• Drano Rauteon

Como funciona a Sonda Lambda


Muito antes da invenção da injeção eletrônica, um cara chamado Walther Hermann Nernst (1864 ~ 1941) já havia criado sua teoria (Teoria de Nernst ~1899) explicando como transformar eventos físicos num valor de Tensão (Volts) ou Corrente elétrica (Amperes). Em 1976, a Bosch instalou num motor a combustão interna desenvolvido pela Volvo (utilizado primeiramente nos modelos de carros 240 e 260) este sistema de controle de emissões de poluentes, muito antes das normas sobre emissões criadas na Europa e no mundo.

Imagem 1: Sonda Lambda da marca Bosch


Nos motores controlados eletronicamente (injeção eletrônica), a Sonda Lambda compara o teor de Oxigênio nos gases de escape com o teor de Oxigênio da atmosfera para desta forma informar pro computador de injeção eletrônica se há muito ou pouco Oxigênio saindo pelo coletor de escape e, desta forma, calcular a estequiometria da mistura ar/combustível.


CURIOSIDADE: Nos veículos mais atuais (no Brasil, a partir de 2009) as leis sobre emissões de poluentes fizeram com que as fabricantes colocassem duas Sonda Lambda no coletor de escape: a sonda normal, antes do conversor catalítico, e uma Sonda após o conversor catalítico. Como o conversor catalítico, conhecido popularmente como catalisador, não possui nenhuma eletrônica, viu-se a necessidade de monitorar seu funcionamento, pois como todo equipamento ele tende a se desgastar, perder eficiência e parar de cumprir seu papel, que neste caso é converter os gases altamente poluentes que saem do motor em gases menos prejudiciais ao meio ambiente. O que o computador da injeção faz é comparar os valores de Tensão vindos das duas sondas (a pré e a pós catalisador). Caso as duas sondas estejam marcando valores iguais, isso pode significar num catalisador que chegou no fim da vida útil.

Imagem 2: Sonda pré e pós catalisador


A Sonda Lambda gera uma diferença de potencial (Tensão) na casa dos milivolts (mV) conforme o teor de Oxigênio presente nos gases do escapamento.

> Valores altos de Tensão significam que praticamente todo o oxigênio injetado na câmara de combustão foi consumido, restando quase nada nos gases de escape.

> Valores baixos de Tensão significam que o oxigênio está sendo injetado além do necessário para a queima do combustível, portanto ainda haverá oxigênio nos gases de escape.


A sonda informa ao computador da injeção eletrônica a quantidade de oxigênio que não foi queimado, e por sua vez, o módulo usa essa informação buscando a queima perfeita que seria (l=1) ou 450mV. Desta forma, a estequiometria perfeita é quando a Sonda Lambda gera um valor de 450 mV, porém este valor não é possível o tempo todo, pois a quantidade de combustível injetado depende muito da situação do motor, do efeito catalítico e outras situações que o motor é submetido, como por exemplo, nas acelerações e nas desacelerações, motor frio e quente, plena carga e etc.

Imagem 3: Gráfico da relação estequiométrica (A/F - Ar/Fuel) em relação a Tensão (em milivolts)


Observe os dois pontos destacados pelas letras "A" e "B":

A: Rica mistura, falta de Oxigênio;

B: Mistura pobre, excesso de Oxigênio.


Desta forma, resumidamente, o computador da injeção não utiliza os seus valores para cálculo nos seguintes casos:

> Na fase fria, pois a mistura deve ser rica (para que o motor aqueça mais rapidamente);

> Na aceleração rápida ou plena carga;

> Na desaceleração (cut-off) onde a mistura deve ser pobre.


CURIOSIDADE: No caso da fase fria, a quantidade de combustível injetada aumenta, e quando o motor atinge sua temperatura ideal de trabalho (que varia de projeto pra projeto), o sensor de temperatura (uma espécie de resistor, isto é, um Termistor NTC) informa pro computador da injeção um valor de tensão que representa a temperatura do motor, e desta forma, a quantidade de combustível injetada é reduzida para os valores normais, sendo a Sonda Lambda fundamental para acertar este valor. Um carro que está com defeito no Sensor Lambda vai ter problemas em acertar a estequiometria, vai perder desempenho e aumentar o consumo de combustível.

Para saber o que é um Termistor NTC, CLIQUE AQUI!


Para uma análise mais precisa do resultado da sonda, o veículo deve estar na temperatura ideal de trabalho e o motor em 2500 RPM constantes, então o valor (em milivolts) tem que oscilar rapidamente entre 50 a 900mV. Como margem de erro podemos considerar ±200mV.

