Sonda lambda

    Quando os Estados Unidos e Europa começaram a estabelecer leis que determinavam os níveis permissíveis de emissão de gases poluentes pelos veículos, as montadoras tiveram que buscar novas tecnologias em sistemas e equipamentos para se enquadrarem às novas normas.

    A grande solução encontrada foi à utilização do sistema de injeção eletrônica de combustível em substituição ao carburador.

    Há alguns anos, devido a novas e mais rígidas leis sobre emissões, os fabricantes de sistemas de gerenciamento de motor passaram a utilizar um novo componente que contribui para a regulagem correta da mistura ar/combustível, reduzindo os níveis de emissão de gases poluentes.

    Este componente é a sonda lambda ou sensor de oxigênio.

    A Sonda Lambda está localizada no sistema de exaustão do veículo conforme esquema abaix
A Sonda Lambda tem como função gerar um sinal elétrico para que a unidade de comando possa variar a quantidade de combustível injetado, garantindo uma mistura ar/combustível ideal, o que reduz o nível de emissão de gases poluentes.

    Sua construção consiste em um corpo cerâmico de óxido de zircônio, cuja superfície é provida de eletrodos de platina permeáveis a gás.

    A atuação da Sonda Lambda baseia-se no fato do material cerâmico ser poroso e permitir uma difusão do oxigênio do ar. A cerâmica torna-se condutora em temperaturas elevadas. Havendo uma diferença de teor de oxigênio entre os Dois lados (o lado em contato com o gás de escape e o outro em contato com o ar ambiente) será gerada uma tensão elétrica entre os eletrodos, que será utilizada pela unidade de comando para corrigir o tempo de injeção.

    O material cerâmico do sensor possui formato de um dedo e por isso também é conhecido como Finger Sonde. Para proteger esse elemento dos resíduos de combustão contidos nos gases de escapamento, existe no setor um tubo de proteção que fica voltado para dentro do tubo de escapamento.

Tipos de Sonda

    As Sondas Lambda subdividem-se em dois tipos: não aquecidas e eletricamente aquecidas.
    A diferença básica entre os dois consiste em que as eletricamente aquecidas iniciam sua operação já na fase de aquecimento do motor, quando ainda não se atingiram as altas temperaturas.

Um aperfeiçoamento na "Finger Sonde" gerou a SONDA PLANAR.

    Nesta sonda o elemento sensível é constituído por camadas de película de cerâmica achatada e retangulares. A sobreposição de lamelas permite que a resistência seja incorporada ao elemento sensível. Além disso, a SONDA PLANAR possui um tubo de proteção com parede dupla.

Vida útil

     A Sonda Lambda é isenta de manutenção, ou seja, é necessária a troca do produto completo quando este apresentar alguma irregularidade. Nas revisões periódicas do veículo

    A Sonda Lambda deve ser testada e trocada, se necessário.

    Alguns fatores que podem comprometer prematuramente seu perfeito funcionamento:

• Óleo na camara de combustão.
• Mistura muito rica.
• Escapamento furado.
• Combustível de má qualidade.

Os sensores de queima de combustível além de servirem para economia de combustível, também ajudam a prevenir danos ao veículo, por exemplo: uma mistura pobre pode gerar uma queima prematura na câmara de combustão, o que pode sobreaquecer o motor e danificá-lo. Enquanto que uma mistura rica pode danificar o catalizador devido as grandes emissões de hidrocarbonetos e monóxidos de carbono.

O sensor de oxigênio é inserido no processo de descarga de gases para então poder medir a quantidade de oxigênio resultante da queima. Sua localização exata no sistema exaustor pode ter uma localização variável, dependendo do tipo de sensor:

2.1.1 Sensor sem resistência

            O sensor sem resistência normalmente é localizado o mais próximo possível do motor, já que é necessária uma temperatura de 300ºC para que ele opere, buscando então uma maior absorção de calor provenientes dos gases de escapamento para que a sonda possa funcionar.

2.1.2 Sensor com resistência

            O sensor sem resistência normalmente é localizado antes do catalizador, para que se possa obter a mistura mais estequiométrica possível. Dessa forma evita-se o desgaste do catalisador (o que ocorre quando a mistura é rica ou pobre).

 

Após a queima de combustível, seus gases resultantes têm a sua taxa de oxigênio medida pela sonda lambda. Uma parte da sonda fica em contato com os gases e a outra permanece exposta ao ar do ambiente. A sonda compara a quantidade de oxigênio nesses dois meios através da voltagem gerada por um processo semelhante a uma pilha (usando íons de oxigênio). Quando a sonda lambda detecta excesso ou falta de combustível na mistura, ela envia um sinal para que a unidade de controle regule a quantidade de combustível injetado no próximo ciclo, funcionando dessa forma em closed-loop (malha fechada) (diagrama acima). No entanto, enquanto a sonda não está em temperatura de funcionamento (300ºC) a unidade de controle ignora o sinal da sonda lambda e passa a usar a memória para calcular a quantidade de combustível a ser injetado, funcionando assim em open-loop (malha aberta).

