Sonda lambda binar (senzorul de oxigen benzin) - mod de funcionare i diagnoz

Normele de poluare, fie ca sunt europene (Euro), americane (Tier) sau japoneze (Japan) impun productorilor de autovehiculeemisii poluantetot mai reduse. De asemenea, n marile aglomerri urbane, nivelul emisiilor automobilelor are o importan mult mai mare deoarece afecteaz direct sntatea locuitorilor.

Sonda lambda(numit isondasausenzorul de oxigen) are o importan deosebit relativ la reducerea emisiilor poluante de pe automobile. Produs al companiei Bosch, sonda lambda a fost utilizat pentru prima oara alturi de uncatalizatorpe un automobil Volvo la sfritul anilor 1970. Dezvoltarea i proiectarea sondei a fost nceputa n timpul anilor 1960 sub supravegherea dr. Gunter Bauman, n cadrul companiei Robert Bosch GmbH.

Foto:Sonda lambda - senzorul de oxigenSursa: BoschAplicaiile principale ale sondei lambda sunt motoarele pe benzin. Sonda se utilizeaz i pe motoarele diesel dar mult mai restrns. Motivul este acela ca motoarele pe benzina funcioneaz n jurul amestecului stoichiometric n timp ce motoarele diesel funcioneaz cu amestecuri srace.Emisiile poluante ale automobilelornainte de a explica modul de lucru al sondei lambda trebuie s avem o imagine clar a emisiilor poluante de pe automobile. Principalele emisii poluante ale automobilelor sunt: monoxidul de carbon CO; oxizii de azot NOx; hidrocarburile HC; particulele PM.Cea mai des utilizat metod de a reduceemisiile poluantede pe un automobile este catalizatorul. n cazul n care catalizatorul reduce proporiile de CO, NOx i HC din gazele de evacuare, acesta se numete catalizator pe trei ci. Orice sistem de post tratare a emisiilor poluante al unui automobil, ce utilizeaz uncatalizator, are n componenta i osond lambda. Eficacitatea catalizatorului depinde n ntregime de buna funcionare a sondei lambda.Amestecul stoichiometricPentru a asigura arderea complet a combustibilului din motor (benzin sau motorin) este nevoie de o anumita cantitate de oxigen deci de o anumita cantitate de aer. Astfel, pentru a arde complet 1 kg de benzin avem nevoie de aproximativ 14.7 kg de aer. Dac acest raport se pstreaz (14.7:1) i n cilindru putem spune c amestecul din cilindru estestoichiometric. Notaia utilizat n literatura de specialitate, pentru evalua raportul aer:combustibil din motor, este litera greceasca lambda (). Relativ la tipul amestecului aer-combustibil din motor putem avea urmatoarele situaii: amestec bogat( < 1): n acest caz combustibilul este n exces, aerul nefiind suficient pentru o ardere complet; amestec stoichiometric( = 1): n acest caz raportul aer-combustibil este ideal arderea fiind complet; amestec srac( > 1): n acest caz aerul este n exces, arderea fiind complet dar cu exces de oxigen;Rolul sondei lambdaTipul amestecului aer-combustibil, bogat sau srac, influeneaz n mod direct nivelulemisiilor poluante. Astfel n caz unui amestec bogat, combustibilul fiind n exces, arderea este parial, rezult emisii bogate n monoxid de carbon (CO) i hidrocarburi (HC). n cazul amestecurilor srace, oxigenul fiind n exces, conduce la creterea nivelului de oxizi de azot (NOx) din gazele de eapament. Compromisul este fcut n cazul amestecului stoichiometric, caz n care emisiile sunt la un nivel mediu pentru fiecare din cele trei componente (CO, HC i NOx).

Foto: Nivelul emisiilor poluante ale unui automobil n funcie de tipul amestecului aer-combustibila. fr catalizatorb. cu catalizatorEficacitateacatalizatoruluieste maxim atunci cnd amestecul aer-combustibil este stoichiometric. Rolul sondei lambda este de a informacalculatorul de injeciecare este starea amestecului aer-combustibil. Pe baza informaie primite de la sond calculatorul va ajusta injecia de combustibil astfel nct amestecul s se menin n jurul valorii stoichiometrice.

