Sensor de Oxigênio de Banda Larga baseado em célula Nernst

Célula de Nernst - O elemento principal dos sensores de O2 e de NOx é a célula de Nernst, formada por um elemento de óxido de zircônio e dois eletrodos de platina ou ródio, nas faces. O óxido de zircônio é uma cerâmica cuja característica é a condução de íons de oxigênio quando uma tensão é aplicada a alta temperatura. Ou seja, permite a passagem de uma corrente elétrica. Este é o princípio de funcionamento das células de injeção ou de bombeamento. 

Inversamente, uma corrente elétrica de íons de O2 circula quando há uma diferença de concentração de oxigênio entre as faces do elemento de zircônio. Este é o princípio de funcionamento das células de medição. As propriedades mencionadas se manifestam com a célula em torno dos 4000C.

Em função da alta temperatura e da ação catalítica dos eletrodos, as moléculas de O2 se dissociam em íons com carga negativa que atravessam o elemento de óxido de zircônio, formando novamente moléculas de oxigênio livre no lado oposto.

CÉLULA DE MEDIÇÃO

- Diferenças elevadas entre as concentrações de O2 na câmara de referência e nos gases de escape resultam numa alta condutividade do óxido de zircônio (circulação de alta taxa de íons de O2). Neste caso, a tensão entre os eletrodos atinge valores acima 500mV. Diferenças elevadas correspondem a gases de escape com baixo conteúdo de O2 (abaixo de 0,3%), resultantes da combustão de mistura rica.

- Diferenças menores resultam em condutividade menor e com isto, tensões da ordem de 100mV. Diferenças menores correspondem a gases de escape com alto conteúdo de O2 (acima de 2%) resultantes da combustão de mistura pobre.

- Concentrações da ordem de 0,3% a 2% provocam a variação da tensão entre 100mV e 900mV. 

Uma concentração próxima de 1% de O2 produz uma tensão de 450mV, aproximadamente.

CÉLULA DE INJEÇÃO OU DE BOMBEAMENTO

Nesta configuração (fig.2), íons de O2 se movimentam, gerando uma corrente elétrica em resposta a uma tensão aplicada entre os eletrodos. A corrente resulta proporcional à tensão aplicada. Desta forma, é possível controlar a densidade de moléculas de O2 na câmara do gás medido em função da tensão aplicada.  Para Vm=450mV, a concentração de O2 na câmara do gás medida corresponde àquela que resulta da combustão de mistura estequiométrica.

SENSOR DE OXIGÊNIO DE BANDA LARGA

Na literatura, o Sensor de Oxigênio de Banda Larga é identificado também pelas denominações de Sensor de Relação Ar/Combustível, WEGO ou Sensor A/F. 

Quando devidamente aquecido, este sensor é um gerador de tensão que apresenta uma curva de resposta quase linear para misturas com fator  entre 0,75 e 1,5, não apresentando variação brusca para  = 1. Ou seja, o sinal de saída é proporcional à concentração de O2, ainda que não de forma linear. Com o objetivo de ilustrar as diferentes respostas, a figura 3 mostra as curvas características do sensor de relação e do sensor de oxigênio (sonda Lambda), considerando que o combustível é gasolina, com relação ar/combustível ideal de 14,7:1.

- O sensor de O2 convencional tem uma resposta proporcional, numa faixa estreita da relação ar/combustível, de 14,5 a 15,0; isto para gasolina pura.

- O sensor de banda larga tem uma resposta proporcional, numa faixa mais ampla de relação ar/combustível (gasolina pura), de 11:1 a 23:1, ou seja, de  = 0,7 a 1,7, aproximadamente. Permite um controle preciso da mistura com resposta mais rápida. Com isto, durante as acelerações, o sistema permanece funcionando em malha fechada. Lembrar que nos sistemas que utilizam sonda Lambda, durante as acelerações, o funcionamento é em malha aberta. 

Entre as características relevantes do sensor de relação se destacam:

- É indispensável para o controle da relação ar/combustível nos motores que funcionam com mistura pobre e que trabalham na faixa de Lambda superior a 1,3.

- Em função da faixa de relação ar/combustível suportada pelo sensor, a UC consegue manter o controle preciso da mistura tanto durante o funcionamento normal como sob a condição de mistura pobre.

- A célula de injeção é externa, em contato com os gases de escape. A célula de medição é interna, em contato com o ambiente.

