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Sensores de Oxigênio – como funcionam e a sua importância na eletrônica do motor


Inicialmente 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

Por: Humberto Manavella - 13 de agosto de 2020

A presente matéria tem por objetivo apresentar um resumo com a funcionalidade dos sensores utilizados atualmente, deixando de lado, aqueles mais antigos.

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 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

A figura 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, 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 medido corresponde àquela que resulta da combustão de mistura estequiométrica.

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 :

 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.

⦁ 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 300 0C, 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. 

Com temperatura inferior a 300 0C, a sonda se comporta como um circuito aberto (resistência infinita).

Tipos

 As sondas de zircônio podem ser de 2 tipos: “aquecidas” e “não aquecidas”, estas últimas não mais utilizadas.

- Aquecidas: 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

Na terminologia padronizada OBD II são identificadas com a sigla HO2S.

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. 

Sensor de Oxigênio de Banda Larga

Este item analisa o funcionamento do Sensor de Relação Ar/Combustível. Seu uso é indispensável nos sistemas de pós-tratamento diesel (Proconve 7) e nos motores de ciclo Otto que funcionam com “combustão de mistura pobre”. Para uma melhor compreensão é recomendável rever os conceitos relativos ao funcionamento da célula de Nernst.

Na literatura, o Sensor de Relação Ar/Combustível é identificado, também, com a denominação de Sensor de Oxigênio de Banda Larga 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 abaixo 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 (sonda Lambda) 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 permaneça 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.

Como foi analisado, a célula de Nernst pode funcionar como um sensor não linear, da concentração de oxigênio ou pode ser utilizada para provocar um fluxo de íons, independentemente da concentração de oxigênio. Na sua utilização no sensor de relação ar/combustível, a célula de Nernst tem as funções de "célula de medição" ou "elemento sensor" e de "célula de injeção de O2" ou "elemento de controle" do sensor. Das funcionalidades apresentadas das células de Nernst, conclui-se:

Assim como uma diferença de concentração de O2, entre o ar ambiente e os gases de escape, produz uma tensão entre os eletrodos da célula, uma tensão aplicada, provoca o transporte (injeção) de íons de oxigênio entre os mesmos, gerando uma corrente elétrica. O sentido dessa corrente depende da polaridade da tensão aplicada.

A associação de uma célula de injeção com uma célula de medição constitui o Sensor de Relação Ar/Combustível ou Sensor de O2 de Banda Larga de 2 células.

Estes sensores podem ser: com câmara de difusão isolada (LAF) ou com câmara de difusão aberta (WEGO-WRAF). A seguir será abordada a funcionalidade do sensor com câmara de difusão aberta.

Com Câmara de Difusão Aberta - WEGO - WRAF

A constituição interna é similar à do sensor LAF. As diferenças residem em que no sensor WEGO:

- A célula de injeção é externa, em contato com os gases de escape.

- A célula de medição (Nernst) é interna, em contato com o ambiente.

- A câmara de difusão está aberta aos gases de escape.

Assim, nesta configuração os gases de escape entram na câmara de difusão através de um pequeno orifício. 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 positivo, oxigênio é retirado da câmara; quando 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 650OC. 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

A figura apresenta um esquemático de conexão do sensor à UC. O controle do sentido e intensidade da corrente Ip é feito por um circuito interno da UC que, constantemente, compara a tensão Vm, gerada pela célula de medição ou de sensoriamento, com o valor Vref = 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 o 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 resultado, aumenta a tensão medida pela célula de medição. Na UC, a tensão Vm é comparada com Vref e faz negativo o sentido da corrente Ip, com o objetivo de injetar O2. O oxigênio necessário (escape rico não contém oxigênio) é gerado por uma reação eletroquímica que se processa numa fina camada 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 resultado, diminui a tensão medida pela célula de medição. Na UC, a tensão Vm é comparada com Vref 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. 

O processo acima descrito é contínuo. 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 6 terminais do sensor existe um resistor de calibração (Rcal) utilizado para compensar tolerâncias de fabricação. O seu valor é ajustado individualmente para cada sensor. 

Controle do Aquecedor

A temperatura de operação é um fator importante para o funcionamento e precisão do sensor. É mantida, pela UC, em torno dos 650OC, através de um sinal de ciclo de trabalho variável com frequência de 30 Hz.

O mecanismo de controle se baseia em que a resistência interna da célula de medição é inversamente proporcional à temperatura à qual é submetida. A 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 como resultado, a tensão média aplicada ao aquecedor, o que provoca o retorno da temperatura ao valor nominal de operação.