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Em 2012, quando entrou o em vigor o Proconve L6 (Euro 5) nos veículos diesel leves, surge a introdução da sonda lambda de banda larga (4 e 6 pinos) nos motores, como objetivo de melhorar o controle da mistura ar combustível e ajudar no controle da válvula EGR e regeneração do filtro DPF, componentes esses que passaram a ser imprescindíveis nos motores para atender às normas de emissões. Já nos motores atuais que passam a atender à norma Proconve L7/L8 (euro 6) a sonda lambda tem sido substituída pelo sensor de Nox, que além de medir o teor de Nox no escapamento, também consegue fazer uma leitura do teor de oxigênio, reduzindo assim a utilização da sonda lambda. Reduzindo, mas não retirando esse importante componente por completo, pois alguns veículos como Iveco Daily e HR, mesmo com a utilização dos sensores de Nox antes e depois do catalisador SCR, ainda continuam utilizando a sonda lambda no controle de emissões e mistura ar /combustível. Vamos tratar nesse artigo sobre a funcionalidade e testes da sonda lambda de banda larga de 06 fios, a mais utilizada nos motores diesel Euro 5 e euro 6. Alguns veículos como Toyota Hilux e Nissan Frontier utilizam uma sonda de banda larga de 4 fios, porém esse será tema de outro artigo posterior. SONDA LAMBDA DE BANDA LARGA 06 FIOS APLICAÇÃO DIESEL Este sensor é designado para medir a porcentagem de oxigênio nos gases de escape. A sonda LSU 4.9 é um modelo planar de 06 pinos com aquecedor integrado. O valor medido pelo sensor de oxigênio é comparado a um valor calculado pelo módulo de controle do motor e, se necessário, modificações são feitas no mapa de injeção e fluxo de ar medido. Esse sensor ajuda também a controlar a atuação da EGR, sendo determinante na indicação de entupimento ou travamento aberto da mesma, pois caso um desses problemas ocorra afetará a combustão do motor e consequentemente o teor de oxigênio nos gases de escape. O sensor lambda de banda larga LSU (Lambda Sensor Universal) é um sensor de corrente limitador de duas células ZrO2 planar com aquecedor integrado. Este sensor é perfeitamente adequado para medir o conteúdo de oxigênio e o valor λ dos gases de escape do motor. Por causa de sua característica constante em uma faixa entre λ=0,8 até o ar, este sensor pode ser usado universalmente: para operação pobre e para operação rica também (regeneração do catalisador de armazenamento de NOX). Por isso é empregada para o gerenciamento dos motores diesel, pois esses tendem a trabalhar sempre numa zona de funcionamento mais pobre. O módulo conector compreende um resistor de equalização, que determina a característica do sensor e é, acima de tudo, necessário para garantir a função do sensor. O LSU, além disso, precisa de um circuito de avaliação especial.
A medição efetuada pelo sensor de oxigénio é fortemente influenciada pela pressão do ambiente de medição, pelo que a presença do DPF pode influenciar negativamente o valor lido pelo sensor. O mapeamento específico na unidade de controle permite que a alteração da pressão introduzida pelo DPF seja levada em conta para o cálculo correto da relação ar / combustível. O sensor lambda de 06 fios possui um tempo de resposta ainda mais rápido e confiável do que os outros sensores de banda larga. Pela primeira vez, o aquecedor e o elemento sensível, ambos cerâmicos, foram montados em conjunto para minimizar as perdas de calor e tornar o sensor rapidamente efetivo. O elemento sensível atinge a temperatura de operação após apenas cinco segundos da ativação, 10 segundos menos do que os sensores da geração anterior. Além disso, melhorou ainda mais o design do sensor, de modo que é mais resistente a altas temperaturas e, portanto, pode ser instalado mais próximo das válvulas de escape O design de ponta do tubo de proteção melhora a resistência aos choques térmicos causados por salpicos e às substâncias nocivas contidas em combustível e óleo.
Para começar, vamos revisitar o conceito de funcionamento de uma sonda convencional baseado no princípio da célula Nerst, o qual também está presente em uma sonda de banda larga.
A célula Nerst (base de qualquer tipo de sonda lambda) está baseada na comparação do percentual de oxigênio (O2), presente nos gases de escapamento, com relação a uma referência fixa de O2 encapsulada dentro da sonda.
Dentro desta dinâmica, os gases resultantes da combustão entram na sonda lambda atravessando a camada cerâmica, a qual, assim como os compostos do elemento sensor, se torna condutiva a partir de uma temperatura superior aos 360º. Depois de superar a primeira camada, o oxigênio presente nos gases reage quimicamente ao tomar contato com elemento sensor de medição, liberando íons de oxigênio carregados eletricamente. Para que este fenômeno eletroquímico aconteça, o elemento sensor é construído com compostos a base de dióxido de zircônio, platina e outros metais nobres.
Desta forma, se estabelece uma diferença de cargas elétricas, a qual é recolhida pelos contatos, gerando uma tensão elétrica que será interpretada como a geração de tensão da sonda lambda.
