Universidade Federal de Minas GeraisEscola de Engenharia da UFMG

Sistema de Injeção Eletrônica

Sensor de Oxigênio (Sonda Lambda)

Professor: José Maria Galvez

Belo HorizonteJulho/2011

Equipe:Filipe Lage Garcia 2010017263

Sistema de Injeção Eletrônica – Sensor de Oxigênio

Trabalho apresentado para avaliação na disciplina Introdução à Mecatrônica do Curso de Engenharia Mecânica da Escola de Engenharia da Universidade de Minas Gerais.

Prof. José Maria Galvez

Sumário:

1. Introdução2. Sensores de Oxigênio

2.1. Localização2.2. Funcionamento

2.2.1. Funcionamento (movimentação iônica)2.3. Tipos de sensores

2.3.1. Classificação pelo número de fios2.3.2. Classificação pelo elemento ativo2.3.3. Classificação pela banda do sensor2.3.4. Classificação Planar ou Convencional (Finger)

2.4. Efeitos das alterações climáticas na quantidade de ar admitido3. Evolução dos Sensores de Oxigênio4. Outros usos para sensores de oxigênio5. Falhas comuns dos sistemas6. Principais fabricantes7. Conclusão8. Referências Bibliográficas9. Anexos

1. Introdução

Com a rápida evolução dos motores dos automóveis, o sistema de carburador começou a não conseguir suprir as necessidades dos novos veículos, no que se refere à emissão de gases, economia de combustível, potência, respostas rápidas nas acelerações, etc. Para que o motor tenha um funcionamento suave, econômico e não contamine o meio ambiente, ele necessita receber uma mistura ar/combustível perfeita, em todas as faixas de rotação. Um carburador, por melhor que seja e por melhor que esteja sua regulagem, não consegue proporcionar alimentação nessa proporção ideal de mistura.

Os sistemas de injeção eletrônica permitem que o motor receba somente o volume de combustível que ele necessita. Esse controle de mistura é feito basicamente por diversos sensores e atuadores. Entre eles há sensores de admissão de ar, controladores de entrada de ar e combustível, o sensor de oxigênio e etc.

O sensor de oxigênio (Sonda Lambda) detecta continuamente o teor de oxigênio no gás de escape e informa a ECU (Unidade de Controle Eletrônico) sobre a condição de mistura ar/combustível do veículo. A ECU utiliza esta informação para decidir se é necessário alterar a mistura para atingir estreita faixa próxima ao ponto estequiométrico ( =1). Isto é conhecido como controle realimentado (closed-loop), pois o sinal de saída do sensor realimenta o controlador (ECU) que pode então controlar corretamente o sistema de mistura ar/combustível, proporcionando uma ótima e eficiente conversão catalítica e reduzindo em consequência a emissão de poluentes. O sensor de oxigênio também pode ser conhecido pelo nome “Sonda Lambda”, que é usada para descrever o volume de ar na mistura ar-combustível.Em 1976, a invenção e o uso das sondas Lambda transformaram catalisadores não controlados em catalisadores de três vias controlados. A nova tecnologia obteve sucesso da noite para o dia, primeiro nos EUA e depois na Europa.

Figura 1: Diagrama do funcionamento da sonda de oxigênio

Os sistemas de injeção eletrônica possibilitam:

• Menor emissão de poluentes;• Maior economia;• Melhor rendimento do motor;• Partidas mais rápidas;• Dispensa utilização do afogador;• Melhor aproveitamento do combustível.

2. Sensor de Oxigênio (Sonda Lambda)

Figura 2: Sondas Lambdas

Os sensores de queima de combustível além de servirem para economia de combustível, também ajudam a prevenir danos ao veículo, por exemplo: uma mistura pobre pode gerar uma queima prematura na câmara de combustão, o que pode sobreaquecer o motor e danificá-lo. Enquanto que uma mistura rica pode danificar o catalizador devido as grandes emissões de hidrocarbonetos e monóxidos de carbono.

