Técnicas - Humberto Manavella

Sonda lambda, Sensor de oxigênio, Sensor de O2, Sensor EGO, Sensor HEGO – Parte 1

Este nomes revelam um componente que indica a presença de oxigênio nos gases de escape, gerando um sinal que é enviado ao sistema de injeção para controlar a quantidade de combustível consumido no motor

Nesta primeira parte será apresentado o princípio de funcionamento da célula de Nernst, conceito necessário à compreensão da operação do sensor de O2 de banda estreita, do sensor de O2 de banda larga e do sensor de NOx.
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, que 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 400OC.

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

Figura 1

A figura 1 apresenta a configuração básica de uma célula de Nernst de medição. Uma tensão ou diferença de potencial é gerada em resposta a uma diferença de concentração de O2 dentro (câmara de referência) e fora da célula de Nernst. Conhecendo a densidade de O2 em uma das suas faces é possível medir a existente na outra.

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

Figura 2

Sensor de Oxigênio de Banda Estreita

O sensor de oxigênio de banda estreita ou sonda Lambda tem como função detectar a presença ou não de oxigênio nos gases de escape e pode estar instalado: (figura 3).

1. Antes do catalisador (sonda lambda pré-catalisador; posição [1]): Utilizado para o controle da mistura.

2. Depois do catalisador (sonda pós-catalisador; posição [2]): Utilizado para avaliar a eficiência do catalisador. Este sensor é obrigatório nos sistemas que aderem ao padrão OBD II.

A sonda Lambda foi desenvolvida pela Bosch e aplicada pela primeira vez em 1976, em veículos Volvo. A sonda Lambda pode ser de 2 tipos segundo o elemento ativo: 1- Sensor de zircônio, 2- Sensor de titânio (não mais utilizado)

Figura 3

Sonda Lambda de Zircônio - É o tipo mais difundido atualmente. É basicamente uma célula de Nernst constituída de um elemento de cerâmica (óxido de zircônio) em forma de “dedal”. 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 (21% de oxigênio) e a externa, com os gases de escape.

Funcionamento: Acima de 3000C, o elemento de cerâmica se transforma em uma “pilha”, cuja tensão depende da diferença de concentração de oxigênio entre a face interna e externa do elemento de cerâmica.

- Gases com concentração inferior a 0,3% → tensão > 0,8 volts

- Gases com concentração superior a 0,5% → tensão < 0,2 volts

A variação de tensão é mais ou menos abrupta para lambda =1. (figura 4)

Com temperatura inferior a 3000C, a sonda se comporta como um circuito aberto (resistência infinita).

Figura 4

Tipos: As sondas de zircônio podem ser de 2 tipos:

- Aquecidas (figura 5): identificadas com a sigla HEGO, possuem um resistor PTC interno que provoca a entrada em funcionamento independente da temperatura dos gases. Podem ser:

De 3 fios: 2 fios para alimentação do aquecedor; 1 fio para o sinal; o retorno do sinal é feito através do chassi

De 4 fios: 2 fios para alimentação do aquecedor; os outros 2 para o sinal e o retorno de sinal; este último, geralmente, está isolado da carcaça.

Identificadas também com a sigla HO2S (terminologia padronizada OBD II para identificar o sensor de oxigênio aquecido, segundo norma SAE J1930).

- Sem aquecimento (não mais utilizadas): Foram as primeiras a serem aplicadas; identificadas com a sigla EGO, não possuem o mencionado resistor e a entrada em funcionamento (temperatura superior a 300 0C) depende do aquecimento provocado pelos gases de escape. A sua constituição é similar àquela da sonda aquecida.

Interface com a unidade de comando – Sensor de Zircônio

Quando a sonda está ligada à unidade de comando e inoperante (fria), podem se apresentar duas situações, dependendo do circuito de entrada da unidade de comando:

a) O sinal assume um valor de tensão de aproximadamente 0 volts. Este era o caso do sistema EEC-IV.

b) O circuito de entrada na unidade de comando impõe um valor de tensão de aproximadamente 0,45 volts. Este é o caso de todos os sistemas atuais.

Portanto, um valor de tensão constante no sinal, como os indicados acima e com motor aquecido, é indicação de sonda inoperante, seja por não estar aquecida, seja por defeito.

Figura 5

Sonda Lambda de Titânio - São mais frágeis que as sondas de zircônio e o sinal de saída é muito dependente da tensão de alimentação. Presentes em veículos Chrysler (Jeep) de início dos anos 90, não são mais utilizadas. Esta sonda é constituída de material semicondutor (óxido de titânio), que 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 lâmina de cerâmica que, por sua vez, é aquecida por uma camada resistiva (PTC).

Funcionamento: A presença de oxigênio bloqueia mais ou menos a passagem de elétrons pela camada de titânio, modificando-se deste modo, a resistência do material. Assim, o óxido funciona como um resistor variável, controlado pela concentração de oxigênio.

Este tipo de sonda não é um gerador de tensão (como no caso da sonda de zircônio); só sua resistência se modifica.

Outra característica importante é que não requer uma referência de oxigênio pelo que, apresentava vantagens na sua utilização em veículos fora de estrada.

Com relação a sua resistência, o sensor de titânio apresenta a seguinte característica:

- Ausência de oxigênio (mistura rica): resistência inferior a 1 Kohms;

- Presença de oxigênio (mistura pobre): resistência superior a 20 Kohms.

Esta variação de resistência é mais ou menos abrupta para lambda = 1.

Interface com a unidade de comando – Sensor de Titânio

O circuito de entrada é similar àquele utilizado nos sensores de temperatura, ou seja, possui alimentação através de resistor interno na unidade de comando e existem duas configurações:

- Sonda conectada a uma tensão positiva, que pode ser uma referência de 1V ou 5V;

- Sonda conectada à massa.

Dependendo da conexão elétrica utilizada, a característica do sinal resulta similar à da sonda de zircônio (tensão baixa = mistura pobre, tensão alta = mistura rica) como mostrado na figura 6, ou justamente a oposta, como mostrado na figura 7 ao lado.

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