Sonda Lambda

16
SONDA LAMBDA Sonda Lambda este un senzor amplasat pe tubulatura de evacuare si conectat la ECU, care in esenta consta intr-un conductor de curent electric a carui intensitate variaza in functie de cantitatea de oxigen care traverseaza sonda. In interiorul acesteia exista un material ceramic poros, din dioxid de zirconiu (ZrO2). Intensitatea curentului prin placa de zirconiu variaza in functie de numarul de molecule de oxigen care traverseaza materialul ceramic. Deoarece sonda functioneaza optim doar la temperaturi mari, „la rece”, pina cind gazele de esapament ating temperaturi de 4-500 oC, sonda este incalzita de o rezistenta din interiorul ei, dupa care caldura ii va fi furnizata chiar de temperatura gazelor de esapament. Autoturismele cu motorizari euro 3 si 4 au chiar 2 sonde, una amplasata inaintea catalizatorului pentru optimizarea amestecului aer/combustibil, si una dupa catalizator, pentru verificarea eficientei acestuia. Constructorii recomanda verificarea sondei la fiecare 30 000 de kilometri sau la fiecare doi-trei ani de functionare a masinii si schimbarea sondei in cazul cind apar probleme in functionarea acesteia. Pentru ca una din sursele majore de poluare o reprezinta gazele incomplet arse emise de motoare in atmosfera, constructorii au pus la punct sisteme de limitare a emisiilor poluante. Printre acestea se numara convertoarele catalitice (ceramice sau metalice), amplasate pe tubulatura de evacuare a vehiculelor si sondele de masurare a gazelor arse provenite din motor. Emisiile puternice de gaze de esapament apar atunci cind carburantul este incomplet ars, motorul este defectuos reglat, cind se porneste sau se opreste motorul sau la deplasarea cu viteza redusa. In urma cu cca. 25 de ani, in scopul reducerii efectului de poluare al autovehiculelor, constructorii auto au dezvoltat un senzor denumit sonda Lambda – care poate masura cantitatea de oxigen evacuat in urma procesului de ardere al motorului. Aceasta este localizata pe sistemul de evacuare al