2.1 Localização

Figura 3: Sensor de Oxigênio Localizado no sistema de exaustão de gases

O sensor de oxigênio é inserido no processo de descarga de gases para então poder medir a quantidade de oxigênio resultante da queima. Sua localização exata no sistema exaustor pode ter uma localização variável, dependendo do tipo de sensor:

2.1.1 Sensor sem resistência

O sensor sem resistência normalmente é localizado o mais próximo possível do motor, já que é necessária uma temperatura de 300ºC para que ele opere, buscando então uma maior absorção de calor provenientes dos gases de escapamento para que a sonda possa funcionar.

2.1.2 Sensor com resistência

O sensor sem resistência normalmente é localizado antes do catalizador, para que se possa obter a mistura mais estequiométrica possível. Dessa forma evita-se o desgaste do catalisador (o que ocorre quando a mistura é rica ou pobre).

2.2 Funcionamento

Figura 4: Diagrama do funcionamento da sonda de oxigênio

Após a queima de combustível, seus gases resultantes têm a sua taxa de oxigênio medida pela sonda lambda. Uma parte da sonda fica em contato com os gases e a outra permanece exposta ao ar do ambiente. A sonda compara a quantidade de oxigênio nesses dois meios através da voltagem gerada por um processo semelhante a uma pilha (usando íons de oxigênio). Quando a sonda lambda detecta excesso ou falta de combustível na mistura, ela envia um sinal para que a unidade de controle regule a quantidade de combustível injetado no próximo ciclo, funcionando dessa forma em closed-loop (malha fechada) (diagrama acima). No entanto, enquanto a sonda não está em temperatura de funcionamento (300ºC) a unidade de controle ignora o sinal da sonda lambda e passa a usar a memória para calcular a quantidade de combustível a ser injetado, funcionando assim em open-loop (malha aberta).

Há também outras condições que fazem com que a unidade trabalhe em open-loop, ignorando o sinal da sonda lambda. São elas:

• Fase de aquecimento do motor (a sonda ainda não atingiu sua temperatura operacional)

• Aceleração rápida (enriquecimento proposital da mistura ar/combustível)

• Desaceleração (ocorre o corte de injeção na desaceleração, ou “cut-off”)

• Plena carga (enriquecimento proposital da mistura ar/combustível)A sonda está preparada para trabalhar numa variação de tensão entre 0 a 1 volt. Neste

caso, a unidade de comando (memória de calibração) é preparada para interpretar da seguinte maneira os valores obtidos pela sonda:

• Entre 450 a 550 milivolts- mistura próximo do ideal ou relação estequiométrica;

• Entre 50 a 450 milivolts- mistura pobre;

• Entre 550 a 900 milivolts- mistura rica;

• Abaixo de 50 milivolts - mistura extremamente pobre- grava código de defeito;

• Acima de 900 milivolts- mistura extremamente rica- grava código de defeito.

Figura 5: Diagrama lambda

Mistura Rica

Quando 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 externo, gerando muita difusão de íons de oxigênio, e a voltagem gerada será relativamente alta. Uma mistura rica causa desperdício de combustível e pode danificar o catalizador.

Mistura Pobre

Quando o motor está trabalhando com a mistura pobre, muito oxigênio estará presente no cano de escape, pois pouco oxigênio terá sido consumido para queimar o combustível. Assim, muitos íons se agruparão no eletrodo externo, gerando pouca difusão de íons de oxigênio, e a voltagem gerada será relativamente baixa. Uma mistura pobre prejudica o desempenho do motor e pode até causar falhas.

2.2.1 Funcionamento (movimentação Iônica)

O fluxo de íons de oxigênio pelos eletrodos de platina gera uma tensão elétrica devido à diferença de concentração de oxigênio entre os gases de escape e do ar ambiente. Se houver uma pequena diferença de concentração de oxigênio entre o ar ambiente e os gases do escapamento (devido ao baixo consumo de oxigênio) haverá baixo fluxo de íons pelos eletrodos e então a tensão elétrica será próxima de 0V (mistura pobre) e a ECU entenderá que deve enriquecer a mistura, aumentando o tempo de injeção do combustível. Quando houver uma grande diferença de concentração de oxigênio entre o ar ambiente e os gases do escapamento (devido ao alto consumo de oxigênio na combustão) haverá aumento do fluxo de íons pelos eletrodos e então a tensão elétrica será próxima de 1V (mistura rica) e a ECU entenderá que deve empobrecer a mistura, diminuindo o tempo de injeção do combustível e assim sucessivamente, alternando a tensão elétrica entre 0V e 1V.