- Utiliza tecnologia “planar”, em que o aquecedor está integrado ao substrato do sensor e a câmara de difusão está aberta aos gases de escape. (figura 4)

A título de exemplo, a figura 5 mostra a constituição interna do sensor Bosch LSU. Os gases de escape entram na câmara de difusão através de um pequeno orifício (figura 4). A célula de injeção pode tanto retirar da câmara de difusão, como injetar nela, oxigênio proveniente dos gases de escape. Este processo depende do sentido da corrente Ip. 

Quando o sentido é positivo, oxigênio é retirado da câmara; quando o sentido é negativo, oxigênio é injetado na câmara. Observar que o sentido da corrente Ip é sempre, o inverso do fluxo de íons negativos de oxigênio.

O sensor de O2 de banda larga opera em torno de 6500C. Esta alta temperatura favorece a mobilidade dos íons e a reação catalítica (que gera os íons dissociando as moléculas de oxigênio) que se processa na superfície do eletrodo de platina em contato com os gases de escape. 

FUNCIONAMENTO

O controle do sentido e intensidade da corrente Ip é feito pela UC que constantemente compara a tensão Vm, gerada pela célula de medição, com um valor de referência de 0,45V, correspondente à tensão gerada por uma célula de Nernst, para mistura estequiométrica. 

Ou seja, o circuito de controle da corrente Ip opera de forma a manter a condição estequiométrica dentro da câmara de difusão, independentemente da relação ar/combustível dos gases de escape. 

O valor da corrente Ip depende de quão afastada da estequiométrica estiver a mistura admitida. Quanto mais rica ou pobre a mistura, maior será a intensidade da corrente positiva ou negativa.

A OPERAÇÃO DO CONJUNTO É A SEGUINTE:

- Com gases de escape resultantes da combustão de mistura rica, a câmara de difusão adquire um teor levemente rico; como conseqüência, aumenta a tensão Vm medida pela célula de medição. Na UC, um circuito comparador compara a tensão Vm, com 0,45V, e faz negativo o sentido da corrente Ip, com o objetivo de injetar O2 na célula de difusão.

O oxigênio necessário é gerado por uma reação eletroquímica que se processa na superfície do eletrodo de platina (lado do escape) que dissocia o monóxido de carbono (CO) e a água (H2O), resultantes da combustão de mistura rica. O oxigênio injetado reage com o HC e CO presentes na câmara de difusão e restabelece a condição estequiométrica dentro dela. 

- Com gases de escape resultantes da combustão de mistura pobre, a câmara de difusão adquire um teor levemente pobre; como conseqüência, diminui a tensão medida pela célula de medição. Na UC, o circuito comparador compara a tensão Vm, com 0,45V, e faz o sentido da corrente Ip positivo com o objetivo de retirar oxigênio da câmara de difusão.

- Com gases de escape resultantes da combustão de mistura estequiométrica. Nesta situação, a tensão Vm é 0,45V, pelo que não há necessidade da injeção ou retirada de oxigênio para manter a câmara na condição estequiométrica. Portanto, Ip = 0. 

Observar que o processo acima descrito é contínuo. Ou seja, dentro da câmara, oxigênio é injetado ou retirado na medida em que os gases de escape vão se renovando dentro dela.

Incorporado ao conector de seis terminais do sensor existe um resistor de calibração (Rcal) utilizado para compensar tolerâncias de fabricação.

O seu valor está na faixa de 30 a 300 ohms, e é ajustado individualmente para cada sensor. 

CONTROLE DO AQUECEDOR

A UC é responsável também pelo controle do aquecedor. A temperatura de operação é um fator importante para o funcionamento e precisão do sensor. É mantida em torno dos 6500C, através de um sinal PWM (ciclo de trabalho variável) com freqüência de 30 Hz.

O mecanismo de controle se baseia no fato que a resistência interna da célula de medição é inversamente proporcional à temperatura à qual é submetida. Um circuito interno à UC monitora constantemente essa resistência, cujo valor é utilizado para modificar o ciclo de trabalho do sinal PWM. Assim, um aumento no valor de resistência é indicação de diminuição da temperatura. Como resultado, aumenta o ciclo de trabalho do sinal e conseqüentemente, a tensão média aplicada ao aquecedor, o que provoca o retorno da temperatura ao valor nominal de operação.