Transcript of Sonda Lambda

SONDA LAMBDA

Sonda Lambda este un senzor amplasat pe tubulatura de evacuare si conectat la ECU, care in esenta consta intr-un conductor de curent electric a carui intensitate variaza in functie de cantitatea de oxigen care traverseaza sonda. In interiorul acesteia exista un material ceramic poros, din dioxid de zirconiu (ZrO2). Intensitatea curentului prin placa de zirconiu variaza in functie de numarul de molecule de oxigen care traverseaza materialul ceramic. Deoarece sonda functioneaza optim doar la temperaturi mari, la rece, pina cind gazele de esapament ating temperaturi de 4-500 oC, sonda este incalzita de o rezistenta din interiorul ei, dupa care caldura ii va fi furnizata chiar de temperatura gazelor de esapament. Autoturismele cu motorizari euro 3 si 4 au chiar 2 sonde, una amplasata inaintea catalizatorului pentru optimizarea amestecului aer/combustibil, si una dupa catalizator, pentru verificarea eficientei acestuia. Constructorii recomanda verificarea sondei la fiecare 30 000 de kilometri sau la fiecare doi-trei ani de functionare a masinii si schimbarea sondei in cazul cind apar probleme in functionarea acesteia.Pentru ca una din sursele majore de poluare o reprezinta gazele incomplet arse emise de motoare in atmosfera, constructorii au pus la punct sisteme de limitare a emisiilor poluante. Printre acestea se numara convertoarele catalitice (ceramice sau metalice), amplasate pe tubulatura de evacuare a vehiculelor si sondele de masurare a gazelor arse provenite din motor. Emisiile puternice de gaze de esapament apar atunci cind carburantul este incomplet ars, motorul este defectuos reglat, cind se porneste sau se opreste motorul sau la deplasarea cu viteza redusa. In urma cu cca. 25 de ani, in scopul reducerii efectului de poluare al autovehiculelor, constructorii auto au dezvoltat un senzor denumit sonda Lambda care poate masura cantitatea de oxigen evacuat in urma procesului de ardere al motorului. Aceasta este localizata pe sistemul de evacuare al gazelor, inaintea convertorului catalitic la motorizarile Euro1/2 si inainte si dupa catalizator la motorizarile Euro 3/4. Sonda Lambda asigura sporirea eficientei catalizatorului, dar si emisii reduse de noxe in atmosfera. In sarcina maxima a motorului, de exemplu la viteza de virf, pentru a mentine viteza, sistemul este dezactivat pentru a preveni saracirea exagerata a amestecului. Sonda Lambda are rolul de a regla amestecul aer/combustibil prin comanda asupra injectiei de benzina astfel incit acest amestec sa fie convenabil regimului de moment al motorului. Daca sonda detecteaza prea mult oxigen in gazul evacuat, inseamna ca motorul merge cu un amestec prea sarac (in combustibil); prin urmare, este marita cantitatea de benzina. Daca, dimpotriva, este prea putin oxigen in evacuare, inseamna ca amestecul este prea bogat si ECU reduce cantitatea de benzina din admisie. Defectarea sondei duce la functionarea anormala a motorului. La fel si defectiunile de etansare a admisiei de aer/circuitelor de reglaj vacuumatic asa-numita admisie de aer fals induce in eroare sonda Lambda care da informatia ca amestecul este prea sarac. Prin urmare, electronica (ECU) va pompa mai multa benzina in cilindri (corespunzator cantitatii de aer aspirat in mod normal + cel fals) si motorul va functiona cu detonatii in evacuare, eventual se ineaca. Dupa reglajul amestecului aer-combustibil necesar unei arderi cit mai bune, gazele evacuate ajung in asa-numitul catalizator unde, intr-adevar, gazele se oxideaza la contactul cu platina si celelalte materiale de reactie. Functionarea defecta a unui motor cu o sonda de O2 (Lambda) defecta determina utilizarea de amestecuri bogate, rezultand un consum marit de benzina, deteriorarea in scurt timp a catalizatorului si uzura prematura a motorului, provocata de excesul de benzina care ajunge in baia de ulei. Prin folosirea unui astfel de echipament se poate ajunge la o reducere a emisiilor de pina la 90%.In principal sonda masoara in mod constant cantitatea de oxigen din gazele evacuate i trimite semnalul sub forma de voltaj ctre unitatea de comand a motorului. ECU (calculatorul central al masinii) foloseste semnalele primite de la sonda pentru a ajusta amestecul in vederea obtinerii amestecului ideal:14,8kg aer cu 1kg benzina, pentru care asa-numitul factor Lambda este egal cu 1. Valorile de iesire ale senzorului variaza intre 0.2 V (amestec sarac) si 0.8 V (amestec bogat), variatia ideala fiind in jurul valorii de 0.45 VRealizarea optima a amestecului asigura o eficien i o durat de via maxime ale catalizatorului. O sond lambda uzat poate cauza un consum excesiv de benzin, emisii de noxe crescute, uzur excesiv a catalizatorului i scderea performanei motorului.Exist cinci tipuri de sonde lambda fundamental diferite. n cazul fiecrui tip, sonda variaz n ceea ce privete designul elementului din ceramic, elementului de nclzire i tubului de protecie, toate acestea afectnd funcionarea sondei.-Sonda lambda nenclzit: Acesta a fost primul design de sond lambda, Bosch producndu-l din anul 1976. Se utilizeaz un element ceramic cu bioxid de zirconiu pentru a genera tensiune ntr-un mediu cu un coninut ridicat de gaz (oxigen insuficient).-Sonda lambda nclzit: a fost lansat de Bosch n anul 1982 i funcioneaz n acelai mod ca sonda nenclzit, ns n interiorul manonului se afl un element de nclzire special, care aduce senzorul la temperatura de funcionare n aproximativ 30-60 de secunde.-Sonda Planar: A fost lansat de Bosch n anul 1997 i utilizeaz tehnologie senzorial din ceramic cu bioxid de zirconiu, ns este amplasat ntr-o form mai compact i mai plat (de aici i denumirea).-Sonda planar de band larg este cel mai nou design de senzor de oxigen i ofer exactitatea sporit necesar pentru a ntruni cele mai recente cerine privind emisiile. Se utilizeaz un element ceramic planar cu bioxid de zirconiu, astfel nct se nclzesc mult mai rapid dect alte tipuri de senzori, reducnd emisiile n cazul pornirii la rece. Suplimentar, senzorii sunt utilizai la motoarele recent dezvoltate u injecie direct de carburant.-Sonda lambda cu titan: Aceti senzori utilizeaz un tip diferit de tehnologie pentru detectarea oxigenului i, n loc de a genera un semnal de tensiune care se odific odat cu raportul aer/carburant, se modific rezistena senzorului. Aceti senzori sunt utilizai pe mai puin de 0,5 % din autovehiculele dotate cu sonda lambda. . Printre simptomele sondelor lambda defecte sunt: - Eec la testul emisiilor (caracteristic, o concentraie mare de CO i/sau HC)- Catalizator deteriorat (cauzat de o concentraie mare de carburant)- Consum crescut de carburant (cauzat de o concentraie mare de carburant)- Motorul funcioneaz neregulat - Performane reduse Sonda lambda se poate defecta prematur dac este contaminat cu fosfor rezultat din consumul excesiv de ulei, silicon din scurgerile sistemului de rcire, utilizarea produselor de etanare din silicon n motor i unii aditivi pentru carburant. Chiar i o cantitate redus de benzin slab rafinat poate defecta o sond lambda. Factorii de mediu, precum stropii de pe osea, sarea, uleiul i murdria pot cauza defectarea senzorului, ca i ocurile termice, tensiunea mecanic sau manevrarea incorect.