É considerando aceitável entre: 200 a 700mV. Uma faixa de valores “mais estreita” do que esta é considerado baixa amplitude, sonda contaminada ou envelhecida. Nestes casos é necessário a substituição da peça.

Relação ideal: Ar/Combustível:

• Gasolina – 14.7:1 (Nos EUA)(14,7 partes de ar para 01 de combustível – gasolina).

• Gasolina – 11.5:1 (No Brasil)(11,5 partes de ar para 01 de combustível – gasolina com até 25% a 33% de Alcool Anidro).

• Álcool – 9.0:1(9,0 partes de ar para 01 de combustível - álcool).

• Diesel -15.2:1(15,2 partes de ar para 01 de combustível – diesel).

• GNV (Metano) – 16.9:1(16,9 partes de ar para 01 de combustível – GNV).


Imagem 4: Sonda Lambda Dedal e Planar


> Sonda do tipo Dedal (ou Finger): Primeiro modelo de sonda lançado (datado de 1975). Ele é composto de uma cerâmica feita de Dióxido de Zircônio envolta em uma camada de Platina microporosa tanto externa quanto internamente. Dentro do “Dedal” há uma amostra de oxigênio puro que serve como referência para o funcionamento do componente.

Imagem 5: Sonda Lambda Dedal. Lembrando que, em seu interior também existe um resistor de aquecimento


> Sonda do tipo Planar: Modelo mais atual e moderno. O início dos projetos começaram em 1990 e o primeiro veiculo a ser equipado com tal tecnologia é datado de 1994. O sensor Planar possui este nome pois é composto de lâminas compostas dos mesmo materiais (Dióxido de Zircônio, Platina microporosa e Oxigênio no interior) dispostas uma em cima da outra. Este sensor também possui um aquecedor resistivo em forma de lâmina.

Imagem 6: Sonda Lambda Planar. Observe que ela é composta por um "sanduíche" de lâminas.


Lembrando que, ambas são feitas de Dióxido de Zircônio, um material cerâmico recoberto interna e externamente de por Platina porosa. Uma Sonda Lambda tem sua precisão perfeita a partir de 300°C. Sua temperatura normal de funcionamento é na faixa dos 800°C. Mas a maioria delas pode trabalhar tranquilamente até os 1.500°C.

A principal vantagem da Planar em relação ao Sensor Lambda tipo “Dedal” é seu aquecimento muito mais eficaz durante a fase fria do motor. A Sonda Planar demora cerca de 8 a 10 segundos para superar os 300°C e passar a ter um sinal de precisão. Diferente das Sondas comuns, que mesmo com aquecedor levam 50 a 60 segundos para aquecer.


Diferente das Sondas Lambda Banda Larga, que veremos mais adiante, as Sondas Lambda do tipo Dedal e Planar não medem com exatidão se a mistura está pobre ou rica. Como vemos no gráfico da Imagem 3, o valor de tensão oscila bastante entre os 100 mV e os 900 mV, portanto em uma medição com osciloscópio ou scanner automotivo, o gráfico que se formará será semelhante ao da imagem abaixo:

Imagem 7: Gráfico com o sinal gerado pela Sonda Lambda

> Sensor Lambda – W: Aquecido pelo calor dos gases de escapamento. Possui versões com 01 fio (WOR) e versões com 02 fios (WORG);A primeira Sonda Lambda (meados de 1975) surgiu com seu polo negativo ligado diretamente na carcaça do componente. A Sonda possui uma rosca e é “parafusada” diretamente na estrutura do coletor de escape. Com o passar dos anos, notou-se que a ferrugem que se forma em todo o coletor de escape acabava gerando um mal contato com o sensor, fazendo ele perder seu contato com a massa e assim ocasionando falhas de leitura do teor de Oxigênio nos gases de escape. Então, em 1978, a Sonda Lambda ganhou um segundo fio, o fio pro terminal negativo, que era conectado em outro local, longe da ferrugem do coletor de escape.

> Sensor Lambda – R: Aquecido por uma resistência interna. Possui versões com 03 fios (WR) e versões com 04 fios (WRG). Como tudo na tecnologia, a sonda evoluiu mais uma vez. Como dito, na fase fria, o motor precisa de uma mistura mais rica (excesso de combustível) para aquecer mais rápido, e é nesta fase que o motor gera mais poluição, todavia o Sensor Lambda necessita estar numa temperatura acima de 300°C para informar valores de Tensão precisos. Então resolveu-se que havia necessidade de um “aquecedor” embutido no interior da Sonda para que ela atingisse sua temperatura nominal em menos de 1 minuto. É um aquecedor comum, que se utiliza da resistência elétrica para gerar calor. Este aquecedor pode ter resistência de 4Ω a 6Ω. Em alguns Toyota e Honda importados essa resistência pode ser de 13Ω. Nas Sondas Lambda tipo Planar a resistência varia entre 9Ω e 10Ω.