Foto: Controlul n bucla nchis al injeciei de combustibil.Sursa: Wikimedia Commons Schema de principiu a controlului amestecului aer-combustibil n jurul valorii stoichiometrice se compune din:1. senzorul de mas de aer2. catalizatorulprimar3. catalizatorulsecundar4. injectoarele de combustibil5. sonda lambda amonte6. sonda lambda aval7. circuitul de alimentare cu combustibil8. galeria de admisie9. galeria de evacuareECUcalculatorul de injecieUtiliznd informaia de la senzorul de mas de aer, calculatorul de injecie ajusteaz timpul de deschidere al injectoarelor reglnd astfel cantitatea de combustibil injectat. Acest mod de control al injecie se numete control nbucla nchis(closed loop control) i se bazeaz pe informaia primit de la senzori.A doua sond lambda, de dup catalizator, are rolul de a monitoriza activitatea catalizatorului, pentru a ne asigura c acesta funcioneaz n parametrii normali. Cu alte cuvinte rolul sondei lambda n aval de catalizator este de adiagnostica funcionarea catalizatorului.Modul de funcionare al unei sonde lambdan echiparea automobilelor de serie exista mai multe tipuri de sonde lambda. Un criteriu de clasificare ine cont de principiul de funcionare i de numrul de conexiuni electrice.Astfel, dac le clasificam dup principiul de funcionare, distingem: sonde lambda binare cu zirconiu; cu titan; sonde lambda liniare Sonde lambda binare cu zirconiuAcestea sunt primele tipuri de sonde lambda utilizate n industria automobilelor. Principiul de funcionare se bazeaz pe modul de funcionare al unei celule de combustie (fuel cell), numitacelul Nernst. Acest tip de sond lambda este de tipul senzorului generator, senzor care produce o tensiune electric fr s fie alimentat la o sursa de tensiune exterioar. Tensiunea electric generat de sond este produs de diferena de molecule de oxigen din gazele de eapament i aerul atmosferic.

Foto: Seciune longitudinala printr-o sond lambdaSonda lambda se conecteaz pegaleria de evacuare(1) prin intermediulcarcasei cu filet(2). n interiorultubului de protecie(3) se gsetecorpul ceramic din dioxid de zirconiu(4). Acesta este nvelit cudoi electrozi(5), unul n contact cu gazele de evacuare iar cel de-al doilea cu aerul atmosferic. De reinut c electrodul care este n contact cu gazele de evacuare este acoperit de un material ceramic poros care permite ptrunderea gazelor i n acelai timp protejeaz suprafaa electrodului de coroziune.Carcasa de protecie(6) conineorificii(8) care au rolul de a permite aerului atmosferic s intre n contact cu unul dintre electrozi.Arcul(7) asigura contactul ntreconectorul(9) i electrod.

Foto: Sonda lambda - componenten funcie de cantitatea de oxigen din evacuare sonda lambda genereaz o tensiune care semnaleaz calculatorului de injecie dac amestecul este srac sau bogat. Astfel dacamestecul este bogat( < 1) atunci n gazele de eapament se afl o cantitate foarte mic de oxigen. n acest caz sonda lambda va genera o tensiune de aproximativ0.8 ... 0.9 V. n cazul n careamestecul este srac( > 1) oxigenul se va gsi n cantitate mare n gazele de evacuare, diferena de molecule de oxigen fiind mic tensiunea generat va fi de ordinul0.1 ... 0.2 V. Cu cat diferena dintre moleculele de oxigen este mai mare, ntre gazele de eapament i aerul atmosferic, tensiunea generat de sonda lambda este mai mare.

Foto: Principiul de funcionare al sondei lambdaIonii oxigenul din gazele de evacuare sunt condui prin intermediul dioxidului de zirconiu ctre electrodul n contact cu aerul atmosferic. Se creeaz astfel odiferen de potenial ntre electrod i mas(galeria de evacuare) care este citit i interpretat decalculatorul de injecie. n cazul n care amestecul este bogat (aprox. 0.9 V) calculatorul de injecie va aplica corecii, ceea ce va conduce la o srcire a amestecului (aprox. 0.2 V). Rezult c tensiunea de ieire a sondei lambda va avea un salt de la 0.9 la 0.1 V sau de la amestec bogat la amestec srac.