            Há também outras condições que fazem com que a unidade trabalhe em open-loop, ignorando o sinal da sonda lambda. São elas:

• Fase de aquecimento do motor (a sonda ainda não atingiu sua temperatura operacional)
• Aceleração rápida (enriquecimento proposital da mistura ar/combustível)
• Desaceleração (ocorre o corte de injeção na desaceleração, ou “cut-off”)
• Plena carga (enriquecimento proposital da mistura ar/combustível)

            A sonda está preparada para trabalhar numa variação de tensão entre 0 a 1 volt. Neste caso, a unidade de comando (memória de calibração) é preparada para interpretar da seguinte maneira os valores obtidos pela sonda:

• Entre 450 a 550 milivolts- mistura próximo do ideal ou relação estequiométrica;
• Entre 50 a 450 milivolts- mistura pobre;
• Entre 550 a 900 milivolts- mistura rica;
• Abaixo de 50 milivolts - mistura extremamente pobre- grava código de defeito;
• Acima de 900 milivolts- mistura extremamente rica- grava código de defeito.

Mistura Rica

            Quando o motor está trabalhando com a mistura rica, pouco oxigênio estará presente no cano de escape, pois terá sido consumido para queimar o excesso de combustível. Assim, poucos íons se agruparão no eletrodo externo, gerando muita difusão de íons de oxigênio, e a voltagem gerada será relativamente alta. Uma mistura rica causa desperdício de combustível e pode danificar o catalizador.

Mistura Pobre

            Quando o motor está trabalhando com a mistura pobre, muito oxigênio estará presente no cano de escape, pois pouco oxigênio terá sido consumido para queimar o combustível. Assim, muitos íons se agruparão no eletrodo externo, gerando pouca difusão de íons de oxigênio, e a voltagem gerada será relativamente baixa. Uma mistura pobre prejudica o desempenho do motor e pode até causar falhas.

O fluxo de íons de oxigênio pelos eletrodos de platina gera uma tensão elétrica devido à diferença de concentração de oxigênio entre os gases de escape e do ar ambiente. Se houver uma pequena diferença de concentração de oxigênio entre o ar ambiente e os gases do escapamento (devido ao baixo consumo de oxigênio) haverá baixo fluxo de íons pelos eletrodos e então a tensão elétrica será próxima de 0V (mistura pobre) e a ECU entenderá que deve enriquecer a mistura, aumentando o tempo de injeção do combustível. Quando houver uma grande diferença de concentração de oxigênio entre o ar ambiente e os gases do escapamento (devido ao alto consumo de oxigênio na combustão) haverá aumento do fluxo de íons pelos eletrodos e então a tensão elétrica será próxima de 1V (mistura rica) e a ECU entenderá que deve empobrecer a mistura, diminuindo o tempo de injeção do combustível e assim sucessivamente, alternando a tensão elétrica entre 0V e 1V.

Tipos de Sensores

            Os sensores são normalmente classificados pelo número de fios (e suas funções), de acordo com elemento ativo ou ainda de acordo com a sua banda (estreita ou larga).

  

Classificação pelo número de fios

 

No mercado nacional é comum encontrarmos sensores de oxigênio com diferentes números de fios condutores:

• Sensor com um fio - Conhecido como sonda lambda não aquecida-EGO (Exhaust Gas Oxygen Sensor), seu aquecimento ocorre somente devido ao contato direto do mesmo com os gases de escape. Possui somente o fio de saída do sinal. Seu aterramento é feito em sua própria carcaça.

• Sensor com três fios - Conhecido como sonda lambda HEGO (Heated Exhaust Gas Oxygen Sensor). Possui o fio de saída de sinal e os fios de alimentação do resistor de aquecimento. Seu aterramento é feito em sua própria carcaça.

Sensor com quatro fios - Conhecido como sonda lambda HEGO (Heated Exhaust Gas Oxygen Sensor). Possui o fio de saída de sinal, os fios de alimentação do resistor de aquecimento e o fio de aterramento do sensor.

Classificação pelo elemento ativo

            Com relação ao elemento ativo, os sensores de oxigênio podem ser classificados em dois tipos:

●     Sensor de oxigênio de zircônio (ZrO²)

●     Sensor de oxigênio de titânio (TiO²)

Sensor de Oxigênio de Zircônio (ZrO²)                                                                                                                                                                                                                                    É o tipo mais difundido atualmente. É constituído de um elemento de cerâmica (óxido de zircônio); o elemento está recoberto interna e externamente por uma camada de platina que cumpre a função de eletrodo.                                                                                                                      A face interna (eletrodo de referência) está em contato com a atmosfera e a externa com os gases de escape.                                                                                                                 Acima de 300ºC, o elemento de cerâmica se transforma em uma pilha cuja tensão depende da diferença de concentração de oxigênio entre a face interna e externa da sonda.

