Sensores lambda

Automóveis e o meio ambiente

Quando o combustível é queimado na câmara de combustão de um motor, para além de produtos inofensivos, como água, dióxido de carbono e nitrogénio, algumas emissões nocivas, tais como monóxido de carbono, óxidos de azoto e hidrocarbonetos também são produzidos. 

Há já muitos anos que se tem vindo a travar uma batalha contra essas emissões nocivas, tanto numa vertente política como pelos engenheiros da indústria automóvel. Por exemplo, no final dos anos de 1980, muitos veículos com um motor a gasolina tinham um catalisador instalado como equipamento padrão pelos fabricantes do veículo, o que reduziu significativamente as emissões nocivas. 

O sensor lambda desempenha um importante papel no sentido de permitir que o catalisador cumpra esta tarefa, porque garante condições ideais de funcionamento do catalisador.

Composição do escape

As emissões nocivas representam apenas uma pequena proporção das emissões totais de um motor moderno. Na verdade, elas compõem apenas 1,1% do total para um motor a gasolina e 0,2 por cento do total para um motor a diesel. A maioria dos gases de escape emitidos é composta por nitrogénio, água e dióxido de carbono. 

Mesmo assim, é importante que estas quantidades comparativamente pequenas de emissões nocivas também sejam tratadas e tornadas inofensivas. 

Isto é necessário porque as mesmas têm consequências significativas para a nossa saúde e bem-estar, mesmo nas mais pequenas concentrações.

Normas EURO

As normas EURO são as especificações legislativas que definem os limites superiores que os novos veículos têm que cumprir quando são introduzidos no mercado. 

Em 1992, a primeira norma EURO entrou em vigor com EURO I. Ao longo do tempo, as especificações tornaram-se cada vez mais rigorosas. Desde setembro de 2009, EURO 5 tem estado em vigor. EURO 6 deve entrar em vigor em 2014. 

Utilizando as atuais tecnologias práticas, os limites definidos nas normas EURO não podem ser cumpridos sem o uso de um catalisador. Estas normas EURO são a principal razão para que 135 milhões dos 162 milhões (aprox.) veículos de passageiros atualmente registados na Europa e equipados com um motor a gasolina possuírem um catalisador de 3 vias de fábrica instalado como equipamento padrão.

Posição dos sensores lambda

É um requisito básico que, para que o catalisador funcione de forma eficiente, o rácio de ar-combustível na câmara de combustão tem que ser controlado com muita precisão. É nesta área que o sensor lambda desempenha um papel fundamental. 

Os veículos modernos têm, pelo menos, dois sensores lambda. Um sensor regulador de combustível é posicionado a montante do catalisador e - desde a introdução legislada do Diagnóstico a Bordo (OBD) - um sensor de diagnóstico é posicionado a jusante do catalisador.

O circuito de controlo lambda

O sensor regulador de combustível mede o oxigénio residual nos gases de escape antes da sua entrada no catalisador. Dependendo da concentração deste oxigénio residual, o sensor é capaz de gerar um sinal que é enviado para a unidade de controlo do motor (a “ECU”). A unidade de controlo usa estas informações para ajustar o rácio de mistura ar-combustível. 

O sensor de diagnóstico mede o oxigénio residual nos gases de escape após terem sido processados pelo catalisador. Com base no seu sinal, a unidade de controlo do motor pode reconhecer anomalias relevantes do escape e reportá-los ao condutor, geralmente através de uma luz de aviso no painel de instrumentos.

Animação

Mistura ar-combustível

O rácio ideal teórico de ar-combustível para um motor a gasolina é de 14.7:1, o que significa que 14,7 kg de ar pode ser combinado com 1 kg de gasolina. Isso é conhecido como uma “mistura estequiométrica”. Se um motor está a funcionar neste modo, isso significa que a quantidade de ar fornecida ao motor corresponde exatamente ao requisito de ar teórico para se atingir a combustão completa do combustível. 

Na indústria automóvel, uma medida de quão perto a mistura de ar-combustível está do “ideal” é identificada pela letra grega de lambda. Só quando lambda (λ)=1,0 é o rácio adequado é que é possível garantir uma combustão completa e, portanto, uma operação eficaz do catalisador que converte os gases de escape quase totalmente em gases menos prejudiciais para o ambiente. 

