Sonda Lambda de Banda Larga

Saiba quais são os conceitos de funcionamento das sondas lambda de 5 e 6 fios, as chamadas sondas de banda larga, em comparação aos sensores de oxigênio convencionais

 

Compreender o funcionamento de uma sonda lambda de banda larga (Wide-band) tem sido tema recorrente entre os técnicos automotivos, principalmente motivados pela lógica de operação deste tipo de sensor, assim como com tudo o relacionado à análise de sinais com objetivos de diagnóstico.

Na prática, as sondas lambda de banda larga apresentam uma caraterística física muito semelhante se comparadas com os modelos de sondas convencionais, sendo apenas perceptível uma diferença na quantidade de conexões (fios elétricos), os quais se incrementam para o caso das sondas de banda larga. Ou seja, quando na maioria das sondas lambdas convencionais encontramos 4 conexões elétricas, em uma sonda de banda larga podem ser encontrados entre 5 e 6 fios de conexão.

UM POUCO DE HISTÓRIA

Muitos técnicos podem se perguntar o motivo pelo qual a indústria passou de uma sonda lambda de 4 fios para modelos com 5 ou 6 conexões elétricas. Como na maioria dos casos que envolvem evoluções tecnológicas no setor automotivo, o motivo responde ao controle de emissões (normas ambientais), assim como, à capacidade de fazer motores a combustão mais eficiente do ponto de vista energético.

Neste sentido, os motores ciclo Otto foram evoluindo e ficando cada vez mais eficientes, partindo sempre da premissa de que se considera eficiência desde a perspectiva de uma máquina térmica, a capacidade de aproveitar a energia contida cada grama de combustível… Resumindo este conceito de forma prática, podemos dizer que se trata de obter um maior torque e potência com o menor consumo de combustível possível.

E necessariamente para diminuir o consumo de combustível, é preciso trabalhar com misturas de combustível mais pobres (menor quantidade de combustível na relação AF). Isso acaba determinando a principal causa pela qual a sonda lambda convencional (sonda de salto) deixa de atender as exigências para medir o resultado da combustão de forma precisa, especificamente falando dos motores de última geração – o que determina, desta forma, a limitação de uma sonda lambda convencional para medir relações ar/combustível muito pobres os quais vão além de um fator lambda (λ)1.3.

Sendo assim, e com a aparição de valores fora do espectro de medição de uma sonda convencional, se torna necessário a introdução de uma nova tecnologia, surgindo desta forma, as sondas lambda de banda larga.

CONCEITOS E FUNCIONAMENTO

Para começar, vamos revisitar o conceito de funcionamento de uma sonda convencional baseado no princípio da célula Nerst, a qual também estará presente em uma sonda de banda larga.

A figura 1 mostra o princípio de funcionamento da célula Nerst (base de qualquer tipo de sonda lambda), o qual está baseado na comparação do percentual de oxigênio (O2), presente nos gases de escapamento, com relação a uma referência fixa de O2 encapsulada dentro da sonda (4).

Dentro desta dinâmica, os gases resultantes da combustão (1) entram na sonda lambda atravessando a camada cerâmica (2), a qual assim como os compostos do elemento sensor, se tornam condutivos a partir de uma temperatura superior aos 360. Depois de superar a primeira camada, o oxigênio presente nos gases reage quimicamente ao tomar contato com elemento sensor de medição (3), 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, platino e outros metais nobres.

Desta forma, se estabelece uma diferença de cargas elétricas a qual é recolhida pelos contatos (a) e (b), 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 (sobra O2 nos gases de escapamento), a diferença de potencial entre o oxigênio dos gases de escapamento e o oxigênio encapsulado na câmara da sonda (4) será maior, gerando por tanto 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.

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).

A LÓGICA DA SONDA DE BANDA LARGA

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 (1), a qual concentra a célula de medição Nerst e um novo elemento chamado de célula de bombeio.