Sensor de Oxigênio de Titânio (TiO²)

                                                                                                                                                         São mais frágeis que as sondas de zircônio e o sinal de saída é muito dependente da tensão de alimentação. É constituída de material semicondutor (óxido de titânio) o qual varia sua resistência interna em função da concentração de oxigênio do ambiente em que se encontra.

            Uma camada de óxido de titânio é depositada sobre uma plaqueta de cerâmica aquecida por um circuito impresso resistivo; o período de aquecimento é de aproximadamente, 15 segundos. Não é muito comum no mercado nacional.

2.3.3 Classificação pela banda do sensor

Com relação ao sinal transmitido temos ainda dois tipos de sensores de oxigênio:

• Sensor de Banda Estreita
• Sensor de Banda Larga

Sensor de Banda Estreita (Narrow Band)

            Esse tipo de sensor apenas pode informar à Unidade de Controle se uma mistura esta rica, estequiométrica ou pobre, sem informa-la o quanto ela rica ou pobre. Portanto ao realizar a correção de uma mistura que está pobre, a Unidade de Controle pode tornar a mistura rica, gerando o gráfico baixo. Sondas dos tipos EGO e HEGO são de banda estreita.

Sensor de Banda Larga (Wide Band)

            Esse tipo de sensor pode informar à unidade de controle o quanto uma mistura está rica ou pobre, de modo que a correção é mais precisa. A leitura desse sensor apresenta uma variação mais suave do sinal de saída e uma voltagem de saída deferente para cada taxa de ar/combustível em uma faixa maior, o que possibilita o maior controle da taxa de ar/combustível. Também é conhecido como UEGO (Universal Exhaust Gas Oxygen), esse sensor costuma ter 5 ou 6 fios e ainda é bastante incomum no mercado nacional popular. É um sensor mais comum em carros de corrida, já que pode medir o quanto uma mistura está rica (uma aceleração rápida requer certo enriquecimento na mistura, o que pode ser mais precisamente controlado pelo sensor de banda larga).

Convencional (Finger)

            A sonda lambda convencional possui um maior tempo de aquecimento e pode ter de 1 à 4 fios. A identificação externa da sonda finger é feita pelas aletas presentes na sua grelha de proteção da cerâmica. Sua resistência interna, quando existente, normalmente possui de 4 a 6 ohms (com exceção de algumas).

Planar

            A sonda lambda planar tem um aquecimento mais rápido (8 à 10 segundos contra 30 à 50 segundos da sonda lambda finger) devido à disposição da resistência interna e do elemento ativo em camadas, o que lhe garante menor tempo para que possa entrar em funcionamento. Sua resistência interna normalmente possui de 9 a 10 ohms. A identificação externa da sonda planar é feita pelos furos presentes na sua grelha de proteção da cerâmica. Possui sempre 4 fios. 

Sonda lambda, ou sensor de oxigênio, é um dispositivo que envia um sinal elétrico à injeção eletrônica do automóvel indicando a presença de oxigênio nos gases de escape. Ela compara o oxigênio residual dos gases de escapamento para saber se a mistura ar-combustível esta balanceada, possibilitando o controle da quantidade de combustível a enviar para o motor.
Existem dois tipos de sensor sonda lambda, são elas:
- Sonda lambda Narrow (ou Narrowband): é a sonda comum encontradas em carros com injeção eletrônica, narrow vem de restrita ou planar, pois ela só consegue medir a mistura de 0 à 1v (mistura pobre 0v e mistura rica 1v).
- Sonda lambda Wide (ou Wideband): é uma variação do sensor comum, geralmente chamada de ‘wideband’ ou simplesmente WbO2. A vantagem da WbO2 é que com ela podemos estimar com uma maior precisão, enquanto as planares só são precisas próximas de lambda 1 a wide permite uma banda mais larga de 0,7 a 2,2.

"Sonda tipo Narrow (banda estreita, a mais comum de se encontrar por aí) apresenta uma variação de tensão que fica em torno de 0 a 1000mV QUANDO EM PERFEITO ESTADO DE FUNCIONAMENTO E QUANDO CORRETAMENTE INSTALADA, e é aí que começam a aparecer os problemas, e as confusões, principalmente quando a sonda é instalada sem maiores critérios.