Foto: Nivelul tensiuni generate de senzorul de oxigen n funcie de tipul amestecului aer-combustibilDenumirea desond binarvine de la faptul c sonda identific doar dou stri ale amestecului,bogatsausrac, fr a putea determina care este nivelul exact de mbogire sau srcire. Un dezavantaj al sondei lambda este acela c funcioneaz numai la temperaturi n jur de 350 C. Din acest motiv controlul mbogirii amestecului nu funcioneaza exact din momentul demarrii motorului, ci numai dup ce temperatura sondei a ajuns la valoarea nominal. Acest mod de funcionare este n defavoarea reducerii nivelului deemisii poluante. Astfel, pentru a minimiza timpul de inactivitate al sondei lambda toate versiunile curente sunt prevazute cu orezisten electric de nclzire.

Foto: Conexiunea electrica a unei sonde lambda cu un singur firSonda lambda cu trei sau patru fire

Foto: Conexiunea electrica a unei sonde lambda cu trei sau patru fire.Diagnosticarea sondei lambdan funcie de tipul amestecului aer-combustibil, bogat sau srac, sonda lambda genereaz o tensiune ce are forma semnalului similara cu osinusoid.

Foto: Tensiunea generat de o sond lambda binarOdat ce senzorul a ajuns la temperatura nominal de funcionare (aprox. 350 C), pentru o turaie amotorului termicn jur de 2000 rot/min, tensiunea generat de sonda lambda ar trebui s sa situeze n intervalul 0.2 ... 0.9 V. Trecerea de la tensiunea de 0.2 V la 0.9 V ar trebui s se produc n aproximativ 0.3 secunde (durata tranziiei). Diferena de tensiune dintre amestecul bogat i srac ar trebui sa se situeze n jurul valorii de 0.45 V. Perioada semnalului trebuie s se ncadreze ntre 0.7 i 1 secunde n cazul n care sonda lambda funcioneaz la parametrii nominali.

Foto: Semnalul sondei lambda n cazul unei funcionri defectuoasen cazul n care perioada semnalului este mai mare dect valorile recomandate, sonda ar trebui examinat n detaliu i nlocuit dac este cazul. O reacie mai lent din partea sondei conduce la concluzia c aceasta prezint defecte sau este mbtrnit, ne mai fiind funcional la parametrii nominali.Configuraiile care conin dou sonde lambda sunt utilizate pentru a monitoriza eficienacatalizatorului.Implementarea celui de-al doilea senzor s-a fcut datorit normelorOBD 2care cer ca fiecare component care este implicat direct n reducerea emisiilor poluante s fie diagnosticat. n cazul n care catalizatorul funcioneaz corect tensiunea sondei lambda de dup catalizator (aval) are amplitudinea mai mic, aceeai frecven i faza cu tensiunea sondei dinainte de catalizator (amonte).

Foto: Semnalul sondei lambda dup catalizator funcionare corectDiferena de tensiune dintre sonda lambda din amonte i cea din aval ajut ladiagnosticarea catalizatorului. Este mai puin probabil ca sonda de dupcatalizatorsa se defecteze (datorit mbatrnirii) deoarece este supus unor regimuri termice mai sczute. Din acesta cauza calculatorul de injecie utilizeaz tensiunea produs de sonda de dup catalizator pentru a compensa abaterile de la parametrii nominali ale primei sonde. Performana sondei lambda este monitorizat de calculatorul de injecie utiliznd urmtorii parametrii: tensiunea de ieire; scurt circuitele; rezistena intern; viteza de trecere de la amestec bogat la amestec srac; viteza de trecere de la amestec srac la amestec bogat;n cazuldefectrii sondei lambdaamestecul aer-combustibil va fi neechilibrat,consumulde combustibil vacrete,emisiilede fum se vorintensificaiarperformaneleautomobilului vor fidiminuate.Sonda lambdaeste un element cheie n funcionarea optim a motorului, defectarea sau ncercarea de eliminare a acesteia din sistem va conduce la declanarea modului de funcionare nregim de avarie al motorului, cu consecine negative asupra consumului i a performanelor.