carburatori di feedback, in genere una volta al secondo a 2500 giri / min. I motori con iniezione del corpo farfallato sono un po ‘ più veloci (da 2 a 3 volte al secondo a 2500 giri / min), mentre i motori con iniezione multiporta sono i più veloci (da 5 a 7 volte al secondo a 2500 giri / min).

Il sensore di ossigeno deve essere caldo (circa 600 gradi o superiore) prima che inizi a generare un segnale di tensione, quindi molti sensori di ossigeno hanno un piccolo elemento riscaldante all’interno per aiutarli a raggiungere la temperatura di funzionamento più rapidamente., L’elemento riscaldante può anche impedire al sensore di raffreddarsi troppo durante il minimo prolungato, il che causerebbe il ripristino del sistema ad anello aperto.

I sensori O2 riscaldati sono utilizzati principalmente nei veicoli più recenti e in genere hanno 3 o 4 fili. I sensori O2 a filo singolo più vecchi non hanno riscaldatori. Quando si sostituisce un sensore O2, assicurarsi che sia dello stesso tipo dell’originale (riscaldato o non riscaldato).

Un nuovo ruolo per O2 sensori con OBDII

A partire da un paio di veicoli nel 1994 e 1995, e tutti i 1996 e più nuovi veicoli, il numero di sensori di ossigeno per motore è raddoppiato., Un secondo sensore di ossigeno viene ora utilizzato a valle del convertitore catalitico per monitorare l’efficienza operativa del convertitore. Sui motori V6 o V8 con doppio scarico, ciò significa che possono essere utilizzati fino a quattro sensori O2 (uno per ogni banca del cilindro e uno dopo ogni convertitore).

Il sistema OBDII è progettato per monitorare le prestazioni delle emissioni del motore. Ciò include tenere d’occhio tutto ciò che potrebbe causare l’aumento delle emissioni., Il sistema OBDII confronta le letture del livello di ossigeno dei sensori O2 prima e dopo il convertitore per vedere se il convertitore sta riducendo gli inquinanti nello scarico. Se vede poco o nessun cambiamento nelle letture del livello di ossigeno, significa che il convertitore non funziona correttamente. Ciò causerà l’accensione della spia di malfunzionamento (MIL).

Diagnosi del sensore

I sensori O2 sono incredibilmente robusti considerando l’ambiente operativo in cui vivono. Ma i sensori O2 si consumano e alla fine devono essere sostituiti., Le prestazioni del sensore O2 tendono a diminuire con l’età poiché i contaminanti si accumulano sulla punta del sensore e riducono gradualmente la sua capacità di produrre tensione. Questo tipo di deterioramento può essere causato da una varietà di sostanze che trovano la loro strada nello scarico come piombo, silicone, zolfo, ceneri di petrolio e persino alcuni additivi per carburanti. Il sensore può anche essere danneggiato da fattori ambientali come acqua, spruzzi di sale stradale, olio e sporco.

Man mano che il sensore invecchia e diventa lento, il tempo necessario per reagire ai cambiamenti nella miscela aria/carburante rallenta, causando l’aumento delle emissioni., Questo accade perché il flip-flopping della miscela di carburante è rallentato che riduce l’efficienza del convertitore. L’effetto è più evidente sui motori con iniezione di carburante multiporta (MFI) rispetto alla carburazione elettronica o all’iniezione del corpo farfallato perché il rapporto carburante cambia molto più rapidamente nelle applicazioni MFI. Se il sensore muore del tutto, il risultato può essere una miscela di carburante fissa e ricca. Il valore predefinito sulla maggior parte delle applicazioni iniettate è di fascia media dopo tre minuti. Ciò provoca un grande salto nel consumo di carburante e nelle emissioni., E se il convertitore si surriscalda a causa della ricca miscela, potrebbe subire danni. Uno studio EPA ha rilevato che il 70% dei veicoli che hanno fallito un test sulle emissioni I/M 240 aveva bisogno di un nuovo sensore O2.

L’unico modo per sapere se il sensore O2 sta facendo il suo lavoro è ispezionarlo regolarmente. Ecco perché alcuni veicoli (per lo più importazioni) hanno un sensore di manutenzione promemoria luce. Un buon momento per controllare il sensore è quando le candele vengono cambiate.

È possibile leggere l’uscita del sensore O2 con uno strumento di scansione o un voltmetro digitale, ma le transizioni sono difficili da vedere perché i numeri saltano così tanto., Ecco dove uno scantool basato su PC come AutoTap brilla davvero. È possibile utilizzare le funzioni grafiche per osservare le transizioni della tensione dei sensori O2. Il software visualizzerà l’uscita di tensione del sensore come una linea ondulata che mostra sia la sua ampiezza (tensione minima e massima) sia la sua frequenza (velocità di transizione da ricca a magra).

Un buon sensore O2 dovrebbe produrre una forma d’onda oscillante al minimo che rende transizioni di tensione dal minimo vicino (0,1 v) al massimo vicino (0,9 v)., Rendere artificialmente ricca la miscela di carburante alimentando il propano nel collettore di aspirazione dovrebbe far sì che il sensore risponda quasi immediatamente (entro 100 millisecondi) e vada all’uscita massima (0,9 v). La creazione di una miscela magra aprendo una linea di vuoto dovrebbe causare l’uscita del sensore a scendere al suo valore minimo (0,1 v). Se il sensore non flip-flop avanti e indietro abbastanza rapidamente, può indicare la necessità di sostituzione.

Se il circuito del sensore O2 si apre, si interrompe o va fuori portata, può impostare un codice di errore e illuminare il motore del controllo o la spia di malfunzionamento., Se una diagnosi aggiuntiva rivela che il sensore è difettoso, è necessaria la sostituzione. Ma molti sensori O2 che sono gravemente degradati continuano a funzionare abbastanza bene da non impostare un codice di errore, ma non abbastanza bene da impedire un aumento delle emissioni e del consumo di carburante. L’assenza di un codice di errore o di una spia non significa quindi che il sensore O2 funzioni correttamente.

Sostituzione del sensore

Qualsiasi sensore O2 difettoso deve ovviamente essere sostituito. Ma ci possono anche essere benefici per la sostituzione del sensore O2 periodicamente per la manutenzione preventiva., La sostituzione di un sensore O2 invecchiato che è diventato lento può ripristinare l’efficienza del carburante di picco, ridurre al minimo le emissioni di scarico e prolungare la vita del convertitore.

Non riscaldato 1 o 2 filo filo O2 sensori su 1976 attraverso primi anni 1990 veicoli possono essere sostituiti ogni 30.000 a 50.000 miglia. I sensori O2 a 3 e 4 fili riscaldati a metà degli anni 1980 e metà degli anni 1990 possono essere cambiati ogni 60.000 miglia. Sui veicoli attrezzati OBDII (1996& up), si consiglia un intervallo di sostituzione di 100.000 miglia.