Testarea nu este complicat dar se face obligatoriu n service i de ctre personal calificat. O sond defect poate fi detectat rapid i uor cu un volt-ohm-metru digital, dar una lent poate fi diagnosticat numai cu un osciloscop sau un scopmetru profesional.

nc din anul 1980 sondele lambda sunt n dotarea standard a majoritii autovehiculelor cu motoare pe benzin. n mod normal, sondele lambda sunt situate n sistemul de evacuare, naintea catalizatorului, pentru a msura emisiile de noxe. Din anul 1996, odat cu utilizarea sistemelor de diagnosticare OBDII, auto-vehiculele necesit i sonde lambda suplimentare, n spatele convertorului catalitic, pentru a asigura funcionarea corect a acestuia. Bosch a creat pe piaa specific un program pentru sonde lambda universale. Acestea ndeplinesc cerinele de funcionare OE i au un sistem patentat de conectori, ce faciliteaz instalarea. Acest sistem de conectori s-a dovedit a fi etan, protector mpotriva contaminrii i rezistent la efectele temperaturilor extreme i ale vibraiilor motorului. n prezent, Bosch pune la dispoziie 9 tipuri de sonde lambda universale, pentru a oferi performane ct mai apropiate de cele ale sondelor din prima dotare. Conform unui studiu realizat n anul 1996, sondele lambda uzate sunt singura surs important de emisii excesive n cazul autovehiculelor cu injecie de carburant. Agenia de Protecie a Mediului din SUA (EPA) i Comisia din California pentru Resur-sele Aerului (CARB) au descoperit c nlocuirea sondei lambda era necesar la 42%-58% din numrul total de autovehicule care emiteau cantiti mari de hidrocarburi sau monoxid de carbon. Testarea sondelor lambda conform procedurilor de service ale productorilor de autovehicule i nlocuirea unei sonde lambda lente sau uzate poate economisi ntre 10 % i 15% mai mult carburant i se amortizeaz ntr-un an numai din economisirea carburantului, n timp ce emisiile autovehiculului sunt coborte la nivelul corespunztor. De asemenea, poate reduce posibilitatea ca o concentraie mare de carburant s deterioreze catalizatorul autovehicului.

1 Carcasa. 2 Element activ.3 Filet.4Inel ceramic.5Protectie termica.6Conectori electrici.7. Carcasa de protectie cu fanta de masura8 Element de incalzire.9. Contact de ncalzire..

= 1 amestec optim, valoare a tensiunii in jur de 0,5V > 1 amestec sarac (prea mult aer), zona b < 1 amestec bogat (prea mult combustibil), zona a

Rolul sondei lambda Tipul amestecului aer-combustibil, bogat sau srac, influeneaz n mod direct nivelulemisiilor poluante. Astfel n caz unui amestec bogat, combustibilul fiind n exces, arderea este parial, rezult emisii bogate n monoxid de carbon (CO) i hidrocarburi (HC). n cazul amestecurilor srace, oxigenul fiind n exces, conduce la creterea nivelului de oxizi de azot (NOx) din gazele de eapament. Compromisul este fcut n cazul amestecului stoichiometric, caz n care emisiile sunt la un nivel mediu pentru fiecare din cele trei componente (CO, HC i NOx).