Este aquecedor está ligado ao relê da bomba de combustível. Quando você gira a chave na ignição, antes de dar a partida no motor, a bomba de combustível é ativada e pressuriza toda a linha de alimentação, do tanque até os bicos injetores. Além da bomba, o aquecedor passa a funcionar, agilizando todo o processo, pra quando der a partida no motor, a Sonda já estar em processo de aquecimento. Em muitos veículos com Sonda Lambda Planar, não há conexão alguma com o relé da bomba de combustível. É o próprio computador da injeção que gera um onda quadrada (PWM) numa determinada frequência oscilando entre 0 e 12 V durante uns 2 segundos após virar a chave na ignição. Esse sinal elétrico pulsante serve pra Sonda não aquecer de forma abrupta, o que pode ocasionar num choque térmico e em danos irreversíveis ao componente. Após os pequeno período de sinal pulsante, o aquecedor da Sonda volta a ser alimentado com Tensão contínua. Foi aí que as Sondas passaram a ter:

> 3 fios: Positivo da Sonda(1), positivo(2) e negativo(3) do aquecedor. O negativo da Sonda é ligado na carcaça do componente, não necessitando de fio;

> 4 fios: Positivo(1) e negativo (2) da Sonda, positivo(3) e negativo(4) do aquecedor.

Para entender melhor o funcionamento da Sonda, precisamos saber que a nossa atmosfera (o ar que respiramos) é composta por:

> Nitrogênio: 78,03%;

> Oxigênio: 20,99%;

> Argônio: 0,94%;

> Gás Carbônico: 0,03%;

> Hidrogênio: 0,01%.

Imagem 8: Sonda Lambda com sua estrutura interna exposta


O “coração” de um Sensor Lambda é um elemento em formato de dedal (sensor comum) ou um elemento Planar (um conjunto de Lâminas), constituído de Dióxido de Zircônio (um material cerâmico), coberto interna e externamente por uma fina camada de Platina microporosa.


CURIOSIDADE: Esse elemento é, na verdade, uma célula de Nernst. Quando o Dióxido de Zircônio é aquecido acima de 300°C, ele se torna um condutor elétrico, conduzindo íons de Oxigênio da camada de Platina (em contato com a atmosfera de referência), para a outra camada (em contato com os gases de escape). O sensor utiliza a atmosfera para fazer a medição, isto é, o ar que respiramos com os 20,99% de Oxigênio, que serve para criar uma referência e assim se ter a diferença de potencial com o teor de Oxigênio do coletor de escape. Para se lembrar o que é um Íon, CLIQUE AQUI!

> Mistura Rica: Se 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 negativo de Platina porosa e a Tensão gerada será relativamente alta (acima dos 450 mV);

> Mistura Pobre: Numa situação contrária, mistura POBRE, mais Oxigênio estará presente (não há combustível suficiente para queimá-lo todo) o que se traduz em mais Íons no eletrodo negativo de Platina porosa, causando menor potencial elétrico ou menor Tensão elétrica (abaixo de 450 mV).


Como você pode ver, nos acasos de mistura pobre ou rica, há sempre um pouco de Oxigênio que não é aproveitado e acaba saindo pelo cano de escape. Quando os átomos de Oxigênio de referência batem na superfície da Sonda Lambda, elas acabam se agrupando, se acumulando nesta superfície, na tentativa de ultrapassar a Platina microporosa e a cerâmica e atingir o Oxigênio que está passando pelo tubo de escape que está do outro lado. Como o sensor está a mais de 300°C, estes átomos de Oxigênio acabam liberando elétrons nesse processo, se tornando Íons positivos (Cátions) e sendo conduzidas ao polo negativo por meio do eletrólito de cerâmica.

> A camada de Platina microporosa externa (que está em contato direto com os gases do escape) é o eletrodo do polo negativo;

> A camada de Platina microporosa interna (que está em contato direto com o Oxigênio de referência) é o eletrodo do polo positivo.