No sentido prático, quando o resultado da combustão é o caraterístico ao de uma mistura rica (falta O2 nos gases de escapamento), a diferença de potencial entre o oxigênio dos gases de escapamento e o oxigênio encapsulado na câmara da sonda será maior, gerando portanto uma maior tensão (aproximadamente 900 mV). Já no caso contrário, para os casos de misturas pobres (alta presença de O2 nos gases de escapamento), a diferença de potencial será menor, gerando, portanto, uma menor tensão lambda. Está justamente neste ponto o fator que nos traz de volta para o problema original: estamos falando da capacidade de gerar sinais com misturas pobres (funcionamento do motor Diesel).
Quando as misturas são muito pobres, a diferença de concentração de oxigênio entre os gases de escapamento e o oxigênio de referência da sonda lambda são tão pequenas, que não se estabelece uma diferença de potencial elétrico capaz de gerar uma tensão mensurável; Portanto, a sonda lambda perde seu range de medição entrando na condição de circuito aberto (Open Loop). Apresentado o problema da limitação para realizar medições de misturas muito pobres (com déficit de oxigênio), a solução encontrada pela engenheira para superar este problema poderia ser resumida dentro de uma nova lógica: “Se falta oxigênio para realizar a medição, vamos introduzir oxigênio na sonda” Então, vamos ver agora como isso é feito dentro de uma sonda de banda larga.
A figura 2 mostra os elementos que compõem uma sonda lambda de banda larga em um corte lateral, representando o dimensional mais comum encontrado no mercado. Como é possível ver na figura 2, a principal diferença estética da sonda de banda larga com relação à sonda tradicional está na quantidade de conetores elétricos (5 ou 6), assim como, no elemento sensor – célula de medição, a qual concentra a célula de medição Nerst e um novo elemento chamado de célula de bombeamento. Justamente este novo componente (célula de bombeamento), também conhecido pelo nome de bomba de O2, será a responsável por “introduzir” o oxigênio adicional que permitirá realizar as medições de gases de escapamentos com déficit de oxigênio (mistura pobre).
Para compreender o conceito de funcionamento da célula de bombeamento, devemos partir da premissa de que, por mais que se utilize a palavra “bomba” ou “bombeamento”, não se trata propriamente de uma bomba que pulsa oxigênio (ar do exterior). Trata-se, mais uma vez, de um fenômeno eletroquímico mediante o qual determinados materiais nobres integrados em uma célula/placa recebem um estímulo elétrico (corrente elétrica), permitindo a liberação de íons de oxigênio (átomos de O2 carregados eletricamente).Desta forma, o funcionamento de uma célula de bombeamento está baseado em um princípio eletroquímico o qual determina que, ao alimentar a célula com corrente elétrica (carga positiva), é possível aumentar a concentração de oxigênio em um determinado recinto (câmara interna), e da mesma forma, invertendo a polaridade de alimentação elétrica (carga negativa), é possível reverter o mencionado processo, diminuindo a concentração de oxigênio dentro dessa mesma câmara ou encapsulamento.
Sendo assim, já podemos deduzir que a célula de bombeamento receberá uma alimentação elétrica que poderá ser positiva ou negativa; sendo esta capacidade administrada conforme a necessidade de adequação da concentração de oxigênio para efeitos de uma medição comparativa com o oxigênio encapsulado na célula de referência. A mencionada alimentação de corrente é regulada e medida em amperes (especificamente em miliamperes; mA).
Exemplo de gases de escape ricos em ar: A célula de bombeamento tira uma quantidade de oxigênio da câmara de medição e libera-a para fora com uma "corrente de bombeamento positiva".
Quando os gases de escape entram na câmara de medição, o λ> 1.
Assim, para manter λ = 1 na câmara de medição, deve ser aplicada uma corrente de bombeamento positiva.
Como a corrente de bombeamento é positiva, ele remove o excesso de oxigênio (O2) da câmara de medição e o envia para os gases de escape.
Caso de gases de escape pobres em ar:
A célula de bombeamento envia oxigênio para a câmara de medição "corrente de bombeamento negativa".
Quando os gases de escape entram na câmara de medição, o λ <1.
Assim, para manter λ = 1 na câmara de medição, deve ser aplicada uma corrente de bombeamento negativa.
Como a corrente de bombeamento é negativa, ele remove o oxigênio (O2) dos gases de escape e o envia para a câmara de medição.
Tensão VS de referência e corrente de bombeamento Ip
Na figura 5 temos a tensão de referência de 450 mV indicando lambda 1. Quando a corrente de bombeamento for 0 mA indica lambda 1. Corrente acima de 0 mA indica mistura pobre, corrente de Ip (bombeamento) menos que 0 mA mistura rica. Quanto mais positiva a corrente, mais pobre a mistura, quanto mais negativa, mas rica a mistura.