Atualmente, a maior parte dos motores a gasolina funcionam com esta mistura. Ao usar outros tipos de combustível, o rácio de ar-combustível pode ser diferente.

Rácio de ar

Obviamente, existem modos de funcionamento de ambos os lados de lambda = 1.0 Este rácio de ar fornece informações sobre o respetivo rácio da mistura ar-combustível. 

Se houver mais do que a quantidade ideal de combustível contida na mistura, esta é chamada de “mistura rica”, mas na verdade o motor está a funcionar com uma deficiência de ar. O rácio de ar é lambda inferior a 1,0. 

Por outro lado, se houver menos do que a quantidade ideal de combustível - na verdade, demasiado ar, esta é referida como uma mistura pobre. O rácio de ar correspondente é lambda superior a 1,0.

Eficiência do catalisador

Se a alimentação de combustível do motor é mantida dentro de uma faixa muito pequena em torno da mistura estequiométrica (λ=1), o catalisador de três vias pode reduzir as emissões nocivas de monóxido de carbono (CO) e óxidos de azoto (NOx) em mais de 95%. Os hidrocarbonetos não queimados também são eficientemente oxidados para produzir dióxido de carbono e água. 

Se o motor funcionar num estado rico (λ menor que 1), a taxa de conversão é reduzida - em particular, a emissão de monóxido de carbono e hidrocarbonetos aumenta significativamente. 

Se o motor funcionar num estado pobre (λ maior que 1), a taxa de conversão de óxidos de azoto é severamente reduzida e a poluição ambiental aumenta consideravelmente.

Tipos de sensores lambda

Existem basicamente três tipos diferentes de sensor lambda não-intercambiáveis. 

O dióxido de zircónio e os sensores lambda de dióxido de titânio também são chamados de comutação, disparo de tensão ou sensores lambda “binários”, porque o seu sinal de saída varia para a frente e para trás entre dois valores, dependendo se a alimentação de combustível está num estado rico ou pobre. 

O terceiro tipo é o sensor lambda de banda larga. Eles também são conhecidos como sensores lambda “lineares” porque têm um sinal de saída que é proporcional a um amplo intervalo de rácios de ar-combustível, conseguem medir com precisão os rácios e as transições entre eles.

Sensor de lambda de dióxido de zircónio (sensor de comutação)

O sensor lambda de dióxido de zircónio é o tipo mais comumente utilizado. Este tipo de sensor pode ser utilizado como um sensor de regulação ou de diagnóstico, dependendo do veículo.

Método de funcionamento do sensor de dióxido de zircónio

O elemento de sensor de dióxido de zircónio tem uma conceção oca em forma de dedal. A superfície interior está em contacto com o ar ambiente. A superfície exterior situa-se de forma a pousar sobre o fluxo dos gases de escape. Ambas as superfícies são cobertas por uma camada fina de platina porosa que atua como elétrodos. 

Haverá sempre uma diferença na concentração de oxigénio entre os gases de escape e o ar ambiente. Quando o sensor lambda atinge a temperatura de funcionamento, os iões de oxigénio começam a mover-se através do eletrólito cerâmico do lado que tem uma maior concentração de oxigénio para o lado que tem uma menor concentração de oxigénio, tentando atingir um estado de equilíbrio. 

Visto que esses iões deixam uma camada de platina e chegar à outra camada, ocorre um potencial diferencial que dá origem a uma tensão elétrica (U). Se a mistura for pobre, a tensão será relativamente baixa (aprox. 0,1 volts). Se a mistura for rica, a tensão será relativamente alta (aprox. 0,9 volts). Há um grande disparo de tensão característico quando o ponto estequiométrico (λ=1.0) é transposto.

Sensor de lambda de dióxido de zircónio: Atribuição de cabo

Dependendo da sua conceção, os sensores lambda de dióxido de zircónio podem ter entre um e quatro cabos. 

Os sensores com um único cabo preto não contêm um aquecedor e realizam o seu contacto com a terra através da secção roscada do invólucro metálico. Este cabo preto único é a linha de sinal de saída do sensor. Os sensores sem um aquecedor que realizam o seu contacto terra através da cablagem do veículo têm um cabo de terra adicional cinzento. 