Foto: Nivelul emisiilor poluante ale unui automobil n funcie de tipul amestecului aer-combustibila. fr catalizatorb. cu catalizator Eficacitateacatalizatoruluieste maxim atunci cnd amestecul aer-combustibil este stoichiometric. Rolul sondei lambda este de a informacalculatorul de injeciecare este starea amestecului aer-combustibil. Pe baza informaie primite de la sond calculatorul va ajusta injecia de combustibil astfel nct amestecul s se menin n jurul valorii stoichiometrice.

Foto: Controlul n bucla nchis al injeciei de combustibil.Sursa: Wikimedia Commons Schema de principiu a controlului amestecului aer-combustibil n jurul valorii stoichiometrice se compune din:1. senzorul de mas de aer2. catalizatorulprimar3. catalizatorulsecundar4. injectoarele de combustibil5. sonda lambda amonte6. sonda lambda aval7. circuitul de alimentare cu combustibil8. galeria de admisie9. galeria de evacuareECUcalculatorul de injecie Utiliznd informaia de la senzorul de mas de aer, calculatorul de injecie ajusteaz timpul de deschidere al injectoarelor reglnd astfel cantitatea de combustibil injectat. Acest mod de control al injecie se numete control nbucla nchis(closed loop control) i se bazeaz pe informaia primit de la senzori. A doua sond lambda, de dup catalizator, are rolul de a monitoriza activitatea catalizatorului, pentru a ne asigura c acesta funcioneaz n parametrii normali. Cu alte cuvinte rolul sondei lambda n aval de catalizator este de adiagnostica funcionarea catalizatorului.Modul de funcionare al unei sonde lambda n echiparea automobilelor de serie exista mai multe tipuri de sonde lambda. Un criteriu de clasificare ine cont de principiul de funcionare i de numrul de conexiuni electrice. Astfel, dac le clasificam dup principiul de funcionare, distingem: sonde lambda binare cu zirconiu; cu titan; sonde lambda liniareSonde lambda binare cu zirconiu Acestea sunt primele tipuri de sonde lambda utilizate n industria automobilelor. Principiul de funcionare se bazeaz pe modul de funcionare al unei celule de combustie (fuel cell), numitacelul Nernst. Acest tip de sond lambda este de tipul senzorului generator, senzor care produce o tensiune electric fr s fie alimentat la o sursa de tensiune exterioar. Tensiunea electric generat de sond este produs de diferena de molecule de oxigen din gazele de eapament i aerul atmosferic.Foto: Seciune longitudinala printr-o sond lambda Sonda lambda se conecteaz pegaleria de evacuare(1) prin intermediulcarcasei cu filet(2). n interiorultubului de protecie(3) se gsetecorpul ceramic din dioxid de zirconiu(4). Acesta este nvelit cudoi electrozi(5), unul n contact cu gazele de evacuare iar cel de-al doilea cu aerul atmosferic. De reinut c electrodul care este n contact cu gazele de evacuare este acoperit de un material ceramic poros care permite ptrunderea gazelor i n acelai timp protejeaz suprafaa electrodului de coroziune.Carcasa de protecie(6) conineorificii(8) care au rolul de a permite aerului atmosferic s intre n contact cu unul dintre electrozi.Arcul(7) asigura contactul ntreconectorul(9) i electrod.

Foto: Sonda lambda - componente n funcie de cantitatea de oxigen din evacuare sonda lambda genereaz o tensiune care semnaleaz calculatorului de injecie dac amestecul este srac sau bogat. Astfel dacamestecul este bogat( < 1) atunci n gazele de eapament se afl o cantitate foarte mic de oxigen. n acest caz sonda lambda va genera o tensiune de aproximativ0.8 ... 0.9 V. n cazul n careamestecul este srac( > 1) oxigenul se va gsi n cantitate mare n gazele de evacuare, diferena de molecule de oxigen fiind mic tensiunea generat va fi de ordinul0.1 ... 0.2 V. Cu cat diferena dintre moleculele de oxigen este mai mare, ntre gazele de eapament i aerul atmosferic, tensiunea generat de sonda lambda este mai mare.

Foto: Principiul de funcionare al sondei lambda Ionii oxigenul din gazele de evacuare sunt condui prin intermediul dioxidului de zirconiu ctre electrodul n contact cu aerul atmosferic. Se creeaz astfel odiferen de potenial ntre electrod i mas(galeria de evacuare) care este citit i interpretat decalculatorul de injecie. n cazul n care amestecul este bogat (aprox. 0.9 V) calculatorul de injecie va aplica corecii, ceea ce va conduce la o srcire a amestecului (aprox. 0.2 V). Rezult c tensiunea de ieire a sondei lambda va avea un salt de la 0.9 la 0.1 V sau de la amestec bogat la amestec srac.