- A tensão gerada pela sonda tem estreita dependência com a temperatura de funcionamento.
Digamos que numa determinada situação de funcionamento do motor uma sonda em temperatura IDEAL de funcionamento gere 800mV, por exemplo. Com o motor nesta mesma situação, caso a temperatura da sonda fique ABAIXO do ideal, a tensão gerada será mais elevada, e se a temperatura estiver ACIMA do ideal a tensão será menor. De quanto será o desvio depende de quanto a temperatura está distante do ideal.

- Mistura rica TENDE a abaixar a temperatura dos gases de escape, mistura pobre TENDE a aumentar a temperatura. Não fica dificil perceber que se a sonda já estiver trabalhando fora da temperatura ideal, a qualidade da mistura pode influenciar negativamente no sinal gerado pela sonda.

- O resistor de pré-aquecimento serve para ABREVIAR o tempo de aquecimento da sonda, mas não garante a manutenção da temperatura ideal de funcionamento em TODOS os regimes de giro do motor, já que quem garante isso é a temperatura dos gases de escape que atingem a sonda.

- Sonda Lambda pode ser entendida como um gerador de alta impedância, onde qualquer aumento de consumo atenua o sinal gerado.
Para quem não tem afinidades com elétrica/eletrônica, imagine a sonda como uma pilha comum, dessas de 1,5V, capaz de fornecer corrente suficiente para acender UMA lâmpada com uma determinada luminosidade.
Se junto a esta pilha ligar mais uma lâmpada, a luminosidade delas será menor, porque a corrente necessária para manter as duas lâmpadas supera a quantidade de corrente gerada pela pilha.
Com a sonda acontece o mesmo, e qualquer acréscimo de consumo, mesmo que pequeno, "derruba" o sinal, devendo-se evitar ao máximo a utilização de circuitos com impedância incompatível ou a inclusão de diversos circuitos na mesma sonda.
Conexão dos fios é outro ponto importante. Como o sinal é muito débil, qualquer mal contato pode falsear a indicação da sonda. Atenção especial deve ser dada às sondas com retorno de sinal pela carcaça, já que a "qualidade" do sinal vai depender do estado de conservação - e fixação - do cano de escape, coletor, aterramento do motor, e por aí vai.

- Sonda Lambda tem vida útil, e com o tempo de uso a impedância da sonda aumenta e a tensão versus relação ar/combustível sofre alteração, apresentando uma curva mais pronunciada, alterando sensivelmente a relação entre tensão e mistura. Além disso, o tempo de reação também aumenta, ou seja, a sonda fica "mais lerda", não respondendo com a devida rapidez às variações de mistura.

- O sinal da sonda NÃO é linear em relação à quantidade de oxigênio presente nos gases de escape, o que significa dizer que uma pequena variação nos extremos de tensão (0~200mV na parte "baixa" e 600-900mV na parte "alta" da curva, aproximadamente) representam uma razoável variação na relação ar/combustível. Já entre 200~600mV, também aproximadamente, qualquer variação simplesmente demonstrará uma PEQUENA variação para mistura rica ou mistura pobre.
Pelos dados que tenho da Bosch e da NGK, a faixa UTIL da sonda situa-se entre 20mV a 920mV, e nos dados técnicos isso é indicado como TENDÊNCIA e não como valores absolutos, podendo, evidentemente, haver pequenas variações. Seja lá o que for, acima ou abaixo destes valores de tensão a sonda não apresenta precisão, e nestes casos os valores não tem utilidade prática.
É por causa desta ausência de linearidade da sonda tipo Narrow que o ideal é analisar o sinal da sonda em termos de "fator lambda", é muito mais simples do que ficar interpretando milivolts com a devida correção em termos de curva.


Saber interpretar o sinal é tão importante quanto a correta instalação da sonda, e tão importante quanto esses dois itens é a qualidade do instrumento utilizado para fornecer a informação. Pode-se perfeitamente utilizar um multímetro como indicador estequiométrico DESDE QUE seja de qualidade. Multímetros baratos, desses de 50~100 reais, não tem sensibilidade adequada e muito menos aferição, e o que é pior, o erro é maior nas escalas de baixa intensidade.
O lado bom desta história é que é fácil checar se o instrumento realmente é bom ou não, basta comparar a tensão indicada pelo multímetro barato com outro de qualidade, de uso profissional, que por sinal não custa pouco. "

Conclusões

            O uso do sensor lambda na ignição eletrônica melhora a eficiência de queima de combustível, o que reduz enormemente a quantidade de CO produzidos, além de melhorar a durabilidade dos componentes do sistema de combustão e proporcionar economia de combustível. Essas qualidades compensam enormemente o seu custo, já que não é um sensor caro. Além disso, a sonda lambda pode ser usada para detectar irregularidades no motor, desde que esses proporcionem uma mistura excessivamente rica ou pobre, evitando assim danos maiores.