Os sensores aquecidos têm três ou quatro cabos. 

Em ambos os casos, o cabo preto transporta o sinal do sensor. Os dois cabos brancos são a alimentação e a terra para o aquecedor. 

Os sensores com três cabos usam o invólucro metálico para a sua ligação à terra, enquanto os tipos de quatro fios têm um cabo de terra cinzento para ligar ao sistema elétrico do veículo.

Sensor lambda de dióxido de titânio (sensor de comutação de resistência)

Este tipo é conhecido como um sensor de óxido de metal. Ao contrário dos sensores de lambda de dióxido de zircónio, os sensores lambda de dióxido de titânio não autogeram uma tensão. O elemento cerâmico é um semicondutor, a resistência elétrica da qual varia em relação à concentração de oxigénio residual nos gases de escape. Como tal, através da aplicação de uma tensão no sensor, é produzido um sinal variável que depende da concentração de oxigénio. 

Todos os sensores lambda de dióxido de titânio têm um elemento de aquecimento integrado. Em virtude da sua conceção, estes não requerem acesso ao ar ambiente para referência. Consequentemente, eles são geralmente mais compactos do que os de tipo de dióxido de zircónio. 

O sistema de controlo para este tipo é muito diferente daquele é utilizado para o tipo de dióxido de zircónio.

Método de operação do sensor de dióxido de titânio

Um elemento de dióxido de titânio altera a sua resistência elétrica proporcionalmente à pressão parcial de oxigénio (na verdade, a concentração de oxigénio) na mistura de gás. 

Com uma concentração elevada de oxigénio (λ superior a 1,0), o dióxido de titânio é menos condutor; com uma concentração baixa de oxigénio (λ menos de 1,0) é mais condutor. 

Se uma tensão for agora aplicada ao elemento, a tensão de saída muda consoante a concentração de oxigénio nos gases de escape. 

A temperatura ideal de funcionamento deste sensor lambda é de 700°C. As temperaturas acima de 850°C podem danificar o elemento sensor. 

Uma vantagem adicional deste tipo de sensor: O sensor de dióxido de titânio não requer qualquer ar exterior como referência e, portanto, é mais pequeno.

Sensor de dióxido de titânio: Atribuição de cabo

Os sensores lambda de dióxido de titânio produzidos por NTK tem três ou quatro cabos. 

Nos tipos de quatro cabos, o sinal (+)é amarelo e o sinal (-) é preto. 

A cor do cabo para o elemento de aquecimento (+) tem duas variações: Para os sensores lambda do tipo 1 este cabo é vermelho; para os de tipo 2 este é cinzento e para ambos o elemento de aquecimento (-) é branco. 

Nos tipos de três fios, o cabo de sinal amarelo (+) é omisso.

Sonda lambda de banda larga

Com a exigência cada vez maior para se reduzir o consumo de combustível e para se reduzir os níveis de emissão de gases de escape, tornou-se necessário operar os motores longe do ponto de combustível estequiométrico sob determinadas condições. 

Uma mistura de ar/combustível enriquecida (λ menos de 1,0) pode ser necessária durante um arranque a frio e em condições de carga completa e estas áreas de atuação são minuciosamente examinadas para se encontrarem novas estratégias para a redução do consumo de combustível. 

Alguns conceitos de motor mais recentes são concebidos para funcionarem a um rácio de ar/combustível muito mais pobre do que o estequiométrico, pelo menos durante parte da sua operação. Estas estratégias de motor de “queima pobre” têm que ser reguladas de forma rigorosa e com precisão. 

Para este efeito, foram desenvolvidos os sensores de “banda larga”. Estes sensores podem medir com precisão e produzir um sinal de saída que é proporcional a uma escala muito ampla de rácios de ar-combustível. O abastecimento de combustível pode ser mantido a qualquer rácio de ar/combustível necessário. A sua operação é extremamente rápida e precisa. 

Os sensores de banda larga também são utilizados nos modernos motores a diesel, os quais operam principalmente com um fator de excesso de ar.

Método de operação do sensor lambda de banda larga

Os sensores de banda larga são compostos por duas células: uma célula de medição e uma célula de bomba. Com a ajuda da célula de medição, a concentração de oxigénio dos gases de escape - que se encontra na câmara de deteção - é medida e comparada com um valor-alvo de 450mV que representa uma mistura estequiométrica. 