Foto: Nivelul tensiuni generate de senzorul de oxigen n funcie de tipul amestecului aer-combustibil Denumirea desond binarvine de la faptul c sonda identific doar dou stri ale amestecului,bogatsausrac, fr a putea determina care este nivelul exact de mbogire sau srcire. Un dezavantaj al sondei lambda este acela c funcioneaz numai la temperaturi n jur de 350 C. Din acest motiv controlul mbogirii amestecului nu funcioneaza exact din momentul demarrii motorului, ci numai dup ce temperatura sondei a ajuns la valoarea nominal. Acest mod de funcionare este n defavoarea reducerii nivelului deemisii poluante. Astfel, pentru a minimiza timpul de inactivitate al sondei lambda toate versiunile curente sunt prevazute cu orezisten electric de nclzire.

Foto: Conexiunea electrica a unei sonde lambda cu un singur firSonda lambda cu trei sau patru fire

Foto: Conexiunea electrica a unei sonde lambda cu trei sau patru fire.Diagnosticarea sondei lambda n funcie de tipul amestecului aer-combustibil, bogat sau srac, sonda lambda genereaz o tensiune ce are forma semnalului similara cu osinusoid.

Foto: Tensiunea generat de o sond lambda binar Odat ce senzorul a ajuns la temperatura nominal de funcionare (aprox. 350 C), pentru o turaie amotorului termicn jur de 2000 rot/min, tensiunea generat de sonda lambda ar trebui s sa situeze n intervalul 0.2 ... 0.9 V. Trecerea de la tensiunea de 0.2 V la 0.9 V ar trebui s se produc n aproximativ 0.3 secunde (durata tranziiei). Diferena de tensiune dintre amestecul bogat i srac ar trebui sa se situeze n jurul valorii de 0.45 V. Perioada semnalului trebuie s se ncadreze ntre 0.7 i 1 secunde n cazul n care sonda lambda funcioneaz la parametrii nominali.

Foto: Semnalul sondei lambda n cazul unei funcionri defectuoase n cazul n care perioada semnalului este mai mare dect valorile recomandate, sonda ar trebui examinat n detaliu i nlocuit dac este cazul. O reacie mai lent din partea sondei conduce la concluzia c aceasta prezint defecte sau este mbtrnit, ne mai fiind funcional la parametrii nominali.

Configuraiile care conin dou sonde lambda sunt utilizate pentru a monitoriza eficienacatalizatorului. Implementarea celui de-al doilea senzor s-a fcut datorit normelorOBD 2care cer ca fiecare component care este implicat direct n reducerea emisiilor poluante s fie diagnosticat. n cazul n care catalizatorul funcioneaz corect tensiunea sondei lambda de dup catalizator (aval) are amplitudinea mai mic, aceeai frecven i faza cu tensiunea sondei dinainte de catalizator (amonte).

Foto: Semnalul sondei lambda dup catalizator funcionare corect Diferena de tensiune dintre sonda lambda din amonte i cea din aval ajut ladiagnosticarea catalizatorului. Este mai puin probabil ca sonda de dupcatalizatorsa se defecteze (datorit mbatrnirii) deoarece este supus unor regimuri termice mai sczute. Din acesta cauza calculatorul de injecie utilizeaz tensiunea produs de sonda de dup catalizator pentru a compensa abaterile de la parametrii nominali ale primei sonde. Performana sondei lambda este monitorizat de calculatorul de injecie utiliznd urmtorii parametrii: tensiunea de ieire; scurt circuitele; rezistena intern; viteza de trecere de la amestec bogat la amestec srac; viteza de trecere de la amestec srac la amestec bogat; n cazuldefectrii sondei lambdaamestecul aer-combustibil va fi neechilibrat,consumulde combustibil vacrete,emisiilede fum se vorintensificaiarperformaneleautomobilului vor fidiminuate.Sonda lambdaeste un element cheie n funcionarea optim a motorului, defectarea sau ncercarea de eliminare a acesteia din sistem va conduce la declanarea modului de funcionare nregim de avarie al motorului, cu consecine negative asupra consumului i a performanelor.