Imagem 9: Funcionamento da Sonda Lambda


Como o Dióxido de Zircônio é um condutor em altíssimas temperaturas, ocorre um fluxo de elétrons entre o polo positivo e o negativo, gerando uma diferença de potencial elétrico (DDP). Quanto maior for a diferença de concentração de Oxigênio nos gases de escape e na atmosfera de referência, maior será a Tensão gerada entre os eletrodos de Platina.

Resumindo: A diferença entre o Oxigênio no coletor de escape e o Oxigênio de referência do interior da Sonda é que cria a diferença de potencial em milivolts. Por isso que, quando a mistura é pobre, a diferença de potencial (Tensão) entre os eletrodos é muito pequena devido a quantidade de Oxigênio no coletor de escape ser muito próxima da quantidade de Oxigênio de referência da Sonda.

Quando a mistura é rica, a DDP (Tensão) entre os eletrodos é mais alta devido a quantidade de Oxigênio no coletor de escape ser muito diferente da quantidade de Oxigênio de referência no interior da Sonda.


CURIOSIDADE: Nos veículos Diesel, a função da Sonda Lambda não é medir a mistura ar/combustível (se está rica ou pobre), mas sim medir o Óxido de Nitrogênio gerado na queima de combustível.


CURIOSIDADE: Nos veículos nacionais adaptados pra rodarem com GNV, há um emulador entre a Sonda Lambda e o computador da injeção. Isto ocorre pois o sistema tende a trabalhar com uma mistura mais rica de Ar/GNV pra compensar as diferenças entre os combustíveis (torque e potência gerada). Veículos produzidos fora do país, que possuem suporte ao GNV de fábrica, trazem um módulo de injeção que se adapta ao combustível e entende a mistura mais rica como “normal” quando abastecido com Gás.

A Sonda Lambda pode sofrer contaminação caso haja alguma anomalia no motor. Mistura muito rica pode resultar em combustível sendo jogado fora pelo coletor de escape. O combustível acaba impregnando no sensor, fazendo com que ele perca sua precisão. Partículas de Carbono também podem obstruir os poros da Platina.

Quando o líquido de arrefecimento está entrando diretamente na câmara de combustão ou está se misturando com o óleo lubrificante devido há uma junta de vedação rompida, também ocorre uma contaminação na Sonda. Quando é água ou aditivo de radiador o Sensor oxida (enferruja) e perde sua sensibilidade. Motores a combustão podem queimar até 1 litro de óleo a cada 1 mil km rodados, isso depende do projeto do motor e da legislação sobre emissões de poluentes em cada País. A Sonda Lambda consegue suportar tranquilamente esta contaminação por óleo ou de gases oriundos da queima do óleo. Caso a queima de óleo seja maior do que isso, o Sensor tende a perder sua sensibilidade e ter vida útil reduzida.

Imagem 10: Estrutura interna da Sonda Lambda


A fixação sextavada possui as seguintes especificações:

> Torque: 40 a 60 Nm (Newton metro);

> Chave sextavada 22 mm;

> Rosca: M18 x 1,5.

SENSOR LAMBDA BANDA LARGA (Wide-Band) : É a evolução do Sensor Planar. Pense: Se é possível aquecer uma Sonda Lambda, fazer passar Oxigênio por ela e gerar uma Tensão elétrica, também é possível aquecer uma Sonda, aplicar uma Tensão e gerar Oxigênio. Através disso foi possível criar uma espécie de “bomba de Oxigênio” no interior da Sonda, e que trabalha em conjunto com a atmosfera de referência para fazer a medição. Isso melhorou a precisão do sensor, que ganhou um segundo conjunto de lâminas do tipo Planar e mais 2 fios. As fabricantes também passaram a utilizar a Corrente Elétrica (em mA) ao invés da Tensão (em mV) gerada pelo sensor para efetuar os cálculos da injeção.

Imagem 11: Diagrama da Sonda Lambda Banda Larga


A bomba de Oxigênio que nos referimos é a "Célula de Injeção O²" da imagem acima. Se a mistura está RICA, é necessário injetar Oxigênio na Câmara de Difusão para que a estequiometria se torne ideal. Caso a mistura esteja POBRE, ocorre o contrário, isto é, a Célula de Injeção terá que retirar Oxigênio da mistura de gases que está chegando na Câmara de Difusão. Essa mistura RICA com Oxigênio injetado ou POBRE com Oxigênio retirado será lida pela Célula de Nernst, com seu eletrodo positivo na Atmosfera de Referência e seu eletrodo negativo na Cãmara de Difusão.

Perceba que o eletrodo negativo da Célula de Nernst está ligado ao eletrodo negativo da bomba de Oxigênio.