Qualquer desvio de 450mV fará com que a célula de bomba transporte iões de oxigénio para dentro ou, invertendo a corrente, fora da câmara de deteção numa tentativa de recuperar o valor-alvo. 

A medição do valor e direção de fluxo desta corrente gerada da bomba permite uma identificação precisa do rácio de ar combustível. 

Num rácio de ar/combustível estequiométrico, não há nenhum fluxo de corrente líquido, visto que a concentração de oxigénio residual dentro da câmara de deteção é concebida para produzir 450mV a este valor.

Saída de sinal de um sensor lambda de banda larga

Se houver uma mistura estequiométrica presente (lambda = 1,0), nenhuma corrente flui através da célula de bomba. 

Se houver uma mistura rica presente, há muito pouco oxigénio residual para uma corrente negativa ser produzida na célula de bomba e o oxigénio é bombeado para dentro da câmara de deteção. 

Se houver uma mistura pobre presente, há mais oxigénio residual e uma corrente positiva é produzida na célula de bomba e o oxigénio é bombeado para fora da câmara de deteção.

Sensor lambda de banda larga: Atribuição de cabo

Os sensores lambda de banda larga de NTK têm cinco ligações de cabo. 

Os cabos amarelos e azuis fornecem o controlo de potência do aquecedor. O sinal da bomba (Ip+) flui através do cabo branco; o sinal da célula de medição (Vs+) flui através do cabo cinzento. O cabo preto fornece a ligação terra para as células de bomba e de medição.

Sensores especiais

Tipos de sensores especiais são muitas vezes necessários para aplicações modernas. Por exemplo, motores a gasolina de injeção direta, aplicações para desportos motorizados e motociclos implicam requisitos muito específicos sobre as tecnologias utilizadas para medição de gases de escape e pós-tratamento.

Sensores NOx

Para tornar os motores a gasolina mais económicos e ecológicos, os fabricantes de automóveis começam a depositar cada vez mais a sua confiança nos motores de injeção direta de gasolina que podem funcionar com misturas de ar/combustível muito pobres sob carga parcial. 

Isto pode resultar num consumo de combustível 12 a 20% inferior - no entanto, também requer o uso de um sensor de NOx. 

A fim de operar os sensores de NOx, são necessárias unidades de controlo eletrónicas dedicadas. Estes fazem parte integrante do componente.

Método de operação do sensor de NOx

No modo de carga estratificada pobre, o ponto de funcionamento do motor já não está em lambda = 1,0 e, portanto, fica fora da janela de conversão ideal do catalisador. Visto que o catalisador já não está a funcionar eficazmente, a emissão de óxidos de azoto aumenta consideravelmente. Por este motivo, utiliza-se um catalisador de armazenamento de NOx adicional, o qual armazena temporariamente os óxidos de azoto.

Quando o catalisador atinge o ponto de saturação e não consegue armazenar mais NOx, o sensor de NOx reconhece-o. O sensor então instrui a unidade de controlo do motor a mudar para o funcionamento em mistura rica (λ menor a 1,0) durante cerca de dois segundos. 

Esta estratégia permite que os óxidos de azotos sejam quimicamente reduzidos e convertidos em azoto inofensivo.

Esta “fase de regeneração” repete-se a cada 60 segundos em funcionamento pobre.

Atribuição do cabo do sensor de NOx

A atribuição de cabo de um sensor de NOx NTK é apresentada aqui.

Sensores lambda para motociclos

Desde 1999, também existem limites de emissão para motociclos. Por conseguinte, os catalisadores estão a ser instalados como equipamento original por muitos fabricantes mesmo para máquinas com pouca cilindrada. 

Com este segmento de mercado em mente, a NGK SPARK PLUG desenvolveu o sensor lambda especial OZAS-S3. O seu elemento de sensor de dióxido de zircónio é especialmente resistente a altas temperaturas, permitindo que o sensor fique instalado perto do motor, mesmo dentro da própria cabeça do cilindro. Este local de instalação permite que o sensor alcance as temperaturas de funcionamento necessárias de forma muito rápida e uniforme sem um aquecedor. 