2.3 Tipos de Sensores

Os sensores são normalmente classificados pelo número de fios (e suas funções), de acordo com elemento ativo ou ainda de acordo com a sua banda (estreita ou larga).

2.3.1 Classificação pelo número de fios

Figura 6: Fiação de diferentes sensores de oxigênio

No mercado nacional é comum encontrarmos sensores de oxigênio com diferentes números de fios condutores:

• Sensor com um fio - Conhecido como sonda lambda não aquecida-EGO (Exhaust Gas Oxygen Sensor), seu aquecimento ocorre somente devido ao contato direto do mesmo com os gases de escape. Possui somente o fio de saída do sinal. Seu aterramento é feito em sua própria carcaça.

• Sensor com três fios - Conhecido como sonda lambda HEGO (Heated Exhaust Gas Oxygen Sensor). Possui o fio de saída de sinal e os fios de alimentação do resistor de aquecimento. Seu aterramento é feito em sua própria carcaça.

• Sensor com quatro fios - Conhecido como sonda lambda HEGO (Heated Exhaust Gas Oxygen Sensor). Possui o fio de saída de sinal, os fios de alimentação do resistor de aquecimento e o fio de aterramento do sensor.

Figura 7: Diagrama do Circuito dos Sensores

2.3.2 Classificação pelo elemento ativo

Com relação ao elemento ativo, os sensores de oxigênio podem ser classificados em dois tipos:

● Sensor de oxigênio de zircônio (ZrO²)● Sensor de oxigênio de titânio (TiO²)

Figura 8: Diagrama da sonda de oxigênio

Sensor de Oxigênio de Zircônio (ZrO²) É o tipo mais difundido atualmente. É constituído de um elemento de cerâmica

(óxido de zircônio); 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 e a externa com os gases de escape.

Acima de 300ºC, o elemento de cerâmica se transforma em uma pilha cuja tensão depende da diferença de concentração de oxigênio entre a face interna e externa da sonda.

Sensor de Oxigênio de Titânio (TiO²)

São mais frágeis que as sondas de zircônio e o sinal de saída é muito dependente da tensão de alimentação. É constituída de material semicondutor (óxido de titânio) o qual 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 plaqueta de cerâmica aquecida por um circuito impresso resistivo; o período de aquecimento é de aproximadamente, 15 segundos. Não é muito comum no mercado nacional.

2.3.3 Classificação pela banda do sensor

Com relação ao sinal transmitido temos ainda dois tipos de sensores de oxigênio:

• Sensor de Banda Estreita

• Sensor de Banda Larga

Sensor de Banda Estreita (Narrow Band)

Esse tipo de sensor apenas pode informar à Unidade de Controle se uma mistura esta rica, estequiométrica ou pobre, sem informa-la o quanto ela rica ou pobre. Portanto ao realizar a correção de uma mistura que está pobre, a Unidade de Controle pode tornar a mistura rica, gerando o gráfico baixo. Sondas dos tipos EGO e HEGO são de banda estreita.

Figura 9: Voltagem medida em um sensor de banda estreita

Sensor de Banda Larga (Wide Band)

Esse tipo de sensor pode informar à unidade de controle o quanto uma mistura está rica ou pobre, de modo que a correção é mais precisa. A leitura desse sensor apresenta uma variação mais suave do sinal de saída e uma voltagem de saída deferente para cada taxa de ar/combustível em uma faixa maior, o que possibilita o maior controle da taxa de ar/combustível. Também é conhecido como UEGO (Universal Exhaust Gas Oxygen), esse sensor costuma ter 5 ou 6 fios e ainda é bastante incomum no mercado nacional popular. É um sensor mais comum em carros de corrida, já que pode medir o quanto uma mistura está rica (uma aceleração rápida requer certo enriquecimento na mistura, o que pode ser mais precisamente controlado pelo sensor de banda larga).

Segue abaixo os gráficos da voltagem gerada em relação à mistura para fins de comparação:

Figura 10: Comparativo entre os sensores de banda estreita de banda larga

2.3.4 Classificação Planar ou Convencional (Finger)

Figura 11: Sonda Lambda Convencional (Finger)

Convencional (Finger)

A sonda lambda convencional possui um maior tempo de aquecimento e pode ter de 1 à 4 fios. A identificação externa da sonda finger é feita pelas aletas presentes na sua grelha de proteção da cerâmica. Sua resistência interna, quando existente, normalmente possui de 4 a 6 ohms (com exceção de algumas).