Justamente, este novo componente (célula de bombeio), também conhecida com o 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 bombeio representada na figura 3 com o número (8), devemos partir da premissa de que, por mais que se utiliza a palavra “bomba” ou “bombeio”, 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 bombeio, 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 bombeio 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 (5).

A mencionada alimentação de corrente é regulada e medida em amperes (especificamente em miliamperes; mA).

Agora juntando as peças representadas na figura 3, podemos seguir a sequência dos gases de escapamento (1), os quais em primeira instância também cumprem com a função de elevar a temperatura do conjunto da sonda, com o objetivo de atingir o mínimo operacional de 350˚C, fator o qual também determina a necessidade de um circuito de aquecimento (3), para garantir uma rápida disponibilidade do sensor na fase fria do motor.

Uma vez que os gases de escapamento são introduzidos na sonda pela passagem (10), é superada a camada porosa de cerâmica (9), o que permite o ingresso de uma quantidade proporcional de gases (amostra proporcional dos gases presentes no escapamento), se deslocando até ocupar o espaço na barreira porosa de difusão (11), local no qual será estabelecida uma concentração determinada de O2 correspondente à relação ar/combustível dominante nessa fase específica de funcionamento do motor.

Desta forma, agora se encontram disponíveis dois setores com concentrações de O2 diferentes. Por um lado, o setor composto pela barreira de difusão (11), com um recinto de ar para difusão (6), o qual passa a ter contato com a região sob incidência da célula de bombeio (8). E por outro lado, existe outra concentração de oxigênio encapsulada dentro da célula de referência (5), a qual trabalha com um valor de O2 fixo, mantendo uma proporcionalidade de aproximadamente 21% de oxigênio no total da composição dos gases presentes.

Dando sequência, e considerando que agora a sonda lambda conta com 2 setores com valores proporcionais de O2 diferentes, esta diferença proporcional se transforma em uma diferença de potencial elétrico, a qual é mensurada e administrada por um circuito eletrônico representado na figura 3 com o número (4).

Este circuito eletrônico mostrado na figura 3 será o responsável por fornecer a tensão para o aquecimento da sonda (UH); e a tensão de referência de medição URef., a qual estabelece como referência o valor de 450 mV para o valor correspondente a λ1.

Será também o circuito eletrônico (4), o responsável pelo monitoramento da tensão lambda (US), assim como, pela geração da corrente de bombeio (IP).

Como parte do conceito de funcionamento da sonda lambda de banda larga, e o funcionamento do circuito de bombeio com a geração da corrente (IP), é possível identificar no gráfico da figura 4, a relação entre a corrente de bombeio (IP), e o fator lambda (λ).

Lembrando que o fator λ1 representa a mistura ideal ou estequiométrica a qual em valores de tensão corresponde a 450 mV; desta forma, valores inferiores a λ1 correspondem a valores de mistura rica, e valores superiores a λ1, são os correspondentes aos valores de mistura pobre.

Como mostra o gráfico acima, este tipo de sonda consegue medir valores de mistura muito pobres, ou seja, valores muito diferentes de λ1.

Para fazer este tipo de medições, é possível identificar no gráfico (4) que o circuito eletrônico através da célula de bombeio conta com a capacidade de gerar correntes positivas e negativas e, desta forma, se adequar para conseguir medir uma alta variabilidade de relações ar/combustível.

Os valores de corrente gerados pelo circuito eletrônico (4) e enviados para a célula de bombeio (8) são valores de alimentação extremamente baixos (na ordem dos milivolts), fator que determina a impossibilidade de medir o correto funcionamento da sonda a nível de diagnóstico, principalmente se objetivo for utilizar como referência os valores de corrente da célula de bombeio. Desta forma, o diagnóstico deste tipo de tecnologias é realizado a partir de leituras com scanner de diagnóstico automotivo.

artigo por Diego Riquero Tournier fotos Arquivo Bosch

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