Medição dos gases de escape pelo sensor
1. O pino 1 fornece a corrente ao potenciômetro 2. O Pino 2 está conectado à terra virtual 3. O Pino 3 está conectado ao aquecedor negativo 4. O Pino 4 fornece o valor da corrente de bombeamento 5. O pino 5 está conectado ao aquecedor positivo (V bat.) 6. O pino 6 fornece a tensão para a câmara de medição 7. Célula de bombeamento 8. Câmara de medição A tensão de bombeamento Vs aplicada aos eletrodos da célula de bombeamento permite que o oxigênio contido nos gases de escape passe pela cerâmica e entre na saída da câmara de medição. Um circuito eletrônico no módulo de controle do motor ajusta a tensão Vs aplicada à célula de bombeamento, de modo que a composição de gases de escape na câmara de medição mantenha um valor constante de λ = 1. Especificações técnicas: - Tensão de alimentação nominal do aquecedor: 12 V - Potência dissipada a 12 V 12 W - Resistência do aquecedor 2,5 Ω ... 4,0 Ω - Temperatura de escape: 750-950 ° C - Tempo de ativação: 8 segundos - Conectores elétricos: 6 pinos - Valor de tensão permitido na célula de bombeamento Ip (-2,0 V ... 2,5 V) com - Lambda> 0,75 e valor da câmara de medição Vs (tensão de referência) 450 mV Modo de medição Para obter o sinal de saída, a fonte de alimentação da unidade de controle deve ser mantida. Dado o tipo de sinal, para vê-lo, você precisa do equipamento de diagnóstico. Pelo valor da corrente a central determina o fator lambda (mistura) do momento. Pelo valor da corrente de Ip (bombeamento) ou lambda, sabemos no motor diesel o quanto pobre está a mistura.
É muito comum nos motores diesel, funcionando em marcha lenta, encontrarmos lambda próximo de 3,0 e corrente de Ip (bombeamento) de 1,5 a 1,7 mA.
1 – Corrente de bombeamento Ip 2 – Massa virtual 3 – Negativo do aquecedor (comando PWM do módulo de injeção) 4 – Alimentação do aquecedor Vat. (via fusível de proteção) 5 – Resistor calibração 6 – Tensão para célula Nerst Teste da sonda lambda pré-catalisador com uso do multímetro: Em uma sonda de banda larga, seu teste com multímetro é um pouco mais complicado que a sonda convencional (banda estreita). Na sonda convencional, além de medir o valor da resistência e alimentação do resistor de aquecimento, testemos o sinal gerado e pelo valor da tensão (entre 100 a 900 mV) sabemos se a mistura está rica ou pobre. Na sonda de banda larga, tambémos podemos medir a resistência e alimentação do aquecedor (em caso de falha no aquecedor a mesma não funciona), mas também medimos a resistência do resistor de calibração (30 a 300 ohms), a tensão de referência (450 mV) e a tensão de bombeamento (para gerar a corrente de bombeamento, pois não há corrente sem tensão). Mas pelo valor da tensão de bombeamento não é possível determinar a mistura, pois a variação é muito pequena, sendo necessário um scanner para ler a corrente de bombeamento ou o valor lambda. Na figura abaixo temos uma tabela de resumo para teste rápido da sonda de banda larga LSU 4.9 diesel com o multímetro. Condições para medição: - Conector da sonda ligado (exceto para as medições de resistência); - Chave de ignição ligada (exceto para as medições de resistência); - Motor funcionando em marcha lenta (exceto para as medições de resistência).
Sonda lambda depois do catalisador NSC / DPF O sensor de oxigênio depois do catalisador NSC está localizado na extremidade da unidade CCDPF nos motores 2.0 Multijet diesel aplicados nos veículos Fiat / Jeep (Toro, Compass, Renegade) norma de emissões Proconve L6 (Euro 5). O sensor de oxigênio de banda larga de 4,9 depois do NSC é um sensor de célula dupla ZrO2 planar com aquecimento integrado. A parte sensível é protegida do fluxo de gases por uma cobertura com duas camadas com aberturas de acesso perpendiculares entre si.
O sensor NSC a jusante (depois do DPF) verifica a eficiência do catalisador NSC (utilizado para conversão de HC, Co e Nox nos motores citados), isto é, reconhece que a conversão de Nox foi bem sucedida. Seu PIN OUT e principio de funcionamento são idênticos a sonda pré-catalisador NSC / filtro DPF. Pela leitura do teor de oxigênio, ela consegue avaliar a eficiência da conversão catalítica no NSC.
1 – Corrente de bombeamento Ip (fio vermelho) 2 – Massa virtual (fio amarelo) 3 – Negativo do aquecedor (fio branco) 4 – Alimentação do aquecedor Vat. (fio cinza) 5 – Resistor Nernst (fio verde) 6 – Tensão para célula Nerst (fio preto) Sonda lambda: Reset após a substituição Após substituição da sonda lambda (pré ou pós DPF), devido à falha no funcionamento da mesma, é necessário realizar o reset da sonda via equipamento de diagnóstico. Esse reset permite que os valores de correção na quantidade da injeção principal de diesel memorizados na central em relação ao sinal lido pela sonda lambda sejam zerados na unidade de controle. A não realização desse procedimento pode ocasionar em funcionamento irregular do sistema, podendo provocar a memorização de falhas.