Figura 12: Sonda Lambda Planar

Planar

A sonda lambda planar tem um aquecimento mais rápido (8 à 10 segundos contra 30 à 50 segundos da sonda lambda finger) devido à disposição da resistência interna e do elemento ativo em camadas, o que lhe garante menor tempo para que possa entrar em funcionamento. Sua resistência interna normalmente possui de 9 a 10 ohms. A identificação externa da sonda planar é feita pelos furos presentes na sua grelha de proteção da cerâmica. Possui sempre 4 fios.

2.4 Efeitos das alterações climáticas na quantidade de ar admitido

A proporção estequiométrica ideal para a combustão completa ar/combustível em kg é:

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

Figura 13: Medidas Estequiométricas 14,7:1 Gasolina

Efeitos climáticos podem afetar a densidade de oxigênio no ar, alterando assim a quantidade de volume de ar a ser admitido.

Efeitos da Temperatura

Se a temperatura do ambiente for alta, então a densidade do ar será menor, o que causará uma menor quantidade de oxigênio por metro cúbico de ar. O que fará com que a mistura de ar/combustível se torne mais rica.

Efeitos da Altitude

Se a altitude do ambiente for alta, então a densidade do ar será menor, o que causará uma menor quantidade de oxigênio por metro cúbico de ar. O que fará com que a mistura de ar/combustível se torne mais rica.

Efeitos da Umidade do Ar

Se a umidade do ar do ambiente for alta, então a densidade de água no ar será maior, o que fará com que a densidade do ar seja menor, o faz com que haja uma menor quantidade de oxigênio por metro cúbico de ar. O que torna a mistura de ar/combustível se torne mais rica.

3. Evoluções dos Sensores

Figura 14: Evoluções dos Sensores de Oxigênio

1976: O primeiro controle de emissõesO desenvolvimento da Sonda Lambda tornou os catalisadores mais eficientes e estáveis, o que já reduziu as emissões em 50%.Vida útil da sonda: Entre 50000 km e 80000 km

1985: Sondas Lambda aquecidasA instalação da sonda próxima do motor não era mais necessária. O aquecimento permitia que a operação do elemento do sensor fosse de mais de 350°C.Vida útil da sonda: Entre 100000 km e 160000 km

1985: Controle Funcional constanteA extensão da Sonda Lambda para a inclusão de uma quarta conexão facilitou seu controle. Quaisquer falhas ou danos podiam ser detectados facilmente.Vida útil da sonda: 160000 km

1990: Aquecimento mais rápidoA sonda Lambda planar com folhas de cerâmica de multicamadas atingia sua temperatura operacional duas vezes mais rápido. Isto reduziu as emissões em mais 50% na partida fria, que era uma etapa crítica.

1999: Para gasolina, diesel e gás naturalDuas células de medição e seis polos eram usados para medição mais precisa das emissões. Pela primeira vez, as sondas planares de banda larga também podiam controlar motores a gás natural e diesel.Vida útil da sonda: 160000 km

2002: Para gasolina, diesel e gás naturalOs veículos modernos requerem várias Sondas Lambda entre o motor e o escapamento, para garantir o controle ideal do motor e baixas emissões.

4. Outros usos para sensores de oxigênio

Além do uso automotivo, sensores de oxigênio também são usados em outras áreas, como a industrial, medicinal, tratamento de efluentes, entre outras.

Indústrias (sensor de oxigênio dissolvido)Na parte industrial, pode-se ser usado em cervejarias um

sensor de oxigênio ótico, esse sensor ajuda no processo de aeração do mosto. Sensores ópticos tem a vantagem de serem de fácil e rápida manutenção, possibilitando melhor segurança do processo com baixo custo de aquisição.

Tratamento de Efluentes (sensor de oxigênio dissolvido)

Na área de tratamento de efluentes, pode-se ser usados sensores de oxigênio dissolvido para controle de tanques de aeração, sendo, neste caso, necessários sensores altamente resistentes a ações químicas e físicas.