A vantagem: O sensor é particularmente compacto e leve. Além disso, um sistema de controlo simples pode ser aplicado e o cabo é “conectado” ao sensor de uma forma similar a uma vela de ignição.

Sensores lambda para desportos motorizados

Os sensores de banda larga são frequentemente usados em motores desportivos, porque a mistura de ar-combustível tem ser controlada e ajustada com muita precisão, possivelmente afastada de lambda = 1 para garantir a máxima potência. 

Os sensores utilizados neste ambiente também têm que ser de uma construção particularmente robusta por causa das condições exigentes encontradas em aplicações de corrida. Por exemplo, o sensor tem que manter uma total precisão enquanto é exposto a longos períodos de temperaturas extremas de escape e níveis muito altos de vibração. Nenhuma destas condições deve danificar o sensor ou prejudicar os resultados de medição.

Instalação de um sensor lambda

Ao montar um sensor lambda, tem que se utilizar uma chave plana (tubo) ou uma boca de sensor lambda especial. As chaves de impacto nunca devem ser utilizadas, caso contrário podem causar danos no elemento sensor de cerâmica. 

Tem que se ter muito cuidado para se evitar torcer, prender ou de outro modo danificar o cabo. 

Os sensores lambda de qualidade de Equipamento Original (O.E.) estão prontos a instalar e oferecem vantagens significativas: Têm os comprimentos e dimensões de cabo precisos e são fornecidos completos com as fixações e ilhós necessários. Além disso, não existem quaisquer problemas de compatibilidade com que se deva preocupar sobre como tornar possível uma instalação sem problemas. 

Para tornar a instalação ainda mais fácil, os sensores lambda da NTK possuem um composto especial anti-adesivo benéfico para o sensor (sem silicone) aplicado nas roscas.

Desgaste e substituição

À medida que a idade e desgaste aumentam, o tempo de resposta do sensor lambda torna-se mais lento e o salto em tensão torna-se menor. 

Isto significa que: A unidade de controlo do motor não recebe o sinal a tempo ou o sinal é inutilizável. 

Se este for o caso, a unidade de controlo do motor muda para o “modo de emergência” e executa uma mistura rica como precaução. Desta forma, garante-se um nível aceitável de desempenho e os componentes são protegidos contra o sobreaquecimento. 

A desvantagem: O consumo de combustível aumenta consideravelmente e mais gases de escape nocivos são emitidos para o ambiente. 

Muitas vezes, esse tipo de defeito passa despercebido até à inspeção seguinte dos gases de escape. Na verdade, o motor queima mais combustível, desperdiçando dinheiro com cada quilómetro percorrido e polui o ambiente mais do que o necessário.

Animation

Teste de sensores lambda de comutação de zircónio

O teste com um osciloscópio é o método mais eficaz. Este mostra a tensão mínima e máxima, o tempo de resposta e a frequência. Ao realizar este teste, as especificações do fabricante têm que ser respeitadas. 

Procedimento de teste: 

• Levar o motor até à temperatura de funcionamento a 2.000 rot./min.
• Conectar o osciloscópio a uma linha de sinal sem desconectar o sensor da unidade de controlo do motor.
• Definir o intervalo de medição de 1-5 volts, tempo de 5-10 segundos (respeitar as especificações do fabricante).
• Se for o caso, ativar o reconhecimento automático de sinal. Um sensor que funcione corretamente varia entre 0,1 e 0,9 volts com uma frequência de 0,5 - 4 Hz.

Conselhos de diagnóstico

Uma inspeção visual fornece muitas vezes as pistas iniciais para uma possível avaria. Os pontos de inspeção para a oficina são: 

Valor de resistência do elemento de aquecimento: 

se está acima de 30 Ω, o sensor está com defeito. 

Cabos: 

estão partidos ou a vela está partida? 

O vedante do cabo está intacto? 

Apresenta humidade que tenha penetrado na vela? 

Os contactos das velas estão em boas condições? 

A passagem do cabo é muito apertada? 

Corpo de sensor: 

O sensor apresenta quaisquer danos visíveis? 

Cada tipo de veículo terá um tipo de sensor especificamente concebido e, portanto, é essencial que estes só sejam substituídos por sensores de especificação correspondente. 

É muito importante usar os catálogos NTK atuais para identificar o sensor de substituição correto para cada aplicação.