FAC. DE INGINERIE MECANIC

Catedra de Autovehicule i Motoare

Referat la

Bazele sistemelor automate

Tema: Sonda lambda binar

Student: Kanyar Attila

Secia AR

Anul IV, Grupa 1111

ndrumtor: Sef. lucr. dr. ing. Mihai Dogariu

Anul universitar 2014 - 2015

Semestrul II

Sonda lambda binar (senzorul de oxigen benzin) - mod de funcionare i diagnoz

Normele de poluare, fie ca sunt europene (Euro), americane (Tier) sau japoneze (Japan) impun productorilor

de autovehicule emisii poluante tot mai reduse. De asemenea, n marile aglomerri urbane, nivelul emisiilor

automobilelor are o importan mult mai mare deoarece afecteaz direct sntatea locuitorilor.

Sonda lambda (numit i sonda sau senzorul de oxigen) are o importan deosebit relativ la reducerea

emisiilor poluante de pe automobile. Produs al companiei Bosch, sonda lambda a fost utilizat pentru prima

oara alturi de un catalizator pe un automobil Volvo la sfritul anilor 1970. Dezvoltarea i proiectarea sondei a

fost nceputa n timpul anilor 1960 sub supravegherea dr. Gunter Bauman, n cadrul companiei Robert Bosch

GmbH.

Foto: Sonda lambda - senzorul de oxigen

Sursa: Bosch

Aplicaiile principale ale sondei lambda sunt motoarele pe benzin. Sonda se utilizeaz i pe motoarele diesel

dar mult mai restrns. Motivul este acela ca motoarele pe benzina funcioneaz n jurul amestecului

stoichiometric n timp ce motoarele diesel funcioneaz cu amestecuri srace.

Emisiile poluante ale automobilelor

nainte de a explica modul de lucru al sondei lambda trebuie s avem o imagine clar a emisiilor poluante de pe

automobile. Principalele emisii poluante ale automobilelor sunt: o monoxidul de carbon CO;

o oxizii de azot NOx;

o hidrocarburile HC;

o particulele PM.

Cea mai des utilizat metod de a reduce emisiile poluante de pe un automobile este catalizatorul. n cazul n

care catalizatorul reduce proporiile de CO, NOx i HC din gazele de evacuare, acesta se numete catalizator pe

trei ci. Orice sistem de post tratare a emisiilor poluante al unui automobil, ce utilizeaz uncatalizator, are n

componenta i o sond lambda. Eficacitatea catalizatorului depinde n ntregime de buna funcionare a sondei

lambda.

Amestecul stoichiometric

Pentru a asigura arderea complet a combustibilului din motor (benzin sau motorin) este nevoie de o

anumita cantitate de oxigen deci de o anumita cantitate de aer. Astfel, pentru a arde complet 1 kg de benzin

avem nevoie de aproximativ 14.7 kg de aer. Dac acest raport se pstreaz (14.7:1) i n cilindru putem spune

c amestecul din cilindru este stoichiometric. Notaia utilizat n literatura de specialitate, pentru evalua

raportul aer:combustibil din motor, este litera greceasca lambda (). Relativ la tipul amestecului aer-

combustibil din motor putem avea urmatoarele situaii:

o amestec bogat ( < 1): n acest caz combustibilul este n exces, aerul nefiind suficient pentru o ardere

complet;

o amestec stoichiometric ( = 1): n acest caz raportul aer-combustibil este ideal arderea fiind complet;

o amestec srac ( > 1): n acest caz aerul este n exces, arderea fiind complet dar cu exces de oxigen;

Rolul sondei lambda Tipul amestecului aer-combustibil, bogat sau srac, influeneaz n mod direct nivelul emisiilor 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-combustibil

a. fr catalizator

b. cu catalizator

Eficacitatea catalizatorului este maxim atunci cnd amestecul aer-combustibil este stoichiometric. Rolul

sondei lambda este de a informa calculatorul de injecie care 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 aer

2. catalizatorul primar

3. catalizatorul secundar

4. injectoarele de combustibil

5. sonda lambda amonte

6. sonda lambda aval

7. circuitul de alimentare cu combustibil

8. galeria de admisie

9. galeria de evacuare

ECU calculatorul 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 n bucla 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 a diagnostica 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:

o sonde lambda binare

cu zirconiu;

cu titan;

o sonde lambda liniare

o Sonde 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), numita celul 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 pe galeria de evacuare (1) prin intermediul carcasei cu filet (2). n

interiorul tubului de protecie (3) se gsete corpul ceramic din dioxid de zirconiu (4). Acesta este nvelit cu doi

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)

conine orificii (8) care au rolul de a permite aerului atmosferic s intre n contact cu unul dintre

electrozi. Arcul (7) asigura contactul ntre conectorul (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 dac amestecul 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 aproximativ 0.8 ... 0.9 V. n cazul n care amestecul 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 ordinul 0.1 ... 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 o diferen de potenial ntre electrod i mas (galeria de

evacuare) care este citit i interpretat de calculatorul 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 de sond binar vine de la faptul c sonda identific doar dou stri ale

amestecului, bogatsau srac, 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 de emisii poluante. Astfel, pentru a minimiza timpul de inactivitate al sondei lambda toate versiunile

curente sunt prevazute cu o rezisten electric de nclzire.

Foto: Conexiunea electrica a unei sonde lambda cu un singur fir

Sonda 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 o sinusoid.

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

termic n 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 eficiena catalizatorului.

Implementarea celui de-al doilea senzor s-a fcut datorit normelor OBD 2 care 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 la diagnosticarea catalizatorului.

Este mai puin probabil ca sonda de dup catalizator sa 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:

o tensiunea de ieire;

o scurt circuitele;

o rezistena intern;

o viteza de trecere de la amestec bogat la amestec srac;

o viteza de trecere de la amestec srac la amestec bogat;

n cazul defectrii sondei lambda amestecul aer-combustibil va fi neechilibrat, consumul de combustibil

va crete, emisiile de fum se vor intensifica iar performanele automobilului vor fi diminuate.

Sonda lambda este un element cheie n funcionarea optim a motorului, defectarea sau ncercarea de

eliminare a acesteia din sistem va conduce la declanarea modului de funcionare n regim de avarie al

motorului, cu consecine negative asupra consumului i a performanelor.