Fornos em Geral (sensor de oxigênio)Como o sensor lambda detecta a quantidade de oxigênio

que não é queimado, ele não é afetado pelo tipo de combustível usado, logo se pode ser usado nos mais variados fornos. Ressalta-se que dependendo do uso, a resistência física e química do sensor deverá mudar.

5. Falhas Comuns dos Sistemas

Por se localizar no tubo de escape e próxima ao motor, a sonda lambda está submetida a condições mecânicas, térmicas e químicas desgastantes: é atingida por pancadas, variações de temperatura, fuligem, gases prejudiciais, queima de óleo, etc.. A má qualidade do combustível é outro fator de desgaste precoce da sonda. O teste da sonda lambda deve ser um procedimento regular dos profissionais que procuram oferecer vantagens aos clientes. Por ser uma peça que envolve um funcionamento a altas temperaturas, muitas vezes a inspeção apenas visual é falha, pelo fato da peça poder estar funcionando mas parecer desgastada.

Figura 15: Diferenças entre Sondas Lambdas em boas condições e as defeituosas

O intervalo de testes para a sonda lambda recomendada pela fabricante Bosch é a cada 30000 km.

Os sensores de oxigênio podem ser contaminados pelas substâncias químicas encontradas nos gases de escapes de veículos, e após sanado o problema no motor ou no combustível, o sensor deve ser trocado. Segue abaixo as principais contaminações do sensor de oxigênio:

Figura 16: Mistura Rica Figura 17: Contaminação por Sílica

Figura 18: Líquido de Arrefecimento Figura 19: Alto Consumo de Óleo

Figura 20: Contaminação por Chumbo

Paradigma Técnico

Quando o sinal do sensor deixa de oscilar rapidamente (fica “travado”), muitos profissionais substituem o componente. Baseiam-se no fato de que quando um sensor de oxigênio está em boas condições de funcionamento o seu sinal deve estar oscilando rapidamente entre aproximadamente 0,100 volts VDC e 0,900 volts VDC. Normalmente cometem um engano, pois o sinal do sensor pode estar, por exemplo, “travado” em 0,200 volts VDC (mistura pobre) porque a mistura está realmente pobre e a UCE não está “conseguindo” efetuar o seu ajuste por já ter ultrapassado os seus limites de correção.

6. Principais Fabricantes

Bosch

Fabricante de sondas lambdas para uso automotivo e em motos.

NGK

Fabricante de sondas lambdas para uso automotivo e em motos.

MTE-THOMSON

Fabricante nacional de sondas lambdas para uso automotivo e em motos.

7. Conclusões

O uso do sensor lambda na ignição eletrônica melhora a eficiência de queima de combustível, o que reduz enormemente a quantidade de CO produzidos, além de melhorar a durabilidade dos componentes do sistema de combustão e proporcionar economia de combustível. Essas qualidades compensam enormemente o seu custo, já que não é um sensor caro. Além disso, a sonda lambda pode ser usada para detectar irregularidades no motor, desde que esses proporcionem uma mistura excessivamente rica ou pobre, evitando assim danos maiores.

8. Referências Bibliográficas

http :// www . alfatest . com . br / noticias / sensores . html http :// www . dicasmecanicas . com /2010/05/ sonda - lambda - saiba - mais / http :// quatrorodas . abril . com . br / autoservico / reportagens / conteudo _262424. shtml http :// pt . wikipedia . org / wiki / Sonda _ lambda http :// bestcars . uol . com . br / ct / lambda . htm http :// www . bosch . com . br / http://www.ngkntk.com.br/http://www.kitscar.com.br/http://www.odginstruments.com.br/

• A bíblia do carro

• Manual Bosch

• Catálogo Bosch

• Catálogo NTK

• Catálogo MTE - THOMSON

9. Anexos

Anexo 1 - Catálogos de peças Boschhttp://www.bosch.com.br/br/autopecas/produtos/injecao/downloads/Cat_Sonda_Lambda_2011-2012.pdf

Anexo 2 - Catálogos de peças MTE – THOMSOMhttp://catlambda.mte-thomson.com.br/

Anexo 3 - Catálogos de peças NTKhttp://www.ngkntk.com.br/velas/catalogo/sondaLambda2011.pdf