Resumidamente, a função da bomba de Oxigênio é retirar ou adicionar átomos de Oxigênio aos gases que entram na câmara de Difusão. Entre os dois eletrodos da Célula de Injeção há uma Tensão elétrica fornecida pelo ECU (computador da injeção eletrônica). Dessa aplicação de Tensão na bomba de Oxigênio, surge um corrente elétrica, medida em mA (miliampéres), chamada de "Corrente de Bombeamento". É esta corrente que servirá pra injeção eletrônica do veículo medir a estequiometria exata da mistura Ar/Combustível.

Trocando em miúdos, a Célula de Nernst verifica se a mistura está pobre ou rica e o valor de tensão serve para o computador de injeção eletrônica alimentar a bomba de Oxigênio que retirará ou adicionará átomos de Oxigênio nos gases de escape.

Mas como são geradas moléculas de Oxigênio na Bomba de Injeção?

Na mistura RICA, há poucos átomos de Oxigênio nos gases de escape, porém como no escapamento há outros gases sendo expelidos, há outras moléculas com átomos de Oxigênio em sua estrutura (por exemplo o CO²). Essas moléculas são decompostas quando é aplicado uma tensão elétrica entre o eletrodo positivo e o negativo da bomba de Oxigênio. No eletrodo positivo, esses átomos se transformam em Íons positivos e são atraídos pro eletrodo negativo, que está em contato com a Câmara de Difusão. Quando a mistura de gases está POBRE na Câmara de Difusão, ocorre o contrário, isto é, os átomos de Oxigênio saem da Câmara de Difusão através da Bomba de Injeção.

Imagem 12: Gráfico do sinal principal da Sonda, utilizado para cálculos no computador da injeção


Como é possível ver no gráfico acima, para uma mistura Estequiométrica, a Corrente de Bombeamento, descrita anteriormente, é nula. A medida que a mistura vai empobrecendo, a corrente elétrica sobe gradativamente. E para uma mistura rica, a corrente é negativa.


para encerrar este tópico, as sondas com bomba de oxigênio operam na faixa dos 750°C, portanto o resistor de aquecimento tem uma potência maior que as Sondas do tipo Dedal e Planar.


SENSOR LAMBDA A/F: Existem sensores de banda larga com apenas 4 fios, conhecidos como Sonda Lambda A/F, que se assemelham a um sensor Lambda Planar, possuem apenas os dois eletrodos da Célula de Nernst, porém integram uma bomba de Oxigênio que utilizam estes mesmo dois eletrodos. O funcionamento também se baseia no computador de injeção fazer a leitura da da Corrente ao invés da Tensão pra efetuar os cálculos. Seu diagrama pode ser visto abaixo:

Imagem 13: Diagrama da Sonda lambda A/F (Air/Fuel - Ar/Combustível)


Sondas A/F possuem um resistor de aquecimento na faixa dos 2Ω a 3Ω.


SONDA LAMBDA DE TITÂNIO: É um sensor feito de um semicondutor a base de Óxido de Titânio. É um sensor resistivo também dotado de um aquecedor interno, sendo a alimentação do sensor e do aquecedor ligadas no mesmo fio.

Especificações da Sonda Lambda de Titânio:

> Mistura Rica: 1 KΩ ;

> Mistura Pobre: 20 KΩ ;

> Com a variação de Resistência a tensão pode atingir valores entre 1.V e 5V;

> Resistência elétrica do aquecedor interno pode variar entre 7 a 10 Ohms, dependendo do modelo da Sonda.


Características externas:

> Chave sextavada 12 mm;

> Chicote elétrico com capa ou pelo menos 1 fio na cor vermelha;

> Fixação por meio de flange.


No Link abaixo, você confere uma tabela completa com os tipos de Sonda Lambda lançados desde 1975, suas características, circuitos e afins.

Tipos de Sonda Lambda
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PDF fornecido pela MTE Thomson

Este complexo Sensor é o nariz de um motor a combustão moderno, sendo de fundamental importância para a economia de combustível (seu bolso) e o controle de emissões de poluentes (sua saúde).

E assim concluímos mais um artigo do Hardware Central. Para mandar sugestões, reclamações, ideias, nos avisar de erros de gramática e afins, entre em contato pelo hardwarecentrallr@gmail.com



FONTES e CRÉDITOS


Texto: Leonardo Ritter

Imagens: MTE Thomson e Google Imagens

Fontes: MTE Thomson; Wikipedia (somente artigos com fontes verificadas).

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